南四湖流域近45a水质净化服务功能的时空演变及其影响因素

研究区域生态系统的水质净化服务功能的时空变化趋势及其驱动因素可以更加有效地保护流域水环境和合理开展土地利用规划。以南四湖流域1975-2020年9期土地利用数据为基础,以流域氮、磷输出负荷表征水质净化服务功能,运用InVEST-Nutrient Delivery Ratio(NDR)模型模拟流域1975-2020年水质净化服务功能的时间变化趋势,并利用GIS空间统计分析、景观格局分析和地理探测器等探讨土地利用、景观格局和其他自然和社会经济因素对水质净化服务功能的影响。结果表明,1975-2020年近45 a中南四湖流域氮、磷输出量呈先增加后减少再增加趋势;空间上,2020年流域西部平原地区氮、磷输出量较高,流域北部次之,流域东南部最低;相关分析表明,林地、草地对流域氮、磷输出起拦截阻滞作用,建设用地则对流域氮、磷输出起促进作用;景观格局指数分析表明,平均形状指数(SHAPE_MN)、平均相似度指数(SIMI_MN)、斑块结合度(COHESION)、蔓延度指数(CONTAG)和景观形状指数(LSI)等景观指数对氮、磷输出起促进作用,散布与并列指数(IJI)、平均聚集指数(CONTIG_MN)和平均核心斑块指数(CAI_MN)等则对氮、磷输出起阻滞作用。地理探测器分析表明,建设用地是水质净化服务功能的主要控制因素。

基于输出系数模型的南四湖流域非点源污染输出风险评估

[目的]探究非点源污染物N、P输出风险在不同子流域、坡度等级和县市区的分布特征,为南四湖流域不同风险区制定管理方案和控制对策提供科学依据。[方法]以数字高程模型(digital elevation model,DEM)为基础数据,运用ArcGIS软件,提取南四湖流域的DEM,制作坡度等级图,再运用水文分析功能,提取水系图、河流图、并划定子流域,结合2013年南四湖流域土地利用图,通过运用输出风险模型分析不同的土地利用类型和坡度下氮(N),磷(P)污染的空间变化。[结果]氮素的平均风险概率达到51.67%,磷素的平均风险概率达到9.14%,南四湖流域非点源污染输出风险湖东小于湖西;随坡度增大,高风险区面积减小,低风险区面积增加;就不同县市区而言,济宁市中区的N风险较小之外,其余县市区N风险均较大,P风险较小。[结论]N是流域最主要的非点源污染物,非点源污染输出风险大小与土地覆盖和坡度有密切关系。

1975—2018年南四湖流域景观生态风险时空变化及其驱动因素研究

研究区域的景观生态风险变化趋势及其驱动因素,可以更加科学地保护和开发流域生态系统。以南四湖流域1975—2018年9期土地利用数据为基础,借助ArcGIS 10.2和Fragstats 4.2等软件计算景观生态指数,并构建景观生态风险评估模型,通过空间自相关性分析,探究南四湖流域自改革开放40年来生态风险的时空变化,并用地理探测器定量研究驱动因子的贡献量。研究结果表明:流域最大斑块指数不断减小,景观破碎化加剧,且与景观生态风险指数呈正相关;而平均分维数、香浓多样性和香浓均匀度与生态风险指数呈负相关。在空间上,生态风险指数具有较强集聚性,东部草地和林地区域主要是高值区,湖区北部以及西部耕地和建设用地则主要是低值区;总体上,研究区大部分为低风险和较低风险区,且生态风险平均值不断降低;地理探测器分析表明,海拔和人为干扰度因子贡献量在35%以上,对生态风险有显著的解释力。据此,以后应减少人类行为对南四湖流域生态系统的干预,降低流域的景观生态风险,实现经济、社会和生态的可持续发展。

南四湖流域关键生态系统服务的时空权衡关系

从多尺度科学地研究流域各生态系统服务间的权衡与协同关系,对流域实现经济发展与生态保护双重目标具有重要研究意义。运用InVEST模型模拟评估产水量、水质净化、土壤保持、碳存储、生物多样性维持和授粉等6类区域关键生态系统服务,并通过热点分析、相关分析和主成分分析,定量分析自改革开放以来(1980-2018年)这些生态系统服务的时空变化及其在不同尺度上的权衡关系。结果表明:(1)南四湖流域产水服务呈上升趋势,而水质净化、土壤保持、碳储存、生境质量、授粉等服务则总体呈下降趋势。(2)研究区东部林地和草地广布,是碳存储、生境质量和授粉服务的高值区,而建设用地分布的地区是产水量和土壤保持服务的高值区。(3)产水量与水质净化服务之间呈权衡关系,水质净化与生境质量、碳存储与授粉之间则存在较强的协同关系。(4)在子流域尺度上主要是存在着供给服务(产水量)与调节服务(水质净化和土壤保持)、供给服务(产水量)与支持服务(生境质量)之间的空间权衡关系;在县域尺度上,供给服务、调节服务与支持服务(产水量、水质净化、碳存储、生境质量和授粉)之间主要是空间协同关系,两个尺度之间具有较大差异。研究结果可为管理者在合适的空间尺度上制定相应的政策提供科学支撑,促进南四湖流域生态环境和社会经济协同发展。

基于CLUE-S模型的南四湖流域土地利用变化模拟

南四湖流域涉及四省多市,具有较高的经济产值与生态环境保护地位,文章构建经济效益和生态效益为主的多目标模型,结合引入空间权重因子的CLUE-S模型,模拟现状增长、生态保护、耕地保护3种情景下流域内2050年土地利用情况.结果表明:(1)1990-2005年,建设用地大幅增长伴随着耕地及生态用地的快速减少,2005-2015年建设用地规模进一步扩大,现阶段城市扩张为耕地减少的主要原因,城市有继续向西南扩张的趋势.(2)2015-2050年现状增长情景下,地类面积减少幅度耕地>草地>林地,原城镇边缘大面积耕地被建设用地替代;生态保护情景下,减少幅度耕地>建设用地,生态用地均在现状基础上向四周延伸以满足生态需求;耕地保护情景下,耕地减少幅度得到有效控制,为平衡经济效益与生态效益两目标,草地在原有基础上小面积增加.(3)本文设定3种情景较为理想,最终土地利用布局更多地取决于决策者对目标的偏好设定,因此未来研究需设定更加合理、全面的约束条件及土地利用类型分布规则.

基于系统动力学的南四湖流域用水需求模拟模型研究

在对南四湖流域水资源系统及社会经济系统进行动态分析的基础上,运用系统动力学的基本理论和方法,构建用水需求与经济社会相互制动的系统动力学模型。系统模型模拟的结果表明:依靠农业节水、限制高用水工业发展规模、重点发展第三产业和提高水资源利用系数的综合调控措施,可以实现水资源供需平衡和用水需求与经济社会发展的制动匹配;模型输出可以为南四湖流域需水管理和流域管理部门制定政策提供参考。

1980—2015年南四湖流域景观格局及其脆弱性

流域景观格局及脆弱性变化对流域生态环境具有重要影响.为保障南四湖流域生态环境安全,本研究以流域1980—2015年7期土地利用数据为基础,通过计算景观格局指数分析南四湖流域景观格局变化,利用景观适应度(LAI)和景观敏感度指数(LSI)构建景观格局脆弱度(LVI),并分析其空间分布与变化.结果表明:1980—2015年,南四湖流域耕地面积比例下降4.6%,建设用地增加39.7%,其他土地利用类型呈波动变化,林地、草地、未利用地面积减少,水域面积增加.耕地一直是南四湖流域的优势景观类型.耕地和水域破碎度增加,其他地类破碎度降低.流域景观整体破碎度有所缓和,景观类型之间形成了较好的连接性,景观格局的不规则性和复杂性下降并朝着均匀化和多样化方向发展.各时期流域景观脆弱度大体上表现出东部高于西部、北部高于南部的趋势,其空间分布与流域地形,以及景观类型的分布、土地利用变化有关.研究期间,流域LVI整体下降,东部景观脆弱度严重地区的景观格局开始趋于分散,逐渐被低一级脆弱区所取代,西北部地区脆弱度的回升最明显,南部及西南部一直是低脆弱区.

流域洪水资源利用的现状与潜力评估方法

评价洪水资源利用现状和潜力，是开展流域洪水资源利用，进而缓解水资源短缺矛盾的首要工作。本文认为流域洪水资源可利用量是洪水调控利用能力的函数，对应任何洪水调控利用能力的洪水资源均可划分为可利用量和不可利用量两部分；采用极限分析理论，推理分析流域洪水资源现状利用潜力、理论利用潜力和流域洪水资源现状可利用量、理论可利用量之间的数量关系，完善和统一了流域洪水资源利用的概念体系和评价方法。作为实例，评价了南四湖流域洪水资源利用现状和利用潜力，得出现状和理论可利用量分别为16．29-18．08亿m^2、20．50～21．55亿m^3，现状和理论利用潜力分别为2．66～3．86亿m^3和6．78～7-33亿m^3，指出现状洪水资源利用的阈值空间和未来挖掘方向，对流域洪水资源利用实践具有重要的参考价值。

基于LUCC的南四湖流域面源污染输出风险评估

基于1990-2015年土地利用和统计数据,运用输出风险模型、CA-Markov模型及回归模型,结合GIS技术,对南四湖流域的1990-2015年间土地利用覆盖变化情况和面源污染输出风险空间变化情况进行分析,模拟了2020年土地利用变化和输出风险空间分布。结果表明:研究期间,南四湖流域主要的土地利用类型为耕地和建设用地,共占总研究面积的85%以上;TN、TP有明显的风险变化对比,TN风险值分布在0～0.65,TP风险值约在0～0.12之间,氮为流域内主要污染物;在1990-2005年间,TN风险呈先增加后减少的趋势,2010年之后急剧增大。TP风险随着时间的增加一直下降;从空间分布上来看,风险较高的污染区多位于南四湖区以西的平原地带,南四湖东部的山地地区污染风险型较低,多为低风险污染区。较2015年,2020年的未利用地面积变化不大,除建设用地数量增加外,其他用地面积均有不同幅度的减少,TN风险略有减小,TP风险变化不大。为了控制研究区域面源污染的发展,相关部门需把提高农业科技、减少肥料施用作为当下的工作重心,从源头上控制污染发生。