耕地利用转型碳储量时空分异特征及脱钩效应研究

【目的】研究耕地利用转型的碳储量时空异质性及与粮食生产之间的脱钩关系,为实现低碳农业和保障粮食安全提供科学依据。【方法】以松花江流域哈尔滨段为研究区,基于碳储量测算方法和核密度分析模型,揭示1990—2020年研究区耕地利用转型的碳储量时空分异特征,并借助Tapio脱钩模型,探究耕地利用转型碳储量损失与粮食生产之间的脱钩效应。【结果】①1990—2020年研究区耕地面积逐渐减少,耕地与建设用地之间的转型最为剧烈。耕地利用转型碳储量呈大幅度下降趋势,1990—2000年碳储量增加38.863×10^(4) t,而2010—2020年碳储量损失6012.175×10^(4) t,损失近155.701倍。②1990—2020年耕地利用转型碳储量重心基本保持稳定,向东北方移动了13.396 km,空间上呈现“边密中疏”的分布格局,且集聚性逐渐增强,由单核分布向多核分布转变,破碎化程度加剧。③1990—2020年研究区耕地利用转型碳储量损失与粮食生产脱钩经历了强脱钩—弱脱钩—扩张连接的过程,脱钩关系向非良性趋势发展。④1990—2020年研究区脱钩空间分异特征显著,内部空间差异较大,呈现不均等性,由两级分化向三级分化转变。【结论】1990—2020年松花江流域哈尔滨段耕地利用转型过程中导致碳储量不断下降,且空间破碎化程度显著,碳储量损失严重影响粮食安全,研究区应重视粮食碳储量损失对粮食安全的威胁。

生态服务价值与景观格局演变关系研究——以松花江(哈尔滨段)为例

目前生态服务价值(ESV)与景观格局关系的研究仍处于静态层面,本文利用相关系数法对松花江流域(哈尔滨段)景观格局变化与ESV变化影响关系展开研究与分析。研究表明ESV主要与景观类型面积、景观破碎度和景观多样性有关,当景观类型面积变化大、景观破碎度降低、多样性增加时,有利于生态服务价值的增加。

松花江流域(哈尔滨段)景观格局脆弱性变化及空间关联格局分析

通过景观格局敏感性、适应性及人口压力指数构建景观格局脆弱性指数,以松花江流域(哈尔滨段)为研究对象,在完成研究区域2005年、2010年和2015年三期景观类型提取的基础上,借助地统计学理论及空间自相关分析方法,对2005-2015年区域景观格局脆弱度的时空变化特征及空间关联格局进行分析。结果表明:1)研究区域景观格局脆弱度整体呈现先增加后减小的变化趋势,脆弱度全局自相关莫兰指数分别0.4761、0.3978和0.4671,表现为较强的正相关,Z-Score值分别为50.21、41.96和49.26,呈聚类模式的空间分布;2)景观脆弱度高-高聚集分布由中东偏南区域向中西部转移,低-低聚集分布区域未发生较大变化,但逐渐表现为深度聚集状态;3)三期景观格局脆弱性空间相关性主要受结构性因素影响,但自2010年人类活动对景观格局的影响程度加深。

松花江流域哈尔滨段景观生态风险评价

以松花江流域哈尔滨段为研究区域,通过景观易损度指数及景观类型面积比重结合层次分析权重赋值法构建景观生态风险指数,对区域进行景观生态风险的时空变化特征及空间自相关关系进行研究.结果表明:①20年间,松花江流域哈尔滨段景观生态风险整体上呈现先增加后减小的变化,高风险区和较高风险区面积先增加后减少,低风险区、较低风险区和中等风险区面积先减少后增加;②三期景观生态风险全局自相关莫兰指数分别为0.5125、0.5552和0.6055,表现为较强的正相关,土地生态风险呈聚类模式的空间分布;③20年间,区域景观生态风险高-高聚集、低-低聚集分布区域并未发生较大变化,但逐渐表现为较分散的分布;④三期景观生态风险空间相关性主要受结构性因素影响,且影响程度逐渐加深.

松花江哈尔滨段浮游动物群落结构特征与水质评价

2012年对松花江哈尔滨段浮游动物群落结构进行调查研究,并结合理化指标评价法对水质进行评价.结果显示:共鉴定出浮游动物40种,其中原生动物9种,轮虫27种,枝角类2种,桡足类2种;污染指示种34种,其中寡污性为10种,o-β中污性为6种,β-中污性为9种,β-α中污性为4种,α-中污性为5种;全年平均丰度为1042.0 ind./L,生物量为0.078 mg/L.常见种有萼花臂尾轮虫(Brachionus quadridentatus)、螺形龟甲轮虫(Keratella cochlearis)和针簇多肢轮虫(Polyarthra trigla),均为中污染指示种;各样点污染程度在季节变化和全年变化中均表现一致,总体是上游水质优于下游,季节污染程度是夏季>秋季>春季.整体评价结果显示,松花江哈尔滨段水体已处于中富营养水平、中度污染状态.本研究结果可为松花江水质生态评价、水环境监测及水资源管理提供重要的理论依据.

生态系统服务价值时空变化及分布均匀度变化分析

以松花江流域哈尔滨段为研究区域,采用生态系统服务价值(ESV)区域修订模型计算ESV,对区域ESV时空变化特征及空间相关性进行研究,计算区域ESV数量与空间分布均匀度及变化.结果表明:①研究区域ESV存在很强的空间相关性,不同年份各级别ESV分布差异不大;②1995年、2005年和2015年不同等级ESV在数量分布均匀度上呈现先减小后增加的变化,均匀度都比较低;③各等级ESV空间分布不均匀,低值ESV空间分布均匀度均大于0.7,在研究区域内空间分布均匀,其余各等级ESV空间分布均匀性均小于0.5,都处于不均匀分布状态,三期ESV平均空间分布均匀度呈现先增加后减小的变化.

松花江哈尔滨段冰下浮游生物群落结构与环境因子的相关分析

基于典范对应分析(CCA)对松花江哈尔滨段冬季冰下浮游生物的群落结构与水环境因子进行了相关分析,以揭示调查江段冰下浮游生物群落结构特征及其与环境因子的相关性。结果表明,在松花江哈尔滨段冰下共发现了6门30种属浮游植物,密度均值为16.32×104ind/L,生物量均值为0.1579mg/L,优势种中优势度较高的颗粒直链藻最窄变种Melosira granulate var.angustissima是典型的污染指示种;浮游动物鉴定有4类15种属,密度均值为31ind/L、生物量均值为0.09mg/L,主要优势种为萼花臂尾轮虫Brachionus calyciflorus是常见的冰下优势轮虫;浮游生物兼有冬季北方河流特点和轻度污染河流特征。CCA分析显示,上、中、下游浮游生物的群落结构与环境因子相关性差异较大。影响冰下浮游植物分布格局的重要环境因子为溶解氧、硝酸盐氮、钾离子和浮游动物的数量;亚硝酸盐氮、钙离子、总磷是影响水域冰下浮游动物分布的重要环境因子。

松花江流域(哈尔滨段)生态系统价值权衡与协同关系研究

以松花江流域(哈尔滨段)为研究对象,通过提取1995年、2005年和2015年3期景观类型数据,对研究区域进行5 km×5 km网格划分,采用生态服务价值(ESV)区域修订模型,计算三期网格各类ESV,随机抽取10%网格采用相关分析法进行各类ESV权衡与协同关系研究,通过权衡与协同度计算法对整个研究区域各类ESV进行权衡与协同关系研究。结果表明,原料生产和水资源供给与多类ESV存在权衡关系,其余9类型ESV与多类ESV存在协同关系。

基于CVM的城镇河流生态系统服务非使用价值评估

为了更好地保护城市河流生态系统,文章采用条件价值评估法(CVM),对城镇河流生态系统服务的非使用价值进行了评估。研究中采用实地调研的方式,进行支付意愿问卷调查,共发放支付卡式问卷550份,收回有效问卷536份。获取公众对松花江哈尔滨市区段的平均支付意愿(WTP)为39.97元/月/户,计算得到松花江哈尔滨市区段的生态系统服务非使用价值为8.262亿元/年。研究结论可在松花江河流治理等方面,为相关单位提供理论依据和数据参考,为松花江的可持续性发展提供科学依据。

冰雪消融期松花江哈尔滨段干流水动力模拟及其时空分布特征分析

受春季冰雪消融的影响,我国北方地区的河流会形成桃花汛期,期间河流的水位、水深和流场较其它季节会发生较大变化,从而对流域水环境管理和水资源保护的利用产生影响.为科学地对松花江哈尔滨段在冰雪消融期水动力变化情况进行分析,利用Arc GIS 10.0对DEM影像进行矢量化,在Delft3D-RGFGRID中创建正交曲线网格,基于EFDC模型建立松花江哈尔滨市段二维河流数值水动力模型.模拟了2014年1月-10月间的整个河段不同时空条件下的水动力变化情况,根据哈尔滨市水文站2013年、2014年实测数据对模型的参数和模拟结果进行率定和验证,模拟水位与实测水位最大相差0.33 m,相对误差<10%,吻合度高.模拟结果表明:整个江段平均水位在桃花汛期可达116.38 m,丰水期进一步上升至116.54 m,枯水期为115.64 m,平水期为116.23 m.朱顺屯和阿什河口断面水深在丰水期都明显大于桃花汛期,呼兰河口和大顶子山断面两汛期的水深几乎持平,大顶子山断面水深在各时期都较浅,附近易发生冰塞.朱顺屯、阿什河口、呼兰河口大顶子山桃花汛期流速分别为0.55、0.61、0.43、0.57 m·s-1;丰水期流速分别为0.59、0.66、0.47、0.63 m·s-1,各断面桃花汛期的流速与丰水期流速相当,略小于丰水期,流向平稳无涡旋.该模型可以较好的模拟河道水力要素随时间及空间演变规律,以便在不同典型水文年进行水力模拟和预测,可为松花江冬春季通航管理、水资源配置、水质模拟、水质目标管理、水环境容量计算和污染物总量减排提供决策依据.

松花江流域(哈尔滨段)景观敏感度时空变化分析

以松花江流域(哈尔滨段)为研究区域,基于2010和2015年Landsat TM/ETM遥感影像进行景观类型提取。对两期影像进行网格划分,根据景观敏感度计算公式对网格进行相关景观指数提取,计算网格敏感度,并进行克里格插值,形成景观敏感度及变化连续空间分布。研究结果表明:从2010年到2015年,研究区域整体景观敏感度从26.888变为21.239;景观敏感度变化较多的区域位于中部偏东区域及东部边缘地区,是因为伴随着城镇化的进程易损度较高的耕地不断减少,易损度较低的居民地城镇用地随之增加;随着规划用地日趋合理化,易损度高的未利用地呈现快速减少的态势。

松花江流域(哈尔滨段)景观格局脆弱性高程分异

以松花江流域(哈尔滨段)为研究区域,对研究区域按高程划分分带,在完成2005、2010和2015年3期景观类型提取的基础上,统计研究区域各高程分带景观类型面积,计算研究区各高程分带3期景观格局脆弱性,分析研究区域各景观脆弱性随时间及高程的变化特征。结果表明:1)从2005年到2015年间,研究区域整体景观格局脆弱性呈现先增加后减小的变化。2)不同景观高程分布特征变化明显。耕地、建设用地和未利用地主要分布在低、中高程分带,水域主要分布在低高程分带,林地主要分布在高高程分带。随着高程的增加,耕地、水域和未利用地分布比例大体上逐渐减少,林地、建设用地分布比例增加。草地景观按高程分带并未呈现出规律性的变化。3)从2005年到2015年,低高程分带景观格局脆弱性逐渐降低,中、高程分带景观格局脆弱性均为先增加后降低。随着高程的增加,景观格局脆弱性呈现先增加后减小的变化,中高程分带3期景观格局脆弱性均值最大,为2.2505,高高程分带3期景观格局脆弱性均值最小,为1.9097。

松花江哈尔滨段水环境质量评价及污染源解析

为全面了解松花江流域哈尔滨段的水质污染状况,根据2015年松花江流域哈尔滨段丰水期、平水期和枯水期的水质监测数据,采用主成分分析(PCA)对水质污染现状进行综合评价,并根据主成分分析计算得到的相关数据进行APCS-MLR(绝对主成分多元线性回归分析),量化主成分对各污染物的贡献率.在评价过程中,充分利用ArcGIS软件对不同断面水质状况进行可视化表征,展现水环境质量的空间特征,更加直观地表达水质的区域差异性.结果表明:松花江哈尔滨段水体的主要污染物包括COD_(Cr)、TN和NH_3-N,丰水期第1主成分对其贡献率分别为69.97%、69.18%、74.23%,平水期为22.91%、22.21%、37.57%,枯水期为83.77%、83.60%、83.09%;6个断面中,朱顺屯断面的水质优于其他断面的水质,上游水质优于下游水质;研究水体水质总体上表现为丰水期优于枯水期.研究表明,污染物主要受到生活污水和该江段沿岸石化、汽车和造纸企业工业废水排放的影响.污染物主要来源于阿什河口内和呼兰河口内断面,干流水体水质优于支流水体.

河流动态水环境容量核算与影响因素分析

为探究河流动态水环境容量变化规律,有效控制污染物输入量并提高河流水环境质量,满足功能区划要求。以松花江哈尔滨段为研究区域,构建基于二维水质模型的分段求和模型(SSM),核算COD、TN和TP动态水环境容量;采用Monte Carlo模拟方法,分析模型各输入参数敏感性。结果表明,松花江哈尔滨段COD、TN和TP实际水环境容量分别为219723.26、8040.78和2161.34 t;COD和TP实际水环境容量与降水量呈正相关(COD:r=0.766,P=0.004;TP:r=0.63,P=0.028)。因此,丰水期是降解污染物、提高水环境容量关键时期;气温、流量是影响动态水环境容量主控因子。研究结果可为河流环境综合治理及流域经济高质量协同发展提供理论基础与科学依据。

基于WebGIS的松花江哈尔滨段水质监测与评价系统

研究了松花江水质的监测与评价。针对松花江哈尔滨段点源众多、面源分散,水环境复杂,造成全面、快速获取流域水环境信息及准确评价流域水环境困难,影响了松花江流域大尺度综合水环境管理的问题,构建了基于网络地理信息系统(WebGIS)的松花江哈尔滨段水质监测与评价系统。该系统运用了WebGIS技术和水污染指数评价方法,能够快速全面地获取水质断面监测数据并快速进行水质评价,同时将评价结果结合GIS技术实现可视化、专题化表达,为水污染治理相关部门对水质监管控制、宏观调控、污染治理与规划提供科学依据和决策参考。

松花江流域(哈尔滨段)景观格局粒度效应

文章以松花江流域(哈尔滨段)为研究对象,基于近20年3期遥感影像,从类型和景观两个水平选取多个景观格局指数,在30~600 m粒度范围内,分析景观指数随空间粒度的变化响应差异,综合指数-粒度拟合曲线拐点识别和栅格化信息损失评价方法,确定本研究区域景观格局分析的最适宜空间粒度。结果表明:①斑块数(NP)随粒度的增加呈三次多项式下降,有明显的拐点,随后变化较平稳。边缘密度(ED)、景观形状指数(LSI)、平均形状指数(SHAPE)和平均分维数(FRAC)随粒度的增加呈三次多项式下降,存在不明显的拐点。蔓延度(CONTAG)、聚合指数(AI)随粒度增加呈幂函数下降,且无明显拐点。景观丰度(PR)在30~600 m粒度范围内不受粒度大小影响。香农多样性(SHDI)、香农均匀度(SHEI)均呈小幅波动的复杂变化,无粒度效应。②斑块类型水平上:NP和斑块密度(PD)对粒度响应最敏感;平均斑块面积(AREA)对粒度响应高敏感;FRAC对粒度响应不敏感;SHAPE对粒度响应低敏感;ED,AI,LSI 3个指数受粒度的影响因景观不同而异,但主要处于低敏感、中敏感和高度敏感范围。③景观水平上:ED和LSI在1995年对粒度响应的敏感性为高敏感,2005年和2015年都为中等敏感;NP和PD对粒度响应最敏感;AREA对粒度响应高度敏感;LPI对粒度响应中等敏感;SHAPE,CONTAG和AI对粒度响应低敏感;FRAC,SHDI和SHEI对粒度响应不敏感。

耕地利用转型碳排放时空分异特征与形成机理研究

为揭示耕地利用转型的碳排放时空分异特征,以松花江流域哈尔滨段为例,基于网格单元法和碳排放系数,测度1990—2020年耕地利用转型的碳排放强度,并借助重心分析、探索性空间数据分析、冷热点分析工具和地理探测器等研究方法揭示耕地利用转型的碳排放空间异质性与形成机理。结果表明:1990—2020年耕地面积呈下降趋势,耕地与建设用地、林地之间的转型最为剧烈,耕地主要转型为建设用地。1990—2020年耕地利用转型碳排放量呈上升趋势,由1990—2000年的3704.12 t增加到2010—2020年的35656.29 t,增加了近8.63倍,耕地利用转型碳排放最终呈现为碳源形式。1990—2020年耕地利用转型碳排放重心基本保持稳定,向东移动了15.17 km,其中1990—2010年重心移动距离最大,呈现东北地区碳排放恶化,而西南地区碳排放明显改善的特点。1990—2020年耕地利用转型碳排放非随机分布,具有较强的空间集聚性,热点区主要围绕南岗区向周围边界扩散,冷点区零星点状分布在东南部地区。与城镇中心距离是耕地利用转型碳排放的主控因子,各因子之间交互作用以双因子增强为主,其中土地利用程度与年平均降水量、与城镇中心距离之间的相互作用解释力较强,耕地利用转型碳排放空间分异特征是多因子共同作用的结果。

松花江流域哈尔滨段三生空间演变的生态环境效应及驱动因素分析

探索三生空间演变的生态环境效应及驱动因素,可为国土空间优化及生态环境保护的实施提供科学依据。以松花江流域哈尔滨段为例,运用网格单元法,结合生态环境质量指数、全局自相关模型、核密度函数等方法分析1986—2016年三生空间演变的生态环境效应时空分异特征,并借助地理探测器模型揭示生态环境质量空间分异的驱动因素。结果表明:(1)1986—2016年研究区三生空间以生产空间为主,其中农业生产空间和林业生态空间所占比重最大,呈现生产空间和生态空间减少、生活空间增加的变化趋势;(2)研究期内生态环境质量基本稳定,整体上略呈下降趋势,预示着生态环境质量有所恶化。空间分布上,生态环境质量指数存在显著的、正向的空间自相关性,总体呈现“南密北疏”“边密中疏”的空间格局,且在空间上出现集聚现象;(3)生态环境质量空间分异的主控因子为到水域距离和到乡级以上道路距离,各因子之间的交互作用以非线性增强为主,且社会经济因子内部的交互作用明显强于自然因子和社会经济因子之间的交互作用。多因子共同作用导致了研究区生态环境质量的空间分异差异。

松花江哈尔滨段浮游植物群落格局及其与环境因子的相关性

松花江是黑龙江在我国境内的最大支流,流经吉林、黑龙江两省。松花江哈尔滨段是哈尔滨市工农业生产与生活用水的重要水资源,近年来由于人类活动的频繁影响,水体质量有所下降。鉴于此,于2018年春、夏、秋三季(4月、8月和10月),在松花江哈尔滨段设置14个采样点,对电导率、总氮和总磷等理化指标进行测定,同时对其浮游植物群落结构及环境因子相关性进行研究。利用群落相似性分析(ANOSIM)探讨浮游植物群落时空分布差异;通过SIMPER分析筛选出影响群落时空格局的关键物种。基于优势种和10项理化指标的冗余分析(RDA)揭示了浮游植物群落生态分布特征并对关键影响因子进行识别。研究结果表明,调查期间共鉴定浮游植物136种,其中优势种15种,群落结构主要以硅藻门和绿藻门的物种构成。松花江哈尔滨段浮游植物群落结构与过去10余年间相比较为稳定。ANOSIM和SIMPER分析表明,季节变化和人为活动干扰对浮游植物群落时空格局具有一定驱动作用,蓝藻门物种的空间分布活动干扰影响明显。RDA分析表明,浮游植物分布特征与水环境时空异质性关系密切,驱动松花江哈尔滨段浮游植物群落时空分布的主要水环境因子为电导率、总磷、浊度和pH。

基于EFDC模型的松花江哈尔滨段突发水污染事故预测模拟研究

近些年,我国的突发水污染事故频发,松花江哈尔滨段作为哈尔滨市重要的水源地,沿岸的污水处理厂及化工企业众多,存在着突发水污染事故的风险,因此,对可能的突发水污染事故进行预测预警研究具有重要的现实意义.基于EFDC模型建立了松花江哈尔滨段突发水污染事故二维预警模型,分别预测了枯水期、丰水期污染物对主要断面的影响时长和污染物在江面的迁移过程.结果表明:经过实测水位及水质数据验证后,模型能够较为准确的反映污染物质在研究区河段的扩散变化过程.以哈尔滨市某污水处理厂污水污泥泄露为例,得出主要断面COD浓度峰值及污染带持续时间,枯水期何家沟口下、阿什河口下、呼兰河口下及大顶子山断面受污染物影响的时长分别为13、52、59、72h,丰水期污染团停留的时长分别为19、30、43、51h.枯水期及丰水期整个江面受污染时常分别为128h和70h.模拟结果为松花江哈尔滨段突发水污染事故的应急预警及区域水环境管理提供科学依据.