中国土地利用程度与生态系统服务强度脱钩分析

科学探索土地利用程度与生态系统服务强度之间的脱钩关系,可以有效揭示土地利用变化对生态系统的干扰程度,为土地利用政策制定和生态系统保护提供科学依据。但是,以往研究缺乏对中国县域尺度土地利用程度和生态系统服务强度之间脱钩关系的具体研究。为了弥补这一不足,结合2000—2015年间中国土地利用现状遥感监测数据以及植被覆盖度指数,采用生态系统服务强度和土地利用程度测度方法,分别测度了2000—2015年间中国县域尺度生态系统服务强度和土地利用程度的时空格局特征,并且借助脱钩分析理论框架探测二者之间的脱钩关系。研究结果表明：（1）研究期间中国生态系统服务强度呈现出显著的空间异质性,东南地区生态系统服务强度显著高于西北地区;平原地区、城市群地区以及大城市周边地区生态系统服务强度显著低于山地丘陵地区。（2）研究期间中国土地利用程度持续增加,东南地区土地利用程度明显高于西北地区,东南地区土地利用程度分布“高中有低”,西北地区土地利用程度分布“低中有高”。（3）脱钩分析结果表明强脱钩和扩张负脱钩是当前中国土地利用程度和生态系统服务强度二者的主要关系类型,前者是两难的窘境,后者是双赢的模式。研究发现土地利用不同阶段对生态系统服务强度的干扰呈现显著差异,结果可以为土地利用与生态系统管理政策的制定提供科学指导。     

近20年重庆市主城区碳储量对土地利用/覆被变化的响应及脆弱性分析

土地利用/覆被变化（LUCC）是影响区域生态系统碳储量变化的重要驱动因素,探明碳储量对LUCC的响应及脆弱性,对区域实现“双碳”战略目标具有重要意义。以重庆市主城九区为例,运用InVEST模型研究了近20年主城区碳储量对土地利用转移的响应,采用潜在影响指数（PI）评估了该区域生态系统碳储量服务的脆弱性。结果表明：（1）2000—2020年间,主城区耕地面积减少743.29 km²,建设用地面积急剧增加773.48 km²。前10年土地转移面积6.05%,后10年转移13.98%,耕地转为建设用地是主要的土地转移类型。（2）近20年主城区碳储量累计减少5.78 Tg,其中建设用地侵占耕地是碳储量急速下降的主导因素。碳储量分布呈现“中部低—四周高”的空间格局。（3）近20年主城区均表现为碳源,土地利用程度指数提高14.73,PI指数为-2.50~ -2.59 Tg,均表现负面潜在影响,且2000—2015年间脆弱性不断恶化,2015—2020年间脆弱性有所缓解。研究结果可为区域生态可持续发展和未来土地利用管理政策制定提供参考,并为西部其他同类型山地城市提供借鉴。     

土地利用变化对区域水—能源—粮食系统耦合协调度的影响——以京津冀城市群为研究对象

将土地因素引入水—能源—粮食系统,运用耦合协调模型对京津冀城市群2005— 2018年水—能源—粮食—土地系统的时空变化特征进行研究。结果表明：（1）从空间尺度上来看,京津冀城市群建设用地由中心向四周扩散;从京津冀城市群土地利用格局来看,耕地和建设用地面积分别呈现较为明显的下降和增长趋势。（2）将土地纳入水—能源—粮食系统降低了京津冀城市群大多数城市水—能源—粮食系统间的耦合度和耦合协调度。（3）土地与水—能源—粮食子系统组成的两要素系统的协调水平会进行叠加或抵消进而影响水—能源—粮食—土地系统耦合协调度。本文的研究启示在于：京津冀城市群在考虑水、能源、粮食协调发展的同时,应考虑土地对水—能源—粮食系统整体及内部子系统的影响,根据城市自身资源优势合理配置资源、优化产业布局以实现可持续发展。     

基于情景模拟的上海土地利用变化预测及其水文效应

论文基于2000、2003和2006年土地利用数据,借助Terrset CA-Markov模型模拟预测2030年上海市土地利用结构,采用SCS模型探究土地利用结构变化的水文效应。结果显示：1）Terrset CA-Markov模型的模拟精度为0.85,可用于模拟2030年上海土地利用格局。2）预测结果表明,2000—2030年间,工商业用地、居住用地与道路广场组成的城市不透水地面比重由2000年的26.54%激增至2030年的59.19%。3）上海不同区域的平均径流深度整体呈增加趋势,但也存在一定的时空差异性,而这种时空差异是由上海城市化过程中的土地利用转化造成的;2000—2030年间,上海中心城区不透水地面比重较高且变化较小,而郊区不透水地面面积大幅提升,导致郊区地表径流深度增幅大于中心城区。研究结果可为完善城市风险管理与城市规划提供参考。     

中国南北过渡带生态系统碳储量时空变化及动态模拟

山地是全球变化的敏感地带,对生态安全与发展具有重要作用,山地生态系统服务变化和生态环境承载力是地理学与生态学的研究热点。以中国南北过渡带的主体秦巴山地为研究对象,采用CA-Markov模型与InVEST模型模拟和预测（2000—2040年）不同土地利用情景下秦巴山地生态系统碳储量变化,运用热点分析（Getis-Ord G_i^*）探讨秦巴山地生态系统碳储量的空间分布差异。结果表明：（1）2000—2040年,研究区土地利用/土地覆被变化主要是耕地、林地、草地和建设用地。（2）2000—2020年,碳储量增加1.12×10⁷ t;2020—2040年自然增长情景下,碳储量损失剧烈,减少50.24×10⁷ t;生态保护情景下,碳损失幅度明显变弱,减少29.52×10⁷ t,说明采取生态环境保护政策,能够有效控制碳储量减少。（3）土地利用/土地覆被与生态系统碳储量的变化呈现显著的一致性,土地利用数量变化决定了生态系统碳储量的质量和空间分布格局。（4）随着海拔抬升,碳储量呈现出“先增后减”的趋势;随着坡度升高,碳储量呈现出“W”型变化趋势。（5）热点分析结果显示,2000—2020年间,碳储量热点区和冷点区零散分布在研究区内;2040年自然增长情景下,碳储量冷热点分布范围有逐渐变大的趋势;2040年生态保护情景较2020年,秦巴山地生态系统碳储量的冷热点分布范围整体变化不大。     

土地利用转型背景下的乡村景观格局演变响应——基于草堂溪流域的样带分析

研究山区土地利用转型背景下乡村景观格局演变与转型,对山区现代化农业可持续发展和景观格局优化具有一定的指导意义。以三峡库区草堂溪流域为研究对象,利用ArcGIS 10.2和Fragstats 4.2软件,采用样带梯度分析结合景观格局分析方法,基于地形和社会经济因素,分别在河谷地区和山地丘陵地区设置5条样带,对研究区2000—2018年不同方向样带上景观格局梯度演变和驱动机制进行分析比较。结果表明：（1）景观类型整体变化幅度大致可分为较稳定型、逐年递减型和波动递增型,且景观转型的重点主要体现在耕地收缩、果园扩张和林地恢复性增长。（2）2000—2018年,研究区河谷地区的景观类型逐渐多样化,土地利用集聚,呈现空间集约化;而山地丘陵地区景观类型逐渐单一化,林地恢复。整体上由生产型景观格局转型成生态经济型、生态调节型为主的景观格局。（3）社会经济发展和政府政策导向等因素导致研究区内土地利用发生转型,在土地利用转型背景下的乡村景观格局也发生了相应的转变。研究结果可为类似山区土地资源的合理利用、生态治理和乡村振兴提供借鉴价值。     

京津冀城市群土地利用变化对热环境的影响研究

基于2000和2015年两期土地利用数据,运用WRF模式（Weather Research and Forecasting Model）模拟与数理统计方法,设计4组城市气温对比方案,定量模拟京津冀城市群土地利用时空格局变化对区域热环境的影响。结果表明： 1）2000—2015年城市群建设用地增加2 840 km²,94.37%由耕地转换而来; 2）北京土地利用变化对廊坊、天津和唐山气温变化的影响最为明显,天津的土地利用变化对廊坊气温变化的影响最为明显; 3）分季节来看,北京与天津的土地利用变化对城市群季均气温的影响排序为：秋季>夏季和春季>冬季; 4）其他地区土地利用变化使北京市年均气温增加0.07 ℃,且夏季降温作用明显,而该变化对天津市年均气温作用不明显,但秋季与冬季的增温区域形成了京津唐热环境连片发展的空间分布格局; 5）城市群土地利用变化对热环境影响表现出明显的“遥响应”特性,因而有必要从大尺度、泛区域的角度认识城市扩展对热环境的影响。     

长江源区水文气象要素变化及其与大尺度环流因子关系研究

长江源区水文气象要素变化及其归因研究一直备受全球关注,现阶段研究多侧重于水文气象要素时空变化特征分析,针对长江源区水文气象要素与大尺度环流因子相互关系的研究不足。论文利用Mann-Kendall法、去趋势波动分析法和小波分析法,探究长江源区1957—2012年水文气象要素趋势性、波动性和周期性变化规律,分析水文气象要素与大尺度环流因子的相关关系,通过研究水汽通量揭示大尺度环流因子对水文气象要素变化的驱动机制。结果表明：20世纪90年代,长江源区气候暖干化,进入21世纪后,长江源区气候暖湿化趋势明显;长江源区水文气象要素序列具有正长程相关性,长江源区气候未来会继续呈现暖湿化变化趋势。长江源区水文气象要素都存在着1~5、10~24和25~45 a三种时间尺度周期变化规律。南亚季风是影响长江源区降水量和流量较为重要的大气环流因子,南亚季风驱动下的西南方向气流是长江源区主导气流和水汽来源。     

2000—2015年青藏高原植被NPP时空变化格局及其对气候变化的响应

全球变化背景下,青藏高原作为我国乃至全球气候变化的“天然实验室”,植被生态系统发生了深刻变化。引入重心模型等方法分析和探讨2000—2015年青藏高原植被NPP时空变化格局及其驱动机理,并定量区分NPP变化过程中气候变化和人类活动的相对作用。研究发现：（1）2000—2015年,青藏高原植被NPP年均值总体上呈现从东南向西北递减的趋势。在年际变化方面,近16年植被NPP呈现波动上升趋势,其中在2005年出现上升陡坡,并在2005—2015年表现为高位波动的态势。（2）青藏高原植被NPP增加区（变化率>10%）主要集中于三江源地区、横断山区北部、雅鲁藏布江中下游以及那曲地区的中东部,而植被NPP减小区（变化率<-10%）则主要分布于雅鲁藏布江上游和阿里高原。（3）近16年青藏高原植被NPP重心总体向西南方向移动,表明西南部植被NPP在增量和增速上大于东北部。（4）青藏高原植被NPP与气候因子相关性的地区差异显著,其中植被NPP与降水显著相关的区域主要位于青藏高原中部、青藏高原东南部及雅鲁藏布江流域中下游,而植被NPP与气温显著相关的区域主要位于藏南地区、横断山区北部、青藏高原中部和北部。（5）气候变化和人类活动在青藏高原植被NPP变化过程中的相对作用存在显著的时空差异性,在空间上呈现“四线—五区”的格局。研究成果能够为揭示青藏高原区域生态系统对全球变化的响应机制提供理论和方法支撑。     

1985—2015年陕西黄土台塬表层土壤有机碳空间分布

中尺度范围土壤有机碳的长期动态变化状态对大气温室气体的浓度、当地环境的生态效应至关重要。论文研究了陕西黄土台塬近30 a表层（0~20 cm）土壤有机碳密度的空间分布特征,并探讨了气候、地形、土壤类型、土地利用与土壤有机碳密度和储量的关系。结果表明：1）近30 a黄土台塬土壤有机碳密度和储量呈增加趋势,且增加幅度愈来愈明显,其中,1985—2000年有机碳密度和储量的增量分别为0.20 kg/m²和1.46×10⁶ t,2000—2015年分别为0.75 kg/m²和10.87×10⁶ t。2）1985—2015年有机碳密度随气温和降水量的增加而增加,随高程和坡度的增加呈现先增加后减少的趋势,在高程679~779 m、坡度10°~20°范围达到最大值。3）大多数土壤类型有机碳密度和储量随时间延长呈增长趋势,其中,黑垆土有机碳密度增加最大（1.59 kg/m²）,黄绵土储量增量最多（5.64×10⁶ t）;不同土地利用类型有机碳密度和储量随时间延长也呈增加趋势,林草地有机碳密度增加量明显大于耕地。4）研究区表层土壤有机碳密度与气温、土壤类型、土地利用类型在P<0.001水平上相关性显著,与降水在P<0.05水平上显著相关。     

江苏海岸带滩涂围垦区土地利用类型变化研究——以江苏省如东县为例

滩涂围垦与开发是海岸带地区特有的土地利用模式,揭示新中国成立以来滩涂已开发围垦区土地利用类型结构能够为该地区未来土地利用与规划提供一个标尺。论文以江苏省如东县为例,从土地利用类型结构与土地利用类型综合指数两部分探讨新中国成立以来不同围垦年限滩涂围垦区土地利用类型结构变化特征,揭示土地利用变化过程,对该地区土地可持续利用具有重要意义。结果表明：新中国成立以来,如东县不同年限围垦区土地利用类型变化存在阶段性特征。从围垦时间序列来看,农用地占比在30 a 围垦区最高,其变化呈现“S”型特征;建设用地呈现间歇性增长,周期为20 a,其中村庄用地在围垦10 a 逐步出现;未利用地一直下降,在40 a 围垦区保持稳定,主要类型为河流用地。滩涂围垦区土地利用强度在30 a 围垦区达到最高,呈现“S”型变化特征。土地利用多样性指数在30 a 围垦区达到最高值,呈现倒“U”型特征。滩涂围垦区土地利用类型演变存在三个阶段。江苏省沿海滩涂淤长为滩涂围垦奠定了自然基础条件,围垦初期,受到盐分的限制,只有耐盐植物和改良作物能够在滩涂土壤上生存,随着土壤不断脱盐,滩涂围垦区土地利用类型逐步多样化,在未来滩涂资源开发利用过程中,需要重点开展滨海盐土的开发复垦工作,严格审批新增建设用地,积极保护自然生态环境,实现沿海滩涂地区可持续发展。     

近20年中国粮食生产变化特征及其对区域粮食供需格局的影响

中国是一个农业大国,用占世界不到9%的耕地养活了占世界近20%的人口。国家及区域尺度粮食安全问题一直备受关注。以省为研究单元,借助GIS空间分析与统计工具,分析了1999—2018年中国粮食生产变化的总体特征、地域格局演变特征及这些变化对区域粮食供需格局的影响。研究结果表明：全国粮食总产量呈现显著增加的趋势,增长率为0.11亿t/年。北方粮食总产量呈显著增长趋势,而南方粮食总产量基本维持稳定。玉米产量的增加对这些变化起到了主导作用。在省域尺度上,近20年五种主要粮食作物（稻谷、小麦、玉米、豆类和薯类）产量时空变化具有较大差异。粮食产量的变化对区域粮食供需格局产生了较大影响。特别是东南沿海地区的广东、浙江、福建三省,从稻谷和小麦两大口粮供过于求型变为了供给不足型省份。但在全国尺度上,人均粮食占有量在Y 1999—2003时段（1999—2003年五年平均情况）和Y 2014—2018时段（2014—2018年五年平均情况）分别为368.0 kg/人和461.5 kg/人;人均两大口粮占有量在Y 1999—2003时段和Y 2014—2018时段分别为220.3 kg/人和247.6 kg/人。播种面积的变化是全国及区域尺度上粮食作物产量变化的直接原因。但其根本原因则更多归因于土地利用价值驱动的属性、功能及质量的变化。此外,根据导致耕地减少的四种主要类型——“非农化”“非粮化”“荒废化”和“生态化”,探讨了其形成原因并提出相应的提高区域粮食生产的对策建议,以期对区域粮食种植格局调整及实现两大口粮需求省份向自给型省份转型提供参考。     

基于水资源分区的黄河流域土地利用变化对人类活动的响应

在分析黄河流域1980-2015年土地利用面积变化的基础上,基于水资源二级分区,采用土地利用变化重要性指数（C_i）、土地利用变化面积比例（D）、林草植被变化指数（R）三个指标分析8个子区域土地利用变化的方向和程度;然后针对1980-1990年、1990-2000年、2000-2010年、2010-2015年四个时期,采用单一土地利用动态度、综合土地利用动态度及土地利用程度研究各分区的土地利用变化速度与程度。结果表明：与1980年相比,城乡工矿居民用地与水域面积变化最为显著。8个分区的土地利用变化面积比例均在20%左右,相互之间差异不大。在单一土地利用类型变化方面,沙漠及未利用地、水域和城市及工矿用地变化速度明显,其余三种土地利用类型由于面积基数较大,变化速度相对较小,但是变化面积很大。从各时期看,2010-2015年变化速度最大,并且大致呈现随时间推移变化速度逐渐增大的特征。在综合土地利用变化的速度方面,8个分区基本呈现出逐渐增大的趋势,上游龙羊峡以上增加最为明显。     

鲁东山区流域景观格局与面源污染关联关系

基于实地监测和3S技术,以鲁东低山丘陵地区栖霞市为研究区,采用Spearman相关、非约束性PCA、对应典范分析（CCA）等方法,研究不同流域尺度下景观格局与面源污染的关联关系。结果表明：（1）研究区景观格局空间分异明显,在特征尺度下农用地和建设用地斑块较为破碎,林地、园地斑块聚集性强。（2）研究区河流面源污染物主要以TN为主,EC、COD污染次之,主河道出水口为污染较为严重的区域。（3）景观格局对水质的影响丰水期要大于平水期,TN和EC对土地利用类型面积比例和景观格局指数的变化最为敏感。（4）平水期河岸带尺度下景观格局对TN影响最大的为斑块密度,EC受景观边缘密度影响最大,小流域尺度TN受景观蔓延度影响最大,COD与景观多样性关系密切;丰水期河岸带尺度景观多样性对TN影响最大,EC受斑块聚合度影响最大,小流域尺度影响TN最大的因素与平水期一致,EC与景观蔓延度关系密切。（5）小流域景观类型水平下,TN主要受林地斑块密度影响,TP与耕地散布与并列指数关系密切;丰水期TN受林地散布与并列指数影响显著,TP对林地平均分维数变化敏感,EC受草地聚集性影响最大。本文分析了研究区景观格局与面源污染空间分布特征,探讨了两者在不同尺度下的相关性,可为栖霞市水土资源可持续利用提供科学依据。     

1986—2015年青藏高原哈拉湖湖泊动态对气候变化的响应

湖泊是气候变化的敏感指示器,研究其动态变化对揭示全球气候变化具有重要意义。以哈拉湖流域为研究区,基于3S技术提取流域内湖泊面积、形状等信息,揭示近30年哈拉湖流域湖泊动态变化特征,并探讨其对气候变化的响应。结果表明：1986—2015年间,哈拉湖流域湖泊面积变化呈“V”型,其动态变化大致可分为两个阶段：波动下降阶段（1986—2001年）和波动上升阶段（2001—2015年）。其中1986—2001年湖泊面积由593.68 km²减少到584.83 km²（减少8.85 km²）;2001—2015年由584.83 km²增加到614.31 km²（增加29.48 km²）。对湖泊面积变化量与冰川面积变化量及同期遥感数据阶段各气候要素相关分析发现,湖泊面积变化量与阶段降水量呈正相关,且相关显著性水平在0.01以上,进而降水量是湖泊动态变化的主导因素。     

基于序列模式的土地利用变化分析——以广西壮族自治区为例

土地利用变化是一个长期的过程,同时具有一定的复杂性。传统的转移矩阵方法只能在两期土地利用数据之间相互比较而不能总结长期整体的变化规律,频繁项集不能导出变化序列。针对这些方法的不足,本文提出了基于序列模式的土地利用变化序列分析模型。首先给出土地序列数据库的定义,然后根据土地序列数据实际特点和垂直格式的序列模式SPADE算法,给出土地变化序列模式的计算过程和方法。在以中国广西为实例的研究中,计算了1970s—2015年共7期22种二级土地利用类型的变化序列。研究区土地利用变化主要发生在林地之间,部分林地转换为厂矿、采石场、交通道路等建设用地类型;城镇用地主要由旱地和水田转换而来;在研究期内没有任何一个土地单元转化成水田。     

格网尺度下延安市生态服务价值时空演变格局与分异特征——基于退耕还林工程的实施背景

在退耕还林工程背景下,以退耕还林实施后生态效果较显著的延安市为研究对象,基于解译的三期影像数据,通过土地利用转移矩阵,在2 km×2 km的格网尺度下测算延安市不同土地利用类型的生态服务价值（ESV）,并结合空间探索性数据分析,探讨ESV的不同土地利用类型转移的时间变化特征及空间转移的关联性和异质性。延安市的实证分析显示：（1）1990-2015年间,ESV的增减主要发生在耕地、林地和草地之间,林地和草地ESV合计转入21.29亿元,且转入量主要发生在退耕还林工程实施之后;（2）生态服务功能主要由林地和草地提供,ESV的时间变化经历了先下降后上升的过程,退耕还林工程的实施促进ESV的增长,2001-2015年间增长了5.34%;（3）空间探索性分析显示,ESV在格网尺度下呈现出显著的“南高北低”分布格局,并在空间上表现出正向的集聚性和依存性,ESV的高高集聚和低低集聚效果比较明显,并且高高集聚区与林地、草地的空间分布相吻合,低低集聚区与耕地、城乡建设用地的空间分布相吻合。整体而言,延安市土地利用类型转移和ESV的增减变化与推行退耕还林工程在时间上呼应、在空间上匹配,政府主导的退耕还林工程对生态环境恢复与保护起到显著的积极作用。因此,对于不同土地利用类型的生态服务功能,以耕地为主的北部地区应在基本农田保护制度基础上,注重农业生产与生态效益平衡,而林草资源丰富的南部地区则继续发挥生态屏障的调节作用。     

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。     

PRA和GIS在小尺度土地利用变化研究中的应用

论文借助PRA,结合实地测量和GIS,以宁夏南部山区的上黄村为例对小尺度区域的土地利用变化进行了初步研究。重建和恢复了其25年来各时期的土地利用过程,绘制了上黄试区不同时期的土地利用空间变化图,并对其土地利用的数量及空间变化进行了分析。结果表明:在研究期内,从数量上看,耕地和林地变化最为显著,年变化率分别达到了8.0%和9.2%;从空间分布变化来看,主要表现为耕地向林地、草地及园地转变。