中国陆地生态信息空间化技术研究(Ⅲ)——温度、降水等气候要素

利用国家气象局722个气象台站1971～2000年的气象资料,采用三维二次趋势面分析与空间插值相结合等方法,在ArcGIS平台上对气温、降水、空气湿度等气候要素进行空间化,生成国家尺度的1km×1km栅格各种要素气候图180多幅。经检验,平均绝对误差,平均气温和平均最高、最低气温为0.5℃左右,极端最高气温为1℃左右,极端最低气温为1.5℃左右,平均风速为0.4m·min-1;而平均相对误差,≥0℃、5℃、10℃、15℃的积温和平均相对湿度多在5%以下,降水量和饱和差在10%左右;其空间化的精度基本上达到了实用要求。为生态学、地学、资源与环境等学科的发展提供了重要的基础数据与研究平台。研究表明,空间化误差的时空分布与测点密度、气候要素本身特性等因素有关。一般规律是:西部地区大于东部地区,冬季大于夏季,离散的气候要素大于连续的气候要素,极端值大于平均值。     

基于遥感监测的城市生态安全与空间格局优化——以沈阳市为例

城市化进程中如何保证城市区域生态系统的安全和健康,已成为城市发展所必需考虑的问题。以沈阳市为研究区,基于社会经济统计数据以及沈阳市的遥感动态监测信息,建立沈阳市生态关键要素的空间数据库以及生态安全评价模型,通过生态安全动态监测信息的识别和定量分析,在空间信息技术支持下,得到沈阳市生态环境安全空间格局,形成了包括城镇生态安全预警-经济发展空间调控—生态安全格局优化-城镇生态要素空间布局调控的关键技术体系。该研究成果可为沈阳市生态规划调控提供科学准确的数据基础,对沈阳市的发展实施有效的生态安全监测和管理、保障沈阳市在城镇化的过程中有效地保护生态系统的完整以及经济的健康发展具有重要的意义。     

中国地表太阳辐射资源空间化模拟

基于1981—2010年全国122个气象台站的太阳辐射和气温日较差观测数据,将Bristow-Campbell太阳辐射估算模型在中国八大自然区分别进行了参数校正和验证;利用地理信息空间分析平台,采用PRISM模型对中国区域平均最高与最低气温空间化的结果,将其输入Bristow-Campbell模型,实现太阳总辐射的空间栅格化模拟;通过斯忒藩-玻耳兹曼定律计算全国地表长波辐射平衡;进而根据太阳辐射平衡公式,得到中国地表太阳辐射平衡的空间格局。结果表明:经过校验的Bristow-Campbell可以较准确地估算中国区域太阳总辐射资源;基于Bristow-Campbell辐射估算模型,结合气象数据的空间化模型,是实现太阳净辐射资源空间化模拟的有效途径;我国地表太阳净辐射总体空间格局表现为高值区位于青藏高原,每年可达9 000 MJ·m^-2,东部地区的净辐射年总量较低,东北稍高,浙闽地区稍低,低值区位于川黔地区,年平均约为2 000 MJ·m^-2左右。     

中国科学院生态系统网络观测与模拟重点实验室CERN综合研究中心研究成果与发展

介绍了中国生态系统研究网络(CERN)综合研究中心成立以来的发展历程和主要研究成果,以及未来研究方向及预期发展。取得的代表性研究成果主要有:CERN动态监测数据与生态系统空间信息数据管理和共享系统的开发、陆地生态系统碳和水热通量观测研究、陆地生态系统碳储量的时空格局特征研究、陆地生态系统多尺度模拟综合集成研究和青藏高原生态系统格局与全球变化相互作用关系研究等。未来的研究方向主要集中在陆地生态系统碳氮水循环及其耦合,区域碳汇功能动态,生态敏感区、脆弱区和过渡区对全球气候变化的响应与适应,生态监测、模拟与生态信息应用以及全球气候变化主要因子对生态系统关键过程的影响。未来除了履行CERN综合研究中心的基本职能外,争取在以上研究方向取得有国际影响的开拓性研究成果。     

中国森林生态系统服务评估及其价值化实现路径设计

森林生态系统在山水林田湖草生命共同体中占据着重要地位,作为陆地生态系统的主要组成部分,其在物质循环、能量流动和信息传递方面作用巨大,森林生态系统服务评估是量化这种作用的必要手段。通过构建森林生态连清技术体系,在系列国家标准的规范下,进行多源数据的耦合,利用分布式测算方法,得出森林生态系统服务评估结果。同时,列举了多时空尺度的森林生态系统服务评估研究取得的成果,用翔实的数据量化了"绿水青山就是金山银山"。最后,根据森林生态系统服务评估典型案例,开展了生态系统服务价值化实现路径设计研究,以期为"绿水青山"向"金山银山"转化提供具体范式。     

近30年来中国气候湿润程度变化的空间差异及其对生态系统脆弱性的影响

论文利用近30 a中国756个气象站点日观测数据计算中国陆地表层潜在蒸散和湿润指数现状及变化趋势,然后划分湿润程度变化对不同自然地带生态系统脆弱性影响的等级,并应用于农田、林地和草地三大生态系统脆弱性变化分析,结果显示:近30 a中国陆地表层平均年潜在蒸散为754 mm,平均湿润指数为-5.6,湿润指数平均变化率为-4.4/10 a,反映中国陆地表层湿润程度总体具有下降趋势。近30 a中国陆地表层气候湿润程度变化导致生态系统脆弱性增加的面积约占中国陆地面积的43.7%,主要集中在东北地区西南部、华北地区、西北地区东部,以及青藏高原的西部、北部和东部。总体上,近30 a中国陆地表层气候湿润程度变化对农田、林地和草地生态系统脆弱性具有不利影响。其中草地生态系统脆弱性增加的面积最大,约占草地生态系统总面积的63.2%;其次为农田生态系统,约占31.6%;林地生态系统脆弱性受影响面积最小,约占17.7%。     

中国植被生长的最适温度估算与分析

利用中国区域的GIMMS NDVI数据集和相应时期气象站点实测的温度数据集,分别在时间尺度和空间地域上对比分析植被生长过程与环境温度变化的关系,并由此提取区域植被生长关键阶段对应的温度,最后得到了中国各生态地理区植被生长的最适温度及其变化区间。结果显示:①研究首次给出了不同生态区植被生长的最适温度,其中青藏高原的参考最适温度最低,在10 ℃左右,而长江中下游和华南地区的较高,很多区域的值都超过了25 ℃,说明植被生长的最适温度具有很强的地域分异性;②根据论文结果,通过海拔高度和纬度两个地理因子,可快速拟合得到中国陆地植被生长的近似最适温度。研究结果可以为生态系统模型的参数本地化和空间化提供参考。     

中国陆地生态信息空间化技术研究(Ⅱ)——太阳辐射要素

论文以MTCLIM模型为基础,根据中国的实际情况,对模型的参数进行了优化与调整,建立了适合我国的基于温度、降水和相对湿度等因子的太阳总辐射计算模式。提出了太阳总辐射空间化的模式,即先参数化,然后采用合适的空间插值方法(论文中采用地统计学方法)实现空间化。同时鉴于逐日太阳总辐射空间化工作量庞大,提出了在计算月均日结果的基础之上,采用线性插值技术快速得到逐日太阳辐射值。从而得到了中国太阳总辐射的空间分布结果。     

基于单位面积价值当量因子的生态系统服务价值化方法改进

生态系统服务价值是生态保护、生态功能区划、自然资产核算和生态补偿决策的依据和基础,并且生态系统服务功能呈现出与生态结构和生态功能密切相关的时空动态变化特征,但目前国内尚缺乏统一和完整的生态系统服务价值的动态评估方法。研究基于文献调研、专家知识、统计资料和遥感监测等数据源,通过模型运算和地理信息空间分析等方法,对单位面积价值当量因子静态评估方法进行了改进和发展,构建了基于单位面积价值当量因子法的中国陆地生态系统服务价值的动态评估方法,实现了对全国14种生态系统类型及其11类生态服务功能价值在时间（月尺度）和空间（省域尺度）上的动态综合评估。初步的应用与评估结果表明,2010年我国不同类型生态系统服务的总价值量为38.1×10¹²元,总体变化趋势为从东南向西北逐渐降低,年内变化多表现为以7月为最高,1月和12月最低。总体而言,尽管还需要进一步地改进和完善,论文构建的评价体系为我国生态系统服务价值的时空动态评估提供了一个相对全面的综合评估方案,从而为我国自然资产评估、生态补偿等方面提供更为全面的科学依据与决策支持。     

基于一体化生态空间格局的土地利用/覆被变化及其生态环境效应——以长三角为例

区域一体化发展背景下,一体化生态空间格局的构建及其生态环境效应评估兼具丰富生态系统完整性和关联性研究的理论价值、指导生态空间跨区域协同保护的现实意义.以长三角一体化区域为案例,基于生态系统完整性和关联性,开展生态过程模拟和潜在生态廊道识别研究,构建跨区域、一体化的生态空间格局;基于2000—2018年土地利用数据,解析生态空间格局的土地利用/覆被变化（LUCC）,核算生态空间格局的生态环境效应及其变化,分析污染物排放与生态环境质量的关系.结果表明,长三角地区的潜在生态廊道和一体化生态空间格局涵盖大部分城市,并主要分布在江苏沿江、安徽南部和浙江东南部地区;生态空间格局内生态用地占据主导,建设用地有缓慢增长的态势,导致生态环境质量有所降低;浙江东南部、安徽南部城市生态环境质量较高,且保持相对稳定;生态廊道内部缓冲区的生态环境质量较高,适合作为构建一体化生态空间格局、维护区域生态安全的主要载体;污染物排放与一体化生态空间的生态环境质量存在一定负相关关系,未来需要采取针对性措施以同步促进污染物减排和提升生态环境质量.     

海拔误差影响气温空间插值误差的研究

利用气象站点的气象要素值进行空间内插以获取无气象站点区域的气象要素值是有关陆地表层过程研究中首先要解决的问题。气温是重要的气象要素之一,海拔高度对气温影响非常显著。论文利用美国地质调查局EROS数据中心生产的全球数字高程模型(GTOPO30)和中国地面气象资料分析了气温内插的点误差及其空间扩散的问题。分析表明,由于中国气象站点地理位置(经纬度)存在有±30″的误差,忽视地理位置的误差将导致的气温点误差为-5.3～+8.6℃,而且点气温误差随着空间内插扩散到其它相邻的像元。     

中国水生态文明发展水平的空间格局及收敛性

分析水生态文明发展水平的空间关联及其收敛性有助于水生态文明协同建设。从水安全、水生态、水环境、水节约、水监管和水文化6个维度构建评价指标体系,综合采用熵值法综合评价模型、探索性空间数据分析、时空跃迁测度方法和空间面板杜宾模型,对2010—2018年中国水生态文明发展水平的空间格局及收敛性进行了实证研究。研究发现:（1）中国水生态文明发展水平逐年提升,但水生态、水监管和水文化仍是主要短板;地区发展差异显著,从东往西呈“高—低—中”的分布特征。（2）中国水生态文明发展水平呈现显著的正向空间外溢效应和空间格局锁定特征,高高集聚区集中在东部沿海,低低集聚区集中在东北、西北、西南和长江中游地区,后者难以实现向HH型省区的跃迁。（3）全国及东、中、西部地区水生态文明发展水平均存在α收敛、绝对β收敛和条件β收敛;东部绝对β收敛最快,中部条件β收敛最快,西部绝对和条件β收敛均最慢。（4）经济发展水平、人口密度、人力资本和技术进步等对水生态文明发展水平的收敛有显著影响,但存在明显的地区异质性。据此提出具体化的对策建议。     

差异化开展国土空间生态修复的思考

近年来,由于气候变化和人类活动的双重影响,生态系统承受了越来越大的压力。在一定程度上,这些压力改变了生态系统的结构和过程,降低了生态系统服务功能,对区域可持续发展形成了威胁。国土空间生态修复是推进生态文明建设的重大举措,也是应对以上生态系统问题的重要手段,我国已将其上升到国家战略的高度。但是,目前国土空间生态修复的相关研究尚缺乏系统的梳理,相关的国土空间生态修复工作也缺乏系统总结,不利于生态修复工作的深入开展。因此,亟需系统梳理我国生态修复相关工作的演进脉络,阐述不同时期国土空间生态修复目标、手段、区域的差异化,剖析当前我国开展国土空间生态修复工作遇到的问题,进而提出相关应对策略,以期裨益于我国新时期的国土空间生态修复工作。研究表明：（1）我国的生态修复研究经历了萌芽、早期实践及新时期国土空间生态修复的演进过程。各个时期生态修复目标、手段和区域的差异化明显。（2）当前,我国国土空间生态修复的主要问题是,生态方面的历史欠账多、现实矛盾多,生态系统功能问题较为突出,生态修复部门职责相对分散、履职较为矛盾,生态修复投入机制相对单一。（3）未来,应该分别依据生态问题时间维度、空间维度、行政与市场维度的差异化,分别开展有针对性的国土空间生态修复工作。     

城市生态空间PM2.5削减效益研究——以北京市为例

以生态系统服务的空间依赖性为理论基础,利用2000年与2015年北京市土地利用数据以及PM_2.5年均浓度数据,以30m*30m的土地利用栅格为研究单元,通过建立多元线性回归模型,发现其他条件相同的情况下,生态用地上的PM_2.5浓度比非生态用地上低32.29%,进而探究了生态空间的PM_2.5削减效益及其空间依赖性.结果表明,2000年与2015年,北京市生态空间削减全市范围内PM_2.5浓度4.64和9.03μg/m³,带来的以非意外总死亡健康终点记的人群健康经济效益分别达7954~15896万元与21980~43927万元;生态空间的PM_2.5削减效益存在着空间溢出作用,且不同土地利用类型对其响应方式不同;结构和规模会影响生态空间的效益发挥,线状生态空间在影响范围、污染物削减效果以及人群健康效益方面均优于面状生态空间,且其比较优势随着规模的扩大愈发凸显.建议城市生态空间建设中合理利用其空间特性以提高生态效益与资源利用效率,在城市中心地区增建小型、点状或线状的生态空间,从而在土地资源极度稀缺的情况下最大化其空气质量改善效益.     

中国森林植被生物量空间网格化估计

森林是陆地生态系统的重要碳库之一,在全球碳循环中发挥着巨大作用。森林生物量是核算森林碳储量的主要因子,其数量及空间分布是评估森林生态系统碳汇潜力的重要参数。论文以中国第8次森林资源清查资料为基础,以影响森林生物量空间分布的气候（气温、降水）、地形（高程、坡度）和植被因子（NDVI）为辅助,利用降尺度方法估算了1 km×1 km格网分辨率下的中国森林生物量,并从不同空间尺度对研究结果进行了验证。结果表明：1）中国森林生物量总量约为13.56 Pg,平均生物量密度为65.3 t/hm²,各省森林生物量总量差异较大,总量较高省份主要集中于西南和东北内蒙古地区,其中西南地区（西藏、四川、云南）最高,为4.5 Pg,占总量的33%;东北内蒙古地区（黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古）次之,为3.58 Pg,占总量的26%;2）在省级尺度构建的森林生物量与相关影响因子的回归关系可用于栅格尺度下森林生物量的降尺度估算,多尺度验证分析表明网格化估算结果基本合理;3）中国森林生物量空间格局区域分异规律明显,大致以东北至西南为界,与水热条件空间分布格局基本一致,生物量高值区主要集中于东北地区（大小兴安岭、长白山地区）、西南地区（横断山脉）、新疆山区（阿尔泰山、天山、昆仑山）、秦岭和东南武夷山等地区。     

基于空间尺度效应的西南地区植被NPP影响因子探测

植被净初级生产力(NPP)是评价陆地生态系统质量的重要参数,研究植被NPP时空演变特征及其驱动力对区域生态环境保护和可持续发展具有重大意义.基于MODIS NPP数据、气象数据、 DEM数据、人口密度数据、 GDP数据和土地利用类型数据,采用一元线性回归分析、 R/S分析和地理探测器模型,分析西南地区及其六大地貌单元植被NPP时空演变特征及未来变化趋势,探究植被NPP空间分异的影响因子.结果表明,2000～2020年西南地区植被NPP整体呈极显著上升趋势.地貌单元中,除青藏高原南部外,其余地貌单元植被NPP均表现为改善态势,其中四川盆地和云贵高原表现为极显著改善.西南地区的植被NPP变化斜率整体呈现“东高西低”的分布格局.西南地区及各地貌单元植被NPP呈上升趋势的区域面积均大于呈下降趋势的区域面积,但未来植被NPP变化趋势均以下降为主.地理探测器结果表明,除云贵高原植被NPP空间分异主要受气温影响外,海拔是西南地区及各地貌单元植被NPP空间分异的主导因子.交互探测结果表明,影响因子之间的交互作用均表现为双因子增强或非线性增强,其中,海拔∩温度对西南地区植被NPP空间分异的解释力最大.地...     

中国生态脆弱区叶面积指数变化的主导气象因子研究

开展气候变化背景下中国生态脆弱区叶面积指数（LAI）变化的主导气象因子研究,对揭示该区陆地生态系统的变化规律和生态系统对气候变化的动态响应具有重要意义,并为生态恢复建设提供科学依据。基于CN0 5.1气象数据和全球陆表特征参量（GLASS）LAI产品,利用主成分分析方法研究了中国生态脆弱区1982—2017年LAI的变化特征及其主导气象因子。结果显示：1982—2017年,中国生态脆弱区气温基本呈上升趋势,而降水趋势的区域差异显著。大部分生态脆弱区LAI呈增长趋势,包括干旱半干旱、黄土高原、青藏高原和西南岩溶山地石漠化脆弱区大部,以及北方农牧林草脆弱区西部和东南部、南方农牧脆弱区北部和东南部。中国生态脆弱区LAI增长的主导气象因子是气温,其中生态脆弱区大部LAI增长的主导气象因子是日平均气温,而干旱半干旱脆弱区西部和南方农牧脆弱区LAI增长的主导气象因子分别是和日最低和最高气温。研究表明,在研究时段升温对我国生态脆弱区植被生长有积极影响,但在一些区域受湿度状况调制。     

多元信息综合的市县国土空间规划空间功能识别方法

空间功能识别是确定国土空间规划空间开发保护格局的关键环节,理论和实践意义重大。基于土地利用和地表覆盖现状、精细化DEM、地形单元等基础地理信息,水、生态、环境、灾害等专题数据,社会统计数据等多元信息,利用空间分析、多元统计、计量模型、基于规则的分类模型等技术方法,从多元信息综合集成和自动分类识别的角度,研究构建了一套市县国土空间规划空间主导功能识别的关键技术与方法,并对榆林市域进行空间功能分区。研究表明：本文方法有效将地理实体单元、功能评价指标综合于统一的地域单元,保证了空间功能分类识别的准确性;通过自动分类算法建模,实现空间功能识别的自动化,提高了国土空间规划的客观性和工作效率。     

西南地区陆地植被生态系统NPP时空演变及驱动力分析

研究西南地区陆地植被生态系统净初级生产力(NPP)的时空演变特征及其驱动力,对区域生态环境保护具有重要的现实意义.利用2000～2021年MODIS NPP、1999～2021年基于站点的气象数据和2000～2020年土地利用类型等数据,结合主成分分析、残差分析、Theil-Sen Median趋势分析和偏相关分析等方法,研究西南地区陆地植被生态系统NPP时空演变及其对驱动力的响应特征.结果表明,时间上,2000～2021年西南地区植被NPP呈波动上升趋势,速率为3.54g·(m²·a)^-1.气候变化和人类活动影响下,农田、草地和森林生态系统NPP均呈上升趋势,但农田生态系统NPP的上升趋势最为显著.空间上,西南地区植被NPP呈上升趋势的面积占比为89.06%,显著上升和极显著上升的区域主要分布在广西南部、四川东部、重庆西部,以及云南和贵州交界处.气候变化和人类活动对西南地区植被生长具有双重影响,气候变化和人类活动影响下农田生态系统NPP呈上升趋势的面积占比均高于草地和森林生态系统.西南地区植被NPP与各气象因子的相关性呈明显地域差异.区域尺...     

国土空间生态修复规划编制方法探析

由于长期的高强度国土开发利用活动,我国一些地区面临着自然资源过度利用、生态系统退化、资源环境严重超载的突出问题,已经成为区域经济实现高质量发展的关键制约瓶颈。按照"山水林田湖草生命共同体"的理念,亟需对生态系统严重受损退化、生态产品供给能力不断下降的重要生态区域开展生态保护修复,实现国土空间格局优化、生态系统稳定、功能提升的目标。本文以如何编制国土空间生态修复规划为重点,阐明规划编制定位、总体构架、主要任务和编制程序,分析技术难点和解决路径,为国家实施国土空间生态保护修复重大工程、出台相关政策提供决策参考。