基于MSPA与电路理论的黄河流域甘肃段生态安全格局构建

作为高质量发展的前提和基础,生态安全格局构建不仅能够警示潜在重大生态环境问题,而且有利于维护生态系统的健康稳定。以黄河流域甘肃段为研究区,采用形态学空间格局分析(MSPA)方法,融合基于In VEST模型的生境质量评估及生态服务功能空间分布,识别生态源地并进行分级。综合自然地理与社会经济因素构建阻力面,依据随机游走理论提取生态廊道,基于电路模型辨识生态夹点、障碍点等关键生态节点,并在此基础上结合甘肃省国土空间规划,构建研究区生态安全格局。结果表明：生态源地主要分布于研究区南部和东部边缘,空间分布不均且破碎化,总面积1.08×10⁴ km²,其中核心生态源地2.45×10³ km²;识别生态廊道257条,总长度6.06×10³ km,其中关键陆地生态廊道22条,长度50.7 km,关键河流生态廊道40条,长度494 km;识别生态夹点109处,面积206 km²,识别一级生态障碍点37处,面积1.59×10³ km²     

基于Sentinel-2A/B数据的火烧迹地提取方法研究

近年来随着全球气候变化加剧,世界各地森林火灾频发,不仅破坏了生态系统,还使各国人民的生命财产和生存环境遭受威胁.Sentinel-2数据红边波段和短波红外波段可以用于火烧迹地提取研究,本文选取火灾发生前和火灾发生后的Sentinel-2A/B时序数据,采用归一化植被指数(normalized difference ve...     

基于Sentinel多源遥感数据的河北省景县农田土壤水分协同反演

植被覆盖层对微波遥感反演地表土壤水分产生重要影响。以河北省景县为研究区,基于Sentinel-1 SAR遥感数据和Sentinel-2光学遥感数据,采用改进水云模型和Oh模型的组合方法,对植被覆盖地表土壤水分进行定量反演研究。结果表明:在Sentinel-1 VV极化条件下,改进水云模型和Oh模型的组合方法具有较高的反演精度,决定系数(R~2)为0.653 0,均方根误差(RMSE)为0.040 1 cm~3·cm~(-3),平均绝对误差(MAE)为0.032 7 cm~3·cm~(-3),这3项反演精度评价指标均优于VH极化。该方法在获取高空间分辨率和高精度的植被覆盖区农田土壤水分信息方面具有较高的应用价值。     

基于多源数据的水神堂泉及周边湿地演化研究

湿地作为地球之肾,具有重要的社会、环境和经济价值。湿地退化往往引发一系列生态环境问题。为系统研究山西历史名泉——水神堂泉及其周边湿地的变化过程,基于历史开放卫星数据,使用支持向量机、随机森林、梯度提升树、最小距离、分类回归树算法和GEE深度神经网络对1984—2020年每隔5年的遥感影像数据进行湿地提取,分析水神堂泉周边湿地的历史变化趋势。采用多元统计方法研究水神堂泉水流量和湿地分布面积的关系,结果表明,1958年至今,区域内年降水量呈总体下降趋势,降幅为1.12 mm/a;泉水流量持续下降,全县湿地面积总体呈萎缩趋势,由1984年的59.82 km²衰减到2020年的14.11 km²,萎缩速率为1.27 km²/a。水神堂泉水与周边湿地呈现同存共生的关系,泉水流量和降水量是影响湿地面积的主要因素,泉水流量的减少是湿地面积衰减的最主要原因。     

基于PLUS模型和InVEST模型的昆明市生境质量研究

城镇化发展导致的土地利用变化是影响生境质量的首要因素,而生境质量对生物多样性保护和生态环境修复具有重要意义。以昆明市为研究区,通过获取2000—2020年土地利用数据,利用PLUS模型模拟2030年土地利用变化情况,再结合InVEST模型对昆明市生境质量进行研究。结果如下：(1)昆明市主要地类为耕地、林地和草地。2000—2020年耕地、林地、水体面积分别减少926.18 km²、28.03 km²、30.05 km²,建设用地和草地分别增加了925.36 km²和95.24 km²。(2) 2000—2020年昆明市生境质量持续降低,处于中上水平且呈现两极化趋势。低生境分布在昆明市南部城市群;较低生境聚集在昆明市东部,与较高生境相互交错分布在整个研究区;高生境主要分布在西面的山区。同时,低生境面积不断增加,高生境面积逐渐减少。(3) PLUS模型模拟出来的2030年昆明市土地变化中,建设用地进一步扩张,耕地、林地、草地面积持续减少;模拟得到的平均生境质量相较于2020年整体下...     

基于景观生态风险评价的白洋淀流域景观格局优化研究

流域景观生态风险评价是景观格局优化的现实依据,景观格局优化是流域生态环境修复和维护的有效途径之一。以白洋淀流域为研究区,从自然、人类活动和景观因素3个方面选取11个指标,采用空间主成分分析法对流域景观生态风险进行评价,识别出面积大于0.001 km²的水体和面积大于0.005 km²的林地作为生态源地,基于最小累积阻力模型(MCR)和网络结构评价法对流域景观格局进行优化。结果表明：(1)植被覆盖度、径流量等自然因素对白洋淀流域景观生态风险的影响最强烈,景观因素对生态风险的影响最小。(2)白洋淀流域景观生态风险较大,高风险区域位于研究区东南部和西北部,低风险区域零星分布在西部林地中。提取的生态源地总面积为11 319.85 km²,占流域总面积的35%。(3)构建了由39条生态廊道和21个生态节点组成的生态网络格局,形成道路型廊道、河流型廊道、绿带型廊道,优化后景观格局网络闭合度、节点连接率、网络连接度较高,景观格局连通度得到明显提升。基于景观生态风险评价的景观格局优化研究,可为全面推进白洋淀流域生态环境维护和修复提供决策...     

近40年粤港澳大湾区湿地景观及其受损程度时空变化

湿地具有丰富的生物多样性、极高的生产力和生态价值。粤港澳大湾区湿地资源丰富,但随着社会经济的快速发展,湿地遭到城镇化、围垦和水环境污染等多种外界因素的干扰。利用1980—2019年5期粤港澳大湾区生态遥感解译数据,综合运用GIS空间分析和景观格局指数等方法分析粤港澳大湾区近40年来湿地景观时空变化及其受损程度。研究结果表明：1)1980—2019年,粤港澳大湾区湿地面积呈现增加的变化趋势,主要由人工湿地造成,人工湿地共增加1 752.55 km²,而天然湿地共减少688.98 km²,近10年天然湿地减少量明显变缓;2)粤港澳大湾区浅海水域、河流湿地和养殖塘湿地是优势景观类型,红树林、沿海滩涂、内陆滩涂、养殖塘和水库坑塘空间破碎度有所增加;3)湿地严重受损区域主要分布在广州、深圳和珠海,主要由建设用地、农田侵占湿地引起,40年间湿地转为城镇和农田的面积分别是762.73和178.71 km²。     

基于MCR模型与蚁群算法的洮河流域生态安全格局构建

生态安全格局的构建是保障地区生态安全的根本措施,是促进地区经济可持续发展的关键。洮河流域作为黄河上游重要的生态功能区,具有涵养水源、保持水土和生态安全屏障等重要生态功能,对黄河流域生态保护和高质量发展意义重大。受自然和人为因素双重影响,其生态环境脆弱敏感。关于该区域生态环境保护与修复的研究还不够全面,故选择洮河流域为研究区。基于洮河流域的生态特征,将生态系统服务重要性、生态敏感性和景观连通性的评价结果叠加分析,进行生态源地识别;采用最小累积阻力模型与蚁群算法并结合核密度分析方法,识别生态廊道空间范围;采用水文分析法识别生态节点,构建洮河流域生态安全格局。结果表明,(1)洮河流域的生态系统服务重要与极重要区域面积之和约为3.124×10⁴km²,约占研究区面积的69.02%,说明洮河流域生态系统服务价值较高;洮河流域生态敏感性主要以一般敏感和中等敏感为主,总面积约为2.753×10⁴ km²,约占研究区总面积的60.81%。(2)景观连通性极重要与重要区域面积为2.022×10⁴...     

大兴安岭生态功能区生态系统服务功能动态及权衡协同关系研究

大兴安岭水源涵养与生物多样性保护区是我国北方重要的生态屏障,定量分析其生态系统服务功能动态及内在关系,对于实现该区自然资源的合理利用与可持续发展具有重要的科学意义。基于多源数据和生态系统服务功能评估模型,实现了2000—2015年大兴安岭生态功能区水源供给、碳储存和生境质量服务功能的动态评估,并结合相关性分析和权衡协同度模型探讨各服务功能之间的权衡协同关系。结果表明：(1)林地是该区优势生态系统类型,占功能区总面积的67.80%,湿地和草地次之,3种类型面积之和占功能区总面积的92.35%。2000—2015年,林地面积增加2 080 km²,草地和湿地面积分别减少1 365和1 265 km²,其他类型面积变化较小。(2)2000—2015年研究区水源供给服务功能明显减弱,碳储存服务功能有所增强,生境质量改善显著。其中,水源供给量减少15.10亿m³,碳储量增加16.79 Tg,良好及以上生境面积增加5 746 km²,占生态功能区总面积的85.41%,生物栖息活动区生境质量显著提高。(3)在区域...     

辽西北地区防风固沙服务空间流动与辐射效应

生态系统服务空间流动及其辐射区的研究,有助于明确生态系统服务供给区与辐射区之间的空间联系。基于修正风蚀方程模型(RWEQ)评估辽西北地区防风固沙空间分布格局,利用混合单颗粒拉格朗日整合轨迹(HYSPLIT)模型模拟辽西北地区防风固沙服务空间流动路径,识别与计算防风固沙服务的辐射区和辐射效应。结果表明,2020年辽西北地区防风固沙总量为1 220万t,防风固沙能力整体表现为西南部偏高、中部和东北部相对较低,防风固沙服务空间流动路径为195条,大部分向东北和东南方向扩散,两个方向分别为83和70条,占总数的78.46%,辐射范围主要涉及东北、华北及黄渤海海域。中国境内陆地部分辐射区面积为184.82万km²,防风固沙服务减少下风向沙尘量为597.78万t,受益地区包括内蒙古、黑龙江、吉林、山东、北京、河北和辽宁等11个省(区、市)。该研究对辽西北防护林工程防风固沙服务辐射效应实现了量化评估,可为筑牢该地区生态屏障提供决策依据。     

基于GEE平台的京津冀长时序水体时空格局及其影响因素

京津冀地区水资源严重短缺,已成为制约京津冀协同发展的瓶颈。明晰长时序地表水体时空变化特征及其影响因素,对该区域的水资源合理配置及构建协同发展生态安全格局具有重要意义。基于Google Earth Engine(GEE)云平台,综合利用多指数水体检测规则、线性斜率、多元线性回归和偏微分分解等方法,构建了京津冀地表水体高时空分辨率连续变化图谱,揭示了研究区及安固里淖、密云水库、白洋淀和北大港湿地4个典型区的地表水体时空分异规律,厘定了降水量、气温、潜在蒸散发、前一年水体面积、人类生产生活用水和和引水调水等因素对地表水体变化的影响量。结果表明,(1)1985-2021年京津冀地区水体面积整体呈先增加后减少趋势,永久性水体面积净增122.85 km²,季节性水体面积净增1 788.95km²。其中安固里淖和白洋淀水体面积呈减少趋势,密云水库和北大港湿地水体面积呈增加趋势。(2)京津冀地表水体空间分布特征整体表现为东部沿海和中部地区地表水资源较丰富,北部和南部地区相对匮乏,4个典型区水体转换幅度大,具有较强的空间异质性。(3)降水量、前一年水体面积、引...     

降低水稻籽粒镉砷累积的研究进展

矿山开采、废弃物排放及污水灌溉等引发区域农田土壤重金属污染,并通过食物链富集、传递,严重威胁人类健康。水稻是重要主食,且极易吸收镉(Cd)和砷(As),已成为Cd、As进入人体的主要膳食来源。因此,通过调控措施降低水稻籽粒Cd、As含量,对保障水稻及其制成品的食用安全与人体健康具有重要的现实意义。概述了降低水稻Cd、As含量的调控措施,主要包括：(1)利用生物质炭、铁盐、肥料等材料钝化土壤中Cd、As,降低其生物有效性,从而降低水稻Cd、As吸收;(2)外源添加硫(S)可消除植物的膜脂过氧化胁迫,促进水稻体内植物络合素等非蛋白巯基形成,将Cd固定在水稻组织器官液泡中,减少其向籽粒的转移,降低籽粒Cd积累;(3)外源添加硅(Si),Si可与亚砷酸盐(As³⁺)形成吸收竞争,降低水稻As吸收;(4)控制稻田水分可改变根际土壤氧化还原状态,影响水稻Cd、As吸收积累,同时根系泌氧促进根表铁膜形成,调控土壤氧化还原状态促进As氧化为砷酸盐(As⁵⁺),增强根表对As⁵⁺的吸附固定,从而降低水稻对As的吸收量;(5)调控转运蛋白表...     

河北坝上地区草地退化指示种的高光谱特征波段识别

草地生态系统对发展畜牧业、保持水土和维持生态平衡有重要作用,实时、准确地监测草地的退化具有重要意义。高光谱遥感能够大幅度提高草地退化进程中植被结构退化的识别精度,为草原退化研究开辟新领域。利用高光谱遥感技术进行植被结构退化鉴别时,特征波段的选择和提取至关重要。根据地面实测高光谱数据,对河北坝上地区3种退化指示种和2种优势物种光谱反射曲线进行对数变换处理,采用均值置信区间对原始光谱和变换处理后的对数光谱进行波段选择,提取了退化指示种的光谱特性,并利用Manhattan距离对所选择的波段进行识别检验。结果表明:(1)与2种优势物种苔草(Carex pediformis)和羊草(Leymus chinensis)相比,退化指示种狼毒(Stellera chamaejasme)的特征波段为402~412 nm,冷蒿(Artemisia frigid)的特征波段为627~689、715~929和929~1 033 nm,星毛委陵菜(Potentilla acaulis)的特征波段为705~721 nm;(2)在上述特征波段内,同种植被的Manhattan距离值显著小于异种植被的Manhattan距离值,狼毒、冷蒿和星毛委陵菜的Manhattan距离值分别为0.006 6、0.310 1和0.385 5;(3)在可见光范围内,退化植被与主要优势植被的光谱差异不明显,经对数变换后,其差异被放大,易于提取特征波段,且基于均值置信区间的植被原始光谱曲线与对数光谱曲线相结合方法的特征提取结果更精细,最终确定狼毒的特征波段为402~412 nm,冷蒿的特征波段为627~689、758~924和940~1 033 nm,星毛委陵菜的特征波段为705~721 nm。     

基于高光谱数据藻类水华重要参数——叶绿素a的定量反演模型研究

水库富营养化导致的水华问题严重影响了饮用水的利用和保护,而水体叶绿素a在营养化水体中比例稳定,可以在很大程度上反映水体的营养状况,是水华监测的重要参数。目前,大多数研究集中在较为典型的富营养化水体,对中/贫营养化水体的研究较少。以莆田东圳水库为研究区,随机选取112组叶绿素a浓度数据和高光谱数据中的72组数据进行模型构建,剩余40组数据用于模型验证。在对叶绿素a浓度和光谱反射率曲线进行相关分析的基础上,通过对水体光学特性的分析和统计分析,筛选出单波段、波段比值、三波段、四波段、荧光峰高度、荧光峰位置、峰谷距离等特征参数建立反演模型。通过模型精度验证的对比分析,确定了最优叶绿素a浓度的反模型。结果表明,经过900 nm处归零化预处理的单波段模型和四波段模型对东圳水库水体叶绿素a浓度的反演效果最佳,其决定系数R²均为0.91,平均绝对误差MAE分别为1.82μg/L和2.81μg/L,MAPE分别为22.53%和21.53%。对于叶绿素a浓度较低、跨度较小的库区水域,波段算法类模型建模精度优于荧光算法类模型。该研究结果可以为后续东圳水库的常规水质监测和水华预警提供一定...     

基于光谱特征的煤矿覆煤区遥感识别与监测方法研究:以云南小龙潭矿区为例

面对煤矿区土地退化日益加重带来的严峻生态环境问题,以及露天矿区覆煤地表范围难以准确界定的现实难题,基于煤矿区典型地物水体、植被、裸地和煤堆的光谱特征以及Landsat 8遥感数据的波段特性,提出了归一化差异煤矿指数(normalized difference coal mine index,NDCMI),并结合地物样本的NDCMI值设定阈值,对煤堆与矿区背景地物信息加以区分识别。结果表明:(1)利用Landsat 8的蓝光、红光、近红外和中红外波段组成的NDCMI方法对小龙潭矿区(下辖小龙潭露天矿和布沼坝露天矿)具有较强的适用性;(2) 2013—2018年,布沼坝露天矿开采面积增加1. 03倍,而小龙潭露天矿开采面积减少42%;(3)在空间上小龙潭矿区的煤炭开采活动重心呈现自东北向西南、从小龙潭露天矿向布沼坝露天矿转移的趋势,大大增加了布沼坝露天矿的生态环境压力。     

铁基生物炭钝化Cd大田试验研究

近年来,稻田Cd污染引起的环境及健康问题日益突出。应用钝化技术对土壤中有效性Cd进行钝化对稻田生态系统中Cd的生物地球化学循环具有重要的理论和实际意义。在广东省韶关市仁化县董塘镇红星村一受Cd污染的稻田上,设置大田试验,研究铁基生物炭对Cd在大田土壤-水稻系统迁移的影响以及对作物产量的影响。试验共设6个处理:(1)空白对照;(2)每一季水稻插秧前,一次性施加1500 kg·hm^-2的普通生物炭;(3)每一季水稻插秧前,一次性施加75 kg·hm^-2的零价铁(Fe0);(4)每一季水稻插秧前,一次性施加1500 kg·hm^-2、ω(Fe)=1%的铁基生物炭(ω(Fe)=1%in Fe-Biochar);(5)每一季水稻插秧前,一次性施加1500 kg·hm^-2、ω(Fe)=3%的铁基生物炭(ω(Fe)=3%in Fe-Biochar);(6)每一季水稻插秧前,一次性施加1500 kg·hm^-2、ω(Fe)=5%的铁基生物炭(ω(Fe)=5%in Fe-Biochar)。结果表明:(1)施用生物炭、铁粉和铁基生物炭土壤钝化调理剂可以增加水稻产量,显著降低籽粒重金属Cd含量;(2)施用铁基生物炭可以显著增加水稻根表铁膜Fe含量,同时显著增加水稻根表铁膜固定的Cd量,抑制重金属Cd向籽粒的运输累积。综合考虑施用成本和钝化效果,对于Cd污染稻田,建议施用1500 kg·hm^-2、ω(Fe)=3%的铁基生物炭材料。     

太湖地区典型轮作与休耕方式对稻田水稻季N2O和CH4排放量的影响

轮作休耕是实现"藏粮于地、藏粮于技"的重要途径之一,目前在太湖稻田区域主要推广紫云英(Astragalus sinicus L.)-水稻(Oryza sativa L.)、油菜(Brassica napus L.)-水稻和休耕-水稻典型轮作与休耕方式。在太湖地区典型稻田水稻生长季设置了6个处理:(1)紫云英-水稻轮作,不施N肥处理,MRN0;(2)紫云英-水稻轮作,当地常规施肥量(300 kg·hm^-2,以纯氮计,下同),MRN300;(3)油菜-水稻轮作,不施N肥处理,RRN0;(4)油菜-水稻轮作,当地常规施肥量(300 kg·hm^-2),RRN300;(5)休耕-水稻轮作,不施N肥处理,FRN0;(6)休耕-水稻轮作,当地常规施肥量(300 kg·hm^-2),FRN300。通过田间试验,研究了不同轮作与休耕方式对水稻产量、氮肥利用率及稻田温室气体CH₄和N₂O排放的影响,从而为综合评价轮作休耕方式提供科学依据。田间试验结果显示,与不施氮肥处理相比,在不同轮作休耕方式下施氮300 kg·hm^-2,可增加53.7%—60.0%的水稻产量,以MRN300处理水稻产量最高,与RRN300和FRN300处理相比,水稻产量分别提高了1.6%和6.0%。在不施氮水平下,MRN0、RRN0和FRN0各轮作处理间N₂O排放通量和累积排放量均值差异不显著(P>0.05)。而在施氮300 kg·hm^-2下,紫云英-水稻轮作可降低N₂O排放通量和累积排放量,与RRN300和FRN300处理相比,N₂O排放通量分别降低了36.0%(P<0.05)和2.1%(P>0.05)。在同一施氮水平下,紫云英-水稻轮作CH₄排放通量和累积排放量最小,与RRN300和FRN300处理相比,MRN300处理CH₄排放通量分别降低了1.1%和6.7%,CH₄和N₂O的全球增温潜势(GWP)分别降低了3.3%和6.5%,单位水稻产量温室气体排放强度(GHGI)分别降低了4.6%和11.6%。综上,紫云英-水稻轮作对提高水稻产量,降低温室气体排放效果最好。     

2000—2020年黄河流域土地利用变化特征及影响因素分析

土地利用变化是人类与自然相互作用的重要表征。研究黄河流域土地利用变化特征及其驱动因素,可为黄河流域生态保护和高质量发展战略的实施提供参考。根据黄河流域2000、2010和2020年3期土地利用数据,运用空间分析与数理统计方法定量分析了流域不同尺度下的土地利用变化特征,分析了影响土地利用类型变化的主要因素。结果表明,(1)黄河流域草地和农田占比多年平均值分别为47.9%±0.38%、26.5%±0.69%,草地广泛分布于中上游,农田集中分布于下游,表明黄河上中下游分别承担着保障国家生态安全和粮食安全的重任。(2)2010—2020年的土地利用变化强度远高于2000—2010年,土地利用发生转变的面积和综合土地利用动态度分别增加了约8倍和15倍。(3)2000—2020年黄河流域土地利用类型变化以城镇、草地和森林增加和农田减少为主,城镇扩张了1.08×10⁴ km²,主要发生在黄河中下游的城市群,新增规模的58%是农田;草地和森林等生态用地增加了0.91×10⁴ km²,主要发生在黄河源头区和上游地区的...     

融合主被动遥感的乌海矿区土地损伤测度

煤炭资源开发战略加速西移,迫使西北矿区土地损伤迅速加剧。传统的矿区土地监测手段难以实现全空间覆盖的土地损伤诊断,该研究以乌海矿区为研究对象,采用Landsat TM/OLI影像和Sentinel-1A影像,利用3S、合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术,通过提取植被损伤指数、地表形变指数和土地覆被类型等关键参数,以土地结构损伤函数与土地功能损伤函数为主体构建矿区土地损伤测度模型。结果表明:矿区土地损伤在空间分布上呈现以开采工作面为中心向四周辐射衰减特征,土地损伤值为4.5～8.0的高损伤区面积为42.36 km~2,占总面积的2.68%;中损伤区面积为544.21 km~2,占比为34.43%;非损伤区面积为994.02 km~2,占比为62.89%。损伤测度结果有助于矿区环境修复精细化设计,为乌海矿区土地整治与修复提供决策参考。     

中国水稻食物系统碳足迹结构组成和地区差异

水稻是中国及全球食物系统的重要组成部分,以食物系统视角研究其生命周期碳足迹对实现水稻食物系统低碳转型和绿色发展具有重要意义。该研究基于中国2018年22个水稻主产省份的统计数据,结合生命周期评估(LCA)法和国际水稻研究所(IRRI)开发的CF-Rice水稻碳足迹计算工具,计算并分析了中国水稻食物系统“从摇篮到销售”的碳足迹及其结构组成、地区差异和水稻类型差异。结果表明：1)以单位产量碳足迹进行比较(以CO₂ eq计),晚籼稻(2.31 kg·kg^-1)>中籼稻(1.32 kg·kg^-1)>粳稻(1.13 kg·kg^-1)>早籼稻(1.08 kg·kg^-1);以单位面积碳足迹进行比较(以CO₂ eq计),晚籼稻(9.15×10³kg·hm^-2)>中籼稻(6.34×10³ kg·hm^-2)>粳稻(5.56×10³ kg·...