基于CA-Markov多情景模拟的海南岛土地利用变化及其生态环境效应

以海南岛为研究区域,基于2010年和2020年两期土地利用数据,利用CA-Markov模型预测了3种模拟情景下2030年和2040年土地利用空间分布格局,定量分析了海南岛2010—2040年土地利用变化及其生态环境效应。结果表明,(1)2010—2020年间,海南岛土地利用类型以林地为主,面积占比达62%以上,其次耕地。该时期土地利用类型转移的主要特征是林地、耕地、水域转为建设用地,建设用地面积增加483.55 km2,增长率高达53.27%。(2)利用CA-Markov模型模拟3种情景下海南岛2030年和2040年的建设用地均呈现较大幅度的增长,其中耕地保护情景模拟下的耕地面积最多,生态保护情景模拟下的林地和水域面积有所增加。(3)海南岛生态环境质量呈现出中部高、四周低的阶梯式空间分布格局,2010—2040年间海南岛生态环境质量逐期降低,由2010年的0.606 4下降至2040年的0.587 8。在3种模拟情景中,生态保护情景下的海南岛生态环境质量最高,其次是耕地保护情景,基准情景最差。(4)2010—2040年间,林地转为建设用地是导致海南岛生态环境质量恶化的主要类型和主导因素,耕地转为林地则是致使未来生态环境质量改善的主要土地利用变化类型,生态贡献率超过70%。总体而言,海南岛生态环境质量恶化的趋势大于生态环境质量改善的趋势。     

基于生态系统管理的湿地概念生态模型研究

湿地是地球上的一种重要生态系统,基于生态系统管理理念,进行湿地保护与管理,既是湿地科学发展的必然结果.也是当前湿地保护与管理的客观需求.湿地生态模型是以湿地生态系统作为研究对象的模型,是对湿地生态系统组成、结构、过程和功能进行简化、类比或抽象,是用来反映湿地生态系统各种过程和关系的定性或定量化工具.湿地概念生态模型是各类湿地生态模型中最基本的类型,是对湿地生态系统组成及其相互关系的一种简约的定性表达,特别是指人类活动影响下湿地生态系统因子变化及其相互关系的概念性表达.湿地概念生态模型构建的主要目的是旨在识别人类活动对湿地生态系统的驱动与胁迫,这些驱动与胁迫产生的一系列生态效应,以及湿地生态系统对此所表现出来的特征.湿地生态系统是一个多层次、多因子组成的,结构复杂、功能多样、具有多向反馈和调节机制的复杂大系统或巨系统.影响系统状态或驱动系统变化的因子众多,既有来自系统内部的、也有来自系统外部的,它们对系统造成的影响往往具有联动关系和因果效应.湿地概念生态模型就是在生态系统管理理论指导下,将这些系统因子及其关系抽象并提取出来,以"驱动-胁迫-效应-表征"为主线,判断系统变化与演化背后存在的因果关系,构建能够反映系统变化与演化特征和规律的结构性关系网络模型.湿地概念生态模型研究的意义在于在科学与决策之间架起一座桥梁,为实施湿地生态保护与管理提供指导,同时为建立湿地数量化模型奠定基础.     

基于CLUE-S和InVEST模型的五马河流域生态系统服务多情景评估

开展生态系统服务量化评估是科学进行生态系统管理的前提,对保障区域可持续发展和人类福祉意义重大。基于生态系统服务和交易的综合评估模型(In VEST),耦合小区域土地利用转换及其效应模型(CLUE-S),对五马河流域当前土地覆盖条件下及2030年2种土地覆盖情景[经济发展情景(SED)和生态保护情景(SEP)]下的产水、营养物质输移和沉积物持留3项生态系统服务进行量化评估。结果表明,当前流域的总产水量、总氮输出量、总磷输出量、沉积物持留量分别约为2.7×108m3、630 t、142 t和2×108t。经济发展情景下2030年流域上述3项生态系统服务的物质量相对于当前变化均不明显。生态保护情景下2030年流域总产水量相对于当前将减少约600×104m3,总氮和总磷输出量分别减少约34.8%和35.4%,沉积物持留量增加约0.7×106t。总体而言,五马河流域上述3项生态系统服务与土地覆盖状况密切相关,生态保护情景下2030年上述3项生态系统服务功能较当前将有明显提高。     

基于CA的城市形态扩展多解模拟——以北京市东部平原区情景分析为例

构建了一个基于人工神经网络的约束型城市扩展CA模型。利用该模型,预测了北京市东部平原区在3种情景规划之下的未来50年的城市形态,为不同的城市发展模式之间的比较分析奠定基础。然后以2024年的北京东部平原区模拟城市形态为基准,从自然生态功效、社会服务功效、经济利益功效3个方面对3种规划模式进行了情景分析,从而系统的比较了3种规划模式的复合生态功效,为城市规划决策提供有力的支持。     

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PSR模型的松嫩平原西部湿地生态环境评价

以1986年和2000年遥感影像作为信息源，在GIS技术的支持下建立了松嫩平原西部湿地空间信息数据库。以压力一状态一响应(PSR)模型作为研究方法，建立了一套湿地生态环境评价指标体系。通过选取反映压力、状态及响应等的指标，对该区湿地生态环境的动态变化进行了分析。得出基本结论，(1)15年来该区人为干扰压力不断加强，造成人工湿地增加，天然湿地减少，湿地生态环境服务功能下降。(2)15年来该区湿地内部结构和状态发生显著变化，湿地景观异质性在不断增加，湿地破碎化及退化严重。(3)15年来湿地对人类活动干扰的响应是湿地面积在不断减少，人类对湿地变化的响应是建立湿地保护区，保护区的面积在不断增加。     

湿地土壤因素对污水处理作用的模拟研究

人工湿地是近年来发展较快的污水处理设置,本文用室内模拟的方法研究了湿地土壤在处理生活污水的作用。结果表明,在排除了植物因子的前提下,人工湿地土壤－生生物系统对污水的民人仍具有良好的去除作用。系统不同单位区段对污水中的总有机碳（ＴＯＣ）,总氮（ＴＮ）去除率存在差异,在第一个单位区段的处理效率最高,分别达４８％和３８％,远大于第二、三、四区段,土壤吸收吸附磷的过程中存在着积累现象,土壤磷浓度在第一区段     

基于遥感-过程耦合模型的地表蒸散量应用研究

作为陆面过程中地气相互作用的重要过程之一,蒸散发(Evapotranspiration,ET)在地球的大气圈-水圈-生物圈中发挥着重要作用。利用遥感-过程耦合模型BEPS,以中分辨率成像光谱仪(MODIS)数据和NCEP/NCAR再分析资料为主要输入,模拟分析了2007-2009年美国区域的地表ET,同时利用通量观测网AmeriFlux的站点观测数据验证该模型在ET模拟研究中的可靠性与适应。结果表明：12个站点通量实测值与BEPS模型模拟的ET值的相关系数为0.7297(P<0.05),表明BEPS模型能够较好的模拟研究区的地表ET。ET在1年内呈现明显的单峰趋势,5-9月ET值较高,可达60 mm·mon-1以上,最小值在1月份,值为8.39 mm·mon-1,最大值在7月份,值为118.04 mm·mon-1。该区域ET的平均年总量为505 mm·a-1。受地形、气候的影响,ET最高值对应于南部区域,这些地区ET的年总量普遍在600 mm·a-1以上,最高值为1667 mm·a-1,对应的主要覆被类型为草地和农田;中北部和东部的大部分区域ET年总量为400~600 mm·a-1;ET最小值在西部区域,年总量小于400 mm·a-1,对应覆被类型为疏林地和混交林。降水量与ET差值呈现从东向西逐渐递减的趋势,最小值主要分布在西部沙漠。整个研究区域ET与降水量之比的平均值为0.72,由东向西基本呈现增加趋势,在西部以及中北部的部分地区比值达到最大。     

基于AQUATOX模型的乌梁素海富营养化模拟及控制研究

乌梁素海是典型的寒旱区湖泊,具有多草、多藻、水浅及寒区气候等特征。针对乌梁素海湖泊富营养化及水华问题,运用AQUATOX模型对乌梁素海湖区主要营养盐的季节变化以及不同藻类(蓝藻、绿藻、硅藻)的演替规律进行了模拟。模拟结果显示,该研究建立的乌梁素海生态系统模型,能较好的模拟水域中营养盐的动态变化以及不同藻类(蓝藻、绿藻、硅藻)的季节演替规律,与乌梁素海实际水环境状况大体吻合。在模拟的基础上,对控制入湖氮、磷污染负荷后营养盐浓度及藻类生物量的响应关系进行探讨。结果显示,在氮磷与营养物响应关系方面,消减入湖氮磷负荷能有效降低乌梁素海湖区相应营养物浓度,且随消减量的加大,其浓度也不断降低。同时消减入湖N,P负荷的20%,营养物TN,TP浓度分别降低17.06%和4.83%;消减入湖N,P负荷的30%,营养物TN,TP浓度分别降低25.62%和6.92%;消减入湖N,P负荷的50%,营养物TN,TP浓度分别降低42.58%和11.56%。在氮磷与藻类响应关系方面,消减氮磷负荷可以有效降低湖内绿藻、蓝藻生物量。同时消减入湖N,P负荷的20%、30%和50%,绿藻及蓝藻生物量平均降幅分别为7.77%、12.60%、19.54%和6.05%、10.60%、13.12%。单一控制磷负荷亦能有效降低绿藻和蓝藻生物量,且作用更加明显,而单一控制氮反而会使蓝藻的生物量增加。因此,在乌梁素海富营养化的治理中,需采取同时消减入湖氮磷负荷或者单一消减磷负荷的措施,以实现抑制水华暴发、改善区域生态的目的。     

模拟增温和氮沉降的耦合作用对高寒泥炭湿地土壤碳激发效应的影响

土壤碳激发效应是影响有机质转化的关键机制,全球气候变暖和大气氮沉降对其的影响关系到土壤碳库的稳定性.本研究基于已进行4年氮添加的高寒泥炭湿地土壤,在5℃、15℃条件下,将对照以及不同水平的氮添加土壤培养60d,结合13C标记的葡萄糖来探究模拟增温和氮沉降的耦合作用对土壤碳激发效应的影响.结果 表明,增温显著地增加土壤碳...     

基于SWAT模型的渭河流域污染控制效果模拟

在实测数据的基础上,利用率定验证后的SWAT模型对渭河流域污染负荷进行模拟计算,并对非点源和点源污染控制措施的模拟效果进行评价。结果表明:非点源污染综合控制措施可较好地削减污染物,且削减效果明显高于单一非点源措施。点源污染控制措施对N、P削减效果较明显,且削减效果随着强度的增加而增强。点源和非点源相结合的污染控制综合方案对流域N、P的削减效果比单一措施效果明显,采取综合措施后2020年渭河流域污染负荷产出均有所下降,且满足"十二五"规划中主要污染物控制目标,说明综合措施治理效果较好,流域水环境质量得到明显提高。     

基于FLUXNET的CLM模型生态系统呼吸模拟验证

准确估算陆地生态系统呼吸(Ecosystem respiration,RE)对全球陆地生态系统碳收支研究具有重要意义.模型模拟是估算陆地RE变化的一种常用手段.然而目前陆地生态系统过程模型的RE模拟尚未得到充分验证.基于耦合模式比较计划第五阶段(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5,CMIP5)的通用陆面模型(Community land model,CLM)RE模拟结果和全球通量网(FLUXNET)66个站点的涡度相关通量观测数据(277条站点年数据)评估CLM模型对RE的模拟效果.结果表明:~(1)在空间尺度上,CLM低估了高纬度站点RE,高估了低纬度站点RE,但高纬度低估量更大导致空间格局整体低估(相对误差为-3.56%).(2)在时间尺度上,CLM模型基本捕捉了RE的年际和季节变化,相关系数分别为0.60(P0.001)和0.63(P0.001);CLM低估年尺度和月尺度的RE(以C计_),绝对误差分别是-182.21 g m-~(2 )a-~1、-120.16 g m-~(2 )mon-~1,相对误差分别是-17.84%、-10.60%.(3)CLM模型对不同植被功能型的RE模拟效果不同,由优及差依次为混交林、常绿针叶林、草地、农田、落叶阔叶林、常绿阔叶林.本研究在时空尺度上量化了CLM模型的生态系统呼吸模拟误差,并分析了土壤呼吸Q10和MRbase参数以及土壤碳库模拟等因素的影响,可为CLM模型的生态系统呼吸模块参数优化提供依据,进而提升其模拟精度.(图4表3参80附图2附表2)     

遥感水文耦合模型的研究进展

遥感水文的耦合模型在目前生态环境领域,特别是在水资源的应用和管理中其作用日益重要,具有大流域尺度上快速应用、实时动态监测等优点。结合国内外近年来取得的研究成果,文章综述了遥感水文耦合模型的研究进展。首先介绍了遥感技术在水文学中的应用,讨论了它的分类发展概况,接着介绍了几种主要的遥感水文耦合模型及其应用实例,包括SCS(SoilConservationServices)模型、SiB2(SimpleBiosphereModelversion2)简化生物圈模型、SRM(SnowmeltRunoffModel)融雪径流模型以及SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)模型,最后展望了遥感水文耦合模型未来的发展趋势,指出尺度问题上的时空变异性仍是其发展的关键,与GIS(Geographicinformationsystem)及其他空间技术的相结合是其未来发展的重要方向,从而为水文学、水资源的预测评价等研究提供参考。     

基于VMOD模型的若尔盖泥炭沼泽地下水数值模拟

若尔盖泥炭沼泽自20世纪50年代以来发生显著的面积萎缩,导致其失水的重要机制之一是自然沟道的溯源下切与横向侵蚀,进而疏干沟道两侧沼泽的地表水和泥炭层的地下水,加速泥炭沼泽地的萎缩。基于2016—2017年夏季野外观测与Visual MODFLOW地下水模型,分别研究局部2种典型泥炭地的地下水运动和沟道对泥炭地地下水的横向水力梯度的影响。结果表明:地下水流运动偏向于沟道方向,且当沟道切穿泥炭层后此趋势更加显著,垂直沟道方向水力梯度约增大79%。证实自然沟道不仅在降雨期对地表水具有排水作用,其溯源下切直至切穿泥炭层的过程促进沟道两侧地下水在非降雨期不断流失,并在河道两侧形成泥炭沼泽的疏干带。该研究对若尔盖湿地修复与保护中沟道切穿泥炭层区域提出了相应的建议措施。     

多层次多物种配置人工湿地处理生活污水研究

将多层次、多物种配置的植物床的生活污水处理效果与传统植物配置方式的污水处理效果进行了比较,研究了多层次、多植物种配置在人工湿地系统中污水处理的有效性和可行性。研究中,对CODCr、BOD5、TP、TN和NH3-N的去除率,传统植物配置的植物床分别达到了69.0%、71.6%、78.5%、33.6%和36.7%,多层次配置的植物床分别达到了65.7%、64.6%、84.5%、20.2%和18.3%。结果表明,多层次、多植物配置的植物床能有效去除污水中的污染物。另外,在人工湿地中进行多层次、多物种配置时,有必要结合植物筛选工作,以确保配置更有效。     

全氟化合物在天津大黄堡湿地多介质分布研究

对天津市大黄堡湿地自然保护区内的水、底泥及生物样品的不同组织中的全氟化合物(PFCs)的污染水平进行了研究,分析了PFCs在水-底泥的分配系数,生物积累因子以及生物体内不同组织间的分配系数.水相中的PFCs以伞氟辛烷羧酸(PFOA)为主,浓度范嗣为24.8-48.2 ng·L-1,其次为伞氟辛烷磺酸(PFOS),浓度范...     

基于CA-Markov模型的挠力河流域土地利用动态模拟

以三江平原腹地挠力河流域为研究对象,基于1990和2013年2期遥感数据,结合马尔科夫(Markov)转移矩阵、土地利用动态度模型和土地利用程度模型分析流域1990—2013年土地利用变化情况,运用CA-Markov模型对2025年土地利用格局进行模拟预测。结果表明:流域土地利用结构变化以耕地的内部和外部转换为主,水田化现象是最主要的景观变化特征,未利用地面积由于大量垦荒而大幅度减少;土地利用程度指数由1990年的251.46上升至2013年的270.48,土地开发利用程度不断加大;模型模拟显示流域Kappa系数为0.82,预测结果可信;2013—2025年流域土地利用类型变化趋势和速率与1990—2013年存在差异,林地变化幅度最大,水田面积仍然保持增长,但增长速度有所下降,单一动态度降为2%,旱地面积基本保持不变;未来12 a土地利用程度指数持续上升,流域受人类社会因素扰动作用的强度将会进一步加大。     

基于面向对象技术和CLUE_S模型的徐州市土地利用和覆盖模拟研究

本文利用面向对象的方法对徐州市辖区87、95、2000年的三期遥感影像图进行分析,运用通过分析确定最佳分割尺度,采用多尺度分割法对徐州市不同时段的遥感影像进行分类,做为模型输入的参数。运用CLUE_S模型模拟了2000年的土地利用空间分布并与已经分类的土地利用图进行对比,结果达到精度要求,以2000年的土地利用图为基础通过选取驱动因子和转换参数模拟2000年徐州市土地利用空间变化状况,将2000已分类数据作为校验数据,评价其模型精度,结果表明CLUE_S模型较好的模拟了徐州市土地利用变化状况,并模拟了2013年徐州市土地利用空间布局。     

基于多模型优选的区域土壤重金属含量空间预测方法研究

土壤重金属含量空间预测研究对实现区域土壤资源的优化利用以及土壤环境的保护和污染防治具有重要意义。以江苏省常州市金坛区为例,基于源、汇和空间分异因子,利用BP神经网络(back-propagation network)建模方法,分别构建了源汇模型(BP-S)、空间分异模型(BP-K)和改进的多因素综合模型(BP-SK),模拟预测了区域土壤重金属Cd、Pb、Cr、Cu和Zn含量的空间分布,并对各模型预测精度进行对比分析。针对不同模型在不同区域和元素间预测精度的差异,优选出预测精度最高的模型组合,以此探求区域重金属含量空间分布最优预测结果。结果表明:(1)BP-SK模型对Cd、Cr、Cu和Zn含量预测精度均高于BP-S和BP-K模型,仅在对Pb含量的预测中BP-S、BP-K模型精度高于BP-SK模型,BP-SK模型比其他模型更能突出局部特征,包含的信息更丰富。(2)优选后最优模型预测精度较原单一模型均有不同程度的提高,对Cd、Pb、Cr、Cu和Zn含量的预测精度分别提高15.15%、20.71%、19.19%、1.75%和9.24%。(3)各模型对Cd、Pb、Cr、Cu和Zn含量的空间预测高值区均位于区域中部和东北部,低值区位于西部丘陵山区,BP-SK模型在人为影响剧烈的地区预测效果更好,而BP-K模型在自然因素影响较大的丘陵山地区的适用性更好。