1995-2015年江苏省土地利用功能转型特征及其协调性分析

土地利用功能转型可实现土地利用功能协调,是实施区域可持续发展的重要路径。从功能协调角度构建土地利用功能转型分析框架,利用江苏省1995年、2000年、2005年、2010年和2015年5期遥感影像及相关资源利用和社会经济数据,构建三级土地利用功能评价体系,以县域为评价单元,通过三角模型和空间相关分析等方法,定量解析江苏省土地利用功能时空演变特征及其与土地可持续利用目标的协调状况。研究结果显示：（1）研究期内,江苏省土地利用功能总水平提升减慢,其中生产、生活功能不同程度提升,生态功能明显下降。（2）生产、生活功能空间集聚不突出,生态功能的热点、冷点区域呈“Y”型集聚分布。（3）不同功能区功能协调性态势不一,重点开发区和限制开发区可持续发展态势总体良好,优化开发区可持续发展程度较弱并持续恶化。建议江苏省在落实发展蓝图和空间规划的过程中,应优先推进苏南现代化示范区建设,重点实施重点开发区生活功能转型、Ⅰ类限制开发区生产功能转型策略,并严格落实禁止开发区的生态保护责任等差别化管理策略。     

基于随机森林的耕地利用效率测度模型构建及其应用

构建合适的量化分析模型是科学把握耕地利用状况及利用效率的基础性工作,可为制定合理有效的耕地资源管控政策,实现耕地利用与生态环境的协调发展提供决策依据。为了更准确地反映耕地利用系统的复杂性、动态性及差异性等特征,鉴于随机森林的基本思想,运用随机抽样Bootstrap法在合理构建分类树的基础上,构造了耕地利用效率测度的RF模型,进而以中国粮食主产区172个城市为例训练该模型并将其运用至2003-2015年的耕地利用效率测度中,同时将BP神经网络和熵权法作为对比验证其一致性、代表性和优越性。结果表明：（1）耕地利用效率测度的RF模型不受量纲限制,运行所需参数少,运算过程简化,能够较为精确地模拟各评价指标间的复杂联系,科学量化各评价指标对耕地利用效率的贡献。（2）对同一空间单元的效率值而言,RF>BPNN>EW,RF与BPNN所得效率值的总体分布格局相似,且均与EW的测度结果存在较大差异。（3）从评价结果与现实的匹配度和精度表征参数来看,RF的测度结果与自然和社会经济发展等客观事实更相符,具有较高的适用性与可靠性。同时,与其余两种常用模型相比,RF能够降低计算复杂度,提高训练效率,其测度结果的相关系数R为0.8685,M_RPD为2.3533,且具有最小M_MSE0.0174和M_MAE0.0211,更适用于复杂非线性特征的耕地利用效率研究。     

黄土丘陵区撂荒恢复过程中植物群落组成与土壤养分及酶活性变化的关系

为揭示黄土丘陵区植被恢复过程中土壤性质变化趋势,以黄土丘陵区10~45a的撂荒地为研究对象,分析撂荒后植被恢复过程中植物群落演变规律、土壤养分含量、4种酶活性变化及其相关关系.结果表明,随着撂荒年限的增加,恢复过程中主要群落的演变为猪毛蒿(Artemisia scoparia)→达乌里胡枝子(Lespedeza dahurica)+铁杆蒿(Artemisia sacrorum)→茭蒿(Artemisia giraldii)+铁杆蒿→白羊草(Bothriochloa flaccidum)+茭蒿,群落多样性指数整体表现为先增后减的趋势,菊科(Compositae)、禾本科(Poaceae)及豆科(Leguminosae)这3科占比从66. 67%降至50%,后上升到75%.土壤有机碳(SOC),全氮(TN)、全磷(TP)、速效氮(AN)、速效磷(AP)与碱性磷酸酶(ALP)、过氧化氢酶(CAT)、脲酶(UE)与蔗糖酶(SC)这4种酶活性呈增加趋势,但增加程度不同,化学计量比总体呈波动上升趋势.菊科、禾本科与豆科相比总科数、总属数、总种数及植物多样性,对养分和酶活性有更显著的影响,贡献率分别为72. 8%、69. 1%、66. 0%,且三大科对土壤酶的影响大于土壤养分,其中禾本科与豆科对养分及酶活性表现为正影响,而菊科表现为负影响.撂荒恢复过程中草地群落优势科占比的升高显著影响土壤酶的升高,并导致土壤养分变化.     

基于GEE的1998～2018年京津冀土地利用变化对生态系统服务价值的影响

在京津冀地区可持续发展评估研究中,对生态系统服务价值进行动态估算具有重要意义.本文以京津冀地区为研究区,基于谷歌地球引擎(GEE)云平台采用分类决策树(CART)分类算法对研究区内1998、2003、2008、2013及2018年的Landsat TM/OLI影像进行监督分类得到5个时期土地利用数据并定量分析1998～2018年京津冀地区土地利用动态变化规律,再利用生态服务价值(ESV)当量估算方法定量估算京津冀地区的ESV并结合15 km×15 km尺度格网探明其时空动态变化.结果表明:①1998～2018年间,京津冀地区6种土地利用类型中建设用地(增加16. 67%)及草地(减少13. 73%)面积占比变化幅度最大,水体(减少0. 2%)面积占比变化幅度最小.②京津冀地区ESV总价值在1998～2003年间出现短暂增长(增加91. 97亿元),2003～2018年间持续降低(减少239. 07亿元),主要与建设用地面积在除1998～2003年的其余3个时间段扩张较快有关,6种土地利用类型中林地提供的ESV最高,建设用地及未利用土地提供的ESV最低.③基于15 km×15 km尺度格网的ESV时空分析表明,1998～2018年间京津冀地区ESV中等区逐渐较少,ESV较低区及较高区逐渐增加,且ESV较低区增速高于较高区.④1998～2018年间,京津冀地区6种土地利用类型对价值系数的敏感性系数(SI)范围为0～0. 40,且均低于1,表明本文ESV对修订后的生态系统服务价值系数缺乏弹性,证明本文定量估算ESV的结果是可靠的.在未来经济发展中,京津冀地区应合理优化土地利用格局,加强对林地、草地、水体及耕地的保护.研究可为制定可持续发展战略,建设生态友好型社会提供参考.     

城市污泥堆肥对土壤温室气体排放的短期影响

采用田间试验,施用2种城市污泥堆肥（含生物质炭和不含生物质炭）,通过静态暗箱-气相色谱法研究污泥堆肥土地利用过程温室气体排放特征,探讨施用污泥堆肥的短期影响作用.结果表明,在观测时间内,N₂O排放主要集中在前3周,约占总排放量的87.9%~95.6%.N₂O排放量均随污泥堆肥施用量的增加而增加（P<0.05）,裸地N₂O排放量高于种植作物处理.施用含生物质炭污泥堆肥能减少土壤N₂O排放,且随着施用量的增加,N₂O减少量越大（P<0.05）.CH₄排放量较低,在试验前期和后期主要为负,总体表现为吸收CH₄.各处理吸收CH₄主要集中在第18d以后,其CH₄吸收量占总吸收量的52.1%~66.7%.施用含生物质炭污泥堆肥处理CH₄吸收量比不含生物质炭污泥堆肥处理低35.2%~62.2%,同时,裸地CH₄吸收量明显高于种植作物处理（P<0.05）.CO₂排放也主要集中在18d以后,约占排放总量的50.5%~61.8%.种植作物能促进CO₂的排放,种植作物处理是裸地的1.34~1.57倍.在观测时间内,污泥堆肥土地利用是CH₄的弱吸收汇,是N₂O和CO₂的排放源,施加污泥堆肥能显著增加土壤N₂O和CO₂的排放.施用生物质炭污泥堆肥短期内能够减少温室气体总排放量,温室气体减排量达到20.41%~62.51%.     

中国生态用地及生态系统服务价值变化研究

生态用地具有重要的生态系统服务功能,在维护生态平衡、保障国土生态安全、应对全球气候变化中具有特殊地位。论文在总结国内研究学者有关生态用地研究成果的基础上,从生态系统服务功能入手,界定了生态用地的概念,根据生态干扰度构建了生态用地分类体系,并将生态用地分类与土地利用分类进行衔接,对全国生态用地的生态系统服务价值进行了评估,分析其特征及规律。研究表明：1）广义的生态用地是指能发挥供给、调节、支持生态系统服务功能,以及对维持区域生态平衡和调节全球气候具有重要作用的土地类型;2）依据“生态干扰度”构建了生态用地分类体系,将生态用地分为3个一级地类、5个二级地类和31个三级地类;3）2012年全国生态用地的生态系统服务价值为280 483.80亿元,呈现“西高、中次、东低”空间格局。2009—2012年全国生态用地的生态系统服务价值整体呈下降趋势,变化幅度空间分布差异较大,呈现“中增、东西减”的格局特点;2009—2012年全国生态用地各项生态系统服务功能受到损失,呈下降趋势,生态系统稳定性不容乐观。     

土地承载力研究范式的变迁、分化及其综论

基于Kuhn范式理论,将现有土地承载力研究成果显化、梳理为4种主要研究范式,即基于限制因子的研究范式、基于多因素综合的研究范式、基于参照区的研究范式、基于生态足迹的研究范式。以范式应用的时代背景、空间尺度为着眼点,对各类范式进行综合比较,结果显示：基于限制因子的土地承载力研究范式起源最早、发展最为成熟,基于多因素综合、基于参照区、基于生态足迹的3种研究范式,均是以前者为基础,按照不同的方向分化而成;范式分化的原因在于时空条件的变化所引致的亟需解释、解决的现实问题的变化。范式本身并无优劣之分,但有其独特的适应性：基于限制因子、基于生态足迹的两种研究范式适用于全球及国家等大尺度土地承载力问题,且发展较为成熟,其成果具有较强的理论和实践指导意义;基于多因素综合及基于参照区的两种研究范式适用于市县等中小尺度,但其研究较为薄弱,所得的承载力分值、承载力相对值对区域土地管理实践的指导价值有限。当前,市县等中小尺度土地承载力研究亟需加强,其指导实践的有效性与可操作性亟待大幅度提高。     

土地利用方式下土壤有机碳特征及影响因素——以后寨河喀斯特小流域为例

为研究喀斯特小流域土壤有机碳空间分布与土地利用之间的关系,基于网格法在后寨河流域挖掘了2 755个土壤剖面,并采集了22 057个土壤样品。分析了后寨河流域不同土地利用方式下土壤有机碳密度特征。结果表明：后寨河流域土壤有机碳密度主要受人为干扰、土壤厚度与岩石裸露率的制约。不同利用方式土壤有机碳密度（0~100 cm）总体上呈现以下规律：水田>旱地>经果林地>园地>草地>弃耕地>坡耕地>乔灌木林地>乔木林地>荒地>灌木林地>灌草地。后寨河流域100 cm土壤有机碳平均碳密度为8.70 kg/m²,低于中国土壤有机碳平均密度10.83 kg/m²,总有机碳储量为5.39×10⁸ kg。科学合理地进行土地利用方式调整与管理,可以增大喀斯特小流域土壤有机碳储量。     

基于多智能体和土地转换模型的耕地撂荒模拟研究——以陕西省米脂县为例

多模型耦合已经成为国内外模拟LUCC有效途径之一。论文通过如下步骤阐明宏观耕地撂荒格局和微观主体行为间的互动机理。首先,将微观主体间的相互作用纳入其决策,构建有限理性多智能体决策模型（Multi-Agent System,MAS）;其次,通过SNNS平台的训练学习以及与历史数据对比分析,验证土地转换模型（Land Transformation Model,LTM）模拟研究区宏观撂荒格局的有效性;最后,依据多模型耦合机理,耦合MAS模型与LTM模型,形成耕地撂荒模拟模型（Cropland Abandonment Simulation Model,CASM）,并基于研究区耕地撂荒的实际数据,探讨模型的合理性和可行性。结果表明：与2013年历史土地利用数据对比,CASM模型的PCM（Percent Correct Metric）系数为71%,比单独利用LTM模型的模拟精度提高3%,不仅表明CASM能够较好地模拟分析米脂县耕地撂荒空间格局分布,而且可有效揭示宏观耕地撂荒格局的微观驱动机理;同时,文章指出未来研究中要考虑政策和市场的影响,进一步完善不同层次主体决策对撂荒的影响,以此来提高模型对现实耕地撂荒的解释力。     

中国水土资源本底匹配状况研究

论文以中国水资源二级区为基本单元,利用单位面积水资源量法和基尼系数法,以二级区水资源总量和潜在可开垦耕地面积为数据基础,评价中国水土资源本底匹配状况,为中国水土资源优化配置提供科学依据。首先根据适宜农作物耕种的高程、坡度和土壤类型条件,得到中国潜在可开垦耕地分布;然后,计算单位潜在可开垦耕地面积水资源量,评价中国水土资源本底匹配分布状况;最后,绘制水土资源洛伦兹曲线,计算基尼系数,对中国水土资源本底匹配总体状况进行评价。研究结果表明： 1）中国北部区域潜在可开垦耕地较多,西南部和南部沿海区域分布较少,未来具有较大耕地开发潜力的区域主要分布在北方; 2）中国本底水资源和潜在可开垦耕地资源空间分布存在严重错位; 3）较之已有研究成果中依据水资源量和耕地面积计算的基尼系数0.566,论文以本底水资源和潜在耕地为基础数据计算的基尼系数0.712要大很多,表征中国本底水土资源不匹配程度要严重得多,中国80%的水资源服务不到23%的潜在可开垦耕地。