40年来洞庭湖流域耕地利用变化及其水分平衡效应

明确我国关键粮食产区水土资源平衡状况,有利于粮食生产结构调整及保障国家粮食安全。以南方洞庭湖流域为研究区,在多期土地利用数据、常规气象站点数据和DEM数据支持下,从耕地的新增、类型转换、存续和灭失4方面系统识别耕地利用变化特征,并运用Penman-Monteith公式、有效降水量模型等揭示其气候水分平衡特征及耕地利用下水土资源平衡效应。结果表明：(1)40年间,洞庭湖流域的水田处于较为稳定的空间分布状态,而旱地重心向西北方向移动了17.36 km²。耕地存续的相对面积比例达到70.63%,灭失类型多分布于怀化、湘西州等地,新增的耕地来源主要是林地,内部转换集中于衡邵娄等地;(2)流域南端以及洞庭湖区的蒸散能力较强,而西部至西北端偏弱,有效降水量呈西北至东南逐渐增大的特点;(3)1980年水分亏缺区面积比例仅为1.79%,至2020年该比例已增至32.84%,洞庭湖区以及永州市等地水分亏缺风险较高;(4)耕地的气候水分平衡历经了以水分盈余为主到水分亏缺与盈余并存阶段,亏缺区主要分布于洞庭湖区、湘江流域西北部以及永州等地,且亏缺区扩张更多围绕以水田为核心的耕地利用变化...     

东洞庭湖湿地生态水位阈值研究

水位是湖泊湿地水文情势和生态系统健康的关键指标,如何确定适宜生态水位阈值是确保湖泊湿地健康的关键.以东洞庭湖城陵矶站和鹿角站突变前水位过程(1959～1978年逐日水位资料)为基准期,采用RVA法、年内展布法和数理统计的方法建立了东洞庭湖适宜生态水位过程.结果 表明:(1) RVA法计算逐月生态水位阈值的波动范围均值是2.18 m,而年内展布法计算逐月生态水位阈值的波动范围均值是5.12m,水位波动较大,对于东洞庭湖适宜生态水位来说,RVA法计算生态水位的波动范围更有利于维持湿地植物群落健康和生物多样性;(2)受湖底高程影响,鹿角站的高低水位发生时间会比城陵矶站提前15 d左右,而高低水位的历时和波动范围以及动植物敏感期(3～6月)的平均水位变化速率并未有显著差别;(3)水位变异后(2003～2016年),东洞庭湖水位大部时间处于生态水位阈值内,只需要对不满足生态水位的消落期采取调整措施,鹿角站和城陵矶站年均水位差距减少0.46 m,洞庭湖的水动力系统减弱,给洞庭湖生态健康带来了消极的负面影响.研究可为东洞庭湖生态水位和三峡及上游电站联合调度提供依据.     

基于循环神经网络的洞庭湖水位预测研究

洞庭湖流域分布了3个重要的自然保护区,是我国大型淡水湖泊湿地系统之一,生态资源丰富.水位是维持其生态系统结构、功能和完整性的基础.为预测长江和流域"四水"来水组合影响下的洞庭湖水位变化,该文采用两种循环神经网络方法——长短期记忆(LSTM)和门控循环单元(GRU),构建了洞庭湖水位变化的预测模型.LSTM和GRU的优势在于能够学习网络的输入和输出之间的长期依赖关系,这对于模拟受上游来水影响的水位累积变化至关重要.模型以湘江、资水、沅江、澧水入湖流量和长江干流宜昌站前期流量作为输入条件,预测洞庭湖不同湖区的水位变化过程.利用1980～2002年水位流量时间序列数据对模型进行测试,2003～2014年数据进行验证,并对两种模型的预测结果进行了比较.结果表明:(1)循环神经网络LSTM和GRU方法均可合理预测洞庭湖水位的变化过程,NSE和R2均为0.91～0.95,各站水位预测的RMSE值为0.41～0.86 m,NSE和R2均为0.91～0.95;(2)LSTM的预测精度稍高于GRU,但GRU计算更高效,是LSTM一个很好的替代方案;(3)模型能够较准确的模拟一次洪水事件,洪水位的预测值与真实值的最大相对误差低于5％;且模型具有较好的多步长时间序列预测能力,有在水文模型应用方面的潜力.     

洞庭湖钉螺扩散与水情变化规律

洞庭湖区是目前我国钉螺分布范围最广且血吸虫病疫情最难防治的疫区。为揭示近年来洞庭湖区钉螺扩散与疫区水情变化的关系,从洪水对钉螺扩散及其孳生地环境淹没时间影响考虑,提出了表征疫区钉螺扩散及孳生地变化的水情指标,选用最能综合反映洪水年水情变化的汛期平均水位作为疫区水情变化的表征指标,并以洞庭湖为例定量分析了洞庭湖区钉螺扩散与以城陵矶站汛期平均水位为指示性指标的疫区水情的相关关系。其结果显示洞庭湖区钉螺面积与湖区汛期平均水位线性相关性显著,其相关关系式为y＝0.107 2x+14382(r=0822,p<005),其中y为洞庭湖区钉螺分布面积,x为城陵矶站汛期平均水位。     

洞庭湖近年干旱与三峡蓄水影响分析

季节性水文干旱是洞庭湖近年突出的水情问题,并因三峡影响而倍受关注。基于洞庭湖水文干旱的关注焦点（湿地生态影响）及其与湖泊水情的对应关系,建立了湖泊滩地出露与持续时间为依据的干旱度量指标;并利用水文分析方法,揭示了洞庭湖水文干旱发生的时空特点和水情机制;最后,基于BP神经网络模型获取的三峡水库蓄水对洞庭湖的水位影响量化了三峡水库秋季蓄水对湖区干旱的贡献分量。结果认为：（1）2000年后,洞庭湖的干旱频次明显增多、旱情加重,干旱程度以西洞庭最剧,东洞庭次之,南洞庭最轻;（2）洞庭湖不同湖区干旱成因存在一定差异,其中全湖的春旱基本由洞庭湖流域来水偏少引起,而东洞庭湖秋旱主要由长江来水减少引起,西、南洞庭湖秋旱则由长江和洞庭湖流域来水共同减少形成;（3）三峡水库蓄水对东洞庭湖秋旱起到一定的加重作用,但并非洞庭湖近年干旱的主要因素     

东洞庭湖湿地景观变化研究

在遥感和地理信息系统的支持下,对东洞庭湖1989和2001年两个时段的TM（ETM）卫星影像进行了遥感解译。应用景观生态学的理论和方法,对不同景观类型的斑块和面积大小、形状特征进行分析,计算了湿地景观多样性、优势度、均匀度、破碎度及斑块分形维数。定量分析和〖HJ〗研究了1989~2001年东洞庭湖湿地景观的动态变化,结果表明,由于泥沙淤积,东洞庭湖湿地的面积正在日益缩小,湿地景观多样性和均匀度下降,景观优势度和破碎化程度增加,说明东洞庭湖部分湿地景观逐渐从以小斑块、多种景观类型共同控制的景观格局向大斑块、类型较单一的景观格局演变。     

湿地?失地!

曾经这里风景优美,曾经这里水量丰沛,但现在它们却有些满目疮痍,有些面目全非,它们,在呻吟、在呜咽、在哭泣……"蒹葭苍苍,白露为霜。所谓伊人,在水一方。"这首名为《蒹葭》的古诗为很多人所熟知,其中描绘的意境,可谓美轮美奂、引人遐思,事实上诗中美景指的就是湿地。然而,曾几何时,在人口急剧膨胀和经济快速发展的双重压力下,我国那些充满诗意的场景已经或正在消失,在自然生态系统中扮演着重要角色的湿地,正在步步退缩,逐渐沦为失地。     

基于多情景模拟的洞庭湖流域LUCC与生境质量耦合演变分析

以洞庭湖流域为研究区域,本文设定自然发展(情景1)、快速发展(情景2)、耕地保护(情景3)、生态保护(情景4)和可持续发展(情景5)5种情景模式,利用PLUS模型和InVEST模型模拟2030年5种不同情景下的土地利用和生境质量格局,并采用耦合协调度模型探究不同情景下LUCC与生境质量耦合协调特征.研究结果表明:1)土地利用变化模拟结果基本符合情景设置的要求,能较好地反映洞庭湖流域土地利用的演变规律和规划方向.2)2030年洞庭湖流域生境质量水平为:情景4>情景5>情景3>情景1>情景2.3)2030年情景1、情景2和情景3耦合协调发展水平呈下降趋势,且情景3下降程度略高于情景1和情景2;而情景4和情景5呈上升趋势,且情景4上升程度略高于情景5.4)结合情景设置原则,可以发现情景5为洞庭湖流域LUCC与生境质量耦合协调发展空间格局优化提供了规划发展可行性.     

洞庭湖南缘农田土壤重金属特征及源解析

基于网格布点法于2020年4～8月在洞庭湖南缘农田中采集了1 589件表层土壤样品,采用ICP-MS、 ICP-OES、 HG-AFS和ISE方法测定土壤中As、 Cd、 Pb、 Cu、 Zn、 Ni、 Cr、 Hg元素含量及pH,重点研究了区内土壤重金属含量、潜在生态风险、空间分布特征及其来源解析.结果表明,土壤重金属ω(Zn)、ω(Cr)、ω(Pb)、ω(Cu)、ω(Ni)、ω(As)、ω(Cd)和ω(Hg)平均值依次为：118.18、 82.21、 52.1、 33.76、 32.81、 18.25、 0.42和0.13 mg·kg^-1.各重金属均处于中、高度变异,土壤以弱酸性为主,pH介于3.96～7.90之间,Hg和Cd存在较高的生态风险.各重金属元素空间分布规律均呈西南高东北低的趋势.采用PMF和PCA方法对8种重金属元素进行来源解析及贡献率计算,PMF结果表明,研究区土壤重金属来源贡献率依次为：农业活动源(36.98%)、自然源(32.94%)、水土交换源(17.05%)和大气干湿沉降源(13.03%),而PCA结果表明研究区土壤重金属主要来源于农业...     

廊道与源地协调的国土空间生态安全格局构建

构建生态联系紧密且生态干扰更小的生态安全格局,是平衡国土空间规划中生态保护与经济社会发展的重要手段。在国土空间中,为形成廊道与源地的协调与保护兼顾的生态安全格局,以环洞庭湖区域33个县（区）为例,针对核心生态源地与自然廊道、经济社会源地与人工廊道分别形成的生态格局、城镇格局,揭示两者之间生态关键点及生态干扰点的分布特征,并差异化应对。结果表明：（1）为促进生态要素的空间联系,1537条生态廊道应纳入生态安全格局中,908处生态关键点需要保护,而0.48%的经济社会源地面积应退让给自然廊道。（2）受干扰的核心生态源地面积占比和自然廊道长度占比分别为1.36%、12.95%,8800处生态干扰点可采取缓冲、预警等主要应对策略,以协同发展自然—人工系统。（3）为满足生态保护用地应持续增加的需求,非核心生态源地内,面积分别为203.22 km²、125.67 km²、35.59 km²的一、二、三级自然廊道可分批作为生态安全格局未来发展的储备用地。研究结果可为协调国土空间规划体系中生态用地与城镇建设用地提供参考。