地缘环境系统研究是认知国际地缘政治态势、保障国家战略顺利实施的科学支撑。近年来,在国际地缘战略调整、经济全球化和技术进步等要素的驱动下,地缘环境系统研究的内涵与外延都发生了巨大变化。分析地缘环境要素的变化,预估地缘环境演变趋势并提出应对风险的措施,既是地缘环境研究的重要内容,也是实施国家战略的重要科技保障。本文回顾了地缘环境系统研究的学科发展历程及国内外的最新进展,系统梳理了地缘环境系统模拟的理论和方法体系。研究表明,地缘环境系统是一个复杂的非线性系统,具有层次性、地域性、综合性等特征。针对特定的地缘问题,可以采取分层次、合理概化、数值逼近等方法进行系统模拟。同时,大数据技术逐渐成为地缘环境系统研究的新范式,通过异构数据挖掘、机器学习、高性能计算等方法,可望发现纷繁复杂的地缘环境系统中蕴含的要素关联关系,预测与干涉系统演化过程,为地缘环境问题的解决提供新的技术手段。
本文整理、考订了南宋时期杭州偏晚终雪记录,诊断了此类资料的气候指示意义,进行了各年代不同数量终雪日期值至对应年代平均终雪日期值的转换,进而分析了重建序列所指示的温度变化特征与其他文献证据、气候变化重建结果之间的一致性。结果表明：① 史料记述的杭州偏晚终雪现象系以惊蛰以后为标准,且不包括霰和冰粒类微量降雪类型,其有着明确的气候指示意义（-0.34 oC/10d,R2 = 0.37,P<0.001）,可有效用于温度重建。② 基于非线性的波尔兹曼函数,以不同样本量偏晚终雪日期值可有效估算10年平均终雪日期,其外推结果较之线性函数和二项式函数具有更小的不确定性。③ 南宋时期杭州春季的平均温暖程度大致相当于1951-1980年,该时期在百年尺度上可划分为1131-1170年的寒冷期和1171-1270年的温暖期。其中,后一阶段有1181-1200年和1221-1240年两个亚冷期。④ 南宋时期杭州10年平均终雪日期的变化与中国其他地区温度变化的代用证据和重建结果具有较好的一致性,并与太平洋十年涛动的冷暖位相变化比较吻合,这可能说明了中世纪暖期太平洋十年涛动对中国大部分地区气候所具有的共同影响。本文为更深入认识12-13世纪中国东部季风区的气候变化特征提供了新的证据。
主要基于第二次中国冰川编目数据,计算和分析中国西部各个山脉冰川面积随高度分布特征、冰川平衡线高度场的分布规律和积累区比率的分布特征。结果表明：① 各个山脉冰川面积随高度分布呈近似正态分布,冰川最大面积所占总面积的百分比与冰川分布高度差的比值可以作为描述冰川面积随高度分布的形状参数;② 平衡线高度的分布特征受气候和地形影响,由南向北逐渐降低,由东向西逐渐升高;西北和南部高大山脉边缘比较密集,青藏高原内部比较稀疏。③ 冰川积累区比率的分布特征与水汽、地形和物理冰川属性有关。各大山脉外侧和海洋型冰川区积累区比率较小（<0.5）,山脉内侧及高原内陆地区和极大陆型冰川区的积累区比率较大（>0.7）。
气候对北方农牧交错带界线变迁的定量影响是目前生态脆弱敏感区对气候变化响应领域的研究热点问题。前人已在气候变化对农牧交错带界线的定性影响方面有较为深刻的认识,但仍缺乏在时间和空间上对气候贡献率进行有针对性的定量辨识。本文利用1970年以来长时间序列的国家气象站点数据和土地利用遥感解译数据,分别提取了基于气候要素和土地利用的20世纪70年代、80年代、90年代和21世纪前10年4个时期的北方农牧交错带界线,通过垂直和水平方向变动探测方法（FishNet）和界线变迁方向变动探测方法（DSAS）对气候界线与土地利用界线的时空变化进行探测,定量分析了不同时期气候对农牧交错带界线变迁影响的贡献率。结果表明,气候与土地利用界线空间分布格局及气候贡献率在不同时期、不同区域差异较大,在西北地区变幅最小,东北地区变幅最大。在大兴安岭东南缘农田控制水源涵养生态功能区西北段以及内蒙古高原东南缘农、林、牧业生态—生产功能区西北段,气候与土地利用界线空间耦合关系最为密切,在该地区基于FishNet方法下水平方向上气候贡献率达10.7%~44.4%,垂直方向上达4.7%~55.9%;基于DSAS方法下气候贡献率为1.1%~16.8%。两种方法探测结果大部分趋于一致,但DSAS方法精度高,适用于小范围精确探测;FishNet方法更简单,适用于精度要求不高、快速直观的统计分析。本研究可为北方农牧交错带内农牧业生产适应气候变化、合理开发土地生产潜力、保护农牧交错带区内生态环境提供科学依据和指导。
大型水库的兴建深刻改变了下游水沙输移特点,进而导致河床演变规律显著调整,水库下游弯曲河型对水沙过程改变响应敏感,是水库下游河床演变、航道整治、河势控制等方面研究的关键区域。本文基于1996-2016年的实测水文、地形资料,对长江三峡水库下游弯曲河型的演变规律及其驱动机制开展研究,结果表明：① 三峡水库蓄水前,下荆江存在“凸淤凹冲”、“凸冲凹淤”两类弯曲河型,而三峡水库蓄水后均表现为“凸冲凹淤”的一致性规律;② 在水库拦沙作用的影响下,下荆江河段平滩河槽存在累积性冲刷现象,冲刷部位集中于枯水河槽与基本河槽之间的低滩,冲淤部位调整主要由变化的流量过程所驱动,上游河势、河道边界以及支流入汇等因素均有一定驱动作用;③ 在三峡水库蓄水后缺乏大洪水的情况下,凸岸水流挟沙力随流量增加逐渐增强,水流对凸岸冲蚀力度在平滩流量级附近（20000~25000 m3/s）达到最强,平滩流量附近流量级的持续时间超过20天时,弯曲河道发生凸冲凹淤现象。而悬沙中造床粗沙的减少,增强了水流冲刷强度,加剧了凸岸的冲蚀程度。
土壤侵蚀是制约黄土高原可持续发展的瓶颈因素,为分析不同面积流域降雨和土地利用格局对土壤侵蚀影响的变化趋势,本文基于土壤侵蚀评价指数,发展了降雨和土地利用格局对土壤侵蚀影响的表征方法,探讨了多流域降雨和土地利用格局对土壤侵蚀的影响。结果表明：① 2006-2012年,研究区降雨侵蚀力因子R总体上呈现上升的趋势,植被覆盖与管理因子C呈现下降趋势;② 随流域面积的增加,研究区内降雨格局对土壤侵蚀的影响逐渐降低,而土地利用格局对土壤侵蚀的影响变大;③ 在流域面积较小时,降雨格局对土壤侵蚀的影响要大于土地利用格局对土壤侵蚀的影响,而在流域面积较大时,土地利用格局对土壤侵蚀的影响大于降雨格局对土壤侵蚀的影响;④ 随着流域面积的增加,研究区的林地比例有所下降,陡坡植被覆盖类型趋于单一,这是在流域面积增大时土地利用格局对土壤侵蚀影响增加的主要原因。同时,流域面积较小时,降雨对土壤侵蚀的影响较大,但随着流域面积的增加,松软的土壤性质和沟壑纵横的地形增大了发生重力侵蚀的可能性,土壤和地形对土壤侵蚀的影响增大。
近年来,城市内涝问题频发,引发了强烈关注。现有有关城市内涝问题的研究多关注土地利用与城市内涝的关系,而对于城市景观格局对城市内涝影响的研究则不多。本文以内涝问题严重的深圳市为研究区,利用深圳市2014年5月11日暴雨期间内涝点数据（共278个）,选取类型水平上的最大斑块面积比例（Largest Patch Index, LPI）、斑块聚集度（Patch Cohesion Index, PCI）、景观破碎度（Landscape Division Index, DIVISION）、景观水平的蔓延度（Contagion Index, CONTAG）、香农多样性指数（Shannon's Diversity Index, SHDI）共5个景观指数,并结合土地利用类型、不透水率、植被覆盖度、降雨量、地形地势及雨水管网密度等内涝影响因子,运用相关分析和多元逐步回归分析,探究深圳市景观格局对内涝的影响。结果表明：① 土地利用类型中,住宅用地等建设用地对内涝灾害影响最大,其面积比例的增加会加剧区域内涝程度;② 城市各类型景观格局特征中,建设用地斑块的优势度、聚集度越高,景观破碎化程度越低,区域的内涝程度越高,绿地的景观格局对城市内涝的影响与建设用地相反;③ 城市整体景观特征中,景观整体越复杂越不易引发内涝灾害;④ 不透水率等人为因素比降雨量等自然因素对城市内涝的影响程度大。本研究的结果可以使人关注到地表景观格局对内涝的重要作用,为内涝治理和景观格局的规划管理提供参考和借鉴。
以典型东北黑土区乌裕尔河中上游流域为研究区,引入SWIM水文模型,利用偏相关系数评价模型参数的敏感性,基于流域出水口依安水文站1961-1997年实测日径流数据和部分气象站小型蒸发皿数据,进行了多站点、多变量的模型率定和验证,并通过模拟结果与实测资料对比,探讨了SWIM模型在东北黑土区流域的适用性、存在的误差及其原因。结果表明：① 在率定期和验证期,月径流和日径流的纳希效率系数分别大于0.71和0.55,径流相对误差在6.0%以内,月径流的模拟效果好于对日径流的模拟效果;月潜在蒸散发的纳希效率系数达0.81以上;② 在月尺度上经过校准的SWIM模型可以应用于东北黑土区与径流相关的各种模拟分析;③ 但模型在模拟融雪和冻土产流方面存在一定的限制;对同时具有春汛和夏汛的年份模拟效果也较差;对年降水量出现骤增的年份年径流量的模拟结果会几倍于实测值,但基本能够重现汛期的流量变化过程。模型不仅可以为管理者对该流域水环境综合管理提供水文基础支持,对黑土区其他流域也具有一定的推广和应用价值。
当前,土地变化研究尚缺乏统一的理论指导。探索土地利用转型理论对构建土地变化研究的理论基础具有重要意义。本文试图梳理土地利用转型研究的缘起、拓展及启示,辨析土地利用转型与土地利用变化的内涵差异,构建土地利用转型的研究框架。结果表明：① 耕地及城乡建设用地利用转型研究对构建土地利用转型的研究框架具有重要价值;② 土地利用转型与土地利用变化在基本类型、时间尺度、空间尺度、价值主体、驱动因素、轨迹特征和结果/影响方面存在显著差异;③ 土地利用转型的研究框架涵盖转型诊断、机制研究和效应研究。其中,转型诊断的关键在于,从数量变化视角、景观格局变化视角和经营格局变化视角,以及外部性视角和政策发展视角,构建土地利用空间形态及功能形态的分析指标和转型的诊断准则;转型机制表现为人口、经济、技术、制度、文化和区位因素等土地利用变化深层驱动因素的级联驱动效应。转型机制研究应当着重探讨土地利用空间转型与功能转型的互动机制环;土地利用转型效应包括社会、经济、环境3个方面;④ 1961-2011年法国耕地利用转型能够支撑本文提出的研究框架及中国耕地保护创新。
以典型历史断面下的建设用地为研究对象,以数量估算控制下的空间格局重建为基本思路,在200 m×200 m网格下,估算并重建了近200年5个时间断面下的江苏省建设用地（城镇用地和农村聚落用地）的空间格局。在数量估算方面,历史时期（1820年）的城镇用地主要采用城垣、市镇四栅等作为代用指标;近现代时期（1911年、1936年、1952年）,主要通过人口、社会经济等数据,结合一定假设确定人均用地数量进行推导;各时期的农村聚落用地均以人口数量为基础,根据人均住房面积和社会经济数据修正确定。在空间重建方面,结合遥感数据解译获得的现代（1985年）土地利用数据,借助基础地理数据,在一定假设条件下,通过数量控制、边界控制、适宜性控制,兼顾用地连片性等予以确定。结果表明：① 各时间断面下的江苏省建设用地数量分别为963.46 km2（1820年）、1041.94 km2（1911年）、1672.40 km2（1936年）、1980.34 km2（1952年）和10687.18 km2（1985年）;② 建设用地在空间分布上具有亲水网、路网等特征,并随居民点极化与扩散效应而不断扩张;③ 通过变化过程与演化趋势检验、建设用地与生产协调性分析、居民点空间数量与格局分析等方法,间接证明了重建结果的合理性。
中亚地处干旱和半干旱气候区,是全球沙尘气溶胶贡献度较大的区域。利用中分辨率成像光谱仪（Moderate-resolution Imaging Spectrometer, MODIS）和云—气溶胶偏振雷达（Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization, CALIOP）遥感数据,从宏观角度对2002-2015年中亚地区气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth, AOD）时空分布特征及沙尘气溶胶光学特性垂直分布特征进行分析,利用拉格朗日混合型的扩散模型（Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory, HYSPLIT）讨论沙尘运输的季节性变化。结果表明：① 中亚AOD空间分布呈现显著的季节性差异,四季均值春（0.412）>夏（0.258）>冬（0.167）>秋（0.159）,14年间呈现增加趋势;② 中亚AOD高值区域主要集中于咸海地区和新疆的塔里木盆地,其中,咸海地区AOD年均值为0.278,年均增幅为3.175%,主要受咸海退化所导致的干涸湖底裸露面积加大的影响;塔克拉玛干沙漠地区AOD年均值为0.421,年均增幅0.062%,主要受温度和风速两方面的影响,不同季节下主导因素略有差异;③ 尘源区气溶胶主要集中在近地面0~2 km范围内,沙漠上空气溶胶退偏比范围（10%~45%）略大于咸海上空（15%~30%）;咸海地区色比值（0.3~0.8）小于沙漠地区（0.5~0.9）,且在0~2 km和4~6 km有两个高频色比值分别为0.5和0.3,说明相比沙尘气溶胶,咸海地区的盐尘气溶胶球形程度较高,颗粒更小,飘散高度更高;④ 咸海地区盐尘潜在扩散方向主要以东北,西南和南为主,向东北方向的扩散距离最远,影响范围可达俄罗斯中部地区,西南方向扩散路径高度和距离较近,主要影响乌兹别克斯坦和土库曼斯坦,但发生比例相对较高,塔克拉玛干沙漠地区起尘后大部分沙尘颗粒仍沉降在尘源区附近,向东部地区扩散的沙尘气溶胶,主要影响中国青海、甘肃、宁夏、陕西等地区。
陕西河谷盆地是区域主要粮食基地和社会经济中心,人口增长、城镇化和工业化的加快发展,使得该地区生态环境受到人类活动的强烈冲击,生态环境面临着潜在的巨大危机,严重影响社会经济的可持续发展。本文选取西北地区经济中心—关中盆地和陕西省生态保护指定区—汉中盆地进行对比研究,以1990-2010年的生态系统服务数据（NPP、保水服务、食物供给）分析生态服务时空差异,通过相关分析、线性和幂函数回归等方法分析了生态系统服务协同与权衡的时空差异。结果表明：NPP与保水是协同关系,NPP与食物供给、保水与食物供给是权衡关系;21年中,两大盆地的协同关系均呈减弱趋势,权衡关系为加强趋势,且关中盆地的变化速度要高于汉中盆地;NPP与保水的协同程度,在关中盆地东部的耕地区域以及汉中盆地的宁强县与略阳县西部最强,以关中的铜川市和汉中的西乡县最弱;NPP与食物供给的权衡程度,在关中盆地的铜川市和西安市境内的秦岭区域以及汉中盆地的西乡县南部制约关系更为突出,以关中的宝鸡市及汉中的略阳县最弱。
目前土壤重金属高光谱反演模型大多忽视了重金属与光谱变量间相关关系的空间异质性,这与实际情况不相吻合,而地理权重回归（GWR）模型能有效地揭示变量间关系的空间异质性。本文以福州市土壤重金属Cd、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni为对象,构建土壤重金属预测的GWR高光谱模型,并将预测结果与普通最小二乘法回归（OLS）结果进行比较分析,探讨GWR模型在土壤重金属高光谱预测中的适用性及局限性。结果表明：① GWR模型在土壤重金属高光谱预测中适用与否取决于重金属对光谱变量影响的空间异质性程度：对于Cr、Cu、Zn、Pb等对光谱变量影响空间异质性大的元素,其GWR预测精度较OLS提高明显,表现为GWR模型的调节R2较OLS模型有了明显提高,分别为OLS模型的2.69倍、2.01倍、1.87倍和1.53倍;而AIC值以及残差平方和较OLS模型却明显降低,AIC值减少量均大于3个单位,残差平方和则仅分别为OLS模型的25.33%、30.09%、47.22%和86.84%;对于Cd和Ni等对光谱变量影响空间异质性小的元素,相较于OLS模型,GWR模型的调节R2分别提高了0.015和0.007,残差平方和分别减少了5.97%和4.18%,但AIC值却分别增加了2.737和2.762,GWR预测效果改善不明显;② 光谱变换可以有效增强土壤重金属的光谱特征,其中以光谱的倒数变换效果最好,而且该变换及其微分形式可以很好地提高模型的预测效果;③ GWR模型的应用前提是变量间关系的空间非平稳性,适合在与土壤光谱变量间关系具有显著空间异质性的重金属高光谱预测中推广。
空间贫困研究是对多维贫困理论的丰富和发展,创新空间贫困度量方法是精准配置扶贫资源和提高农村扶贫质量的关键。本文借鉴国际空间贫困研究的基本理论思想,总结出了空间贫困三维结构分析框架,构建了县域空间贫困指标体系和地理识别方法,以宁夏泾源国家扶贫开发重点县为例,开展了空间贫困地理识别。研究发现：① 不同自然地理区SPI排序为侵蚀堆积河谷平川区（均值1.571）>剥蚀构造丘陵区（均值-0.199）>侵蚀构造石山区（均值-0.334）,表明侵蚀构造石山区贫困程度最大,是减贫重点区域,其中3个自然地理区空间贫困的共同特点是存在经济劣势（C4~C7、C17）,主要差异是侵蚀堆积河谷平川区生态劣势（C25、C16）>经济劣势（C5）>位置劣势（C20）>政治劣势（C8）;剥蚀构造丘陵区经济劣势（C5~C7、C17）>位置劣势（C18~C20）>生态劣势（C16、C23~C25）>政治劣势（C8）;侵蚀构造石山区经济劣势（C4~C7、C17）>政治劣势（C8）>位置劣势（C18~C20）>生态劣势（C16、C21~C25）。② 不同民族村SPI排序为汉族村（均值1.484）>回族村（均值1.262）>回汉混居村（均值-1.033）,表明县域尺度上回汉混居村是减贫重点村。不同民族村空间贫困的共同特征是由于距离最近市场远（C17）形成的经济劣势,以及人均耕地面积（C23）和农作物特别经济作物种植面积小（C24）形成的生态劣势。不同民族村空间贫困的主要差异在于汉族村人居环境差和灾损率高形成的生态劣势,以及贷款不足（C5）导致的经济劣势突出,回族村主要因文化知识素质较低（C12、C13）导致进入市场的机会成本高而形成经济劣势,回汉混居村因汉族和回族生产生活方式差异,造成扶贫资源配置困难,农户对扶贫政策满意率最低（C8）,反映该类村空间贫困的政治劣势最为显著。③ 同一自然地理区域不同民族村空间贫困存在显著差异。侵蚀堆积河谷平川区汉族村、回族村和回汉混居村SPI均值分别为0.526、2.557和1.644,表明该类型区汉族村贫困程度高,经济劣势显著（C5）;剥蚀构造丘陵区回族村和回汉混居村的SPI均值分别约为0.321和-1.934,表明该类型区回汉混居村贫困程度较高,经济劣势（C2、C6、C7）和生态劣势（C16）突出;侵蚀构造石山区汉族村、回族村和回汉混居村的SPI均值分别为1.031、-0.029和-0.842,表明该类型区回汉混居村贫困程度亦高,经济劣势（C5~C7、C17）、政治劣势（C8）、位置劣势（C18~C20）和生态劣势（C16、C25）并存。因此,侵蚀堆积河谷平川区的汉族村、剥蚀构造丘陵区和侵蚀构造石山区的回汉混居村是减贫重点村。
