生态水文学是一门新兴的交叉学科,发展和完善其理论体系和技术方法等对促进中国山水林田湖草系统保护与修复,推进生态文明建设和绿色发展具有重要理论和实践意义。本文阐述了生态水文学发展历程和挑战性问题;结合学科前沿和国家需求,提出了生态水文学在中国的发展战略,主要包括：生态水文综合观测的新技术新方法、生态水文学机理和基础理论、以陆地和水生生态水文过程为核心的多尺度多要素综合模拟与集成、以及生态水文与社会科学的融合等;在此基础上,也提出了中国生态水文学具体发展方向,如多源信息融合与综合观测网络、关键要素的时空格局及其演变特征、综合模型与不确定性、多学科交融研究等;最后提出了中国生态水文学在山水林田湖草及城市等共同体修复和保护中的应用前景。
研究基于中国气象局发布的气候季节划分标准（QX/T152—2012）,选取国家气象信息中心发布的中国地面气温日值0.5°×0.5°格点数据集（V2.0）,运用改进的多元回归模型解释了中国常年气候季节空间变化,通过线性趋势和极点经验模态分解（ESMD）分析了1961—2016年气候季节分布面积、持续日数及其开始日期的变化趋势。结果显示：中国大陆分布的主要气候季节有常冬区、无冬区、无夏区以及四季分明区,常夏区和常春区暂无分布;根据常年和多年气候季节分区面积变化来看,常冬区分布范围呈显著缩小趋势,无冬区范围显著扩大,无夏区和四季分明区范围变化不明显,常年气候季节范围变化区域主要集中在青藏高原和内蒙古高原海拔较高地区,其余地区几乎没有变化;常年和多年气候季节的四季持续日数变化显著区域主要集中在北方地区,夏季开始日期的提前导致内蒙古高原中西部、河西走廊以及新疆东部的持续日数变化显著增加,冬季开始日期的推后造成这些地区冬季持续日数减少,高海拔地区持续日数变化比平原地区更显著。研究揭示的中国气候季节的分布和变化特征可以为气象预报以及气候区划提供参考。
以2001—2016年逐日MODIS积雪产品为主要数据源,在高亚洲区域发展了大尺度融雪末期雪线高度的遥感提取方法,并对其2001—2016年的时空变化特征进行了分析。提取方法首先对逐日的MODIS积雪覆盖率产品进行去云处理,获得积雪覆盖日数（SCD）数据集;并用冰川年物质平衡观测数据、融雪末期Landsat数据对提取终年积雪的MODIS SCD阈值进行率定;最后以MODIS SCD提取的终年积雪面积结合地形“面积—高程”曲线实现大尺度融雪末期雪线高度信息的提取。结果表明：① 高亚洲融雪末期雪线高度的空间异质性较强,总体上呈南高北低的纬度地带性分布规律;并因受山体效应的影响,雪线高度由高海拔地区向四周呈环形逐渐降低的特点。② 高亚洲2001—2016年融雪末期雪线高度总体上表现为明显的增加趋势。在744个30 km的监测格网中,24.2%的格网雪线高度呈显著增加,而仅0.9%的格网呈显著下降。除兴都库什、西喜马拉雅外,其他地区雪线高度均表现为升高趋势,显著上升的地区主要分布在天山、喜马拉雅中东部和念青唐古拉山等,其中以东喜马拉雅升高最为显著（8.52 m yr -1）。③ 夏季气温是影响高亚洲融雪末期雪线高度变化的主要因素,两者具有显著的正相关关系（R = 0.64,P < 0.01）。
本文使用1981—2015年京津冀地区逐日气温和NCEP/NCAR再分析资料,分析了京津冀地区冬季冷空气过程的低频环流特征,以及西伯利亚高压（SH）的低频变化特征及其对京津冀冷空气过程的影响。分析表明,冬季京津冀气温和SH都存在10~30 d显著低频周期,且二者的低频分量之间存在显著的超前滞后相关。京津冀冷空气过程主要发生在低频气温从零位相到谷值的下降阶段,以及低频SH从峰值到零位相的下降阶段。随着京津冀气温和SH的10~30 d低频变化,亚洲近地面层和中层大气环流均表现出一个从西北向东南传播的低频变化周期。影响京津冀地区的低温异常最早出现在喀拉海附近并在亚洲高纬地区维持和积累,产生持续冷却作用;同时中层相应区域维持的强气旋性环流异常表明有持续的大气辐合,中层辐合下沉与近地面持续冷却作用配合形成近地面异常高压。异常高压伴随异常低温南下过程中与中层加强的东亚大槽配合,使京津冀地区处于整层北风异常中,易形成冷空气过程。
随着全球气候变化加剧,极端降雨增多,暴雨内涝灾害频发,严重威胁城市的可持续发展。快速掌握暴雨给城市交通及人群的影响,有助于提高灾害应急管理水平和事件响应能力。利用实时动态的交通路况信息和手机定位请求数据,通过一种融合STL时序分解技术与极端学生化偏差统计检验的时间序列异常探测方法,监测和分析暴雨内涝灾害事件中,城市道路交通和人群活动的时空响应特征,并以2018年7月16日发生在北京的极端暴雨事件为例开展实证研究。研究结果显示,在降雨集中的早、晚高峰两个时段（8—9时、18—19时）,市区的拥堵道路数量超出往常水平最高可达150%,异常检测分析显示拥堵道路数量和交通拥堵指数均达到异常甚至极端水平。人群活动的异常响应分析结果显示,暴雨事件引起定位请求量异常升高、异常点增多,且异常点的空间分布与1 h前的降雨量分布存在较高相关性。以上结果不仅证明了大数据及异常检测方法对于快速洞察暴雨事件对城市交通及人群影响的有效性,也为城市暴雨内涝灾害的应急响应与管理提供了新的技术手段。
风是除流水之外塑造地球景观的第二大流体,以其为外营力形成的风沙地貌在全球干旱区广泛分布,超过40%的全球陆地面积受风沙地貌过程的影响,与人类生存环境存在着密切的关系,19世纪末以来受到国际学术界的持续关注。中国干旱半干旱地区广泛发育风沙地貌,但风沙地貌研究比国际研究晚半个多世纪,始于20世纪50年代后期。本文总结了新中国成立70年来中国风沙地貌学发展的3个阶段：初创阶段（1949—1977年）、充实发展阶段（1978—1999年）和国际化研究阶段（2000年至今）。现在中国风沙地貌研究的水平整体与国际并行,部分领先。中国具有重要国际影响力的风沙地貌研究工作包括沙丘移动规律、风沙地貌区域综合研究、中国独特风沙地貌发育演变过程、戈壁地貌学研究、沙丘二次流以及地外星球的探索研究。中国风沙地貌学研究有在未来领跑国际研究的潜势,但风沙地貌学家必需有4个方面的战略思考,即综合集成、地球系统科学引领、全球视野和深空时代的发展。
本文基于长江中游江汉—洞庭盆地18个钻孔岩性、沉积特征及年代数据,结合研究区考古遗址点时空分布特征,恢复研究区全新世以来水文环境演变过程,并探讨了区域水文环境演变的成因机制及其与人类活动的关系。结果表明,受东海海面上升和泥沙淤积等因素影响,距今11.5—5.5 ka,长江中游地区河湖水位呈上升趋势,随着新石器文化的发展及稻作农业活动的增加,人类文化聚落自山前平原地带逐渐向盆地平原中部扩展;距今5.5—4.0 ka,长江中游河湖水位有所下降,新石器晚期的屈家岭—石家河文化迅速发展,聚落数量增多,平原腹地聚落比例增加;距今4.0 ka前后,河湖水位再次有所上升,洪泛过程加剧,可能是石家河文化快速衰落的主要原因。
鄱阳湖是中国第一大淡水湖,对鄱阳湖的水文变化进行持续监测可以为流域内生态环境变化提供基础数据,有利于研究其与长江和流域内河流的交互关系,更好地服务于陆面过程模式和水资源管理。本文利用卫星测高数据反演的鄱阳湖水位数据与MODIS数据结合,对鄱阳湖2000—2015年的水位、水域面积和水量变化进行研究,并通过水量平衡模型,推导出了同期长江—鄱阳湖的水量交互。研究发现,2000—2015年鄱阳湖面积呈现波动性变化,最大水域面积为3600 km 2,是最小水域面积482 km 2的7.5倍。2004年、2007年、2009年和2011年水域面积比较低,2012年后形势好转。每年1月、2月、12月份是鄱阳湖干季,水域面积低至500 km 2,湖口处水位可低至4.71 m,湖面从南往北倾斜,南北水位差异达2.59 m。相对于2000—2015年最低水量,干季时湖泊水量平均增加量为3 km 3。每年6—9月份是鄱阳湖的湿季,水域面积一般大于2670 km 2,水位高于15 m,南北水位差异不大,相对于2000—2015年最低水量,湿季时湖泊水量平均增加量为12 km 3。2000—2015年鄱阳湖流入长江的水量范围为-7~40.66 km 3,每年有93.33%的时间水流从鄱阳湖流入长江。流入长江的水量多少具有明显的季节性,通常5月、6月流入长江的水量高于7月、8月,主要因为7月、8月长江中上游降水增加,长江干流来水增多,对鄱阳湖湖水倒灌有一定的顶托作用。
黄河泥沙是黄河下游陆地地貌类型形成的物质来源,泥沙沉积改变了地表土壤结构和有机碳含量水平。基于室内外实验和空间地统计分析方法,文中对开封—周口土壤有机碳组分的空间特征和影响因素进行了分析。在0~100 cm土壤中TOC、AOC、NOC的含量分别为0.05~30.03 g/kg、0.01~8.86 g/kg和0.02~23.36 g/kg,表层0~20 cm的TOC、AOC、NOC高于下层,同一土层中TOC的变化幅度和含量差异性最大,AOC最小,NOC介于二者之间。NOC的含量对TOC的贡献大于AOC。空间地统计学研究显示,TOC、AOC、NOC的块金系数在0.50~0.67之间,具有中等程度的空间相关性,TOC、AOC、NOC的含量受结构因素和随机因素的共同作用,且二者的作用强度接近。空间上,自表层向下层,土壤TOC、AOC和NOC的整体变化趋势较为一致,高值区与低值区之间过渡明显,NOC和AOC的含量及空间变化能较好地反映TOC的空间变化和碳积累区域。分析发现,黄河泥沙冲/沉积区分布、农业耕作过程和耕作历史是影响区内土壤有机碳及其组成含量和空间分布的主要因素,而有机物的输入量、土壤颗粒物组成及二者的动态关系是影响土壤结构体形成和有机碳含量的关键因素,提高有机物的含量和改善土壤结构是提升土壤质量、实现区内农业持续发展的有效途径。
认识城市群城市用地扩张特征、扩张质量及景观生态效应等综合信息将有助于城市群空间高质量发展规划与决策。选取10个不同发育等级的城市群作为研究对象,综合运用城市用地扩张强度指数、城市用地扩张强度差异指数、景观扩张指数、景观格局指数,分析1990—2015年期间城市群城市用地扩张时空特征及景观生态效应,并构建人口、经济与城市用地协同发展指数,据此分析城市用地扩张中“人—地”关系协同程度。结果表明：① 1990—2015年,各个城市群城市用地面积持续增加,建成区的范围不断扩大,扩张强度呈现“上升—下降”的趋势;在2010年之前成熟型城市群的扩张强度最高,2010年之后培育型城市群成为扩张强度最高的类型。② 城市群城市用地扩张总体上呈现不均衡布局的趋势,高速扩张区域主要分布在沿海地区。从全国视角来看,东部高于中、西、东北部,整体城市群快速扩张的中心由东向西移动。③ 城市群城市用地空间扩张模式表现出边缘式和飞地式两种空间扩张模式并存,不同发育等级之间具有明显差异性,成熟型城市群的空间结构较为稳定,其他两种类型的城市群空间结构初具雏形或尚未形成。④ 城市群城市用地扩张“吞没”了郊区和农村地区,破碎化程度、形状的复杂程度较高,景观格局表现出不稳定。⑤ 城市群“人口—土地”协同程度逐步增强,“经济—土地”协同程度整体较高,整体上表现出城市用地扩张质量有所提升。新时期城市群城市用地应严格控制扩张规模,加快中小城市的发展,促进城市群城市用地扩张均衡发展,为城市群国土空间高质量发展提供重要参考。
城镇化与生态环境近远程耦合关系研究是国际人地系统研究的前沿和热点领域,对于如何协调中国城镇化与生态环境的关系问题也具有重要的参考价值。本文紧扣城镇化与生态环境近远程耦合关系研究主题,在对国际研究进行梳理的基础上,集中从城镇化与生态环境近远程耦合关系理论、方法以及关键应用领域三个方面,对城镇化与生态环境近远程耦合关系研究国际前沿与进展进行评述。分析发现,国际上近远程耦合概念提出时间不长,其理论的完备性与系统性尚显薄弱,对实证研究统领性指导还略显不足。而从其他研究视角出发,国际上对互为远端的人地系统间关联现象进行了大量研究,实证内容充足,内涵丰富。展望未来,关注城市群地区城镇化与生态环境近远程耦合关系、挖掘城镇化与生态环境近远程耦合主导路径与动态演变特征、加强中国城镇化与生态环境近远程耦合理论研究,是推动中国城镇化与生态环境耦合研究迈向新的发展阶段的重要方向。
包括产水服务在内的生态系统服务已被纳入区域土地利用规划以及可持续发展决策中,识别其空间分异特征及影响因素是进行决策的基础,而空间分异的定量归因研究仍需进一步加强。以空间异质性明显的中国横断山区为研究区,借助InVEST模型模拟产水服务空间分布,选择气候、地形、土壤、植被、土地利用等因子,采用地理探测器开展产水服务空间异质性归因分析。结果表明,① 气候类因子是产水服务空间异质性的主要控制因子,其中以降水量和蒸散量为主。② 在不同地貌及气候分区中,各因子对产水的空间分异的解释能力存在显著差异：平缓地区,蒸散量解释能力远高于降水量,随着起伏度的增大,降水量解释能力逐步增强,最终成为主要因子;在高原气候区,以蒸散量解释能力最强,而在中亚热带气候区,降水量为主要的控制因子。③ 值得注意的是,平缓地区土地利用类型因子的解释能力较为突出,在山区发展中应注意土地利用的合理规划,以减轻土地利用变化对产水服务空间变化的影响。④ 风险探测识别的产水服务重要区主要为初育土及人为土分布区、灌木林区以及坡度在≤ 5°和25°~35°区域,而其对应的高程值则在不同区域之间存在差异,因此,在横断山区产水服务的维持与保护工作中应充分考虑不同分区的具体情况。
编制南北过渡带地区1∶25万和典型山地1∶5万植被类型图是南北过渡带综合科学考察的主要任务之一。以往植被类型图的编制都是采用大量的地面调查来完成的,地面调查方法虽然精确,但费时费力,并且由于自然条件的限制,地面调查往往只能覆盖较小的范围。遥感数据因为其全覆盖的优势,可以很好地弥补样方调查的局限性,但目前大范围的植被类型遥感信息提取尤其是自动提取方面仍然存在一定的困难和瓶颈。本文以1∶5万太白山植被类型图的编制为例,利用多源多时相的高分辨率遥感数据,结合地面调查数据、以往的各种比例尺的植被类型图数据和森林资源调查数据等,探讨并研究基于山地垂直带谱的中大比例尺植被类型图的遥感提取方法和制图方法。研究结果表明：① 山地植被垂直带谱可以有效地支持1∶5万山区植被类型图的遥感制图。利用太白山植被垂直带谱和1∶1万数字表面模型数据（DSM）可以生成具有垂直带谱信息的地形约束因子;将地形约束因子与多源多时相高分辨率遥感数据、地面调查数据、以往的小比例尺植被类型图数据等相结合,可以有效提取各级植被类型,从而实现中大比例尺植被类型图的编制。② 典型山地1∶5万植被类型图的遥感制图基本流程为植被型组解译→植被群系组、群系、亚群系解译→植被型、植被亚型分类,采取自上而下和自下而上相结合的分类方法来分类。本文的研究成果可以为中大比例尺植被类型图的编制提供示范和科学依据。
冰冻圈是全球气候系统的主要圈层之一,既具有不可替代的气候效应,又维系着寒旱地区社会经济和自然生态系统良好运行,而中国是中低纬度地区冰川、积雪、冻土发育程度最高的国家。长期以来,针对冰冻圈“致害性”的研究众多,而聚焦冰冻圈服务的“致利性”研究则相对滞后,在此背景下着眼于人类福祉的冰冻圈服务识别与综合区划研究成为冰冻圈科学、人地系统可持续发展等的关键科学问题之一,也是目前迫切需要开展的研究方向。首先,确定以地域分异规律理论、人地关系地域系统理论、集合论和信息编码论等跨学科理论为研究基础;尔后,构建面向综合区划研究的冰冻圈服务分类体系,先以供需均衡模型为核心进行单项服务重要性空间识别,再以服务最大化模型为指导,通过区位熵算法判定冰冻圈主导服务的空间分布;最后,以三维魔方展开法为核心制定冰冻圈服务综合区划方案,将研究区划分多重空间层级、彼此独立完整、相互联系密切的冰冻圈服务单元。综上,形成综合自然供给和人文需求因素且适应地区特色的冰冻圈服务空间识别与综合区划技术体系和方法流程,为冰冻圈服务供给与社会经济发展需要架起一座桥梁,是满足国家重大战略需求和合理利用冰冻圈服务的必由之路。
全球变化下,珊瑚礁保护区是保护生物多样性、增强珊瑚礁对气候变暖抵抗力的有效方式,而维持珊瑚礁弹性是其核心内容。针对珊瑚礁最具有威胁性的热压力因子,基于南海1982—2009年卫星观测海表面温度（SST）数据和CMIP5加拿大地球系统模式CanESM2模型预估的2006—2100年南海SST数据构建热压力强度模型,从维持珊瑚礁弹性的角度识别IPCC RCP 4.5和RCP 8.5情景下南海诸岛保护优先区。结果表明：RCP 4.5和RCP 8.5情景下13%左右的南海诸岛珊瑚礁识别为保护优先区。根据热压力强度与珊瑚抵抗力及避难所关系,西沙群岛七连屿和晋卿岛近年观测与未来预估的热压力强度均比较低,在保障其服务功能的基础上建议实施完全保护;东沙群岛东沙环礁和中沙环礁排洪滩近年观测急性热压力强度较高但未来预估热压力强度较低,建议实施50%禁止利用保护;中沙群岛黄岩岛近年观测和未来预估的急性热压力强度均比较低,建议实施50%多用途保护。南沙群岛有14%左右的珊瑚礁识别为保护优先区,根据其热压力强度可实施30%~100%禁止利用保护或30%~50%多用途保护。RCP 4.5和RCP 8.5情景下的南海诸岛保护优先区及保护对策,可为维持珊瑚礁生态弹性及应对全球气候变化提供重要的参考价值。
