水资源时空分布不均,与经济社会格局不匹配,严重制约了中国的可持续发展。中国水情复杂,河湖水系正面临洪涝频繁、供水不足、河湖萎缩、水生态退化、水环境污染等诸多问题。面向国家发展新战略要求和现代化目标,有效解决复杂水问题,是新形势下生态文明建设和水资源可持续利用的重大需求。积极推进河湖水系连通,着力提高水资源统筹配置能力、河湖健康保障能力和水旱灾害抵御能力,是科学治水兴水的重大战略;开展深入的理论与技术研究是科学推进河湖水系连通的当务之急,也是治水兴水保障生态文明建设、支撑国家现代化进程的重大需求,具有重大意义。在分析全国河湖水系面临问题的基础上,讨论了河湖水系连通研究的必要性和迫切性,分析提出了河湖水系连通的三个关键科学问题及其研究框架,并对河湖水系连通的重要研究方向进行了探讨。
河湖水系连通是中国正在推进的重大治水战略,是提高国家水资源统筹调配能力、水生态环境修复能力和河湖健康保障能力的重大举措,也是提高水旱灾害抵御能力的重要保障。目前河湖水系连通的知识比较零散,尚未形成系统的理论体系,河湖水系连通理论基础的研究,对理论体系的构建、战略的实施和持续推进具有重要意义。本文基于河湖水系连通的理论研究的特征,提出其理论框架体系,分析了可持续发展、水利科学、经济学、生态学、系统科学等基础理论与河湖水系连通理论体系之间的内在关系。从当前国家实施河湖水系连通战略和构建河湖水系连通理论体系的迫切需求出发,本文提出了河湖水系连通理论研究的优先领域,包括河湖水系连通性与功能评价理论与方法、河湖水系连通水体耦合机制与系统稳定性理论、水系连通协调性理论、水系连通—经济格局匹配性理论、水系连通—生态环境影响机理与评估理论、水系连通巨系统不确定性与适应性理论等,优先突破重点领域理论研究,逐步形成和完善河湖水系连通理论体系,以科学、完整的理论体系支撑河湖水系连通治水战略高效、顺利实施。
在全球气候变化背景下,干旱愈加频发,有效且可靠的农业干旱预测对于保障粮食安全和水资源安全具有重要意义。以标准化降水指数（SPI）和联合标准化土壤湿度指数（JSSI）分别表征气象干旱和农业干旱,以前期的气象干旱和农业干旱指数作为预测因子,在1~3个月预见期下基于Meta-Gaussian（MG）模型对中国1961—2015年6—8月的农业干旱进行预测,并采用Brier Skill Score（BSS）和纳什效率系数（NSE）评价MG模型的预测性能。结果表明：① 将1个月、3个月、6个月、9个月和12个月时间尺度的标准化土壤湿度指数（SSI）结合起来得到的JSSI能够对中国农业干旱的综合状况进行客观评价。② 以中国2010年和2014年遭受严重的干旱事件为例,预见期为1~3个月时,除新疆南部、青海西部以及内蒙古西部等沙漠地区外,MG模型对6—8月农业干旱预测结果的分布范围与实际干旱的分布区域较吻合,预见期越短,吻合越好。③ 预见期为1个月时,6—8月BSS ≥ 0.5的面积比例分别为0.714、0.642和0.640,NSE ≥ 0.5的面积比例分别为0.903、0.829和0.837,表明MG模型能够对中国大部分区域的农业干旱作出可靠的预测。本文结果可为中国农业干旱的监测、预警及干旱决策提供科学指导。
末次冰消期以来的气候变化是第四纪古气候研究的重要内容。本文对黄土高原西部和平镇剖面16 ka以来的黄土沉积序列（厚度为3.5 m）进行了高分辨率环境磁学研究。结果表明：该黄土序列的磁性颗粒主要由细颗粒磁铁矿主导。其磁化率和频率磁化率具有相同的变化特征,与黄土高原中部和东部的黄土磁化率变化机制一致,即黄土高原西部和平镇黄土的磁化率和频率磁化率仍然受成土作用形成的细颗粒磁铁矿控制,因此其磁化率和频率磁化率仍然可以反映季风降雨的变化特征,并且其反映的16 ka以来季风降雨变化与南方石笋氧同位素记录的季风变化特征一致。通过详细的海陆综合对比,本文认为16 ka至11 ka间东亚季风降雨的变化受到北半球太阳辐射和北半球区域温度的共同影响,而11 ka之后的夏季风降雨减少主要受太阳辐射降低的影响。
基于通用地球系统模式（CESM）进行了4组长达1500 a的模拟试验（全强迫试验,控制试验,自然外强迫试验和人类活动外强迫试验）。在评估模式模拟亚洲夏季风降水可靠性的基础上,对模拟结果进行10~100 a的带通滤波以获取年代—百年际亚洲夏季风降水信号。主要结论为：① 过去1500 a亚洲夏季风降水强度存在显著的约15 a、25 a、40 a和70 a的年代—百年际周期信号;② 年代—百年际亚洲夏季风降水的主要时空变化模态表现为外强迫模态和气候系统内部变化模态;③ 过去1500 a亚洲夏季风降水的强迫模态表现为经向“三明治”结构,即中国北方季风区和热带季风区同向变化,而在东亚中纬度一带季风降水反向变化特征。这种降水的空间分布模态主要由自然外强迫（太阳辐射+火山活动）作用所导致。本文为历史时期亚洲季风降水变化的研究提供了材料支撑,为全球变暖背景下亚洲季风降水演变提供参考。
基于厦门、漳州、泉州三市1996—2017年的Landsat遥感数据与夜间灯光数据,应用总体耦合态势模型及协调性模型探讨了城镇发展与地表温度的时空耦合规律,并运用标准差椭圆、双变量空间自相关及景观指数分析两者之间的空间响应规律,结果表明：1996—2017年,闽南三市表征城镇发展变化的夜间灯光与地表温度的空间分布呈现出与地形、区位等因素的空间耦合性。三市夜间灯光与地表温度的总体耦合态势不断加强,协调类型逐渐增多;城镇发展早期,夜间灯光对地表温度的影响存在滞后性,在城镇发展后期,夜间灯光则对地表温度的影响呈超前性;夜间灯光与地表温度呈正相关关系,空间溢出效应明显。夜间灯光对地表温度的正向影响逐渐加强,其与地表温度的HH、LL聚集不断扩张;HH集聚连片趋势明显。厦门的城镇发展对地表温度的影响更显著,而在泉州、漳州则较弱。本文可为闽南三市热环境优化提供科学指导。
蒸散发是陆面水循环的关键环节和过程,是研究水循环对人类活动和气候变化响应的关键要素。过去十几年,全球下垫面的植被变化剧烈,但如何影响全球陆面蒸散发仍未得到清晰的揭示。本文采用500 m分辨率MODIS数据驱动PML-V2模型,定量解析了2003—2017年植被变化对全球陆面蒸散发的影响。结果显示：在全球尺度上,植被变绿使得全球蒸散发呈现显著的增加趋势,使陆地水循环加快;区域尺度上,植被变化对蒸散发的影响则存在明显的地带性和非地带性特征,如在北美洲中北部、欧洲、中国东部、非洲南部和澳大利亚东北部等地区,蒸散发总量的增加主要是由植被蒸腾增加而引起的。分析不同植被功能类型区的贡献显示,下垫面变化对灌木和耕地影响尤为明显,并在2012年以后呈现增强趋势;这2个植被类型区的全球年总蒸散发累积增加量为0.41×103 km3 a-1,约为黄河流域多年平均径流量的8倍。该研究结果有助于进一步加强关于下垫面变化对陆地水循环的影响及其可能带来的局部气候变化的认识。
数字地形分析（DTA）是地理信息科学（GIS）研究的热点。但是,当前基于数字高程模型（DEM）的数字地形分析在地貌学研究中存在重形态轻机理、重现象轻过程、重地上轻地下等问题,急需从单一的地貌形态分析,迈向面向成因、过程与机理等地貌学本源问题的研究转变。据此,本文系统梳理了面向地貌学本源的数字地形分析的相关研究现状,并从地貌学本源认识、地貌形态建模、地形因子提取、以及其他地形分析方法等研究进行了系统的回顾、梳理与分析。研究表明,基于DEM的数字地形分析虽具有地貌特征分析的潜力与优势,但是,数字地形分析存在数据表达与分析模式上的先天缺陷,亟待通过基础理论与关键技术的突破,实现理论与方法的创新发展,实现从“坡面”走向“区域”,从“形态”走向“过程”,从“地形”走向“地貌”。而当今地球系统科学的研究发展态势也到了数字地形分析研究从重视地貌形态走向揭示地貌学本源的关键阶段。因此,本文从DEM数据模型增值、地形因子及其地形空间关系、以及宏观地形分析等侧面展望了面向地貌学本源的数字地形分析研究。当今基于DEM的数字地形分析研究,正像当前的GIS是否能够真正支撑地理学发展一样,已经处于一个非常关键的十字路口。面向地貌学本源的数字地形分析研究思路可望成为地理信息科学领域理论与方法创新的一次重要探索与实践。
青藏高原东部若尔盖盆地古湖泊消亡、黄河贯穿盆地、黄河源区现代水系格局形成,是黄河发育演变史上的重要事件,也是青藏高原东部水文环境变化的转折点。关于其发生年代问题,目前尚无确切结论。本文根据野外考察所获资料和实验室测试分析数据,结合历年来前人多方面研究的结果,针对若尔盖盆地古湖泊消亡与黄河贯穿盆地的年代问题,进行比较全面的分析论述与展望。其中在玛曲—欧拉秀玛河段的最新研究,发现由古洪水沉积物记录的黄河特大洪水事件,发生在OSL年龄(13590±1200)~(12980±1090) a期间,其洪水主要来自于若尔盖盆地上游广泛分布的高山冰川的冰雪融水。这证明在末次冰消期Bolling-Allerod全球性相对温暖阶段,黄河就已经贯通若尔盖盆地,流经玛曲—欧拉秀玛断陷谷地,并且发生了若干次特大洪水事件。可见从河流古洪水沉积学、年代学与水文学新途径的研究,将会为解决黄河贯通若尔盖盆地的年代问题提供直接的证据。
在全球变化及其生态环境效应研究中,如何对生态过渡带的空间分布格局及变化情景进行空间定量识别和模拟分析,对揭示气候变化和人类活动对全球变化的响应及反馈具有指示性意义。在对HLZ模型进行修正和拓展的基础上,建立了生态过渡带类型的空间识别方法。并基于1981—2010年的全国782个气候观测站点数据,在实现全国生态过渡带类型及分布的空间识别基础上,结合3种气候情景数据CMIP5 RCP 2.6、RCP 4.5和RCP 8.5,实现了T0（1981—2010年）、T1（2011—2040年）、T2（2041—2070年）和T3（2071—2100年）4个时段内全国生态过渡带的空间分布格局及其未来情景模拟。另外,引入平均中心空间分析模型,对全国生态过渡带平均中心的时空偏移趋势进行了定量分析。结果显示：在T0~T3时段内,全国共出现41种生态过渡带类型,约占全国陆地面积的18%;冷温带草原/湿润森林与暖温带干旱森林过渡带（564238.5 km2）、冷温带湿润森林与暖温带干旱/湿润森林过渡带（566549.75 m2）、北方湿润/潮湿森林与冷温带湿润森林过渡带（525750.25 km2）是最主要的3种生态过渡带类型。面积占到全国生态过渡带总面积的35%;2010—2100年期间的冷温带荒漠灌丛与暖温带荒漠灌丛/有刺草原过渡带的增加速度最快,在3种情景RCP 2.6、RCP 4.5和RCP 8.5下,其面积将分别增加3604.2 km2/10a、10063.1 km2/10a和17242 km2/10a;寒冷型生态过渡带类型总体上呈向暖湿型过渡带类型增加的趋势;北方潮湿森林与冷温带湿润/潮湿森林过渡带的平均中心偏移幅度最大,在4个时段内整体向东北方向偏移,其偏移幅度将超过150 km。另外,随着气温的逐渐上升和降水量的增加,中国北方的生态过渡带整体呈向北偏移趋势,南方生态过渡带则逐渐减少且平均中心呈现逐渐向高海拔地区退缩的趋势,气候变化对青藏高原区生态过渡带时空格局的影响日益显著。
资源环境承载力定量评价与综合计量是资源环境承载力研究由分类走向综合的关键技术环节。本文从系统角度出发,提出了“人居环境适宜性分区——资源承载力限制性分类——社会经济发展适应性分等——资源环境承载力警示性分级”的资源环境承载力综合评价的研究思路与技术路线,构建了具有平衡态意义的资源环境承载力综合评价的三维四面体模型,对区域资源环境承载力监测预警机制的建立具有清晰的政策指导意义。基于上述模型方法,以公里格网为基础,以分县为基本单元,开展了西藏自治区的资源环境承载力综合评价。研究表明,西藏3/4左右土地、4/5以上人口所在的县域资源环境综合承载力处于盈余或平衡状态,资源环境综合承载状态良好;人居环境以不适宜和临界适宜为主要特征,社会经济发展水平普遍滞后,人居环境自然适宜性和社会经济发展水平在较大程度上限制了西藏资源环境承载力的发挥及其提升。
以生产、生活污染源为对象进行环境空间管控是新时期区域环境保护治理和国土精细化管治的新路径。本文在明确区域环境功能管控区划的概念、目的和原则的基础上,科学识别污染物与污染源空间,提出管控单元和分级管控区的空间结构模式,建立环境污染物的单项评价指标算法和综合集成模型,形成区域环境功能管控区划技术方法,并在浙江省嵊州市进行县级尺度的实证应用研究。研究表明,嵊州市共有垃圾填埋场、污水处理厂、高污染型工业场所、畜禽养殖场、居民居住场所等18个管控单元类型,按集成特征值高低及污染排放特征可归类至Ⅴ级、Ⅳ级、Ⅲ级、Ⅱ级、Ⅰ级和〇级管控区。Ⅴ级和Ⅳ级管控区以工矿业生产空间为主,污染排放量大,对水体、大气和土壤等影响程度高,存在危害性,是源头管控的重点。Ⅲ级管控区覆盖生活空间,污染排放中等,影响大气和水体,可控性相对较弱。Ⅱ级管控区有少量的农业固废和废水排放,存在面源污染风险。Ⅰ级和〇级管控区内部无环境污染源,强调生态保护的重要程度。其中,〇级管控区是生态保护红线范围,实施最严格的环境保护制度,要求“零排放,零污染”。区域环境功能管控区划方法具有可操作性,可为地方开展中长期环境保护与发展规划提供新的方法。
科学地评估自然保护区缓解人类活动压力的效果,对于有效的自然保护至关重要。目前中国国家尺度下的这方面研究,仅将保护区内、外的人类活动压力进行对比,其缺陷是样本选择性偏差会导致评估结果的不合理。本文选择了倾向得分匹配（Propensity Score Matching）方法来克服保护区评价中的样本选择性偏差问题。首先耦合多源数据构建了2013年、2015年、2017年的人类活动压力指数,然后采用倾向得分匹配方法对自然保护区内、外的随机点进行匹配,使两个对比组的观测变量尽可能相似。最后通过相对有效性指标和面板模型从不同层面评估了中国680个自然保护区在2013—2017年间缓解人类活动压力的效果。研究结果表明：① 2013—2017年,全国86.72%的自然保护区内人类活动压力指数呈现上升趋势,其面积占保护区总面积的43.80%。② 69.85%的自然保护区在缓解人类活动压力方面的效果较好。其中,除了海洋海岸、野生植物、野生动物类的保护区以外,其余保护区类型都表现出较好的缓解人类活动压力的效果,且保护区级别越高,保护效果越好。③ 中国自然保护区建设在2013—2017年间能缓解22.90%的人类活动压力,且保护区缓解人类活动压力的能力存在区域性差别。本文研究结果可为中国自然保护区监测、评估和管理提供更科学的参考依据。
本文以广州市主城区为研究对象,简化城市建筑群后绘制出无建筑区域的中心线,进而识别风道。利用2016年逐时风向风速数据,基于GIS提出了度量风道物理、热力属性的指标,据此分析风道特征,并对通风效能进行了评估。研究表明：① 在40 m分辨率下识别出潜在风道中心线共有2451条,相互组合后达到风道标准的有142条,总通风面积为96.49 km2,占研究区的21.59%。② 以珠江新城为中心,研究区潜在通风网络呈现略向东北方向倾斜的密—疏—密的圈层特征;老城区通风面积有限,区际间风道的宽高比差异较大,珠江新城最低（6.54）,海珠湿地最高（74.43）;主城区外围区域的绿地与水域占风道通风面积比重超过90%。③ 由走向效能空间分布格局的相似性,可分为春、夏和秋冬3个模式;依据走向效能得分的季节变化规律,划分出常年风道、季节风道和沟通风道3类。各季节通风效能评估优劣关系为：秋>冬>春>夏。④ 研究区内高架桥对阻滞度的贡献是行道树的2倍以上,阻滞度最大值为4.70 m3/m2,阻滞程度较高的区域大部集中分布在研究区西侧,特别是三元里周边密集的立交桥群区域。
定量解析土壤重金属污染来源并绘制空间分布图是土壤重金属调查评价的核心,可为区域土壤环境管理和修复提供科学参考。以中国北方名优农产品生产基地烟台海岸带为研究区,系统开展表层土壤样品采集和重金属分析测试;利用正定矩阵因子分解定量解析土壤重金属的来源贡献;基于独立成分分析和序贯高斯模拟构建多元地统计模拟技术,实现土壤重金属的空间预测及潜在污染区域划定。结果表明：① 研究区表层土壤中 As、Co、Cr、Mn和Ni主要为自然来源,且空间分布受成土母质的控制;② 工业和交通排放是土壤中Cd、Pb和Zn的重要来源,三者在金、铜矿的尾矿区以及烟台市区呈现出污染热点;③ 土壤中Cu主要来自铜基杀菌剂和有机肥施用等农业活动,高值区主要分布在果园土壤;④ 土壤中Hg主要来源于煤炭燃烧和混汞法炼金所排放Hg的大气沉降,高值区主要分布在金矿以及龙口、蓬莱市区周边;⑤ Cu、Hg和Cd的潜在污染区域面积占研究区总面积的37.5%、14.3%和8.6%,应给予重点关注。
基于绿色发展科学内涵,综合构建了黄河流域绿色发展的评价指标体系,并采用熵值法、空间自相关分析、地理探测器模型等多种计量方法研究了2005—2017年黄河流域生态经济走廊绿色发展时空分异特征与驱动因素,结果如下：① 黄河流域绿色发展主要来源于规模化扩张与总量增长的外部驱动作用,热衷于发展速度与规模,忽视质量与效率的内涵式提升势必导致内生驱动作用不足与不可持续性;② 研究时限内黄河流域绿色发展低水平区不断减少,较高水平区稍有增加,但低水平与中低水平区占比长期稳定在65%以上,说明黄河流域绿色发展质量有待于进一步提升;③ 2005—2017年间黄河流域61地级市整体存在较为明显的空间依存关系,且绿色发展水平具有相对明显的空间俱乐部收敛特征,流域内两极分化现象较为明显;④ 经济发展水平、科学技术与政府调控始终是黄河流域绿色发展的高作用力影响因子,因子交互作用后对黄河流域绿色发展解释力远超单因子,反映出黄河流域绿色发展的驱动因素具有复杂性特征。
为查明汾渭平原典型城乡地区重度污染天气PM2.5中多环芳烃（PAHs）污染特征及其人群健康效应,本文于2018—2019年冬季分别选取西安和陇县作为城乡对比参照点,采集了重度污染天气PM2.5颗粒态气溶胶样品。利用气相色谱—质谱联用仪（GC-MS）检测样品中具有“三致效应”的15种PAHs含量及组分特征,使用特征比值法及主成分法进行PAHs源解析,并分析了气象因素对PAHs质量浓度的可能影响,通过对苯并芘（BaP）等效毒性浓度和终生超额致癌风险度（ILCR）的计算,对人群健康风险进行评估。结果表明：西安与陇县在重度污染天气条件下PM2.5中15种PAHs总平均质量浓度分别为243.78 ng/m3、609.39 ng/m3,其中4~6环PAHs占比最高;且PAHs浓度与气温、气压及风速呈显著负相关,与相对湿度则无明显相关性。西安PAHs污染主要来自燃烧源与交通排放源,而煤炭及生物质燃烧是造成陇县PAHs质量浓度偏高的主要原因。健康风险评估结果显示,重污染天气下陇县人群通过呼吸引发的致癌风险要高于西安,女性致癌风险高于男性,成人致癌风险高于儿童,且两地区成人ILCR值均超过风险阈值,存在潜在致癌风险,儿童则无明显致癌风险。
通过土地流转实现规模化经营是农地利用变化的重要趋势,土地规模化流转市场的租金关乎规模经营主体的形成及其可持续发展,但目前对全国层面耕地规模化流转租金的研究还较为欠缺。基于土地流转信息发布平台的2万余宗规模化流转地块,论文揭示了中国耕地规模化流转租金的总体水平与区域差异,并采用分位数回归方法识别地块属性特征对耕地租金分化的影响及异质性。结果表明：全国耕地平均租金为11339.10元/hm2,租金介于≤ 7500元/hm2、7500~15000元/hm2、15000~22500元/hm2、> 22500元/hm2区间的地块数量比例分别为38.93%、37.97%、14.52%和8.59%;云贵高原区和黄淮海平原区租金较高,比全国平均值分别高出32%和23%,而北方干旱半干旱区租金较低,租金约为全国均值的一半。地块质量特征、地块规模化特征、地块区位特征、地块产权特征对耕地租金具有显著的影响;对低租金地块而言,灌溉条件、土地平整度、道路质量的边际效应更大,而邻近高速公路则对高租金地块具有更强的增值效应。为降低农业生产的土地成本,政府应努力降低土地规模化流转过程中的交易成本、减少农业补贴对农地租金的干预、加强农田基础设施建设与农地流转租金的常态化监测。
