区域性、综合性、复杂性是新时代地理学的三大特征,其中复杂性研究是地理学飞跃的新路径。熵作为系统复杂性的核心指标,其研究、推广和应用对新时代的地理学有着重要意义。近年来地理学中熵的研究热点为玻尔兹曼熵（玻熵）。玻熵的概念最早提出于1872年,是著名的热力学第二定律的核心,但玻熵在地学的应用长期停滞在探讨层面。其瓶颈在于缺乏针对空间数据计算玻熵的模型和方法,但该瓶颈在近5年得以突破。本文从玻熵的热力学概念与地理学推广难题、空间数据的玻熵计算模型、计算方法、实际应用4个方面进行及时且系统地综述。主要结论有：① 目前的研究热点集中在空间栅格数据的玻熵,已研发出针对定性和定量型栅格数据的计算模型;② 算法百家齐放,已呈现出基于边缘总长度、基于Wasserstein距离、基于多尺度层次的三大类算法;③ 已形成景观生态学和遥感图像处理两类应用;④ 未来研究需重视针对更多类型的空间数据的算法、使用玻熵替代香农熵验证先前研究中的结论、拓展玻熵应用等。
水—粮食—能源纽带关系是实现社会经济可持续发展的重要支撑与关键途径。本文系统梳理了纽带关系的概念内涵,回顾了纽带关系的近今进展,发现当前学界对纽带关系的概念内涵和研究框架尚未达成较为一致的认识。在评估方法上,可归纳为基于关键过程视角的评估、基于系统整体视角的评估以及耦合纽带系统内外部要素的综合评估,呈现出由传统部门研究范式到自然科学和社会科学交叉的人地系统耦合研究范式的转变。文献计量分析表明,2000—2019年纽带关系研究发文量呈指数增长,且2015年之后增加尤为显著。在学科分布上,环境科学、食品科学和营养学是研究纽带关系的主要学科,未来应加强地理学的综合性和系统性思维在纽带关系研究中的应用。通过文献回顾发现,当前研究对纽带系统的互馈关系及其演化特征缺乏定量化理解,建议未来应重点关注以下五个前沿议题,即建立纽带关系多源信息数据库、揭示纽带关系耦合系统互馈机理、发展纽带关系耦合系统过程模型、搭建纽带关系耦合系统决策平台以及促进纽带关系多部门协同合作,旨在通过系统治理和科学管控,实现纽带关系系统协同可持续发展。
气候变化风险是人类社会发展面临的严峻挑战,评估识别对气候波动响应敏感且复杂的干湿过渡区生态系统所面临的气候变化风险是一个重要科学问题,对区域气候治理和风险管理具有科学意义。本文利用参与耦合模式比较计划第五阶段（CMIP5）的多气候模式多情景数据,通过改进和验证Lund-Potsdam-Jena（LPJ）动态全球植被模型,辨识未来不同时段生态系统生产力的气候变化风险等级及其时空分布,明晰气候因子对净初级生产力（NPP）风险的作用特征。结果表明：未来中远期干湿过渡区生态系统生产力面临的气候变化风险面积将可能扩大,风险等级将可能提升,高排放情景下的风险更加严重,主要表现为NPP距平为负,且仍有继续下降的趋势。尤其是典型浓度路径（RCP8.5）情景下,81.85%的地区将可能面临气候变化风险,54.71%将达到高风险。2071—2099年,RCP8.5高风险区的NPP距平将达到(-96.00±46.95) gC m-2 a-1,NPP变化速率将达到(-3.56±3.40) gC m-2 a-1。干湿过渡区东部平原和内蒙古东部草原区预估将可能成为风险主要集中区域,这些地区未来的植被生长将可能受到气候变化的不利影响,增温加剧和干旱程度加重可能是未来气候变化风险的重要驱动因素。
气候变化是人类文明演化的重要驱动力之一,中国东北西辽河流域地处季风气候敏感带,早中全新世以来古文化演替频繁,具有研究气候变化与早期农业文明响应的重要价值。本文基于西辽河流域兴隆洼（XLW）剖面高精度年代学框架开展多种气候代用指标分析,重建了中晚全新世以来西辽河流域的气候环境演变历史。结果显示,距今5.0 ka以来研究区经历了冷干—暖湿—冷干的气候演变过程。5.0—3.7 cal. ka BP期间,磁化率、烧失量等指标的低值反映了气候由全新世大暖期向冷干环境的转变,可能与东亚夏季风的衰退有关。该时期红山文化衰退,逐渐被以渔猎和农业并重的小河沿文化所取代,东北地区遗址数量有所减少并出现明显南偏。3.7 cal. ka BP后,磁化率、烧失量等指标的高值指示了夏季风的增强,水热条件的改善促进了旱作农业的发展,为夏家店下层文化的发展提供了有利条件。这一阶段东北地区出现人口大爆发,遗址数量达到峰值。2.8 cal. ka BP后,磁化率与烧失量波动降低,表明夏季风波动频繁,气候逐渐转冷干,水热条件的衰退可能导致了夏家店上层文化时期旱作农业的退化与游牧业的发展,且遗址分布出现南偏。
物候变化是气候变化的重要指示器,通过对植被物候时空变化的研究可以为进一步分析全球气候变化提供依据。基于2000—2017年MODIS-NDVI时间序列数据,利用不对称高斯函数和动态阈值法,提取、分析了东西伯利亚苔原—泰加林过渡带植被生长季起始期（SOS）、结束期（EOS）、中期（MOS）和长度（LOS）4种植被遥感物候参数的时空变化格局。同时结合同期CRU（Climate Research Unit）气温观测数据,分析了4种物候参数对气温变化的响应关系。结果表明：遥感物候参数可以直接、有效地反映气温的变化：研究区64°N以南区域4—5月气温升高,对应区域SOS提前5~15 d;64°N~72°N之间5—6月气温升高,对应区域SOS提前10~25 d;最北端北冰洋沿岸6月气温升高幅度较小且7月气温降低,对应区域SOS推后15~25 d;西北部8月、西南部9月气温降低,对应地区EOS提前15~30 d;67°N以南区域9—10月气温升高,对应区域EOS推后5~30 d;EOS的变化对气温变化较SOS更为敏感,较小的气温波动即引起EOS较大的变动;研究区内植被生长季整体呈前移趋势,且西北部LOS缩短,中部、南部LOS延长。
在以风沙和干旱为基本特征的干旱、半干旱生态环境中,荒漠植被在防风固沙及维持荒漠和绿洲生态系统的稳定性方面有重要作用。选取艾比湖流域不同生境（河岸、沙丘、荒漠、盐沼）典型荒漠植被胡杨（Populus euphratica）、梭梭（Haloxylon ammodendron）、白刺（Nitraria sibirica）和盐穗木（Halostachys caspica）为研究对象,运用稳定同位素方法分析降水、土壤水、植株水和地下水同位素组成变化特征,量化4种植被在整个生长期内吸水来源及比例。结果表明：① 艾比湖流域降水δ2H和δ18O值变化范围为-142.5‰~-0.6‰和-20.16‰~1.20‰,表现为夏季最大,冬季最小,春秋季居中的态势。② 4类生境条件下的土壤水δ2H和δ18O值沿剖面总体表现为随着深度增加逐渐减小;不同植株茎水δ2H和δ18O值时间变化趋势基本一致,春季最大,夏季最小,秋季又逐渐增加;不同植株间比较,盐穗木茎水稳定同位素值最大,其余依次为白刺、梭梭和胡杨。③ 荒漠植被在不同生长期吸水来源及利用比例不同,梭梭在整个生长期主要利用地下水;白刺利用水源比例在整个生长季内变化较大,春季主要利用表层土壤水,贡献率为80%~94%,夏季利用深层土壤水的比例为31%~36%,秋季利用中层土壤水的比例达到33%~36%;盐穗木春季和秋季主要利用表层土壤水,夏季中间层土壤水比例略有提升,为20%~36%;胡杨春季主要利用中间层土壤水,利用比例为53%~54%,夏季主要利用地下水,比例达到72%~88%,河水利用比例仅为2%~5%,秋季河水利用比例升高为11%~21%。研究结果显示,干旱区荒漠植被生长季内水分利用来源差异明显。本文为了解干旱区荒漠植被的水分利用机理、水分适应策略,以及植被恢复和管理提供理论依据。
在城市尺度上探究城市空间形态布局对城市热岛（UHI）影响研究,对于城市规划中通风环境改善、生态宜居城市建设具有重要意义。以北京为例,利用2009—2018年高密度自动气象站逐小时气温资料和2018年NPP/VIIRS夜光卫星资料,分析了UHI时空分布特征;利用2017年1∶2000基础地理信息和Landsat8卫星资料,开展了北京主城区建筑高度（BH）、建筑密度（BD）、建筑高度标准差（BSD）、容积率（FAR）、迎风截面积指数（FAI）、粗糙度长度（RL）、天空开阔度（SVF）、城市分数维（FD）等8个空间形态参数和植被覆盖度（VC）、不透水盖度（IC）、反照率（AB）等3个陆表参数的提取,并在城市尺度上开展了这些参数与UHI之间空间相关性及对UHI变化影响研究。结果显示：2009—2018年北京主城区年均、四季以及夜晚02时UHI均存在一个较为固定的形态,年均、春、夏、秋、冬、白天14时和夜晚02时UHI分别为1.81 ℃、1.50 ℃、1.43 ℃、2.16 ℃、2.17 ℃、0.48 ℃和2.77 ℃;8个空间形态参数在一年中大部分时段与UHI存在明显空间相关性,这种相关性在冬季强于其他季节,在夜晚02时强于白天14时,排名前三的分别为SVF、FAR和BD。空间形态参数已超越陆表参数成为UHI变化的重要驱动因子,11种参数对UHI变化的单独贡献为13.7%~63.7%,其中夏季、冬季和全年时段贡献最大的空间形态参数分别是BD（43.7%）、SVF（63.7%）和SVF（45.4%）,贡献最大的陆表参数分别是VC（42.6%）、AB（57.1%）和VC（45.3%）;夏季、冬季和全年时段多个参数对UHI变化的综合贡献分别为51.4%、69.1%和55.3%,主导要素分别为BD、SVF和BD。
滨海湿地是具有重要功能的特殊海陆过渡带生态系统,精准获取滨海湿地植被时空分布信息具有重要意义。传统的湿地遥感观测研究集中于高空间、高光谱分辨率影像分类,往往受限于数据成本和覆盖范围,仅适用于小区域湿地监测。Sentinel-2A/B卫星影像时空分辨率高且免费共享,为大区域滨海湿地动态监测提供了可能。本文采用2018年Sentinel-2影像,提出像元级SAVI时间序列及双Logistic植被物候特征拟合重构模型,采用随机森林算法进行盐城滨海湿地植被分类,探讨Sentinel-2遥感时间序列植被物候特征分类方法的适用性。结果显示,分类总体精度达87.61%,Kappa系数为0.8358,分类结果与湿地实况相吻合,比常规单一时相分类精度总体提高19.57%。植被判别物候特征参数可为影像数据缺失或不足的滨海湿地分类提供不同植被的判别依据。研究表明,基于像元级时间序列植被物候特征的分类方法能实现植被群落混生带的精准分类以及对“异物同谱”植被的有效区分,对大区域滨海湿地植被分类具有很好的适用性,有效提高了滨海湿地植被分类精度。
随着全球变暖和社会经济发展,中国湖泊富营养化情况时有发生,迫切需要对中国湖泊的浮游植物生物量进行有效监测。本文选择了中国756个面积超过10 km2的湖泊进行研究,基于Google Earth Engine（GEE）云端运算平台,反演2003—2018年间叶绿素a（chl-a）浓度数据,以此来分析研究各个湖泊的营养状态及其时空变化,探索了中国五大湖区内湖泊各季节与年均chl-a浓度时空分布特征与气象、社会经济及湖泊特征等影响因素之间的关系。结果表明： ① 中国湖泊的营养状态变化具有明显的季节性与地域性,研究时段内处于中营养状态的湖泊约占90%,春季时大多数位于东部平原湖区与东北平原与山区湖区的湖泊表现为贫营养状态,而青藏高原湖区与云贵高原湖区的湖泊在春季多呈现富营养状态。由各个湖泊年均chl-a浓度变化可以看出中国约82%的湖泊年均chl-a浓度的变化率小于0.5,呈现出轻微变化,18%的湖泊chl-a浓度呈现剧烈变化趋势。② 温度和降水对湖表chl-a浓度影响较大,超过70%湖泊的chl-a浓度与其表面温度和降水存在正相关性,其中大部分分布在中国北部与东部。缓冲区人口和草地占比、湖泊海拔和湖泊地理位置也对湖泊浮游植物生物量具有一定影响。
定量分析重要生态空间建立前后的生态保护成效,对于保障国家生态安全具有重要意义。本文以生态用地为切入点,从时间和空间双重角度,评估了中国重要生态空间构建的生态保护效果,以期能为国土空间分类分区管控提供科学依据。结果表明：① 2018年重要生态空间以生态用地为主导,具有良好的生态本底,体现了重要生态空间的发展定位和重要地位; ② 1980—2018年,重要生态空间内生态用地呈收缩趋势,但面积减少率低于全国平均水平,定量反映了重要生态空间的构建对生态的积极保护成效,总体来说生态用地变化基本处于稳定状态,扩大区域主要分布在退耕还林还草生态保护工程实施区,缩小区域集中在东北平原的粮食主产区和新疆绿洲农业地区,今后要重点加强管控;③ 3类重要生态空间内部生态保护成效有差异,国家级自然保护区生态用地面积比例最高,生态用地面积减少率最小、减少趋势最不明显、变化最为稳定,生态保护效果最好;④ 重要生态空间内生态用地面积比例高于周边外部区域,面积减少率低于外部区域,内、外保护成效具有明显梯度差异,说明重要生态空间的构建对生态保护的意义重大。
内蒙古草原是蒙古高原草原带的南部组成部分,是我国北方重要的生态屏障,草原生态修复任务重、压力大。本文以蒙古高原典型草原乌珠穆沁—温都尔汗样带为例,以1988—2016年5期TM数据为信息源,获取2016年样带草地利用信息基础上,按国别和年限对样带草地利用特征进行分析,揭示草地主要干扰因素,探寻有效的修复途径和可借鉴的国际经验。研究发现：① 草地面积占样带95.05%,均匀覆盖于整个样带;其他用地类型占比均不大,但分布相对集中,其中耕地集中于样带西北部蒙古国段,工矿用地、沙地、盐碱地集中于样带东南部内蒙古段。② 1988—2016年样带耕地面积减幅最大,为35.71%,集中位于蒙古国段;草地、水域面积逐年减少,在中国境内、境外变化趋势相同,但内蒙古段草地减幅大于蒙古国段且多转为未利用地;工矿用地面积增幅最大,为初期的近367倍,集中分布于内蒙古段;盐碱地、沙地面积逐年增加,在中国境内、境外的变化幅度相当。③ 草地是高原主要土地利用类型,放牧是草地主要利用方式,开矿是除放牧以外中国草地的主要干扰因子,蒙古国则为垦殖,内蒙古的草地干扰远大于蒙古国。草地退化与干旱化是蒙古高原面临的主要生态环境问题,在中国境内尤为突出。
通过梳理和集成近年研究成果,综述了过去2000年中国主要农耕区拓展的阶段性及其间全国耕地面积和其中近千年垦殖率变化的主要特征。主要结论有：① 中国主要农耕区第一次大规模拓展出现在西汉,从黄河中下游拓至整个长江以北地区;第二次在唐宋时期,主要是长江以南农耕区域从平原低地拓垦至丘陵山地;第三次在清中叶以后,主要是对东北、西北和西南等边疆地区的拓垦和山地的深度开发。② 过去2000年中国耕地面积呈波动增加趋势,公元初突破5亿亩（1亩≈ 667 m2）,8世纪前期突破6亿亩,11世纪后半叶达近8亿亩,16世纪后期突破10亿亩,19世纪前期突破12亿亩,1953年逾16亿亩,1980年逾20亿亩。③ 中国耕地空间分布的主体格局至11世纪前后就已基本奠定。1080年前后,黄淮海、关中平原等的垦殖率达30%以上,长江三角洲、鄱阳湖平原、两湖平原和四川盆地等达30%左右。1850年前后,华北平原、汾渭盆地和陇东地区、四川盆地、两湖平原、鄱阳湖平原及长三角地区等的垦殖率均超过30%。2000年前后,东北平原、黄淮海地区、汾渭盆地和陇东地区、四川盆地、长江中下游平原等农业区中有2/3以上垦殖率超过50%,辽西丘陵、坝上高原、黄土高原及南方各省的丘陵山地也多达15%以上;西北绿洲农业带及青藏高原河谷农业带的局部地区也达50%以上。
城镇建设用地规模与结构变化是国土空间开发与规划研究的基础。以往相关研究更关注建设用地水平空间扩张格局特征与模式,极少关注建设用地三维梯度上的“爬坡”特征规律与影响。因此,本文基于Google Earth Engine（GEE）,并结合高精度地形数据与土地利用数据,在建设用地坡谱概念基础上,首次构建了平均建设用地爬坡指数（ABCI）,系统地分析了1990—2018年中国建设用地坡谱在国家、区域、省级和城市4个尺度上的变化特征与规律并深入剖析建设用地爬坡的空间影响。结果显示：① 1990—2018年中国坡度5°以上地区建设用地面积增长了1.43倍,比例由10.25%上升至14.81%。其中2010—2015年是建设用地爬坡发展最迅速与规模最大的时期,且中西部地区建设用地爬坡最为显著。② 依据平均建设用地爬坡指数与上限坡度变化,可将中国34个省（自治区、直辖市）划分为高爬坡型、低爬坡型和水平扩展型3类,其中高爬坡型省份占50%以上,水平扩展型省份仅有7个,在空间上呈现“东南—西北”的两极分布特征。③ 1990—2010年爬坡型城市以山地与丘陵地貌城市为主,2010年后少数民族聚居区及低丘缓坡开发试点城市成为建设用地爬坡的主力。④ 建设用地爬坡在一定程度上能够减少建设用地扩张对平原优质耕地与生态用地的胁迫和侵占,缓解建设用地供需矛盾,但是无规划约束的开发和房地产驱动的“削山造地”则会导致地质灾害和生态环境风险的增加。
土地利用可持续性评价是土地系统科学与可持续发展交叉学科研究中一个重要内容,对识别区域土地利用与管理问题,制定可持续土地管理决策具有重要意义。本文从土地利用可持续内涵解析出发,提出了一种基于土地系统冲突与适配视角、适用于不同区域与时段的土地利用可持续评价框架,并以2000—2015年长三角地区为例进行实证分析。结果显示：① 基于土地系统外部发展施压及土地系统内部支撑角度,可以构建由“资源子系统冲突”“功能子系统冲突”“承载子系统冲突”“资源—功能适配性”“功能—承载适配性”组成的土地系统结构。并基于静力学平衡方程,通过计算结构支撑性与平衡性得到土地利用可持续性;② 长三角地区各项土地冲突适配指标中,土地系统功能冲突改善程度最高,但土地功能与承载适配程度最低。各项冲突适配指标具有显著的城乡、纬度、海陆空间分异特征;③ 长三角地区包含17种土地系统构型,呈现最稳定与最不稳定构型两极分布多、中间构型数量少的特征。长三角地区土地利用可持续性结果范围是0.20~1.58,其中浙江>安徽>长三角地区均值>江苏>上海,浙江诸暨市、安吉县等实施绿色发展战略地区显著高于江苏连云港市、如东县等实施传统经济主导型发展战略地区。本文可以为分析区域土地系统可持续性、设置土地可持续发展规划目标、探索土地系统转型方向提供思路与方法借鉴。
全球气候变化背景下,干旱呈现加重趋势,加强旱灾风险防范对区域农业可持续发展具有重要意义。不同主体的共识程度会影响旱灾风险防范效果,因此,开展旱灾风险防范多主体共识定量化研究,有助于加深主体间合作抗旱机制的认识。本文从“认知—情感”维度出发,同时考虑主体情感积极程度,构建了共识指标体系和基于“距离”的模型,定量了湖南省鼎城区政府、乡镇政府、村委、农户和涉农企业等不同主体在旱灾风险防范上的共识。主要结论为：① “认知”共识中,各组主体在各项指标上的共识平均值呈现应急理解度>备灾理解度>恢复理解度的趋势,各村农户、村委、政府两两之间在恢复措施上的认知差异较为明显。② “情感”共识中,各组主体在各项指标上的共识平均值呈现公平感知<宽容感知<约束感知<归属感的趋势,主体在公平性、体谅他人和接受资源约束上的态度不够积极,其中政府、村委和企业的感知差异最为明显。③ 综合共识中,农户和乡镇政府、村委和区政府、乡镇政府和区政府共识的平均值均大于0.65,企业和其他主体共识的平均值均不超过0.6。以上结果揭示了主体间的感知差异,为社会—生态系统旱灾综合风险防范多主体“凝心聚力”研究开辟了一条定量化新思路,为进一步考虑灾害不同阶段、不同主体需求和资源配置等问题在风险防范中发挥的作用提供借鉴与参考。
随着全球气候变化和人类社会经济高速发展,水资源供需矛盾日益突出,国际河流流域跨境水冲突不断加剧,其时空演化规律成为当前跨学科研究的热点和难点。为此,从水冲突“事件—关系”视角,对1948—2018年间全球跨境水冲突的时空演化规律进行系统分析发现：① 1948—2018年全球跨境水冲突规模总体呈非单调波动增长态势,在1987年前后发生显著突变,表现出兼具趋势性、突变性和波动性等多维特征的非单调动力过程;② 全球跨境水冲突事件以围绕水文干预和资源权属争夺的低强度事件为主,大坝等水利工程建设引发的冲突显著增加,南亚、西亚和东非地区成为主导全球跨境水冲突趋势演化的“序参量”;③ 全球跨境水冲突呈现由单中心向多中心格局转变的空间扩散趋势,但“北多南少、东多西少、相对集中”的总体不均衡格局基本锁定,形成以30°N为中心、横跨南亚—中亚—西亚—东非高水资源压力区的水冲突密集带;④ 国家间跨境水冲突关系趋于普遍化、复杂化和网络化,发育多个流域性网络社团,但水冲突关系的“马太效应”和极化分布特征持续显著,产生“路径锁定”效应;水冲突“规模—强度”关系存在一定的空间错配。
