土壤冻融交替是陆地表层极其重要的物理过程,土壤冻融状态的频繁变化对地气能量交换、地表径流、植被生长、生态系统及土壤碳氮循环等均具有重要的影响。本文基于1981—2019年ERA5-LAND逐小时土壤温度数据,借助GIS空间分析功能,利用Python编程处理分析了中国东北地区近地表土壤冻融状态的时空变化特征。结果表明：从不同冻融状态起始日期的空间分布来看,近地表不同阶段的起始日期主要受纬度和地形的影响,具有明显的纬度地带性和垂直地带性。春季冻融过渡期和完全融化期的起始日期由东南向西北均呈逐渐推迟趋势,而秋季冻融过渡期与完全冻结期起始日期则由东南向西北随纬度升高越来越早。就不同冻融状态发生天数的空间分布而言,研究区南部春季冻融过渡期发生天数多于北部,西部多于东部,年均发生天数均在30 d以内;秋季发生冻融的天数空间差异不大,研究区一半以上的地区年均发生天数在10 d以内。完全融化期发生天数最多,从东南向西北呈逐渐减少趋势,年均发生天数主要介于150~240 d之间;完全冻结期发生天数则由南向北日益增多,其空间分布表现为一向南开口的簸箕形,各地年均发生天数集中于90~180 d之间。从时间变化趋势来看,近年来春季冻融过渡期起始日期以提前趋势为主,而秋季冻融过渡期起始日期总体表现为延后,致使完全融化期发生天数以增加趋势为主,年均变化速度高达0.2 d/a;大兴安岭以西、呼伦贝尔高原以北地区及辽河平原春季冻融过渡期发生天数呈减少趋势,其他地区为增加趋势;大兴安岭以西地区、呼伦贝尔高原以北地区完全融化期起始日期明显提前;松嫩平原和长白山区秋季冻融过渡期起始日期推迟显著,发生天数的变化趋势呈北增南减的空间分异特征;不同地区完全冻结期起始日期的变化趋势差异显著,中部广大的平原区呈不显著的推迟趋势,而大、小兴安岭、长白山、辽东半岛和辽西丘陵则提前进入完全冻结状态;研究区完全冻结期发生天数呈减少趋势,研究区中部的季节冻土区完全冻结期明显变短,年均减少速度大于0.2 d/a。

土地利用/覆盖变化（LUCC）是地表综合集成研究的一个学科基础和前沿领域。本文利用定性与定量相结合的方法对1990—2018年的LUCC研究进展进行了系统综述。在回顾LUCC研究历程的基础上,结合文献分析,详细总结了不同LUCC研究阶段的基本特征和主要进展。进而阐述了当前LUCC研究面临的主要挑战,提出了未来LUCC研究的主要发展方向。1990年以来LUCC研究关注度不断提升,相关英文论文发文量和引文量呈指数增长趋势。LUCC研究正从1990—2004年间的过程研究阶段和2005—2013年间的影响研究阶段迈向2014年以后的可持续性研究阶段。当前LUCC研究正面临着如何借鉴可持续科学框架、整合新兴技术和支撑国土空间规划等挑战。未来LUCC研究需要与景观可持续科学和地理设计紧密结合,积极面向国土空间规划主战场,为建设美丽中国和落实联合国可持续发展目标服务。

山区农业景观格局动态分析有利于厘清农业景观发展的动态轨迹与方向,对农地用途的合理规划和管理有重要意义。本文提出了山区农业景观格局转型理论框架,并在三峡库区草堂溪流域进行了实证研究,从整体—微观的角度解析2000—2018年期间,以坡耕地、撂荒地和果园为代表的农业景观格局转型特征。研究发现：① 果园沿河谷的扩张和撂荒地在较高海拔处的扩张明显压缩了坡耕地的空间,这导致区域景观多样性的整体增强,而在局部地形上的差异明显,斑块破碎但聚集度增强;② 研究区农户耕种范围内的农业景观格局转型主要表现为耕—果转换型、综合型、部分撂荒型和撂荒型4种模式,各模式揭示了山区农业景观格局的不同发展阶段;③ 在以社会经济因素为主的驱动下,三峡库区山区的农业景观格局转型具有双向性,表现为以传统均衡分布的纯粮种植景观向河谷生态经济双赢的经果林景观和较高海拔的撂荒地转变。研究结果揭示了近年来中国山区农业景观格局演变的独特性,对库区山区农村土地利用和农业生态系统的深入认识以及库区乡村发展和生态环境的改善均有启示意义。

明晰生态系统服务供需匹配关系,对实现区域生态安全与社会经济可持续发展具有重要推动作用。本文以黄土高原为案例区,应用InVEST模型、ArcGIS、GeoDA等分析工具,分析黄土高原粮食供应、水源涵养、碳固存、土壤保持等服务的供需量及其匹配关系的时空变化,旨在为黄土高原国土空间格局优化提供决策依据。结果表明：1990—2018年,① 黄土高原除水源涵养服务供给量外,其他生态系统服务供需量均呈上升趋势,且各生态系统服务供给量及土壤保持服务需求量均呈“东南高、西北低”的分布特征,而粮食供应、水源涵养、碳固存服务需求量呈“四周高、中间低”的分布特征;② 各类生态系统服务供需比均呈下降趋势。空间分布上,粮食供应、碳固存服务在黄土高原四周人口密集区供不应求,而其他区域供大于求;水源涵养服务在该区西北部供不应求,但东南部供大于求;土壤保持服务供不应求区集中于鄂尔多斯高原及海北州北部;③ 各类生态系统服务供需均以低低空间匹配为主;④ 粮食供应、水源涵养、碳固存服务供需比的空间分布均以高高集聚为主,而土壤保持服务以低低集聚和高高集聚为主。除土壤保持服务供需比的空间集聚性有所增强外,其他生态系统服务均呈减弱趋势。

生态系统服务是生态要素、结构、功能和产品造福于人类社会的媒介和通道。根据生态系统服务价值（ESV）及其影响机制调节人类社会对生态系统的利用强度和保护方式,对于实现人地和谐的可持续发展目标具有重要意义。本文以粤港澳大湾区作为研究对象,依托遥感数据修订ESV核算结果,更加准确地揭示2000—2015年粤港澳大湾区ESV的时空演变特征,并引入面板分位数回归深入探索生态系统服务影响因素的分段效应,增加对生态系统服务影响机制的认识。结果显示：① 2000—2015年粤港澳大湾区ESV减速下降,下降区域主要分布在粤港澳大湾区中部和珠江入海口两岸等城市快速扩张区。② 在城市交界处,土地利用变化会带来更为强烈的ESV变化。③ 在ESV水平不同的区域,影响因素具有不同的影响效果。用地完整度仅在ESV的低值区可以促进生态系统服务能力提升。气温对生态系统服务能力的正向作用随ESV的提高而增强,经济密度对生态系统服务能力的负向作用随ESV的提高而减弱,二者均会导致ESV高值区与低值区间的差距增大,形成“自然马太效应”。

开展城市空气质量时空格局演变特征及其影响因素的研究,对于深入认识城市环境与社会经济系统的互馈机理、制定高效的环境治理措施、提升城市发展质量具有重要的理论与实践意义。本文以中国全面实施《大气污染防治行动计划》的2014年为起点,刻画了2014—2019年286个地级以上城市6种空气污染物浓度（CO、NO₂、O₃、PM₁₀、PM_2.5、SO₂）的时空演变特征,并基于面板回归模型分析各污染物浓度之间的相互作用关系;进而利用随机森林模型对城市6种空气污染物浓度与13个自然和社会经济影响因子的关联强度进行探究,从中梳理出关键影响因子。结果显示：① 研究期内,O₃污染加剧,其余污染物年均浓度逐年下降,其中SO₂浓度降幅最大。虽然典型的重污染区范围有所减小,但京津冀、山东半岛、山西、河南等地区的城市空气污染物浓度仍相对较高。② 城市6种空气污染物浓度之间存在显著的相互影响关系,城市空气复合污染特征明显。③ 自然因素和社会经济因素对不同种类空气污染物浓度的影响差异较大,且与污染物浓度之间呈非线性响应关系。自然因素中,城市年均气温与空气污染物浓度的关联强度最大,其次是植被指数。社会经济影响因素中,土地城市化水平和二产比重是主导影响因子,其次是电力消耗总量和交通因子。偏依赖分析进一步刻画了不同污染物浓度对主导影响因子的响应突变阈值。鉴于人类对于自然环境和气象条件的控制能力有限,建议继续通过优化城市密度、控制人为排放源及严格的空气污染防控措施以进一步有效提高城市空气质量。

人类社会发展进入人新世时期,以人类活动为主导的高频率干扰和自然资源的高强度开发对生态环境造成严重威胁,提升自然保护区的景观连接度是缓解和应对外界干扰的关键手段之一。传统意义上景观连接度研究侧重于景观基质对物种迁徙的累积负向阻碍作用,评价体系中忽略了生物多样性对物种迁徙的正向支持作用。本文以中国沿海省份作为研究区域,将生物多样性空间分布作为生态系统关键功能的表征,并将其纳入景观连接度评价体系,构建了生态廊道的连通适宜性及生态支持力二维评价新方法,进一步分析人类活动干扰和物种空间分布对自然保护区景观连接度的影响。研究结果表明沿海地区人类活动对景观连接度的影响存在明显的边缘效应,即自然保护区边缘地带的人类干扰范围（46.46%）明显高于其内部区域,人类活动干扰使保护区面积减少约720.25 km²,且造成廊道起点和终点位置的改变。自然保护区边缘地带人类干扰导致了研究区域内95条廊道的连通适宜性下降;78条廊道的生态支持力有明显提升,“一降一升”的评价结果能有效地衡量景观基质对物种迁移的支持能力变化。基于景观基质阻碍和促进作用的二维评价可为中国未来自然保护区连通性和生物多样性保护提供更为全面的时空格局动态变化模拟,为优化自然保护区空间布局提供更为完善的景观连接度评估新方法。

以中国退耕还林生态工程重点区域陕北地区作为研究区,基于耕地遥感监测数据集,分析了陕北地区2000-2013年耕地的时空变化特征;基于梯田空间分布,对RUSLE模型进行改进,模拟生成陕北地区土壤侵蚀模数栅格数据并进行精度验证;最后结合耕地变化数据集对陕北地区退耕还林（草）地及未退耕地的土壤侵蚀变化特征进行对比分析,以明确工程对全区土壤侵蚀变化的影响。结果表明,2000-2010年,陕北退耕农田内部侵蚀模数减少了22.70 t/hm ²,是退耕农田区2000年土壤侵蚀模数的47.08%。同期,陕北地区未退耕农田侵蚀模数减少了10.99 t/hm ²,占未退耕农田区域2000年土壤侵蚀模数的28.60%。从陕北全区的角度看,各种土地利用类型2000-2010年土壤侵蚀模数平均减少了14.51 t/hm ²,占2000年全区土壤侵蚀模数的41.87%。由此可见,退耕还林还草工程可以有效减少土壤侵蚀模数,达到土壤保护的作用。其中,由耕地转为林草所导致的侵蚀减少最为显著,对土壤保护的贡献作用最大。但是,2010年以后（2010-2013年）为退耕还林还草巩固时期,因此该阶段陕北地区土壤侵蚀模数和土壤侵蚀量变化较前10年显著降低。

现有城市土地集约利用潜力评价研究主要采用多指标综合评价方法,存在依据不充分、结果不可比、难反映动态变化等缺陷。针对此,基于集约潜力和技术效率的概念联系,把城市土地集约利用潜力定义为是城市土地利用技术效率的潜在提升所可能带来的土地节约量或产出增加量,构建了城市土地集约利用土地节约潜力和产出增长潜力定量评价模型,测算和分析了京津冀2006-2015年城市土地集约利用土地节约潜力和产出增长潜力的规模与占比情况。结果表明：① 京津冀城市土地集约利用潜力规模巨大且持续增加,土地节约潜力规模10年均值为709.80 km ²、净增量达543.96 km ²,产出增长潜力规模（2005年不变价）10年均值为4207.57亿元、净增量达3428.55亿元;② 京津冀城市土地集约利用潜力占比很高且持续提升,土地节约潜力占比10年均值为21.80%、净提高10.56个百分点,产出增长潜力占比10年均值为26.12%、净提高14.73个百分点;③ 京津冀13个城市土地集约利用潜力排名很稳定,且差距在扩大,显示出越发达城市集约挖潜越困难、越落后城市集约挖潜越容易的一般规律,以及集约挖潜容易者更加容易、困难者更加困难的马太效应。研究能够为城市土地集约利用实践与管理提供科学指导,有利于推进集约评价和效率测算研究之间的对话与交流。

基于秦岭—淮河南北及其周边196个气象站点观测资料,构建实际和动态供暖指数,对中国南北过渡带供暖格局变化进行分析,并探讨冬季北极涛动（AO）异常与供暖效率的响应关系。结果表明：① 固定供暖策略下,1960-2016年秦岭—淮河南北实际供暖能耗偏高,呈现“南多北少,西低东高”的变化特征,且低纬度地区供暖需求下降信号早于高纬度;② 对比区域变暖前后,秦岭—淮河南北冬季供暖能耗1960-1990年和1990-2016年两阶段空间特征,发现“整体南高北低,北部东高西低”的格局并未发生变化,供暖南北波动界线依然维持在秦岭山脉—淮河平原中部;③ AO强弱波动与区域冬季供暖能耗具有明显的时空响应关系,是影响中国南北过渡带供暖格局变化的重要因素。当AO负相位时,除四川盆地和巫山山区之外,秦岭—淮河南北其他区域实际供暖能耗明显下降,特别是淮河平原和长江下游的过渡地带响应尤为明显,未来应该有针对性制定气候适应对策。

识别复杂土地利用类型对地下水体氮素归趋的影响一直是非点源污染研究中的重点及难点。本文采用水环境化学及同位素联合示踪法对具有复杂地类的三江平原阿布胶河流域地下水体中氮素归趋进行解析研究。结果表明：研究区域内地下水体中存在严重的氮素污染,部分点位超出标准限值近4倍。土地利用类型不仅是氮素浓度和水化学类型演变的主导因素,而且对地下水体氮素循环过程及氮素来源产生了重要的影响。其中：在林地区域内,硝态氮占主导,氮素主要来源于土壤有机氮硝化;在城镇区域内,硝态氮超标,具有较高的氯离子浓度,主要来源于粪便及废水,受硝化过程所控制;在水田区域：铵态氮超标,具有较高的硝酸盐同位素值（δ ¹⁵N-NO₃ ^-和δ ¹⁸O-NO₃ ^-）且二者存在显著的线性关系,表明存在着显著的反硝化过程。在旱田区域,硝态氮占主导,氮素来源及循环过程较为复杂,受反硝化及雨水混合过程等多重影响,难以单一使用同位素示踪法进行溯源解析。通过联合水化学解析法能进一步揭示该区域氮素污染主要来源于肥料施用。因此,通过联合示踪法能够补充复杂土地利用区域氮素来源识别工作的缺陷,提升地下水体氮素归趋识别的精度。

土壤风蚀是导致土地退化、荒漠化以及大气扬尘、风沙天气的重要原因。内蒙古浑善达克沙地南缘是国家主体功能区规划确定的“两屏三带”的重要部分,科学估算本地区土壤风蚀强度及其变化,是地区生态安全和生态建设成效评估的重要内容。选择浑善达克沙地南缘的正蓝旗为研究区,运用 ¹³⁷Cs、 ²¹⁰Pb_ex复合示踪技术,对研究区土壤侵蚀速率及其变化进行了分析。结果表明：① 研究区内 ¹³⁷Cs本底值为2123.5±163.94 Bq·m ^-2, ²¹⁰Pb_ex本底值为8112±1787.62 Bq·m ^-2。② 基于 ¹³⁷Cs同位素示踪分析,研究区侵蚀模数为-483.99~740.31 t·km ^-2·a ^-1;基于 ²¹⁰Pb_ex同位素示踪分析,研究区侵蚀模数为-441.53~797.98 t·km ^-2·a ^-1。③ 与20世纪20-70年代相比,20世纪70年代以来土壤侵蚀与堆积速率明显降低,研究区风沙活动明显减弱,区域生态环境质量得到改善。综合 ¹³⁷Cs和 ²¹⁰Pb_ex的多同位素复合示踪技术在干旱、半干旱地区土壤侵蚀研究中具有较大的潜力。