生态安全格局是维持生态过程和保障生态系统功能稳定的重要空间途径.随着景观规划和决策的开始实施,亟需考虑生态安全格局构建的差异化方法及其空间输出的一致性,以及研究对象的匹配性和适用性.本研究从整合视角出发,以黄土高原退耕还林工程主要实施区域延安市安塞区为对象,结合地域地形地貌和景观特征,融合形态学空间格局分析和生态系统服务重要性评价结果识别生态源地,构建安塞区生态安全格局.结果表明:结构型与功能型构建方法在空间保护优先级识别上的一致性较低,面向整合集成的方法可形成互补,能实现结构连通与功能提升双重目标;研究区共有202个生态源地,总面积391.58 km2,约占研究区总面积的13.3％,整体呈现碎片化分布特征,主要分布于北部和南部;研究区共有110条生态廊道,总长度599 km,主要围绕河道分布,呈现出"南北部短窄密集、中部长宽疏朗"的分布特征.本研究提供的结构-功能整合方法为国土空间生态修复规划工作提供新见解,并能推进景观格局、过程和服务的研究.

景观格局的定量分析是评价其对生态过程影响的先决条件,也是生态系统规划和管理的重要依据.当前的景观格局分析软件都仅提供基于"斑块-廊道-基质"景观分析范式的格局指数计算,不包含基于"源-流-汇"的范式的指数计算.这不仅无法适应景观生态学理论的发展,也无法满足大数据时代对计算场景和速率的需求.针对该问题,在研发基于"源-流-汇"的范式的指数算法的基础上,开发了景观生态学工具箱(Landscape Ecology Toolbox,LET).不仅同时提供基于两种分析范式下的景观格局指数计算,也提供了图形用户界面和命令行两种运行方式.在对LET主要功能进行介绍的基础上,将LET同现有景观分析软件在操作逻辑、景观指数计算范围、特色功能等方面进行了详细的对比,最后对软件未来的发展方向进行了讨论.

生态安全格局的构建有助于减缓生态系统退化和生物多样性丧失,对生物多样性保护具有重要意义.现有研究中生态源地识别的主观性较强且源地边界破碎,生态廊道对景观连通性的贡献程度也有待明确.因此,以宁夏沿黄河城市带为例,首先利用空间连续小波变换识别综合生态系统服务突变点,获取生态源地,进而基于电路模型评估功能连通性以提取生态廊道,最后量化生态廊道的连通贡献.结果显示,生态源地占研究区总面积的41.51％,其中草地占比83.27％.相比于直接提取综合生态系统服务高值区,基于空间连续小波变换识别的生态源地能较好的反映局地生态系统特征,并将景观形状指数和分形维数分别降低67.20％和8.06％,减少生态源地边缘长度从而受到外界干扰的可能性更小.生态廊道占研究区总面积的7.42％,是物种迁徙等生态过程的关键通道,有效地增强了区域景观连通性,将等效可能连通性指数和等效整体连通性指数分别提升41.76％和68.68％.生态安全格局主要位于研究区边界地段,整体呈两带分布,为宁夏沿黄河城市带阻挡周围的沙漠,保障中部的城市发展和粮食安全.然而,研究区范围内自然保护区仍存在较为严重的生态系统服务和功能连通的保护缺口.各区域的生态安全格局具备不同的生态功能,需要有针对性的差异化保护、修复与管理.

为进一步研究砒砂岩区不同雨型下植被格局对坡面土壤侵蚀特征的影响,基于野外径流小区原位观测试验与景观生态学相结合的方法,通过对比分析不同坡面的植被斑块格局指数与产流产沙之间的相关关系,阐明植被格局对砒砂岩坡地降雨侵蚀的影响.结果表明:(1)该地区降雨可划分为3类,根据各植被坡面产流产沙能力,得出降雨侵蚀力表现为:雨型Ⅱ(长历时、大雨量、大雨强)＞雨型Ⅲ(短历时、小雨量、中雨强)＞雨型Ⅰ(中历时、中雨量、小雨强).降雨量和最大30min雨强与产流产沙量呈显著或极显著关系,相关系数0.695以上,是预测该区域水土流失的主要降雨因子.(2)各坡面水土保持能力与降雨类型有关,不同雨型下3种植被坡面减流减沙率分别达0.42％、20.8％以上,不同植被格局坡面减沙效益优于减流效益,3种植被坡面的减流能力为:雨型Ⅰ＞雨型Ⅲ＞雨型Ⅱ.(3)3种植被坡面的径流泥沙模数由小到大依次为:均匀分布＜聚集分布＜随机分布,对比区域多年平均径流泥沙模数,3种植被坡面能够减少侵蚀达21.33％以上.(4)景观形状指数和分离度指数是影响坡面产流产沙的主要格局因子,相关系数分别达0.884和0.825以上.产流、产沙量与坡面植被斑块分离度呈显著正相关,与景观形状指数呈显著负相关.坡面产流量(Y1)与斑块分离度(SPLIT)和景观形状指数(LSI)的关系式为Y1=8.247SPLIT-6.605LSI+38.928,R2=0.905.以上结果表明植被斑块间的分离度越小,形状越复杂,坡面阻力增大,抗侵蚀能力越强.研究成果可为生态恢复过程中植被斑块格局的优化提供理论依据和数据支撑.

在雨洪灾害频发和存量规划的背景下,阐明不同尺度下城市绿地景观格局与雨洪滞蓄效能间的关系与机制,成为实现有限城市绿地的最大雨洪滞蓄效能并提高城市防洪能力的关键科学问题.本文系统归纳了城市和街区尺度下绿地景观格局对雨洪滞蓄效能的影响要素、作用机制和尺度差异.并基于研究结论差异致因和研究不足,指出未来应增加流域尺度研究、拓展三维绿地景观格局的研究,还应分别聚焦城市和城郊区域,针对不同雨洪敏感区和街区结构,建立具有雨洪过程指示意义的研究指数集合,以定量揭示城市和街区尺度的绿地景观格局对雨洪过程作用机理,为城市规划及城市雨洪安全格局构建提供理论指导.

探究空间特征尺度下景观格局与水质的关系,对正确揭示格局如何影响水体污染迁移过程具有重要意义.本研究以福建省闽江流域为例,划分子流域、河岸和圆形缓冲区3种空间尺度,收集流域内26个监测断面的水质数据,基于Landsat-8影像分析景观格局特征.利用半变异函数、冗余分析等手段,识别各空间尺度的特征尺度,探讨在空间特征尺度下景观格局对水质的影响.结果显示:(1)闽江流域水质总体达到Ⅱ类标准,但仍存在超标水质,主要由水产禽畜养殖所致.(2)河岸尺度的特征尺度在1000 m缓冲区,而圆形缓冲区的特征尺度在2000 m.(3)子流域尺度景观格局对水质的总解释最强,达58.4％,其次为河岸(45.2％)、圆形缓冲区尺度(38.4％).(4)林地的聚集程度和城镇最大斑块指数是影响水质的主要景观格局变量.上游汇水单元是未来水资源管理的关键区域,减少污染排放,增大林地优势和聚集程度,打破大面积建成区的连续性,有助于净化水质.

林隙(forestgap,FG)是森林干扰中的一种常见形式.作为森林景观流动镶嵌结构的基础,林隙对森林群落更新和物种共存具有重要作用.本文基于2022年对云南大理鸡足山半湿润常绿阔叶林动态监测样地的植物群落调查结果,统计了所有活立木和粗木质残体(coarse woody debris,CWD)的物种组成和径级结构,分析了样地内所有木本植物胸高断面积和林隙形成木(forest gap maker,FGM)数量的空间格局,并利用广义线性回归模型结合方差分解对林隙形成木定义的林隙干扰强度进行了定量环境解析.结果表明:(1)样地内粗木质残体的数量和胸高断面积之和分别相当于全部活立木的13.6％和15.8％;全部粗木质残体属于57种木本植物,共计12,317株;形成林隙形成木的有12个物种,共计2,280株.(2)活立木和粗木质残体的径级结构均呈倒"J"形,即小径级数量多、大径级数量少,反映了样地群落中的树木死亡主要源自群落演替前期的自疏过程.(3)林隙形成木的数量和平均密度按折干木、枯倒木、枯立木、活倒木依次减少.活立木、粗木质残体和林隙形成木的胸高断面积之和在样地内的分布差异显著:沟谷两侧的山坡较高,底部较低;各类林隙形成木均在浅沟沟谷侧坡数量最多,沟谷最少,除活倒木外其余3类在深沟沟谷及侧坡上均有分布.(4)环境因子对枯立木、枯倒木、折干木、活倒木的数量的解释率依次为16.7％、25.6％、37.2％和76.0％;生物竞争和自疏过程主导了枯立木和枯倒木的形成,对活倒木数量贡献最大的因子是土壤养分,而折干木的形成则由地形因子和生物因子共同驱动.

土地利用冲突是区域土地开发利用过程中存在的客观问题,对区域经济社会发展和生态安全具有重要影响.识别、测度区域土地利用冲突,明晰其时空演化格局,有助于优化区域土地利用结构,促进土地资源的可持续利用.以重庆市为例,基于景观格局构建了土地利用冲突测度模型,从县域、镇域以及格网 3 个尺度全面和系统地分析了 1995-2020 年重庆市土地利用冲突的时空演化特征,并耦合多目标规划(Multi-Objective Programming,MOP)-斑块生成土地利用变化模拟模型(Ptach-generating Land Use Simulation,PLUS)模拟了重庆市 2030 年不同发展情景下土地利用冲突格局.结果表明:(1)1995-2020 年重庆市县域、镇域与格网不同尺度下的土地利用冲突格局具有较大相似性,不同尺度的土地利用重度冲突区主要分布在重庆中心城区及周边地区,区县建成区.土地利用一般冲突区主要分布于渝东南和渝东北地区.研究期内土地利用冲突有所加剧,其中土地利用重度冲突区占比增加了 3.09%.(2)1995-2005 年重庆市土地利用冲突区主体位于乡村地域,但冲突程度较低,随着工业化、城市化进程及人口的集聚,2005 年后土地利用冲突热点区域的城市地域集聚效应显著,城市及周边地区土地利用冲突区面积和土地利用冲突度均显著提升.(3)区域土地利用冲突空间格局不仅受到了人为经济社会活动的驱动影响,在空间格局上受自然生态环境基底影响显著,其中地形地貌的限制加剧了土地利用重度冲突区.(4)不同发展情景模拟中经济优先发展情景下土地利用冲突最为严重,生态优先发展情景下土地利用冲突最小,可持续发展情景兼顾了经济和生态发展的用地需求,土地利用冲突强度处于中间范围,但区域发展总福利最大,是未来区域发展路径最优选择.

探究城市化对绿地空间碳源/汇的空间分布格局的影响,对评估城市生态系统的碳足迹和制定相应的碳收支管理措施具有重要意义.以净生态系统生产力(NEP)做为碳源/汇的反映指标,基于净初级生产力和土壤呼吸估算杭州市主城区绿地碳源/汇的空间分布格局,关注城乡梯度对不同绿地类型碳源/汇水平的作用.基于净初级生产力和土壤呼吸数据综合获得绿地空间NEP,通过土地利用数据和Fragstats软件进行景观格局分析,采用多元线性回归模型和逐步回归模型筛选影响NEP的景观、植被和气象因子,最后利用广义加性模型探讨NEP与各因子之间的关系.此外,分别比较了相同统计过程在不同城乡梯度和不同绿地类型之间的模型差异.结果表明:杭州市绿地空间NEP分布及其影响因子存在显著的城乡梯度与绿地类型差异.2019-2022 年杭州市主城区绿地空间,整体表现为碳源,年均NEP为-0.277 kg C m-2 a-1;其中表现为碳汇的绿地主要分布在杭州市主城区的西部,而碳源绿地主要分布在中部和东部.整体绿地空间的NEP大小与绿地斑块面积、乔木盖度和灌木盖度呈正相关,与灌木物种丰富度和气温呈负相关.NEP随城区、城郊结合部、郊区的城乡梯度逐步增强;城区NEP与乔木盖度呈正相关,与景观多样性和气温呈负相关;城郊结合部NEP与乔木物种丰富度和灌木盖度呈正相关,与绿地斑块密度和气温呈负相关;郊区NEP则与聚集度指数、乔木盖度和灌木盖度呈正相关.公园、农田、自然植被的NEP依次增大并受到不同因素的调控.公园NEP与聚集度指数、乔木盖度和灌木盖度呈正相关,与景观分割指数、灌木物种丰富度和气温呈负相关;农田NEP与聚集度指数和灌木盖度呈正相关,与气温呈负相关;而自然植被NEP则与乔木盖度呈正相关,与景观多样性指数和气温呈负相关.研究进一步揭示了城市化对绿地空间碳源/汇的影响,为城乡碳收支的差异化管理提供了一定的理论和数据支持.

降雨和景观格局是影响流域径流过程的两大主要因素,开展二者的径流效应研究对流域水资源管理、生态建设等具有重要意义.本研究以赣南红壤丘陵区的濂水流域为对象,基于1958-2020 年的降雨、径流和土地利用数据,分析降雨、景观格局和径流的变化特征,以及降雨、景观格局与年径流、洪枯径流的关系.结果表明:研究期间,流域年降雨量、年径流量、年最大1d径流量均呈非显著下降趋势,年最小 1d径流量呈非显著上升趋势且年际变化幅度最大;有林地为流域内占比最高的景观类型,其他林地的变化最剧烈;景观水平上,流域的Shannon 多样性指数、Shannon 均匀度指数、斑块密度、景观形状指数分别由 1980 年的1.125、0.541、0.667、16.925 上升至2020 年的1.348、0.614、0.731、18.172,景观蔓延度指数由1980 年的68.237下降至2020 年的64.293,流域整体景观多样性、破碎化程度、形状复杂程度提高,空间分布趋于均匀,连通性降低.降雨量与年径流、洪水径流、枯水径流的相关系数分别为0.907、0.594、0.558;类型水平上,耕地减少对年径流、洪枯径流的影响均较大,而景观水平上的整体变化促进了年径流和洪水径流减少、枯水径流增加.降雨变化和景观格局演变对年径流、洪水径流和枯水径流变化的贡献率分别为 17.8%、82.2%,1.5%、98.5%和-8.8%、108.8%.研究成果可为流域景观格局配置、水土流失综合治理等提供理论参考.