实时评估干旱半干旱区的生态环境质量,对我国干旱半干旱区生态环境可持续发展具有至关重要的意义.本研究以阴山北麓典型地区内蒙古武川县为研究区,利用谷歌地球引擎,耦合绿度、湿度、干度、表土粒度、热度5个指标,构建表土遥感生态指数(TRSEI),对武川县1990-2020年生态环境质量进行评价,并采用一元线性回归、多元回归残差分析以及Hurst指数等方法揭示生态环境质量的时空演变及其驱动因素.结果表明:研究区TRSEI的第1主成分贡献度超过70％,特征值均值达0.148,表明TRSEI能有效集成各生态指标信息,引入的表土粒度指标对干旱半干旱区生态环境质量评价有重要意义.1990-2020年,研究区TRSEI波动范围在0.289～0.458,整体呈轻微恶化趋势;耕地及退耕区生态环境质量有所改善,改善区域面积占总面积的47.9％,而草地、裸地、城建区恶化,恶化区域面积占总面积的52.1％.未来,36.9％区域的生态环境质量将持续改善,而41.4％区域可能持续恶化.人类活动是研究区生态环境质量变化的主要驱动因素,面积占比88.6％;气候变化同样有显著影响,面积占比11.4％.TRSEI能够有效评估干旱半干旱区生态环境质量,可为干旱半干旱区生态保护建设提供科学依据.

厘清植被变化及驱动因素,可为生态修复和社会可持续发展提供参考.本研究基于Google Earth Engine平台获取2000-2020年河南省植被覆盖数据,并结合Theil-Sen Median趋势、Mann-Kendall检验和Hurst指数,揭示河南省及其流域分区(海河流域分区、黄河流域分区、淮河流域分区、长江流域分区)植被分布和变化趋势,并联合因子探测及因子交互,从不同尺度探究了自然和人文因素对植被的影响机制.结果表明:研究期间,河南省植被覆盖度(FVC)呈南高北低的分布格局,以中高植被覆盖为主,其中,长江流域分区最好.河南省及各分区FVC变化规律一致,呈波动上升趋势,均以明显改善为主,其中,长江流域分区的改善面积最大.基于Hurst指数,河南省未来植被状况除了淮河流域分区可能持续改善外,其他分区均表现为从改善转向退化.河南省及各分区植被变化是人文因子与自然因子综合作用的结果,因子影响力随时间而改变,主导因子存在地域差异,土地利用/覆盖类型和夜间灯光等人文因素的影响强于海拔、坡度、年均低温等自然因素.因素间的交互作用,尤其是人文与自然因素的交互作用,呈非线性增强关系.

理解城市鸟类多样性与景观特征的关系对城市生物多样性保护和可持续发展具有重要意义.通过爬取中国观鸟记录中心网站2020年福州主城区436份观鸟报告数据计算鸟类丰富度指数(S)、Shannon-Wiener多样性指数(H)和Simpson多样性指数(D);基于谷歌地球引擎和高分辨率Worldview影像量化景观特征因子;在此基础上,采用Mann-Whitney U检验了两个网格尺度(300 m和1000 m)下S、H和D指数的差异性;运用广义线性模型探究了两个尺度下影响鸟类多样性指数的关键景观因子及其重要性.结果表明:(1)2020年研究区内共观测到242种鸟类,隶属19目59科,雀形目鸟类为优势种;数量占比从高到低依次为留鸟、冬候鸟、旅鸟和夏候鸟,分别为63.53％、25.83％、6.71％和3.93％;(2)两个尺度下鸟类多样性指数差异明显,1000 m尺度下S和H指数均显著高于300 m尺度(0.05＜P＜0.1);(3)两个尺度中仅在1000 m尺度上检测到显著影响鸟类多样性的景观因子的作用(P＜0.05).城市道路面积占比RD(负效应)、建筑高度HT(负效应)、城市绿地总面积占比GA(正效应)和建筑体积BV(正效应)等二维和三维结构特征共同影响鸟类多样性;其中GA是唯一对3个多样性指数均起促进作用的因子.(4)城市鸟类多样性与景观特征关系分析具有尺度依赖性,1000 m网格尺度适合开展此类研究.保留城市较大绿地空间且更加紧凑的城市结构的生态功能值得关注.

以典型的高原河谷城市——西宁市为例,定量分析了2000-2015年研究区景观格局及植被覆盖度的时空演变,揭示了高原河谷地区的城镇建设对植被覆盖度的干扰过程及生态环境质量的影响.结果 表明:(1)2000-2015年间,西宁市城镇面积增幅为25.99％,总体城镇化率为4.76％,各区县城镇化水平差异较大;(2)西宁市平均植被覆盖度呈增加趋势但不显著(P＜0.57).植被覆盖度以中高和高植被覆盖度为主,空间上呈现“东西低—南北高”的分布特征,退耕(牧)还林(草)区的植被覆盖度显著增加(P＜0.01),说明生态恢复工程效果显著;(3)区县尺度上,城镇化速率与中高覆盖植被面积变化呈显著负相关(P＜0.01),区县内生态质量有所下降,城镇发展程度和区位条件的差异是影响中高覆盖度植被变化的主要因素;(4)格网尺度上,建成区及其周边区域的低覆盖植被面积呈显著增加趋势(P＜0.01),表明城镇内部区域生态质量有所改善.研究结果对保护和提高西宁市生态环境质量及合理推进城镇建设等方面具有重要意义.

跟踪森林自然保护区的森林变化及其时空特征,可为保护区生态保护评价提供科学依据.使用LandTrendr算法和谷歌地球引擎(GEE)的Landsat卫星时间序列数据,描述了柴松和太白山保护区的长期(1984-2018年)森林变化模式.对森林变化像元和稳定像元的总体识别精度达到93％,对扰动年探测的总体精度为89％.在柴松保护区,扰动年发生在2008年左右,大部分扰动由人类活动引起.在太白山保护区,扰动年主要发生在2013年,由自然因素造成.柴松和太白山保护区的森林扰动面积分别为42.74 hm2和23.68 hm2.柴松保护区的扰动斑块数多于太白山,表明柴松保护区自2004年建立后干扰频繁.本研究可以帮助研究人员和决策者了解这两个保护区的森林状况,可为森林生态系统的自然保护区保护评估提供基线信息.

城市绿色基础设施(UGI)作为城市的重要生态屏障,是解决城市环境问题的重要途径.研究快速城市化背景下UGI的时空分布格局及形态演变,对优化城市绿色空间网络与布局、改善城市人居环境和提升城市可持续发展能力具有重要意义.利用谷歌地球引擎(GEE)平台计算了2000-2019年共约4800景Landsat影像的植被指数和水体指数,采用指数阈值分割方法,解译得到了辽宁中部城市群20年的UGI.在此基础上,运用景观格局指数和形态学空间格局分析方法(MSPA),分析了20年(2000-2019年)连续时间尺度上辽宁中部城市群UGI景观格局的演变趋势.结果 表明,20年间,辽宁中部城市群UGI面积呈波动上升趋势,由2000年的170.28 km2增长到2019年275.68 km2,增幅达62％,但由于持续的城市扩张,其占城市建成区面积的比例不断下降,由2000年的25.73％下降到2019年的19.72％,表明城市绿地空间建设滞后于城市空间扩张.研究期内,城市群UGI景观破碎化程度加剧,优势景观斑块的主导性减弱,景观形态趋于不规整且复杂化,且在空间布局上更加分散,景观斑块之间的结合度变差.此外,UGI核心区随城市扩张被逐渐蚕食,并转化为边缘区、桥接区、分支和环岛区等其他类型的UGI或非UGI景观,其占UGI总面积的比例从2000年的46.2％下降到2019年的37.26％;城市边缘区UGI变化最为剧烈,更易受到城市扩张的影响.研究可为快速城市化区域UGI空间网络布局与优化和基于UGI的城市生态安全格局构建提供技术支撑和决策依据.

城市森林对城市的生态系统起着至关重要的作用,对城市森林生态效益评估有利于市民更直观的认识到城市森林的重要性,为城市生态保护与利用的制定提供参考.选择兰州市南北两山作为研究区,基于谷歌地球引擎云平台获取1994、2006和2017年的土地利用数据.引入资源稀缺性系数、支付意愿性系数和空间异质性系数,采用当量因子法评估生态系统服务价值(ESV),并以格网为研究单元对空间分布格局进行分析.研究结果表明,1994、2006和2017年南北两山的生态系统服务价值分别为2.80、3.33和3.36亿元.就生态系统而言,草地贡献率最高,达到65％左右,建设用地贡献率为负值.就生态系统服务类别而言,调节服务贡献率最高,达到71％左右.生态系统服务价值的空间格局存在明显的南山高北山低的空间分异特征.从损益矩阵看,生态用地ESV的流入是总的ESV增加的主要原因,水域ESV流出和建设用地ESV的流入减缓了总的ESV的增长速度.

水位变化是影响水生植被生长的主控环境因子,研究其对不同水文管控模式子湖的水生植被覆盖度的影响具有重要的现实意义.本研究基于谷歌地球引擎(GEE)遥感云计算平台,以鄱阳湖自由连通子湖蚌湖、局部控制子湖大湖池为研究对象,采用像元二分法估算2000-2019年间水生植被生长期的植被覆盖度并分析其时空分异特征,运用Sen+M-K相结合的方法对其变化趋势进行模拟分析,构建水位波动参数集,分析研究期间水位变化特征,探讨不同水文连通性子湖各水文参数与水生植被覆盖面积的关系.结果 表明:蚌湖的水生植被覆盖度更易受水位变化的影响,大湖池更稳定.在植被覆盖度较低的年份,水生植被呈斑状零星分布,较高的年份则呈环带状分布,且植被覆盖度由湖心至湖岸逐渐升高.蚌湖的水生植被覆盖度更易受水位波动率的影响,而大湖池的水生植被覆盖度更易受17 m特征水位水淹时长的影响.19 m特征水位水淹时长与蚌湖和大湖池的水生植被覆盖度均有很强的负相关性.蚌湖的水生植被变化趋势以稳定不变或轻微改善为主,而大湖池的水生植被变化趋势以稳定不变或显著退化为主.本研究有助于进一步了解不同水文连通性湖泊的水文生态系统动力学的变化及其对生态系统结构和功能的影响,可为湖泊的管理和保护提供参考.

陆地生态系统碳、水通量估算是地球系统科学研究的基础和重要内容之一.当前部分碳、水通量模型在外推的过程中受到参数化结构和特征参数的限制,难以提升应用范围和结果精度.以生态水文最优性原理为理论工具,将基于该原理构建的C3植物普适性生产力模型P model推广至C4植物;在此基础上结合植物气孔行为的环境响应规律和水碳耦合原理,发展具有普适性的碳水通量耦合估算方法,协同计算我国总初级生产力(GPP,Gross Primary Production)和蒸散(ET,Evapotranspiration).基于ChinaFLUX数据集的站点尺度验证结果表明,基于P model发展的的GPP和ET普适性估算方法精度表现良好:GPP估算结果与地面观测相比,相关系数R2=0.61,均方根误差RMSE=2.1gC/d,拟合斜率0.96;ET估算结果相关系数R2=0.66,RMSE=0.85mm/d,拟合斜率1.04.基于Google Earth Engine云平台实现了全国尺度GPP和ET计算,模拟结果与遥感太阳诱导叶绿素荧光观测、同类ET产品相比具有合理的空间分布,表明基于最优性原理构建的普适性碳水通量耦合估算模型在空间拓展的过程中稳定可靠.此外,与传统参数化导度模型的环境敏感性对比分析表明,采用的普适性通量计算方案能够在无法获取准确土地覆被信息或模型训练样本不足的情况下取得稳定的计算结果,具有良好的应用和发展前景.

水淹状况是湿地植被动态的重要影响因素.该研究基于谷歌地球引擎(GEE)平台,利用2000-03-01至2020-02-29所有覆盖研究区域的MODIS遥感影像数据,分析20年间水淹频率(IF)、增强型植被指数(EVI)的时空变化以及湿地植被对IF变化的响应,得出以下结论:(1)20年来鄱阳湖水文节律发生了明显改变,高IF(IF＞75％)水域面积呈现下降趋势,从2000年1 435.3 km2下降至2019年的510.25 km2,降幅为64.45％;(2)区域平均EVI呈显著上升趋势,植被扩张主要集中在中部IF下降区域;(3)分析不同总水淹频率区域中平均EVI年际变化,发现EVI与水淹状况的变化趋势相似,2009年之后鄱阳湖水域面积萎缩趋势缓解,EVI增长速度出现下降;(4)鄱阳湖湿地植被主要沿水域面积萎缩方向扩张,基于像元统计20年间IF与EVI的变化趋势,发现它们在空间分布上高度吻合,这种空间异质性进一步证实水淹状况起到调节植被动态变化的作用.