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.

人类活动强度(Human Activity Intensity,HAI)是表征人类活动对自然环境作用程度的客观指标,植被作为生态环境变化的综合指示器,对人类活动变化十分敏感,深入探究HAI与NDVI(Normalized Difference Vegetation Index,归一化植被指数)时空分异及其关联性,对维稳自然环境、合理控制人类活动以及协调人地关系具有重要意义.以黄土高原为研究区域,使用夜间灯光、人口密度及土地利用数据表征人类活动强度,分析2000-2020年HAI与NDVI的时空分及其关联性.结果显示:(1)2000-2020年黄土高原HAI整体变化较缓(年均速为1.39％),空间呈现"七点一圈一带"的分布格局,呼包鄂榆及晋中城市群HAI强度变化较频繁,高强度区向西北方向呈集中分布态势.(2)2000-2013年NDVI增速较快(2.11％/a),2014-2020年增速放缓至0.82％,整体呈现东南高西北低分布,高植被覆盖区域向西北移动且多方向扩张.(3)HAI与NDVI相关性空间分异明显,且在关中、呼包鄂及晋中城市群呈空间聚集分布.人类活动对植被覆盖的作用具有双向性,高强度人类活动致使植被覆盖锐减,退耕还林等工程有效抑制植被退化,生态环境有所改善.研究结果可为精细量化人类活动强度、黄土高原未来国土空间规划及生态环境修复与维稳提供一定理论依据与参考.

生态系统水分利用效率(WUE)是表征碳水耦合过程的关键指标,然而,有关气候变化和退耕还林还草工程背景下黄土高原WUE的时空变化特征及其主导因子仍未明晰.研究利用遥感驱动的生态系统过程模型BEPS模拟2001-2020年黄土高原总初级生产力(GPP)和蒸散(ET),并结合基于敏感性试验的多控制因子联立求解方法定量分析气候和植被因子对黄土高原WUE变化(WUE=GPP/ET)的贡献.结果表明:(1)2001-2020年黄土高原GPP和ET分别以12.9 gC m-2 a-1和3.7 mm/a速率显著升高,并使得WUE增长显著(0.021 gC mm-1 m-2 a-1).(2)2001-2020年间黄土高原80.12％的区域叶面积指数(LAI)显著升高(全区增速为0.014 m2 m-2 a-1)而气候因子变化均不显著.(3)植被因子和气候因子对WUE变化分别呈正贡献和负贡献,植被因子作为主要影响因子主导了黄土高原86.74％地区的WUE变化.研究结果有望为干旱区生态水文管理和相关政策制定提供一定科学参考.

集中连片特困地区作为我国生态环境脆弱区是退耕还林还草的主战场,其退耕成效直接反映了退耕还林还草工程的整体实施效果,为新征程中巩固和拓展退耕还林还草成果提供经验镜鉴.以《中国农村扶贫开发纲要(2011-2020 年)》文件明确的14 个集中连片特困地区作为研究区域,基于 2000-2020 年生态系统年总初级生产力(AGPP)数据集和归一化植被指数(NDVI)数据集,对比分析集中连片特困区的退耕区和未退耕区AGPP和NDVI的年际变化差异,以此来评估集中连片特困地区实施退耕还林还草工程的生态效应.研究发现:(1)2000-2020 年,集中连片特困区退耕还林还草面积为 178554km2,占2000 年耕地总面积的 44.71%;(2)研究期内,退耕区与未退耕区AGPP 和NDVI整体表现出增长趋势,其中退耕区AGPP 和NDVI呈现极显著和显著上升趋势的面积分别占总面积的 69.07%和 86.51%,未退耕区的占比分别为 65.88%和 72.61%,且退耕区AGPP和NDVI的年均值和相对变化率均高于未退耕区;(3)2000-2020 年整个区域、退耕区以及未退耕区AGPP 和NDVI年际变化趋势大体一致,均表现出线性递增态势,且退耕区AGPP和NDVI的增长始终高于整个集中连片特困区和未退耕区.因此,研究通过探讨原集中连片特困区退耕还林还草对AGPP和NDVI的影响,为进一步调整和优化退耕还林还草政策提供了参考依据.

理解植被对气候变化的响应对于预测未来生态系统过程和制定应对策略至关重要.本研究采用地理探测器和地理加权回归等方法,探讨了 2002-2019年黄土高原不同植被类型主要生长期(4-10月)归一化植被指数(NDVI)变化的空间格局及其与气象因子的关系.结果表明:受退耕还林还草生态工程影响,黄土高原植被得到显著改善,其中草原和荒漠植被由于生境容易受到外界环境影响,NDVI呈不稳定状态,且在夏季最不稳定;日照时数的增加间接导致降水减少,产生较强的光抑制效应,造成日照时数变异系数对黄土高原生长期植被NDVI空间变化的解释力最大(0.124),黄土高原西北干旱区的荒漠受海拔影响,气压低,水汽蒸发量大,抑制植物叶片进行光合作用,与生长期植被变化呈正相关;荒漠区夏季降水量突增,植被对气温变化的响应减缓,出现NDVI变化对气温变化响应的滞后性;在8-10月,阔叶林高的植被覆盖度对水分胁迫的敏感性降低,产生对降水因子的滞后响应.

黄土高原植被对于黄河中下游泥沙量减少以及区域生态安全维持发挥着重要作用.气候变化和人类活动是驱动黄土高原植被覆盖度变化的两大因素,然而先前研究多基于统计方法建立植被覆盖度与气候变化的线性关系,忽略了植被覆盖度与气候变化之间复杂的非线性关系,限制了对黄土高原植被变化驱动机制的理解.基于1982-2015年黄土高原植被覆盖度(GIMMS NDVI)数据,以1999年退耕还林工程开始实施为界限,采用随机森林和残差阈值法等手段量化并分析了 1982-2015年植被变化特征及气候变化和人类活动对植被变化的影响.结果表明:(1)1982-2015年黄土高原植被覆盖度整体上呈现增长趋势,1999年之后植被覆盖度增加的面积大于1999年之前,1999年以前显著增长的区域只占总面积的54.68％,1999年以后显著增长的区域面积占比增长至85.11％;(2)在考虑时滞效应的基础上,1982-1998年黄土高原超过80％的区域的逐月温度、降水、日照时数与植被覆盖度存在显著的正相关关系,表明1999年以前植被覆盖度变化主要与气候变化有关.随机森林算法能较好地模拟植被覆盖度与气候因子之间的关系,99.71％的区域拟合的决定系数R2达到0.5以上;(3)2000-2015年,气候因素和人类活动对植被覆盖度的影响具有空间异质性.人类活动对植被覆盖度产生积极影响的面积增加了 55.94％,气候消极影响的面积减少了 42.58％,气候积极影响的面积减少了 12.86％.研究提出的量化气候变化与人类活动对植被覆盖度影响的方法能够更好的区分黄土高原植被覆盖度变化的驱动因素,为黄土高原生态建设以及黄河流域的生态安全和高质量发展提供数据支撑.

宁夏南部山区是黄土高原的典型代表区域,其生态环境极其脆弱.退耕还林还草工程营造的大面积纯林出现可利用养分不足、生物多样性下降等问题,而营造混交林被认为是提高人工林生态效益的有效途径.本研究以宁南山区刺槐+云杉混交林、刺槐+山杏混交林、刺槐纯林、山杏纯林为对象,基于植物生态化学计量学理论与方法,通过测定植物叶片、凋落物和细根的C、N、P含量,揭示不同人工林的养分循环特征.结果表明:4种林型中各树种的叶片生态化学计量特征具有显著差异,刺槐+云杉混交林中云杉叶片C含量最高,刺槐+山杏混交林中刺槐叶片N、P含量最高,混交林中刺槐和山杏叶片N含量显著高于各自纯林.刺槐纯林与其混交林之间的凋落物量以及凋落物C、N、P含量及化学计量比均无显著差异;山杏纯林凋落物量显著高于混交林,而凋落物C含量显著低于混交林.4种林型的细根生物量均随土层深度增加而下降,其中,刺槐+山杏混交林的总细根生物量最高,刺槐+山杏混交林的细根N含量和N∶P值高于刺槐纯林和山杏纯林.刺槐+山杏混交林叶片与细根间N含量呈显著负相关;刺槐+云杉混交林叶片与凋落物间N含量呈显著负相关,叶片与细根间P含量呈显著正相关;山杏纯林凋落物与细根间P含量呈显著负相关.宁南山区混交林养分模式优于纯林,刺槐+山杏的混交造林模式最佳,混交造林在一定程度上降低了元素对植物生长的限制作用.

目的:宁夏枸杞(Lycium barbarum)主要分布在我国北方半干旱地带,有很强的抗旱抗寒能力,是我国北方地区退耕还林、生态修复等工程的重要造林树种,也是我国西北重要的经济林树种.探讨限制宁夏枸杞分布的主导气候因子,模拟其潜在适宜分布区,可为宁夏枸杞在重点林业生态工程和特色经济林建设中合理布局和推广栽培提供理论依据.方法:主要基于188个宁夏枸杞自然分布样点,利用生态位理论与MaxEnt模型,探究在主要气候因子影响下的潜在适宜分布区.结果:影响宁夏枸杞自然分布的主要气候因子为最冷季度降水量和平均温、年平均气温、最干季平均温和降水量、最冷月份最低温.基于以上气候条件特征,模拟得到宁夏枸杞的适宜种植区总面积为6.63×106 km2,高适生区面积为1.69×106 km2,中适生区面积为2.09×106 km2,低适生区面积为2.85×106 km2.结论:高适生区主要分布在辽宁西部,内蒙古东南、中部和西部,河北东、中和西部,北京大部,天津北部,山西大部,陕西中部和北部,宁夏全境,甘肃东部、中部、南部及河西走廊地区,新疆北部和西部.结合生产实际情况,建议在潜在分布高适生区作为生态林树种推广使用,在有配套灌溉设施的降水量为64.5～213.0 mm的潜在分布中适生区可作为经济林树种推广使用.

黄土高原退耕还林(草)工程实施20年来,长期苹果种植导致了普遍的土壤干层和大量的硝态氮累积,严重制约了农业和区域经济可持续发展.因此,明确不同树龄苹果园改种粮食作物后对深层土壤干层恢复(土壤水分变化)、土壤硝态氮累积与运移的影响,对于黄土高原土壤质量改善和农业可持续发展具有重要意义.以渭北旱塬为研究区,选取10、15、20、30a树龄的苹果园以及对应树龄苹果园改种为2、5a和6a粮食作物为研究对象,通过对比分析各样地0—10m剖面的土壤含水量、土壤储水量和硝态氮含量的差异,基于空间换时间的方法定量评估苹果园改种为粮食作物后对于深层土壤水氮的影响.结果表明:(1)不同林龄苹果园改种粮食作物后土壤水分迅速恢复,在2年之内均可恢复到7.0m左右深度.(2)改种后土壤储水量对于改种后土壤硝态氮累积量的直接影响最显著,不同林龄苹果园改种粮食作物后,土壤剖面中硝态氮随着土壤水分的恢复发生了不同程度的淋失.改种前苹果园种植年限对于改种后土壤硝态氮累积量起决定性作用,改种前林龄越长,改种后硝态氮累积量越大、淋失深度越浅.(3)土壤累积硝态氮的淋失滞后于土壤水分的向下运动.可见,不同林龄苹果园改种粮食作物后土壤水分均迅速恢复,加速了硝态氮的淋失,然而土壤水分与硝态氮的向下运动并不一致.在进行改种时需要综合考虑土壤水分恢复的同时硝态氮迅速淋失造成土壤质量下降的问题.研究对合理优化土地利用结构以及改善土壤质量等具有深远的意义.

生态系统健康是生态环境治理的目标,探究国家级生态修复项目退耕还林(草)工程对中国北方农牧交错带生态系统健康的影响,确定合理的生态环境恢复和资源管理策略,有助于加快生态环境建设、促进区域可持续发展.基于"压力-状态-响应"(PSR)模型,构建起一套包括自然、社会和经济等方面的综合指标体系,评估了 2000年、2005年、2010年和2015年中国北方农牧交错带的生态系统健康水平,利用Moran's Ⅰ分析退耕还林(草)工程和区域生态系统健康的空间相关性,并从普通最小二乘法、地理加权回归模型、时间加权回归模型和时空地理加权回归模型中,选择最优回归模型,揭示退耕还林还草实施强度变化(ΔNDVI)对生态系统健康变化(ΔEHI)的影响机制.结果表明:(1)2000-2015年,中国北方农牧交错带的生态系统健康指数呈现"先下降后上升"的变化趋势,区域整体处于亚健康状态和一般健康状态,健康状况逐渐转好.(2)全局双变量Moran's Ⅰ结果显示,在2000-2010年工程的开始和发展阶段,退耕还林(草)工程对生态系统健康呈现正相关影响关系,而2010-2015年间,两者之间变为负相关关系.(3)多种回归模型相比较,GTWR模型表现最优.在2000-2010年间,退耕还林(草)工程对研究区域东北部生态系统健康变化具有显著正向影响,在2010-2015年间,该区域由正向驱动变为负向驱动;中部地区则一直保持正向驱动;西南部地区则呈现"负向驱动—正向驱动—负向驱动"的波动变化情况.