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Scenario simulation of water retention services under land use/cover and climate changes: a case study of the Loess Plateau, China

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Journal of Arid Land 2022年第4期14卷 390-410页

作者： SUN Dingzhao LIANG Youjia peng shouzhang State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau Institute of Water and Soil ConservationChinese Academy of Sciences and Ministry of Water ResourcesYangling 712100China School of Resources and Environmental Engineering Wuhan University of TechnologyWuhan 430070China Institute of Surveying and Mapping Guizhou Geology and Mineral Exploration BureauGuiyang 550018China

Comprehensive assessments of ecosystem services in environments under the influences of human activities and climate change are critical for sustainable regional ecosystem management. Therefore,integrated interdisciplinary modelling has become a major focus of ecosystem service assessment. In this study, we established a model that integrates land use/cover change(LUCC), climate change, and water retention services to evaluate the spatial and temporal variations of water retention services in the Loess Plateau of China in the historical period(2000–2015) and in the future(2020–2050). An improved Markov-Cellular Automata(Markov-CA) model was used to simulate land use/land cover patterns, and ArcGIS 10.2 software was used to simulate and assess water retention services from 2000 to 2050 under six combined scenarios, including three land use/land cover scenarios(historical scenario(HS), ecological protection scenario(EPS), and urban expansion scenario(UES)) and two climate change scenarios(RCP4.5 and RCP8.5, where RCP is the representative concentration pathway). LUCCs in the historical period(2000–2015) and in the future(2020–2050) are dominated by transformations among agricultural land, urban land and grassland. Urban land under UES increased significantly by 0.63×10^(3) km^(2)/a, which was higher than the increase of urban land under HS and EPS. In the Loess Plateau, water yield decreased by 17.20×10^(6) mm and water retention increased by 0.09×10^(6) mm in the historical period(2000–2015),especially in the Interior drainage zone and its surrounding areas. In the future(2020–2050), the pixel means of water yield is higher under RCP4.5 scenario(96.63 mm) than under RCP8.5 scenario(95.46mm), and the pixel means of water retention is higher under RCP4.5 scenario(1.95 mm) than under RCP8.5 scenario(1.38 mm). RCP4.5-EPS shows the highest total water retention capacity on the plateau scale among the six combined scenarios, with the value of 1.27×10^(6) mm. Ecological res

关键词： water retention water yield land use/cover change climate change representative concentration pathway Markov-Cellular Automata model Loess Plateau

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气候因子对中国黄土高原植被物候的时间效应

Journal of Plant Ecology 2023年第2期16卷 52-71页

作者： Ning Liu Yufeng Shi Yongxia Ding Li Liu shouzhang peng College of Natural Resources and Environment Northwest A&F UniversityYangling 712100China Institute of Soil and Water Conservation Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water ResourcesYangling 712100China Shaanxi Key Laboratory of Disasters Monitoring and Mechanism Simulation College of Geography and EnvironmentBaoji University of Arts and SciencesBaoji 721013China Zhejiang Shuren University Hangzhou 310015China

研究植被生长季的开始(SOS)和结束(EOS)可以改善气候变化下的植被预测。气候因素对植被生长具有时间效应,包括无时间效应(no)、时滞效应(lag)、时间累积效应(acc)以及时滞和累积效应(lagacc)。该研究建立黄土高原(Loess Plateau,LP)SOS/... 详细信息

研究植被生长季的开始(SOS)和结束(EOS)可以改善气候变化下的植被预测。气候因素对植被生长具有时间效应,包括无时间效应(no)、时滞效应(lag)、时间累积效应(acc)以及时滞和累积效应(lagacc)。该研究建立黄土高原(Loess Plateau,LP)SOS/EOS与气候因子的线性回归方程,分析了4种时间效应情景下单个和多个气候因子对植被物候的影响,并研究了lagacc情景下植被物候对气候因子时间滞后和时间累积效应的响应。研究结果表明,在4种时间效应中,lagacc最大程度地解释了气候对植被物候的影响,是在LP上模拟植被物候与气候关系的最佳时间效应。此外,在不同的时间效应和植被类型中,多重气候因子的解释度高于单一气候因子,同时考虑多种气候因素提高了它们对植被物候影响的可预测性。在lagacc条件下,SOS对温度(TMP)和降水(PRE)的响应在整个LP中分别表现为1.44±0.43/3.49±0.85和1.38±0.30/3.38±0.71个月的滞后/累积,EOS对TMP和PRE的响应分别表现为1.35±0.17/2.37±0.34和1.59±0.19/4.16±0.50个月的滞后/累积。这些结果说明,在建立气候因素与植被物候之间的关系时,需要考虑lagacc和多种气候因素。

关键词：气候因子生长季开始生长季结束时间效应植被物候黄土高原

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物种分布模型的发展及评价方法

生态学报 2015年第2期35卷 557-567页

作者：许仲林彭焕华彭守璋新疆大学资源与环境科学学院乌鲁木齐830046 新疆大学智慧城市与环境建模重点实验室乌鲁木齐830046 中国科学院武汉植物园武汉430074 草地农业生态系统国家重点实验室、兰州大学生命科学学院兰州730000

物种分布模型已被广泛地应用于以保护区规划、气候变化对物种分布的影响等为目的的研究。回顾了已经得到广泛应用的多种物种分布模型,总结了评价模型性能的方法。基于物种分布模型的发展和应用以及性能评价中尚存在的问题,本文认为:在... 详细信息

物种分布模型已被广泛地应用于以保护区规划、气候变化对物种分布的影响等为目的的研究。回顾了已经得到广泛应用的多种物种分布模型,总结了评价模型性能的方法。基于物种分布模型的发展和应用以及性能评价中尚存在的问题,本文认为:在物种分布模型中集成样本选择模块能够避免模型预测过程中的过度拟合及欠拟合,增加变量选择模块可评估和降低变量之间自相关性的影响,增加生物因子以及将物种对环境的适应性机制(及扩散行为特征)和潜在分布模型进行结合,是提高模型预测性能的可行方案;在模型性能的评价方面,采用赤池信息量可对模型的预测性能进行客观评价。相关建议可为物种分布建模提供参考。

关键词：物种分布模型性能评价阈值相关阈值无关

黄土高原潜在自然植被空间格局及其生境适宜性

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水土保持学报 2021年第5期35卷 188-193,203页

作者：韩庆功彭守璋西北农林科技大学资源环境学院陕西杨凌712100 西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室陕西杨凌712100

植被生态系统的恢复越来越多地受到全球各界关注,潜在自然植被(potential natural vegetation, PNV)和生境适宜性概念应纳入植被规划,作为植被恢复的参考依据。基于高空间分辨率气候数据,使用动态植被模型(LPJ-GUESS),揭示黄土高原2001... 详细信息

植被生态系统的恢复越来越多地受到全球各界关注,潜在自然植被(potential natural vegetation, PNV)和生境适宜性概念应纳入植被规划,作为植被恢复的参考依据。基于高空间分辨率气候数据,使用动态植被模型(LPJ-GUESS),揭示黄土高原2001—2020年PNV空间格局及其生境适宜性的动态演变,并界定了植被优先恢复区。结果表明:黄土高原的PNV以草地和森林为主,潜在草地主要集中在北部、西北部地区(约占73.23%),潜在森林主要分布在南部地区(约占26.16%),极少的裸地主要分布在西部高海拔山区;在潜在森林中,温带落叶阔叶林、寒温性常绿针叶林、温带常绿针叶林占比分别为22.28%,3.88%,0.01%;随着气候变化的推进,潜在森林面积有所下降,而潜在草地面积有些许增加。PNV的生境适宜性呈现西北低、南部及东南高的分布,其中,分布在黄土高原南部平原地带的潜在温带落叶阔叶林其生境适宜性较高,而分布在北部及东北部的潜在草地其生境适宜性较低;并且,对于每种PNV类型,其最高生境适宜性所占据的地理空间及优先恢复区有较大差异。研究结果可为黄土高原植被恢复重建提供科学依据。

关键词：植被恢复潜在自然植被生境适宜性 LPJ-GUESS模型黄土高原

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中国家庭能源消费变化趋势分析

生态经济 2020年第8期36卷 74-78页

作者：丁永霞彭守璋陕西师范大学地理科学与旅游学院陕西西安710119 西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室陕西杨凌712100

研究家庭能源消费可为能源规划政策的制定提供科学依据。以中国家庭能源消费为研究对象,在全国和省域尺度上,分析了其在时间序列上的变化趋势及其空间差异。结果显示:(1)1997-2016年,中国城乡家庭能源消费在总量上的差距逐渐扩大,在人... 详细信息

研究家庭能源消费可为能源规划政策的制定提供科学依据。以中国家庭能源消费为研究对象,在全国和省域尺度上,分析了其在时间序列上的变化趋势及其空间差异。结果显示:(1)1997-2016年,中国城乡家庭能源消费在总量上的差距逐渐扩大,在人均量上逐渐缩小,说明城市化过程中家庭部门的能源消费不断向城市地区转移,同时农村家庭的能源消费水平也在不断提高;(2)电力消费在各地区均呈显著上升趋势,石油、天然气和热力基本呈上升趋势,煤炭在各地区有增有减,说明家庭能源结构呈现出电力等现代能源对煤炭的替代及煤炭的清洁化利用趋势;(3)不同能源消费类型的变化速率有很强的空间异质性,反映了家庭能源消费结构在各地区处于不同的发展阶段。

关键词：家庭能源消费变化趋势空间异质性能源转换

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宁南山区生态环境与社会经济的耦合协调发展

水土保持通报 2021年第5期41卷 319-326,372页

作者：郝梦露彭守璋中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室陕西杨凌712100 中国科学院大学研究生院北京100049

[目的]研究宁南山区生态环境与经济系统的协调发展状况,为该区可持续发展提供科学依据。[方法]以宁南山区为研究区,基于该区9个县的各项生态与经济基本指标,构建自然生态系统与社会经济系统指标体系,使用熵值法确定各指标权重,计算自然... 详细信息

[目的]研究宁南山区生态环境与经济系统的协调发展状况,为该区可持续发展提供科学依据。[方法]以宁南山区为研究区,基于该区9个县的各项生态与经济基本指标,构建自然生态系统与社会经济系统指标体系,使用熵值法确定各指标权重,计算自然生态系统和社会经济系统综合指数。在此基础上,利用耦合度模型和耦合协调度模型分析社会经济系统与生态环境系统的耦合协调状态以及演变趋势。[结果](1)在2000—2017年,宁南山区各县社会经济发展水平逐步上升,自然生态系统综合指数整体呈波动下降趋势。(2)宁南山区各县耦合度呈现先上升后稍有下降的趋势,但整体范围保持在[0.89,1],处于较高水平。(3)宁南山区耦合协调度类型属于协调发展类。2015—2017年盐池县的协调度有所下降,同心县的协调度上升程度较低,其余县均保持上升趋势。[结论]近些年,随着经济水平的提高,宁南山区生态环境承载力逐渐不能适配其快速发展的社会经济,生态与经济之间的矛盾逐渐显露。耦合协调度模型较好地反映了宁南山区生态环境与社会经济之间交互胁迫的发展过程,为正确认识宁南山区生态与经济系统耦合发展规律提供了依据。

关键词：生态环境社会经济耦合协调度模型协调发展宁南山区

基于遥感图像处理技术胡杨叶气孔密度的估算及其生态意义

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生态学报 2011年第17期31卷 4818-4825页

作者：荐圣淇赵传燕赵阳彭守璋彭焕华兰州大学干旱与草地生态教育部重点实验室兰州730000 兰州大学西部环境教育部重点实验室兰州730000

拟利用遥感图像处理技术——面向对象分类,计算胡杨叶片气孔密度,采用面向对象分类的专业软件eCognition对气孔图像进行多尺度分割,将生成的分类图像导入ArcGIS中计算气孔密度,最后用R语言编写代码进行批处理。研究结果显示:该方法用于... 详细信息

拟利用遥感图像处理技术——面向对象分类,计算胡杨叶片气孔密度,采用面向对象分类的专业软件eCognition对气孔图像进行多尺度分割,将生成的分类图像导入ArcGIS中计算气孔密度,最后用R语言编写代码进行批处理。研究结果显示:该方法用于计算叶片气孔的密度精度高;18个样点胡杨气孔密度存在着较大的差异,从76.7个/mm2到139.4个/mm2不等,其平均密度为105个/mm2;随着干旱胁迫加强,气孔密度表现下降上升再下降的趋势。

关键词：胡杨气孔密度面向对象分类干旱胁迫

2001-2100年中国温度变化趋势及时空差异研究

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西南大学学报（自然科学版） 2022年第12期44卷 112-124页

作者：张计深陈笑蝶彭守璋西北农林科技大学资源环境学院陕西杨凌712100 西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室陕西杨凌712100

在气候变暖的大环境下,研究未来时期温度变化可为区域应对气候变暖带来的不利影响提供依据.基于长时间序列1 km温度数据集,采用突变与趋势分析方法,揭示了2001-2020年与2021-2100年中国地区年均温时空格局、突变年份以及变化趋势特征.... 详细信息

在气候变暖的大环境下,研究未来时期温度变化可为区域应对气候变暖带来的不利影响提供依据.基于长时间序列1 km温度数据集,采用突变与趋势分析方法,揭示了2001-2020年与2021-2100年中国地区年均温时空格局、突变年份以及变化趋势特征.结果表明:①相比2001-2020年,2021-2100年中国年均温呈现上升趋势,中国东北部、中部以及西北部年均温增幅比其他区域更为明显,且共享社会经济路径中等强迫情景(SSP245)和高强迫情景(SSP585)下年均温增幅均随时间推移而升高,而在共享社会经济路径低强迫情景(SSP119)下年均温表现出先升高后降低的趋势.②2001-2020年,年均温在2010年左右发生显著突变,集中在中国东北部、西南部和东南部,面积占比为48.6%;2021-2100年,SSP119情景下年均温在2040年左右发生显著突变,分布在除中国南部部分地区外的区域,面积占比为85.9%,而在SSP245和SSP585情景下,年均温在中国大部分地区分别在2050年和2075年前后发生显著突变.③2001-2020年,年均温以0.02~0.50℃/10 a的速率呈显著上升趋势,面积占比为6.5%;在年均温突变之前与之后时期,其以0.41~1.71℃/10 a与0.03~1.81℃/10 a的速率显著上升,面积占比分别为9.7%和15.4%.2021-2100年,SSP119情景下年均温以0.02~0.08℃/10 a的速率显著上升,面积占比为21.3%,其余两种SSP情景下年均温在整个中国分别以0.17~0.38,0.39~0.86℃/10 a的速率显著上升;在年均温突变之前与之后时期,SSP119情景下分别以0.03~1.74,0.02~0.62℃/10 a的速率显著上升与下降,面积占比分别为70.9%和62.2%;而在SSP245和SSP585情景下年均温突变前后时期,中国大部分地区年均温均呈显著上升趋势.

关键词：温度突变分析趋势分析共享社会经济路径情景中国

黄土丘陵沟壑区森林生态系统生态化学计量特征

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生态学报 2017年第16期37卷 5451-5460页

作者：赵一娉曹扬陈云明彭守璋西北农林科技大学林学院杨凌712100 西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室杨凌712100 中国科学院水利部水土保持研究所杨凌712100

为了阐明黄土丘陵沟壑区森林生态系统植物与土壤之间的养分循环关系,明确叶片与乔木层整体生态化学计量特征差异性,采用野外调查与室内分析相结合的方法对研究区内主要森林生态系统不同乔木器官和土壤C、N、P含量进行了测定,分析了叶片... 详细信息

为了阐明黄土丘陵沟壑区森林生态系统植物与土壤之间的养分循环关系,明确叶片与乔木层整体生态化学计量特征差异性,采用野外调查与室内分析相结合的方法对研究区内主要森林生态系统不同乔木器官和土壤C、N、P含量进行了测定,分析了叶片、乔木层和土壤化学计量特征及之间的关系。结果表明:研究区内森林生态系统乔木层平均C、N、P含量均显著低于叶片水平,表层土壤(0—10 cm)C、N含量以及C∶P、N∶P值均显著高于土壤(0—100 cm)平均值;叶片与乔木层及二者与土壤间的生态化学计量特征关系不同;乔木层平均C含量与降水呈显著正相关,乔木层平均P含量仅与海拔呈显著正相关,影响本地区植物生长状态的主要因素是降水。土壤平均C、N含量仅受土壤容重的影响,土壤平均P含量主要受土壤容重、温度和降水的影响。研究结果可以为黄土丘陵沟壑区人工林的建设和管理提供理论依据。

关键词：人工林自然林乔木层土壤化学计量