2010年來(lái)黃土高原景觀生態(tài)研究進(jìn)展

馮 舒,趙文武,陳利頂,*,呂 楠

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部資源學(xué)院,北京 100875

?

2010年來(lái)黃土高原景觀生態(tài)研究進(jìn)展

馮 舒1,2,趙文武3,陳利頂1,2,*,呂 楠1,2

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部資源學(xué)院,北京 100875

嚴(yán)重的水土流失以及不合理的土地利用加劇了黃土高原土地資源的退化,導(dǎo)致該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)不斷下降。針對(duì)黃土高原地區(qū)存在的問(wèn)題,我國(guó)學(xué)者基于景觀生態(tài)學(xué)原理和方法,圍繞“景觀格局演變-驅(qū)動(dòng)機(jī)制-水土流失過(guò)程-生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)”的框架開(kāi)展了大量研究,取得了一系列研究成果。通過(guò)梳理和總結(jié)2010年以來(lái)黃土高原地區(qū)景觀生態(tài)學(xué)研究的現(xiàn)狀和特點(diǎn),指出了目前研究中存在的問(wèn)題和不足,突出表現(xiàn)在區(qū)域比較研究、景觀格局與生態(tài)過(guò)程耦合研究、生態(tài)服務(wù)權(quán)衡方法和模型構(gòu)建等方面比較缺乏。建議未來(lái)黃土高原的景觀生態(tài)學(xué)研究應(yīng)加強(qiáng)區(qū)域尺度上的綜合研究和不同地區(qū)之間的比較研究,深化景觀格局演變的形成機(jī)理；進(jìn)一步開(kāi)展景觀格局與過(guò)程的定量識(shí)別方法學(xué)研究,開(kāi)發(fā)格局-過(guò)程耦合模型；加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程與服務(wù)研究,同時(shí)開(kāi)展相應(yīng)的實(shí)證性研究,研發(fā)適宜的生態(tài)服務(wù)權(quán)衡模型,進(jìn)而深入探討區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡機(jī)制。

黃土高原；景觀格局；生態(tài)過(guò)程；生態(tài)恢復(fù)；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；權(quán)衡

自20世紀(jì)80年代以來(lái),中國(guó)景觀生態(tài)學(xué)研究在追蹤國(guó)際前沿的同時(shí),結(jié)合中國(guó)特色地區(qū)形成了自成體系的景觀生態(tài)學(xué)研究[1],其研究范式經(jīng)歷著從“格局-過(guò)程-尺度”向“格局-過(guò)程-服務(wù)-可持續(xù)性”的變化過(guò)程[2]。黃土高原地區(qū)是我國(guó)乃至全球水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。該地區(qū)地形破碎、土壤疏松、降水集中、植被退化,是典型的生態(tài)脆弱區(qū)?；謴?fù)和重建黃土高原受損的生態(tài)系統(tǒng)對(duì)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,人民生產(chǎn)生活條件的改善以及國(guó)家生態(tài)安全的保障,都有著極其重要的影響[3]。為了遏制該地區(qū)生態(tài)退化,20世紀(jì)50年代和80年代,中國(guó)科學(xué)家在該地區(qū)開(kāi)展了大規(guī)模綜合考察,初步探討了水土流失形成過(guò)程及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響；20世紀(jì)70年代,先后在該區(qū)域設(shè)立野外長(zhǎng)期生態(tài)觀測(cè)試驗(yàn)站；20世紀(jì)80年代起,國(guó)家開(kāi)展了以小流域?yàn)閱卧乃帘３志C合治理工作；1999年,國(guó)家推進(jìn)實(shí)施了退耕還林還草工程[4]。作為世界上獨(dú)一無(wú)二的黃土高原,由于其特殊的地質(zhì)地貌過(guò)程、地表水土過(guò)程和頻繁的人類活動(dòng)過(guò)程,該區(qū)域景觀面貌發(fā)生著深刻的變化[5-6],并塑造了一系列格局特色的地表景觀,為開(kāi)展景觀生態(tài)學(xué)研究提供了理想舞臺(tái)。

近幾十年來(lái),中國(guó)景觀生態(tài)學(xué)家立足景觀格局、生態(tài)過(guò)程、尺度等景觀生態(tài)學(xué)研究的核心科學(xué)問(wèn)題,面向生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)/景觀服務(wù)、景觀可持續(xù)性、氣候變化等前沿?zé)狳c(diǎn)領(lǐng)域,綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)、模型模擬、GIS和RS分析等技術(shù),針對(duì)坡面、小流域、流域、區(qū)域等不同尺度,系統(tǒng)探討了景觀格局動(dòng)態(tài)、景觀格局與生態(tài)過(guò)程、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等科學(xué)命題,取得了系列積極進(jìn)展,形成了景觀生態(tài)學(xué)研究中的鮮明區(qū)域特色。王計(jì)平等針對(duì)黃土高原地區(qū)景觀格局演變研究現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)綜述[7],本文通過(guò)文獻(xiàn)閱讀,重點(diǎn)分析了2010年以來(lái)黃土高原地區(qū)景觀生態(tài)學(xué)研究的現(xiàn)狀和特點(diǎn),探討未來(lái)景觀生態(tài)學(xué)研究的重點(diǎn)方向和發(fā)展趨勢(shì)。

1 研究現(xiàn)狀與特點(diǎn)

針對(duì)黃土高原地區(qū)特點(diǎn),我國(guó)學(xué)者基于景觀生態(tài)學(xué)原理和方法,圍繞“景觀格局演變-驅(qū)動(dòng)機(jī)制-水土流失過(guò)程-生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)”的研究框架,開(kāi)展了大量的研究(圖1),其研究?jī)?nèi)容主要包括“景觀格局變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)”、“景觀格局與生態(tài)過(guò)程耦合”以及“生態(tài)恢復(fù)與區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡”等方面,在理論方法和實(shí)用研究方面取得了重要進(jìn)展。

圖1 黃土高原景觀生態(tài)研究發(fā)展歷程Fig.1 The development process of landscape ecology of Loess Plateau依據(jù)Web of Science引文數(shù)據(jù)庫(kù),在以“Loess Plateau”為主題的搜索結(jié)果中,再分別以“Landscape Pattern”、“Ecological Process”和“Ecosystem Services”為主題檢索歷年來(lái)發(fā)表的中英文文章,并對(duì)每年的引文數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析

1.1 景觀格局變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

隨著退耕還林/草工程的實(shí)施,黃土高原地區(qū)土地利用與覆被格局發(fā)生了劇烈變化,由此帶來(lái)了景觀格局的變化。識(shí)別景觀格局變化特征及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)成為黃土高原景觀生態(tài)學(xué)研究的重要方面。

1.1.1 景觀格局動(dòng)態(tài)變化特征

在研究景觀格局動(dòng)態(tài)變化特征方面,遙感影像解譯與GIS空間分析成為重要的手段,按照景觀格局的分析角度,所開(kāi)展的工作主要集中于兩個(gè)方面：(1)從生態(tài)恢復(fù)角度定量識(shí)別了黃土高原植被格局的動(dòng)態(tài)變化特征。從目前研究看,植被格局動(dòng)態(tài)研究涉及到不同的景觀類型或生態(tài)類型區(qū),如典型羊道景觀[8]、水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶[9]、三北防護(hù)林工程區(qū)[10]、典型森林景觀[11]等。在我國(guó)退耕還林工程的支持下,植被覆蓋總體呈顯著地上升趨勢(shì),在一定程度上揭示了黃土高原植被格局的變化規(guī)律,為未來(lái)區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的改善和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的創(chuàng)造提供了參考。(2)從土地利用/覆被變化角度揭示了黃土高原地區(qū)景觀格局變化的特征。該類研究多集中于小流域尺度,基于不同時(shí)期遙感影像解譯的土地利用/土地覆被類型圖,通過(guò)構(gòu)建土地利用動(dòng)態(tài)變化模型和區(qū)域生態(tài)環(huán)境指標(biāo)等,定量分析不同尺度土地利用/覆被時(shí)空變化特征及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制[12]。研究認(rèn)為,由于不同的自然因素和人文因素驅(qū)動(dòng),黃土高原地區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)化存在明顯的區(qū)域差異,但綜合來(lái)看,農(nóng)田轉(zhuǎn)化為林地和草地,景觀異質(zhì)性程度有所下降,生態(tài)效益逐漸變好[13- 15]。在區(qū)域尺度,退耕還林(草)政策的實(shí)施,也有效增加了黃土高原地區(qū)的植被覆蓋度,對(duì)遏制黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境退化發(fā)揮了積極的控制作用[16]。此外,景觀格局的尺度效應(yīng)分析,也是景觀格局分析的一大特點(diǎn)。其尺度效應(yīng)分析往往聚焦于伴隨著研究粒度的變化,其景觀格局分析結(jié)果發(fā)生什么樣的變化趨勢(shì)[17- 18]。

景觀格局分析方法主要包括空間統(tǒng)計(jì)分析、景觀指數(shù)分析及格局動(dòng)態(tài)模型模擬等[4]。在黃土高原景觀格局變化及其動(dòng)態(tài)分析中,空間統(tǒng)計(jì)分析依然是其基本分析方法,往往在景觀類型時(shí)空變化分析的基礎(chǔ)上,探討其在海拔、坡度、土壤等環(huán)境因子上的分布格局特征[19]。而采用景觀指數(shù)進(jìn)行格局分析,雖然存在于部分研究文獻(xiàn)中[20],但是其能否具有良好的生態(tài)學(xué)意義,卻成為學(xué)者們亟待回答的重要問(wèn)題[21- 22]。針對(duì)該問(wèn)題,學(xué)者們深入探討了針對(duì)不同生態(tài)過(guò)程的景觀格局表征方法和理論框架,其突出代表是源匯景觀理論的提出和基于源、匯過(guò)程的景觀空間負(fù)荷比指數(shù)的構(gòu)建[23- 26]；同時(shí),基于源匯景觀理論和景觀空間負(fù)荷指數(shù),學(xué)者們也針對(duì)土壤侵蝕特定生態(tài)過(guò)程,探討并提出了“多尺度土壤侵蝕評(píng)價(jià)指數(shù)”等[27- 29],來(lái)刻畫具有生態(tài)學(xué)意義的景觀格局特征。在景觀格局動(dòng)態(tài)模擬中,運(yùn)用景觀空間模型研究景觀格局變化及其動(dòng)態(tài)特征也是黃土高原地區(qū)的一大特點(diǎn)。除了較為常用的CA-Markov模型[12]外,已開(kāi)發(fā)和利用的模型也有很多,如LANDIS空間直觀景觀模型,用于模擬森林演替在自然干擾和人為干擾下較大時(shí)空尺度上的景觀動(dòng)態(tài)變化[11]；范澤孟等構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)過(guò)渡帶的時(shí)空分析模型,可以在大時(shí)間尺度上較準(zhǔn)確地模擬區(qū)域土地利用/土地覆蓋的時(shí)空變化特征[30]。但是,總體而言,黃土高原格局模擬與預(yù)測(cè)的研究依舊相對(duì)薄弱。

在景觀格局變化的研究中,景觀格局的驅(qū)動(dòng)機(jī)制也往往是研究的主要內(nèi)容之一。在退耕還林還草政策之前,區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和地形地貌特征等共同決定著景觀格局的變化動(dòng)態(tài)。然而1999 年之后,國(guó)家推行的退耕還林(草)等一系列生態(tài)重建措施成為區(qū)域景觀格局變化的主要驅(qū)動(dòng)因素[19],黃土高原典型流域的土地利用和景觀格局隨之發(fā)生了劇烈的變化[31- 33]。其中,耕地面積比例急劇減小,林草地面積比例迅速增加,流域土地利用結(jié)構(gòu)由農(nóng)牧占絕對(duì)主體轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)、林、牧均等復(fù)合[34- 35]。此外,隨著研究尺度的變化,景觀格局變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制也有明顯的差異[36]。

1.1.2 生態(tài)建設(shè)與景觀格局變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

經(jīng)過(guò)多年的生態(tài)建設(shè)和流域綜合治理,尤其是退耕還林(草)工程的實(shí)施,黃土高原的生態(tài)環(huán)境有了一定程度的改善,呈顯著的恢復(fù)態(tài)勢(shì)。有關(guān)黃土高原生態(tài)建設(shè)與景觀格局變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)主要集中在3個(gè)方面。(1)立地尺度上生態(tài)修復(fù)效應(yīng)的定點(diǎn)監(jiān)測(cè)與比較研究。該類研究重點(diǎn)是針對(duì)礦區(qū)的生態(tài)恢復(fù),通過(guò)對(duì)礦區(qū)不同的生態(tài)修復(fù)模式的定點(diǎn)監(jiān)測(cè),比較研究不同生態(tài)恢復(fù)模式帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)礦區(qū)土地復(fù)墾首先會(huì)導(dǎo)致生物群落逐漸恢復(fù),土壤質(zhì)量得到較為明顯的改善[37]。(2)區(qū)域尺度上生態(tài)建設(shè)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)。在區(qū)域尺度上,基于大面積的野外調(diào)查與遙感影像解譯,研究生態(tài)建設(shè)工程所帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn),黃土高原實(shí)施的大范圍生態(tài)建設(shè)會(huì)帶來(lái)植被覆蓋度的增加,其結(jié)果是引起較高的地表蒸散量,降低了白天的地表溫度和徑流系數(shù)[38]。此外,不同退耕年限不同植被恢復(fù)模式帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)也有所不同[39- 40]。(3)區(qū)域植被恢復(fù)的可持續(xù)性。在植被恢復(fù)與景觀格局變化過(guò)程中,由于植被恢復(fù)方式不夠合理,引進(jìn)的物種大多具有高耗水能力且未充分考慮土壤水分的植被承載力,大規(guī)模的退耕還林直接導(dǎo)致了土壤深層水分過(guò)度消耗,引發(fā)了大范圍的土壤干層,嚴(yán)重影響了植被恢復(fù)的可持續(xù)性[41- 42]；大片人工恢復(fù)植被開(kāi)始退化,并形成樹(shù)高只有3—5m的小老頭樹(shù)現(xiàn)象[43]。黃土高原植被恢復(fù)與生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性遇到了巨大挑戰(zhàn)。針對(duì)該科學(xué)問(wèn)題,學(xué)者們通過(guò)耦合地面觀測(cè)、遙感和生態(tài)系統(tǒng)模型等多種研究手段,構(gòu)建了自然-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)水資源可持續(xù)利用耦合框架,建立區(qū)域碳水耦合分析方法,提出黃土高原植被恢復(fù)應(yīng)綜合考慮區(qū)域的產(chǎn)水、耗水和用水的綜合需求。研究指出目前黃土高原植被恢復(fù)已接近水資源植被承載力的閾值,在未來(lái)氣候變化條件下,該承載力閾值在383—528 g C m-2a-1間浮動(dòng)[44]。這一研究成果在區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳水耦合分析方法上有所突破,對(duì)于指導(dǎo)黃土高原退耕還林還草工程的實(shí)施具有重要意義。

1.2 景觀格局與生態(tài)過(guò)程耦合

景觀格局與生態(tài)過(guò)程的耦合作用一直是景觀生態(tài)學(xué)關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。在黃土高原地區(qū),景觀格局與土壤水分、景觀格局與水土流失以及景觀格局與過(guò)程的耦合模型一直是多年來(lái)研究的重點(diǎn)。

1.2.1 景觀格局與土壤水分

土壤水分的時(shí)空變異是由多重尺度上的土地利用、氣象、地形、人為活動(dòng)等諸多因子綜合作用的結(jié)果[45]。黃土高原地區(qū)土壤水分時(shí)空變異性具有一定的尺度效應(yīng),并受到土地利用類型(植被)、地形、氣象(降水)、土壤等多種因子的綜合影響。目前一般研究包括以下幾個(gè)方面。

(1)景觀類型對(duì)土壤水分的影響。植被群落影響土壤水分的補(bǔ)給和使用過(guò)程,特別是水分的輸入過(guò)程,不同植被恢復(fù)及其空間格局影響土壤水分的分布狀況[46]。研究發(fā)現(xiàn),半干旱地區(qū)植被類型相同時(shí),地形因素及人為活動(dòng)成為影響淺層土壤水分含量的重要因子,地上生物量成為決定深層土壤水分空間變異的主導(dǎo)因子[47]；土壤水分與土地利用類型及其結(jié)構(gòu)具有一定的相關(guān)性,不同土地利用類型下土壤水分分布狀況有所差異,復(fù)雜的土地利用結(jié)構(gòu)中深層土壤水分具有較高的空間異質(zhì)性[48],其中,農(nóng)地土壤水分含量最高,其次為荒草地,人工植被(牧草、灌木林、喬木林)土壤水分顯著低于農(nóng)地和荒草地,但不同人工植被之間無(wú)顯著差異[49- 52]。還有研究表明人工植被降低了深層土壤水分的含量和空間異質(zhì)性,減弱了流域土壤水分的涵養(yǎng)功能,且土壤貯水能力隨著植被自然恢復(fù)時(shí)間增加而降低[53- 55]。由此可見(jiàn),在黃土高原未來(lái)的生態(tài)修復(fù)過(guò)程中,如何選擇合適的植被類型來(lái)維持土壤的水分平衡,仍值得深入的研究和探討。

(2)景觀格局與土壤水分的空間變異。黃土高原地區(qū)土壤水分具有一定的空間變異,水平方向上表現(xiàn)出由東南向西北遞減的趨勢(shì),垂直方向上(0—500cm)表現(xiàn)出先減小后增加的分布特征[56]；流域景觀格局對(duì)土壤水分具有明顯影響,如耕地面積占24.3%的李家灣小流域的2—5m深度平均土壤水分比完全退耕的剪子岔小流域高出2.3%[48]。土地利用對(duì)區(qū)域尺度土壤水分的含量及剖面分布規(guī)律也具有顯著影響,不同土地利用類型(植被類型)剖面土壤水分整體表現(xiàn)出上層波動(dòng)劇烈,下層變化較小的特征[49, 57- 58]。在整個(gè)黃土高原尺度,不同區(qū)域總體表現(xiàn)出人工恢復(fù)植被的土壤水分低于農(nóng)田和荒草,在<400mm和>600mm降水量的地區(qū)不同植被對(duì)較深層次水分影響的差異并不明顯,而在400—600mm降水量地區(qū)植被類型對(duì)深層土壤水分的影響顯著[47]。退耕還林還草不能以單一人工植被為主,應(yīng)多樣化,過(guò)度引入人工植被容易使土壤水分枯竭[48]。

(3)景觀格局與土壤水分的季節(jié)變化。在季節(jié)動(dòng)態(tài)上,淺層土壤含水量具有明顯的季節(jié)性波動(dòng)變化特征,深層土壤含水量年內(nèi)變化較小[57]。高曉東從流域、坡面和溝道3個(gè)尺度分析了黃土丘陵區(qū)典型小流域土壤有效水在春、夏、秋3個(gè)季節(jié)的空間變異特征,表明出土壤有效水均呈較強(qiáng)空間變異性,土壤有效水空間變異呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性特征,并且秋季土壤有效水均值最高而空間變異性最低,夏季土壤有效水均值最低但變異系數(shù)最大[59]。同時(shí),降水年型對(duì)不同植被類型土壤水分的季節(jié)變化和剖面垂直剖面變化均有影響,不同的土地利用方式對(duì)土壤水分的垂直變化和月動(dòng)態(tài)均產(chǎn)生不同影響[60- 61]。

針對(duì)黃土高原地區(qū)土壤水分空間分布特征及其與環(huán)境因素的關(guān)系研究,多采用自回歸狀態(tài)空間模擬和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)的線性回歸模型對(duì)不同地區(qū)不同深度土壤含水率的分布狀況進(jìn)行模擬,對(duì)黃土高原溝壑區(qū)坡地不同深度土壤含水率[62]和黃土高原北部草原表層土壤水分空間分布特征與環(huán)境因素關(guān)系[63]的實(shí)際研究表明,狀態(tài)空間模型的模擬效果均高于線性回歸方程,可用于這些區(qū)域土壤水分的預(yù)測(cè)。

1.2.2 景觀格局與水土流失

景觀格局與水土流失的研究方法主要涉及景觀格局分析方法[64],“源-匯”理論[33]、土壤流失方程RUSLE[65- 66]和137C核素示蹤技術(shù)[67]等。近年來(lái),相關(guān)學(xué)者運(yùn)用以上方法分別對(duì)黃土高原土壤侵蝕的強(qiáng)度[68- 69]、流域土壤侵蝕空間的時(shí)空演變[65]、景觀格局對(duì)流域水土流失過(guò)程的影響機(jī)制[64]進(jìn)行了深入的研究,分析景觀格局與水土流失的關(guān)系,尋找流域水土流失評(píng)價(jià)的有效方法[70],探討降低土壤侵蝕發(fā)生的途徑和措施。經(jīng)過(guò)多年的綜合治理,黃土高原景觀格局和水土流失方面發(fā)生了重要的變化,水土流失控制能力得到顯著的提升,生態(tài)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定化,生態(tài)功能逐漸增強(qiáng),流域生態(tài)環(huán)境得到了明顯改善[71]。

導(dǎo)致水土流失的原因多種多樣,包括地形、降雨、土地利用類型等。坡面形態(tài)(坡長(zhǎng)、坡形、坡度)對(duì)土壤侵蝕具有重要影響[72],坡度和坡長(zhǎng)是影響水土流失最重要的因子[73],研究表明,在土地利用類型相同時(shí),土壤侵蝕隨著坡度等級(jí)的增大而顯著增強(qiáng)[66]。雨強(qiáng)和雨量對(duì)水蝕的發(fā)生具有重要影響,但以雨強(qiáng)的影響更大,并且降雨前期土壤含水量與徑流量和侵蝕量呈顯著正相關(guān)；降雨與徑流之間的關(guān)系,在很大程度上也受到地表?xiàng)l件的影響,如植物種類、土壤結(jié)皮、地表覆蓋、前期土壤水分、植被緩沖帶和特殊的位置條件等[74- 75]。在生態(tài)恢復(fù)背景下,土地利用格局的相對(duì)狀況與水沙時(shí)空變化關(guān)系密切,在退耕還林(草)工程驅(qū)動(dòng)下,黃土丘陵溝壑區(qū)流域耕地、未利用地向林、草地轉(zhuǎn)移,減水減沙效益明顯,水土流失狀況得到了明顯改善[76]。此外,植被類型與配置模式也在不同程度上影響水土流失效應(yīng),具有多層結(jié)構(gòu)的植被群落比單層植被更能保護(hù)土壤,減輕侵蝕強(qiáng)度[77]；灌木林作為景觀基質(zhì)對(duì)徑流泥沙也有一定控制作用,并且不同植株及其微觀格局遏制地表徑流的能力不同,如,有沙棘覆蓋的小區(qū)地表徑流系數(shù)最低,且以沙棘位于坡面下部位的水土保持效果最好[74- 75]。

CA-Markov模型是模擬水土流失過(guò)程較為常用的方法,主要模擬和預(yù)測(cè)土壤侵蝕狀況及空間分布信息。此外,WATEM/SEDEM是一種空間分布土壤侵蝕模型,包括土壤侵蝕評(píng)估、沉積物運(yùn)輸產(chǎn)能計(jì)算和泥沙演算3個(gè)方面,可以用來(lái)模擬土壤侵蝕及其對(duì)土地利用變化的響應(yīng)[78]。也有少數(shù)研究采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行黃土高原小流域侵蝕預(yù)測(cè)[79],完善了小流域侵蝕產(chǎn)沙的分析方法。

1.2.3 景觀格局與生態(tài)過(guò)程耦合

景觀格局與生態(tài)過(guò)程耦合常用的方法是直接觀測(cè)、系統(tǒng)分析與模型模擬[80- 81]?；谥苯佑^測(cè)的格局過(guò)程耦合研究主要包括：(1)在樣點(diǎn)尺度上,通過(guò)定位觀測(cè)與控制實(shí)驗(yàn)對(duì)景觀功能和過(guò)程進(jìn)行機(jī)理分析；在景觀尺度上,采用樣帶觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)并基于GIS和大范圍觀測(cè)與調(diào)查數(shù)據(jù),利用空間模型進(jìn)行景觀動(dòng)態(tài)模擬；在大區(qū)域尺度上,景觀格局與生態(tài)過(guò)程的耦合涉及多重因素,則需要運(yùn)用遙感技術(shù)、運(yùn)用系統(tǒng)分析和模擬的方法去實(shí)現(xiàn)多手段和多時(shí)空尺度的數(shù)據(jù)集成。(2)基于模型的景觀格局與過(guò)程耦合研究包括基于土壤侵蝕過(guò)程的景觀指數(shù)研究、基于景觀格局變化的固碳效應(yīng)研究以及黃土高原水沙變化的效應(yīng)評(píng)價(jià)等。如,常用的格局與過(guò)程的耦合模型是SWAT分布式水文模型,主要用于模擬流域的水沙變化、水土流失空間格局等,闡述流域水文生態(tài)過(guò)程對(duì)土地利用格局演變的響應(yīng)機(jī)制[82]?？傮w而言,對(duì)景觀格局與生態(tài)過(guò)程相互作用關(guān)系與機(jī)理的深刻理解是耦合研究的基礎(chǔ),依據(jù)觀測(cè)與模型手段深入分析格局-過(guò)程關(guān)系的關(guān)鍵因子與作用機(jī)理,通過(guò)構(gòu)建耦合模型等手段開(kāi)展耦合研究是景觀生態(tài)學(xué)未來(lái)的重要方向。傅伯杰先生基于在黃土高原開(kāi)展的長(zhǎng)期研究,系統(tǒng)總結(jié)了格局與過(guò)程的耦合案例實(shí)踐,形成為了地理學(xué)的綜合研究途徑與方法,并提出格局與過(guò)程的耦合研究要加強(qiáng)野外長(zhǎng)期觀測(cè)和綜合調(diào)查[81]。此外,由于不同尺度景觀格局與生態(tài)過(guò)程的關(guān)系往往具有顯著的差異,因此在格局-過(guò)程耦合研究中,也需要進(jìn)一步加強(qiáng)景觀格局與生態(tài)過(guò)程耦合關(guān)系的尺度效應(yīng)與尺度轉(zhuǎn)換研究。

1.3 區(qū)域生態(tài)恢復(fù)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡

1.3.1 區(qū)域景觀格局變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)

從1980s年代以來(lái),一系列生態(tài)恢復(fù)措施尤其是1999年后退耕還林還草工程的實(shí)施,是黃土高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)改善的主要驅(qū)動(dòng)因素[83]。許多學(xué)者在黃土高原開(kāi)展了大量的研究,通過(guò)發(fā)展區(qū)域性關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的定量評(píng)估方法,揭示了不同尺度生態(tài)系統(tǒng)功能對(duì)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的響應(yīng)。如,分別在樣地尺度、小流域尺度和區(qū)域尺度揭示了水源涵養(yǎng)功能、固碳功能[83- 86]以及土壤保持功能[71]等對(duì)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的響應(yīng)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn),黃土高原的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提高主要依賴于農(nóng)田向草地和林地、草地向林地的轉(zhuǎn)換[87]；不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化量存在明顯的區(qū)域差異,不同時(shí)期和植被類型的恢復(fù)對(duì)各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的貢獻(xiàn)也存在差異；其中,土壤水分對(duì)植被恢復(fù)的響應(yīng)具有明顯的空間差異性,自然恢復(fù)的草本群落土壤入滲性能得到改善,使凈流量降低,水源涵養(yǎng)能力提高；隨著退耕年限增加,黃土高原地區(qū)的固碳效率和土壤保持服務(wù)能力會(huì)得到顯著提升。這些研究結(jié)果對(duì)于黃土高原發(fā)展空間明晰的生態(tài)系統(tǒng)管理具有重要的指導(dǎo)意義。

1.3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡

權(quán)衡分析有助于獲得對(duì)多種服務(wù)之間的交互關(guān)系、變化趨勢(shì)和驅(qū)動(dòng)力的深入認(rèn)識(shí),而這種綜合的分析對(duì)于整體性的生態(tài)系統(tǒng)管理也是至關(guān)重要的[88]。目前權(quán)衡研究多是關(guān)于概念的探討,缺乏量化方法和實(shí)際的評(píng)價(jià)[89]。主要借助均方根偏差(RMSD)、二元相關(guān)分析、以及競(jìng)合系數(shù)等方法對(duì)黃土高原區(qū)域和典型子流域多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡關(guān)系進(jìn)行了量化分析。研究發(fā)現(xiàn),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互關(guān)系取決于服務(wù)的種類,并具有尺度依賴性。例如,調(diào)節(jié)服務(wù)之間通常是協(xié)同關(guān)系,而調(diào)節(jié)服務(wù)與供給服務(wù)之間通常是權(quán)衡關(guān)系[90]。在整個(gè)黃土高原上,泥沙輸出與產(chǎn)水量呈顯著正相關(guān),碳固定與產(chǎn)水量呈顯著負(fù)相關(guān)；在延河流域尺度上,泥沙截留與水源涵養(yǎng)呈正相關(guān)[91]。這可能是因?yàn)?在較小空間尺度上,自然因素是主要驅(qū)動(dòng)因素；隨著尺度增大,人為因素的作用逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。綜合考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素,可以估算具有權(quán)衡關(guān)系的兩種服務(wù)的承載力閾值[44]。

定量辨識(shí)不同生態(tài)服務(wù)功能隨生態(tài)恢復(fù)而表現(xiàn)出的競(jìng)爭(zhēng)、協(xié)同關(guān)系及其程度是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。目前國(guó)際上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間評(píng)估的工具很多,應(yīng)用最多的是InVEST模型,為用戶提供了若干生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)定量化和價(jià)值化的模型,缺點(diǎn)是沒(méi)有包括權(quán)衡分析和空間優(yōu)化等方法,也沒(méi)有提供運(yùn)行結(jié)果的可視化表達(dá)[92]?；谝陨媳尘?建立了不同尺度生態(tài)服務(wù)功能權(quán)衡分析的方法,如,生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程-服務(wù)-管理動(dòng)態(tài)鏈接與綜合集成的理論模型[93],該模型解析了不同尺度聯(lián)系生態(tài)系統(tǒng)與社會(huì)系統(tǒng)的生態(tài)過(guò)程特征,明確了通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)管理調(diào)控與優(yōu)化多種生態(tài)服務(wù)功能關(guān)系的途徑,為區(qū)域生態(tài)服務(wù)功能權(quán)衡提供了理論框架；此外,區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間評(píng)估與優(yōu)化工具(Spatial Assessment and Optimization Tool for Regional Ecosystem Services, SAORES)則將GIS、生態(tài)系統(tǒng)模型和多目標(biāo)優(yōu)化算法有機(jī)結(jié)合,提供了一個(gè)數(shù)據(jù)、模型、空間制圖、統(tǒng)計(jì)分析集于一體的集成模擬與分析環(huán)境[94]。目前,這一系統(tǒng)已在黃土高原多個(gè)小流域成功應(yīng)用,為探索生態(tài)修復(fù)的空間優(yōu)化管理提供了決策支持工具。

2 研究展望

2.1 目前研究中存在的問(wèn)題

縱觀目前在黃土高原景觀生態(tài)方面的研究,還存在以下問(wèn)題和不足：

(1)目前的研究多側(cè)重于典型區(qū),從整個(gè)黃土高原地區(qū)出發(fā),進(jìn)行深入比較研究相對(duì)不多；區(qū)域植被恢復(fù)與景觀格局變化定量關(guān)系及其數(shù)學(xué)機(jī)理模型研究相對(duì)并不多見(jiàn)。有關(guān)黃土高原植被恢復(fù)與景觀格局動(dòng)態(tài)的研究,相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了大量的工作,但這些工作多將重點(diǎn)放在黃土高原的典型流域區(qū),對(duì)于不同區(qū)域之間的對(duì)比以及整個(gè)黃土高原尺度上的全面系統(tǒng)研究尚有進(jìn)一步深化的空間。此外,在定量分析以植被恢復(fù)為主要內(nèi)容的生態(tài)恢復(fù)過(guò)程與景觀格局變化之間相互聯(lián)系與反饋機(jī)理方面,有效的數(shù)學(xué)模型也不多見(jiàn)。

(2)景觀格局與生態(tài)過(guò)程的耦合研究取得了積極進(jìn)展,諸如景觀格局與土壤水分、水土流失、生物量、固碳效應(yīng)等方面。然而,對(duì)耦合關(guān)系的研究盡管采取了定量觀測(cè)與分析的方法,但是其內(nèi)在機(jī)理分析尚顯得不夠,景觀格局與生態(tài)過(guò)程的耦合模型有進(jìn)一步發(fā)展的空間[76],區(qū)域差異的對(duì)比研究有待于進(jìn)一步加強(qiáng)。

(3)針對(duì)生態(tài)恢復(fù)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的作用與響應(yīng)研究,多集中在黃土高原生態(tài)修復(fù)過(guò)程對(duì)土壤保持、水文調(diào)節(jié)以及碳固定等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響,系統(tǒng)性和整體性的分析有待于進(jìn)一步加強(qiáng)；在生態(tài)服務(wù)功能權(quán)衡方面,有關(guān)生態(tài)服務(wù)權(quán)衡的方法和模型尚處于探索與起步階段,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同分析研究仍以定性分析較多,定量化的實(shí)證性研究并不多見(jiàn)[89, 92]；與此同時(shí),雖然基于不同類型模型開(kāi)展了多種生態(tài)服務(wù)之間的權(quán)衡研究,但有待于加強(qiáng)從機(jī)理上開(kāi)展不同模型之間的比較研究。

2.2 展望

(1)在整個(gè)黃土高原尺度上加強(qiáng)區(qū)域尺度的綜合研究,開(kāi)展不同地區(qū)之間的比較研究,在整個(gè)區(qū)域尺度上形成系統(tǒng)的研究體系,探討區(qū)域內(nèi)植被恢復(fù)與景觀格局變化的相互關(guān)系,深化景觀格局變化的形成機(jī)理和演變機(jī)制,發(fā)展區(qū)域景觀格局變化的機(jī)理模型,定量分析生態(tài)恢復(fù)與景觀格局變化之間的相互關(guān)系與反饋機(jī)理。

(2)進(jìn)一步發(fā)展格局和過(guò)程的定量識(shí)別與研究方法,在景觀格局與生態(tài)過(guò)程的耦合研究時(shí),繼續(xù)加強(qiáng)野外長(zhǎng)期觀測(cè)和綜合調(diào)查,將地面觀測(cè)與遙感緊密結(jié)合,探索格局與多過(guò)程的耦合效應(yīng)及其權(quán)衡比較分析。此外,由于格局與過(guò)程耦合具有空間異質(zhì)性,應(yīng)將不同尺度的研究進(jìn)行同化和綜合,并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)格局-過(guò)程耦合模型,對(duì)不同時(shí)空尺度景觀格局和生態(tài)過(guò)程進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)。

(3)加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程與服務(wù)的研究,以及不同區(qū)域和尺度下不同生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間關(guān)系的研究,從而為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡和優(yōu)化管理提供基礎(chǔ),建立基于機(jī)理的生態(tài)服務(wù)權(quán)衡綜合性模型,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的集成；同時(shí),開(kāi)展相應(yīng)的實(shí)證性研究和不同模型之間的比較研究,優(yōu)化適宜的生態(tài)服務(wù)權(quán)衡模型,為深入探討區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系提供新途徑。

(4)如何開(kāi)展科學(xué)的人類活動(dòng)調(diào)控與提高景觀管理效率也將是未來(lái)黃土高原地區(qū)景觀生態(tài)學(xué)研究的重要工作之一?？v觀黃土高原景觀的歷史變遷,人類活動(dòng)始終強(qiáng)烈影響著黃土高原地區(qū)的景觀格局演變,是該地區(qū)環(huán)境演變的主導(dǎo)因素之一。雖然退耕還林還草工程促進(jìn)了黃土高原植被覆蓋的增加,但在城市化和工業(yè)化進(jìn)程不斷加速的時(shí)代背景下,過(guò)度放牧、開(kāi)墾以及亂采亂伐等現(xiàn)象在一定程度上導(dǎo)致了植被覆蓋度的降低。由此可見(jiàn),人類活動(dòng)對(duì)黃土高原景觀變化的建設(shè)和破壞作用同時(shí)并存,如何實(shí)現(xiàn)正影響大于負(fù)影響,不僅要繼續(xù)推進(jìn)各項(xiàng)生態(tài)工程建設(shè)的實(shí)施,還需加強(qiáng)對(duì)人類活動(dòng)的合理調(diào)控,進(jìn)行有效的景觀管理,從而實(shí)現(xiàn)黃土高原地區(qū)景觀的可持續(xù)發(fā)展。

[1] 陳利頂, 李秀珍, 傅伯杰, 肖篤寧, 趙文武. 中國(guó)景觀生態(tài)學(xué)發(fā)展歷程與未來(lái)研究重點(diǎn). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2014, 34(12): 3129- 3141.

[2] 趙文武, 王亞萍. 1981- 2015年我國(guó)大陸地區(qū)景觀生態(tài)學(xué)研究文獻(xiàn)分析. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2016, 36(23): 7886- 7896.

[3] 徐勇, Sidle R C. 黃土丘陵區(qū)燕溝流域土地利用變化與優(yōu)化調(diào)控. 地理學(xué)報(bào), 2001, 56(6): 657- 666.

[4] 傅伯杰, 趙文武, 張秋菊, 劉宇. 黃土高原景觀格局變化與土壤侵蝕. 北京: 科學(xué)出版社, 2014.

[5] Chen L D, Wang J, Fu B J, Qiu Y. Land-use change in a small catchment of northern Loess Plateau, China. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2001, 86(2): 163- 172.

[6] 傅伯杰, 陳利頂, 馬克明, 王仰麟. 景觀生態(tài)學(xué)原理及應(yīng)用. 北京: 科學(xué)出版社, 2001.

[7] 王計(jì)平, 陳利頂, 汪亞峰. 黃土高原地區(qū)景觀格局演變研究現(xiàn)狀、問(wèn)題與未來(lái)發(fā)展. 地理科學(xué)進(jìn)展, 2010, 29(5): 515- 522.

[8] 倪曉峰. 半干旱黃土高原地區(qū)羊道景觀的植被格局和結(jié)構(gòu)研究[D]. 蘭州: 蘭州大學(xué), 2011.

[9] 孫艷萍, 張曉萍, 徐金鵬, 馬瞳宇, 馬芹, 雷泳南. 黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶植被覆蓋時(shí)空演變分析. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2012, 40(2): 143- 150, 156- 156.

[10] 陳賽賽, 孫艷玲, 楊艷麗, 王中良. 三北防護(hù)林工程區(qū)植被景觀格局變化分析. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2015, (12): 85- 90

[11] 高小莉, 趙鵬祥, 郝紅科, 楊延征. 基于LANDIS-II的陜西黃龍山森林景觀演變動(dòng)態(tài)模擬. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 35(2): 254- 262.

[12] 郭斌, 張莉, 文雯, 任志遠(yuǎn). 基于CA-Markov模型的黃土高原南部地區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)模擬. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2014, 28(12): 14- 18.

[13] 侯志華, 馬義娟. 黃土高原汾河流域地表景觀演變特征研究. 水土保持研究, 2013, 20(2): 92- 97,311.

[14] Li J C, Zhao Y F, Liu H X, Su Z Z. Changes in the area and pattern of farmland in China′s eastern Loess Plateau. Acta Ecologica Sinica, 2016, 36(3): 149- 153.

[15] Fan Z M, Li J, Yue T X. Land-cover changes of biome transition zones in Loess Plateau of China. Ecological Modelling, 2013, 252: 129- 140.

[16] 鐘莉娜, 趙文武. 基于NDVI的黃土高原植被覆蓋變化特征分析. 中國(guó)水土保持科學(xué), 2013, 11(5): 57- 62.

[17] 趙文武, 朱婧. 我國(guó)景觀格局演變尺度效應(yīng)研究進(jìn)展. 中國(guó)人口·資源與環(huán)境, 2010, 20(S): 287- 291.

[18] 趙文武, 傅伯杰, 陳利頂. 景觀指數(shù)的粒度變化效應(yīng). 第四紀(jì)研究, 2003, 23(3): 326- 333.

[19] 鐘莉娜, 趙文武, 呂一河, 劉源鑫. 黃土丘陵溝壑區(qū)景觀格局演變特征——以陜西省延安市為例. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2014, 34(12): 3368- 3377.

[20] Gao L B, Yun L, Ren Y, Cui Z W, Bi H X. Spatial and Temporal Change of Landscape Pattern in the Hilly-Gully Region of Loess Plateau. Procedia Environmental Sciences, 2011, 8: 103- 111.

[21] 陳利頂, 劉洋, 呂一河, 馮曉明, 傅伯杰. 景觀生態(tài)學(xué)中的格局分析：現(xiàn)狀、困境與未來(lái). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2008, 28(11): 5521- 5531.

[22] 劉宇, 呂一河, 傅伯杰. 景觀格局-土壤侵蝕研究中景觀指數(shù)的意義解釋及局限性. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(1): 267- 275.

[23] 陳利頂, 傅伯杰, 徐建英, 鞏杰. 基于“源-匯”生態(tài)過(guò)程的景觀格局識(shí)別方法——景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2003, 23(11): 2406- 2413.

[24] Chen L D, Fu B J, Zhao W W. Source-sink landscape theory and its ecological significance. Frontiers of Biology in China, 2008, 3(2): 131- 136.

[25] 陳利頂, 傅伯杰, 趙文武. “源”“匯”景觀理論及其生態(tài)學(xué)意義. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2006, 26(5): 1444- 1449.

[26] Fu B J, Pan N Q. Integrated studies of physical geography in China: Review and prospects. Journal of Geographical Sciences, 2016, 26(7): 771- 790.

[27] Zhao W W, Fu B J, Chen L D. A comparison between soil loss evaluation index and the C-factor of RUSLE: a case study in the Loess Plateau of China. Hydrology and Earth System Sciences, 2012, 16(8): 2739- 2748.

[28] 趙文武, 傅伯杰, 郭旭東. 多尺度土壤侵蝕評(píng)價(jià)指數(shù)的技術(shù)與方法. 地理科學(xué)進(jìn)展, 2008, 27(2): 47- 52.

[29] Fu B J, Zhao W W, Chen L D, Lü Y H, Wang D. A multiscale soil loss evaluation index. Chinese Science Bulletin, 2006, 51(4): 448- 456.

[30] 范澤孟, 李婧, 岳天祥. 黃土高原生態(tài)系統(tǒng)過(guò)渡帶土地覆蓋的時(shí)空變化分析. 自然資源學(xué)報(bào), 2013, 28(3): 426- 436.

[31] 易揚(yáng), 信忠保, 覃云斌, 肖玉玲. 生態(tài)植被建設(shè)對(duì)黃土高原農(nóng)林復(fù)合流域景觀格局的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(19): 6277- 6286.

[32] 張慶印, 樊軍, 張曉萍. 退耕還林(草)對(duì)農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)小流域景觀格局的影響——以神木縣六道溝小流域?yàn)槔? 中國(guó)水土保持科學(xué), 2013, 11(2): 97- 103.

[33] 李海防, 衛(wèi)偉, 陳瑾, 李旭春, 張佰林. 定西關(guān)川河流域退耕還林還草對(duì)景觀格局演變的影響. 干旱區(qū)研究, 2014, 31(3): 410- 415.

[34] 秦偉, 朱清科, 左長(zhǎng)清, 單志杰, 鄺高明. 大規(guī)模植被重建背景下的黃土高原流域土地利用時(shí)空演變. 水土保持學(xué)報(bào), 2014, 28(5): 43- 50.

[35] 王計(jì)平, 程復(fù), 汪亞峰, 陳洪波, 于強(qiáng). 生態(tài)恢復(fù)背景下無(wú)定河流域土地利用時(shí)空變化. 水土保持通報(bào), 2014, 34(5): 237- 243.

[36] Zhong L N, Zhao W W, Zhang Z F, Fang X N. Analysis of Multi-Scale Changes in Arable Land and Scale Effects of the Driving Factors in the Loess Areas in Northern Shaanxi, China. Sustainability, 2014, 6(4): 1747- 1760.

[37] 任慧君, 李素萃, 劉永兵. 生態(tài)脆弱區(qū)露天煤礦生態(tài)修復(fù)效應(yīng)研究. 煤炭工程, 2016, 48(2): 127- 130.

[38] Li S, Liang W, Fu B J, Lü Y H, Fu S Y, Wang S, Su H M. Vegetation changes in recent large-scale ecological restoration projects and subsequent impact on water resources in China′s Loess Plateau. Science of the Total Environment, 2016, 569- 570: 1032- 1039.

[39] 李裕元, 邵明安, 陳洪松, 霍竹, 鄭紀(jì)勇. 水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶植被恢復(fù)對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(16): 4306- 4316.

[40] 張笑培, 楊改河, 王和洲, 宗潔, 楊慎驕. 黃土溝壑區(qū)不同植被恢復(fù)群落特征及多樣性研究. 西北林學(xué)院學(xué)報(bào), 2011, 26(2): 22- 25,219- 219.

[41] Wang Y Q, Shao M A, Shao H B. A preliminary investigation of the dynamic characteristics of dried soil layers on the Loess Plateau of China. Journal of Hydrology, 2010, 381(1/2): 9- 17.

[42] Jia Y H, Shao M A. Dynamics of deep soil moisture in response to vegetational restoration on the Loess Plateau of China. Journal of Hydrology, 2014, 519: 523- 531.

[43] Chen H S, Shao M A, Li Y Y. Soil desiccation in the Loess Plateau of China. Geoderma, 2008, 143(1/2): 91- 100.

[44] Feng X M, Fu B J, Piao S L, Wang S, Ciais P, Zeng Z Z, Lü Y H, Zeng Y, Li Y, Jiang X H, Wu B F. Revegetation in China′s Loess Plateau is approaching sustainable water resource limits. Nature Climate Change, 2016, 6(11): 1019- 1022.

[45] 邱揚(yáng), 傅伯杰, 王軍, 張希來(lái), 孟慶華. 土壤水分時(shí)空變異及其與環(huán)境因子的關(guān)系. 生態(tài)學(xué)雜志, 2007, 26(1): 100- 107.

[46] Wang S, Fu B J, Gao G Y, Liu Y, Zhou J. Responses of soil moisture in different land cover types to rainfall events in a re-vegetation catchment area of the Loess Plateau, China. Catena, 2013, 101: 122- 128.

[47] Yang L, Chen L D, Wei W. Effects of vegetation restoration on the spatial distribution of soil moisture at the hillslope scale in semi-arid regions. Catena, 2015, 124: 138- 146.

[48] Yang L, Chen L D, Wei W, Yu Y, Zhang H D. Comparison of deep soil moisture in two re-vegetation watersheds in semi-arid regions. Journal of Hydrology, 2014, 513: 314- 321.

[49] 王曉軍, 武江濤, 王兵, 溫奮翔. 黃土丘陵溝壑區(qū)小流域土壤水分空間變異. 生態(tài)學(xué)雜志, 2015, 34(9): 2568- 2575.

[50] 王亞飛, 樊軍, 賈沐霖. 黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)植被恢復(fù)中土壤水分變化. 草地學(xué)報(bào), 2016, 24(2): 344- 350.

[51] Yang L, Wei W, Chen L D, Mo B. Response of deep soil moisture to land use and afforestation in the semi-arid Loess Plateau, China. Journal of Hydrology, 2012, 475: 111- 122.

[52] Yang L, Wei W, Chen L D, Chen W L, Wang J L. Response of temporal variation of soil moisture to vegetation restoration in semi-arid Loess Plateau, China. Catena, 2014, 115: 123- 133.

[53] Zhang Y W, Deng L, Yan W M, Shangguan Z P. Interaction of soil water storage dynamics and long-term natural vegetation succession on the Loess Plateau, China. Catena, 2016, 137: 52- 60.

[54] Zhang Y W, Shangguan Z P. The change of soil water storage in three land use types after 10 years on the Loess Plateau. Catena, 2016, 147: 87- 95.

[55] Jian S Q, Zhao C Y, Fang S M, Yu K. Effects of different vegetation restoration on soil water storage and water balance in the Chinese Loess Plateau. Agricultural and Forest Meteorology, 2015, 206: 85- 96.

[56] 王云強(qiáng), 邵明安, 劉志鵬. 黃土高原區(qū)域尺度土壤水分空間變異性. 水科學(xué)進(jìn)展, 2012, 23(3): 310- 316

[57] 繆凌, 董建國(guó), 汪有科, 蔣觀滔. 黃土丘陵區(qū)不同土地利用類型下的深層土壤水分變化特征. 水土保持研究, 2016, 23(2): 13- 18.

[58] You W Z, Zeng D H, Liu M G, Yun L L, Ye Y H, Zhang Y. Spatial and temporal variations of soil moisture in three types of agroforestry boundaries in the Loess Plateau,China. Journal of Forestry Research, 2010, 21(4): 415- 422.

[59] 高曉東, 吳普特, 張寶慶, 黃俊, 趙西寧. 黃土丘陵區(qū)小流域土壤有效水空間變異及其季節(jié)性特征. 土壤學(xué)報(bào), 2015, 52(1): 57- 67.

[60] 朱樂(lè)天, 焦峰, 劉源鑫, 賀國(guó)鑫. 黃土丘陵區(qū)不同土地利用類型土壤水分時(shí)空變異特征. 水土保持研究, 2011, 18(6): 115- 118.

[61] 李巍, 郝明德, 王學(xué)春. 黃土高原溝壑區(qū)不同種植系統(tǒng)土壤水分消耗和恢復(fù). 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2010, 26(3): 99- 105.

[62] 段良霞, 黃明斌, 張洛丹, 索立柱, 張永坤. 黃土高原溝壑區(qū)坡地土壤水分狀態(tài)空間模擬. 水科學(xué)進(jìn)展, 2015, 26(5): 649- 659.

[63] 賈小旭, 邵明安, 魏孝榮, 李學(xué)章. 黃土高原北部草地表層土壤水分狀態(tài)空間模擬. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2010, 26(10): 38- 44.

[64] 王計(jì)平, 楊磊, 衛(wèi)偉, 陳利頂, 黃志霖. 黃土丘陵區(qū)景觀格局對(duì)水土流失過(guò)程的影響——景觀水平與多尺度比較. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(19): 5531- 5541.

[65] 龐國(guó)偉, 謝紅霞, 李銳, 楊勤科. 70多年來(lái)紙坊溝小流域土壤侵蝕演變過(guò)程. 中國(guó)水土保持科學(xué), 2012, 10(3): 1- 8.

[66] Sun W Y, Shao Q Q, Liu J Y, Zhai J. Assessing the effects of land use and topography on soil erosion on the Loess Plateau in China. Catena, 2014, 121: 151- 163.

[67] 汪亞峰, 傅伯杰, 陳利頂, 呂一河, 羅春燕. 黃土丘陵小流域土地利用變化的土壤侵蝕效應(yīng): 基于137Cs示蹤的定量評(píng)價(jià). 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 20(7): 1571- 1576.

[68] 劉佳鑫, 劉普靈, 劉棟, 張寧寧. 黃土丘陵區(qū)典型峁坡土壤侵蝕空間分異特征. 水土保持通報(bào), 2014, 34(4): 1- 4,10- 10.

[69] 王娟, 卓靜. 基于RS和GIS的陜北黃土高原退耕還林區(qū)土壤侵蝕定量評(píng)價(jià). 水土保持通報(bào), 2015, 35(1): 220- 223,229- 229.

[70] 李海防, 衛(wèi)偉, 陳瑾, 李旭春, 張佰林. 基于“源”“匯”景觀指數(shù)的定西關(guān)川河流域土壤水蝕研究. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(14): 4460- 4467.

[71] Fu B J, Liu Y, Lü Y H, He C S, Zeng Y, Wu B F. Assessing the soil erosion control service of ecosystems change in the Loess Plateau of China. Ecological Complexity, 2011, 8(4): 284- 293.

[72] 陳利頂, 賈福巖, 汪亞峰. 黃土丘陵區(qū)坡面形態(tài)和植被組合的土壤侵蝕效應(yīng)研究. 地理科學(xué), 2015, 35(9): 1176- 1182.

[73] Chen N, Ma T Y, Zhang X P. Responses of soil erosion processes to land cover changes in the Loess Plateau of China: A case study on the Beiluo River basin. Catena, 2016, 136: 118- 127.

[74] Wei W, Jia F Y, Yang L, Chen L D, Zhang H D, Yu Y. Effects of surficial condition and rainfall intensity on runoff in a loess hilly area, China. Journal of Hydrology, 2014, 513: 115- 126.

[75] 衛(wèi)偉, 賈福巖, 陳利頂, 吳東平, 陳瑾. 黃土丘陵區(qū)坡面水蝕對(duì)降雨和下墊面微觀格局的響應(yīng). 環(huán)境科學(xué), 2012, 33(8): 2674- 2679.

[76] 陳攀攀, 常宏濤, 畢華興, 陳智漢. 黃土高塬溝壑區(qū)典型小流域土地利用變化及其對(duì)水土流失的影響. 中國(guó)水土保持科學(xué), 2011, 9(2): 57- 63.

[77] 高光耀, 傅伯杰, 呂一河, 劉宇, 王帥, 周繼. 干旱半干旱區(qū)坡面覆被格局的水土流失效應(yīng)研究進(jìn)展. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(1): 12- 22.

[78] Feng X M, Wang Y F, Chen L D, Fu B J, Bai G S. Modeling soil erosion and its response to land-use change in hilly catchments of the Chinese Loess Plateau. Geomorphology, 2010, 118(3/4): 239- 248.

[79] 趙明偉, 湯國(guó)安, 李發(fā)源, 袁寶印, 陸中臣. 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的陜北黃土高原侵蝕產(chǎn)沙影響因子顯著性研究. 水土保持通報(bào), 2012, 32(1): 5- 9,226- 226.

[80] 傅伯杰, 徐延達(dá), 呂一河. 景觀格局與水土流失的尺度特征與耦合方法. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2010, 25(7): 673- 681.

[81] 傅伯杰. 地理學(xué)綜合研究的途徑與方法:格局與過(guò)程耦合. 地理學(xué)報(bào), 2014, 69(8): 1052- 1059.

[82] 盧愛(ài)剛, 索安寧, 張鐳. 基于SWAT模型的黃土高原典型區(qū)水土流失格局模擬評(píng)價(jià). 水土保持研究, 2011, 18(2): 57- 61,65- 65.

[83] Feng X M, Fu B J, Lu N, Zeng Y, Wu B F. How ecological restoration alters ecosystem services: an analysis of carbon sequestration in China′s Loess Plateau. Scientific Reports, 2013, 3: 2846.

[84] Wang Y F, Fu B J, Lü Y H, Chen L D. Effects of vegetation restoration on soil organic carbon sequestration at multiple scales in semi-arid Loess Plateau, China. Catena, 2011, 85(1): 58- 66.

[85] Lü N, Liski J, Chang R Y, Akuj?rvi A, Wu X, Jin T T, Wang Y F, Fu B J. Soil organic carbon dynamics of black locust plantations in the middle Loess Plateau area of China. Biogeosciences, 2013, 10(11): 7053- 7063.

[86] Chang R Y, Fu B J, Liu G H, Wang S, Yao X L. The effects of afforestation on soil organic and inorganic carbon: A case study of the Loess Plateau of China. Catena, 2012, 95: 145- 152.

[87] 張立偉, 傅伯杰, 呂一河, 董治寶, 李英杰, 曾源, 吳炳方. 基于綜合指標(biāo)法的中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護(hù)有效性評(píng)價(jià)研究. 地理學(xué)報(bào), 2016, 71(5): 768- 780.

[88] Maskell L C, Crowe A, Dunbar M J, Emmett B, Henrys P, Keith A M, Norton L R, Scholefield P, Clark D B, Simpson I C, Smart S M, Clough Y. Exploring the ecological constraints to multiple ecosystem service delivery and biodiversity. Journal of Applied Ecology, 2013, 50(3): 561- 571.

[89] Bradford J B, D′Amato A W. Recognizing trade-offs in multi-objective land management. Frontiers in Ecology and the Environment, 2012, 10(4): 210- 216.

[90] Jia X Q, Fu B J, Feng X M, Hou G H, Liu Y, Wang X F. The tradeoff and synergy between ecosystem services in the Grain-for-Green areas in Northern Shaanxi, China. Ecological Indicators, 2014, 43: 103- 113.

[91] Su C H, Fu B J, Wei Y P, Lü Y H, Liu G H, Wang D L, Mao K B, Feng X M. Ecosystem management based on ecosystem services and human activities: a case study in the Yanhe watershed. Sustainability Science, 2012, 7(1): 17- 32.

[92] Seppelt R, Lautenbach S, Volk M. Identifying trade-offs between ecosystem services, land use, and biodiversity: a plea for combining scenario analysis and optimization on different spatial scales. Current Opinion in Environmental Sustainability, 2013, 5(5): 458- 463.

[93] 傅伯杰, 于丹丹. 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與集成方法. 資源科學(xué), 2016, 38(1): 1- 9.

[94] Hu H T, Fu B J, Lü Y H, Zheng Z M. SAORES: a spatially explicit assessment and optimization tool for regional ecosystem services. Landscape Ecology, 2015, 30(3): 547- 560.

Advances in landscape ecology in the Loess Plateau since 2010 in China

FENG Shu1,2, ZHAO Wenwu3, CHEN Liding1,2,*, Lü Nan1,2

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3SchoolofNaturalresources,FacultyofGeographicalScience,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China

The Loess Plateau plays an important role in the regional economic development in China; however, the serious issues of soil erosion, fragile ecosystem, and unreasonable land use exacerbate the degradation of land resources and decline of ecosystem services. To restore the damaged ecosystem in the Loess Plateau is of high significance in realizing the regional sustainable socio-economic development for improving the human living environment and ensuring national ecological security. In the last decade, Chinese scholars have conducted numerous studies directed towards solving the issues faced by the Loess Plateau using the landscape ecology principles including landscape pattern evolution, driving mechanism, soil erosion process, and ecosystem services. Main achievements were focused on the landscape pattern evolution and ecological environmental effects, coupling of landscape patterns and ecological processes, and tradeoff between vegetation restoration and ecosystem services. In this paper, the characteristics of landscape ecological studies in the Loess Plateau in the recent five years were reviewed, and the associated problems were analyzed. For example, the comparative study from large-scale, integrating landscape patterns and ecological processes, as well as ecosystem service tradeoff methodology are essentially required. The Chinese landscape ecologists would face the following challenges in future. First, the comprehensive studies should be strengthened on the regional-scale and among different regions, and more attention should be paid to deepen the understanding of the mechanisms of formation and evolution of landscape patterns. Second, the methods for the quantitative identification of patterns and processes should be explored. Third, it is necessary to strengthen the coupling models of patterns and processes. Last, it is necessary to carry out the studies on ecosystem service and advance the corresponding empirical studies, and to develop the ecosystem service tradeoff model for exploring the tradeoff mechanisms in the regional ecosystem services.

the Loess Plateau; landscape patterns; ecological process; ecological restoration; ecosystem services; tradeoff

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41390462)

2016- 12- 22;

2017- 02- 15

10.5846/stxb201612222642

*通訊作者Corresponding author.E-mail: liding@rcees.ac.cn

馮舒,趙文武,陳利頂,呂楠.2010年來(lái)黃土高原景觀生態(tài)研究進(jìn)展.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(12):3957- 3966.

Feng S, Zhao W W, Chen L D, Lü N.Advances in landscape ecology in the Loess Plateau since 2010 in China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(12):3957- 3966.