馮 舒,趙文武,陳利頂,*,呂 楠

1 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049 3 北京師范大學地理科學學部資源學院,北京 100875

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2010年來黃土高原景觀生態(tài)研究進展

馮 舒1,2,趙文武3,陳利頂1,2,*,呂 楠1,2

1 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049 3 北京師范大學地理科學學部資源學院,北京 100875

嚴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,導致該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱、生態(tài)系統(tǒng)服務不斷下降。針對黃土高原地區(qū)存在的問題,我國學者基于景觀生態(tài)學原理和方法,圍繞“景觀格局演變-驅(qū)動機制-水土流失過程-生態(tài)系統(tǒng)服務”的框架開展了大量研究,取得了一系列研究成果。通過梳理和總結(jié)2010年以來黃土高原地區(qū)景觀生態(tài)學研究的現(xiàn)狀和特點,指出了目前研究中存在的問題和不足,突出表現(xiàn)在區(qū)域比較研究、景觀格局與生態(tài)過程耦合研究、生態(tài)服務權(quán)衡方法和模型構(gòu)建等方面比較缺乏。建議未來黃土高原的景觀生態(tài)學研究應加強區(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理；進一步開展景觀格局與過程的定量識別方法學研究,開發(fā)格局-過程耦合模型；加強生態(tài)系統(tǒng)過程與服務研究,同時開展相應的實證性研究,研發(fā)適宜的生態(tài)服務權(quán)衡模型,進而深入探討區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務的權(quán)衡機制。

黃土高原；景觀格局；生態(tài)過程；生態(tài)恢復；生態(tài)系統(tǒng)服務；權(quán)衡

自20世紀80年代以來,中國景觀生態(tài)學研究在追蹤國際前沿的同時,結(jié)合中國特色地區(qū)形成了自成體系的景觀生態(tài)學研究[1],其研究范式經(jīng)歷著從“格局-過程-尺度”向“格局-過程-服務-可持續(xù)性”的變化過程[2]。黃土高原地區(qū)是我國乃至全球水土流失最為嚴重的地區(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)。恢復和重建黃土高原受損的生態(tài)系統(tǒng)對區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展,人民生產(chǎn)生活條件的改善以及國家生態(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50年代和80年代,中國科學家在該地區(qū)開展了大規(guī)模綜合考察,初步探討了水土流失形成過程及其對生態(tài)環(huán)境的影響；20世紀70年代,先后在該區(qū)域設立野外長期生態(tài)觀測試驗站；20世紀80年代起,國家開展了以小流域為單元的水土保持綜合治理工作；1999年,國家推進實施了退耕還林還草工程[4]。作為世界上獨一無二的黃土高原,由于其特殊的地質(zhì)地貌過程、地表水土過程和頻繁的人類活動過程,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,為開展景觀生態(tài)學研究提供了理想舞臺。

近幾十年來,中國景觀生態(tài)學家立足景觀格局、生態(tài)過程、尺度等景觀生態(tài)學研究的核心科學問題,面向生態(tài)系統(tǒng)服務/景觀服務、景觀可持續(xù)性、氣候變化等前沿熱點領(lǐng)域,綜合應用實驗監(jiān)測、模型模擬、GIS和RS分析等技術(shù),針對坡面、小流域、流域、區(qū)域等不同尺度,系統(tǒng)探討了景觀格局動態(tài)、景觀格局與生態(tài)過程、生態(tài)系統(tǒng)服務等科學命題,取得了系列積極進展,形成了景觀生態(tài)學研究中的鮮明區(qū)域特色。王計平等針對黃土高原地區(qū)景觀格局演變研究現(xiàn)狀和存在的問題進行了系統(tǒng)綜述[7],本文通過文獻閱讀,重點分析了2010年以來黃土高原地區(qū)景觀生態(tài)學研究的現(xiàn)狀和特點,探討未來景觀生態(tài)學研究的重點方向和發(fā)展趨勢。

1 研究現(xiàn)狀與特點

針對黃土高原地區(qū)特點,我國學者基于景觀生態(tài)學原理和方法,圍繞“景觀格局演變-驅(qū)動機制-水土流失過程-生態(tài)系統(tǒng)服務”的研究框架,開展了大量的研究(圖1),其研究內(nèi)容主要包括“景觀格局變化及其生態(tài)環(huán)境效應”、“景觀格局與生態(tài)過程耦合”以及“生態(tài)恢復與區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務權(quán)衡”等方面,在理論方法和實用研究方面取得了重要進展。

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,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”為主題檢索歷年來發(fā)表的中英文文章,并對每年的引文數(shù)進行統(tǒng)計分析

1.1 景觀格局變化及其生態(tài)環(huán)境效應

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

1.1.1 景觀格局動態(tài)變化特征

在研究景觀格局動態(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,所開展的工作主要集中于兩個方面：(1)從生態(tài)恢復角度定量識別了黃土高原植被格局的動態(tài)變化特征。從目前研究看,植被格局動態(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]、水蝕風蝕交錯帶[9]、三北防護林工程區(qū)[10]、典型森林景觀[11]等。在我國退耕還林工程的支持下,植被覆蓋總體呈顯著地上升趨勢,在一定程度上揭示了黃土高原植被格局的變化規(guī)律,為未來區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的改善和社會經(jīng)濟價值的創(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,基于不同時期遙感影像解譯的土地利用/土地覆被類型圖,通過構(gòu)建土地利用動態(tài)變化模型和區(qū)域生態(tài)環(huán)境指標等,定量分析不同尺度土地利用/覆被時空變化特征及其驅(qū)動機制[12]。研究認為,由于不同的自然因素和人文因素驅(qū)動,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)政策的實施,也有效增加了黃土高原地區(qū)的植被覆蓋度,對遏制黃土高原地區(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分析,也是景觀格局分析的一大特點。其尺度效應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[17- 18]。

景觀格局分析方法主要包括空間統(tǒng)計分析、景觀指數(shù)分析及格局動態(tài)模型模擬等[4]。在黃土高原景觀格局變化及其動態(tài)分析中,空間統(tǒng)計分析依然是其基本分析方法,往往在景觀類型時空變化分析的基礎上,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)進行格局分析,雖然存在于部分研究文獻中[20],但是其能否具有良好的生態(tài)學意義,卻成為學者們亟待回答的重要問題[21- 22]。針對該問題,學者們深入探討了針對不同生態(tài)過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、匯過程的景觀空間負荷比指數(shù)的構(gòu)建[23- 26]；同時,基于源匯景觀理論和景觀空間負荷指數(shù),學者們也針對土壤侵蝕特定生態(tài)過程,探討并提出了“多尺度土壤侵蝕評價指數(shù)”等[27- 29],來刻畫具有生態(tài)學意義的景觀格局特征。在景觀格局動態(tài)模擬中,運用景觀空間模型研究景觀格局變化及其動態(tài)特征也是黃土高原地區(qū)的一大特點。除了較為常用的CA-Markov模型[12]外,已開發(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空尺度上的景觀動態(tài)變化[11]；范澤孟等構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)過渡帶的時空分析模型,可以在大時間尺度上較準確地模擬區(qū)域土地利用/土地覆蓋的時空變化特征[30]。但是,總體而言,黃土高原格局模擬與預測的研究依舊相對薄弱。

在景觀格局變化的研究中,景觀格局的驅(qū)動機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)濟發(fā)展和地形地貌特征等共同決定著景觀格局的變化動態(tài)。然而1999 年之后,國家推行的退耕還林(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)牧占絕對主體轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)、林、牧均等復合[34- 35]。此外,隨著研究尺度的變化,景觀格局變化的驅(qū)動機制也有明顯的差異[36]。

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

經(jīng)過多年的生態(tài)建設和流域綜合治理,尤其是退耕還林(草)工程的實施,黃土高原的生態(tài)環(huán)境有了一定程度的改善,呈顯著的恢復態(tài)勢。有關(guān)黃土高原生態(tài)建設與景觀格局變化的生態(tài)環(huán)境效應主要集中在3個方面。(1)立地尺度上生態(tài)修復效應的定點監(jiān)測與比較研究。該類研究重點是針對礦區(qū)的生態(tài)恢復,通過對礦區(qū)不同的生態(tài)修復模式的定點監(jiān)測,比較研究不同生態(tài)恢復模式帶來的生態(tài)環(huán)境效應。研究發(fā)現(xiàn)礦區(qū)土地復墾首先會導致生物群落逐漸恢復,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)建設的生態(tài)環(huán)境效應評價。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)建設工程所帶來的生態(tài)環(huán)境效應。研究發(fā)現(xiàn),黃土高原實施的大范圍生態(tài)建設會帶來植被覆蓋度的增加,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模式帶來的生態(tài)環(huán)境效應也有所不同[39- 40]。(3)區(qū)域植被恢復的可持續(xù)性。在植被恢復與景觀格局變化過程中,由于植被恢復方式不夠合理,引進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致了土壤深層水分過度消耗,引發(fā)了大范圍的土壤干層,嚴重影響了植被恢復的可持續(xù)性[41- 42]；大片人工恢復植被開始退化,并形成樹高只有3—5m的小老頭樹現(xiàn)象[43]。黃土高原植被恢復與生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性遇到了巨大挑戰(zhàn)。針對該科學問題,學者們通過耦合地面觀測、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-經(jīng)濟水資源可持續(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應綜合考慮區(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已接近水資源植被承載力的閾值,在未來氣候變化條件下,該承載力閾值在383—528 g C m-2a-1間浮動[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,對于指導黃土高原退耕還林還草工程的實施具有重要意義。

1.2 景觀格局與生態(tài)過程耦合

景觀格局與生態(tài)過程的耦合作用一直是景觀生態(tài)學關(guān)注的重點內(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程的耦合模型一直是多年來研究的重點。

1.2.1 景觀格局與土壤水分

土壤水分的時空變異是由多重尺度上的土地利用、氣象、地形、人為活動等諸多因子綜合作用的結(jié)果[45]。黃土高原地區(qū)土壤水分時空變異性具有一定的尺度效應,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方面。

(1)景觀類型對土壤水分的影響。植被群落影響土壤水分的補給和使用過程,特別是水分的輸入過程,不同植被恢復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,地形因素及人為活動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時間增加而降低[53- 55]。由此可見,在黃土高原未來的生態(tài)修復過程中,如何選擇合適的植被類型來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,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)出上層波動劇烈,下層變化較小的特征[49, 57- 58]。在整個黃土高原尺度,不同區(qū)域總體表現(xiàn)出人工恢復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,應多樣化,過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)動態(tài)上,淺層土壤含水量具有明顯的季節(jié)性波動變化特征,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個季節(jié)的空間變異特征,表明出土壤有效水均呈較強空間變異性,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,降水年型對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土壤水分的垂直變化和月動態(tài)均產(chǎn)生不同影響[60- 61]。

針對黃土高原地區(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)計的線性回歸模型對不同地區(qū)不同深度土壤含水率的分布狀況進行模擬,對黃土高原溝壑區(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)域土壤水分的預測。

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,相關(guān)學者運用以上方法分別對黃土高原土壤侵蝕的強度[68- 69]、流域土壤侵蝕空間的時空演變[65]、景觀格局對流域水土流失過程的影響機制[64]進行了深入的研究,分析景觀格局與水土流失的關(guān)系,尋找流域水土流失評價的有效方法[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,流域生態(tài)環(huán)境得到了明顯改善[71]。

導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、坡形、坡度)對土壤侵蝕具有重要影響[72],坡度和坡長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,土壤侵蝕隨著坡度等級的增大而顯著增強[66]。雨強和雨量對水蝕的發(fā)生具有重要影響,但以雨強的影響更大,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條件的影響,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)恢復背景下,土地利用格局的相對狀況與水沙時空變化關(guān)系密切,在退耕還林(草)工程驅(qū)動下,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,具有多層結(jié)構(gòu)的植被群落比單層植被更能保護土壤,減輕侵蝕強度[77]；灌木林作為景觀基質(zhì)對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程較為常用的方法,主要模擬和預測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,包括土壤侵蝕評估、沉積物運輸產(chǎn)能計算和泥沙演算3個方面,可以用來模擬土壤侵蝕及其對土地利用變化的響應[78]。也有少數(shù)研究采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡進行黃土高原小流域侵蝕預測[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)過程耦合

景觀格局與生態(tài)過程耦合常用的方法是直接觀測、系統(tǒng)分析與模型模擬[80- 81]?；谥苯佑^測的格局過程耦合研究主要包括：(1)在樣點尺度上,通過定位觀測與控制實驗對景觀功能和過程進行機理分析；在景觀尺度上,采用樣帶觀測和實驗并基于GIS和大范圍觀測與調(diào)查數(shù)據(jù),利用空間模型進行景觀動態(tài)模擬；在大區(qū)域尺度上,景觀格局與生態(tài)過程的耦合涉及多重因素,則需要運用遙感技術(shù)、運用系統(tǒng)分析和模擬的方法去實現(xiàn)多手段和多時空尺度的數(shù)據(jù)集成。(2)基于模型的景觀格局與過程耦合研究包括基于土壤侵蝕過程的景觀指數(shù)研究、基于景觀格局變化的固碳效應研究以及黃土高原水沙變化的效應評價等。如,常用的格局與過程的耦合模型是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)過程對土地利用格局演變的響應機制[82]。總體而言,對景觀格局與生態(tài)過程相互作用關(guān)系與機理的深刻理解是耦合研究的基礎,依據(jù)觀測與模型手段深入分析格局-過程關(guān)系的關(guān)鍵因子與作用機理,通過構(gòu)建耦合模型等手段開展耦合研究是景觀生態(tài)學未來的重要方向。傅伯杰先生基于在黃土高原開展的長期研究,系統(tǒng)總結(jié)了格局與過程的耦合案例實踐,形成為了地理學的綜合研究途徑與方法,并提出格局與過程的耦合研究要加強野外長期觀測和綜合調(diào)查[81]。此外,由于不同尺度景觀格局與生態(tài)過程的關(guān)系往往具有顯著的差異,因此在格局-過程耦合研究中,也需要進一步加強景觀格局與生態(tài)過程耦合關(guān)系的尺度效應與尺度轉(zhuǎn)換研究。

1.3 區(qū)域生態(tài)恢復與生態(tài)系統(tǒng)服務權(quán)衡

1.3.1 區(qū)域景觀格局變化與生態(tài)系統(tǒng)服務

從1980s年代以來,一系列生態(tài)恢復措施尤其是1999年后退耕還林還草工程的實施,是黃土高原生態(tài)系統(tǒng)服務改善的主要驅(qū)動因素[83]。許多學者在黃土高原開展了大量的研究,通過發(fā)展區(qū)域性關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務的定量評估方法,揭示了不同尺度生態(tài)系統(tǒng)功能對生態(tài)系統(tǒng)恢復的響應。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]等對生態(tài)系統(tǒng)恢復的響應關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn),黃土高原的生態(tài)系統(tǒng)服務提高主要依賴于農(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)服務的變化量存在明顯的區(qū)域差異,不同時期和植被類型的恢復對各種生態(tài)系統(tǒng)服務的貢獻也存在差異；其中,土壤水分對植被恢復的響應具有明顯的空間差異性,自然恢復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能力會得到顯著提升。這些研究結(jié)果對于黃土高原發(fā)展空間明晰的生態(tài)系統(tǒng)管理具有重要的指導意義。

1.3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務權(quán)衡

權(quán)衡分析有助于獲得對多種服務之間的交互關(guān)系、變化趨勢和驅(qū)動力的深入認識,而這種綜合的分析對于整體性的生態(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,缺乏量化方法和實際的評價[89]。主要借助均方根偏差(RMSD)、二元相關(guān)分析、以及競合系數(shù)等方法對黃土高原區(qū)域和典型子流域多種生態(tài)系統(tǒng)服務間的權(quán)衡關(guān)系進行了量化分析。研究發(fā)現(xiàn),生態(tài)系統(tǒng)服務相互關(guān)系取決于服務的種類,并具有尺度依賴性。例如,調(diào)節(jié)服務之間通常是協(xié)同關(guān)系,而調(diào)節(jié)服務與供給服務之間通常是權(quán)衡關(guān)系[90]。在整個黃土高原上,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]。這可能是因為,在較小空間尺度上,自然因素是主要驅(qū)動因素；隨著尺度增大,人為因素的作用逐漸顯現(xiàn)出來。綜合考慮社會經(jīng)濟因素,可以估算具有權(quán)衡關(guān)系的兩種服務的承載力閾值[44]。

定量辨識不同生態(tài)服務功能隨生態(tài)恢復而表現(xiàn)出的競爭、協(xié)同關(guān)系及其程度是生態(tài)系統(tǒng)服務研究的關(guān)鍵科學問題之一。目前國際上生態(tài)系統(tǒng)服務空間評估的工具很多,應用最多的是InVEST模型,為用戶提供了若干生態(tài)系統(tǒng)服務定量化和價值化的模型,缺點是沒有包括權(quán)衡分析和空間優(yōu)化等方法,也沒有提供運行結(jié)果的可視化表達[92]?；谝陨媳尘?建立了不同尺度生態(tài)服務功能權(quán)衡分析的方法,如,生態(tài)系統(tǒng)過程-服務-管理動態(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)與社會系統(tǒng)的生態(tài)過程特征,明確了通過生態(tài)系統(tǒng)管理調(diào)控與優(yōu)化多種生態(tài)服務功能關(guān)系的途徑,為區(qū)域生態(tài)服務功能權(quán)衡提供了理論框架；此外,區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務空間評估與優(yōu)化工具(Spatial Assessment and Optimization Tool for Regional Ecosystem Services, SAORES)則將GIS、生態(tài)系統(tǒng)模型和多目標優(yōu)化算法有機結(jié)合,提供了一個數(shù)據(jù)、模型、空間制圖、統(tǒng)計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)已在黃土高原多個小流域成功應用,為探索生態(tài)修復的空間優(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,還存在以下問題和不足：

(1)目前的研究多側(cè)重于典型區(qū),從整個黃土高原地區(qū)出發(fā),進行深入比較研究相對不多；區(qū)域植被恢復與景觀格局變化定量關(guān)系及其數(shù)學機理模型研究相對并不多見。有關(guān)黃土高原植被恢復與景觀格局動態(tài)的研究,相關(guān)學者開展了大量的工作,但這些工作多將重點放在黃土高原的典型流域區(qū),對于不同區(qū)域之間的對比以及整個黃土高原尺度上的全面系統(tǒng)研究尚有進一步深化的空間。此外,在定量分析以植被恢復為主要內(nèi)容的生態(tài)恢復過程與景觀格局變化之間相互聯(lián)系與反饋機理方面,有效的數(shù)學模型也不多見。

(2)景觀格局與生態(tài)過程的耦合研究取得了積極進展,諸如景觀格局與土壤水分、水土流失、生物量、固碳效應等方面。然而,對耦合關(guān)系的研究盡管采取了定量觀測與分析的方法,但是其內(nèi)在機理分析尚顯得不夠,景觀格局與生態(tài)過程的耦合模型有進一步發(fā)展的空間[76],區(qū)域差異的對比研究有待于進一步加強。

(3)針對生態(tài)恢復和生態(tài)系統(tǒng)服務間的作用與響應研究,多集中在黃土高原生態(tài)修復過程對土壤保持、水文調(diào)節(jié)以及碳固定等生態(tài)系統(tǒng)服務的影響,系統(tǒng)性和整體性的分析有待于進一步加強；在生態(tài)服務功能權(quán)衡方面,有關(guān)生態(tài)服務權(quán)衡的方法和模型尚處于探索與起步階段,生態(tài)系統(tǒng)服務權(quán)衡與協(xié)同分析研究仍以定性分析較多,定量化的實證性研究并不多見[89, 92]；與此同時,雖然基于不同類型模型開展了多種生態(tài)服務之間的權(quán)衡研究,但有待于加強從機理上開展不同模型之間的比較研究。

2.2 展望

(1)在整個黃土高原尺度上加強區(qū)域尺度的綜合研究,開展不同地區(qū)之間的比較研究,在整個區(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理和演變機制,發(fā)展區(qū)域景觀格局變化的機理模型,定量分析生態(tài)恢復與景觀格局變化之間的相互關(guān)系與反饋機理。

(2)進一步發(fā)展格局和過程的定量識別與研究方法,在景觀格局與生態(tài)過程的耦合研究時,繼續(xù)加強野外長期觀測和綜合調(diào)查,將地面觀測與遙感緊密結(jié)合,探索格局與多過程的耦合效應及其權(quán)衡比較分析。此外,由于格局與過程耦合具有空間異質(zhì)性,應將不同尺度的研究進行同化和綜合,并在此基礎上開發(fā)格局-過程耦合模型,對不同時空尺度景觀格局和生態(tài)過程進行模擬和預測。

(3)加強生態(tài)系統(tǒng)過程與服務的研究,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)服務之間關(guān)系的研究,從而為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務的權(quán)衡和優(yōu)化管理提供基礎,建立基于機理的生態(tài)服務權(quán)衡綜合性模型,進一步實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務的集成；同時,開展相應的實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)服務權(quán)衡模型,為深入探討區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系提供新途徑。

(4)如何開展科學的人類活動調(diào)控與提高景觀管理效率也將是未來黃土高原地區(qū)景觀生態(tài)學研究的重要工作之一?？v觀黃土高原景觀的歷史變遷,人類活動始終強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)境演變的主導因素之一。雖然退耕還林還草工程促進了黃土高原植被覆蓋的增加,但在城市化和工業(yè)化進程不斷加速的時代背景下,過度放牧、開墾以及亂采亂伐等現(xiàn)象在一定程度上導致了植被覆蓋度的降低。由此可見,人類活動對黃土高原景觀變化的建設和破壞作用同時并存,如何實現(xiàn)正影響大于負影響,不僅要繼續(xù)推進各項生態(tài)工程建設的實施,還需加強對人類活動的合理調(diào)控,進行有效的景觀管理,從而實現(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. 中國景觀生態(tài)學發(fā)展歷程與未來研究重點. 生態(tài)學報, 2014, 34(12): 3129- 3141.

[2] 趙文武, 王亞萍. 1981- 2015年我國大陸地區(qū)景觀生態(tài)學研究文獻分析. 生態(tài)學報, 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. 地理學報, 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)學原理及應用. 北京: 科學出版社, 2001.

[7] 王計平, 陳利頂, 汪亞峰. 黃土高原地區(qū)景觀格局演變研究現(xiàn)狀、問題與未來發(fā)展. 地理科學進展, 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, 2011.

[9] 孫艷萍, 張曉萍, 徐金鵬, 馬瞳宇, 馬芹, 雷泳南. 黃土高原水蝕風蝕交錯帶植被覆蓋時空演變分析. 西北農(nóng)林科技大學學報: 自然科學版, 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態(tài)模擬. 生態(tài)學報, 2015, 35(2): 254- 262.

[12] 郭斌, 張莉, 文雯, 任志遠. 基于CA-Markov模型的黃土高原南部地區(qū)土地利用動態(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. 中國水土保持科學, 2013, 11(5): 57- 62.

[17] 趙文武, 朱婧. 我國景觀格局演變尺度效應研究進展. 中國人口·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. 第四紀研究, 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)學報, 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)學中的格局分析：現(xiàn)狀、困境與未來. 生態(tài)學報, 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)學報, 2011, 31(1): 267- 275.

[23] 陳利頂, 傅伯杰, 徐建英, 鞏杰. 基于“源-匯”生態(tài)過程的景觀格局識別方法——景觀空間負荷對比指數(shù). 生態(tài)學報, 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)學意義. 生態(tài)學報, 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. 多尺度土壤侵蝕評價指數(shù)的技術(shù)與方法. 地理科學進展, 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)過渡帶土地覆蓋的時空變化分析. 自然資源學報, 2013, 28(3): 426- 436.

[31] 易揚, 信忠保, 覃云斌, 肖玉玲. 生態(tài)植被建設對黃土高原農(nóng)林復合流域景觀格局的影響. 生態(tài)學報, 2013, 33(19): 6277- 6286.

[32] 張慶印, 樊軍, 張曉萍. 退耕還林(草)對農(nóng)牧交錯區(qū)小流域景觀格局的影響——以神木縣六道溝小流域為例. 中國水土保持科學, 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空演變. 水土保持學報, 2014, 28(5): 43- 50.

[35] 王計平, 程復, 汪亞峰, 陳洪波, 于強. 生態(tài)恢復背景下無定河流域土地利用時空變化. 水土保持通報, 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)修復效應研究. 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, 鄭紀勇. 水蝕風蝕交錯帶植被恢復對土壤物理性質(zhì)的影響. 生態(tài)學報, 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)不同植被恢復群落特征及多樣性研究. 西北林學院學報, 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, 傅伯杰, 王軍, 張希來, 孟慶華. 土壤水分時空變異及其與環(huán)境因子的關(guān)系. 生態(tài)學雜志, 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)學雜志, 2015, 34(9): 2568- 2575.

[50] 王亞飛, 樊軍, 賈沐霖. 黃土高原水蝕風蝕交錯區(qū)植被恢復中土壤水分變化. 草地學報, 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, 邵明安, 劉志鵬. 黃土高原區(qū)域尺度土壤水分空間變異性. 水科學進展, 2012, 23(3): 310- 316

[57] 繆凌, 董建國, 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. 土壤學報, 2015, 52(1): 57- 67.

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

[61] 李巍, 郝明德, 王學春. 黃土高原溝壑區(qū)不同種植系統(tǒng)土壤水分消耗和恢復. 農(nóng)業(yè)工程學報, 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. 水科學進展, 2015, 26(5): 649- 659.

[63] 賈小旭, 邵明安, 魏孝榮, 李學章. 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)工程學報, 2010, 26(10): 38- 44.

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

[65] 龐國偉, 謝紅霞, 李銳, 楊勤科. 70多年來紙坊溝小流域土壤侵蝕演變過程. 中國水土保持科學, 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: 基于137Cs示蹤的定量評價. 應用生態(tài)學報, 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, 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)土壤侵蝕定量評價. 水土保持通報, 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)學報, 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研究. 地理科學, 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)坡面水蝕對降雨和下墊面微觀格局的響應. 環(huán)境科學, 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水土流失的影響. 中國水土保持科學, 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研究進展. 生態(tài)學報, 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, 湯國安, 李發(fā)源, 袁寶印, 陸中臣. 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡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, 2012, 32(1): 5- 9,226- 226.

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

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

[82] 盧愛剛, 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價. 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. 基于綜合指標法的中國生態(tài)系統(tǒng)服務保護有效性評價研究. 地理學報, 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)服務權(quán)衡與集成方法. 資源科學, 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

國家自然科學基金資助項目(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年來黃土高原景觀生態(tài)研究進展.生態(tài)學報,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.