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北京周边地区土地利用变化及其生态与环境效应

时间:2012-10-17 09:17:06点击率:166

北京周边地区土地利用变化及其生态与环境效应——教育部科学技术研究项目系列介绍

项目编号:306019(重大)

项目承担单位:北京大学

项目负责人:方精云

本重大项目是依托地表过程分析与模拟教育部重点实验室开展的北京周边地区土地利用变化及其生态与环境效应研究,应用大量野外调查和遥感数据,利用光释光测年、遥感、地理信息系统以及地统计学等方法,从城市化过程与城市植被、表土持久性有机物分布及其来源等方面,对北京地区的土地利用/土地覆被变化及其生态和环境效应进行了系统研究。

该项目在持久性有机物的空间格局及其来源、城区园林植物群落和生物多样性、表土磁性特征等方面具有创新性。研究成果可以为北京市的土地管理、生态建设和环境治理提供科学依据。

主要成果有:

一、北京及周边地区土地利用/土地覆被以及植被覆盖变化

利用197819841992199620012006 年的遥感影像,结合数字地形模型 (DEM),分析了北京及其周边地区土地利用/土地覆被变化规律及其成因,探讨了地形条件对土地利用变化的影响以及城市化过程及其生态效应。得到的结果是:1. 19782001 年间北京市土地覆盖变化主要发生在平原和低海拔、小坡度的平缓地区,表现为农业用地向城镇用地的转变;高海拔地区主要为天然植被所覆盖,土地覆盖变化相对较小,主要是灌丛向林地的转变。2. 地形因子显著影响土地覆盖类型的分布及变化。随着海拔的升高和坡度的增大,农业用地和城镇用地减少,林地和灌丛逐渐增加。

为分析华北北部地表植被覆盖变化趋势,探寻合理土地利用方式,基于1999 月至200612 月的NDVI 数据,表征并分析地表覆盖动态变化的空间格局。结果表明:近年来华北北部地表植被覆盖整体得到改善的区域比植被覆盖退化的区域面积大,得到改善的区域约占总面积的66.0%,退化区域约占19.6%。不同地区、不同地形、不同土地利用类型有不同表现,各种土地利用类型年均NDVI 值近年来整体呈增加趋势。 

北京地区不同时期的土地利用/土地覆被现状

二、城区植物群落的主要特征及其变化

通过调查北京城区皇家园林的半自然植被的群落结构、物种组成,分析了城区主要半自然植被的分布特征及其变化规律,并评价了这些半自然植被对北京生态环境的效益。结果表明北京城区皇家园林的半天然植被具有很强的综合优势,物种多样性高,群落稳定,生态效益高,维护管理成本低。园林管理部门对半自然植被的改造弊大于利,如定期砍除高草导致伴人植物大量出现;清除天然灌木和草本大量降低了生物多样性。提出以下植被建设和管理建议:1.尽量保留原有半天然植被,以发挥其重要的生态功能;2.可在科学合理的原则下适当进行必要的植被改造。并提出了城市绿化乔木层、灌木层以及草本层物种的搭配模式。

 三、北京地表持久性有机污染物研究

采用网格法均匀布点采集了北京地区161 个表土样品,测定了其中15 种多环芳烃 (PAHs)的浓度,制作了北京市表层土壤PAHs 的分布图,分析了并利用多元分析方法解析出表土中PAHs种来源:煤炭燃烧/交通排放、焦炉及石油,得出了各来源的贡献及分布。结果表明,北京地区表土中PAHs 的特征污染源为煤炭燃烧/交通排放、焦炉及石油种源基于多元线性回归法的贡献率分别为48%28%24%,对15PAHs 总量的贡献量均值分别为16.364.63 3.70μg·kg-1。燃煤/交通源表现为市中心源强高于郊区焦炉源在大部分区县中存在单一高值点石油源在市中心及五环外环带呈点状分布。据此推断北京地区PAHs 的源贡献与北京地区能源结构和功能区划有关,能源结构和功能区划的改善是控制北京地区表土中多环芳烃的有效途径。

北京地区16 种多环芳烃分布图 a, 二环, b, 三环c, 四环d, 五环e, 六环 f, 总量

此外,在北京市城市地区,以城市道路的PAHs 为研究对象,采集了个地点(主干道、自行车道及支路)的多场地表径流和同期雨水样品,探讨了地表径流和雨水样品中溶解相和颗粒相PAHs 的浓度特征、在时间和空间上的变化规律、污染来源,并进行了径流污染负荷模拟。结果表明,降水中PAHs 含量主要与燃煤 (54)、交通排放 (34%)以及焦炉(12%)。通过上述研究,初步阐明了以PAHs 为代表的持久性有机污染物在北京市城市和农村地表的来源、分布和迁移转化趋势,为区域生态风险评价、土地利用决策提供了有用的基础信息。

四、北京地区表土磁性分布特征

为查明历史时期土地利用与土地覆被变化对北京环境的影响,特别是近年来土地利用变化对北京春季沙尘暴的影响,研究了官厅水库周围沙丘的分布和沉积特征,并对沙丘的形成年龄进行了测定。通过比较1957, 1971  2001的航空照片和卫星影像,发现该地区沙丘平均移动速度是每年12,其移动方向为由西向东。光释光年龄测定表明,该地山坡上的沙丘的形成始于大约220年前,沙丘砂的粒度组成表明这里几乎没有能被风吹起并进行长距离搬运的细颗粒物质,因而,1952年修建官厅水库而引起的地表状况变化不是造成山坡上沙丘形成的原因,水库周围的沙丘也不可能成为北京沙尘暴的主要物源地,沙丘的移动不会对北京城构成威胁。

通过对北京城郊各区县地表表层土壤环境磁学性质的测量,初步获得了北京地区大尺度的表土磁性分布特征。结果表明,在北京西北部和西南部的山地地区,表土的磁学性质主要受自然环境的控制,磁性较强;在北京中部和东部的山间谷地以及平原地区,表土的磁性较弱;而在一些工厂和交通要道附近,受到人类活动的影响。因此,在利用磁学方法研究土地利用影响时,尤其是区分强磁性的土壤母质发育的表土和严重扰动的表土时,需要对磁学指标做合理的选择。

不同城市交通环境下交通道路尘土样品的磁学参数特征表明:机动车道上尘土磁学参数最高,交通车辆较少的道路上尘土样品磁学参数次之,而自行车道上尘土样品磁学参数最低;机动车道上尘土磁学参数随季节变化显著,其中冬季(11月至2月)样品的磁学参数值明显高于其他季节的样品,而自行车道和交通车辆较少的道路上尘土的磁学参数随季节变化并不明显。因此,可以通过利用交通道路尘土样品的磁学特征来监测城市道路交通环境。为将磁学方法更广泛地应用到北京地区的土地利用变化及城市环境监测研究中去打下了更加坚实的基础。

通过本项目的研究, 项目组成员发表论文20余篇,其中SCI期刊收录11篇;在国际学术会议大会报告1次,国内学术会议特邀报告1次;共培养博士后2人、博士研究生4人,硕士研究生6人;并获得后续的北京市和国家自然科学基金支持。

 本文转自教育部科技司

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