環境科學技術及資源科學技術

北京地區冬春PM2.5和PM10污染水平時空分布及其與氣象條件的關系

趙晨曦，王云琦，王玉杰，等

摘要：目的：北京2012—2013年的冬春多次出現霧霾天氣，可吸入顆粒物（PM10）污染嚴重。而PM2.5作為PM10中粒徑較小的部分，在PM10中所占比重越高，越引發嚴重污染及心肺疾病。如今，PM2.5和PM10污染逐漸成為人們重點關注和研究的熱點問題。因此，選取北京地區污染頻發季節，分析其時空分布規律，并研究不同氣象條件對其的影響。方法：根據北京市環境保護監測中心網站（http://www.bjmemc.com.cn），選取能夠覆蓋北京所有區縣的30個PM2.5和PM10的質量濃度監測點。收集2012年12月—2013年5月的PM2.5和PM10質量濃度的24 h日均值以及2012年12月PM2.5及PM10的實時濃度值（即小時平均值）。根據中國天氣網（http://www.weather.com.cn），收集各區縣實時氣象因子[氣溫（℃）、相對濕度（%）、風速（風級）、降水量（mm）]數據，記錄2012年12月的小時平均值和日均值。經數據整理，利用Arc GIS普通克里格插值法（Original Kriging）可分別得到北京地區冬、春季節PM2.5及PM10的空間分布圖，結合區縣分布，分析顆粒物分布的整體和區域特征。經SPSS統計，分析北京市及各區域PM2.5及PM10的月變化、逐日變化及日變化等時間變化特征。采用非參數分析即Spearman秩相關系數法對PM2.5、PM10質量濃度與對應氣象因子的相關性進行分析，能更客觀地反映兩者間的關系。結果：（1）空間特征。北京顆粒物濃度的空間分布具有一定的梯度特征，且冬季比春季更為明顯。在全北京范圍內，PM2.5和PM10濃度從北部山區到南部地區逐漸遞增。局部地區顆粒物濃度存在一定的城鄉差異，人口較為密集、污染源較多的城鎮略高于植被覆蓋條件較好、具有一定自凈能力的鄉村地區。區域PM2.5和PM10濃度分布差異體現為：西南部＞東南部＞城六區＞東北部＞西北部。（2）時間特征。不論是全北京還是局部區域，顆粒物濃度的月變化曲線均呈單峰單谷型，且總體趨勢基本相同，均在1月最高，4月最低。逐日變化反應了PM2.5和PM10濃度具有較好的相關性，且波動均隨天氣情況變化明顯。PM2.5和PM10濃度日變化曲線均呈雙峰趨勢，PM10濃度在5—7點左右最低，10—12點左右達到一個小高峰，午后稍有降低，并在19—21點達到一天中的峰值。PM2.5質量濃度的日變化與PM10基本相似，但多數時段下變化趨勢稍有滯后。（3）與氣象因子的關系。北京冬季PM2.5和PM10的質量濃度分別與氣溫、相對濕度正相關、與風速負相關。其中，風速和相對濕度是影響污染物質量濃度分布的主要因素，且氣象因子對PM10濃度的影響比對PM2.5顯著。結論：本文針對北京地區冬春季節進行了顆粒物時空變化規律的探討，并分析了對其產生影響的氣象因子。通過與以往研究對比，使可靠性得到了進一步證實。然而，由于監測點密度及位置的限制，空間插值仍存在一定誤差，顆粒物空間分布的預測值與真實值間存在差距。此外，氣壓、總輻射量、總云量等與PM2.5質量濃度之間也存在著一定的相關性。未來研究中可增加相關因子并延長監測時段，進一步揭示造成顆粒物污染長期滯留的不利氣象條件。

來源出版物：環境科學, 2014, 35(2): 418-427

入選年份：2015

基于轉移矩陣的土地利用變化信息挖掘方法探討

劉瑞，朱道林

摘要：目的：土地利用變化研究是全球變化研究的重要組成部分。土地利用轉換矩陣反映了一個區域在兩個時點間土地利用轉換的數量信息，是最常用的分析土地利用變化的方法。但是該方法目前的應用主要集中在直接分析各土地利用類型數量的變化信息，而忽略了土地利用空間區位的固定性與獨特性，當土地利用類型數量變化很小，空間卻發生明顯轉換時，無法真實的反應土地利用的變化程度。因此本文以土地利用轉移矩陣為基礎，探索全面獲取土地利用變化信息的方法。方法：本文以山東省臨邑縣為例，對其1996—2005年間的土地利用變化進行研究。首先，通過GIS的空間疊加和數理統計分析，獲取兩個時期的土地利用轉移矩陣。其次，通過計算不同土地利用類型的新增量、減少量、總變化量、交換變化量和凈變化量來獲取土地利用變化的數量信息和空間信息。其中，凈變化量是土地利用類型數量的絕對變化量，它是新增量和減少量相減的絕對值，反映了不同時期土地利用變化的數量信息；交換變化量是一個地類在一個地方轉換為其他地類，同時在另外的地方又有其他地類轉換為該地類的數量，它等于新增量和減少量絕對值小的那一個值的兩倍，該數量可以反映土地利用類型的空間變化信息。總變化量既等于凈變化量加上交換量也等于新增量加上減少量。最后，分析土地利用類型間轉換規律。從新增量和減少量兩個角度，計算隨機狀態下土地利用類型間相互轉換的理論頻數，通過實際轉換量與理論轉換量進行對比分析，來識別地類間相互轉換的優勢信息。對比分析采用兩種方法，一種是減法，及采用地類間轉換的實際值（Pij）減去理論值（Lij），該值的大小可以反映地類間轉換的趨勢；另一種方法是除法，及采用地類間轉換的實際值與理論值的相對差值，計算公式為（Pij?Lij）/Lij，該值的大小可以反映地類間轉換的趨勢的強度。結果：（1）1996—2005年只有10.05%的土地發生了變化。耕地總變化量最大，其次是園林地和未利用地，最后是建設用地和其他土地；（2）從整體上看，交換變化量大于凈變化量。耕地、其他土地和園林地的主導變化為交換變化，未利用地和建設用地的主導變化為凈變化。其中，耕地總變化量為8.21%，凈變化量只有0.01%，交換化量為8.20%，交換化量幾乎等于總變化量，因此耕地的變化主要表現為空間位置的轉移；未利用地則正好相反，幾乎都是凈變化，主要表現為數量的減少；其他土地和園林地的變化一方面表現出凈數量的增加，另一方面也表現出一定數量的交換變化，但是交換變化量相對較大，其他土地和園林地的交換變化量分別占各自總變化量的68.18%和55.01%。建設用地以凈變化為主，凈變化量占總變化量的68.22%。（3）地類間相互轉換的規律。從新增的角度，未利用地轉化為其他土地最具有轉換優勢，雖然實際轉換值只有0.49%，但其轉換的實際值是理論值的8倍，相對差值達到7.93；其次是未利用地轉換為園林地，相對差值為1.6。耕地轉換為園林地的比例是最大的，達到2.63%，但是由于耕地是區域內面積最大的類型，在隨機狀態下其轉換為園林地的比例達到2.52%，兩者的差值為兩者差0.11%，相對值為0.04，因而園林地增加有占用耕地的傾向性不明顯。從流失的去向看，其他土地轉換為園林地最具轉換優勢，而兩者的相對差值達到2.12；其次是耕地轉換為園林地，相對差值達到1.8。結論：（1）凈變化量、交換變化量和總變化量等共同組成的土地利用變化信息同時考慮了各土地利用類型的空間轉移和數量變化過程，能更客觀的反應土地利用變化的實際情況。（2）通過實際轉換量與理論轉換量進行對比分析，能夠更客觀的反應土地利用類型間的系統轉換優勢。（3）該方法可以有效獲取各土地利用類型動態變化信息，清晰地辨別土地利用類型間的轉換規則，能夠為土地利用空間分析和建模提供更有用的信息。

來源出版物：資源科學, 2010, 32(8): 1544-1550

入選年份：2015

基于SPOT VEGETATION數據的中國植被覆蓋時空變化分析

邱海軍，曹明明

摘要：目的：植被是土地覆蓋的最主要部分，其變化對全球能量循環及物質的生物化學循環具有重要的影響。特別是大面積范圍內的植被覆蓋時空變化，對認識全球變化有著重要的意義。本文通過1998—2007年中國地區長時間序列SPOT_Vegetation植被指數的研究，分析中國植被覆蓋的時空變化規律。方法：采用歸一化植被指數（NDVI）反映植被覆蓋狀況，NDVI是遙感影像的近紅外波段和紅外波段反射率的比值參數，能很好地反映了植被覆蓋、生物量以及葉面積指數等情況。利用最大值合成法，消除云、大氣、太陽高度角等的部分干擾，建立中國年平均NDVI數據集。基于GIS技術，進行中國自然地理區劃。最后采用一元線性回歸變化斜率法和Mann-Kendall非參數檢驗法，計算1998—2007年來中國植被覆蓋的時空變化。結果：從分析結果可以看出近年來中國植被覆蓋時空變化格局：（1）中國植被整體覆蓋情況自1998年以來，植被覆蓋度雖然上下波動，但在整體上正逐步得到改善。空間上表現為東北濕潤、半濕潤溫帶地區覆蓋度最好，華南熱帶濕潤地區和華中、華南濕潤亞熱帶地區次之，而西北溫帶及暖溫帶荒漠地區覆蓋最差，這主是因為東北濕潤、半濕潤溫帶地區有大興安嶺，小興安嶺和長白山等林帶，華南熱帶濕潤地區和華中、華南濕潤亞熱帶地區溫暖濕潤，降水量多，植被生長良好，而西北溫帶及暖溫帶荒漠地區有世界上著名的幾大沙漠和沙地景觀，植被覆蓋差。（2）從變化斜率分析結果中可以看出中國最大NDVI均值變化趨勢及其分布情況，中國的植被覆蓋整體改善，局部惡化，近1/3的國土植被覆蓋基本不變。其中，輕微改善的面積占國土總面積的25.35%，中度改善的面積占國土總面積的20.03%，11.88%國土總面積得到明顯改善。同時，國土總面積的1.38%和2.14%卻是嚴重退化和中度退化。（3）基于Mann-Kendall非參數檢驗法統計量指標可以看出，1/2以上國土面積植被覆蓋顯著上升，7.02%的國土面積植被覆蓋狀況卻顯著下降，16.72%國土面積植被覆蓋不顯著下降，而22.22%的國土面積植被覆蓋狀況不顯著上升。總體上表現為華中、華南濕潤亞熱帶地區，東北濕潤、半濕潤溫帶地區和華北濕潤、半濕潤暖溫帶地區植被覆蓋顯著上升，西部干旱區域植被狀況正面臨著惡化。結論：SPOT_Vegetation植被指數數據可以很好地在宏觀上監測中國的植被覆蓋時空變化。從整體上對中國植被覆蓋時空分布狀況有較清晰的認識。1998—2007年，整體上中國植被活動在增強，并向好的方向改善，特別是華中、華南濕潤亞熱帶地區，東北濕潤、半濕潤溫帶地區和華北濕潤、半濕潤暖溫帶地區植被覆蓋顯著上升。但局部在卻在惡化，西北干旱區域特別是內蒙古中西地區產生嚴重的惡化。近1/3國土面積植被覆蓋基本不變。

來源出版物：資源科學, 2011, 33(2): 335-340

入選年份：2015

東江流域近20年土地利用變化的時空差異特征分析

任斐鵬，江源，熊興，等

摘要：目的：土地利用變化會對區域生物地球循環與生態功能產生重要影響，也是全球及局地氣候變化的主要驅動力之一。位于珠江水系的東江流域，是河源、惠州、東莞等城市的重要水源地，也肩負著向深圳和香港供水的任務。然而，自1990年以來流域經歷了快速的城鎮化過程，土地利用發生了深刻的變化。因此，探究流域城鎮化過程中的土地利用變化及特點，對認識流域生態環境變化，指導土地利用和生態保護具有重要意義。基于此，本文以1990—2009年間多時相土地利用數據為基礎，通過對上、中、下游土地利用多時相的對比分析，研究東江流域土地利用變化的時空差異特征，以期為流域治理和生態保護提供理論依據。方法：綜合采用了野外調查、遙感影像解譯和空間分析等方法開展研究。（1）土地利用分類：基于1990年、2000年和2009年3期Landsat TM/ETM多光譜遙感影像，運用Erdas9.2遙感影像處理軟件，開展了流域7個一級類，12個二級類土地類型的劃分，并結合2009年1月份的一次野外調繪數據和歷史土地利用資料，采用人機交互的方式，對分類結果進行了校驗；（2）土地利用變化程度及趨勢判定：研究選用了變化量、變化幅度和年變化率3個定量指標，對土地利用變化程度進行了分析，選用了土地利用轉移矩陣對土地利用轉移方向及數量進行對比分析，采用上、中、下游分區對比的方法，進行空間差異性對比分析；（3）土地利用變化驅動力分析：通過多期人口、GDP數據與主要用地面積變化的對比，結合自然環境和宏觀經濟政策的區域差異，對土地利用變化的原因開展了分析。結果：（1）1990年以來，東江流域土地利用變化的特點表現為城市化過程顯著、非城鎮用地結構變化明顯，以及林地和灌草地大為減少的總體特征，近20年內，城鎮用地面積比例從1.52%上升到了9.39%，城鎮用地的增加主要來源于耕地、園地和低覆蓋度林地；（2）流域的上游、中游、下游3個區域城鎮化水平差異顯著，城鎮用地面積下游＞中游＞上游，優勢土地利用結構和發展趨勢也存在著明顯差別，上游以農林用地為主，中游以農林用地、水域和灌草地為主，下游城鎮用地比重明顯增多；（3）流域的3個區域在1990—2000年和2000—2009年兩個時段，城鎮用地增加量表現出相同的空間分異特征，而年增長率卻表現出不同的空間分異特征，其中非城鎮用地的轉化在3個區域差異明顯，自然植被退縮的程度表現為下游＞上游＞中游；（4）東江流域2000—2009年時段的土地利用變化速度較之1990—2000年時段整體上有所緩和，但在程度上仍具有區域差異性，顯示出土地利用進一步向高度集約化方向發展；（5）人口增加、經濟增長、區域發展政策的變化疊加在區域自然差異之上是東江流域土地利用變化及區域差異產生的主要原因。結論：本文綜合采用遙感與GIS等分析手段，對東江流域1990—2009年間的土地利用變化時空差異特征進行了分析，表明東江流域從1990年到2009年經歷了快速的城市化發展過程，城市用地大幅增加，自然植被趨于退化。不同區域的對比分析結論表明，由于流域上、中、下游社會經濟條件和自然環境等方面的不同，流域上、中、下游城市化水平有所差異，土地利用結構和變化趨勢也有所差異。結合這一特點，研究提出了針對性的區域發展策略，建議在上游地區加強自然植被保護，中游地區加強濕地保護，下游地區加強城鎮發展用地的管理等發展策略。

來源出版物：資源科學, 2011, 33(1): 143-152

入選年份：2015

土地利用/土地覆被分類系統研究進展

張景華，封志明，姜魯光

摘要：目的：土地利用/土地覆被變化是全球變化研究中的一個核心和熱點，它不僅影響人類生存與發展的自然基礎，而且影響地球生物化學圈層的結構、功能以及地球系統能量與物質循環等方面，從而與全球氣候變化、生物多樣性的減少、生態環境演變等密切相關。在土地利用/土地覆被變化的研究中，土地利用/土地覆被分類是基礎性和關鍵性的一個環節，它既影響著分類結果的表達，也決定著分類數據的應用領域。本文簡要回顧和評述了國內外土地利用/土地覆被分類系統的研究進展，試圖為土地利用/土地覆被變化研究提供翔實資料與參考依據。方法：本研究查閱了國內外眾多的土地利用/土地覆被分類系統，詳細闡述了幾種具有代表性的土地利用/土地覆被分類系統，分析和評價了各土地利用/土地覆被分類系統的形成背景、適用性和不足之處，在此基礎上，就土地利用/土地覆被分類系統的發展與完善進行了討論與展望。結果：土地利用/土地覆被分類系統，1970年代之前以土地利用分類系統為主。這類分類系統以野外實地調查獲取數據為主要信息源，采用自下而上的分類方法，依據土地被利用的方式來進行分類，分類系統主要用于土地利用現狀調查和土地利用制圖。1970年代隨著遙感和計算機技術的發展，以土地覆被為主的分類系統迅速發展起來，這類分類系統以衛星遙感影像為主要信息源，采用自上而下的分類方法，依據土地覆被的自然屬性，兼顧土地利用的主要特點進行分類，分類系統主要用于土地覆被變化研究。目前的土地利用/土地覆被分類系統一般都只適用于特定研究目的和研究尺度，沒有統一標準，各分類系統間很難進行嚴格的比較和轉換，這種土地分類系統的不兼容性，給土地覆被數據的匯總、分析與共享帶來了諸多不便。結論：為實現不同分類結果的比較與共享，需要有一個統一規范的標準分類系統。但一個適用于所有研究的“萬能”的土地分類系統是不存在的，也是不必要的。在建立土地利用/土地覆被分類系統時應該盡可能兼顧特定的研究需要和分類結果的可比性。一個標準的土地分類系統應該是多級的、開放的系統，高級別的土地覆被類型可以直接基于遙感影像進行識別，以便于實現分類數據的比較和共享；低級別的土地覆被類型可以結合研究區特有的覆被類型、特定的研究目的進行劃分，以滿足特定區域尺度上的研究需要。

來源出版物：資源科學, 2011, 33(6): 1195-1203

入選年份：2015

中國農業碳排放研究：測算、時空比較及脫鉤效應

田云，張俊飚，李波

摘要：目的：宏觀把握我國農業碳排放現狀及其特征是深入研究農業碳排放問題的重要前提。為此，本文將在科學編制農業碳排放測算體系的基礎上，對我國1995—2010年及31個省（市、區）2010年農業碳排放量進行測算并展開時序演變規律與空間差異特征分析；接下來，探討歷年來農業碳排放變化與農業經濟發展間的脫鉤類型并進行階段劃分。方法：農業碳排放測算主要通過構建農業碳排放測算指標體系而后進行乘加匯總計算而實現。考察農業碳排放與農業經濟發展間的關系時采用Tapio脫鉤模型。該方法采用“彈性概念”可以動態地反映變量間脫鉤關系。所謂脫鉤彈性，即農業經濟發展變化的幅度導致農業碳排放改變程度的比值，反映了農業碳排放變化對于農業經濟變化的敏感程度。結果：（1）2010年我國農業碳排放總量為28673.23萬t（約相當于105135.17萬t CO2當量），較1995年的25530.95萬t增加了12.31%，年均遞增0.78%。其中，農地利用、稻田、腸道發酵和糞便管理所導致的碳排放量依次為9831.64萬t、12180.20萬t、5096.19萬t和1565.20萬t，分別占農業碳排總量的34.29%、42.48%、17.77%和5.46%。分階段來看，呈現較為明顯的“上升—下降—上升”的3階段變化特征。（2）橫向來看，區域差異明顯：碳排放總量，排在前10位的地區占全國農業總排放的59.62%；而排在后10位的地區僅占全國8.19%。其中，處于第1位的湖南2010年農業碳排放總量高達2361.36萬t，倒數第一的北京僅為47.82萬t，二地相差48.38倍。碳排放結構，基于碳排放比重差異，將31個省（市、區）劃分為了稻田主導型、農地利用主導型、牲畜腸道發酵主導型、復合因素主導型等4種類型。碳排放強度，總體呈現出西高東低的特征，即西部＞中部＞東部，西藏碳排放強度最高，達2917.14 kg/萬元農業GDP，北京最低，僅為145.79 kg/萬元農業GDP。（3）10多年來，我國農業碳排放與農業經濟發展間的脫鉤類型以弱脫鉤、強脫鉤為主，可見這些年來我國在農業碳減排方面取得了一定成效。具體而言，基于彈性差異，可劃分為兩個階段：強脫鉤、擴張連接、弱脫鉤3種脫鉤類型并存，起伏波動較大的第1階段（1996—2000年）；脫鉤類型集中于強脫鉤、弱脫鉤，平穩性特征較為突出的第2階段（2001—2010年）。結論：本文基于農地利用、稻田、牲畜腸道發酵和糞便管理等四方面16類碳源，就我國農業碳排放的時空差異特征及其與農業經濟之間的脫鉤關系展開了較為深入的研究，并得出了一些研究結論。通過測算可知，2010年我國農業碳排放總量約為105135.17萬t CO2，考慮到我國碳排放總量為65～70億t，農業碳排放則約占總碳排放量的16%，這接近于一些學者所說的17%，可見采用的測算方法較為科學。而進一步研究表明，在過去10多年里，我國農業碳減排也取得了一定成就，表現在碳排放與農業經濟之間的脫鉤關系以弱脫鉤、強脫鉤為主；但同時也暴露出了一些問題，如區域間農業碳排放強度差異較大，可見今后我國農業碳減排壓力仍舊巨大。

來源出版物：資源科學, 2012, 34(11): 2097-2105

入選年份：2015

基于三階段DEA模型中國區域能源效率分析

黃德春，董宇怡，劉炳勝

摘要：能源短缺、利用率低、環境惡化已經成為制約我國經濟發展的重要環節。學界對于能源效率的影響因素分析尚未統一，對能源效率的評價主要是從全要素能源效率指標進行分析。評價能源效率大多采用DEA方法，無法剔除環境因素和隨機誤差的影響，不能得出比較準確的結論。本文運用Fried等提出的三階段DEA模型，將影響效率的環境因素及隨機誤差剔除，來評價我國區域能源利用效率，提高能源效率評價的準確性，試圖克服傳統研究方法的不足。A. Charnes和W. Cooper等于1978年最早創立了DEA-CCR模型，將CCR模型中的技術效率（TE）分解為純技術效率（PTE）和規模效率（SE），即TE＝PTE×SE。這樣能更加準確的反映決策單元的經營管理水平。本文選擇投入導向型的BCC模型。結合Timmer提出的隨機前沿分析（SFA），此模型考慮了外部環境因素對相對效率造成的影響。將第二階段調整后的投入數據與原始的產出數據再次帶入到DEA模型中計算相對效率值，得到的結果就是剔除了環境因素和隨機因素影響的值，反映管理水平的效率值。本文選取能源、人力、資本3大投入要素，采用技術進步和產業結構作為環境變量。選取2009年中國29個省、直轄市、自治區的數據為樣本（其中西藏數據不完整未選入，重慶的數據合并到四川中）。除研發經費支出一項來自《中國科技統計年鑒2010》外，其余數據均來自《中國統計年鑒2010》。對中國29個省市2009年的能源效率進行了分析。第一階段運用投入導向的BCC模型，分別得到各省市2009年的技術效率（TE）、純技術效率（PTE）和規模效率（SE）。第二階段的結果表明，R&D經費和第二產業占GDP比重對資本存量松弛變量和能源消費總量松弛變量通過了顯著性水平為1%的檢驗，第二產業占GDP比重對就業人數松弛變量也通過了檢驗。再次運用DEAP2.1軟件，將調整后的投入變量和原始產出變量帶入求解，可以得到剔除了外部環境因素和隨機誤差的技術效率。將技術效率分為純技術效率和規模效率，并利用其數值來分析能源效率，同時，加入環境變量來分析完善上述計算結果。結果表明，在剔除外部因素和環境變量以前，規模效率被高估，純技術效率被低估。大部分省份在第三階段計算出的規模收益是遞增的，這說明很多企業規模較小，不能體現出規模經濟性。從區域差異來看，則是東部地區的能源效率最高，中部次之，西部最低。針對這一結果，本文給出幾點建議：中西部地區應加強合作，發揮各自優勢，開發新技術新能源，提高能源利用率，促進經濟健康發展。文章得出的結論可為各地區調整能源消耗策略和提高能源利用率提供理論指導。

來源出版物：資源科學, 2012, 34(4): 688-695

入選年份：2015