内涝、水污染与水体黑臭、河湖生态系统退化是城市面临的主要水问题，已成为限制长江经济带绿色发展的关键瓶颈问题之一。深入认识城市发展过程中水系统的演变规律以及各要素之间的相互影响，阐明城市水问题的形成机制，构建城市水系统综合治理技术体系，是解决城市复杂水问题的根本途径。本文针对上述水问题，从水循环系统多过程耦合的角度出发，总结了城市水系统的概念和特征，提出了城市水问题系统治理关键技术体系，并以2016—2022年长江经济带城市（群）治理案例为例开展应用。研究表明：泵站抽排和海绵措施可有效减少武汉市发生极端降水时的严重内涝面积和消除成渝城市群内涝点；微生物—植物—水动力一体化协同调控组合工艺可以显著强化武汉市典型黑臭水体的氮磷去除效果；源头控制—路径耗散—末端治理的城市河湖生态综合修复体系使重庆市两河流域水体富营养化水平明显下降；实施上述治理技术体系后，长江中游城市群绿色发展指数平均提升4.8%。本文可为长江经济带绿色发展重大战略提供城市水系统理论和技术支持。
全球自然保护地的保护成效已被广泛认可，但仍面临覆盖面积、生态系统代表性和物种保护程度不足等问题；同时，多数自然保护地面积小、连通性差，且面临气候变化与人类活动威胁，迫切需要通过自然保护地扩张与连通性管理，系统提升自然保护地的稳定性及其保护成效。尽管已有研究尝试通过生态廊道实现自然保护地连通，但尚未形成统一的概念，且缺少构建与优化框架的普遍共识。本文系统梳理相关研究进展，提出了自然保护地连通网络的概念内涵和分类体系，以及连通网络构建与优化框架及常用方法。自然保护地连通网络根据保护目标可分为生物迁徙网络、结构稳定网络和气候连通网络，按照“自然保护地扩张—景观阻力面构建—生态廊道提取—连通网络优化”框架，基于不同方法进行构建与优化。当前自然保护地连通网络研究侧重静态视角下构建短期有效的连通网络，强调直接生态效益而忽视保护投入与社会价值。未来应使用长时序数据基于动态视角构建自然保护地动态连通网络；应对土地利用变化与气候变化威胁，保障自然保护地连通网络的长期有效；权衡多重保护目标，以及发展与保护的需求，基于成本—效益分析确定连通网络构建与优化的最佳方案；提升连通网络的社会附加价值以获得更多支持。
地图是地理学的语言，视觉变量是地图学的基础理论。然而，当前对地图视觉变量的研究主要以经验描述归纳为主，视觉机理解释不足，存在感知顺序不清晰、“形状”视觉变量划分粒度不精细、“位置”视觉变量界定不清楚3个基本问题。本文在总结眼—脑系统中的主要视觉神经元的基础上，详细分析了视觉变量的神经机理，研究发现：① 视觉变量的感知顺序首先是亮度和色彩，其次是简单的位置、方向、尺寸，最后是复杂的形状和纹理；旅游图的眼动实验表明，利用色彩能够被优先感知的特点，可以将色彩作为视觉线索，用于加强地图的视觉层次，引导读者的视觉注意力。② 曲率可作为形状视觉变量的细分变量；可持续发展制图案例表明，曲率视觉变量可以有效用于表达定性、定量信息。③ 位置能够被视觉神经元直接高效识别和处理，应该被定义为一个视觉变量，但是在强调图形位置精度的情况下，它不宜变化。导航地图和印象地图的对比实验表明，位置视觉变量能够引起显著的视觉和情感唤醒度差异。本文研究结果可加深对地图视觉变量理论的理解，可为可持续发展制图、个性创意地图设计等提供新的视觉设计理论。
选取适当地理边界对研究区或影像进行分区，降低区域内土地覆被复杂程度及其在影像中的特征变异性，能够有效提升土地覆被遥感分类的精度和效率。现有土地覆被制图中开展分区分类策略所借助的生态分区等区划数据缺乏目标针对性，其对遥感分类的适用性范围及精度提升效果仍存在限制。植被物候变化是造成自然场景土地覆被类内光谱异质的主要原因，本文利用遥感观测的反映地表植被绿度状态的植被指数和反映地表植被生长发育节律的关键物候期构建分区指标体系，以反映微地貌形态、坡面属性及地表物质组成的地貌小区为分区单元，采用数据驱动的空间约束层次聚类算法，提出了面向自然场景土地覆被分类的遥感物候模式分区。基于统计检验和多源土地覆被产品的分区评价结果表明，本文的遥感物候模式分区可有效降低区域内土地覆被复杂程度和植被物候变化引起的类内特征异质，在土地覆被代表性样本库构建以及分区分类策略实施等方面具有较高应用潜力。
信息智能化与时空大数据时代拓展了地理信息系统（GIS）的应用边界，给地理场景的描述与表达带来了机遇与挑战。现有的时空数据组织与空间认知模型主要以自下而上思维为主，存在对象抽象表达认知度低、实体对象分区组织割裂等局限性。特别是大数据背景下，地理场景表达中对象与知识的集成度较低、模型与数据的协同计算能力不足等问题更为突出。本文以莱布尼兹（Leibniz）相对时空观为理论基础，提出了对象空间的地理场景组织与管理方法。文章分析了地理场景的概念与发展历程，剖析了地理场景特点，提出了对象空间概念以及对象空间对地理场景的表达方式，建立了层次化对象组织模型、网络化的知识表达技术、按功能分类的模型组织方法，从而构建了“数据—知识—模型”高度集成与协同的地理场景建模理论与技术。结合山东高标准农田土壤含水量监测案例，验证了本文方法的实用性和可行性，为深化地理数据组织模型的理论研究和拓展示范应用场景提供了技术支撑。
近年来长江下游潮区界上移、涉水工程建设增多，河道崩岸灾害强度增大。前人通过现场观测、物理模型、数值模拟发现崩岸段存在强烈竖轴回流，但未探讨滩槽交互带水动力分区特征及地貌的微观适应机制。本文基于频繁窝崩岸段多普勒声学流速剖面仪（ADCP）、多波束测深系统获得的高分辨率动力、地貌同步观测数据，结合以往高分辨水下地形资料，研究发现：滩槽交互带流速、流向具有显著分区特性，根据纵向流速u及其与横向流速v的比值|u/v|，即回流强度α，自槽向岸分为主流区（α<1，u>0）、掺混区（ ≥1）和贴岸回流区（α<1，u≤0）；主流区发育大中型沙波、冲刷槽、冲刷坑，掺混区发育堆积体、小型沙波，回流区发育有窝脊、小型沙波；主流区主流顶冲、回流区回流侧蚀是冲刷地貌发育、崩岸拓展的主要动力，掺混区近主流区一侧的高流速梯度产生冲刷地貌、其余部分低流速使泥沙落淤形成堆积体。本文可为崩岸灾害整治和近岸工程设计监测提供重要参考。
为进一步理解末次冰消期以来东亚夏季风（EASM）变化的时空特征，特别是中原地区全新世EASM的时空格局及其驱动机制，在AMS 14C年代的支持下，本文基于荥阳盆地湖相—湿地相剖面的正构烷烃和沉积学指标（粒度和总有机碳），重建了荥阳盆地~17.8 cal ka BP以来的气候与环境变化历史。重建结果表明，~17.8—~11.7 cal ka BP是草原环境下的黄土状堆积阶段。~11.7—~8.5 cal ka BP为湿地沉积时段，是森林和湿地扩展的时期。~8.5—~2.8 cal ka BP为湖泊存在时段，木本植物和水生植物丰度达到最高后波动降低。~2.8—~2.4 cal ka BP为湿地存在阶段，菌藻类和/或微生物、沉水浮游植物的烷烃贡献量很大。~2.4—~1.1 cal ka BP为草原环境下的黄土沉积时段。本文进一步基于荥阳盆地长链正构烷烃的平均碳链长（ACL27-33，简称ACL）和C27+29/C31+33比值，结合渑池盆地木本花粉百分含量和禾本科/（蒿属+藜科）比值，重建了中原地区全新世以来湿度变化，并与长江中下游地区和中国北方地区（指黄河以北地区）的全新世湿度序列进行了对比。对比结果显示，全新世中期的干旱时段（~7.0—~4.0 cal ka BP或 ~8.0—~5.0 cal ka BP）与长江中下游地区全新世中期的干旱时段基本对应。这一时段的干旱对应于厄尔尼诺—南方涛动（ENSO）强度的较低值（即La Nino态）时段和赤道西太平洋SST较高温时段。控制上述EASM影响区的中国中部地区全新世湿度空间格局的主要机制可能是ENSO状态以及由ENSO调控的亚热带西太平洋高压（WPSH）的南北向移动。
多年冻土对全球变化非常敏感，利用植被演替揭示多年冻土区气候与环境变化具有重要意义。本文以大兴安岭漠河盆地多年冻土岩芯孢粉学为证据，通过AMS14C构建了年代学框架，重建多年冻土区更新世晚期以来植被演替与气候历史，分析了植被演替对多年冻土区环境变化的响应。结果显示孢粉组合较好地反映漠河盆地和外围山地植被组成格局，依据区域关键植被对气候指示关系，漠河盆地30 ka BP以来植被演替指示气候发生了5次显著变化过程：30.0—27.1 ka BP形成草甸湿地景观，指示气候寒冷湿润；27.1—20.5 ka BP形成针叶林草原景观，指示气候相对寒冷干旱；20.5—11.3 ka BP由针叶林湿地向针阔混交林湿地景观转变，指示气温开始转暖，但气候仍寒冷湿润；11.3—1.9 ka BP形成针阔混交林湿地景观，指示气候温暖湿润；1.9 ka BP至今形成针叶林湿地景观，指示气候冷凉湿润。通过对比分析发现，影响植被演替的因素不仅包括纬度和海陆位置上的气候差异，还有多年冻土本身引起的区域环境效应，植被演替对冰期、间冰期多年冻土变化具有不同响应机制。在末次冰盛期，由于多年冻土冻结和扩张，导致多年冻土环境更能适应耐寒耐旱、根系较浅的蒿属、藜属等陆生草本繁殖，干旱草原扩张；在全新世大暖期，多年冻土的融化和退缩不仅为植被提供了良好的生境，还有利于湿地的潜育化和面积扩大，促进水生植被、蕨类苔藓和乔木的大量繁殖，形成森林湿地景观。因此，由于多年冻土的存在，放大了气候的水热特性，植被对多年冻土区环境变化的响应更为敏感。
库姆塔格沙漠北部沙丘表面多呈现褐黑色至灰褐色，在一些羽毛状沙丘（沙垄）表面常出现明暗交错的色斑景观，成为该沙漠独特标识。本文对采自该区表层沉积物样品进行了粒度分析、色粒的目视分类与色度标定以及沉积物色度的仪器测试。研究表明：目视色度指数CI与器测亮度L*和黄度b*有很强的线性对应关系，可以相互替代表达沉积物的颜色和明暗程度。CI和L*与颗粒自身颜色和粒度密切相关，黑色、灰色和褐色来源于碎屑原生岩性和风化物附着物与粗粒径相关性高，表现为色度高、亮度小；而黄色和白色主要为浅色岩石矿物与细粒径相关性高，即色度低、亮度大。沙漠中沉积层理显著，上粗下细的平行层理成为影响沙丘表面色度的重要因素。沙丘表面色度明暗变化是沙粒运动过程中表层粗粒岩屑的蠕动堆积和细粒矿物的风蚀搬运与风动力相适配的结果，色度高的极粗砂（-1.0~0 Φ）或极粗砂+粗砂（-1.0~0.5 Φ）在表层0~1cm深度内含量只需5%~10%的相对变化就会使沙丘表面相邻区域产生色度不同的明暗色斑，这种现象与沙漠物质组成、风力分选和沉积物所处地貌部位关系紧密，是多种自然因素综合影响的结果。本文可为揭示库姆塔格沙漠及类似沙漠沙丘表面颜色成因及形成机制提供实验模型和数据参考。
洞穴温、湿度是影响石笋生长的重要因素。本文对北京石花洞洞穴温、湿度进行为期43个月的高分辨率（小时）监测分析，探究其发生规律和原因及其与洞内气流活动的关系。结果表明：① 洞穴温、湿度呈现冬春低、夏秋高的季节性变化，洞内温度变化滞后于地表1~3个月，对升温响应慢而对降温响应快，且不同监测点对洞外温度的响应不同。冷季（12月—次年4月），绣花台（XHT）和小蘑菇（XMG）温湿度均呈现下降趋势，二者呈显著正相关；盘龙（PL）点温度变化小且湿度基本处于饱和，二者没有相关性。② 洞内温、湿度日变化季节差异明显，在冷季，PL与XMG点与地表温度日变化相反，白天低夜晚高，而XHT点与地表温度日变化趋势一致；XHT与XMG点与地表湿度日变化一致；暖季（5—11月），洞内与地表温度日变化趋势一致。洞内温、湿度空间变化规律反映了石花洞特殊“楼层式”结构通风的季节性差异以及旅游活动的影响，冬季较强的“烟囱效应”引起的气流活动是洞穴温湿度变化的主要驱动，而在旅游高峰期和游客容易聚集区域，旅游活动的影响显著。本文可以丰富不同洞穴类型下洞内外气流活动的认识，为洞穴石笋的沉积及其古气候反演机理提供重要依据，亦可为旅游洞穴景观保护提供指导。
表层土壤中总有机碳（TOC）与相应上覆植物/植被之间的正/负δ13C偏移量已被广泛报道，并被认为可能是由多种因素（如大气、气候和土壤因素）变化引起的。开展更大空间尺度的研究，可以更好地揭示其主导因素。本文对中国内陆空间跨度数千公里的107个样点的表土和食草动物粪便样品进行了采集，对表土TOC、表土中分离出来的植物残体全样（PL）、食草动物粪便全样（HF）、表土植物残体和食草动物粪便中提取的α纤维素（α-cellulose）开展了δ13C分析测试。数据分析显示，表土TOC与表土中植物残体全样之间的δ13C偏移量（Δ13CTOC-PL）和食草动物粪便全样与表土中植物残体全样之间的δ13C偏移量（Δ13CHF-PL）均与δ13CPL呈负相关关系。同样，食草动物粪便α纤维素与表土中植物残体α纤维素之间的δ13C偏移量（Δ13CHF-PL-cell）也与δ13CPL-cell呈负相关关系。对这些负相关关系最合理的解释是，在表土中的分解过程和食草动物体内的消化过程中，C4植物的分解/消化速度比C3植物更快。研究结果表明，基于现代表土、沉积物和动物残骸δ13C数据估算的C4植物相对丰度，可能被普遍低估，在以后的相关研究当中应当予以适当考虑和评估。
全球变暖不断影响着森林生态系统的结构和功能，其中森林生产力受到大范围极端干旱的限制更为强烈，并表现出显著的空间异质性。本文通过对中国北方干旱半干旱区257个针叶树种年轮样点进行生长趋势检测和气候驱动因子评估，确定了自20世纪以来针叶树种径向生长动态变化及其对气候因子响应模式。滑动平均分析结果表明中国新疆和西北地区针叶树种径向生长呈持续增加趋势，华北地区呈波动式增加，东北地区则在20世纪中叶后呈下降趋势。空间响应模式表明水分对所有区域的针叶树种径向生长存在积极作用，气温上升引起的蒸散发加剧则会抑制径向生长，然而西北地区生长季变化对径向生长的影响受益于暖湿化现象产生的热效应。气候学分析表明大气环流因子从年际到年代际尺度上通过调节全球海温和气压强度变化，对亚洲季风区降水产生显著作用，在一定程度上影响了中国北方针叶树种径向生长动态。CMIP5数据和VS-Lite模型揭示在未来气候变化情景下受全球变暖影响，延长的生长季会促进区域针叶树种径向生长，而低降水量引起的干旱胁迫仍然对径向生长存在限制作用，特别是在水分缺乏的中国西部地区。
三江源国家公园位于青藏高原腹地，拥有独特气候和丰富物种基因，在生态系统中具有特殊地位。然而，气候变化和人类活动的影响使其面临生态挑战。准确监测三江源国家公园植被净初级生产力（NPP）的时空变化对于促进生态环境的保护和改善至关重要。模型模拟是陆地生态系统研究的重要方法，但模拟结果存在不确定性。多模型集成技术能够综合不同模型的优点，提高NPP模拟的准确性，为研究NPP长时序变化提供思路，同时为环境治理提供科学支持。本文应用多模型集成分析方法，结合4种生态系统过程模型CLM、DALEC、CEVSA和GLOPEM-CEVSA，分析三江源国家公园2000—2018年NPP的时空变化，并探讨气候因子对NPP变化的影响。结果表明：① 2000—2018年三江源国家公园年均NPP为251.17 gC m-2 a-1，澜沧江源园区最大（267.24 gC m-2 a-1），长江源园区最小（121.88 gC m-2 a-1），黄河源园区居中（198.81 gC m-2 a-1），NPP呈现自东南向西北递减的空间分布。② 2000—2018年三江源平均NPP为222.00~298.02 gC m-2 a-1，年际变化呈显著增加趋势，增速为9.8 gC m-2 10a-1。③ 气候因子对三江源NPP的影响存在区域差异性，长江源园区和黄河源园区主要受到气温和辐射的影响，澜沧江源园区还受降水的显著影响。本文研究结果将为三江源国家公园生态保护成效评估和科学管理提供技术支撑与决策依据。
在多重外部因素冲击导致世界粮食危机日趋严重的背景下，如何构建更加高产、更富营养、更具韧性和可持续性的粮食安全系统，以推进农食系统转型，对于稳定中国经济社会发展大局至关重要。本文基于“自然—社会—经济”复合系统的三重视角，将粮食安全系统划分为资源与环境、生产与供给及分配与消费3个层面，采用“压力—状态—响应”三维框架，构建了粮食安全系统转型的评估指标体系，利用2000—2021年省域面板数据，定量揭示了中国粮食安全系统转型的时空演化特征，进而采用动态面板模型量化分析了粮食安全系统转型的各相关驱动因素。结果表明：① 2000—2021年粮食安全系统转型综合指数呈现2000—2012年缓慢上升和2013—2021年快速上升两阶段变化特征，整体提高了97.90%，资源与环境和生产与供给子系统转型指数与粮食安全系统转型综合指数的演化基本一致，也呈现两阶段上升的趋势，分配与消费子系统转型指数则呈现先下降后上升的趋势。② 2000—2021年省域粮食安全系统转型综合指数不断增高，高于全国平均水平的省域由2000年均衡分布于东、中、西三大区域逐渐演化为2021年集聚于粮食主产区。③ 粮食安全系统转型是一个持续性的过程，城镇化率、财政支农力度、人口出生率和膳食多样性指数可以显著促进粮食安全系统转型；工业化、农业生产相对收益、GDP增长率和人均可支配收入会明显阻碍粮食安全系统转型。
本文采用网络SBM-DEA模型和Meta-frontier模型对1997—2021年中国省际水资源—能源—粮食（WEF）系统效率进行测度，采用改进后的GTWR模型探讨了其影响因素，结果表明：① 不同前沿下WEF系统效率存在较大差异；技术落差比率则呈现东、中、西部依次降低的态势；② 动态空间坐标弥补了以往GTWR模型中存在较多的重合的空间坐标而导致模型最终评价结果接近于以时间维度进行研究的线性回归结果的不足，并验证了该模型在本研究中的适用性；③ 在时间变化上，能源生产量、产业结构合理化指数、清洁能源生产占比、R&D经费投入强度的拟合系数呈现先增加并逐渐趋于平稳的态势；单位GDP能耗拟合系数则表现为逐年下降的趋势，而工业能源消耗强度拟合系数的变化趋势则与之相反；其余影响因素的拟合系数则呈现波动变化后趋于平稳的态势；④ 在空间变化上，人均水资源量、单位农业GDP耗水、灰水足迹载荷系数的影响程度均表现为北方地区大于南方地区；西南地区受能源生产量和清洁能源生产占比影响程度较大；产业结构合理化指数、工业能源消耗强度以及R&D经费投入强度的影响程度高值区主要分布在东部沿海；单位GDP能耗的影响程度自动向西逐渐减小；交通密度的影响程度则表现出一定的区域特色。
