基于多源GPP和ET产品的秦岭生态系统水分利用效率研究

通过评价多种生态系统总初级生产力(gross primary productivity,GPP)和蒸散(evapotranspiration,ET)遥感数据产品,构建了适用于我国秦岭区域的GPP和ET组合数据集,并计算分析了秦岭区域生态系统水分利用效率(water use efficiency,WUE)的时空变化规律。结果表明:不同产品对于不同植被类型GPP和ET的估算效果差异较大,其中VPM GPP和RF GPP这2种GPP产品,China ET和PML-V2 ET这2种ET产品的总体表现较好。秦岭区域的多年平均GPP_year为1 489.95 g C/m²,ET_year为588.49 mm,WUE_year为2.56 g C/kg H₂O,多年平均WUE_year的变化率为0.156 g C/(kg H₂O·10 a)。秦岭区域WUE_year总体呈现出不显著的上升趋势(p>0.05);秦岭区域不同植被覆盖下的多年平均WUE_year数值差异不大,但WUE_year的变化趋势略有不同,部分植被类型呈现上升趋势,而其他植被类型呈现下降趋势;多年平均逐月WUE_month变化多呈现较为明显的"双峰"模式。研究结果为不同类型生态系统水碳关系研究中获取和选择数据提供了依据和途径,加深了对秦岭区域生态系统WUE时空变化规律的认识,从而为研究气候变化对秦岭地区生态系统的影响提供了数据支持和科学参考。     

干旱区人工绿洲间作农田蒸散研究

在黑河流域中游的张掖绿洲区建立了大田环境下的春小麦和夏玉米间作农田能水平衡研究观测点，以气象观测资料为基础，采用波文比能量平衡法(BREB)和参考作物蒸散量—作物系数法(ET₀-K_c)对作物的蒸散进行了计算。结果表明：在一个完整的生长期内，利用波文比能量平衡法得到的间作作物蒸散量为688 mm，日均3.4 mm/d，用参考作物蒸散量—作物系数法得到的作物蒸散量为666 mm，日均3.3 mm/d，两种计算方法得到的蒸散量总值差别小。同期，水文平衡法计算结果为733 mm。利用波文比能量平衡法所得结果的分析表明，试验地在不同生长阶段，ET变化剧烈，生长初期、中期、末期分别为1.19、4.41和2.58 mm/d，其蒸散量分别占全年蒸散总量的7.79%、78.73%和13.48%。ET月变化显示，3月维持在一个较低水平；4月和5月剧烈增加；6月达到最大；此后的7月和8月降低，但仍维持在一个高水平；9月，随着作物进入生长末期，蒸散急剧减小。对ET日内变化分析可知，作物蒸散开始于早晨7∶00～8∶00，在14∶00左右达到最大，19∶00～20∶00趋于0 mm/d。不同生长阶段蒸散强度差异明显。     

FY-3/VIRR卫星遥感数据反演省级区域蒸散量

为了扩大气象卫星FY-3在科研、业务中的应用范围,将数据尽快用于遥感反演蒸散量业务工作中,根据FY-3/VIRR卫星通道特点,以山东为研究区域,基于地表能量平衡方程,结合地面气象要素,提出了利用FY-3卫星遥感数据进行区域蒸散反演的方法,建立了省级的区域逐日蒸散量估算系统。以2013年5月11日、8月20日、10月16日估算的日蒸散量为例,分析表明:基于FY-3/VIRR卫星反演的日蒸散量与利用Pen-man公式方法得到的数据对比,偏差分别为-0.19、-0.12和0.16 mm/d,相对偏差分别为10%、12%和11%;反演结果可准确揭示区域内不同地表覆盖类型的蒸散量的空间特点和差异性,结果较为合理;与同区域、同时段的EOS/MODIS蒸散产品进行对比分析表明:2种日蒸散产品的空间分布特征总体非常相似,相关系数在0.99以上,均方根差在0.36 mm以下,说明2种产品的一致性较好。利用中国新型自主研发的FY-3卫星资料估算蒸散量是可行的。     

气候与下垫面变化对黄土高原蒸散发变化的影响评估

为了揭示近20年黄土高原蒸散发(evapotranspiration,ET)时空变化规律,明晰气候和下垫面变化对蒸散发的影响作用。基于黄土高原295个气象站数据、PML_V2 ET产品及MOD13A1 EVI产品,采用趋势分析和多元回归分析等统计方法,分析了2000—2018年黄土高原蒸散发时空变化特征,并评估了降雨、温度、日照时间、饱和水汽压差、植被和非植被下垫面等影响要素的相对贡献率。结果表明:(1)2000—2018年黄土高原蒸散发年际变化率为4.47 mm/a,62.8%的区域蒸散发呈显著增加趋势,主要分布在山西、青海、陕西省北部地区;不同土地覆盖ET为森林＞农田＞草地＞灌木。(2)植被显著增加是黄土高原ET变化的主导因子,其相对贡献率最大(32.1%);不同气象要素对黄土高原ET相对贡献率大小为降雨(14.6%)＞饱和水汽压差(13.2%)＞温度(12.4%)＞日照时数(10.0%);非植被下垫面变化(水土保持工程措施等)对ET变化的影响作用不容忽视。(3)气象要素和增强型植被指数(enhanced vegetation index,EVI)对林草覆被ET影响作用＞农田覆被ET,而非植被下垫面要素对农田覆被ET的影响作用较大。研究结果为黄土高原生态建设、水资源消耗恢复和水资源可持续性评价提供科学支撑。     

基于随机样本的神经网络模型估算参考作物腾发量

参考作物腾发量(ET₀)是计算作物需水量、制定灌溉制度和进行水资源管理的主要参数之一。计算参考作物腾发量(ET₀)的方法众多，为规范ET₀的求法，联合国粮农组织(FAO)推荐采用修改的Penman-Monteith方法。该文指出不需要收集长序列气象资料，而以随机样本建立学习速率和动量因子自适应的BP神经网络模型估算参考作物腾发量(ET₀)的方法，并且与FAO推荐的Penman-Monteith法计算值对比分析，结果表明：利用随机样本建立的的BP神经网络模型可以很好的反映气象因子(最高温度、最低温度、最大湿度、最小湿度、净辐射和风速)与参考作物腾发量(ET₀)的非线性函数映射关系，并且取得了良好的估算效果，给出了国家自然科学基金重点项目研究区内蓝旗试验站2004年的时间尺度为日、十日参考作物腾发量(ET₀)的计算及对比分析过程。     

植被指数—地表温度特征空间研究及其在旱情监测中的应用

植被指数—地表温度特征空间已被应用于多方面的研究。该文从区域旱情监测的角度分析了该特征空间的生态学内涵，指出地表温度是地表蒸散的函数，推导出了温度蒸散旱情指数(TEDI)的计算方法。利用NOAA数据，以河北省南部平原为研究区域，分别计算出了温度植被旱情指数(TVDI)与温度蒸散旱情指数(TEDI)，通过地面实测土壤相对湿度指数(SHI)验证，结果表明温度蒸散旱情指数(TEDI)可以更准确地反映下垫面的土壤墒情状况。     

基于MODIS植被指数时间谱的华北平原土地覆盖分类

中分辨率成像光谱仪(MODIS)已在全球资源环境监测中发挥了重要作用，但是它的低分辨率成为提高分类精度的阻碍。利用MODIS的高时间分辨率弥补其低空间分辨率的不足，设计分类器改善分类精度。利用2003年23个时相的MODIS_EVI图像，构建华北平原植被指数图像时间立方体。在谐波分析去噪标准化基础上，从EVI时间谱上提取5个表征物候差异的特征向量，结合表征地气交互作用差异的地表温度(LST)信息及表征地表固有的空间分异特征的坡度信息，建立分类二叉树进行土地覆盖分类。结果表明，与2000年TM分类结果的总体一致性为75.5%，Kappa系数为0.68。而NASA USGS基于MODIS分类精度为66.0051%，Kappa系数为0.3209。进一步与2003年耕地面积的官方统计资料的比较表明，该文的估算误差为34.0507 khm²，而NASA USGS的估算误差高达66.1205 khm²。研究表明利用高时间分辨率的MODIS植被指数时间序列获得较高精度的土地覆盖分类结果是可能的。     

太子河流域参考作物腾发量演变特征及气候影响因素分析

采用太子河流域内8个气象站1960～2005年间气象资料，应用Penman-Montieth公式计算了46年间逐月参考作物腾发量(ET₀)，对参考作物腾发量及气象要素的年际变化特征、月际变化特征及趋势进行了分析，应用统计检验方法分析了影响流域参考作物腾发量变化的主要气象因素。结果表明：近46年间太子河流域ET₀值呈现缓慢下降趋势，年内ET₀值分布以5、6月份最高，1月份最低。影响ET₀的主要气候要素按影响程度强弱依次为日照、风速、温度、相对湿度。     

分别利用Hargreaves和PM公式计算西北干旱区ET0的比较

该文根据甘肃张掖气象站1991～2000年的气象资料，利用Hargreaves公式和Penman-Monteith公式计算了参照作物需水量(ET₀)。对比分析结果表明：Hargreaves公式计算的ET_0H年值比Penman-Monteith公式的计算ET_0PM偏低，而在年内6、7、8月份，ET_0H>ET_0PM，9月份两种方法计算结果几乎相等，其他月份ET_0H<ET_0PM。造成这种结果的原因是风速和降雨的影响。根据两种方法的计算结果，提出了适合西北干旱区ET₀的计算公式。     

基于多年MODIS NDVI 分级的河北平原农田生产力评价

根据中等分辨率航天成像光谱仪(MODIS)遥感数据计算的归一化植被指数(NDVI)被广泛用于作物长势监测和产量预报, 但由于NDVI 数值在不同年份的同一时期变化较大, 直接用于评价农田生产力会有较大误差。本文以河北平原所在的北纬37°~39°之间连续种植的冬小麦农田为研究区域, 通过对多年冬小麦MODISNDVI 数据进行比较和分级, 尝试用每季NDVI 在区域内的高低级别评估区域农田生产力。Landsat 卫星数据用于对不同时相MODIS 图像进行精确配准, 从而实现像素尺度上长时间序列数据的统计分析。首先, 对区域内2000~2008 年间每年作物返青期到成熟期的NDVI 平均值及各生育阶段NDVI 平均值分别进行高低分级, 以了解河北平原农田生产力的空间变异, 结果显示其中高水平农田分布在太行山山前平原, 指数等级水平并没有完全按南北走向趋势分布, 表明该研究方法受纬度差异的影响较小。不同年份分析结果显示, 2008 年东部地区也出现了较高等级的田块。其次, 利用NDVI 分级结果计算出9 年间NDVI 等级的变异系数, 对采用不同生育期NDVI 可能带来的误差进行了分析, 结果显示不同小麦生育期NDVI 等级的变异系数不同, 返青期和成熟期变异系数较大, 且具有一定的地理差异。最后, 利用GIS 空间分析方法以9 年NDVI 分级结果为基础制作了以县为单元的麦田生产力等级图, 结果显示河北平原农田生产力高低分区, 同时也表明中低水平区块有较大提升空间, 为河北县级土地管理和耕地质量管理提供理论依据。     

风云三号卫星微波遥感土壤水分产品在山东地区的适用性分析

风云卫星微波遥感土壤湿度产品在农业应用中，尤其是在作物监测和干旱预警中发挥着重要作用，对其产品可靠性的评估至关重要。本研究以中国气象局的自动土壤水分观测站土壤湿度数据为参考，系统分析了山东地区2018年FY-3B和FY-3C卫星反演2级土壤湿度产品的质量及其时空分布，并与SMAP和SMOS卫星反演3级土壤湿度产品进行对比。使用EASE-Grid投影方法的转换方程进行空间匹配，将卫星的格点转换成经纬度后，自动站对应的卫星观测结果由其周围4个观测格点结果加权平均得到。对自动站数据去除异常值后，将卫星过境时刻数据与自动站小时数据进行时间匹配。结果表明，在山东地区FY-3B、FY-3C和SMAP与自动站观测数据时间一致性较好，均方根误差（RMSE）约0.09m³·m⁻³，相关系数（R）大于0.3。SMAP无偏均方根误差（ubRMSE）可以达到0.05m³·m⁻³，说明其去除系统误差之后有较高的应用价值，而SMOS在山东地区的适用性不如SMAP。同时，FY-3B、FY-3C和自动站的相关性和误差有明显的季节变化，FY-3B和FY-3C往往高估5、8和9月的土壤湿度，与冬小麦和夏季玉米的成熟期对应，而在其余时间会低估，这可能是因为风云卫星使用的X波段探测深度较浅，其结果受表层植被的影响较大；而SMAP和SMOS使用的L波段探测较深，其结果受表层植被影响较小。该发现说明，未来风云卫星土壤湿度的反演算法可以通过优化植被的影响来获得更精确的反演结果。     

FY-3B/3C和AMSR2土壤含水量产品在锡林郭勒草原地区的适用性评价

土壤表层含水量存在于陆-气界面，是模拟全球水文、能源和碳循环及其相互作用的一个重要变量，对于气候和地球系统研究至关重要。为了评价风云三号B星（FY-3B）、风云三号C星（FY-3C）、先进微波扫描辐射计（AMSR2）土壤含水量产品在锡林郭勒草原以及不同土地覆盖类型的精度和适用性，本文基于2014-2019年生长季的地面观测数据，应用时间序列相关性（R）、均方根误差（RMSE）、平均偏差（Bias）和无偏均方根误差（ubRMSE）分析了这三种网格产品的可靠性。结果表明：（1）在日尺度上，FY-3B和FY-3C土壤含水量产品高估了陆地表层含水量，AMSR2低估了土壤含水量；各项评价指标表明三种土壤含水量产品均能够捕捉锡林郭勒草原表层土壤含水量的时间变化趋势。（2）在月尺度上，与AMSR2相比，FY-3B和FY-3C土壤含水量产品的月度分布与实测土壤含水量分布较为一致。（3）在生长季尺度，3种卫星土壤含水量产品能够反映各草原亚型的土壤含水量状况；FY-3B和FY-3C土壤含水量产品在植被覆盖较高的地区适用性较好，AMSR2在植被覆盖较低的地区可靠性较好，3种产品在监测土壤含水量方面具有互补功...     

风云二号静止气象卫星数据估算土壤表面水分方法研究

考虑到土壤水分会影响地表温度随太阳辐射变化的幅度,本文提出利用多时相热红外波段和可见光波段数据反演地表水分的算法,并利用第一代静止气象卫星——风云二号数据估算了2010年9月30日和10月20日西北地区范围的土壤表面水分,并与先进机械辐射扫描计(advanced mechanically scanned radiometer:AMSR)土壤水分产品进行比较验证。结果表明:该算法估算的土壤表面水分与AMSR土壤水分产品相关性为0.52,两者的均方根误差在0.025 g.cm 3以内,最大误差不超过0.07 g.cm 3。同时,利用该算法生成西北地区土壤表面水分空间分布图,与同期降水资料相比较,两者空间分布较为一致。此外,该算法可获得5 km×5 km空间尺度的土壤表面水分,提高了土壤水分遥感估算的空间分辨率。     

基于FY-3 VIRR的温度植被干旱指数在陕西省的应用及其IDL实现

以FY-3可见光红外扫描辐射计（VIRR）L1数据为信息源,对FY-3 VIRR L1数据在陕西省云检测、地表温度、温度植被干旱指数（TVDI）等反演方法进行本地化研究,同时使用IDL程序语言研制了FY-3 VIRR L1数据预处理、云检测、地表温度反演、TVDI指数法反演土壤干旱程度等应用程序,以实现利用温度植被干旱指数（TVDI）对陕西省土壤干旱程度的监测,并对检测结果进行数据反演。反演结果表明,利用FY-3 VIRR L1数据生成的TVDI与20cm土壤相对湿度具有良好的负相关性,相关系数在-0.535左右;TVDI能较好地反映陕西省土壤干旱状况,在延安、关中、陕南的TVDI反演结果与实际旱情一致性较好,但在植被覆盖较差的榆林部分地区,反演结果与实际旱情差异较大。     

陕西省土地覆盖分类的遥感应用研究

利用监督分类和阚值判别相结合的方法，在对不同地物的地表光谱特征进行分析的基础上，对NOAA和FY－1C卫星各个季相的晴空资料分别进行了计算NDVI与判别分类，制作了陕西省遥感土地覆盖分类图，从而探索了一种通过极轨遥感资料进行宏观的土地覆盖分类的方法，此外，提出的用于遥感图像精校正的火点定位法，解决了地面控制点与遥感图像元的对应问题。     

风云卫星系列及CLDAS土壤水分产品多尺度精度验证与评价：以青藏高原那曲地区为例

对风云卫星（FY-3B、FY-3C）系列土壤水分产品和中国气象局陆面数据同化系统CLDAS-V2.0（Chinese Land Data Assimilation System Version 2.0）土壤水分产品展开精度验证与评价,旨在明确中国土壤水分产品的时空序列精度特征,以期为后续土壤水分产品精度校正与反演模型改进提供参考。验证实验在青藏高原那曲地区开展,基于那曲地区大（1°×1°）、中（0.3°×0.3°）、小（0.1°×0.1°）三个尺度观测网中观测站点0-5cm、0-10cm和10-40cm土壤水分逐日观测资料进行评价,并加入全球陆面数据同化系统GLDAS-1（Global Land Data Assimilation System Vision 1.0）Noah土壤水分产品作为对比。结果表明：（1）时序性上,CLDAS-V2.0土壤水分产品表现出良好的时空连贯性,FY系列土壤水分产品空值普遍存在,在冰冻期尤为显著。FY及CLDAS-V2.0土壤水分产品多数时间存在高估现象,在降水事件发生后和植被生长期高估尤为明显。（2）各土壤水分产品在不同尺度观测网中的统计结果一致。但相较于大中尺度稀疏测站,各产品在小尺度密集观测网的评价结果更加稳定和优异。（3）0-5cm深度,CLDAS-V2.0土壤水分产品质量整体优于FY系列土壤水分产品,FY系列土壤水分日间观测产品精度高于夜间观测产品。10-40cm深度,CLDAS-V2.0土壤水分产品精度高于GLDAS-1 Noah土壤水分产品。结果表明中国自主研制的土壤水分产品数据集质量较为稳定、可靠。     

多源卫星遥感农作物秸秆焚烧过火区面积估算方法

秸秆焚烧过火区面积是秸秆焚烧影响评估的重要参数之一。该文针对卫星遥感秸秆焚烧过火面积估算中因作物秸秆焚烧后农田翻耕速度较快,对卫星观测频次要求高,且由于下垫面多种类型混杂,对卫星空间分辨率要求高的双重问题,提出利用风云三号气象卫星数据高观测频次和高分一号数据高空间分辨率特点,基于卫星遥感图像光谱分析和混合像元分解技术的多源卫星遥感农作物秸秆焚烧过火区面积估算方法。使用该方法对河南省驻马店市平舆县和正阳县进行了秸秆焚烧面积估算,并采用高分一号数据进行了验证,平均精度达到94%以上,说明该文提出的方法既解决了秸秆焚烧过火区监测的高时效需求问题,又保证了过火区面积估算精度。     

Regional evaluation of the spatio-temporal variation in soil organic carbon dynamics for rainfed cereal farming in northern Kazakhstan

Abstract

A regional evaluation of the soil organic carbon (SOC) dynamics for the chernozem zone in northern Kazakhstan is now vitally important for agricultural and environmental policy making. The objectives of the present study were: (1) to predict spatial and temporal variability in C input as crop residues using multi-temporal MODIS satellite images, (2) to clarify spatial and temporal variability in CO₂ emission as SOC output using geostatistics and model s, (3) to clarify spatial and temporal variability in the SOC budget using the results from (1) and (2). The mean growing-season C input as plant residues in cereal fields ranged from 0.9 to 1.4 Mg C ha^?1, with higher values in wet years. Carbon input as plant residues was higher in the northern part of the area than in the other parts. The average growing-season CO₂ emission ranged from 0.9 to 1.1 Mg C ha^?1, and was also higher in wet years than in dry years. In addition, more CO₂ was emitted in the northern part of this area. Accordingly the average growing-season C budget ranged from –0.2 to 0.3 Mg C ha^?1 and showed a negative correlation with air temperature during the crop-growing season. The 5-year C budget for different crop rotation systems ranged from –1.0 (3-year cropped cereal with 2-year bare fallow) to 0.4 (5-year continuous cereal cropped) Mg C ha^?1. These results indicate that fallow-based crop rotation systems are degradative with regard to the SOC budget in the studied area.     

Genetic diversity and cytogenetic analyses in <Emphasis Type="Italic">Curcuma zedoaria</Emphasis> (Christm.) Roscoe from Bangladesh

Curcuma zedoaria populations comprise 2n = 63 chromosomes with three satellite chromosomes showing elongated secondary constrictions. Flow cytometry results inferred that the 2C nuclear DNA values varied between the populations. The largest genome size was found in the population Chittagong (mean 3.37 pg) and the lowest in the Birganj population (mean 3.15 pg). RAPD based estimations of genetic diversity revealed that hilly populations maintain higher genetic diversity, which was also found to be distinct from plainland and plateauland populations. Genome sizes and genetic diversity values of the populations were positively correlated.