CASA模型的改进及在干旱区生态系统NPP估算中的应用

CASA模型是针对北美地区植被而建立的净第一性生产力(NPP)模型,当前,该模型已被广泛应用于陆地生态系统NPP的估算。由于模型是针对北美地区植被而建立,因此,模型在不同于北美地区应用时,其参数需要进行修正。现在已有一些关于CASA模型修正的研究,但修正均未体现干旱区特点。文中以甘肃省为例,在充分考虑干旱区特点基础上,从土地利用/覆盖类型的划分、最大光能利用率的取值、高精度气象数据的选择以及遥感影像数据的选择等方面,对利用CASA模型进行干旱区生态系统NPP估算过程进行改进,使该模型更适用于干旱区。利用改进后的CASA模型模拟了甘肃省各土地利用/覆盖类型的NPP,获得了较高的精度,研究利于探索干旱区生态系统碳计量方法。     

新疆荒漠生态系统分布特征及其演替趋势分析

本文依据中国植被分类原则,利用400万植被图,并借鉴景观分类方法,对新疆荒漠生态系统进行了划分,将新疆荒漠生态系统类型划分为4个荒漠生态系统类型。在分类的基础上,对新疆荒漠生态系统的空间分布特征和数量分布特征进行了详细的分析。结果表明,新疆荒漠生态系统总的面积为65.46×104km2。荒漠生态系统在空间分布上具有很强的地带性规律。在空间上主要分布在吐鲁番盆地,哈密盆地环天山和昆仑山山原和山麓地带。荒漠生态系统在各县域行政区域中的分布规律是半灌木、矮半灌木荒漠生态系统跨越的县市最多,最少的是垫状小半灌木(高寒)荒漠。本文同时在荒漠生态系统分类的基础上分析了新疆20年荒漠生态系统演变趋势,新疆荒漠生态系统面积增加了13.83×104km2,说明新疆总体的生态环境质量是降低的。在其他类型向荒漠生态系统演替过程中,转移面积最大的和最多的是垫状小半灌木(高寒)荒漠和灌木荒漠,面积分别为12.20×104km2和12.16×104km2。这两种荒漠生态系统类型主要分布在南疆,说明南疆的生态环境变化更剧烈。     

新疆草地生态系统健康评价体系构建

草地是重要的陆地生态系统类型,草地生态系统健康评价是干旱区草地健康研究的重要组成部分.新疆位于中亚干旱区,典型的"山盆"地形结构孕育的天然草地具有鲜明的垂直地带性,又因水热组合差异形成了丰富多样的草地类型,这使得新疆草地生态系统健康评价成为一项系统的复杂工作,急需构建适用于新疆的草地生态系统健康评价体系.本研究以新疆草...     

荒漠生态系统土壤表层微生物量碳空间分布及其影响因子

土壤微生物作为荒漠生态系统中的重要分解者,对干旱区碳循环有着重要作用。以干旱区荒漠生态系统柽柳保护样地为对象,利用统计学与地统计学中的空间自相关方法,分析在自然状况下土壤微生物量碳及其影响因子之间的空间变异和响应特征,探讨柽柳荒漠生态系统的土壤微生物量空间分布特征及其控制机理。结果表明：土壤微生物量碳为14.1~1 178.6 μg•g-1,远小于其他生态系统;空间分布表现出植被覆盖越密集,土壤微生物量碳越大,且全局空间分布为正相关趋势,局部空间自相关指数Mora[JP8]n’[JP]s 〖WTBX〗I〖WTBZ〗为-0.2~0.5;土壤微生物量碳与土壤环境因子中的土壤水分[WTBX]（W）、土壤温度（T）均呈显著正相关（P<0.05）,[WTBZ]且空间相关系数分别为0.56和0.64。这些结果说明荒漠生态系统中土壤微生物量碳表现出强烈的空间异质性,且空间分布在10 m格网尺度（像元尺度）与植被覆盖度、温湿度显著相关,这些将有助于加强对干旱区土壤碳库空间格局的理解,从而制定更精细的土壤微生物量碳空间自相关的像元尺度。     

基于GIS的塔里木河下游地下水定量回归模拟研究

对于干旱区内陆河流域来说,地下水埋深是指示当地生态变化的至关重要的因子。本文以新疆塔里木河下游为例,基于少量的监测井监测数据,尝试利用分类分段横向和纵向联合回归分析方法模拟地下水位空间分布变化,以1:1万DEM为基础数据运用GIS技术实现数字地下水埋深空间化。结合生态监测井实时监测数据以及地下水分布与植被的响应关系进行模拟精度分析,表明该模拟方法在地下水位监测数据较少和水文地质条件相对单一的干旱区内陆河具有一定的可行性。     

干旱区农田排水系统演变的生态效应研究进展

在干旱区流域绿洲形成与发展过程中，普遍存在土壤次生盐渍化和不断改进的盐渍化治理过程，这导致在绿洲下部与临近荒漠区广泛形成农田排水系统景观，但其产生的生态效应还不清楚，限制了全面认识人工绿洲生态系统的环境变化过程。利用航片和遥感影像数据，基于图论网络分析和景观连通性模型，分析农田排水系统形成与演变的过程与格局；采用缓冲区分析、空间地统计模型、GIS相关性分析和群落多样性测度等方法，研究农田排水系统演变对廊道效应、土壤性状、土地利用和物种多样性的影响；利用经过改进的生物地球化学模型，研究农田排水系统演变对区域碳、水循环的影响，探讨农田排水系统与陆地生态系统的相互作用机制。深化对干旱区人类活动的生态效应的认识，并丰富绿洲生态学的研究内容，对绿洲农业可持续发展具有重要科学意义。     

疏勒河流域土壤含水率反演

土壤含水率是影响干旱区植物生长的重要因素,获取区域尺度土壤含水率数据,能够为干旱半干旱区生态恢复和脆弱生态系统保护提供科学依据。结合MODIS地表温度和反射率数据及全球陆面数据同化系统(GLDAS)土壤含水率数据,利用表观热惯量法和统计降尺度方法反演疏勒河流域土壤含水率,研究其时空变化及其与植被的相关性,得到以下结论:2016年整个疏勒河流域年均土壤含水率偏低,且季节变化显著,其均值、离散程度存在7月 10月 4月 12月的趋势;流域东部土壤含水率整体高于西部;流域土壤含水率空间分布的季节变化显著,其变异系数的空间分布与年均土壤含水率相似;土壤含水率与归一化植被指数NDVI正相关,但不同区域两者相关程度不同,灌区土壤含水率与植被的相关性最高。     

近20年中国植被时空变化研究

利用1982-1999年的全球AVHRR/NDVI数据,通过年次最大植被指数随时间的变化斜率、各种土地覆盖类型上植被指数的变化、绿波和褐波推移变化、典型地带植被时空序列变化分析,从遥感角度反映出近20年中国的植被时空动态变化规律.总体上看,中国大多数地区的 NDVI 呈不同程度的增加趋势,表明中国陆地生态系统植被生长状况没有发生显著恶化.生长季节的延长和生长加速是中国 NDVI 增加的主要原因,而温度上升和夏季降水量的增加以及农业生产活动的加强可能是其主要的驱动因子.中国 NDVI 变化趋势显示了较大的空间异质性,东部沿海地区、珠江三角洲、长江三角洲、京津唐等环渤海地区 NDVI 呈下降趋势或变化不明显;农业生产区和西部部分地区增加显著.这种空间异质性是由于城市化过程、农业生产活动、区域气候特征以及植被对气候变化的区域响应等综合因素作用的结果.     

近20年渭干河流域土地利用与生态系统服务价值时空变化

基于遥感与GIS技术,选择地处天山山脉中段南麓塔里木盆地北部的渭干河流域为研究区,以新疆1990、2000、2008年遥感影像和地面实测数据为主要数据源,利用GIS空间分析、数学统计分析方法提取渭干河流域近20年各种土地利用类型的面积变化、净变化速度等动态变化信息;在总结生态系统服务价值国内外研究进展的基础上,参照谢高地等人的中国陆地生态系统单位面积服务价值系数和Costanza等的生态系统服务价值计算公式,结合当地粮食产量和粮食平均收购价格,分析渭干河流域生态服务价值的时空变化特征,揭示渭干河流域生态系统服务价值和时空分布的不平衡状态.结果如下:(1)草地和未利用地所占比重超过70％,其他土地利用类型所占比重不到20％,各种土地利用类型分布和面积变化存在时空差异.(2) 1990-2008年研究区的生态系统服务价值总量减少了59 633万元,其主要原因是草地、林地和沼泽面积的减少.流域生态系统服务价值结构变化较大,其提供的支持服务功能最强,供给服务功能相对较弱.(3)下游的单位面积生态系统服务价值大于中上游地区,研究期内流域中、下游生态系统服务价值减少较大,上游地区的生态系统服务价值略有增加.     

基于GIS的绿洲土壤含水量空间变异性研究

干旱区降水稀少 ,气候干燥 ,土壤水分成为维持地表植被的重要因素之一。由于不同区域受地形、土壤特性、地下水位等的影响不同 ,其土壤含水量的分布也有很大的差异性。因此 ,为深入分析干旱区绿洲土壤含水量的空间变异性及其分布趋势 ,通过实测土壤含水量数据 ,利用地理信息系统的空间分析方法 ,研究了三工河流域土壤含水量的空间变异特征 ,并对其分布规律进行了探讨和评估 ,其目的是为了深入了解干旱区土壤水分变化规律及其对植被的影响。     

新疆气候变化研究进展

通过对1990年以来新疆气候变化研究的国内外文献资料的归纳总结,将新疆气候变化事实、影响、应对措施及预测等方面的最新研究进展进行了概括.结果表明:整体上,新疆的气候正在向暖湿化方向转变,这一变化事实导致了该区域水热的重新配置,对水资源和农业等都产生了较大的影响.     

影响新疆南部地区环境变化的因素分析

借助前人研究成果和环境监测资料,分析新疆南部（以下简称南疆）地区近年来存在的主要生态与环境问题及其影响因素。结果表明：影响南疆环境变化的有自然因素和人为因素。自然因素主要是南疆呈现气温上升、降水增加和风沙天气减弱的趋势;人为因素主要表现为,人口持续增加、过度的水土开发以及城市化和工业化进程加速对环境的压力。合理的水土资源开发会对环境产生积极影响,即改善局部地带的小气候,减少干旱、土地荒漠化和风沙灾害,提高人工绿洲生态系统的服务功能等。无论是自然因素的变化,还是人为因素的干扰,对南疆生态系统的发展都存在着利与弊的双重作用。     

近20年新疆农田生态系统碳足迹时空变化

利用1994—2013年新疆农田生产投入和农作物产量等数据,采用碳排放系数法估算了新疆农田生态系统的碳排放量、碳吸收量及碳足迹的变化动态以及在各县市的空间分布特征。结果表明:新疆农田生态系统的碳排量从1994年的179.46万t增长到2013年的474.15万t;不同年份农业碳排放均主要源于化肥使用量的增加和不科学的灌溉方式,其最大贡献率分别为40.02%和41.56%;农田生态系统的碳吸收量20年间增加了2185.04万t,棉花对新疆农田生态系统的碳吸收量贡献最大,多年平均贡献率达47%;新疆农田生态系统的碳排放量、碳吸收量区域主要集中在南疆的县市并呈现出沿天山对称的趋势;1994—2013年,农田生态系统碳足迹呈现快速增长态势,从1994年的2 732.63×104C·hm-2·a-1增加至2013年的4 474.89×104C·hm-2·a-1,碳足迹增加了283.59×104C·hm-2·a-1,表明新疆农田生态系统存在碳生态盈余的现象,种植结构生态效益指数大于1的年份为11个,种植结构的调整迫在眉睫。     

新疆降水与环流场演变研究

通过分析南、北疆地区近50a来的降水演变特征,将南、北疆地区降水多寡典型年份对应的500hPa高度场和海平面气压场的距平进行合成,讨论了多雨和少雨期大气环流的气候背景特征。结果表明,近20多年南、北疆降水较20世纪60-70年代均有显著增加。南、北疆夏季降水与大气环流之间亦存在一定的联系,尤其是乌拉尔山高压脊的增强明显有利于南、北疆降水。     

新疆和田河流域土地利用及其生态服务价值变化

土地利用结构决定土地生态系统服务价值,生态服务价值也反映了土地利用结构的生态优劣.基于遥感和GIS技术及数理统计学方法,利用1990年、1999年、2002年和2005年遥感影像解译得到的4期土地利用数据,对和田河流域1990-2005年土地利用变化进行定量分析,估算出研究区15年间的生态服务价值变化量.结果表明:①耕地、林地和城乡建设用地面积增加,草地、水域和未利用地面积减少;研究区土地利用处于发展时期,土地利用综合程度日益提高;优势度没有发生明显的变化,未利用地一直最高.②土地生态系统服务价值量有所增加,土地利用总体生态效应趋良.但环境也存在着局部恶化,主要表现在上游山地生态系统冰川退缩、天然植被退化;中游绿洲生态系统耕地扩张迅速,土壤盐渍化,人工渠、水库增加显著;下游荒漠生态系统植被退化,水资源严重不足,土地沙漠化.     

近50a西北干旱区气候变化趋势及对荒漠化的影响

西北干旱区干旱少雨,生态环境脆弱,土地荒漠化严重。本文根据近1951-2000年的逐月平均气温和月降水量资料研究了我国西北干旱区气候变化趋势,并结合近年来西北干旱区地表径流量变化,分析其对准噶尔盆地、塔里木盆地、河西走廊和柴达木盆地土地荒漠化影响。研究结果表明:(1)近50a西北干旱区气温都升高,变暖最显著的是北疆和柴达木盆地。降水量有增加趋势,其中南疆降水量增加趋势最大。北疆蒸发量有减少趋势外,其他区蒸发量都在增加,尤其南疆蒸发量增加趋势最大。(2)近50a来由于气候变暖,使蒸发量增大,塔克拉马干沙漠、河西走廊沙漠区和柴达木沙漠区的干旱危害加剧,这必然导致沙漠化的易发和其进程的加速。北疆气温升高,降水量增加,而蒸发量减少,有利于古尔班通古特沙漠区沙漠化进程的减缓。(3)气候变化和地表径流量变化有利于准噶尔盆地和塔里木盆地的土地荒漠化逆转,而使河西走廊和柴达木盆地的土地荒漠化发展迅速。     

Modeling and analyzing supply-demand relationships of water resources in Xinjiang from a perspective of ecosystem services

Water shortage is one bottleneck that limits economic and social developments in arid and semi-arid areas.As the impacts of climate change and human disturbance intensify across time,uncertainties in both water resource supplies and demands increase in arid and semi-arid areas.Taking a typical arid region in China,Xinjiang Uygur Autonomous Region,as an example,water yield depth(WYD)and water utilization depth(WUD)from 2002 to 2018 were simulated using the Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs(InVEST)model and socioeconomic data.The supply-demand relationships of water resources were analyzed using the ecosystem service indices including water supply-demand difference(WSDD)and water supply rate(WSR).The internal factors in changes of WYD and WUD were explored using the controlled variable method.The results show that the supplydemand relationships of water resources in Xinjiang were in a slight deficit,but the deficit was alleviated due to increased precipitation and decreased WUD of irrigation.WYD generally experienced an increasing trend,and significant increase mainly occurred in the oasis areas surrounding both the Junggar Basin and Tarim Basin.WUD had a downward trend with a decline of 20.70%,especially in oasis areas.Water resources in most areas of Xinjiang were fully utilized and the utilization efficiency of water resources increased.The water yield module in the InVEST model was calibrated and validated using gauging station data in Xinjiang,and the result shows that the use of satellite-based water storage data helped to decrease the bias error of the InVEST model by 0.69×10⁸m³.This study analyzed water resource supplies and demands from a perspective of ecosystem services,which expanded the scope of the application of ecosystem services and increased the research perspective of water resource evaluation.The results could provide guidance for water resource management such as spatial allocation and structural optimization of water resources in arid and semi-arid areas.     

Landscape eco-environment risk assessment of highway in arid area of Xinjiang, China

With the aid of analyses to landscape ecology in the highway region of the arid area in Xinjiang of China, vegetation type, soil type and land-use type were ascertained as environmental factors of highway landscape ecosystem fragility, and seasonal flood, blown-wind sand and alkali-salinization as disaster factors of highway engineering. All items of these factors constitute an objective hierarchy of evaluating landscape ecosystem risk of the highway region in the arid area. The weighted values of the items were determined according to the number of occupied area or length by them against each unit. The area or length was interpreted with the aids of GIS technology and gained by measuring in the highway reconnaissance. The results of the eco-environmental risk assessment of G315 Yitunbulake-Qiemo section in Xinjiang shows that eight units of landscape ecology can be sorted into four categories according to the differences of the fragility indices (Σxiwi) and the disaster indices (Σyiwj).     

Water-use efficiency in response to simulated increasing precipitation in a temperate desert ecosystem of Xinjiang,China

Water-use efficiency(WUE) is a key plant functional trait that plays a central role in the global cycles of water and carbon. Although increasing precipitation may cause vegetation changes, few studies have explored the linkage between alteration in vegetation and WUE. Here, we analyzed the responses of leaf WUE, ecosystem carbon and water exchanges, ecosystem WUE, and plant community composition changes under normal conditions and also under extra 15% or 30% increases in annual precipitation in a temperate desert ecosystem of Xinjiang, China. We found that leaf WUE and ecosystem WUE showed inconsistent responses to increasing precipitation. Leaf WUE consistently decreased as precipitation increased. By contrast, the responses of the ecosystem WUE to increasing precipitation are different in different precipitation regimes: increasing by 33.9% in the wet year(i.e., the normal precipitation years)and decreasing by 4.1% in the dry year when the precipitation was about 30% less than that in the wet year.We systematically assessed the herbaceous community dynamics, community composition, and vegetation coverage to explain the responses of ecosystem WUE, and found that the between-year discrepancy in ecosystem WUE was consistent with the extent to which plant biomass was stimulated by the increase in precipitation. Although there was no change in the relative significance of ephemerals in the plant community, its greater overall plant biomass drove an increased ecosystem WUE under the conditions of increasing precipitation in 2011. However, the slight increase in plant biomass exerted no significant effect on ecosystem WUE in 2012. Our findings suggest that an alteration in the dominant species in this plant community can induce a shift in the carbon-and water-based economics of desert ecosystems.