降尺度土壤水分信息与植被生长参量的时空关系

土壤水分是重要的水文参量,多源遥感数据协同反演土壤水分是今后的发展方向。整合被动微波和光学数据,可有效发挥其各自的时空分辨率优势。该文以官厅水库库区及周边区域为研究区,选取该区域2010年全年AMSR-E土壤水分产品与MODIS数据,利用归一化植被指数NDVI,地表温度Ts和反照率Albedo,采用多元回归的方法,将空间分辨率为25?km的AMSR-E土壤水分数据进行分解,得到周期为16?d的1?km平均表层土壤水分的时间序列数据。并结合土地利用类型和热带降雨测量卫星TRMM累积降雨量产品,选择Spearman和Pearson相关系数,分析了植被生长期和全年两个时间段,不同地物类型下土壤水分与植被指数、累积降雨量等植被生长参量之间的关系。结论表明在非人工灌溉区,土壤水分与累积降雨量相关性明显。在人工灌溉区,土壤水分的变化与降雨量存在变化的不一致性。同时研究证明了表层土壤水分变化的植被滞后响应,这种滞后性与植被对根区土壤水分的延后反应相关,且不同植被类型的滞后时间不同。     

ERS卫星反演数据在黄土高原近地表土壤水分中的应用研究

将黄土高原地区1992—2000年欧洲遥感卫星(European Remote Sensing Satellites,ERS)风散射计获取的土壤水分指数(Soil Water Index,SWI)与农田实测土壤水分数据进行对比,并分析降雨、植被、土地利用和人工灌溉对反演数据的影响;探讨其在近地表土壤水分时空变化中的应用情况。结果表明,遥感反演的土壤水分数据SWI较好地反映了黄土高原地区土壤水分的时空变化规律,总体上表现出南多北少、东高西低的空间特点和夏秋偏高、春季较低的季节变化趋势;其次,根据SWI转换得到的土壤体积含水量数据Wswi与0~10 cm农田实测土壤水分呈极显著相关,表明该ERS反演土壤水分数据接近表层土壤水分实际情况,可用于估测研究区表层土壤水分含量;在农业集中的平原地区,Wswi与农田表层实测土壤水分相关性较高;而在农业、林业、牧业用地复合交叉地区其相关性较差。研究结果还发现,在相对干旱季节农田实测水分普遍较卫星反演结果高,主要是由于灌溉增加了农田水分含量。这说明在应用卫星遥感数据估算土壤水分时,除了考虑气候、地貌、土壤、植被等自然因素,同时也应充分考虑人为因素的影响。     

20世纪末期黄河源区土地覆盖变化与气候变迁过程研究

利用NOAA-AVHRR数据,应用BP神经网络图像分类方法,研究了1990~2000年黄河源地区土地覆盖变化的过程,并分析了这11年间黄河源地区的气候变化趋势。在此基础上,通过偏相关模型对土地覆盖变化与气候变化之间的关系进行了分析。结果表明在1990~2000年间,黄河源区域荒漠化土地面积急剧增加,平均植被覆盖度呈持续下降趋势;而区域平均年平均气温、年最高气温都明显升高,年最低气温也有上升趋势,区域平均年降水量则呈波动下降趋势。对两者相关性分析表明,不同土地覆盖类型土地面积与各气象因子之间具有不同的相关关系,气候变化是影响黄河源区土地覆盖变化的一个重要驱动因素。     

黄河中游地区生态恢复对流域水资源的影响

[目的] 研究黄河中游地区生态恢复对水资源的影响，为流域生态保护和高质量发展提供科学依据。[方法] 利用GIMMS NDVI、ET、土壤水分、地表径流等相关水文数据，基于趋势分析和双累积曲线等方法，探讨生态恢复前后黄河中游地区蒸散发、土壤水分、地表径流的时空变化特征。[结果] 1982-2018年，黄河中游地区植被覆盖度增加了29.72%；在黄河中游地区植被覆盖度增加1%，蒸散发量增加了3~4 mm；在生态恢复区土壤水分呈下降趋势，下降速率为0.001 3%/a；各站点的平均径流量在1961-2018年呈逐年下降趋势，以生态恢复为代表的人类活动对径流量下降起到重要作用。[结论] 由于生态恢复和暖干化的气候背景，黄河中游水资源严重短缺。建议后续黄河中游生态恢复综合考虑水资源，减少人为干扰，以自然植被恢复为主。     

遥感模型支持下的精河流域绿洲表层土壤水分时空分布特征

土壤水分对干旱区气候变化、生态环境稳定、绿洲农业发展有着重要的影响作用。以新疆精河流域绿洲为研究区,基于Landsat TM和ETM+影像,借助修正后的温度植被干旱指数(TVDIm),进而反演了研究区2002年和2011年春、夏、秋3季的表层土壤水分。结果表明:(1)野外同步实测数据精度验证R~2值为0.800 2,TVDIm能够较好反映绿洲土壤水分分布状况;(2)研究区表层土壤水分的季节性变化明显,即秋季夏季春季,近10年间土壤水分总体呈趋湿特征;(3)研究区绿洲内部的土壤水分状况明显优于过渡带及天然荒漠区;(4)土地利用叠加分析指示,人类活动对土壤水分的空间分布影响强烈。     

1960—2019年黄河源区径流演变及其驱动因素分析

人类活动与气候变化的共同作用对径流过程产生了深刻影响。研究黄河源区径流演变特征及其原因，对合理规划水资源及实现黄河流域高质量发展具有重要意义。基于1960—2019年黄河源区径流、降水及气温序列数据，利用Mann-Kendall趋势及突变检验、Morlet小波分析等方法分析其演变特征，并采用累积量斜率变化率法计算驱动因素贡献水平，结果表明：1960—2019年黄河源区径流呈不显著下降趋势，在1987年发生突变，降水和气温均呈显著上升趋势，分别在2017、1997年发生突变，径流、降水及气温的主周期分别为38、30、3 a;黄河源区气候因素(降水)对径流的影响占比仅为9.42%,人类活动对径流变化的影响程度更大，占比为90.58%。     

陇东黄土高原农田土壤湿度演变对气候变化的响应

以甘肃省庆阳市西峰区为例,利用近50a气象观测资料和近20a的土壤湿度观测资料,分析全球气候变暖背景下陇东主要气象要素及土壤湿度的变化特征,研究了气候变化对土壤湿度的影响。50a来陇东气温呈波动上升趋势,降水量呈波动减少趋势。1991—2010年陇东各层土壤湿度总体上均呈现出下降趋势,春季是土壤湿度减少最明显的季节,夏季土壤湿度变化趋势与春季具有类似规律,但变化率明显低于春季。秋季浅层土壤湿度呈下降趋势,深层呈上升趋势。就表层土壤湿度而言,各季土壤湿度与该季气温均为负相关,与降水量呈正相关。而对较深层土壤而言,土壤湿度与气温、降水的相关关系因季节而异。潜在蒸散量对土壤湿度的影响月份和年际变化均呈现出反位相的特点,基本呈同步变化趋势。通过对农田土壤水分演变特征及其影响因素进行分析,为进一步理解土壤水分的演变,合理利用气候资源,调整农业生态布局,积极应对气候变化提供决策方面的参考。     

中国热带天然林可持续经营标准与指标中土壤和水指标的研制

利用1986年和2000年TM/ETM卫星遥感数据,运用GIS软件分析了黄河源区土地利用时空变化,借助Excel软件进行景观格局变化研究。结果表明:黄河源区近15a来高覆盖度草地、湿地和冰川面积急剧减少,未利用土地面积增加,土地荒漠化程度加剧,土地利用综合程度指数下降。景观格局趋于破碎化,景观多样性和分维数呈下降趋势,优势度上升。     

桂西北环境移民迁入区不同利用方式坡地土壤水分动态变化

土壤水分是土地开发利用和生态环境建设的关键性限制因子。利用2006年4—9月土壤水分定位观测数据，研究了桂西北环境移民迁入区坡地开发后不同利用方式土壤水分的时空动态变化规律。结果表明，不同土地利用方式间土壤储水量变化与降雨量变化基本一致；在时间尺度上，不同月份各利用方式土壤储水量差异显著，0-1m平均储水量依次是坡耕地〉园地〉荒草地〉灌丛〉林地；在空间尺度上，不同利用方式土壤储水量为中等变异，在表层（0-20cm）荒草地和灌丛的土壤储水量较大，在深层（60-100cm）坡耕地和园地土壤储水量较大；不同土地利用结构土壤水分从坡顶到坡脚呈增加趋势，但修筑梯田的坡地较自然坡地土壤水分沿坡面变化幅度小。     

不同深度土壤水分同化产品在川西高原的应用

[目的]评估不同深度土壤水分同化产品的适用性,为川西高原有关气候变化、生态环境建设等研究提供土壤水分数据选择的科学依据。[方法]以气象自动观测站的土壤水分值作为参考,评价了中国气象局陆面同化系统CLDAS-V 2.0和全球陆面同化系统GLDAS-Noah土壤水分产品在川西高原的精度,并分析了土壤水分产品对降水过程的反应以及降水对土壤水分产品精度的影响。[结果]①GLDAS和CLDAS数据均与参考值具有极显著的相关性(p<0.01),GLDAS数据与参考值的相关性整体好于CLDAS数据;②2套土壤水分产品在研究区表层和浅层的误差均较小,其中,表层土壤水分的误差大于浅层,GLDAS数据的误差小于CLDAS数据。两套数据都存在对土壤水分的高估,且在无降水情况下对土壤水分的高估比有降水的情况更突出;③2套数据在表层和浅层都表现出与降水一致的变化过程,且土壤水分的变化均滞后于降水量的变化,GLDAS数据对降水变化的反应比CLDAS数据更加灵敏,但CLDAS数据因具有较高的空间分辨率而对川西高原土壤水分的空间分异特征表现得更好。[结论]两套土壤水分产品表层和浅层数据在川西地区的适用性都较好,GLDAS数据质量总体较CLDAS数据更好,但CLDAS数据在对土壤水分空间分异的表现方面更具优势。     

基于轨迹分析的2003-2010年华东地区土地覆被变化对土壤水分的影响研究

[目的]分析华东地区土地覆被变化过程对土壤水分的影响,以期能够揭示土地覆被变化对土壤水分的影响机理.[方法]应用MODIS三级土地覆被产品MCD12Q1,采用轨迹分析方法描述20032010年耕地和林地轨迹变化过程;选择基于AMSR-E土壤水分数据的降尺度反演结果作为描述土壤水分变化的数据,研究华东地区土地覆被变化对土壤水分的影响.[结果](1)每种土地覆被类型均有3种轨迹变化形式:研究年限内面积增加的轨迹、面积减少的轨迹、研究年限内未发生面积变化的轨迹;(2)在耕地和林地3种轨迹变化过程中,土壤水分含量均表现出下降的趋势.(3)在林地的3种轨迹变化过程中,土壤水分含量大小顺序为:未发生轨迹变化的林地＞林地面积增加的轨迹＞林地面积减少的轨迹;在耕地的3种轨迹变化过程中,土壤水分含量大小排序为:耕地面积减少的轨迹＞耕地面积增加的轨迹＞未发生轨迹变化的耕地;(4)耕地、林地轨迹变化过程对土壤水分的影响均与时间年限有关,至少需要7 a林地土壤水分含量达到最大值,此时耕地土壤水分含量达到最小值.[结论]作为华东地区主要的土地覆被类型,耕地和林地在2003-2010年的所有变化轨迹过程中,土壤水分均呈现下降趋势,且土壤水分随着育林年限和耕种年限的增长分别增加和减小,并在第7 a分别达到最大和最小.     

基于多源数据的科尔沁沙地陆地水及地下水储量变化研究

[目的]研究科尔沁沙地水储量变化对该区域的生态环境和经济建设等的影响,为当地水资源的保护和可持续利用提供参考。[方法]利用CSR(center for space research)提供的2003.07～2010.12 GRACE(gravity recovery and climate experiment)Release-05数据,采用去相关与高斯平滑滤波(平滑半径300 km)相结合的滤波方法,以及尺度因子法进行了重力信号改正和信号泄露恢复,反演了科尔沁沙地陆地水储量长时间序列的变化,该结果与CPC(climate prediction center)水文模型反演结果进行了对比分析;结合GLDAS(global land data assimilation system)水文模型计算的土壤含水量变化,给出了科尔沁沙地地下水储量的时空变化;并利用监测点水井数据和给水度信息对地下水反演结果进行了初步验证。[结果] 2003年7月至2010年12月科尔沁沙地陆地水储量减少速率为-13.2±2.6 mm/a;地下水下降速率为-13.5±1.9 mm/a。[结论]干旱和农业灌溉是导致科尔沁沙地地表水减少和地下水位降低的重要原因之一。     

基于AMSR-E与MODIS数据的新疆土壤水分协同反演与验证

针对当前遥感在大范围土壤水分估算中面临的问题,提出将被动微波遥感数据与光学/热红外遥感数据在模型中协同反演陆表土壤水分的新方法:利用MODIS的光学与热红外波段反演土壤水分的基准值;利用AMSR-E传感器的X波段反演土壤水分的日变化量,然后集成二者建立土壤水分协同反演模型。以新疆为实验区,采用在典型地区获取的365个土壤水分实测值,对该模型进行了验证与精度分析。结果表明,协同反演模型的估算结果与地面实测值之间有着更好的相关性和较小的均方根误差,明显优于单一数据源或单一模型的反演结果。     

青海湖流域高原鼠兔扰动对不同地表类型土壤水分特征的影响

为了揭示高原鼠兔扰动对高寒草甸土壤水分变化的影响规律,在青海湖流域,利用动态监测和采样分析的方法,研究高原鼠兔扰动后不同地表类型(草地、新鼠丘、旧鼠丘和秃斑地)土壤水分的差异及其形成原因.结果表明:4种地表类型土壤表层含水量对不同降雨条件具有不同的响应过程,新鼠丘和旧鼠丘的响应比草地和秃斑地迅速;整个生长季4种地表类型土壤含水量垂直分布规律不同,但月变化规律较为一致,总体上草地土壤含水量高于其他地表类型,0 ～ 30 cm深度的差异最明显;造成不同地表类型土壤水分差异的土壤因素主要有土壤黏粒质量分数、土壤有机质和土壤密度,植被因素主要有植被盖度和地上生物量.高原鼠兔扰动初期可以加速水文循环,而后期水文循环则受到抑制.研究对进一步认识高原鼠兔的扰动影响高寒草甸的水源涵养能力具有重要作用,也可为青海湖流域生态系统的管理与保护提供参考.     

1959-2000年妫水河流域气候变化与水文响应分析

基于北京延庆县东大桥气象水文站观测的气温、降水和径流数据,采用Thornthwaite水文模型和Mann—Kendall突变与趋势检验法,对该站点所控制的部分妫水河流域的年平均气温和降水进行长期趋势检验和突变分析,同时对模型模拟的径流、蒸散量、土壤含水量进行长期趋势检验和突变分析。结果表明:1980—2000年与1959—1979年相比,研究区气温升高了2.45%,降水量减少了8.57%,地表径流减少了8.86%,实际蒸散量降低了8.54%,土壤含水量减少了76.95%。20世纪50年代以来,研究区一致表现为气温升高和降水减少。径流、实际蒸散量、土壤含水量也随之减少,并在1975年左右发生突变,整体表现出干旱化倾向。气候变化已经对区域水循环产生重要影响。     

宁南山区保护性农业措施对冬小麦农田休闲期土壤水分的影响

[目的]研究宁南山区冬小麦农田休闲期保护性农业措施对土壤水分的影响,为该区降雨资源的高效利用以及保护性农业的可持续发展提供理论依据。[方法]基于不同时期多个保护性农业试验土壤水分数据比较分析。[结果](1)在干旱的情况下,免耕留茬处理能够显著增加土壤表层(0—20cm)含水量。(2)在免耕的情况下,随着秸秆留茬高度的增加,土壤水分呈现增加趋势。(3)在降雨量较大且降雨量具有连续性的情况下,常规耕作处理在土壤表层保蓄了较多的土壤水分(0—20cm),免耕秸秆覆盖处理能够增加土壤20—80cm土壤水分含量。(4)冬小麦休闲期种植豆科作物,降低了土壤水分,其降低幅度与降雨量以及种植密度有关,种植密度越大,对土壤水分的影响越大。[结论]免耕+留茬耕作措施能够提高冬小麦农田休闲期土壤水分含量,覆盖作物降低了休闲期土壤水分含量。     

基于AMSR-2蒙古高原土壤水分反演及 对气象因子响应分析

土壤水分是地表水文过程研究的一个重要参数,是众多环境因子综合作用的结果,科学判定土壤水分对环境因子的响应特性,对在蒙古高原地区开展干旱监测预警,调整农业生产结构,改善区域生态环境具有重要意义。本研究基于AMSR-2观测亮温、SPOT-NDVI数据,利用微波辐射传输模型及粗糙地表发射率Qp模型,构建适合蒙古高原的土壤水分反演方程,同时将模型应用于2013年蒙古高原植被生长期土壤水分反演。在此基础上,结合TRMM 3B43降雨量及气象站点气温数据,探讨了蒙古高原土壤水分对气象因子及植被的响应特性。结果表明:1)构建的蒙古高原表层土壤水分反演模型精度较高,土壤水分反演值与实测值的判定系数为0.680 6,均方根误差(RMSE)达0.031 6 cm3·cm-3,反演结果明显优于JAXA提供的AMSR-2土壤水分产品数据(RMSE=0.044 1 cm3·cm-3)。2)TRMM 3B43降雨数据与实测降雨量线性拟合,其判定系数为0.859 8,直线拟合斜率K=0.941 5,在数值上较站点实测值略微偏低,表明TRMM 3B43数据精度较高,在蒙古高原具有很好的适用性。3)蒙古高原植被生长期土壤水分、植被指数及降水量在空间格局上均表现出由北向南、由东北向西南逐渐减少的趋势。干旱区,土壤水分对气温变化最敏感,二者表现出显著正相关关系,其次为降水和植被;半干旱区,植被是影响土壤水分的关键因子,而气温与降水对土壤水分影响呈现出季节性变化;半湿润区3个因子对土壤水分的影响程度表现为植被降水气温。总之,利用土壤水分对气象因子和植被的响应特性,可以采取适当措施降低蒙古高原灾害发生风险,为区域生态环境建设提供科学依据。     

基于洛伦兹曲线的图们江干流区间径流分布不均匀性分析

[目的]为水土流失、旱涝灾害等的成因分析提供科学依据。[方法]采用构建的基尼系数径流分布不均匀性模型,对图们江干流区间南坪、开山屯、河东及圈河站1959—2011年的(年)径流量、(月径流年内分配)基尼系数和(月径流年内分配)洛伦兹不对称系数的系列进行统计分析,应用Mann—Kendall方法进行趋势分析与检验。[结果]4个水文站的年径流量均呈下降趋势。南坪和开山屯站的基尼系数呈上升趋势,河东和圈河站呈下降趋势;4个水文站点的(月径流年内分配)洛伦兹不对称系数均呈上升趋势。4个水文站在1961,1965和1979年洛伦兹不对称系数均波动较大且大于1。这主要由径流量大的月份引起的,另外,同期也是历史上水旱灾害发生的年份。[结论]洛伦兹曲线可以以一种新视角量化评价径流分配的时间不均匀性及其成因。     

黑龙江省西部防护林地土壤水分动态及其预报

[目的]研究黑龙江省西部地区"三北"工程区不同类型土壤的水分动态特征及其与气象因子的相关性,为该地区土壤墒情预测提供科学参考。[方法]通过建立小型基准气象观测站定点观测土壤水分含量及气象因子,并利用回归分析建立了无降雨条件下土壤水分的预测模型。[结果](1)生长季土壤水分变化均呈现消退期的现象,其中以黑土和黑钙土表现最为显著。3种土壤类型水分含量的变异系数都随土壤深度增大呈递减趋势。(2)相关分析结果表明,土壤水分含量与光照强度和大气温度均表现为负相关,与空气湿度表现为正相关,与降雨量和风速相关系数较小。(3)黑土和黑钙土的土壤水分日消耗量可由光照强度(X1)、湿度(X2)、风速(X3)和大气温度(X4)的变化来解释。[结论]土壤水分受气象因子综合调控,根据气象因子建立的模型可以用来预测无降雨条件下土壤水分的变化。