荒漠草原4种典型草本植物群落土壤水分动态对极端干旱降水的响应

为明晰荒漠草原典型植物群落土壤水分对极端干旱降水的响应。以4类典型植物群落(蒙古冰草、苦豆子、短花针茅、芨芨草)为研究对象,于2020—2021年分别监测4类植物群落0—120 cm土壤含水量,探讨其土壤水分在消耗期、恢复期和稳定期的动态特征及对降水的响应。结果表明：土壤水分消耗期,土壤含水量为4.56%～7.87%,呈亏缺状态,并且随着极端干旱持续从土壤浅层0—40 cm向深层80—120 cm演变;土壤水分恢复期,较为集中的Ⅴ级降水(单次>20 mm)能够恢复深层80—120 cm土壤水分,随着极端干旱持续,4类植物群落土壤水分的恢复主要呈现在浅层0—40 cm;土壤水分稳定期,随着极端干旱持续4类植物群落各层土壤含水量均<10%。综合比较4类植物群落,短花针茅群落土壤含水量在各时期相对较高,且浅层和深层土壤水分恢复具有同步性,可在水分限制区域植被恢复保育具有一定参考价值。     

基于Landsat 8遥感影像的黔中水利枢纽工程区土壤含水量反演分析

为了获取黔中水利工程区土壤含水量的变化情况,基于2013—2018年的Landsat 8地表温度产品数据(LST)和植被指数产品数据(NDVI),采用植被供水指数(VSWI)法,反演研究区不同年份土壤含水量,结合实测数据进行精度验证,探讨了研究区土壤含水量分布的时空异质性及主要影响因素。结果表明:(1)基于Landsat 8影像反演的土壤含水量和实测数据具有较好的正相关性,表明Landsat 8影像适于研究区土壤含水量反演;(2) 2013—2018年研究区土壤含水量在时间上表现出波动升高的趋势,年平均增速为0.91%,在空间上呈现出西南部高、东北部低的趋势,以湿润为主;(3) 6年来研究区平均土壤含水量类型发生明显的变化,其面积变化幅度以增加为主;(4)研究区土壤含水量与温度均呈中度负相关,而与降雨量在毕节等部分地区呈高度正相关,在其余地区则呈中度正相关。利用Landsat 8遥感影像数据和植被供水指数(VSWI)可以实现研究区的土壤含水量反演,研究结果可为该地区土壤含水量动态监测和改善区域生态环境提供科学依据。     

黄山市土壤墒情变化规律分析

为了解自然条件下黄山市土壤墒情的特点,为抗旱减灾决策、水利建设规划及水资源科学管理提供科学依据,依据黄山市4个墒情站2011—2017年的土壤墒情数据,并结合土壤物理性质和降水、蒸发及作物种类等的影响,对黄山市土壤墒情在空间和时间上的变化规律进行了分析研究。结果表明:空间上,黄山市土壤墒情总体呈从西部向东部递减趋势;垂向分布上,表层土壤含水量受降水、蒸发影响显著,含水量最大同时变化也最为剧烈,而越深处含水量越小变化也越缓慢;祁门、黎阳站土壤墒情在垂向上具有较高的线性相关性,土层间距离越近相关性越高;土壤含水量的年际变化受降水和蒸发因素影响明显,与降水量呈正相关关系,与蒸发量呈负相关关系;土壤墒情年内变化大致可分为稳定阶段、剧变阶段、缓变阶段等3个阶段。     

三江平原土壤湿度变化及其对气象条件的响应

了解土壤湿度的时空变化特征与规律,对充分利用土壤水分资源及应对气候变化有重要意义。基于三江平原23个农业气象站1982—2017年土壤湿度、同期气温、降水等数据,采用统计分析、M-K突变检验等方法,分析了0—50 cm土壤湿度的趋势变化特征及其与气温、降水气候因子的关系。结果表明:(1)近37年来三江平原地中0—30 cm,40—50 cm土壤相对湿度呈显著降低趋势,并呈阶段性变化,突变年在1997年;30—40 cm土壤相对湿度无显著变化;各层土壤相对湿度垂直方向呈现中间层(30—40 cm)土壤相对湿度最大,上下层递减的趋势。土壤相对湿度的空间分布存在差异,土壤相对湿度由北到南、由东到西递减趋势。(2)三江平原气温、降水量对各层土壤相对湿度影响程度不同。0—20 cm土壤相对湿度主要受4—9月生长季气温、降水量的协同作用影响,20—30 cm和40—50 cm土壤相对湿度分别受4—9月生长季的气温和降水作用的影响;而30—40 cm土壤相对湿度受气温和降水作用的影响不大。总之近37年来三江平原土壤相对湿度的变化存有差异,1982—1996年、1997—2013年、2014年后各层土壤相对湿度分别处于相对较高(偏湿)、较低(正常)、较高(偏湿)阶段。4—9月生长季的气温和降水是影响三江平原土壤相对湿度变化的主要气象因子。     

中国东北春玉米区干旱时空分布特征及其对产量的影响

为了研究东北地区春玉米不同生育阶段干旱时空分布规律及其对产量的影响,基于研究区域1961—2012年69个气象站点逐日气象资料和春玉米生育时期及产量资料,采用Penman-Monteit法计算潜在蒸散量,在此基础上利用农业干旱指标标准化降水蒸散指数(SPEIPM)划分干旱等级-最后利用干旱等级权重及发生概率评分等级计算每个站点的干旱危险指数(DHI);利用Mann-Kendall检验法计算5个生育阶段的SPEI变化趋势,利用回归分析进行SPEI与玉米气候产量的关系分析。结果表明,吉林省西部和辽宁省西部在玉米生长季内始终为干旱高风险区,吉林省东部和辽宁省东部则为干旱低风险区,黑龙江省东部干旱风险随生育进程增大;近52 a玉米苗期干旱强度和范围有减小趋势,而生育后期在增加;1991—2012年辽宁省西部玉米气候产量与SPEIPM3-7(5—7月份的SPEIPM)以及吉林省西部、吉林省东部和松嫩平原气候产量与SPEIPM3-8(6—8月份的SPEIPM)的关系达极显著(P0.01),吉林省中部气候产量与SPEIPM3-8(6—8月份的SPEIPM)关系达显著水平(P0.05)。春旱严重地区如松嫩平原、吉林省西部、辽宁省西部和南部的干旱强度和范围正在减小,而东北干旱程度在玉米生育后期整体呈增强趋势,其中东部最明显。在降水充沛的吉林省东部,气候产量与干旱指数的回归方程对称轴在0附近,表明正常降水情况下即能保证高产和稳产。降水较少的地区如辽宁省西部和吉林省西部等地,回归方程对称轴在1附近,提高玉米产量需增加灌溉和提高水分利用效率。     

霍林河下游典型洪泛区湿地土壤pH值和土壤含水量分布特征

以霍林河下游洪泛区湿地为研究区,采用网格采样法研究了土壤pH值和土壤含水量的时空变化及其相互关系。结果显示,研究区湿地土壤含水量和pH值存在明显的季节性差异,7月份土壤含水量高于9月份土壤,但7月份土壤pH平均值则低于9月份,9月份湿地土壤,尤其是亚表层发生明显碱化。湿地土壤含水量和pH值均呈现出条带状和斑块状的空间分布格局,尤其在9月份的空间变异性较高,且土壤pH值与土壤含水量间存在较显著的负相关关系,即含水量高的区域对应土壤pH值较低。土壤含水量和pH值的回归分析表明当土壤pH值>8.8时,非线性回归更适宜描述研究区土壤含水量和土壤pH值的显著负相关关系。     

冬小麦干旱的下垫面孕灾环境研究——以淮河流域为例

基于1961—2019年淮河流域140个气象站点的日尺度降水数据和2000—2016年的月尺度的地表温度(LST)、归一化植被指数(NDVI)数据,利用表征气象干旱的标准化降水指数(SPI)挑选确定冬小麦不同生长期的典型干旱年份;利用表征农业干旱温度植被干旱指数(TVDI),借助Landsat-8数据提取淮河流域冬小麦种植面积,进一步深入分析格网化后的高程、坡度、水系、土壤类型、土壤相对湿度和浅层地下水埋藏深度等下垫面孕灾环境条件与冬小麦干旱之间的相互关系及其影响,为冬小麦干旱防灾减灾研究提供理论依据和技术支持。结果表明:(1)1961—2019年,冬小麦不同生育期的降水变化趋势不明显,冬前生长期和灌浆成熟期降水呈现略微上升趋势,各气象站点上升下降趋势均不显著。根据SPI确定典型干旱年份,冬前生长期的典型干旱年份为2010年,越冬期为2011年,返青抽穗期为2006年,灌浆成熟期为2001年。(2)淮河流域农业干旱程度总体大于气象干旱,空间分布总体一致,但存在部分地区不一致的现象,即冬小麦干旱还受到下垫面孕灾环境的较大影响。(3)冬小麦干旱与水系、表层土壤相对湿度和浅层地下水埋深相关性较高,与高程、坡度、土壤类型相关性较小。淮河流域冬小麦干旱易发生在海拔相对较高、坡度较陡、土壤类型为半水成土、远离河流、表层土壤相对湿度较低和浅层地下水埋藏深度为1 m的区域,干旱程度主要呈现沿海至内陆递增、南高北低的特征,有必要加强此类地区防灾抗旱能力,增加人工灌溉设施。     

中国亚热带干旱多尺度时空格局及演变趋势

为探讨不同时间尺度下中国亚热带区域干旱的时空特征,利用1 km气象数据计算1959—2019年亚热带区域标准化降水蒸散发指数(SPEI),并且结合干旱线性变化趋势、影响范围、强度及频率,分析了不同时间尺度(1月、3月、6月、12月)下中国亚热带区域干旱的时空特征。结果表明:(1)干旱时期主要集中在2004—2014年,干旱化区域空间上呈现明显的东西对比,时间尺度上秋季的干旱化趋势最为显著;(2)各时间尺度的干旱影响范围都处于不断波动上升的趋势,尤其是在1995年之后,干旱影响范围上升趋势尤为明显;(3)季节和干湿季较大干旱强度零星分布在亚热带西南部及湖南、江西等省,年际较大干旱强度则主要集中在亚热带东南部;(4)秋季发生干旱的频率最高,年际发生中度及以上干旱频率最高,春季高频中度及以上干旱频率集中在四川、西藏等地,秋季和年际主要集中在四川、重庆和贵州的交界处,夏季、冬季以及干湿季则零星分布在亚热带各省份。综上,亚热带总体呈现干旱化趋势,季节、干湿季和年际尺度的干旱影响范围时间序列变化趋势较为相似,但干旱强度和干旱发生频率在空间上存在一定差异。     

黄土丘陵区降水变化对退耕草地土壤水分特征的影响

在全球气候变化背景下,我国黄土高原的降水格局将呈现出季节波动增强和极端降水事件增加的趋势。土壤水分是黄土丘陵区的主要限制因子,降水变化所引起的土壤水分的改变必然对该区生态系统的结构和功能产生显著的影响。选取黄土丘陵区退耕草地为研究对象,连续定位观测自然恢复小区不同降雨梯度下(0,±20%,±40%,±60%,±80%)土壤水分动态变化,研究土壤水分变化特征及其对降水变化的响应。结果表明:(1)随年内季节性降水变化,退耕草地生长季内土壤含水量呈"W"形波动变化;(2)随降水梯度的增加,各土层土壤含水量变化趋势一致,均呈"M"型变化;(3)-20%下5—9月份土壤含水量均能保持较高水平,适当的干旱处理有助于维持较高的土壤含水量。但减雨超过40%或增雨超过60%都不利于土壤水分的积累;(4) 0—30 cm土层土壤含水量对降水的响应最为明显,随着土层深度的增加响应逐渐减弱;维持和利用浅层地表水是植被恢复的关键。     

近15年锡林郭勒盟植被变化时空特征及其对气候的响应

全球变化背景下,植被动态变化及其与气候的关系研究,是当前国际社会十分关注的科学问题.研究植被NDVI时空变化特征及其对气候的响应,对调节生态过程、改善生态环境质量具有重要的理论和实际意义.基于锡林郭勒盟2001-2015年MODIS NDVI数据及该地区气温、降水数据,利用Sen斜率估计与Mann Kendall统计检验、相关分析等方法,探讨了其植被时空变化特征及其对气候因子的响应.结果表明:1)锡林郭勒盟2001-2015年平均植被NDVI呈波动上升趋势,其变化过程出现了2次较明显的波动,2个波峰分别出现在2003和2012年,其中2008年植被NDVI出现了1次明显的增加.2)锡林郭勒盟NDVI大体呈现出“东高西低”的空间分布特征,变化趋势总体表现为上升,具体为先下降后上升;空间分布上,太仆寺旗、多伦县增加趋势显著,西部苏尼特左旗、二连浩特市下降趋势明显;草原类型上,显著上升面积从大到小依次为草甸草原、典型草原和荒漠草原.3)NDVI出现峰值的年份与同年降水量波峰相对应,但区域植被变化对气候因子的响应及其相关关系因季节和植被类型而异.植被状况改善与降水量关系密切,只有结合区域气候要素,开展相关生态工程,才能充分发挥生态保护的效益.     

基于SPI指数的白洋淀流域干旱演变特征分析

为探究白洋淀流域在气候变化背景下的干旱时空演变特征,基于1979—2018年0.1°分辨率降水格点数据,采用年尺度和季节尺度的标准化降水指数(Standardized Precipitation Index,SPI),结合Mann-Kendall趋势检验法研究了白洋淀流域干旱频次、干旱面积的时空演变特征。结果表明:(1)研究区发生轻旱的频次最高,中旱、重旱、特旱发生的频次依序减少,春季和夏季是干旱频次发生较高的季节,但特旱主要分布在秋季和冬季。(2)研究区年尺度下干旱程度呈不显著减缓趋势,干旱面积略有减少; 春季和夏季干旱程度呈不显著增加趋势,干旱面积略有增加; 秋季和冬季干旱程度呈显著减缓趋势,秋季干旱面积显著减少。(3)轻旱和中旱在整个流域内分布广泛,下游平原区的发生频率高于上游山区,大清河山区的北部和西部以及流域的东南边缘是重旱和特旱的高发地带。综上,白洋淀流域整体呈干旱缓和趋势,但春夏季干旱情况在未来可能会加重。     

好水川流域梯田土壤含水量变化规律研究

对2010年好水川流域梯田0—90 cm土层土壤含水量与降水量资料进行了分析。结果表明,土壤含水量变化量与降水量的季节变化趋势相同,浅层(0—30 cm)趋势线呈M形,峰值分别出现在5月底和8月份,谷值出现在7月中旬;深层(60—90 cm)趋势线呈V形,谷值出现在7月下旬;随着土层深度的增加,土壤含水量标准差和变差系数逐渐变小,说明由于受外界影响程度较低,深层土壤含水量稳定性较强;土壤含水量增加与次降雨量呈极显著相关关系,降水量每增加10 mm,梯田土壤含水量的加权平均值就增加0.45%～1.56%,平均增加0.96%。     

2009—2010年贵州省特大气象干旱演变分析

利用贵州省84个气象站1971年1月到2010年4月的逐日气温、降水资料,引入气象干旱综合指数CI,对2009—2010年贵州特大气象干旱从气象干旱的角度分析了不同等级干旱的发生发展时间及其空间分布特征,寻找2009—2010年贵州特大气象干旱发生发展的时间及其空间分布特征,为其综合防治提供科学依据。分析表明:2009年10月发生轻旱到中旱的站点最多,进入11月份干旱发生范围增大,干旱程度进一步加重;12月上旬到2010年1月中旬干旱有所缓解,1月下旬随着降水的持续偏少,重旱到特旱面积迅速扩大。     

西南地区1902—2018年干旱时空演变特征分析

鉴于西南地区干旱的危害程度及其严峻形势,定量刻画干旱时空特征、揭示干旱发展规律,已成为抗旱防灾、保障农业健康发展的迫切要求。基于1902—2018年标准化降水蒸散指数(SPEI)数据,统计了西南地区不同等级干旱发生频率及干旱强度,并采用Sen趋势分析、Mann-Kendall检验法和经验正交函数(EOF)分析方法研究了西南地区干旱的时空演变特征,以期为西南地区干旱变化及生态维护提供科学依据。结果表明:(1)1902—2018年西南地区SPEI12整体呈下降趋势,下降速率为0.025/10 a,其中1954—1974年呈干旱—湿润的频繁交替,发生多次不显著突变;(2)西南地区干旱强度均呈增强趋势,其中中旱和重旱强度增强趋势显著;(3)西南地区干旱发生频率存在空间分布差异,其中轻旱发生频率最高,极端干旱最低;(4)西南地区干旱变化趋势以不显著下降为主,占研究区面积的68.22%,表明西南地区百年来呈干旱化趋势;(5)干旱时空模态分析中,3种模态分别反映了研究区干旱全区相同、南北相反、东西相反的分布特征。综上所述,揭示了西南地区干旱的时空变化基本特征。     

基于TVDI的沁水煤田地表土壤水分时空演变分析

温度植被干旱指数（Temperature Vegetation Dryness Index,TVDI）是表征地表干旱的有效指标,其时空格局分析是地表干旱与全球环境变化相互影响下的地表覆被变化的研究内容。以山西沁水煤田为研究区,结合2000—2010年MODND1M和MODLT1M数据,构建了NDVI-Ts特征空间并对干湿边拟合分析。结果表明:近11年来,沁水煤田年平均TDVI均大于0.4,且总体呈显著增加趋势,地表土壤湿度很低,部分区域处于中度和重度干旱之间。年度内,月平均TVDI处于0.5~0.7之间,且7月份TDVI存在明显波动。在空间上,研究区地表土壤湿度分布与地表植被分布基本一致。煤田南部和东部以干旱和极干旱为主,西北山区地带以正常或湿润为主,矿区密集区土壤湿度含量明显低于其他地区,矿井分布附近较其他区域地表干旱现象突出。     

黑河流域森林生态系统湿热特征分析

利用2008年黑河流域典型森林生态系统土壤和空气温湿度观测资料,分析了不同层次土壤和大气温度和湿度的变化特征。结果表明:(1)各层土壤温度在2—3月达到一年中的最小值,在7—9月达到一年中最高值,土壤温度周年变化幅度以及年最低温度随土壤深度的增加而递减。(2)表层土壤含水量受春季融雪和降雨影响较大,在8月中、上旬达到最高值;20—40cm土壤含水量对春季融雪响应较弱,80—120cm土壤含水量较为稳定,不受冻融交替影响。(3)从当年7月中旬至次年1月下旬,林地各层气温呈下降趋势,2月上旬至7月上旬呈上升趋势;距离地表近2m高度全年各月份气温略高于10m和24m高度,气温最高值和最低值分别出现在14:30和6:30左右。(4)4—6月林内湿度相对较低,7—10月相对较高,空气相对湿度最高值和最低值分别出现在22:00和11:30左右;10m和24m处空气相对湿度变化规律与2m处基本一致。     

黄土丘陵区不同植被土壤水分的分异性特征

为定量研究半干旱黄土丘陵区不同植被深层土壤水分的时空分异性特征,选择晋西北岢岚县为目标研究区域,对撂荒地、柠条林、小叶杨林3种林型4—7月份0—600cm深度剖面土壤水分的时空异质性特征进行了分析。研究结果表明:(1)3种植被4个月份内土壤含水量变化范围在3.34%~17.19%之间。在0—200cm深度土壤含水量变化没有明显规律,在200—600cm深度土层范围内,撂荒地、柠条林土壤含水量分别有升高和轻缓降低趋势,小叶杨林有先轻缓降低再轻缓升高趋势。(2)土壤含水量在4个月份间均存在显著性差异(p0.01),不同月份不同植被类型土壤含水量总体分布差异性也都不同。(3)土壤含水量变异系数值大多集中在0~30%之间,个别土层深度变异系数值超过50%,表明土壤水含量总体上具有结构稳定性,但存在局部较强变异特征。     

近20年荒漠化土地动态变化特征分析——以锡林郭勒盟为例

在遥感和地理信息系统技术、野外调查和实地记录等方法相结合的基础上,分析了锡林郭勒盟荒漠化土地动态变化规律,以揭示近20年锡林郭勒盟荒漠化的规律,为锡林郭勒盟荒漠化防灾减灾工作提供依据。研究结果表明:(1)锡林郭勒盟1990~2010年荒漠化面积呈减小趋势,其中以中度荒漠化为主,轻度荒漠化呈减少-增加-减少的趋势;中度荒漠化呈减少趋势;重度和极重度荒漠化呈现增加-减少趋势,但前者减少的更多,情况趋于好转。(2)锡林郭勒盟荒漠化程度存在明显的区域性,从西南到东北荒漠化程度呈现由高到低的变化特征,东北部部分地区出现恶化现象,东乌珠穆沁旗中部的水域明显变为极重度荒漠化。西南部恶化现象严重,苏尼特左旗、二连浩特市和苏尼特右旗的轻度荒漠化明显变为中度荒漠化。(3)1990~2010年锡林郭勒盟荒漠化面积呈减少趋势,水域面积呈减少趋势,居民工矿用地呈增加趋势。     

甘肃省金塔县天然胡杨林土壤含水量空间变化特征研究

土壤含水量是制约植物生长的主要因子之一。运用变异系数和ArcGIS中反距离权重法插值对金塔县金塔绿洲和鼎新绿洲天然胡杨林土壤含水量的空间变化规律进行研究。结果表明:金塔县金塔绿洲和鼎新绿洲天然胡杨林土壤含水量垂直变化趋势表现为,除双城(SCCD)土壤含水量随深度增加而呈增加趋势外,其它各点土壤含水量0—60cm呈减少趋势,在60—120cm深度火烧(HSCD)与拐坝林场(GBLC)两样点土壤含水量继续缓慢减少,大庄子(DZZC)、五星(WXCD)、牛头湾(NTWC)、西红(XHCD)土壤含水量呈现增加趋势,且双城(SCCD)土壤含水量最大。各层土壤水分变异系数差异明显,且随深度增加而增大。土壤含水量越大,胡杨长势越好。各土层土壤水分含量水平空间分布大体呈自西向东逐渐增加的趋势,这与北大河和黑河流域地貌格局有关,各土层土壤含水量水平空间分布随离水源地距离的增加而降低。     

综合干旱指数构建及其在不同草原类型中的应用

干旱指数是评估旱情等级、制定防旱减灾对策的重要指标。该研究从干旱发生的物理机制出发,基于CRITIC(Criteria Importance Through Inter-criteria Correlation)客观赋权法,综合考虑气象标准化降水蒸散指数(Standard Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)、植被供水指数(Vegetation Supply Water Index,VSWI)和日光诱导叶绿素荧光指数(Solar-induced Chlorophyll Fluorescence,SIF)在干旱发展过程中的作用机制,构建融合多源信息的综合干旱指数,探究其在不同草原类型干旱中的适用性和敏感性,进而分析干旱的时空分布及演化特征。结果表明:综合干旱指数既能敏锐捕捉气象干旱的早期开始,亦能从水文和牧业干旱角度综合反映旱情的持续过程和时间,相比单一干旱指数,具有综合表征多尺度干旱演化特征的优势;2007—2018年,内蒙古锡林郭勒草原干旱频率呈波动中下降趋势,干旱强度主要以轻中旱为主,重旱及以上干旱集中在春秋两季;空间分布上从西北向东南逐渐降低,呈现荒漠草原典型草原草甸草原,典型草原中北部旱情严重的特征。该研究对蒙古高原不同草原类型干旱事件精准监测及旱灾防御具有重要意义。