基于土壤湿度与植被覆盖变化的黄土高原生态恢复项目适宜性评价

基于2001—2014年的MODIS数据和Landsat数据,利用温度植被干旱指数对黄土高原土壤湿度进行了反演,并应用Theil-Sen趋势和Hurst指数,通过分析土壤湿度与植被覆盖的时空变化特征及其相互关系,得到了未来不同土壤湿度情境下植被覆盖的变化特征,经过筛选和分析划分出了黄土高原生态恢复项目适宜性区域。结果表明:(1)黄土高原TVDI的Hurst指数均值为0.49,其中持续性和反持续性面积分别占42.54%,57.46%。根据TVDI未来变化特征来看,未来土壤湿度减小的区域面积占54.08%且遍布整个研究区。(2) NDVI的Hurst均值为0.52,其中持续性面积占55.01%,表明黄土高原植被覆盖持续性强于反持续性。根据NDVI未来变化特征,植被覆盖持续改善面积达46.95%,退化转为改善占6.08%,呈良好趋势。(3)生态恢复项目弱适宜区面积最大,占总面积的59.90%,其次为不适宜区,面积占25.39%;适宜区面积仅占黄土高原的13.41%,较适宜区面积仅为1.30%。(4)未来的植被恢复工程主要针对坡度较大的耕地实施退耕还林,还需要考虑对土壤水分适宜的地区进行了退草还林,而且坡度较小的较适宜区应在粮食安全的基础上进行了退耕还林和退草还林。     

黄河流域植被指数对气候变化的响应及其与水沙变化的关系

[目地]研究流域植被对气候变化的响应及其与水沙的关系,为黄河流域生态环境政策调整提供科学依据。[方法]基于归一化植被指数(GIMMS NDVI)、气温、降水和径流量、输沙量数据,利用线性回归和相关分析方法分析了黄河流域NDVI时空变化和对气温与降水的响应,及其与径流量和输沙量关系。[结果]①1982—2015年黄河流域及上、中游流域NDVI均呈显著线性增加趋势,中游流域增速最快,显著增加区域面积也最大。②1982—2015年黄河流域NDVI与年平均气温、年降水量呈显著正相关面积分别占22.39%和21.99%,集中分布在中北部区域。③2000—2015年黄河流域总体和上游流域年径流量均表现出增加趋势,上游和中游流域输沙量呈下降趋势。黄河流域水沙关系变化是多种因素共同作用的结果。[结论]气候变化背景下黄河流域1982—2015年植被总体呈改善趋势,但具有明显空间差异特征,植被变化与河流径流和输沙变化关系尚待进一步研究。     

1981-2016年黄土高原植被NDVI变化及对气候和人类活动的响应

探析黄土高原植被覆盖演变及其驱动因素,有助于了解黄土高原生态现状,剖析植被变化和驱动因素,以期为区域生态环境治理和规划提供科学依据。基于黄土高原NDVI、气温、降水数据,采用变化趋势率分析、多元回归残差分析等方法,研究了1981—2016年黄土高原区植被NDVI变化特征及对气候和人类活动的响应。结果表明：(1) 1981—2016年,黄土高原区植被NDVI呈东南高西北低的空间格局,整体上升率高,生态恢复效果显著;在选择的45个地州市中,榆林、铜川、延安和渭南等地植被NDVI增加最快,兰西城市群和内蒙古部分区域植被呈减小趋势。(2)气候变化和人类活动的共同作用是近35年来黄土高原区植被NDVI整体快速增加和巨大空间差异的主要原因。气候变化对黄土高原NDVI变化的影响主要以轻微促进和中度促进为主,而农村人类活动、城市人类活动的影响主要为明显抑制和轻微抑制。(3)气候变化、农村人类活动和城市人类活动对黄土高原区植被NDVI增加的贡献率分别为82.03%,11.68%和6.29%;气候变化贡献率大于60%的区域占黄土高原的76.9%,主要集中在黄土高原的东部和中部,人类活动对NDVI的影响主要...     

黄土高原植被恢复与局地气候变化的关系

分析退耕还林以来黄土高原气候的时间变化特征和空间分布特征,研究黄土高原局域气候变化的时空差异性及其与植被恢复的相关性,旨在探讨区域气候是否会对植被覆盖变化做出响应。使用GIS和统计学方法,基于黄土高原区1981年以来的气象数据和2000—2013年的MODIS/NDVI数据,使用趋势分析和Kriging插值,分析气候要素的时空变化特征,结合线性相关性,分析植被恢复和区域气候变化的关系。研究结果表明:1)近30年来黄土高原的气候变化总体趋势是气温上升,而其他气候要素无显著变化;退耕还林以后表现为降水增加、气温不再升高、风速降低、湿度减小。2)2000年以来,黄土高原最高气温变化率、最小相对湿度变化率空间特征表现为条带状,且与夏季NDVI变化率具有相似的空间分布特征。3)植被NDVI与1—4月份的最低气温正相关性显著,与7月份的最高气温负相关性显著,与5—9月份风速负相关性显著,与5月和7月的相对湿度正相关性显著。4)南温带植被NDVI与年均最大风速的负相关性显著,中温带植被NDVI与年均最小相对湿度的正相关性显著,还与春、秋季平均最小相对湿度的正相关性显著。总之,黄土高原的气候变化受到全球气候变化的影响,但是植被覆盖变化也是局地气候变化的1个因素,在温度、风速和湿度方面表现比较明显。     

基于NOAA/AVHRR遥感资料的锡林郭勒草地植被变化特征

通过对2005-2008年历年8月份归一化植被指数（NDVI）差值变化和5月上旬-7月中旬历旬降水量与牧草产量关系的综合分析,探讨了锡林郭勒草地植被变化特征及其形成的主要原因。结果表明：锡林郭勒草地大部地区各年度同期植被指数变化明显,植被指数差值增大的面积逐年增加,植被长势均好于前1年;3a草地植被指数差值减少的区域主要分布在中、东部地区,表明该地区草地植被退化明显。草地地表植被变化和牧草产量波动与6月下旬降水量显著相关。定期监测草地地表植被变化特征,可为科学决策提供依据。     

黄土高原植被变化与恢复潜力预测

采用GIS技术与地统计方法,基于黄土高原2000—2018年的MODIS遥感影像,选取归一化植被指数探讨研究区植被时空变化特征,采用相似生境法预测黄土高原植被恢复潜力。结果表明:黄土高原2000—2018年低植被盖度区域面积减少,高植被覆盖度面积不断增加。黄河中游头道拐至龙门区间植被变化最为显著,平均增长速率为0.015~0.050/a,其中,延河上游、清涧河及秃尾河流域的植被盖度增长速率最高,均超过了0.015/a。受城市化影响,汾渭平原的下游干流区植被盖度显著降低。相似生境法预测黄土高原未来植被恢复潜力的空间差异性显著,东南部地区植被盖度接近或达到最大恢复潜力,无恢复空间;在丘陵沟壑区和风沙区的交错地带部分地区植被盖度较现状仍有25%~50%的提升潜力。由于黄土高原植被受退耕还林草工程影响,人工植被干扰强烈,受到该区降雨与水分承载力限制,未来植被恢复需调整植被类型、优化植被结构与格局,提升区域生态系统功能。本研究结果可为黄土高原未来植被恢复与水土保持规划与布局提供理论与方法支撑。     

2000-2019年黄河流域陕西段植被NDVI时空变化及其驱动因素分析

植被是陆地生态系统的重要构成,研究植被变化规律及影响因素有助于加强区域植被生态保护和可持续发展。基于SPOT NDVI和气象数据,采用趋势分析、偏相关分析和残差分析等方法对2000—2019年黄河流域陕西段植被NDVI时空变化特征及其驱动因素进行了分析。结果表明：(1) 2000—2019年黄河流域陕西段植被NDVI总体以0.008 6/a的速率呈极显著增加趋势,不同地域NDVI增速为陕北(0.010 9/a)>关中(0.005 3/a),不同土地利用类型NDVI增速为草地(0.011/a)>耕地(0.008 1/a)>林地(0.007 8/a)。(2)植被NDVI呈增加趋势的面积占比为86.19%,其中显著增加的面积比例为81.90%,陕北(91.87%)>关中(66.91%),林地(97.48%)>草地(90.38%)>耕地(69.78%)。(3)偏相关分析发现90.24%的区域植被NDVI与年降水量以正相关关系为主,66.3%的区域植被NDVI与年均温呈正相关关系。(4)研究区植被NDVI变化受到气候变化、人类活动以及二者共同作用的影响,占比分...     

生态工程背景下黄土高原植被变化时空特征及其驱动力

[目的]分析1990—2015年黄土高原植被的时空演变规律,并从气候变化和人类活动两个方面分析该地区植被变化的驱动力,以期为生态环境保护相关政策的制定和区域可持续发展提供理论依据。[方法]基于GIMMS NDVI和MODIS NDVI建立长时间序列NDVI数据集,采用线性趋势分析、多元线性回归和改进的人类残差等分析方法,以NDVI为指标,辅助土地利用数据,对黄土高原地区1990—2015年期间植被时空变化特征及其影响因素进行了定量分析。[结果]①在1990到2015年期间,黄土高原地区植被的NDVI总体表现为上升趋势,且变化趋势较明显的分为两个时期,其中2000年以后NDVI上升速率较快;②2000年以后,黄土高原植被NDVI迅速上升,上升区域面积达到总面积的91.90%,其中NDVI显著上升面积比为65.78%;③黄土高原地区植被面积总体表现为增加,且主要来自于耕地的转入;④人类活动促使的植被恢复区域占黄土高原总面积的21.74%,主要分布在内蒙古的东部和北部、甘肃和宁夏的南部,以及陕西和山西的中部地区。[结论]随着退耕还林还草政策的实施,黄土高原地区植被面积持续增加,且植被生长状况持续变好,黄土高原植被恢复的原因主要是气候和人类共同影响,其中人类影响的程度较大。     

玛纳斯河流域NDVI时空变化及对气象因子的响应

基于MODIS-NDVI数据和同期的气象资料,运用趋势分析、R/S分析、偏相关分析等方法,在区域和像元两个尺度上研究玛纳斯河流域的植被空间变化特征。结合趋势分析结果和Hurst指数,研究玛纳斯河流域NDVI变化的可持续性特征,并从气温和降水量2个因素分析了NDVI对气象因子的响应。结果表明:(1)2000—2015年玛纳斯河流域NDVI变化呈微弱增长趋势,增长速率为0.044/10a。(2)玛纳斯河流域植被覆盖状况改善的区域占总面积的42.03%,没有发生显著变化的区域占总面积的55.88%,显著退化的区域仅占总面积的2.09%,研究区整体生态环境有所改善。(3)从Hurst指数来看,研究区大部分地区NDVI变化具有可持续性,但局部地区具有反持续性。持续性改善区域占总面积的52.81%,持续退化的面积比重为29.54%,15.87%面积的区域未来变化趋势无法确定。(4)相关性分析结果显示:NDVI与年降水量呈正相关,与平均温度呈负相关,降水对NDVI的影响高于平均温度。     

华北地区植被NDVI与不同气候指标的相关分析

对1982-2006年华北地区归一化植被指数(NDVI)与不同气候指标(年平均气温、年降水量、干燥度指数、生物热量指数和生物干湿度指数)的相关性进行了分析。结果表明,1982-2006年华北地区植被NDVI总体呈现上升趋势,其中农田和灌丛的植被NDVI上升趋势最明显;1982-2006年华北地区年平均气温和生物热量指数呈显著增加趋势,年降水量、干燥度指数和生物干湿度指数呈减少趋势;整体上华北地区植被NDVI年变化与当年的干燥度指数呈极显著负相关,与上一年的年平均气温呈显著正相关关系,其中草地植被NDVI与年均气温、年降水量呈现显著正相关,与干燥度指数呈极显著负相关,农田和灌丛植被NDVI与年均气温显著正相关。此外,华北地区植被NDVI与不同气候指标的相关性存在明显的空间差异。     

黄土高原植被覆被时空动态及其影响因素

为探究黄土高原植被覆被时空分布与动态变化及其与气候和人类活动的响应机制,基于趋势分析、偏相关性分析和残差分析等方法,利用2000—2015年黄土高原MODND1T/NDVI植被遥感数据、同期气象数据及ESA CCI-LC植被覆被分类数据,根据气候和人为因素对植被覆盖变化的驱动贡献,(1)分析了黄土高原NDVI分布格局、变化趋势及其驱动因素。结果表明：(1)黄土高原NDVI由西北向东南呈递增趋势,具有明显空间异质性分布特征。16年间NDVI呈显著增加趋势,平均递增速率0.010 2/a,波动范围介于0.54～0.71。(2)黄土高原NDVI变化趋势与降水有较强相关性,两者偏相关系数为0.53。(3)黄土高原不同季节NDVI均呈整体增长趋势,春季NDVI与降水呈显著正相关关系,降水是决定春季所有植被类型覆盖变化的最直接因素。(4)残差分析表明,人类活动对黄土高原NDVI的波动影响较大,是黄土高原植被覆盖变化的重要驱动因素。综上,黄土高原16年间植被覆被明显增加,降雨是黄土高原植被生长发育的主要限制因素,人类活动通过退耕还林等生态修复措施对黄土高原植被覆被带来明显改善。     

Soil Moisture Variations with Land Use along the Precipitation Gradient in the North–South Transect of the Loess Plateau

Knowledge of soil moisture spatial variation with land use along the precipitation gradient is necessary to improve land management and guide restoration practice in the water‐limited Chinese Loess Plateau. This study selected 45 sampling points at 11 sites across the north–south transect of the Loess Plateau based on the precipitation gradient and land use. Results showed that the vertical profiles of soil moisture revealed large variations with the precipitation gradient changing, especially in the surface layer (0–100 cm). Significant linear correlation existed between the average soil moisture of the profile and the mean annual precipitation (MAP) for each land use type (p < 0·05). Hereinto, the soil moisture under the grassland was affected more greatly by precipitation. The soil moisture under each land use commonly revealed the trend as farmland > grassland > shrubland > woodland, while it might be higher under the woodland than the shrubland in the surface layer in regions with MAP <500 mm. The soil moisture of woodland or shrubland at the selected points was below or approximate to the permanent wilting point in regions with MAP <520 mm. Covariance analysis confirmed the effects of land use and MAP on the soil moisture in depth of 100–300 cm, and it showed land use did not pose significant effects in the surface layer. In addition, our study indicated that it is necessary to reconsider and re‐evaluate the current vegetation restoration strategy in the perspective of vegetation sustainability and soil water availability, in which woodland and shrubland were selected on a large scale in the arid and semi‐arid regions. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

黄土高原典型地区不同植被覆盖下坡面土壤侵蚀阈值研究

为了分析植被覆盖对黄土高原坡面水土流失的影响，量化土壤侵蚀的植被覆盖阈值，基于模拟降雨数据分析了植被覆盖对土壤侵蚀的作用机制，利用绥德、西峰、天水等黄土高原高原典型地区的野外径流小区定位观测资料，探讨了不同覆被类型下植被覆盖控制径流和土壤侵蚀的有效性，确定了不同覆被类型下植被覆盖调控径流和防治土壤侵蚀的植被覆盖下限阈值和上限阈值。结果表明：(1)植被覆盖度的提高增加了土壤入渗、减少了径流量、延缓了径流流速、增加了土壤抵抗侵蚀的能力。(2)坡面径流量随植被覆盖度呈幂函数或指数函数下降，土壤侵蚀量随植被覆盖度呈指数函数、幂函数或者对数函数下降。(3)总体而言，不同地区植被控制土壤侵蚀的下限阈值在20%～30%,上限阈值在50%～70%。(4)土壤质地、植被类型、甚至植被的根系特征对植被控制径流和土壤侵蚀的效益有重要影响。研究结果为黄土高原水土保持工作提供研究依据。     

Impact of land‐use changes on soil hydraulic properties of Calcaric Regosols on the Loess Plateau,NW China

Vegetation restoration efforts (planting trees and grass) have been effective in controlling soil erosion on the Loess Plateau (NW China). Shifts in land cover result in modifications of soil properties. Yet, whether the hydraulic properties have also been improved by vegetation restoration is still not clear. The objective of this paper was to understand how vegetation restoration alters soil structure and related soil hydraulic properties such as permeability and soil water storage capacity. Three adjacent sites with similar soil texture, soil type, and topography, but different land cover (black locust forest, grassland, and cropland) were selected in a typical small catchment in the middle reaches of the Yellow River (Loess Plateau). Seasonal variation of soil hydraulic properties in topsoil and subsoil were examined. Our study revealed that land‐use type had a significant impact on field‐saturated, near‐saturated hydraulic conductivity, and soil water characteristics. Specifically, conversion from cropland to grass or forests promotes infiltration capacity as a result of increased saturated hydraulic conductivity, air capacity, and macroporosity. Moreover, conversion from cropland to forest tends to promote the creation of mesopores, which increase soil water‐storage capacity. Tillage of cropland created temporarily well‐structured topsoil but compacted subsoil as indicated by low subsoil saturated hydraulic conductivity, air capacity, and plant‐available water capacity. No impact of land cover conversion on unsaturated hydraulic conductivities at suction > 300 cm was found indicating that changes in land cover do not affect functional meso‐ and microporosity. Our work demonstrates that changes in soil hydraulic properties resulting from soil conservation efforts need to be considered when soil conservation measures shall be implemented in water‐limited regions. For ensuring the sustainability of such measures, the impact of soil conversion on water resources and hydrological processes needs to be further investigated.     

2000—2019年黄土高原地区土壤保持时空变化及影响因素分析

为揭示全球气候变化背景下黄土高原的生态建设成效,以土壤保持量为评估指标,应用美国修正通用土壤流失方程,评估了黄土高原土壤保持服务功能以及植被、气象等因素对其影响,分析了2000年以来植被和气候变化影响下黄土高原土壤保持量时空动态变化特征。结果表明:2000—2019年黄土高原土壤保持量平均值为109.5 t/hm²,并呈增加趋势,平均每年增加2.0 t/hm²,空间分布黄土高原中部和东部土壤保持量增加较明显。2000年以来黄土高原地区植被NPP呈增加趋势,年平均值为330.5 gC/m²,且平均每年增加7.2 gC/m²; 2000年以来植被覆盖度年平均值为29.2%,且以平均每年0.52%的趋势增加。黄土高原地区2000年以来气温和降水量均显著增加,平均年降水量为469.1 mm,且呈增加趋势,平均每年增加3.1 mm,年平均气温为10.2℃,平均每年增加0.03℃。黄土高原生态恢复措施加强,加之区域“暖湿化”有利气候条件,促进了区域生态建设成效显现,成为黄土高原生态恢复、功能提升的重要因素之一。     

黄土高原丘陵区不同植被恢复方式下土壤水分特征——以桥子沟流域为例

为研究黄土高原丘陵沟壑区不同植被恢复方式下的土壤水分特征,以天水典型对比小流域——桥子西沟(自然恢复的荒草地)和桥子东沟(人工恢复的刺槐林地)为例,基于2流域5-8月0～ 100 cm深度土壤质量含水量和氢氧同位素浓度,定量分析不同植被恢复方式下降水和坡向对土壤水分影响.结果表明:以刺槐林地为主的流域土壤含水量低于以荒草地为主的流域(16.72％)约3.70％,对降水量的响应较弱,各土层含水量变异系数较高.土壤水分存在临界变化深度,刺槐林地为主的流域在10 cm以下含水量趋于稳定,最大蒸发深度为55 cm,荒草地为主的流域在30 cm以下含水量开始增加,最大蒸发深度为30 cm.两流域含水量均遵循阴坡＞半阴坡＞半阳坡,δo18的分布不符合这一规律.以刺槐林地为主的流域含水量随坡向变化较小,而以荒草地为主的流域受坡向影响较大,坡向对土壤水分的影响受植被因子的制约.以自然恢复荒草地为主的恢复方式可以较好的增加土壤水库蓄水量,有利于流域生态的可持续发展.     

Spatial variations and impact factors of soil water content in typical natural and artificial grasslands: a case study in the Loess Plateau of China

Purpose

Soil water overconsumption is threatening the sustainability of regional vegetation rehabilitation in the Loess Plateau of China. In this study, two typical natural and artificial grasslands under different precipitation regimes were selected and the spatial variations in and the factors that impact the soil water content were investigated to provide support for vegetation restoration and sustainability management in the Loess Plateau.

Materials and methods

Soil samples were collected in May and September. Medicago sativa L. and Stipa bungeana Trin. were selected as representatives of natural and artificial grasslands, respectively. Soil measurements were conducted at the beginning and end of the rainy seasons at soil depths of 0 to 3 m in 0.2-m increments, and 147 undisturbed and 2205 disturbed soil samples were collected at 27 sampling sites with different precipitation gradients across the Loess Plateau. The plant height, the field capacity, the saturated hydraulic conductivity, the bulk density, and the slope gradient were considered as impact factors. Statistic methods included one-way ANOVA, correlation tests, significance tests, and redundancy analyses.

Results and discussion

Spatial variation trends indicated that the mean soil water content increased as the multi-year mean precipitation increased, and the soil water content was higher in the natural grassland of Stipa bungeana Trin. than in the artificial grassland of Medicago sativa L. in the same precipitation gradient zone. Vertical spatial variation trends indicated that the soil water content was higher in most surface layers than in the deep layer and lower at the end of the rainy season than at the beginning of the rainy season, when the mean annual precipitation was less than 510 mm. The soil water content of the Stipa bungeana Trin. grassland was significantly correlated with precipitation and plant height, whereas the soil water content of the Medicago sativa L. grassland only exhibited a significant correlation with precipitation. Thus, grasses with fine palatability, good adaptability, and low water consumption should be cultivated in the Loess Plateau.

Conclusions

The decreased soil water content is more obvious in the soil layers with active vegetation roots. In the areas with multi-year precipitation at 370–440 mm, natural grasslands are more suitable for restoration and these areas should be treated as key areas for vegetation restoration. With regard to the spatial distribution of vegetation restoration, the economic and ecological benefits must be balanced so that the ratio of artificial vegetation and natural restoration can be optimized to realize the continued sustainability of vegetation restorations.

     

2000-2020年黄土高原植被覆盖度时空格局变化分析

以2000—2020年MODIS-NDVI植被指数为数据源,反演计算黄土高原植被覆盖度,通过转移矩阵和重心迁移等方法分析黄土高原植被覆盖度时空格局变化及其与降水、气温、坡度和土壤类型等因素的关系。结果表明:(1)2000—2020年黄土高原植被覆盖度由0.39提高到0.61,整体呈上升趋势,2017年后实现快速提升;(2)近20年,黄土高原植被覆盖度显著好转类型与极显著好转类型改善面积比例达到37.93%,2009年前以低覆盖和中低覆盖植被为主,2010年后以中覆盖及更高等级覆盖植被为主,2019年以后中高覆盖植被所占比例最高;(3)从2000年到2020年,黄土高原低覆盖、中低覆盖、中覆盖和中高覆盖植被向更高等级覆盖植被转化比例分别为93.10%,96.57%,82.99%,43.34%,中低覆盖、中覆盖、中高覆盖和高覆盖植被向更低等级覆盖植被转化比例分别为0.30%,2.21%,7.83%,12.47%;(4)近20年黄土高原植被覆盖度变化与气温和降水的变化表现敏感,斜坡地和陡坡地植被覆盖度较高,淋溶土类型下的植被覆盖度较高,国家政策和措施实施等人为因素对植被覆盖度改善发挥重要作用。