The impact of climate change on geomorphology and desertification along a mediterranean-arid transect

From the perspective of geomorphology, three important aspects of climate should be considered if conditions become more arid: (a) any decrease that might occur in the annual rainfall amount; (b) the duration of rainfall events; and (c) any increase in the intervals between rainfall events. These, together with increasing temperature, lead to less available water, less biomass and soil organic matter content and hence to a decrease in aggregate size and stability. As a consequence, the soil permeability decreases, soils develop surface crusts and infiltration rates decrease dramatically. Such changes in vegetation cover and soil structure lead to an increase in overland flow and in the erosion of the fertile topsoil layer. Positive feedback mechanisms may reinforce these effects and lead to desertification. This paper considers the results of field investigations into the spatial variability of a number of ‘quick response’ variables at two scales: the regional and the plot scales. Concerning the regional scale spatial variability, results of experimental field work conducted along a climatic transect, from the Mediterranean climate to the arid zone in Israel, show that: (1) organic matter content, and aggregate size and stability decrease with aridity, while the sodium adsorption ratio and the runoff coefficient increase; and (2) the rate of change of these variables along the climatic transect is non-linear. A steplike threshold exists at the semiarid area, which sharply separates the Mediterranean climate and arid ecogeomorphic systems. This means that only a relatively small climatic change would be needed to shift the borders between these two systems. As many regions of Mediterranean climate lie adjacent to semiarid areas, they are threatened by desertification in the event of climate change. Concerning spatial variability at the plot scale, different patterns of overland flow generation and continuity characterize hillslopes under different climatic conditions. While in the Mediterranean climate area infiltration is the dominant process all over the hillslope, in the arid area overland flow predominates. In contrast to the uniform distribution of processes in these two zones, a mosaic-like pattern, consisting of locally ‘arid’ water contributing and ‘moist’ water accepting patches is typical of the transitional semiarid area. Such pattern is strengthened by fires or grazing which are characteristic of this area. The development of such mosaic pattern enables most rainfall to be retained on hillslopes. Changes in the spatial pattern of contributing versus accepting water areas can be used as an indicator of desertification and applied to developing rehabilitation strategies. © 1998 John Wiley & Sons, Ltd.     

不同耕作方式对绿洲区夏玉米农田土壤呼吸及酶活性的影响

[目的]研究民勤荒漠绿洲区免耕(Tn)、少耕(Tm)、深松(Ts)和秋翻(Tf)4种耕作方式下土壤呼吸速率的动态变化及其与土壤酶活性的关系,为制定科学有效的土壤碳调控管理措施提供依据。[方法]在2a的田间定位试验基础上,利用LI-8100土壤碳通量测量系统测定不同生育时期(苗期、抽穗期和成熟期)玉米田土壤呼吸速率动态变化,同时取0—20cm土样测定土壤酶活性和理化性质。[结果](1)民勤荒漠绿洲区土壤呼吸具有典型的日动态变化,4种耕作措施土壤呼吸速率日变化在玉米整个生育期呈单峰曲线变化,土壤呼吸速率依次为:TfTmTsTn,有机碳含量与土壤呼吸速率呈显著正相关(p0.05),说明在民勤荒漠绿洲区,传统耕作明显加快了玉米农田土壤碳的释放。(2)土壤脲酶、蔗糖酶、蛋白酶、过氧化氢酶和β-葡萄糖苷酶活性与土壤呼吸有较好相关性(p0.05),其中与过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶活性达到极显著水平(p0.01);pH值、速效钾、有机碳与脲酶、蔗糖酶、β-葡糖糖苷酶活性达到极显著水平(p0.01)。[结论]耕作方式可以通过改变荒漠绿洲区土壤理化性质、激发酶活性从而使土壤呼吸速率发生不同程度的改变,影响玉米田CO2的释放。     

资源型城市土地利用变化对生态系统服务价值的影响——以安徽省淮南市为例

[目的]以安徽省淮南市为例,探讨资源型城市土地利用变化对生态系统服务价值的影响,为该市生态、经济、生态环境保护以及今后进行城市开发建设和农业发展提供科学参考。[方法]基于土地利用变化和生态系统服务价值评估的相关理论和方法,运用GIS软件,分析淮南市2000和2010年土地利用变化,并计算淮南市生态系统服务价值,研究土地利用变化对生态系统服务价值的影响。[结果]2000—2010年淮南市土地利用变化较大,主要土地类型以耕地、居民地及工矿用地和水域为主。土地利用结构发生变化,出现耕地、林地减少,水域、居民地及工矿用地、草地增加的现象。研究区生态系统服务价值总量呈减少的趋势,从2000年的11.72亿元减少到2010年的11.33亿元,减幅达3.33%。单位面积生态系统服务价值的分布变化也与研究区土地利用变化紧密相关,居民地及工矿用地的增加是造成生态系统服务价值减少的最主要原因。生态系统服务价值对生态价值系数的敏感性指数均小于1,说明研究区内的生态系统服务价值缺乏弹性,研究结果是可信的。[结论]淮南市应高度重视土地利用变化对生态系统服务价值的影响,优化调整土地利用结构,注重增加生态用地,稳步提升区域生态系统服务价值。     

基于CLUE-S模型的南四湖流域土地利用及其生态效应评估

[目的]分析南四湖流域土地利用变化的生态效应并探讨其动态演变特征,为流域土地资源的合理开发利用和生态系统的保护提供参考。[方法]基于南四湖流域2000至2015年土地利用数据,利用生态系统服务价值核算模型及CLUE-S模型对南四湖流域的生态服务价值及其动态演变特征进行计算和分析。[结果]2000—2015年南四湖流域耕地、草地和未利用地面积减少,林地、水域/湿地和城乡建设用地面积增加,南四湖流域整体生态系统服务价值增加了9.10亿元,但粮食生产、气体调节和保持土壤等生态功能分别下降了0.85%,0.85%和1.29%,生态问题依旧存在,生态系统服务价值分布不均匀,生态减值区的分布范围大于生态增值区。2030年流域内生态系统服务价值略微增加,而粮食生产、气体调节和保持土壤等单项生态系统服务功能继续下降,生态价值极低区以城市为中心向四周扩张,生态增值区范围缩小。[结论]虽然研究区内生态系统服务价值呈上升趋势,但生态价值分布不平衡,生态服务功能有升有降,因此有必要制定相应的措施,来控制土地利用类型的转换,平衡流域内的生态环境。     

面向对象的无人机影像水体变化监测方法

[目的]针对大多无人机影像仅有红、绿、蓝3个波段的特点,提出一种利用纹理特征提取水体并进行变化监测的方法,为水利部门了解水体面积变化情况提供技术支持。[方法]首先利用易康软件对无人机影像进行多尺度分割,形成影像像斑,再计算影像像斑的角二阶矩、均值、熵等纹理特征,将这些纹理特征作为影像波段进行组合,从而突出水体,最后通过ISO分类的方法提取出水体,将不同时期提取的水体进行叠置分析,得到水体的变化区域。[结果]通过选择不同的区域进行试验,水体的提取精度和变化检测精度均达90%以上。[结论]面向对象的无人机影像水体变化监测方法可有效提高水体变化监测的效率,节约人工作业量。     

宁夏罗山地区2004-2015年NPP时空变化及气候响应

[目的] 揭示罗山保护区植被净初级生产力（NPP）变化规律及气候相关性,为宁夏回族自治区及其周边生态环境保护提供科学依据。[方法] 利用MOD17A3H NPP（2004—2015年）数据、SRTM DEM和罗山周边气象站点（2004—2015年）年均气温和降水数据,运用相关性分析、趋势分析、线性回归分析等方法,分析气候、人口、生态及移民政策等对研究区植被净初级生产力的影响,对区内NPP时空变化特征进行定量化分析。[结果] ①研究区内植被净初级生产力的变化与降水的相关性较高;在核心区,降水与NPP的相关系数R=0.609,置信度p=0.036;在非核心区,相关系数R=0.648,置信度p=0.023;②研究区NPP呈波动增长趋势,速率为0.076 Pg/a（以C计）,高于全国NPP增长速率（0.008 Pg/a）; ③2010—2015年大罗山森林覆盖面积有所增长,NPP介于350～500 g/（m²·a）的森林面积是2004—2009年的4倍,小罗山方向基带植被由荒漠向荒漠草原转化; ④研究区以NPP划分的生态格局主要以荒漠为主（64.9%）,荒漠草原次之（29.6%）,森林占比极低（0.38%）。[结论] 干旱区植被NPP高度依赖降水,罗山地区生态结构有所改善,但森林生态系统仍极端脆弱。     

宁夏云雾山典型草原休眠期气候变化对生产力的影响

基于1992-2011年黄土高原典型草原长期生产力观测数据及相应气候资料,分析了近20a来宁夏云雾山地区休眠期（11月-翌年3月）温度及降水变化趋势,利用简单线性回归及偏最小二乘回归法（Partial Least Squares regression-PLS）探究了休眠期月和日不同尺度温度和降水变化对草地生产力的影响特征,以揭示黄土高原典型草原生产力对休眠期气候变化的响应规律。结果表明：（1）近20a来研究区休眠期平均气温以0.09℃·a-1的速率极显著升高（P<0.01）,其中1月和3月升温最为显著（P<0.01）;（2）休眠期降水量较少,且年际间变异较大,各月降水变化趋势亦不显著;（3）休眠期内不同阶段温度变化对草地生产力具有不同影响,但整体呈现抑制效应,降水变化对生产力影响不显著;（4）休眠期温度升高抑制草地生产力发展,其作用机制可能与温度升高引起的地表积雪减少、冻融交替频繁及土壤微环境变化有关。休眠期降雨较少,降雨与草地生产力并不存在显著作用关系。降雪作为降水的固态形式,其对生产力的影响特点及作用机制尚待深入探究。     

气候变暖对新疆核桃种植气候适宜性的影响

基于新疆102个气象台站1961-2015年逐日平均气温、最低气温、最高气温资料,采用线性趋势分析、累积距平、t检验以及ArcGIS的空间插值技术,对影响新疆核桃种植的关键气候因子（≥10℃积温、最低气温≤-25℃日数、最高气温≥40℃日数、终霜冻日早于≥10℃初日天数）的时空变化特征进行分析的基础上,结合核桃种植气候适宜性区划指标,研究了气候变化对新疆核桃种植气候适宜性及其分布的影响。结果表明：新疆≥10℃积温的空间分布总体呈现“南疆多,北疆少;平原和盆地多,山区少”的格局,最低气温≤-25℃日数有“南疆少,北疆多;平原和盆地少,山区多”的特点,夏季最高气温≥40℃日数为“东部多,西部少;平原和盆地多,山区少”的特点;终霜冻日早于≥10℃初日的天数呈现“西部多,东部少;山区多,平原和盆地少”的格局。在上述气候要素空间分异的综合作用下,新疆核桃种植的气候适宜区主要在塔里木盆地西部平原;次适宜区在塔里木盆地大部和吐哈盆地南部;北疆大部,阿尔泰山、天山和昆仑山区以及吐哈盆地、塔里木盆地东部为核桃不适宜种植区。在气候变暖背景下,近55a新疆≥10℃积温、最高气温≥40℃日数和终霜冻日早于≥10℃初日的天数分别以64.7℃·d·10a-1、0.48d·10a-1、0.120d·10a-1的倾向率呈显著（P＜0.05）增多趋势,冬季日最低气温≤-25℃日数以-0.980d·10a-1的倾向率呈极显著（P＜0.001）减少趋势。上述各要素分别于1986年和1997年发生了突变,受其影响,1997年后较其之前,新疆核桃种植的气候适宜区和次适宜区明显扩大,而不适宜区明显减小,气候变暖对新疆核桃种植总体趋于有利。     

基于去趋势分析的中国温带旱柳开花始期对气候变暖的响应

为了更准确地揭示植物在物候水平上对气温变化的响应与适应机制,在去气温和物候时间序列趋势的基础上,建立日尺度的气温?物候回归模型,分析中国温带地区40个站点1986-2011年旱柳开花始期对气温变化的响应与适应机理。结果表明：中国温带地区77.5%的站点旱柳开花始期呈提前趋势,相应的敏感时段春季气温则呈上升趋势（0.8±0.5℃·10a-1）。其中,75%的站点物候期或气温时间序列存在显著变化趋势。进行去趋势处理后,17.5%的站点相关性发生变化,去趋势前其相关性较低,去趋势后,表现为显著负相关;模拟的均方根误差（RMSE）从去趋势前的5.5d降至去趋势后的4.9d,说明去趋势方法能提高气温-物候响应关系诊断的精确度。基于去时间序列线性趋势的气温－物候回归模型,得到92.5%的站点旱柳开花期与敏感时段春季气温呈显著负相关关系,即随着气温的升高,旱柳开花期呈提前趋势,其线性响应速率为-2.5±2.1d·℃-1。     

基于网格单元的乌鲁木齐市土地覆被/利用时空变化

随着城市化进程在全球范围内的快速推进,对城市区域土地覆被/土地利用变化产生影响。采用1990、2000和2011年3期Landsat TM5遥感数据,提取乌鲁木齐市土地覆被/土地利用信息,并将各期用地分类数据分别转入250 m×250 m的矢量网格单元,计算每个网格单元内各类用地面积占网格单元面积比例的变化,探讨乌鲁木齐市1990—2011年土地覆被/土地利用时空变化特征及驱动因素,并通过相关和回归分析,研究1990—2011年各用地类型之间相互转移和替代的关系。结果表明:1)1990—2011年乌鲁木齐市城市快速扩展,大面积裸地和绿地转化为建设用地,建设用地持续增加,从1990年157.37 km~2增加到2011年的444.89 km~2,裸地持续减少,绿地先减少后增加,水体则呈现缓慢增长的趋势。2)研究区内不同区域和方向由于受到地形条件、政策、城市规划以及道路交通网络等因素的影响,土地覆被/土地利用呈现出不同的时空变化趋势,建成区老城区内部呈现挖潜的集约式增长,外围则是蔓延式扩展。该研究对该地区城市建设和发展具有借鉴意义。