黄土高原水资源特征与利用对策

本文在简述黄土高原气候干旱、降水稀少、地面破碎、植被缺乏、水土流失严重等自然条件的基础上。分析了黄土高原水资源短缺、时空分布不均、变化很大,河流含沙量极高,水质污染日趋严重等特征。提出了蓄水保土,建立“土壤蓄水库”,抑制土壤蒸发,发展节水型工农业体系,提倡节约用水、科学用水,加强水资源管理与保护等措施,力求最充分合理地开发利用黄土高原地区有限的水资源。     

中国内陆干旱、半干旱区苦咸水分布特征

通过大量野外调查、水样采集和化验分析,对中国内陆干旱、半干旱区的苦咸水和高氟水分布特征进行了初步研究。采集到的地表和地下水样中,分别有51.0%和41.5%属于苦咸水;55%和59%水样氟化物含量超标,属于高氟水。研究区的苦咸水以Cl^--Na⁺和HCO₃^--Na⁺为主要离子类型,SO₄^2--Mg²⁺和SO₄^2--Ca²⁺为次要离子类型。苦咸水和高氟水主要分布在内陆河流域下游尾闾、封闭内流区低洼湖盆低地、北部准平原化干燥剥蚀低山残丘间冲积洼地、沙漠低洼湖盆和黄土高原中西部径流系数较小的河流及部分露头潜水等区域,并具有区域富集性分布特点。季节性降水、季节性河流或渠系灌溉对苦咸水的季节性或年际间变化和空间分布有较大影响。较高浓度基质含盐量、水文地质结构、气候条件和特定的水文地球化学环境是苦咸水和高氟水形成与富集分布的主要原因。     

黄土高原地区气象干旱动态格局演变及其对植被的影响

本文以黄土高原为研究区域,通过识别气象干旱的三维连续时空体,剖析了1982—2018年夏秋季节气象干旱(SPEI)事件发生发展过程与区域植被覆盖(NDVI)之间的响应关系。结果表明：(1)基于空间聚类识别的黄土高原三维气象干旱事件与历史真实干旱事件的发展演变过程基本吻合;(2)从时间和空间维度综合来看,黄土高原气象干旱发生区域NDVI往往会比同区域非干旱时期减少,且NDVI减少程度与气象干旱强度显著相关(R²=0.438 9,P<0.05);(3)从黄土高原不同土地利用类型(耕地、草地和林地)对干旱事件响应关系来看,草地最易受干旱胁迫且对干旱强度的变化最敏感,抗旱性最差;而耕地在干旱强度较大的干旱事件中更易受到影响。本研究对科学合理地理解区域干旱的动态格局演变及阐明其对植被生态系统的影响机制均具有重要参考意义。     

中国黄土高原地区降水时空演变

为揭示黄土高原地区降水资源在全球气候变化背景下的演变特征,利用黄土高原地区7省区51站43 a的降水资料,主要采用EOF、CEOF和小波分析等方法,研究了黄土高原降水近43 a的时空演变及其资源信息在空间的流动。结果表明：黄土高原年季降水对全球变化区域响应不同;年降水和秋季降水在1985年附近发生气候突变,降水明显减少;降水年际变化存在2～4 a振荡和11～18 a的年代际振荡,以2～4 a短周期振荡为主;降水响应敏感区在黄土高原腹地,空间演变信息在向东传播。     

黄土高原气象干旱和农业干旱特征及其相互关系研究

选择标准化降水指数（SPI）和植被状态指数（VCI）分别作为评价黄土高原气象干旱和农业干旱的指标,使用干旱频率和Sen斜率分析了黄土高原地区干旱的分布特征与变化趋势,并探讨了气象干旱与农业干旱的相关性。结果表明：① 黄土高原西部干旱频率总体上高于东部。气象干旱和农业干旱变化趋势在空间上表现有所不同,黄土高原西部、北部气象干旱呈不显著减缓趋势,东部和南部呈不显著加重趋势,但绝大部分地区的农业干旱呈减缓趋势,尤其是400 mm等降水量一线两侧区域。② 季节上,黄土高原夏季和秋季气象干旱频率较高,春季和冬季气象干旱频率相对较低。黄土高原农业干旱频率春季最高,夏季其次,VCI对农业干旱实时监测的适用性更强。③ 不同季节,农业干旱滞后气象干旱的时间长短不同,冬季滞后约2个月,春季滞后约1个月,夏季和秋季滞后少于1个月。黄土高原一熟制种植区的SPI-12值与VCI值具有较好的正相关性。研究结果可以为黄土高原的干旱监测和预警、干旱区划以及干旱灾害风险评估提供科学依据。     

黄土高原春季降水对青藏高原感热异常的响应

利用1961—2000年黄土高原56站的春季降水和NCEP/NCAR再分析资料,采用SVD方法分析了黄土高原春季降水与青藏高原地面感热的关系。结果表明,黄土高原春季降水量与青藏高原地面感热的前两个模态代表了两场间的主要耦合特征,具有高度的时空相关。青藏高原感热对黄土高原降水影响最显著的区域在西部和南部、北部。前期高原感热场的第一、二模态对黄土高原春季干旱的预测具有指示意义。     

1960-2016年黄土高原多尺度干旱特征及影响因素

明晰黄土高原干旱特征对于生态工程建设和社会经济可持续发展具有至关重要的作用。基于1960—2016年黄土高原59个气象台站数据和标准化降水蒸散指标（SPEI）,本文分析了黄土高原多尺度干旱时空变化特征,并探讨了遥相关指数对黄土高原干旱变化的影响。结果表明：① 黄土高原SPEI指数呈下降趋势,其中70年代初和90年代末为显著干旱时期,80—90年代初为较湿润时期;② 年尺度SPEI呈下降趋势的区域遍布整个黄土高原,以山西西部、宁夏北部和甘肃中东部最为显著,而黄土高原西北和西南部则表现为变湿趋势;③ 春、夏和秋三季SPEI均呈下降趋势,且夏、秋季下降趋势较大,趋势系数均为-0.03/10a。春季干旱趋势与年际变化较为一致,秋季干旱趋势范围较大,占总面积的64.53%,冬季干旱范围较小且不显著;④ 多尺度干旱同时受IOD、NAO、PDO、AMO和ENSO3.4等遥相关指数的共同影响,且该影响存在明显的年际和年代际相位转换特征。多元回归分析显示,IOD和NAO对黄土高原干旱解释率较高,分别为22.98%和12.23%,而ENSO3.4解释率较低,表明黄土高原降水变化与西南季风具有较好的关联性。     

基于SMOS的黄土高原区域尺度表层土壤水分时空变化

用SMOS土壤水分数据、MODIS植被指数数据和TRMM月降水数据,通过对黄土高原区域尺度表层土壤水分含量时空变化的研究,对表层土壤水分的时空变化特征及其对降水的响应进行了分析。结果表明：黄土高原表层土壤水分空间分布主要表现为西部和东北部低、东南部较高。青海石质高山区及山西西南部等区域土壤水分含量与整个区域存在差异。黄土高原西部与河套平原部分区域表层土壤水分含量季节性变化较大。在不同降水条件下,土壤水分含量与降水量相关性呈显著差异。     

近15 a黄土高原植被覆盖时空变化及驱动力分析

研究黄土高原地区植被覆盖变化及其驱动因素可以揭示研究区气候变化和人工生态调节过程对植被变化的影响。基于500 m分辨率的MODIS-NDVI数据和同期气象数据,运用均值法、斜率分析法、相关分析法及残差法,分析了2001-2015年黄土高原的植被时空演变变化特征及其驱动因素。结果表明：近15 a黄土高原植被在季度上总体都呈现增加趋势且存在一定差异,夏、秋季植被增加最为明显;黄土高原植被覆盖在空间上呈现自东南向西北递减的分布特征;植被NDVI变化在不同季节上都存在明显的空间差异;黄土高原植被NDVI对气温、降水的响应关系有明显的季节差异,并在空间上与降水的相关性显著,与温度相关性不明显;人类活动对植被覆盖变化有双重影响,其中生态恢复工程是黄土高原中部地区植被覆盖快速增加的重要因素。     

1960—2016年黄土高原干旱和热浪时空变化特征

基于1960—2016年黄土高原49个气象台站日最高气温和月降水数据,论文利用百分位高温阈值和标准化降水指标对黄土高原干旱和热浪时空变化特征进行了分析,识别并探讨了干旱和热浪同时发生事件的演变规律。结果表明：① 黄土高原热浪频次整体呈增加趋势,日高温热浪增加趋势最大,增速达到0.29次/a,1995年之后增加趋势更为明显,显著增加区域集中在山西东北部、青海省东部和甘肃中南部;② 1960—2016年黄土高原旱涝指数呈下降趋势,即表现为由涝转旱,20世纪90年代初为旱涝变化的转折点,年旱涝指数下降趋势显著区占整个研究区的62%,其中黄土高原沟壑区南部、陕北南部、山西南部、甘肃东部干旱趋势较为明显;③ 干旱和热浪同时发生事件总体呈现增加趋势,增速为0.66次/10 a,其中1960—1979年呈下降趋势,降速为-0.26次/a,1980—2002年呈增加趋势,2003年之后变化趋势较为平稳;空间上,山西东部、陕北南部和甘肃东南部发生频次较高,并且显著增加区主要位于山西东北部、甘肃中东部和宁夏北部。     

Dynamic evolution and the mechanism of modern gully agriculture regional function in the Loess Plateau

The agricultural regional type and function are the key theoretical issues in agricultural geography research. Gully agriculture in the Loess Plateau is a new regional type of agricultural system with the coupling development of the modern gully human-earth relationship. The study of its functional changes is of great practical significance for food security, rural revitalization and sustainable development of regional agriculture in the region of interest. This paper analyses the multifunctional change of gully agriculture in the Loess Plateau and its dynamic mechanism by using large-scale remote sensing data, topographic relief amplitude model, and spatial econometric model to understand internal implications for evolution differentiation at the basin level. The results show that: (1) The spatial concentration of production and supply function of agricultural products (APF) in the gully of the Loess Plateau gully is high, while the ecological conservation and maintenance function (ECF), employment and social security function (ESF), cultural heritage and leisure function (CRF) are relatively low. The four functions’ spatial distribution has revealed an apparent regularity. (2) APF has been significantly enhanced, which is mainly distributed in point clusters and strips in the farming and pastoral areas in northern Shaanxi to the Yanhe river basin. The high-value areas of ESF are clustered around the urbanized metropolitan circles and urban-rural staggered areas along the Great Wall. ECF is concentrated in areas with significant natural endowments and excellent ecological conditions. CRF is significantly higher in the municipal districts and the surrounding regional central cities. (3) There are noticeable differences in the gully agriculture regional function (GARF) evolution process due to the geographical environment and socio-economic development stages. In this regard, natural factors have tremendously affected APF, ESF, and ECF, while socio-economic factors greatly differ in the four functions. There are still differences in the driving mechanisms of modern gully agriculture evolution types; hence many critical policies in the Loess Plateau can directly affect the function evolution paths. The dynamic evolution of GARF can reflect the general law of rural human-earth system transition in gully areas, thereby providing policy ideas for high-quality development of agriculture in the Loess Plateau.     

基于地理探测器的干旱区内陆河流域产水量驱动力分析 ——以疏勒河流域为例

明确干旱区产水量的驱动因素,能为区域水资源优化和可持续发展提供科学依据。基于 MODIS 植被指数、HWSD 的土壤数据集以及气象要素数据,采用 InVEST 模型和地理探测器探究疏 勒河流域多年平均产水量的空间分布,揭示不同空间尺度上产水量的单因子及双因子交互驱动机 制。结果表明：疏勒河流域多年平均产水量呈现南部>北部>中部。流域尺度上,产水量空间格局 的主导驱动力为降水,坡度与降水交互驱动作用最为显著。区域尺度上,南部山区、北部马鬃山地 区和中部平原区的主导驱动力各不相同,分别为日照时数、人为干扰强度、降水,双因子交互作用 显示人为干扰强度与其它因子的交互最为显著。不同土地利用类型中,耕地产水量的主导驱动力 为坡度,而其它地类产水量的主要影响因子为降水。各地类中降水与其他因子的交互均大大增强 了单因子驱动力。因此,干旱区产水量多尺度驱动机制研究对区域水资源可持续管理至关重要。     

1979-2012年夏季黄土高原空中云水资源时空分布

利用欧洲数值预报中心(ECMWF)发布的新一代全球全分辨率ERA-Interim再分析数据,采用经验正交函数(EOF)、小波分析、回归分析等方法,分析1979-2012年夏季黄土高原空中云水资源分布特征。结果表明:(1)夏季黄土高原空中云水资源远大于该地区实际年降水量,具有较大空中云水资源开发利用潜势;(2)空间上云水资源表现为两种模态--西北部、东南部反位相振荡(EOF1)以及中部云水资源偏多西北、东南两端偏少(EOF2),且具有显著年际变化周期;(3)黄土高原的空中云水资源主要来自东海,当水汽输送反气旋环流中心偏南(北)时,影响EOF1(EOF2)空间模态;(4)云水、云冰量峰值分别出现在700 hPa、400 hPa左右,当700 hPa存在水汽辐合及上升运动时有利于黄土高原空中云水资源开发。     

1959-2008 年黄土高原地区年内降水集中度和集中期时空变化特征

本文基于黄土高原地区1959-2008 年51 个地面气象台站的逐日降水资料, 计算了降水集中度(PCD)和集中期(PCP), 并结合EOF、趋势分析以及相关分析等方法对我国黄土高原地区年内降水不均匀性特征及其趋势进行了分析。结果表明:①黄土高原地区PCD在0.53~0.75 之间, 自东南向西北逐渐增加, 而PCP变化不大, 主要集中在7 月中旬和下旬;②近50a 黄土高原地区PCD主要以南北反向型分布为主;③从变化趋势来看, PCD增加趋势较明显的区域主要分布在宁夏的同心和山西的五台山等地, PCD减小比较明显的区域主要分布在山西的阳泉以及青海的门源等地区;而PCP整体上呈现提前趋势, 只有青海的门源站附近有小幅推迟趋势;④年降水量与PCD有较好的相关性, 大部分地区都通过了显著水平为0.05 的检验;而年降水量与PCP的相关性并不显著, 通过显著水平0.05 检验的区域仅分布在山西的兴县、陕西的洛川以及宁夏的固原等地。     

民勤绿洲水资源利用与生态系统退化分析

石羊河流域生态平衡失调,生态系统退化在我国干旱、半干旱地区内陆河流域中具有典型的代表性。通过对石羊河流域近代地表水资源开发及其绿洲变迁,近年来流域用水量分配,降水特征及其对植被的影响,流域下游民勤绿洲地下水位、水质的变化等因素多年来观测研究,认为：降水量对天然植被的生长没有大的作用;由于人口的增加,流域地表水资源分配不均,水资源开发过度,地下水位急剧下降,造成流域生态系统退化。流域经济因素促进社会因素的变化,社会因素的变化导致自然环境的变迁,社会、经济、自然诸因素相互作用,通过水资源的变化驱动石羊河流域生态系统的变化。     

黄土高原典型流域地下水补给-排泄关系及其变化

基于长序列实测日径流资料,分析了无定河流域的地下水补给-排泄关系。结果表明:①流域多年平均地下水补给量为11.38~15.69 mm,降水入渗补给系数为2.9%~4.4%,基流补给率约为73.6%~86.8%;②就三个分区而言,年均地下水补给模数、降水入渗系数以黄土区最大,河源区次之,风沙区最小;而基流补给率以河源区最大,黄土区次之,风沙区最小;③趋势分析表明,研究区地下水补给量总体呈显著减少趋势,并进一步导致了基流量的减少。但是基流的减少程度高于补给量。     

黑河流域水资源动态变化及其趋势的灰色Markov链预测

根据有关水文气象台站的观测数据,对黑河流域水资源时空分布特征及变化规律进行了分析,并基于GM(1,1)模型和Markov链原理,提出了一个用于黑河流域的水资源变化趋势预测的灰色离散随机过程模型。结果表明,从1944年有观测记录以来的近60a时间里,以黑河干流为代表的黑河流域天然径流经历了几个长度不等的丰水段与枯水段,而目前正处于1996年开始第5个丰水段的下降段的最低点或自2000年开始的第6个枯水段的起始点。未来几年里,黑河流域天然水资源的变化总体上将呈现一种偏枯或平水偏枯的状态,但径流偏枯的幅度将不会很大。     

2000-2012年陕甘宁黄土高原区地表蒸散时空分布及影响因素

分析陕甘宁黄土高原区地表蒸散变化特征及其影响因素,可以为区域水资源规划、生态环境改善提供依据。本文利用MOD16蒸散数据,统计分析了陕甘宁黄土高原区2000-2012年地表实际蒸散量的时空变化特征,并结合国家气象站点观测数据和基于像元的相关分析法探讨了其影响因素。结果表明:(1) 2000-2002年蒸散量迅速上升,在2003年达到最高值378.6 mm, 2003-2006年蒸散量呈下降趋势,2006年之后蒸散量呈现缓慢上升趋势。(2) 近13年来,陕甘宁黄土高原区多年平均蒸散量具有明显的空间差异,蒸散量自西北至东南递增,最南部的六盘山、子午岭、黄龙山地是3个主要的高值区;年蒸散量以夏季最多,其次是春季,秋季和冬季最少,且季节蒸散的分布与年蒸散的空间分布格局基本一致。(3) 陕甘宁黄土高原区蒸散量草地和耕地的贡献率最高,密灌丛、疏灌丛次之,常绿针叶林、森林草原贡献率则较小。(4) 陕甘宁黄土高原区动力因素对地表蒸散量影响以正相关为主,风速对该区影响较大;热力因素对地表蒸散量影响以负相关为主,其中气温与蒸散在空间上呈负相关的区域较大,日照时数与蒸散在空间上的负相关区域的面积次之;水分条件(降水量、相对湿度)对蒸散的影响也以正相关为主。     

近50年黄土高原侵蚀性降水的时空变化特征

利用黄土高原及其附近地区99个站点逐日降水观测资料,分析了1956～2005年黄土高原年降水量、侵蚀性降水量、暴雨量的变化趋势和空间特征.研究表明:1956～2005年黄土高原降水在波动中呈现下降趋势,尤其自1980年年以来,降水减少趋势显著.黄土高原地区降水变化具有显著的空间差异,降水偏少最为显著区域位于黄河中游的河口-龙门区间,尤以无定河流域、汾河流域和山西中北部最为典型,年降水量和侵蚀性降水偏少10%以上.存在从北向南沿朔州-离石-临汾-三门峡一带的暴雨异常偏少地带,偏少在20%以上.