腾格里沙漠东南缘不同固定程度沙地土壤表层水分时空变化遥感分析

土壤表层水分是固沙植被生长的主要水分来源,其时空变化格局决定了固沙植被的稳定性和演替方向。整合被动微波和光学数据的时空分辨率优势建立模型、反演土壤表层水分,可为不同固定程度沙地固沙植被稳定性评价提供科学依据。以腾格里沙漠东南缘为研究区,选取2003-2011年生长季(5-9月)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T_s,采用多元回归的方法,将空间分辨率为0.25°的AMSR-E土壤水分数据降尺度为每月的1 km平均表层土壤水分的时间序列数据,结合沙丘类型数据,分析了不同沙丘类型下土壤水分的时空异质性。结果表明:流动沙地的土壤水分空间分布与整个区域的差异性高于半固定沙地和固定沙地,而在极端干旱年份,研究区的整体分异不大,但同一类型间,固定沙丘空间差异明显高于半固定沙丘和固定沙丘;3种沙地类型表层土壤平均含水量在不同月份具有相似的变化规律,即土壤含水量5-9月呈抛物线形状,先下降后上升,7月达到最低,从同一月份不同沙地类型看,研究区表层土壤水分含量依次是固定沙地>半固定沙地>流动沙地;年际土壤水分在流动沙地和半固定沙地随降雨的变化而变化,而固定沙地基本不变。     

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。     

黄土高原土壤干层形成原因分析

以丰水年洛川人工林地深层土壤水分恢复为依据,采用高精度土壤含水量测量与逐层分析技术,以含水量变化率为主要指标,研究洛川2004年1月-2005年5月不同植被土壤水分的季节变化与水量平衡.结果显示,降水渗深以内表层土壤水分受气候和植被生长影响,呈明显季节变化;渗深以下深层土壤水分,中产农田和梨树林砍伐后基本维持平衡,苹果林地持续减少并以春季减少最多.研究表明,黄土高原深层土壤水分呈低水平循环状态,易形成土壤干层,而季节干旱是土壤干层形成的直接驱动力;"低降水、高蒸发"的气候特点是黄土高原土壤干层形成的决定因素,半湿润半干旱气候中的干旱特征对黄土高原自然地理环境产生广泛而深刻的影响.     

基于条件温度植被指数（VTCI）的中国北方地区土壤水分估算

 利用中国北方13省2000-2008年的Terra-MODIS归一化植被指数（[WTBX]NDVI）和地表温度（LST）[WTBZ]数据,以及相同时间段农业气象观测站点的0~10 cm表层土壤水分资料,建立基于条件温度植被指数的表层土壤水分遥感估算模型,计算出2000-2008年北方13省各月份表层土壤水分,主要结论有：（1）空间分布上,表层土壤水分最高的是分区一和分区四,平均值均达到了0.2以上,表层土壤水分最低的是新疆沙漠地区,低于0.05,土壤水分空间分布基本呈"南高北低,东高西低"的趋势;（2）受降雨量和农作物需水的影响,年内月份之间,7、8 两月表层土壤水分最高,4、5、9、10月表层土壤水分最低;（3）年际变化上,2000-2001、2001-2002、2005-2006年北方大部分区域表层土壤水分增加,增加区域面积分别占总面积的79.2%、59.3%和71.4%,而2002-2003、2004-2005年大部分区域表层土壤水分减少,减少区域面积分别占总面积的53.9%和64.1%;（4）降水是影响土壤水分时空分布的一个重要因素。误差分析结果表明,基于条件温度植被指数的土壤水分遥感反演达到了较好的效果,能够较准确地反映北方地区干旱的分布及变化状况。     

黄土高原典型半干旱区水热变化及其土壤水分响应

利用黄土高原典型半干旱代表区68 a(1937-2004年)降水、气温资料和34 a(1971-2004年)土壤湿度资料,研究黄土高原半干旱区水热变化及土壤水分响应。结果表明:黄土高原半干旱区在近70 a中气温以下降为主,3-6月降水存在显著增多趋势,气温、降水倾向具有明显时段差异。干旱年份或少雨时段长周期振荡加强、短周期衰减;相对冷的时期气温振荡周期明显,反之不明显。干旱是该地区土壤的基本气候特征,生长期土壤水分波动式下降,蓄水期土壤水分波动式上升,总体上以下降为主,20世纪70年代中后期土壤水分较好,80年代土壤水分较差,90年代末到21世纪初转好。土壤水分对短期降水变化、降水气温气候变化及短周期振荡都存在明显响应。     

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。     

甘肃黄土高原农业水分条件研究

计算分析了甘肃黄土高原的降水变化,农田蒸散和农作物水分亏缺的特征及其对农业生产的影响,表明区域主要降水特征均不利于农业生产;农田蒸散强烈,土壤水分亏缺严重;农作物水分供南非差额大,其水分适宜度低,降水产量指数小。     

毛乌素沙地南缘不同活性沙丘土壤水分时空变化

以毛乌素沙地南缘风沙活动区典型的不同活性沙丘(流动沙丘、半流动沙丘、固定沙丘)为研究对象,于2011、2012年4-10月,每月2次,利用烘干法对3种沙丘迎风坡、丘顶、背风坡底部的0~100 cm深度土壤水分进行定位监测,分析了3种沙丘土壤水分时空变化特征。结果表明:土壤水分含量总体表现为固定沙丘>半流动沙丘>流动沙丘。3种沙丘平均土壤水分含量大体上都表现为秋季 >春季 >夏季。3种沙丘背风坡底部土壤水分含量最高,其次是迎风坡,丘顶最低,且迎风坡和丘顶两年平均土壤水分含量差距不大。表层0~10 cm土壤水分含量季节之间差异最大,随深度增加,土壤水分季节变异系数减小。沙丘各部位土壤水分含量垂直变异系数总体变化趋势为从春季到夏季增加,从夏季到秋季减小。土壤水分含量在0~100 cm的垂直变异系数与土壤水分含量为负相关关系,水分含量越高,土壤水分在0~100 cm之间的变化幅度越小。研究区3种沙丘土壤含水量变化水分可分为4个时期:4-5月为春季缓慢积累期,6-8月为夏季消耗期,9-11月为秋季积累期,12月到次年3月为冬季稳定期。总体上,天然植被对水分的涵养效果大于其消耗,本区降水可以维持不同活性沙丘的天然植被生长。     

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。     

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。     

黄土丘陵沟壑区不同深度土壤水分对降雨的响应及其稳定性

通过采用点面结合的方法,分析黄土高原地区降雨影响下不同深度土壤水分的时空变化,从土壤水分复杂的“变异性”中提取相对的“不变性”。结果表明:20 cm以上土壤水分无明显规律,难以表征不同植被类型或空间位置上的土壤水分差异;小于30 mm的降雨基本不会引起40 cm以下土壤水分明显波动;100 cm深处,各采样点的土壤水分能在一个稳定值上保持数月时间,在大于46 mm的强降雨之后出现阶梯式抬升,之后又保持稳定状态;越往土层深处,土壤水分时空稳定性越明显,能较好的表征各植被类型或空间位置上的土壤水分差异。该研究从土壤水分的稳定性角度进行分析,对黄土高原土壤水分的地面采样设计和时空预测具有实际应用价值。     

基于TVDI的黄土高原地表干燥度与土地利用的关系研究

基于地表温度和植被指数的经验关系构建地表干燥度指数。该指数对Ts/NDVI特征空间的生态特征的解释,对土壤和作物的水分含量具有一定的指示意义。通过对地表干燥度进行分级,分析陕北黄土高原区地表含水状况的空间差异,进而结合该地区的主要土地利用类型,探讨各类型的干燥度情况,并对不同地表干燥度条件下各土地利用类型对地表水分的保持能力差异进行分析,结果表明,在该区相对湿润环境中,林地以及疏林地的水分保持能力优于农地和草地,但在干旱的环境下,草地则好于林地及疏林地。建议根据不同土地利用类型的保水能力,在湿润区域增加林地的面积比例,在偏湿润区域增加疏林地的面积,在干旱区域增加草地的比例,减少农地开垦。     

黄土高原半干旱草地降水前后土壤的温、湿度及热力特征

本文利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(简称SACOL站）陆面过程综合观测资料,分析了强降水前后榆中黄土高原半干旱草地土壤温、湿特征的差异,讨论了水分状况对土壤热力参数及地表能量分配的影响。结果表明:水分胁迫条件下,黄土高原半干旱草地土壤在10 cm深度存在一个湿层;强降水过程可使土壤湿度受影响范围接近40 cm深度。水分胁迫条件下,感热通量是黄土高原半干旱草地生态系统能量分配过程中净辐射的最大消耗项;无水分胁迫条件下,潜热通量是能量平衡系统中净辐射分量的最大消耗项。降水改变了土壤湿度并使得土壤热传导率发生变化,土壤热传导系数和土壤热容量随土壤湿度增加而增大。     

黄土高原塬面保护区降雨侵蚀力时空分布特征及其影响因素研究

通过采用Mann-Kendall趋势分析法、小波分析方法、地统计插值等方法，基于黄土高原塬面保护区及临近的21个站点的逐日降水量数据，对区域内降雨侵蚀力的时空变化，趋势及主要影响因素进行了分析。结果表明：(1) 黄土塬面保护区1960—2017年多年平均降雨量为599.2 mm；多年平均降雨侵蚀力为1 871.91 MJ·mm·hm^-2·h^-1·a^-1，降雨侵蚀力在过去60 a来呈微弱上升趋势且变化的季节差异显著。(2) 黄土高原塬面保护区降雨侵蚀力的空间分布大体呈由南部向两侧递减的趋势，Mann-Kendall Z值除研究区北部、东部呈下降趋势，其余区域都为上升趋势。(3) 黄土高原塬面保护区降雨侵蚀力多年存在32 a的大周期，在大周期内还存在13 a、52 a的小周期。(4) 影响北半球中高纬度地区的主要的大气环流因子中仅Cold & Warm Episodes by Season因子的波动对整个区域和陕西塬区的降雨侵蚀力有一定影响，二者存在一定的负相关性，其余环流指数与降雨侵蚀力没有显著的关联性；此外太阳黑子与陕西塬区降水侵蚀力变化规律存在一定的正相关，与其他塬区并无显著关联性。     

陇东黄土高原土壤水分演变及其对气候变化的响应

以西峰为例,利用近45 a气象观测资料和近25 a的土壤水分观测资料,分析全球气候变暖背景下陇东主要气象要素及土壤水分的变化特征,探讨了气候变化对土壤水分的影响,以及影响土壤水分变化的主要气象因素。1993年以后,土壤水分以负距平为主,土壤干旱严重,0—50 cm和60—100 cm土层土壤水分含量在1997年和1995年降到最低值。春季是土壤水分减少最明显的季节,其中表层土壤水分对气候变化的响应更为明显,而夏秋季,较深层的水分变化更为明显。影响土壤水分的气象因子以降水、蒸发为主,气温通过影响蒸发间接产生影响。通过对土壤水分演变特征及其影响因子的分析,为进一步理解土壤水分条件的恶化原因,采取措施,合理利用气候资源,调整农业生态布局,恢复生态环境,积极应对气候变化提供决策方面的参考。     

基于卫星遥感和再分析数据的青藏高原土壤湿度数据评估

土壤水是地表与大气在水热交换方面的关键纽带,是关键水循环要素,更是地表产汇流过程的关键控制因子。青藏高原是地球第三极,也是亚洲水塔,探讨青藏高原土壤水变化对于探讨青藏高原热力学特征变化及其对东亚乃至全球气候变化的影响具有重要意义,而获取高精度长序列大尺度土壤水数据集则是其关键。本文利用青藏高原100个土壤水站点观测数据,从多空间尺度（0.25°×0.25°,0.5°×0.5°,1°×1°）、多时间段（冻结和融化期）等角度,采用多评价指标（R、RMSE、Bias）,对多套遥感反演和同化数据（ECV、ERA-Interim、MERRA、Noah）进行全面评估。结果表明：① 除ERA外,其他数据均能反映青藏高原土壤水变化,且与降水量变化一致。而在那曲地区,遥感反演和同化数据均明显低估实测土壤水含量。从空间分布来看,MERRA和Noah与植被指数最为一致,可很好地反映土壤水空间变化特征;② 青藏高原大部分地区土壤水变化主要受降水影响,其中青藏高原西部边缘与喜马拉雅地区土壤水变化则受冰雪融水和降水的共同影响;③ 除阿里地区外,大部分遥感反演和同化数据在融化期与实测土壤水相关性高于冻结期,其中在那曲地区,遥感反演和同化数据均高估冻结期土壤含水量,却低估融化期土壤含水量。另外,遥感反演和同化数据对中大空间尺度土壤水的估计要好于对小空间尺度土壤水的估计。本研究为青藏高原土壤水研究的数据集选择提供重要理论依据。     

黄土高原植被降水利用效率对植被恢复/退化的响应

基于2000-2014年MODIS NDVI数据及气象数据,运用累计降水利用效率变化差异（CRD,cumulative rain use efficiency differences）估算模型和基于地形要素降水量插值法,探讨2000-2014年黄土高原RUE（降水利用效率rain use efficiency）对植被变化的响应,以期为黄土高原生态可持续发展提供数据支撑。结果表明：黄土高原大部分地区植被覆盖得以改善,其面积约占总面积的81%,区域边缘植被覆盖退化严重。黄土高原降水利用效率RUE与累计NDVI的相关性总体表现为“东南呈正相关,西北为负相关”的空间格局,全区相关系数以正相关为主。黄土高原CRD与植被变化趋势的相关性显著,其中,植被退化背景下,植被退化程度越严重,RUE越低;植被恢复背景下,RUE受“退耕还林还草”作用显著,2000-2005年,RUE呈上升趋势,2007年后,随着退耕还林还草政策的工作重心转移,RUE呈波动变化。     

晚更新世以来的季风变化对晋陕蒙接壤区现代侵蚀的影响

黄土高原晚更新世末次冰期时期,冬季风强盛,马兰黄土堆积;全新世以来的间冰期时期,夏季风强盛,降水较丰,侵蚀强烈。晚更新世以来的中国东部海岸线40°N 一带变化最大,同纬度晋陕蒙接壤区是黄土高原季风气候变化最剧烈的地区,致使该区成为黄土高原沙黄土区中现代降水最多的地区。沙黄土和较多降水的组合,使晋陕蒙接壤区成为黄土高原现代侵蚀最剧烈的地区。