降水和植被变化对径流影响的尺度效应——以陕北黄土丘陵沟壑区为例

自黄土高原退耕还林还草政策实施以来,在水源涵养功能明显提升的同时径流显著减少,导致该区域出现了水源涵养服务与水供给服务间的权衡问题。为探究径流减少的原因,进而为不同空间尺度的生态系统服务权衡提供支撑,本文分析了陕北黄土丘陵沟壑区2006-2011年降水和植被变化对径流影响的尺度效应。结果表明：研究区域内汛期降水量呈现出由东南向西北逐渐减少的空间分异特征;在研究时段内,植被恢复效果明显,近8成地区植被覆盖状况得到了改善,尤其是植被覆盖较差的地区恢复效果更为显著;在各子流域中,降水与径流间呈现出显著的正相关性,二者的相关系数随着子流域面积的增加而增大,表现出明显的尺度效应。随着子流域面积增大,15°以上土地比例增加,陡坡植被覆盖类型趋于均一化,具有显著截流功能的林地呈现减少趋势是尺度效应形成的主要原因。NDVI与径流的相关性不显著,二者的相关系数随着子流域面积变化的规律性不强,植被对径流影响没有明显的尺度效应。     

陕西省子午岭生态功能区水源涵养能力研究

应用InVEST模型和SCS模型,计算得出研究区多年平均水源涵养量约为3×108 m3,涵养深度69.79 mm,表明研究区具有比较突出的水源涵养服务功能,特别是在森林和灌丛分布相对集中的子午岭自然保护区内,水源涵养能力处于较高水平。不同土地利用类型的水源涵养能力有较大差别。由于灌丛具有较好的降水截留能力和较小的蒸腾作用,水源涵养能力最强;而森林由于蒸腾旺盛,加之冠层截留的大部分降水用于蒸发而无法积累,使其水源涵养能力稍低于灌丛;草地和农田覆盖地区,降水极易流失,因而草地和农田的水源涵养能力较差,对区域总水源涵养量的贡献也最小。此外,研究区多年平均产水深度139.4 mm,整体趋势是从东南向西北方向减小,与区域降水量空间变化趋势一致,在土地利用类型的影响下,这一趋势更加明显;多年平均径流深度71.1 mm,空间上大致由南向北减少,同时,由于径流深度还受到降水时间分配、土地利用类型、土壤质地的影响,因此呈现出较为复杂的空间分布特征。     

基于小波变换的生态系统服务权衡尺度效应与影响因素研究——以珠江三角洲为例

识别生态系统服务间的多尺度权衡关系及其影响因素对于指导管理决策和推进可持续发展至关重要,然而尺度响应特征及差异变化成因尚不明确,其中一个重要原因是缺乏科学合理的尺度划分方法。本文评估了珠三角地区的土壤保持、水源涵养、生境质量、自然游憩共4种关键生态系统服务量,基于小波变换的特征尺度估算方法,确定了研究权衡关系的最佳聚合规模序列。应用相关性分析和地理探测器方法,定量化识别权衡强度在各个尺度的影响因素,并比较了不同尺度间主导影响因素的差异特征。结果表明：① 权衡强度在6条样线上的特征尺度突出,2000~11500 m是研究权衡关系的最佳尺度序列范围。② 自然游憩与水源涵养、生境质量之间存在协同关系,自然游憩与土壤保持互为权衡关系。三对服务组合之间的相互作用大多随着尺度的增大而增强,特别是在县级行政管理规模上,所有配对服务表现出最强的协同或最弱的权衡关系。③ 植被覆盖度对权衡强度的驱动作用突出且相对稳定。地形因素是小尺度范围内权衡关系变化的主导影响因素,而气候因素和景观格局指数在较大尺度的影响作用显著。本研究通过优化传统的多尺度研究序列构建方法,为调控各类驱动因素以制定多级管理决策提供参考。     

城市地表温度与NDVI空间相关性的尺度效应

城市地表温度与NDVI的空间相关性已被广泛研究,但是其尺度效应常常被忽略,给研究结果带来不确定性。本文以郑州市为例,基于四幅Landsat8影像,经辐射传导法反演地表温度(LST),运用半变异函数识别地表温度的空间相关性分析尺度,并结合空间相关指数Moran's I,从多尺度、多季节、多邻接范围3个方面对地表温度与植被覆盖的空间相关性的尺度效应进行了探讨,结果表明：①LST和NDVI的单变量空间自相关和双变量空间相关尺度均在300 m左右;②300 m相关尺度内,单变量空间自相关性存在显著尺度效应,相比之下双变量空间相关性尺度效应较为微弱;③LST和NDVI的单变量空间自相关性和双变量空间相关性尺度效应均表现出明显的季节差异;④随着邻接范围增大,LST和NDVI的空间自相关性减弱,尺度效应更明显。因此度量LST和NDVI的空间相关性要考虑时空尺度效应,本文研究结果有助于进一步认识LST和NDVI间空间相关性的尺度效应。     

森林水文作用的流域尺度效应及其评价

森林植被覆盖对于地面水文过程的影响,随森林面积或流域尺度大小而不同,尺度效应的准确识别和定量评价比较困难.通过水文尺度效应的形成机理分析,对主要影响机制和变化特征进行了讨论,提出了分析评判中的主要因素,即从流域大小或森林覆被对能量平衡、潜在蒸散发、水源组成、汇流速度以及河槽调蓄能力的变化等方面来对流域尺度变化的效应大小进行评价.随着流域面积的增加,森林植被的影响降低而河槽调蓄的作用增大,流域尺度也会影响汇流的路径变化,大流域的地下水比重更大,对洪水形态和枯季径流量都有显著的影响.研究还提出基于投入产出原理的最佳森林覆被率的概念和建议比率,结果有助于区分森林本身和流域大小各自对径流特征的贡献,更加合理地评估森林水文效应.     

商洛市水源涵养服务功能空间格局与影响因素

以商洛市为例,利用InVEST产水量模型和多年平均涵养水量模型,以参数本地化、实地率定和结果验证,对该区水源涵养功能的空间格局分异规律及其影响因素进行分析。结果表明：① 商洛市水源涵养总量为27.48×10⁸m3/a,水源涵养能力为324.85 mm。五大流域水源涵养功能依次为旬河>乾佑河>金钱河>丹江>洛河。② 气候因素对产水能力空间格局影响最大,10 a土地利用变化和下垫面植被、土壤因素则对水源涵养空间异质性影响显著。③ 子流域单元产水能力相关性强的因子为多年平均降水、实际蒸散发和植物可利用水,水源涵养功能关键驱动因子是潜在蒸散量、土壤饱和导水率与森林覆盖率。     

京津冀地区生态系统服务权衡的多尺度特征与影响因素解析

对2000年和2015年京津冀地区四类生态系统服务(净初级生产力、粮食生产、水源涵养、土壤保持)进行估算,采用多层次空间统计法、相关分析法和玫瑰图法对生态系统服务权衡关系进行多尺度分析,利用多元回归模型定量揭示土地利用因素、社会因素、经济因素对生态系统服务权衡与协同关系的影响。结果表明:(1)净初级生产力(NPP)、水源涵养、土壤保持高值区集中分布于京津冀北部和西北部山区,低值区分布于东南部平原区,粮食生产呈东南高西北低的空间格局。2000—2015年仅粮食生产服务上升,净初级生产力、水源涵养、土壤保持服务均下降。(2)粮食生产与水源涵养、粮食生产与土壤保持表现出权衡关系,水源涵养与土壤保持表现为协同关系,这3对生态系统服务的权衡与协同关系均呈增强趋势。(3)耕地的粮食生产服务上升,土壤保持服务下降,各地类的净初级生产力均呈下降趋势。(4)生态系统服务权衡与协同关系的增强主要归因于土地利用因子,耕地减少、建设用地大幅增加、林地和草地增加是最直接的影响因素。     

基于SWAT模型模拟乌江三岔河生态系统产流服务及其空间变异

产流是生态系统水源涵养服务的重要内容,也是保水固土等服务的关键驱动。脆弱的喀斯特生态系统叠加人类活动的影响引起生态退化,在此背景下亟需深刻理解喀斯特地区产流服务空间格局及其影响因子。选择典型的喀斯特峰丛洼地流域,基于率定校准的SWAT水文模型,对喀斯特流域产流服务（包括地表、地下以及总径流量）进行模拟,并结合空间梯度分析和局部回归模型,剖析不同服务变量的空间变异特征。结果表明：研究区产流量空间分异规律明显,总径流系数约为70.0%;地表径流整体处于较低水平,地下径流量丰富（约为地表径流量的2~3倍）。地形因子对喀斯特流域产流服务具有宏观控制作用,随海拔和坡度升高,总径流量、地下径流量显著增加;植被分布特征对地表径流有重要影响,在上游林地和下游园地分布区存在空间差异,在植被因素的影响下随坡度的增加呈现转折性的变化趋势。此外,空间叠加分析表明林地总径流及地下径流最大：一方面是由于森林生态系统更强的土壤水分涵养能力以及水分快速入渗的地质背景特征;另一方面反映了地表覆盖与地形特征的复合效应,即林地大多分布在相对海拔和坡度较大之处。本文有助于推进喀斯特生态系统服务研究领域的发展与创新,并为生态恢复建设提供科技支撑。     

黄土高原植被覆盖变化对生态系统服务影响及其阈值

黄土高原是退耕还林工程的核心区域,是中国生态恢复成效最显著的区域。明确黄土高原植被恢复对生态系统服务的影响,识别植被影响的阈值效应,是学术研究和管理实践共同的需求。然而,目前相关研究仍存在研究空缺,特别是在区域尺度对生态系统服务随植被变化阈值进行识别的研究较少。本文选择植被覆盖度（FVC）为指标表征2000—2015年黄土高原植被恢复情况,以土壤保持服务、产水服务和碳固定服务为指标表征研究区生态系统服务情况,对二者的时空变化及交互作用进行分析,评估植被覆盖变化对生态系统服务的影响,并对影响的阈值进行定量识别。结果显示：① 2000—2015年黄土高原植被显著恢复;生态系统服务变化差异明显,碳固定服务明显增强,土壤保持服务得到一定改善,产水服务较为稳定。② 植被覆盖变化与生态系统服务变化的相关程度存在差异,植被覆盖与碳固定服务的关联性最强,其次为土壤保持服务。③ 植被覆盖增加能够促进区域生态系统服务总体提升,但促进作用存在阈值效应。植被覆盖影响的阈值在林地区、林地—草地区、草地区和草地—沙漠区分别为44%、32%、34%和34%,超过上述阈值,植被覆盖增加的促进作用趋于减弱。     

2000-2015年毛乌素沙区植被覆盖度变化趋势

毛乌素沙区是中国生态安全屏障的重要组成部分,土地沙漠化严重,近年来国家和地方政府实施了一系列生态保护与建设工程。利用2000-2015年MODIS13Q1 NDVI产品、年平均气温、年降水量数据,采用回归分析方法和显著性检验,对毛乌素沙区植被覆盖度变化趋势及其对气温、降水变化的响应进行了分析研究。结果表明：（1）毛乌素沙区植被覆盖度总体由东向西呈减少趋势,大部分区域植被覆盖度在30%以下,沙地腹地依然明显存在极低植被覆盖的流沙区。（2）21世纪以来毛乌素沙区植被覆盖度总体呈增加趋势,但空间差异明显。中东部大部分地区及腹地流动沙带之间植被覆盖度呈显著、极显著增加趋势;西部西鄂尔多斯荒漠草原区植被覆盖度变化不显著;植被覆盖度变化显著或极显著减小的地区极少,呈点状零散分布。（3）毛乌素沙区植被覆盖度对气温和降水响应的敏感性存在空间差异,且存在时滞性差异。东部黄土高原过渡区和西部西鄂尔多斯荒漠草原区植被对降水和气温的响应敏感,植被覆盖度的变化与气温和降水因子呈显著相关关系;毛乌素沙地主体区植被覆盖度变化与当年总降水量和年平均气温相关性不强,但与时滞降水的相关系数显著增大,可能与毛乌素沙地土壤质地和植被类型对降水的分配与利用方式有关。     

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。     

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。     

2000-2012年祁连山植被覆盖变化及其与气候因子的相关性

研究祁连山地区植被覆盖变化及其与气候因子的响应关系对这一地区土地利用总体特征以及对区域及全球气候和环境变化都将产生深远的意义。利用2000-2012年美国国家航空航天局提供的MODIS NDVI数据并结合相应的气候资料,通过对逐像元信息的提取和分析,运用均值法、斜率分析法、相关分析法,研究了2000-2012年不同季节祁连山植被覆盖的时空变化及其与气候因子的相关性。结果表明:13 a来祁连山植被覆盖整体上呈增加趋势,其中春季植被改善最为明显,秋季次之;植被覆盖变化在不同季节都存在明显的空间差异;不同季节植被与气温、降水的时滞效应不尽相同;祁连山春季大部分地区NDVI与气温呈显著正相关,夏季NDVI与降水呈显著正相关,秋、冬季NDVI与降水、气温的相关性不明显。     

黄河源区气候—植被—水文协同演变及成因辨析

全球变化下黄河源区水文过程的演变影响流域生态系统的水源涵养功能,流域植被改变也影响水循环。本文基于气候、植被信息和VIP分布式生态水文模型,开展黄河源区水碳循环要素变化的集成模拟,分析了气候—植被—水文要素的协同演变机制。结果表明,2000年以来黄河源区气候呈暖湿化趋势;植被绿度明显提高,2010—2019年比2000—2009年平均增加了4.5%;生长季延长了至少10 d;植被生产力（GPP）显著上升,倾向率为4.57 gC m^-2 a^-1;植被恢复措施对GPP变化的贡献约为23%,气候变化和大气CO₂升高的施肥效应的贡献为77%。源区植被蒸散量（ET）呈增加趋势,倾向率为2.54 mm a^-1,水分利用效率（WUE）亦提高,平均相对上升率为5.1% a^-1。GPP、ET和WUE年总量及其变化率在海拔4200 m以下随高度上升而减小,之后变化趋缓。源区植被绿度和径流系数与当年和前一年降水呈显著正相关,反映降水蓄存于植物根层土壤的遗留效应。蒸散增强在一定程度上有利于源区地表—大气之间的水分再循环,帮助缓解生态恢复引起的产水能力下降,促进降水—植被—径流之间的良性互馈关系的形成。揭示水文对气候变化和植被恢复的响应和互馈机制,可为生态恢复措施对源区水源涵养功能的影响及效应的定量评估提供科学依据。     

基于生态地理分区的青藏高原植被覆被变化及其对气候变化的响应

基于1982~2006年GIMMS NDVI数据集和地面气象台站观测数据,分析了青藏高原整个区域及各生态地理分区年均NDVI的变化趋势,并通过偏相关分析研究不同生态地理分区植被覆被变化对气温和降水响应的空间分异特征。研究表明:(1)近25年来,高原植被覆盖变化整体上趋于改善;高原东北部、东中部以及西南部湿润半湿润及部分半干旱地区植被趋于改善,植被覆盖较差的北部、西部半干旱和干旱地区呈现退化趋势;(2)高原植被变化与气温变化的相关性明显高于与降水变化的相关性,说明高原植被年际变化对温度变化更为敏感;(3)高原植被年际变化与气温和降水的相关性具有明显的区域差异,植被覆盖中等区域全年月NDVI与气温和降水的相关性最强,相关性由草甸向草原、针叶林逐步减弱,荒漠区相关性最弱。生长季植被覆盖变化与气温的相关性和全年相关性较一致,降水则不同,生长季期间高原大部分地区植被变化与降水相关性不显著。     

中国东北地区侵蚀产沙尺度效应的空间分异

对中国东北地区侵蚀产沙尺度效应的空间变化进行了探讨。基于气候、下垫面的一致性和流域的完整性,对整个研究区域进行了分区研究。结果表明,尺度效应同时受到地形、坡度、土地利用和地表覆盖物质等因素的影响,不同分区因素因素组合不同,其产沙模数随流域面积的变化趋势亦不相同,可以分为三类:(1) 产沙模数随流域面积增大而增大;(2) 产沙模数随流域面积的增大基本保持不变;(3) 产沙模数随流域面积的增大而减小。基于各分区尺度效应,进行了不同标准面积下产沙模数图的校正,并使用空间插值方法,编制不同标准面积下产沙模数图。     

GPM卫星降水数据的降尺度研究 ——以陕西省为例

以陕西省内2019年33个地面气象观测站点的测量数据为真实值,选取相关系数(CC)、均方根误差(RMSE)以及相对误差(BIAS)等多种统计分析指标对GPM(Global precipitation measure-ment)卫星降水数据进行精度验证,并引入地形因子作为空间参考要素,基于地理加权回归模型(GWR)对GPM降水数据进行降尺度研究。结果表明:(1)在年际尺度上,GPM降水数据与实测降水数据之间有着明显的相关性,相关性较好(CC=0.89),相对误差则较低(BIAS=-0.45);(2)在季节尺度上,春、夏两季GPM降水数据的降尺度结果与实测降水数据之间的CC值分别为0.92和0.80,而秋季则为0.93;(3)降尺度降水量结果与高程呈现出明显的负相关性,随着海拔升高,降水相对减少。总体而言,GWR降尺度降水数据在陕西省内有着较好的精度,能够较为准确地反映陕西省内的降水分布。     

过去30年气候变化对黄河源区水源涵养量的影响

黄河源区高寒生态系统具有重要的水源涵养功能。基于改进的LPJ动态植被模型,模拟研究1981-2010年中国黄河源区水源涵养量的时空变化特征,进一步探讨气候要素变化的影响。结果表明：近30年来黄河源区水源涵养量整体略呈减少趋势,减少速率为-1.15 mm/a,区域差异特征体现为大部分地区以减少趋势为主,特别是黄河源区东南部。过去30年黄河源区降水量以及大气水分需求能力的变化是影响生态系统水源涵养量增减的主要气候因素。随着干湿条件不同,两者影响程度各异,降水减少和潜在蒸散增加共同导致黄河源区东南部半湿润地区水源涵养量减少,而降水增加则是北部半干旱地区水源涵养量增加的主要原因。     

洞庭湖流域植被动态变化的小波多分辨率分析

将离散小波多分辨率分析（MRA）应用于归一化植被指数（NDVI）时间序列研究,分解NDVI原数据序列成不同时间尺度的子序列,从而进行植被动态变化分析。针对洞庭湖流域的NDVI时间序列进行多尺度分解,挖掘这些数据中潜在的植被季节性和年际变化,对其进行评估,并结合土地覆盖变化与降水趋势变化分析引起该变化的可能原因。结果表明：小波多分辨率分析能提取洞庭湖流域植被动态的相关信息,如NDVI的年际成分均值、最低值、植被年内变化的振幅、NDVI最大值出现的月份和土地覆盖变化的趋势及幅度,这些信息有效刻画了流域植被动态变化特征。此外,将土地覆盖变化分析结果与降水数据相结合进行分析,发现流域植被覆盖的变化与降水变化有明显的关联性,其中西部地区和西北部地区植被动态变化对降水响应最为明显。但是有些地区降水没有明显减少趋势,而植被覆盖却存在减少趋势,则可能与该地地势较高、城镇化建设等其他因素相关。     

甘肃黄土高原植被覆盖时空变化及驱动因素

利用MOD13A2数据获得2000～2021年甘肃黄土高原植被覆盖度,分析甘肃黄土高原植被覆盖分布格局及变化特征,并从气候因素与人类活动因素两方面探讨对植被覆盖变化的影响。结果表明：整体上甘肃黄土高原植被覆盖明显提高,覆盖度自北向南逐渐增加;气温与植被覆盖变化的相关性表现不显著,降水则明显表现为正相关,因此降水是植被覆盖变化的重要自然因素;人类活动对植被变化的影响存在两面性,部分地区城镇扩张导致植被覆盖度下降,但同时生态工程整体上又促进了地区植被恢复。