南川市三泉镇岩溶区农田生态系统植被碳库的动态变化

通过农田样方观测与实验分析获得南川市三泉镇农田生态系统主要农作物的含碳率、经济系数、果实水分系数,结合该区近26年来( 1980- 2005)主要农作物产量与耕地面积的相关数据,用农作物产量与碳储量转换模型计算法估算和分析该区农田生态系统植被碳库的总量及构成的动态变化。结果发现: 近26年来该镇农田植被碳库和碳密度略有提高,具有微弱的碳汇效应。与邻近的四川盆地非岩溶区相比,该区农田植被碳密度较低。针对农田生态系统植被碳库的构成特点和动态特征,该镇今后应进行作物结构调整,适度增加水稻等大春作物的种植和马铃薯、油菜和饲料等小春作物的种植面积,稳定小麦等作物的播种面积; 加强农田基本建设,发展生态农业,以进一步提高农田生态系统植被碳库的碳储量和碳密度。      

种植条件下土壤水与地下水相互转化研究

选择天山北麓平原两种代表性作物冬小麦和玉米，人为控制不同潜水埋深条件下进行了种植试验，分析研究了种植条件下土壤水和地下水相互转化机理。计算了不同潜水埋深条件下冬小麦和玉米各生育期和全生长期的实际蒸发蒸腾量、潜水补耗差、包气带土壤储水量变化量及同期的潜在蒸发量，结果表明潜水埋深对土壤水和地下水相互转化及农业生态环境具有重要影响。引入了包气带一潜水系统水分转化量均衡临界深度(Z0)概念，发现潜水埋深小于Z0时，潜水向土壤水的转化起主导作用，潜水和土壤水同时对作物需水具有重要动态调节作用，潜水埋深越浅潜水的动态调节能力越强，但是潜水埋深过浅又可能引起土壤次生盐渍化等农业生态环境问题；当潜水埋深大于Z0时，土壤水向潜水的转化起主导作用，土壤水对作物需水仍具有动态调节能力，而潜水基本失去或完全失去对作物需水的动态调节作用，但是有利于潜水入渗补给，增加地下水资源。     

基于LPJ模型的制种玉米碳水通量模拟研究

Lund-Potsdam-Jena Dynamic Global Vegetation Model(LPJ)模型是由Lund University,Pots-dam Climate Research Centre和Max-Planck-Institute for Biogeochemistry,Jena联合开发的植被动态模型,该模型以气候、土壤质地和CO2数据作为输入模拟植被与环境的碳水交换过程。为了利用高时间分辨率的输入数据,对模型的代码进行了改写。张掖绿洲盈科站位于干旱区绿洲典型的农田生态系统。应用其观测资料作为LPJ的输入,模拟了张掖绿洲制种玉米的碳水通量,并用涡动观测到的潜热和CO2通量验证蒸散发和NEE的模拟结果。结果表明LPJ模型能够较好地模拟制种玉米与环境之间的碳水交换,蒸散发(ET)的模拟值与观测值的R2为0.8;NEE的模拟值与观测值的R2为0.79。     

作物根系-土壤系统中滴滴涕类化合物动态及影响因素

针对植物-土壤系统中滴滴涕及其代谢产物的动态情况及影响因素,开展了野外与室内相结合的研究工作。研究结果表明,相对于其他环境介质,农田土壤对以油菜和玉米为代表的作物中滴滴涕类化合物(DDTs)的富集起主要作用;油菜和玉米农作物根系和根际土中滴滴涕的浓度分别呈现增加和降低的动态。提高根表面积可以增加作物根系对DDTs的富集,并且在相同暴露条件下,根表面积的作用要大于土壤有机碳含量的作用。     

苏鲁人类扰动区表土花粉组合与植被关系的研究

利用江苏和山东地区70个农田和非农田表土样品研究不同土地类型的花粉特征,为使用孢粉作为研究手段分析古代农业提供重要参考资料。结果表明所有植被类型的花粉谱均以草本花粉为主,但是含量明显不同,表现为农田>荒地>林地。其中禾本科谷物类型含量的变化最大,农田最高达41%,荒地高于11%,林地低于8%。谷物类禾本科花粉传播距离很短,其百分含量在10~20m内急剧衰减至27.6%,500m以外降低至20%以下;十字花科花粉也有相似的变化规律。藜科花粉对农田和荒地具有同等指示意义,可能与人类活动强度与方式有关。中华卷柏含量增加表明人类活动加强。油菜、水稻、小麦和玉米等谷物类花粉产量或者在土壤中保存存在差异:十字花科>玉米型禾本科>水稻型禾本科>小麦型禾本科。降趋势对应分析(DCA)结果表明,通过花粉相对百分含量,可以较好地区分水田、麦田和非农田,但油稻田与麦稻田、荒地与林地难以区分。     

第四纪气候旋回孢粉植被动态组合探讨

通过对中纬区完全孢粉植被动态组合规律的分析,可以推导出某一地区沉积剖面中第四纪冷暖气候旋回的孢粉植被动态组合,其方式是:冷期孢粉动态组合,以比该区更北(平原)或更高位(山地)的孢粉植被为中间层,其上下依次对称出现比中间层更南(平原)或更低位(山地)的孢粉植被组合;暖期孢粉植被动态组合,以比该区更南(平原)或更低位(山地)的孢粉植被为中间层,其上下依次对称出现比中间层更北(平原)或更高位(山地)孢粉植被组合。     

玉米冠层辐射传输参数优化对陆气通量模拟的影响

设置合理的冠层辐射传输参数有利于地表能量过程的真实表达,将对改善陆面过程模型模拟精度起到重要作用。基于2008年和2012年锦州农田生态系统的通量、气象及生物因子连续观测,分析了玉米农田叶面积指数、植被覆盖度、平均叶倾角、叶片反射率和透射率动态变化规律及各因子间的关系,对CoLM模型辐射传输参数进行优化,并对模型优化效果进行定量评价。结果表明:叶面积指数与植被覆盖度和平均叶倾角分别呈幂函数和二次函数关系;平均叶倾角的参数优化对模型模拟几乎没有影响;叶片反射率和透射率优化后,冠层反照率模拟精度明显提高;净辐射、感热模拟值对实测值解释能力分别提高0.6%和4.0%,Nash-Sutcliffes系数增大0.008和0.028,相对均方差(RRMSE)减小0.068和0.050;潜热模拟精度改善程度小于感热,地表热通量未表现出改善。     

中国地带性森林和农田生态系统C-N-P化学计量统计特征

基于中国国家生态系统观测研究网络的7个森林和10个农田生态系统观测研究站的定位调查数据,本文对中国地带性森林和农田生态系统各个组分的碳(C)、氮(N)、磷(P)含量及其化学计量学特征进行了研究。结果表明:1)森林生态系统各组分的N和P含量大小排序均为叶凋落物枝根茎土壤,植被的各器官和凋落物的C含量明显高于土壤C含量。森林生态系统不同组分的C∶N和C∶P的大小排序均为茎根枝凋落物叶土壤;植被的各器官及凋落物的N∶P也高于土壤。2)在农田生态系统中,作物各器官的C含量相近,而籽粒的N和P含量明显高于其他组分;各组分C∶N、C∶P和N:P的大小排序均表现为茎≈叶≈根籽粒土壤。3)森林生态系统植被的C∶N∶P为3582∶27∶1,土壤的C∶N∶P为111∶8∶1;农田生态系统植被的C∶N∶P为740∶15∶1,土壤的C∶N∶P为26∶3∶1。本研究以地带性生态系统为研究对象,探讨生态系统及其各组分的C-N-P化学计量特征,增加了对生态系统尺度元素化学计量特征的科学认识,为进一步认识中国区域生态系统元素化学计量关系的空间变异规律提供基础数据。     

西北干旱区人工扰动植被类型花粉组合特征*

人类对现代植被的影响已经成为解释过去人类活动及其环境效应的关键问题。对西北干旱区40个农田和荒地表土样品花粉组合的研究表明：农田花粉平均浓度（7227粒/g）明显低于荒地（32704粒/g）;农田中农作物花粉含量高于荒地,但并不占绝对优势,农田花粉组合不仅反映农田本身的植被组成,而且还反映地方或区域植被组成状况;农田中灌木花粉含量低于荒地,杂草花粉类型比荒地丰富;藜科、蒿属、麻黄花粉都占有较高比例,普遍呈超代表性;不同的农作物花粉百分比指示该样品所在地或周围不同的农作物类型。聚类分析进一步表明了农田/荒地花粉组合特征的一致性：葡萄花粉在葡萄地的含量均相当高,而在其他植被类型中很少出现,花粉组合特征一致性较好;棉田棉花花粉含量低,其他植物花粉含量高,花粉组合特征与荒地相似,很难与荒地区分开来;如果农田和荒地比较接近,农田农作物花粉含量又比较低,则两种植被类型花粉组合特征就较为相似。     

山区小流域花粉植被土地利用的关系:定量检测人类活动对环境的影响

随着全球气候变化研究的深入,以及多种气候系统敏感性模拟,人们越来越认识到人类活动可能是驱动历史时期气候变化的重要因素之一。因此,自21世纪开始,土地覆被变化(Land Cover Change)成为全球气候变化研究和气候模拟的核心和热点。而建立花粉—植被—土地利用的关系可能是定量检测人类活动对自然环境影响的有效途径之一。为此,在石家庄西部太行山区选择了2个小流域,利用拦水坝汇水流域的土地利用状况和花粉组合特征,建立了小流域花粉植被土地利用的定量关系。流域内花粉组合既有自然植被成分,也有农作物花粉类型,较好地反映了流域内花粉—植被—土地利用的关系;随着海拔高度降低,农田面积不断增加,人类活动强度逐渐增大,谷物及蔬菜类花粉也逐渐增多,花粉百分比与土地利用回归分析表明,谷物和蔬菜类花粉百分比与农田面积呈线性正相关,对人类活动具有明显的指示意义。     

夏季草原与戈壁地表能量分析

利用野外试验资料，比较分析了夏季祁连山区草原和河西走廊张掖戈壁地表能量特征，并探讨了环境因素与地表能量特征的关系。结果表明，在夏季典型晴天，山区草原的净辐射、潜热通量大于戈壁，而感热、土壤热通量小于戈壁；山区草原净辐射、潜热通量的日变化大于戈壁；而感热、土壤热通量的日变化小于戈壁。在山区草原，晴天潜热通量是土壤热通量的三倍多，感热通量与土壤热通量差异很小，净辐射主要用于蒸发、蒸腾；在戈壁，晴天土壤热通量和感热通量是潜热通量的近两倍，净辐射主要用于加热地表，并通过地表加热下层土壤和地面大气。两地均存在能量不平衡现象，草原感热、潜热、土壤热通量之和小于净辐射，戈壁感热、潜热、土壤热通量之和大于净辐射，戈壁能量不平衡大于草原。导致山区草原和戈壁地表净辐射特征差异的主要因素是太阳辐射，导致山区草原和戈壁地表能量分量特征差异的主要因素是陆面植被和水分，根本因素是陆面水分。      

陆面过程模式对不同土壤物理性质的敏感性研究

使用NCAR陆面过程模式（LSM）和荷兰Cabauw1987的大气观测资料，考察了在11种不同的土壤条件下陆面过程模式所模拟的地表能量及水分循环的差异。结果表明，粘土含量较高的土壤具有较好的持水能力，蒸发量和径流量都比较大，而在含砂量高的土壤中，水分大量的下渗，蒸发量和径流量小，从而到地表热通量的分配，在不考虑大气反馈的情况下，各种土壤造成的差异主要出现在春季的4、5月份。     

基于CLM模式的青藏高原土壤冻融过程陆面特征研究

使用位于青藏高原东部若尔盖站的观测数据驱动CLM3.5模式,设计一组去除模式中冻融过程的"退化试验",进行为期一年的模拟研究。通过对比原试验与敏感性试验模拟结果,初步分析冻融过程在土壤温度变化、各能量通量分配中的作用,得到以下结论：（1）冻融过程是土壤温度变化的"缓冲器",冻结过程向周围环境释放能量减缓了土壤降温的速率,使土壤温度不至降得太低,而消融过程从周围环境吸收能量减缓了土壤升温的速率,使土壤温度不至升高太多;（2）冻融过程改变了地表辐射通量,土壤冻结改变了地表反照率,改变了向上短波辐射,且由于冻结过程减缓了地表温度的下降,改变了地表向上长波辐射,进而改变了净辐射通量;（3）冻融过程显著地改变了陆面能量的分配,通过相变能量的释放和吸收增大了地气间能量的传输,显著地增大了地表土壤热通量,且通过改变地表温度和地表蒸发,改变了感热及潜热通量。在冻结过程及完全冻结阶段,感热及潜热通量均增大,但在消融过程阶段,感热及潜热通量均减小。冻融过程对土壤热通量及感热通量的影响在冻结过程及完全冻结阶段更为显著,而对潜热的影响则是在消融过程阶段更为显著。     

基于星载GNSS-R获取川藏交通廊道沿线地表土壤湿度

地表土壤湿度影响着陆-气能量交换和水循环,是泥石流、冻土冻融等灾害的重要因子,获取川藏交通廊道沿线地区土壤湿度有助于研究铁路沿线气候变化和冰冻圈灾害风险.基于CYGNSS(cyclone global navigation satellite system)星载GNSS-R(global navigation satellite system reflectometry)信号,结合土地覆盖分类、归一化差分植被指数NDVI(normalized differential vegetation index)和粗糙度等地表土壤湿度影响因子,利用人工神经网络方法建立了地表土壤湿度多参数反演模型,生成了2018—2019年连续两年的川藏交通廊道沿线地区36 km空间分辨率的地表土壤湿度日产品.经土壤水分主被动探测卫星数据检验,生成的地表土壤湿度相关系数R为0.8,均方根误差RMSE(root mean square error)为0.032 cm3/cm3,偏差Bias为0.014 cm3/cm3,可为川藏交通廊道沿线气候变化和地表灾害研究提供高连续性和可靠性的数据.      

青藏高原西部陆面过程特征的模拟分析

利用1998年5月1日至9月18日狮泉河自动气象站(AWS)的观测资料作为强迫场,运用改进的陆面过程模式CoLM(Common Land Model),对青藏高原西部的陆面特征进行了模拟研究.结果表明,该模式能够较好地模拟出高原地区的陆面特征.在高原西部地表能量平衡过程中,感热通量占主要地位,潜热通量较小,但在高原西部的湿季,潜热通量也是不可忽略的.在5月及6月初表层土壤频繁的发生水分相变,使土壤在相变过程中不断地吸收和释放潜热.降水及土壤表层频繁的冻结-消融使地表有效通量(感热+潜热)发生变化.有效辐射中的感热、潜热的分配,即Bowen会发生变化,进一步影响到对大气的加热及大气水汽输送情况,大气状况的改变又反过来影响地表蒸散及土壤持水能力,使土壤水分状态和含量发生变化.     

基于地表温度与植被指数特征空间反演地表参数的研究进展

遥感反演的地表温度(Ts)和植被指数(VI)构成的特征空间结合模型分析可以对显热通量、潜热通量及土壤含水量等地表参数进行估算.这种方法比较实用,且不过多地依赖地面观测数据.随着研究的深入,许多学者在Ts/VI特征空间基础上提出了更加丰富的空间变量.基于此,以不同空间变量为标准,分类介绍在Ts/VI特征空间的基础上对地表能量通量及土壤水分等参数的反演.其中包括在Ts/NDVI特征空间基础上提出温度植被干旱指数和条件植被温度指数来监测干旱;利用Ts/albedo特征空间反演蒸发比;用DSTV/VI特征空间反演蒸散量;用地气温差/植被指数特征空间反演蒸散量等.并介绍了Ts/VI特征空间与微波遥感结合反演地表含水量等相关研究的进展情况,最后提出未来研究的发展方向.     

中国过去300年土地利用变化及其气候效应

以两种植被数据为基础,分别利用区域和全球气候模式对过去300年土地利用和地表覆盖变化的气候效应进行了模拟研究。结果表明,耕地面积不断扩大所造成的自然植被破坏可能对区域性气候产生显著影响。通过对不同时期植被特征下地面温度、降水和低层大气环流的比较分析发现,中国东部地区耕地取代自然植被后,全年平均温度有所降低,且存在明显季节差异。植被退化地区的夏季温度有明显升高而冬季温度则显著降低; 同时夏季降水和850hPa风场发生显著变化： 夏季降水明显减少,而这一结果与低层(850hPa)大气环流的反气旋性增强相联系,即植被退化使中国东部夏季风环流减弱,这与目前观测事实是一致的。土地利用引起的地表覆盖的变化可能是东亚季风减弱的原因之一。     

Utilizing the MODIS-derived leaf area index to investigate the impact of vegetation processes on hydrological simulation of macroscale catchment

Integration of vegetation processes in rain–runoff (RR) models significantly affects runoff response by influencing evapotranspiration in mesoscale catchments. However, it is impossible to interpret the impacts of vegetation processes on runoff simulations in macroscale catchments using results from mesoscale catchments. Few studies involved vegetation process impacts on hydrological simulations by integrating daily vegetation information into conceptual RR models of macroscale catchments. In this study, we integrated the remotely sensed leaf area index (LAI) from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) into a daily Distributed Time-Variant Gain Model (DTVGM). Then, this study assessed the performances of two DTVGM versions, with and without vegetation processes, in the Wei River catchment, China. The results showed that: (1) Integration of MODIS-LAI into the DTVGM model improved the calibration and runoff simulation results of the initial DTVGM model. (2) Inclusion of vegetation processes in the DTVGM changed the simulated proportions of water balance components in the hydrological model and made the simulation of water balance components more accurate. (3) The fact that inclusion of vegetation processes could improve the hydrological simulation performance of the daily conceptual RR model in the macroscale catchment was consistent with studies in mesoscale catchment.     

蒸发蒸腾作用下非饱和土的吸力和变形影响因素分析

采用热湿耦合非等温流方程,结合实际蒸发和植物蒸腾的边界条件,考虑了水分迁移所引发的非饱和土应力变形行为,从而建立了大气-非饱和土相互作用模型。采用该模型对控制非饱和土吸力和变形的大气蒸发和植物蒸腾等多参数进行了影响程度分析。结果表明,控制地面吸力和变形的主导因素是外部气象条件,尤其太阳净辐射量和风速,土体水力和热力特性参数影响程度有限;在植被覆盖条件下,吸力变化主要取决于植物叶面积指数LAI,而总腾发量的大小决定了地表变形量。