陕北地区退耕还林还草工程土壤保护效应的时空特征

以中国退耕还林生态工程重点区域陕北地区作为研究区,基于耕地遥感监测数据集,分析了陕北地区2000-2013年耕地的时空变化特征;基于梯田空间分布,对RUSLE模型进行改进,模拟生成陕北地区土壤侵蚀模数栅格数据并进行精度验证;最后结合耕地变化数据集对陕北地区退耕还林（草）地及未退耕地的土壤侵蚀变化特征进行对比分析,以明确工程对全区土壤侵蚀变化的影响。结果表明,2000-2010年,陕北退耕农田内部侵蚀模数减少了22.70 t/hm ²,是退耕农田区2000年土壤侵蚀模数的47.08%。同期,陕北地区未退耕农田侵蚀模数减少了10.99 t/hm ²,占未退耕农田区域2000年土壤侵蚀模数的28.60%。从陕北全区的角度看,各种土地利用类型2000-2010年土壤侵蚀模数平均减少了14.51 t/hm ²,占2000年全区土壤侵蚀模数的41.87%。由此可见,退耕还林还草工程可以有效减少土壤侵蚀模数,达到土壤保护的作用。其中,由耕地转为林草所导致的侵蚀减少最为显著,对土壤保护的贡献作用最大。但是,2010年以后（2010-2013年）为退耕还林还草巩固时期,因此该阶段陕北地区土壤侵蚀模数和土壤侵蚀量变化较前10年显著降低。     

基于InVEST模型的陕北黄土高原水源涵养功能时空变化

以陕北黄土高原为研究区,基于InVEST水源涵养功能评价模块,定量评价退耕还林还草工程背景下土地利用/覆被变化对研究区水源涵养的影响,在此基础上开展水源涵养空间分区。结果表明：① 2000-2010年,陕北黄土高原草地、灌丛和林地的面积分别增加了3204 km²、285.3 km²和122.7 km²,城镇面积增加了450.4 km²;农田、荒漠、湿地的面积分别面积减少了3984.5 km²、72.7 km²和5.2 km²。② 2000-2010年,陕北黄土高原水源涵养量整体以减少为主,中部减少最为显著,减少量在25 m³/hm²~40 m³/hm²,局部区域在40 m³/hm²以上;其他大部分区域均有0~25 m³/hm²不等的减少。③ 陕北黄土高原水源涵养功能高度重要区和极重要区的总面积为32255.1 km²,所占比例为40.5%。④ 通过陕北黄土高原水源涵养功能评价和重要性分区为生态系统的科学管理提供参考。     

基于改进土壤冻融水循环的Biome-BGC模型估算青藏高原草地NPP

Biome-BGC模型被广泛用于估算植被净初级生产力（Net Primary Productivity, NPP）,但是该模型未考虑冻土区土壤冻融水循环过程对植被生长的影响。本文基于Biome-BGC模型,改进冻土区活动层土壤冻融水循环,估算了2000—2018年青藏高原高寒草地NPP。通过比较原模型和改进后的模型,并对NPP模拟结果的时空特征进行了分析,结果表明：① 增加冻融循环提高了NPP估算精度,青藏高原草地NPP均值由114.68 gC/(m²·a)提高到128.02 gC/(m²·a)。② 原模型和改进后NPP的空间分布差异较大,时间变化趋势差异不明显。③ 青藏高原草地NPP总量为253.83 TgC/a,呈东南向西北递减的空间格局,年均增速为0.21gC/(m²·a)（P=0.023）,显著增加的占17.85%,主要分布在羌塘高寒草原地带的大部分地区和藏南山地灌木草原地带的西部。④ 该冻融水循环改进方法简单可靠,具有在其他多年冻土区推广的价值。     

1992-2015年中国沙漠面积变化的遥感监测与气候影响分析

目前,关于中国全域年际分辨率长时间序列沙漠面积变化及影响机制的研究较少。利用1995-2015年全国土地利用数据对1992-2015年地表覆被数据中的裸地进行校正,并采用2000年和2002年腾格里沙漠遥感影像解译结果对校正后的沙漠面积的精度进行验证,同时分析不同大气环流区沙漠面积变化的气候变化影响机制。结果表明：1992-2015年中国沙漠面积减少了86 704 km²,东部季风区沙漠面积减少最明显,其次是青藏高寒区,西北干旱区减少最小,减少面积分别是46 109、23 470、17 125 km²。其中,东部季风区沙漠面积减少占比最为明显,达到18.13%。土壤湿度是影响西北干旱区和青藏高寒区沙漠面积年际变化的关键因素,降水、相对湿度和土壤湿度对东部季风区沙漠面积变化有直接影响,林业生态建设工程、退耕还林还草等措施也有一定关系。近20年来中国北方风力减小和人类保护可能是东部季风区沙漠面积减少的主要因素。     

西北地区的退耕规模、粮食响应及政策建议

退耕还林(草)是西北地区生态环境建设的重大举措,但退耕必然会对的粮食生产带来直接影响。基于全国土地利用详查的分县数据,研究认为:(1)按照法律规定,大于25度的陡坡耕地必须无条件地退耕。仅此一项,西北地区就必须退耕153.6×10⁴hm²,占现有耕地的9.2%,粮食减产为71.2×10⁴t,占1996年粮食产量的2.2%,对全区人均粮食占有量的影响很小;(2)在保证人均耕地0.1hm²前提下对大于15度的坡耕地退耕,则退耕面积可达347.8×10⁴hm²,超过现有耕地的1/5;对应的粮食减产为234.5×10⁴t,是1996年粮食产量的7.3%,甘肃、陕西和青海的粮食减产比例都在1/10左右,退耕带来的直接粮食减产效应是显而易见的。最后针对西北地区的退耕规模及其粮食响应,提出了两条政策建议     

太行山淇河流域2000-2015年土壤侵蚀和水源供给变化研究

山地生态系统的土壤侵蚀和水源供给变化对评估区域生态环境质量有重要意义。基于2000-2015年四期土地利用数据,借助InVEST模型对淇河流域近16年间山地生态系统的土壤侵蚀和水源供给变化进行评估。结果表明：① 研究区主要土地利用类型为耕地、草地和林地,共占流域总面积的90%以上。近16年间淇河流域的耕地面积显著减少,草地和水域面积大幅增加,建设用地扩张明显。② 平均土壤侵蚀模数显著降低,2000年土壤侵蚀模数为154.27 t/（hm²·a）,2015年减少到32.09 t/（hm²·a）;强度侵蚀、极强侵蚀和剧烈侵蚀由9.03%、12.19%和25.96%分别减少到7.17%、6.36%和4.21%,微度侵蚀、轻度侵蚀和中度侵蚀由24.31%、16.96%和11.57%增加到41.89%、27.71%和12.68%;退耕还林、还草措施优化了土地利用格局,促进植被恢复,对治理土壤侵蚀起到了显著效果。③ 水源供给量整体呈现先增加后减少的趋势,2005年达到峰值（1.79亿m³）。相邻两期水源供给量增减变化不一,2000-2005年水源供给量增加的面积大于减少的面积,其水源供给的量值也呈增加趋势,水源供给能力整体增强;而2005-2010年、2010-2015年的水源供给能力随之减弱,其中,2010-2015年水源供给减少的较小;林地和草地面积的增加造成水源供给量降低,土壤水源涵养能力增强。土壤侵蚀和水源供给是山地生态脆弱性响应的重要指标,制定合理的水土保持措施对增强山区生态系统的服务能力具有重要意义。     

2000～2015年中国人工表面变化遥感监测分析

基于时间序列遥感数据获取的多期土地覆被数据对中国人工表面变化信息进行提取和定量评价,进一步分析中国各省市的人均人工表面面积变化趋势,以及7个主要城市群的人工表面变化情况,结果可知:① 2015年中国人工表面的面积总和为29.07万km ²,其中建设用地25.10万km ²、交通用地3.09万km ²、采矿场0.88万km ²;② 2015年人工表面总面积较2010年年均增长为0.66万km ²,年均增速为2.57%,较2000~2010年年均增长0.55万km ²（年均增速2.70%）增速有所放缓。③ 总体上中国大部分行政区的人均人工表面面积近15 a持续提高。     

137Cs示踪技术在黑土区农业非点源污染负荷研究中的应用

利用¹³⁷Cs核素示踪和定位监测相结合,研究松嫩平原黑土区3个旱作坡面土壤的流失厚度和流失速率,坡面土壤流失厚度1.20~5.25 mm/a,侵蚀强度1 355.0~7 558.2 t/(km²·a);近40 a来,松嫩平原黑土区年均入河(湖)农业非点源污染负荷分别为TN 1.43 t/(km²·a)、NH₃^-N 15.01 kg/(km²·a)、NO₃^-N 8.51 kg/(km²·a)TP 0.42 t/(km²·a)、PO₄^3--P 1.85 kg/(km²·a);土壤流失氮以有机氮为主;水溶态无机氮占总氮的0.51%,水溶性磷酸盐磷占总磷的0.12%。黑土区农业非点源污染物的输出和水土流失密切相关,深入研究其输移机理及防治措施具有重要的环境意义。     

黄土高原水土流失区生态退耕对粮食安全的影响

退耕还林是黄土高原水土流失区改善生态环境的一种有效途径,但在一定程度上必然会影响到区域的粮食安全,其中最直接最主要的影响便是退耕带来耕地面积减少,引发粮食总产量的降低。根据黄土高原水土流失区的生态退耕规划,对退耕还林还草可能对当地造成的粮食生产影响进行分析。利用具有显著科学性和可操作性的最小人均耕地面积和耕地压力指数模型,对该区各亚区进行了粮食安全评价,并以此为基础提出了黄土高原水土流失区各亚区退耕还林还草与粮食安全的协调途径。     

黑河流域近60年来径流量变化及影响因素

基于莺落峡、正义峡水文站径流量数据及相关气候资料,借助小波分析、小波神经网络模型和GIS空间分析方法,研究黑河干流径流量变化周期、突变、趋势及原因。结果显示:1944~2005年莺落峡年均径流量变化长周期约7和25年,变化总体呈增加趋势,增加率约1.04m³/(s·10a);1954~2000年正义峡年均径流量变化长周期约6和27年,变化总体呈减少趋势,减少率约2.65m³/(s·10a);2006~2015年莺落峡年均径流量呈增加趋势,增加率约2.04m³/(s·10a);莺落峡径流量的增加主要与黑河流域上游气候向暖湿型转化有关,而正义峡径流量的减少与中游水资源利用量的迅速增加有关。     

近年来的黄土高原耕地时空变化与口粮安全耕地数量分析

基于遥感调查数据集定量分析了1990—2015年中国黄土高原地区耕地的时空变化特征和口粮绝对安全最小耕地保障面积的数量变化。结果表明：黄土高原耕地面积从1990年的192 529.65 km²至2015年的182 688.50 km²,净减少了9 841.14 km²,幅度达5.11%,其中2000—2010年的减幅最大,净减少8 483.00 km²;较大的耕地动态变化图斑主要分布于中部和西部区域,细碎的变化图斑广泛分布;耕地地类转出面积（31 875.82 km²）大于转入面积（21 815.25 km²）,耕地面积的增加主要由草地和林地转化而来,主要分布在灌溉农业区和东南部平原区,减少的耕地主要转化为草地和林地,主要分布在中部沟壑区的雨养农业区。此外,该时期耕地转化为建筑用地和交通用地等人工表面的面积逐渐增加,主要分布在东南部低海拔平原地区;黄土高原口粮绝对安全所需最小耕地保障面积呈明显减少特征（从1990年的70 913.37 km²下降到2015年的33 981.64 km²）,占该区耕地总面积比例呈明显缩减态势（从1990年的36.83%缩减到2015年的18.60%）,目前耕地总量的净减少未对口粮绝对安全的耕地保障数量造成大的影响。     

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。     

黄土高原北部丘陵沟壑区近160年土壤侵蚀量演变及其对ENSO事件的响应

对形成于1851~1861年的靖边（JB）聚湫内22.75 m沉积序列进行完整钻探,并基于XRF Core Scanning的元素分布划分旋回和年际冻融层,在高精度定年的基础上计算旋回及年际产沙量和产沙模数。结果表明：JB聚湫沉积序列由126个旋回叠加而成,且形成于1855~2014年的78 个年份中。JB聚湫内旋回产沙量和产沙模数变化范围分别为0.27×10 ⁴~22.44×10 ⁴t和0.09×10 ⁴~7.82×10 ⁴t/km ²;年际产沙量和产沙模数范围分别为0.27×10 ⁴~90.73×10 ⁴t/a和0.09×10 ⁴~23.40×10 ⁴t/(km ²·a)。 ENSO事件显著影响JB流域强降水作用下的侵蚀产沙,且在El Ni?o次年和La Ni?a年份发生侵蚀产沙的频率较高,可能是这些年份中东亚季风增强后带来更多强降水事件的结果。研究结果有效延长了黄土高原北部丘陵沟壑区小流域土壤侵蚀演变历史,充分理解ENSO事件驱动下该地区侵蚀产沙的响应,为黄土高原北部坝库建设、水土流失治理和防洪减灾等提供理论依据。     

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。     

基于COSI-Corr技术的龙羊峡库区1987—2019年风沙输移特征及潜在入库量估算

风沙活动威胁着龙羊峡水库的安全运营,查清沙害来源和入库量对于防治水患和沙害具有重要意义。基于1987、1995、2003、2013、2019年的Landsat卫星影像,利用COSI-Corr技术监测了龙羊峡库区不同时空的沙丘移动特征,并重新评估库区近32 a的潜在风沙入库量。结果显示：（1）1987—2019年龙羊峡库区沙丘平均移动速率为5.81 m·a^-1,呈先加速（1987—2003年）后减速（2003—2013年）再加速（2013—2019年）趋势;沙丘移动方向在132.81°—165.82°范围内,与该区主风向一致。（2）近32 a向龙羊峡水库输送的潜在风沙量可达7.82×10⁷ m3（1.20×10⁸ t）。上风向塔拉滩潜在输送量为7.38×10⁷ m3（1.14×10⁸ t）,下风向木格滩仅贡献了0.44×10⁷ m3（0.68×10⁷ t）。（3）库区内风沙输移受风况、气候、植被等多种因素的影响,在未来全球变暖条件下,青藏高原的风沙活动将会持续发展,风沙入库量的长期累计效应将对水库安全构成严重威胁,必须引起足够重视。     

中国北方沙漠化土地时空演变分析

对2000年中国北方256×10⁴ km²区域内沙漠化土地的遥感监测结果表明:沙漠化土地总面积现已达到38.57×10⁴ km²,其中轻度和潜在沙漠化土地13.93×10⁴ km²,占沙漠化土地面积的36.1%;中度沙漠化土地9.977×10⁴ km²,占25.9%;重度沙漠化土地7.909×10⁴ km²,占20.5%;严重沙漠化土地面积6.756×10⁴ km²,占17.5%。与20世纪50年代后期到70年代中期和80年代后期的沙漠化土地发展状况相比,目前我国沙漠化土地演变趋势具以下特征:(1)沙漠化土地仍在蔓延,面积已由1987年的33.895×10⁴ km²增加到了2000年的38.569×10⁴ km²,13a中净增4.674×10⁴ km²;(2)沙漠化土地继续呈加速发展的趋势,年平均发展速率从20世纪50年代后期到70年代中期的1560 km²、70年代中期到80年代后期的2100 km²发展到90年代的3600 km²;(3)部分旱农区以及农牧交错地区沙漠化土地出现明显逆转,但荒漠草原地区沙漠化土地面积继续扩大,并且程度有所加剧。     

2000—2016年黄土高原不同土地覆盖类型植被NDVI时空变化

了解植被覆盖的时空变化对区域环境保护及生态环境建设具有重要意义。基于MOD13A1数据,辅以Sen+Mann-Kendall、变异系数、Hurst指数,通过分析2000—2016年间黄土高原NDVI年最大值(NDVI_ymax)和生长季均值(NDVI_gsmean)时空变化特征及趋势,以了解黄土高原实施退耕还林(草)等生态工程后的植被覆盖恢复情况。结果表明：① 2000—2016年植被NDVI_ymax和NDVI_gsmean呈现波动式增长趋势,增长率分别为0.0070/a(P<0.01)和0.0063/a(P<0.01),生态环境整体不断改善。② NDVI_ymax和NDVI_gsmean显示黄土高原植被覆盖呈增加趋势的面积远高于呈减少趋势的面积(93.42%和96.22%、6.58%和3.78%),植被覆盖状态正在不断改善。2种数据变化趋势下,不同土地覆盖类型表现略有差异,森林极显著增加趋势面积最大(73.02%和82.60%),其次为耕地(47.87%和67.43%),再次为裸地(47.03%和61.68%)。③ NDVI_gsmean的变异系数小于NDVI_ymax的变异系数,相对稳定区域面积比分别为63.31%与56.64%,2种数据分析下森林变异系数最小,植被稳定性最好。④ 从植被NDVI变化趋势与Hurst组合结果得出,NDVI_ymax未来呈现改善趋势面积占41.35%,退化趋势面积占58.65%;NDVI_gsmean呈现改善趋势面积占49.19%,退化趋势面积占50.81%。2种数据下,灌木地未来发展趋势最好,森林和耕地退化趋势面积超过了50%。研究人员应持续关注退化趋势地区的植被状态。     

青藏高原高寒草地净初级生产力(NPP)时空分异

基于1982-2009 年间的遥感数据和野外台站生态实测数据,利用遥感生产力模型(CASA模型) 估算青藏高原高寒草地植被净初级生产力(NPP),分别从地带属性(自然地带、海拔高程、经纬度)、流域、行政区域(县级) 等方面对其时空变化过程进行分析,阐述了1982 年以来青藏高原高寒草地植被NPP的时空格局与变化特征。结果表明:① 青藏高原高寒草地NPP多年均值的空间分布表现为由东南向西北逐渐递减;1982-2009 年间,青藏高原高寒草地的年均总NPP为177.2×10¹² gC·yr^-1,单位面积年均植被NPP为120.8 gC·m^-2yr^-1;② 研究时段内,青藏高原高寒草地年均NPP 在112.6~129.9 gC·m^-2yr^-1 间,呈波动上升的趋势,增幅为13.3%;NPP 增加的草地占草地总面积的32.56%、减少的占5.55%;③ 青藏高原多数自然地带内的NPP呈增加趋势,仅阿里山地半荒漠、荒漠地带NPP呈轻微减低趋势,其中高寒灌丛草甸地带和草原地带的NPP增长幅度明显大于高寒荒漠地带;年均NPP增加面积比随着海拔升高呈现"升高—稳定—降低"的特点,而降低面积比则呈现"降低—稳定—升高"的特征;④ 各主要流域草地年均植被NPP均呈现增长趋势,其中黄河流域增长趋势显著且增幅最大。植被NPP和盖度及生长季时空变化显示,青藏高原高寒草地生态系统健康状况总体改善局部恶化。     

2002-2010年长江流域GRACE水储量时空变化特征

利用高斯平滑滤波对2002年4月-2010年12月逐月GRACE卫星的时变重力场数据反演得到长江流域大尺度陆地水储量变化,对其时空变化进行研究,并将结果与全球陆面同化数据(GLDAS)模拟结果进行比较。其结论为:根据GRACE数据反演与GGLDAS模拟得到的水储量结果在大多数区域变化趋势相同,两者具有一致性,相关性达到0.89(P<0.05)。GRACE水储量研究结果表明:①2002-2010年长江流域水储量呈增加趋势,平均增长速率为0.43mm/月,相当于约95.04亿m³/年。长江上游增长速率为0.53mm/月,相当于约67.13亿m³/年;中游增长速率为0.51mm/月,相当于25.73亿m³/年;下游增长速率为0.36mm/月,相当于9.14亿m³/年。近9年长江流域水储量共增加约855.33亿m³。②从多年平均水储量空间分布来看,长江流域冬季月份(12、1、2、3月)水储量处于亏损状态,7-9月水储量处于盈余状态,4-6月下游至上游地区由亏损向盈余状态过渡,而10-11月则从上游至下游地区由盈余向亏损状态过渡。③全流域、上游及中游水储量逐月增长速率最大值出现在9月,分别为1.01cm/a、1.37cm/a、1.05cm/a;而下游地区则出现在7月,增长速率为1.62cm/a。