基于多源遥感数据的甘肃省农业干旱研究

干旱是农作物生长发育的主要环境胁迫因子,也是制约农业丰产丰收的关键自然要素。农业干旱监测通常基于气象站点观测数据,这在一定程度上难以反映区域尺度的农业干旱状况。以甘肃省为研究区,基于MODIS、TRMM、ESA CCI等遥感数据产品和气象站点数据,利用随机森林回归模型构建综合气象干旱指数（CMDI）,并对甘肃省2011—2019年农作物生长季（4—9月）旱情时空格局及变化规律进行分析。结果表明：（1）CMDI与实测值的决定系数（R2）在各月均高于0.634,且与标准化降水蒸散发指数（SPEI）在空间上具有一定的相关性,表明该指数可反映农业干旱的发生发展过程。（2）甘肃省农业干旱呈现明显的地域分异规律,干旱程度由东南向西北逐渐加重,其中河西地区多为特旱区和重旱区,陇中地区为重（中）旱区,陇南、陇东、甘南地区为干旱-无旱波动变化区。（3）2011—2019年甘肃省农业干旱在年、月尺度上均呈现较大的波动趋势,其中2012年干旱程度最轻,2017年则最为严重;甘肃省大部分地区在4月和6月,陇东、陇南地区分别在5月和9月以及甘南地区4—9月农业旱情有所减轻外,其余地区在农作物生长季的旱情呈加重趋...     

基于植被状态指数的全国干旱遥感监测试验研究(Ⅱ)--干旱遥感监测模型与结果分析部分

通过利用1981～1994年连续504旬的由NOAA AVHRR 8km分辨率的NDVI时间系列数据,以及对应时段的全国102,个固定农气观测站的旬土壤湿度资料(-20cm),建立了植被状态指数(VCI)与土壤湿度之间的统计模型,由土壤湿度旱情等级标准来换算出每旬用VCI进行干旱遥感监测的旱情等级标准,以确定出全国的逐句旱情分布。对模型进行的统计检验表明,模型都通过了置信度为a=0．05统计检验。监测试验结果表明,这种方法在作物生长期内应用于大范围旱情遥感监测,有效且简便易行。     

利用MODIS数据进行旱情动态监测研究

MODIS-EVI植被指数与不同覆盖程度植被的线性关系已得到明显改善,可以更有效地反映地表植被的生长状态。利用MODIS合成数据MYD11A2和MYD13A2获取的增强型植被指数(EVI)和陆地表面温度(Ts)构建EVI-Ts特征空间,并以该特征空间计算的温度植被干旱指数(TVDI)作为干旱监测指标,分析广西2006年秋旱分布。结果表明:以地表温度和MODIS-EVI为基础的温度植被干旱指数能较好地反映区域旱情分布和旱情发展过程,2006年9月中旬—11月中旬广西受旱区域不断扩大,旱情持续加重。     

基于MODIS数据的华北地区遥感干旱监测研究

选择4种遥感干旱监测模型,与土壤相对湿度（RSM）和自校准帕默尔干旱指数（sc-PDSI）进行相关性分析,并探讨了研究区生长季干旱的时空变化特征。结果表明：作物缺水指数（CWSI）和植被供水指数（VSWI）更适合监测华北地区的土壤水分,在草原区和农区CWSI干旱监测较好,在森林区和荒漠区VSWI干旱监测效果较好;研究区干旱化趋势有所减缓,且2007—2011年为干旱到湿润的转折区间;干旱空间分布呈北部大于南部、西部大于东部的变化趋势,阿拉善高原的干旱最严重,而大兴安岭山脉基本无干旱发生;干旱整体上向好的趋势发展,尤其是鄂尔多斯南部、山西省、燕山山脉和华北地区-东北地区交界处的农区,且易旱区重心有向西移动的趋势,该成果可以为区域农业干旱监测提供一定的参考。     

干旱指标在陕西省应用的敏感性分析

利用陕西省1961—2005年各气象站旬气象资料、33个农气旬报站土壤相对湿度及2001年6月13日NOAA-16极轨气象卫星资料,分析了降水距平百分率、Z指数、Palmer干旱指数、土壤相对湿度对干旱的发生、发展、变化的敏感性,描述干旱发生的范围、程度的差异,并将反映出的旱情与同时段用遥感监测得到的旱情进行比较。结果表明:降水距平百分率、Z指数对旱情的变化具有很高的敏感性,各干旱指标都能反应出区域内干旱的发生,但各指标反映出的干旱程度和范围不同;与同时段遥感监测得到的旱情相比,遥感监测的旱情更加细致,并与地表状况有关。干旱是一个累积过程,同时与影响对象有密切关系,使用干旱指标分析旱情时需要根据受旱对象选用不同的干旱指标,综合考虑前期的水分状况与旱情发生、发展有关的因素。     

农业干旱遥感监测模型综述

以农业干旱发生时所引起的若干地表特征变化为依坦,分别从土壤水分、植被水分、冠层温度和作物形态4方面,对现有主要农业干旱遥感监测模型进行归纳总结,分析了各种模型的优缺点,以及各自的适用范围。其中土壤水分变化类指数比较适宜于农业旱情预警及土壤干旱型农业旱情的监测;冠层温度变化类指数不仅适宜于农业旱情预警,更适宜于农业旱情监测;作物形态及绿度变化和植被水分变化类指数,较适宜于农业旱灾的预警以及灾后评估。     

2010年春季西南地区干旱遥感监测及其影响评估

利用国产环境减灾星多光谱、热红外数据以及美国中分辨率MODIS数据建立了2010 年春季我国西南地区的干旱及其影响的遥感监测与评估方法。主要包括：1) 旱情遥感监测,利用环境减灾星多光谱数据和热红外数据构建旱情遥感综合指数监测西南地区的旱情;2) 地表可用水资源遥感监测,主要利用2010 年3 月中旬及去年同期的多光谱数据,对位于云南、贵州、广西境内的三个典型水体的水面面积进行了动态监测,以评估地表水面面积及水位的变化;3) 干旱对农作物的影响,主要通过农作物生长过程曲线分析各省(市) 区的作物受旱情的影响过程,并利用耕地面积与遥感监测作物种植成数、分类成数,以及耕地受旱比例计算作物受旱面积,通过田间实验对不同生育期冬小麦受到水分胁迫条件下的减产结果,确定不同旱情等级对应的粮食减产比例,计算各省(市) 的冬小麦减产数量。结果表明旱情最严重区域在广西西北部、贵州西南部和云南的中部与东北部,冬小麦、油菜、甘蔗等作物生长过程受到明显抑制,受旱面积分别达到9.13×10⁵ hm²、5.43×10⁵ hm²与9.00×10⁵ hm²,冬小麦产量损失达到8.3×10⁵ t,约占2009 年四省市冬小麦总产量的13.7%、全国冬小麦总产量的0.8%和全国粮食总产量的0.16%,对我国粮食总产量影响不大,但云南和贵州的冬小麦减产分别达到48%和31%,对区域粮食供应影响较大。     

甘肃省河东地区干旱遥感监测指数的对比和应用

干旱是影响甘肃省河东地区农业生产的主要气象灾害之一。如何在众多的干旱遥感监测指数中选择适宜的指数是干旱遥感监测工作面临的主要问题。利用研究区30个农业气象站观测的不同深度土壤相对湿度和对应的MODIS数据,分析了7种典型干旱遥感监测指数(AVI、NDWI、VCI、PDI、MPDI、VSWI和MEI)的构建原理和模拟结果,并选择适宜的干旱遥感监测指数对2006年甘肃省河东地区干旱情况的时空分布做了动态监测。结果表明:7种干旱遥感监测指数均能反映研究区土壤湿度的时空变化特征;各干旱遥感监测指数对土壤水分监测的最佳深度为20 cm,其次为10 cm。从相关系数来看,PDI、MPDI指数对春季,VSWI、NDWI指数对夏季的土壤相对湿度有较好的监测结果;MEI指数对秋季土壤相对湿度模拟效果较差,其余指数对秋季模拟效果均较好;根据各指数与20 cm处土壤相对湿度的相关系数,结合各指数的构成原理,春季选择PDI和MEI,夏季选择VSWI和NDWI,秋季选择PDI和MPDI,分别对2006年甘肃省河东地区干旱情况进行监测。通过考虑各等级出现的频率,同时兼顾土壤相对湿度,评定各指数干旱等级。监测结果显示,庆阳市北部连续出现春旱、春末夏初旱、伏旱和秋旱,陇中北部和庆阳市北部旱情严重。     

基于蒸散发的干旱监测及时效性分析

在改进的SEBS模型的基础上,基于作物缺水指数方法(CWSI),利用研究区域2014年风云二号、风云三号气象卫星数据及同期全省107个气象台站、农业气象观测站及土壤水分站数据,进行山西省干旱监测及时效性分析。结果显示:(1)CWSI受地形和植被的影响,植被茂盛的地区出现旱情低估的现象,而在城镇密集区则出现旱情高估的现象。(2)CWSI的干旱监测结果的精度达到80%以上,可以满足业务工作的精度需求。(3)CWSI与土壤湿度和降水都显示了一致的时间和空间分布规律,说明了CWSI用于干旱监测具有较高的时效性,可见,气象站实测的点数据与遥感数据的完美结合,有效的提高了监测结果在时间和空间上的精度,弥补了常规模型的不足。     

2000—2020年河湟谷地农业干旱研究

选取植被健康指数（Vegetation health index,VHI）为农业干旱程度衡量指标,利用MannKendall(M-K)检验法和小波分析法对河湟谷地2000—2020年农作物生长季（3—11月）干旱程度进行逐年和逐季节研究（以3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季）。结果表明：（1）河湟谷地农业干旱区主要集中在大通河中游地区、湟水河干流区和黄河谷地。（2）河湟谷地农业干旱面积呈现明显的地域分异特点,由北到南农业干旱面积逐渐增大。（3）河湟谷地农业干旱面积在年际尺度上有在周期性波动中不断减小的趋势,2007—2008年是河湟谷地农业干旱面积发生突变的时间点,此后河湟谷地农业干旱面积开始急剧减少;春季是河湟谷地受农业干旱影响最严重的季节。研究结果对掌握河湟谷地农业干旱空间分布及变化趋势、促进青海省农业健康发展具有重要意义。     

温度植被干旱指数（TVDI）在草原干旱监测中的应用研究

以内蒙古锡林郭勒盟地区为研究对象,选取2010年研究区旱情发生显著变化的9、10月份的MODIS植被指数和陆地表面温度数据,构建草原地区NDVI-LST和EVI-LST特征空间,进而由此构建了草原地区的温度植被干旱指数（TVDI）,并结合当地气象数据和野外同步实地测量得到的土壤含水量数据对该指数进行定量验证。结果表明：（1）基于EVI-TS特征空间构建的TVDI,同样适用于旱情研究;且在研究区植被覆盖度不高的条件下,基于NDVI-TS特征空间的TVDI更适用于干旱监测;（2）构建的NDVI-TS和EVI-TS特征空间,其散点图符合三角形的关系,与前人研究成果相符;（3）TVDI可以很好地反映研究区的旱情变化情况,可以对研究区进行旱情动态监测;（4）基于NDVI-TS及EVI-TS空间构建的TVDI均与实地同步野外采集的土壤含水量数据结果显著负相关。且通过对基于TVDI的干旱监测结果与研究区实际情况对比分析发现,两者在旱区分布范围、旱情强度等级、干旱发展进程等方面基本吻合,说明TVDI可以在时间上很好监测旱情变化,TVDI可以用来评价草原干旱状况。     

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。     

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。     

甘肃省黄土高原区夏季极端降水的时空特征

借助ArcGIS和Matlab数据软件平台,运用复值Morlet小波分析和数理统计方法对甘肃省黄土高原区夏季极端降水的频数和强度在时空上的变化特征进行分析。结果表明:①近半个世纪以来,该区极端降水事件发生的频数和强度在6、7月周期较长,8月周期较短:即6、7月极端降水事件发生的主周期是11~12 a,8月是4~5 a的周期。②从空间尺度来看,该区夏季极端降水带移动由西向东表现为:大致以庄浪、秦安、天水一线为界,6月频数和强度大值区在这一线以西海拔相对高的山区,而7—8月在这一线以东地区,尤其是陇东地区的东南部。③总体趋势是6月极端降水频数和强度明显呈上升趋势;7月极端降水频数和强度呈下降趋势;8月极端降水频数呈下降趋势,强度呈微弱上升趋势。     

黄土高原植被覆盖度变化的地形分异及土地利用/覆被变化的影响

基于16 d合成MODIS NDVI数据提取的时间序列植被覆盖度数据,采用一元线性回归趋势分析,对黄土高原2000-2008年植被覆盖度的时空变化及其地形分异、土地利用/覆被变化的影响进行了定量分析。结果表明：（1）研究时段黄土高原植被覆盖度整体呈快速上升趋势,局部下降;（2）黄土高原植被覆盖度变化存在明显的地形分异,陡坡等植被恢复、重建和保育的主要区域植被覆盖度增速显著;（3）土地利用/覆被变化对植被覆盖度的增加影响突出,土地利用/覆被类型变更区植被覆盖度增速显著高于未变化区域,退耕还林还草区增速尤其突出;（4）土地利用/覆被类型未变化区域植被覆盖度总体上也呈增加趋势,但因植被覆盖度水平相对较高,增速明显低于土地利用/覆被类型变化区。上述结果表明,黄土高原植被保育、植被恢复和重建在植被覆盖度提升方面取得了明显成效。     

Remote-sensing data reveals the response of soil erosion intensity to land use change in Loess Plateau,China

Developing an effective approach to rapidly assess the effects of restoration projects on soil erosion intensity and their extensive spatial and temporal dynamics is important for regional ecosystem management and the development of soil conservation strategies in the future. This study applied a model that was developed at the pixel scale using water soil erosion indicators (land use, vegetation coverage and slope) to assess the soil erosion intensity in the Loess Plateau, China. Landsat TM/ETM+ images in 2000, 2005 and 2010 were used to produce land use maps based on the object-oriented classification method. The MODIS product MOD13Q1 was adopted to derive the vegetation coverage maps. The slope gradient maps were calculated based on data from the digital elevation model. The area of water soil-eroded land was classified into six grades by integrating slope gradients, land use and vegetation coverage. Results show that the Grain-To-Green Project in the Loess Plateau worked based on the land use changes from 2000 to 2010 and enhanced vegetation restoration and ecological conservation. These projects effectively prevented soil erosion. During this period, lands with moderate, severe, more severe and extremely severe soil erosion intensities significantly decreased and changed into less severe levels, respectively. Lands with slight and light soil erosion intensities increased. However, the total soil-eroded area in the Loess Plateau was reduced. The contributions of the seven provinces to the total soil-eroded area in the Loess Plateau and the composition of the soil erosion intensity level in each province are different. Lands with severe, more severe and extremely severe soil erosion intensities are mainly distributed in Qinghai, Ningxia, Gansu and Inner Mongolia. These areas, although relatively small, must be prioritised and preferentially treated.     

中国干旱灾害评估与空间特征分析(英文)

Based on the monthly precipitation data for the period 1960-2008 from 616 rainfall stations and the phenology data of main grain crops,the spatial characteristics of drought hazard in China were investigated at a 10 km×10 km grid-cell scale using a GIS-based drought hazard assessment model,which was constructed by using 3-month Standard Pre-cipitation Index (SPI).Drought-prone areas and heavy drought centers were also identified in this study.The spatial distribution of drought hazard in China shows apparent east-west dif-ference,with the eastern part of China being far more hazardous than the western part.High hazard areas are common in the eastern and central parts of Inner Mongolian Plateau,the central part of Northeast China Plain,the northern part of Heilongjiang,the southeastern part of Qinghai-Tibet Plateau,the central and southern parts of Loess Plateau,the southern part of North China Plain,the northern and southern parts of Yangtze River Plain,and Yun-nan-Guizhou Plateau.Furthermore,obvious differences in drought hazard were found both within and between different agricultural zonings.     

2001—2020年黄河流域植被覆盖变化及其影响因素

基于MODIS NDVI植被指数和气象数据集,以集合经验模态分解、趋势分析和随机森林回归分析等方法,分析了黄河流域2001—2020年植被覆盖时空变化特征,并对其气候驱动因素进行探讨。结果表明：（1）2001—2020年黄河流域植被覆盖整体呈显著增长趋势,增速为0.055/10a （P<0.05）,2010年之前增速（0.067/10a）大于2010年之后的增速（0.051/10a）。（2）空间上,植被覆盖增加区域主要分布在陕北黄土高原、甘肃省东南部、内蒙古自治区河套平原等退耕还林还草生态工程实施区域,而植被覆盖显著下降区域则集中在关中平原城市群、黄淮海平原以及青藏高原等区域。（3）气温、降水和CO₂浓度等对黄河流域植被生长起到正向促进作用,且绝对敏感性依次降低,而大气饱和水汽压差、太阳辐射等对植被生长起到抑制作用。本研究结果可为评估气候变化对黄河流域植被覆盖变化的综合影响提供参考依据。     

Agricultural practices and sustainable livelihoods: Rural transformation within the Loess Plateau,China

Effective agricultural practices can enable and sustain rural livelihoods, particularly in rapidly developing and transforming areas such as the Chinese Loess Plateau. Drawing from the Sustainable Livelihoods Approach (SLA), a conceptual framework for agricultural practices and sustainable rural livelihoods for the Yangou watershed within the Chinese Loess Plateau is presented and discussed. It is found that agricultural practices that include building terraces, returning sloped farmlands to forestland and grassland, and expanding orchards all have had positive and significant impacts on farmers' livelihood assets, strategies, outcomes, and vulnerabilities. From 1997 to 2006, 48.4 ha (95%) sloped farmland in the Yangou watershed was converted to new land management, and the percentages of income from fruit sale and sale of labor to total income dramatically increased by 59% and 14%, respectively. The watershed community also experienced 159% raise in per capita net income from 1997 to 2003, while the watershed itself experienced a 99% decrease in sediment yield from 1998 to 2007. These positive and significant impacts of new agricultural practices on the sustainable rural livelihoods of the Yangou watershed are evident in the community's reduced dependence upon grain and subsidies income, the diversified strategies for livelihood, and the improved environmental indices. The successful implementation of new agricultural land management practices and policies in the Yangou watershed strongly suggest that similar transformations can be achieved in similar regions throughout China's vast rural areas of the Loess Plateau.