利用多源数据估算黑河流域总初级生产力

总初级生产力（GPP）决定了进入陆地生态系统的初始物质与能量,但由MODIS GPP产品获取的GPP在地表覆盖复杂的黑河流域却不足以准确的反映生态系统物质与能量的分布。因此,利用MODIS影像数据、ASTER GDEM数据、30 m分辨率土地利用覆被数据和中国区域地面气象要素驱动数据,驱动VPM模型模拟黑河流域2015年5～10月的总初级生产力,并据此揭示黑河流域GPP在生长季的时空格局,时间分辨率为8 d,空间分辨率为500 m。研究结果表明：VPM模型估算结果的精度高于MODIS GPP产品,判定系数增长了45.5%,总均方根误差降低了57.0%;黑河流域生长季累积[WTBX]GPP[WTBZ]总体呈现出中游最高、上游其次、下游最低的显著空间分布梯度格局;全境与局部有植被覆盖区域的日GPP均呈先增加后减少倒U型变化规律,且前者在7月下旬达到最高值;植被覆盖率极低的地表区域生长季内的日GPP在基本稳定中上下波动,稳定值处于1 gC·m^-2·d^-1附近。     

基于LM-BP神经网络的西北地区太阳辐射时空变化研究

定量模拟太阳辐射对认识西北地区气候变化至关重要,但西北地区辐射站点稀少,而气象站点较多,利用众多的气象站点观测值模拟太阳辐射是获得太阳辐射数据很好的方法之一。利用LM (Levenberg-Marquardt) 算法对普通的BP神经网络进行优化（优化后的BP神经网络简称LM-BP神经网络）模拟太阳辐射,通过与传统气候模型模拟的太阳辐射结果对比发现,LM-BP神经网络模型的模拟精度最高,模拟值与实测值的拟合程度明显优于H-S模型和A-P模型。由此利用西北地区159个气象站点的气象数据和LM-BP神经网络模型模拟了1990~2012年这些气象站点的太阳总辐射月总量,将LM-BP神经网络模拟的气象站点的太阳辐射和25个辐射观测站的实测太阳辐射数据相结合,通过空间插值得到了西北地区太阳总辐射的空间分布,并分析了其时空分布及变化特征。研究结果发现西北地区1990~2012年的年均总辐射月总量变化为262~643 βMJ/m²,呈现“中间高,两端低”的空间分布特征。LM-BP神经网络模型的模拟精度高,是一种很有发展前景的辐射模拟方法,可将其应用在无辐射观测地区的太阳辐射模拟中。     

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。     

生物结皮对内蒙古沙地灌丛草地土壤呼吸特征的影响

利用静态暗箱法分析生物结皮对内蒙古典型油蒿沙地灌丛草地土壤呼吸变化特征及水热敏感性影响。结果表明:生物结皮(BSC)与裸地(BG)土壤呼吸速率表现出类似的季节变化动态,BSC土壤呼吸年内变异系数约66.6%~81.7%,高于同期BG的50.9%~76.5%,其年际变异(22.4%)远大于BG(8.0%);BSC生长季土壤呼吸总量约126.88~186.07 gC/m²,显著高于BG(91.22~100.90 gC/m²)(p<0.05);BSC土壤呼吸对表层土壤水分变化的响应较BG更敏感,两个年份生长季BSC与BG表层0~10 cm土壤含水量变化分别能够解释土壤呼吸变异的81.3%,53.2%,57.8%以及55.4%。     

疏勒河干流径流变化特征研究

选取疏勒河干流昌马堡、潘家庄和双塔堡水库站多年实测月、年天然径流作为数据资料,利用线性倾向、Mann-Kendall等方法,研究干流径流量年、年内、年际、季节变化和突变特征。结果表明：1956—2016年干流年径流呈现昌马堡站［1.075×10⁸ m3·（10 a）^-1］>双塔堡水库站［0.253×10⁸ m³·（10 a）^-1］>潘家庄站［0.126×10 m³·（10 a）^-1］的线性倾向率,且呈现增加变化趋势;径流年内分配极不均匀,径流主要集中于5~9月,占年径流量的50%以上;径流年际变化均低于和高于多年平均值分别在20世纪70~90年代和21世纪00~10年代;径流不同站点和不同年代平均径流距平呈现差异性季节变化特征,夏季径流量增加对各站点年径流量影响最大;径流突变时间和特征因不同站点呈现不同变化特征,3个水文站突变点分别为1998年、2012年和2006年。研究结果对促进区域水资源综合管理与科学调配,指导区域中长期水资源综合规划与社会经济发展提供科学依据和技术支撑。     

退耕还林还草工程对黄土高原植被总初级生产力的影响

采用Landsat解译的2000年和2015年土地利用/覆盖数据和VPM模型（Vegetation Photosynthesis Model）模拟的2000~2016年总初级生产力（Gross Primary Productivity, GPP）数据,识别出了近16 a黄土高原退耕还林还草的空间范围,并估算了GPP的年际变化趋势。在此基础上,对比分析了退耕区和未退耕区GPP年际变化的差异,从而揭示退耕还林还草工程对GPP年际变化的影响。结果显示,2000~2015年,黄土高原退耕还林还草面积约3.5万km ²,占2000年耕地面积的16.8%。期间,GPP呈增加趋势,GPP显著上升区域占全区面积的67.3%,平均增速24.1 g/(m ²?a)（以C计,下同）。虽然退耕区多年平均GPP低于未退耕区,但退耕区GPP年际增速和相对变化率明显高于未退耕区,分别提高了5.9 g/(m ²?a)和1.5%。     

东北地区生长季长度变化及其对总初级生产力的影响分析

基于生态过程机理模型BEPS(Boreal Ecosystem Productivity Simulator)和卫星遥感资料模拟了2001~2010年中国东北地区陆地生态系统总初级生产力(GPP)的时空分布特征,分析了生长季长度变化及其对东北地区陆地生态系统GPP的影响。研究表明:(1)2001~2010年东北地区生长季开始时间、结束时间及生长季长度均没有显著的变化趋势,生长季长度的变化主要受到春季温度的影响。(2)东北地区陆地生态系统年均GPP总值为1 057.8±44.6 TgC,其中生长季内GPP值约占总GPP值的97.57%,即东北地区GPP主要是在生长季内固定的碳量。(3)东北地区GPP主要受降水量的调节,而生长季长度变化对GPP的影响并不显著。     

塔里木河干流区天然植被的空间分布及生态需水

塔里木河流域荒漠河岸林具有重要的生态、经济和社会效益。本文以塔里木河干流的荒漠河岸林系统为对象,借助于卫星遥感、GIS等技术,研究塔里木河干流区各河段天然植被分布特征,应用缓冲区梯度分析方法对林地分布结构和生态需水进行分析。结果表明： （1）塔里木河干流区天然植被面积为146.1×10⁴ hm²,占研究区总面积的35.18%;北岸天然植被面积较南岸多46.34×10⁴ hm²。（2）塔里木河干流区荒漠河岸林分布随距离河道的增加呈波动下降趋势。在影响保护带、基本保护带和重点保护带下,天然植被保护范围分别为4.7～30.1 km、2.2～24.2 km和0.8～12.3 km。（3） 塔里木河干流区天然植被总的生态需水量为21.932×10⁸ m³,在重点保护带、基本保护带和影响保护带下,生态需水量分别为9.56×10⁸ m³、14.97×10⁸ m³和19.08×10⁸ m³。根据荒漠河岸林的分布特征和保护目标,对塔里木河干流用水作统一规划和协调是符合实际的生态治理措施。     

典型喀斯特地貌空间配置的洪水资源化机理——以贵州省为例

洪水资源化是解决喀斯特地区水资源严重缺乏的有效途径。文章在贵州省喀斯特地区选取40个流域作为研究样区,利用面向对象技术的监督分类型方法,提取典型喀斯特地貌类型;分析流域样区特征,利用系统聚类法,将其划分为6种流域类型,即是：喀斯特低中山型（Ⅰ）、峰丛谷地型（Ⅱ）、混合型（Ⅲ）、峰林盆地（溶原）型（Ⅳ）、峰丛洼地型（Ⅴ）和峰林地貌型（Ⅵ）;利用相关分析方法,分析不同地貌空间配置对洪水径流特征的影响,探索地貌空间配置对洪水的分配与承载规律,从流域结构角度研究地貌空间配置对洪水资源化的实现。研究表明：1）洪水径流模数、径流系数及其C_v值曲线呈现“双峰型”分布,且分别在峰丛谷地型流域（Ⅱ）和峰丛洼地型流域（Ⅴ）达极大值;2）不同流域类型实现洪水资源利用总量,从大到小排序为：Ⅴ（6.22×10⁸ m³）>Ⅰ（2.88×10⁸ m³）>Ⅵ（1.49×10⁸ m³）>Ⅱ（1.34×10⁸ m³）>Ⅳ（1.25×10⁸ m³）>Ⅲ（0.55×10⁸ m³）;3）除峰丛谷地型（Ⅱ）和混合型（Ⅲ）流域外,所有流域类型的地下洪水资源总量大于地表洪水资源总量。喀斯特流域的洪水资源化,深受喀斯特地表的起伏及其流域侵蚀基准面和溶蚀基准面的控制。     

基于无人机影像的北部湾典型岛群红树林生态系统净初级生产力估算

提出以无人机季节航拍影像为数据源,采用ENVI5.3软件中的CART方法对广西北部湾的典型岛群红树林景观类型进行解译,借助于Python语言实现CASA模型并将其引入到对岛群红树林生态系统的研究中,得出了不同海岛和红树林生态系统净初级生产力（NPP）的空间分布特征。结果表明：1）可见光波段差异性植被指数（VDVI）可以很好地区分海岛及红树林植被等典型地物,可应用在岛群红树林生态系统NPP的估算上;2）研究区NPP的总量为127.09 t·C/a,NPP的年均碳密度值介于0~1 437.12 g·C/m²,年均碳密度为399.85 g·C/m²。红树林生态系统的NPP值较高,而海岛生态系统的NPP值较低;3）季节尺度上NPP碳密度的大小与年内太阳辐射有直接的关系,夏季的NPP碳密度最大,冬季最小;4）白骨壤的单位面积NPP最大,为1 123.09 g·C/m²,而桐花树最小,为649.65 g·C/m²。红树林生态系统NPP平均碳密度低于实测样地和深圳福田红树林计算结果,这与不同红树林群落的植被光谱特征有关。     

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。     

Assessing spatial and temporal variability in water consumption and the maintainability oasis maximum area in an oasis region of Northwestern China

Water consumption is a key role in improving the efficiency and sustainability of water management in arid environments.In this study, we explored an approach based on meta-analysis, MODIS NDVI products, land-use spatial distribution, and soil water physical parameters to gain insight into long-term and large scale distribution of land use and water consumption, maintain maximum Zhangye Oasis area according to Heihe River runoff, and suitable water resource management in Zhangye Oasis. This approach was initiated in order to improve the efficiency of irrigation and water resource management in arid regions. Results showed that Heihe River runoff can maintain a maximum Zhangye Oasis area of 22.49×10~4 hm~2.During the 2000-2016 growing seasons, actual oasis water consumption ranged from 11.35×10~8 m~3 to 13.73×10~8 m~3, with a mean of(12.89 ± 0.60)×10~8 m~3; if maintaining agricultural production and oasis stability was chosen, oasis water consumption ranged from 10.24×10~8 m~3 to 12.37×10~8 m~3, with a mean of(11.62 ± 0.53)×10~8 m~3. From the perspective of water resources management and ecosystem stability, it is necessary to reduce the area of Zhangye Oasis or choose the minimum water consumption method to manage the oasis, to ease the pressure of water shortage and maintain stable and sustainable development of the Zhangye Oasis. These results can provide future practical guidance for water resource management of coordinated development of the economy and the environment in an arid area.     

渭河(陕西段)河道自净需水量研究

建立了河段自净最小需水量计算模型。为了使研究区段内的水质达标,该区段内的自净需水量应该是从区段内所有河段最小需水量中取其最大量。应用该方法分达标排污和现状排污对渭河(陕西段)河道自净需水量做了计算。结果分析表明:渭河河道自净需水量随年径流流量变化不大,自净缺水严重,主要出现在非汛期,达标排污较于现状排污,自净需水量大幅度下降,自净缺水主要出现在1,2,12三个月。     

Spatiotemporal variations of water use efficiency and its driving factors in Inner Mongolia from 2001 to 2020

Water use efficiency (WUE) is an important variable to explore coupled relationships in carbon and water cycles. In this study, we first compared the spatial variations of annual gross primary productivity (GPP) and evapotranspiration (ET) using four GPP and ET products. Second, we selected the products closest to the flux towers data to estimate WUE. Finally, we quantitatively analyzed the impact of climate change and soil water content on WUE. The results showed that: (1) Four GPP and ET products provided good performance, with GOSIF-GPP and FLDAS-ET exhibiting a higher correlation and the smallest errors with the flux tower data. (2) The spatial pattern of WUE is consistent with that of GPP and ET, gradually decreasing from the northeast to the southwest. Higher WUE values appeared in the northeast forest ecosystem, and lower WUE values occurred in the western Gobi Desert, with a value of 0.28 gC m^?2 mm^?1. The GPP and ET products showed an increasing trend, while WUE showed a decreasing trend (55.15%) from 2001 to 2020. (3) The spatial relationship between WUE and driving factors reveal the variations in WUE of Inner Mongolia are mainly affected by soil moisture between 0 and 10 cm (SM0-10cm), vapor pressure deficit (VPD), and precipitation, respectively. (4) In arid regions, VPD and precipitation exhibit a major influence on WUE. An increase in VPD and precipitation has a negative and positive effect on WUE, with threshold values of approximately 0.36 kPa and 426 mm, respectively. (5) In humid regions, SM0-10cm, VPD, SM10-40cm, and SM40-100cm exert a significant impact on WUE, especially SM0-10cm, and weakens with increasing soil depths, these differences may be related to physiological structure and living characteristics of vegetation types in different climate regimes. Our results emphasize the importance of VPD and soil moisture in regional variability in WUE.     

长江、黄河流域生态系统服务变化及权衡协同关系研究

长江、黄河流域是中国重要的生态屏障,近几十年来强烈的人类活动改变了长江、黄河流域的自然景观,使生态系统功能遭到破坏,了解流域内生态系统服务的变化、相互作用和驱动因素是流域生态系统管理和调控的重要基础。本文利用土地利用、土壤类型和气象等数据,对2000—2016年长江、黄河流域的NPP、土壤保持和产水服务进行时空变化分析;采用相关分析法和约束线研究生态系统服务之间的权衡协同关系和约束效应。结果表明：① 2000—2016年,长江、黄河流域的NPP分别以3.21 gC/m²和3.92 gC/m²的速率递增,产水量和土壤保持量在长江流域分别以1.25 mm/a的速率递增和55 t/hm²的速率递减,而在黄河流域,产水量和土壤保持量分别以0.04 mm/a的速率递减和3.31 t/hm²的速率递增。② 长江、黄河流域的NPP、土壤保持和产水服务之间互为协同关系。长江流域的NPP和产水服务与土壤保持服务之间为驼峰型约束,NPP与产水量之间为凸波型约束。③ 黄河流域的NPP与土壤保持间的约束线形态为凸波型,NPP与产水量之间为驼峰型约束,而产水量与土壤保持之间为指数型。定量化研究不同流域的生态系统服务并探究其影响因素,对于了解和优化不同地区的生态系统服务有重要意义。     

Estimation of areal precipitation in the Qilian Mountains based on a gridded dataset since 1961

Based on a 0.5°×0.5° daily gridded precipitation dataset and observations in meteorological stations released by the National Meteorological Information Center, the interannual variation of areal precipitation in the Qilian Mountains during 1961-2012 is investigated using principal component analysis (PCA) and regression analysis, and the relationship between areal precipitation and drought accumulation intensity is also analyzed. The results indicate that the spatial distribution of precipitation in the Qilian Mountains can be well reflected by the gridded dataset. The gridded data-based precipitation in mountainous region is generally larger than that in plain region, and the eastern section of the mountain range usually has more precipitation than the western section. The annual mean areal precipitation in the Qilian Mountains is 724.9×10⁸ m³, and the seasonal means in spring, summer, autumn and winter are 118.9×10⁸ m³, 469.4×10⁸ m³, 122.5×10⁸ m³ and 14.1×10⁸ m³, respectively. Summer is a season with the largest areal precipitation among the four seasons, and the proportion in summer is approximately 64.76%. The areal precipitation in summer, autumn and winter shows increasing trends, but a decreasing trend is seen in spring. Among the four seasons, summer have the largest trend magnitude of 1.7×10⁸ m³×a^-1. The correlation between areal precipitation in the mountainous region and dry-wet conditions in the mountains and the surroundings can be well exhibited. There is a negative correlation between drought accumulation intensity and the larger areal precipitation is consistent with the weaker drought intensity for this region.     

基于分布式感知深度神经网络的高分辨率PM2.5值估算

细颗粒物（PM_2.5）个体暴露水平是健康效应研究中的关键问题,然而历史数据缺失和地面监测点覆盖范围小阻碍了相关研究。基于美国国家航空航天局遥感数据提供的气溶胶光学厚度（AOD）,融合地面监测、气象等多源数据进行建模来估算近地面PM_2.5浓度,所得结果的空间覆盖范围广、时间连续性强、方法成本低。本文基于2018年京津冀鲁地区,引入气象、NDVI、时间节点、空间标识等50个特征分析AOD-PM_2.5关系。鉴于传统插补方法单一所造成的信息损失,运用时空多视图插补方法来提高插补的精度和广度。考虑到特征的滞后作用、特征间相关性与偏相关性所导致的复杂关系,运用分布式感知深度神经网络模型来分别捕捉多源特征间的高阶特性。结果表明：① 时空多视图插补方法的相对误差为27.5%,数据平均缺失52.1%降至4.84%。② 分布式感知深度神经网络模型在时间预测上平均绝对误差、相对误差、均方误差、均方根误差分别为17.7 μg/m ³、46.8%、766.2 μg ²/m ⁶、26.9 μg/m ³,空间上,为16.6 μg/m ³、41.8%、691.5 μg ²/m ⁶、26.6 μg/m ³,从精度、稳健性、泛化能力和耗时方面综合来看,结果优于线性统计模型和常见深度学习架构。