基于机器学习模型的沙漠腹地地下水含盐量变化过程及模拟研究

为了研究塔克拉玛干沙漠腹地的地下水盐分变化规律,模拟地下水盐分变化过程,评价适合该区域的地下水变化规律的模型。通过对研究区蒸发量、降水量、气温、气压、地下水位、地下水电导率数据的统计分析,揭示了地下水含盐量及其影响因素的特征;使用GP模型、GPLVM模型和BP人工神经网络模型以及综合模型,模拟了气候变化和人类活动双重影响下的地下水含盐量变化过程,并评价了模型的模拟结果。研究结果表明:(1)研究区地下水流动系统主要受气候变化和人类活动的影响,地下水位在局部地区随开采过程呈现波动变化。地下水位变化过程与气压的变化规律相一致;而气温和蒸发量的季节变化规律相一致。地下水盐分含量呈上升趋势。(2)GP模型对于地下水含盐量的预测效果最好;GPLVM模型对于已知地下水含盐量条件下,与其他环境因素进行多元回归分析的拟合效果最好。而GP、GPLVM和BP人工神经网络模型的综合模型,对于包括模型训练和模型预测的全体数据集的拟合和预测效果最好。     

海南岛生态环境质量时空变化及其对气候变化与人类活动的响应

海南岛是气候变化敏感区以及生态环境脆弱区。近几十年气候变化和人类活动深刻地影响着海南岛的生态环境质量。然而,针对海南生态环境质量时空演变及其对气候变化与人类活动响应的规律还不清晰,理解这些规律对实现海南岛可持续发展目标具有重要意义。基于多源遥感数据,利用改进的遥感生态环境指数(MRSEI)探究了海南岛1992—2015年生态环境质量时空变化特征以及其对气候变化以及人类活动的响应,并利用像元尺度的多元回归法对比了气候变化与人类活动对生态环境质量变化的贡献。结果表明：(1)MRSEI指数适用于大区域,可用于本研究中的海南岛生态环境质量评价;(2)近24年,海南岛生态环境质量呈现波动上升的趋势,且在所有土地利用类型中,林地的MRSEI最高,多年平均值达到0.812;(3)MRSEI与气温、降雨呈现出显著正相关关系,与以夜间灯光表征的人类活动在沿海以及各市县的主城区呈现显著负相关关系;(4)气候变化在MRSEI演变中的贡献整体要高于人类活动影响。为海南中国特色自由贸易港建设中生态环境与经济社会协同发展研判提供科学的定量支撑,并为制定相应的政策提供依据。     

黄土高原流域水沙变化研究进展

人类活动和气候变化是影响流域水文过程的两大驱动因素,径流输沙是流域水文过程的总体反映,变化环境下径流输沙的变化规律与成因分析是水文学和全球变化研究的热点问题。黄土高原是我国水土流失最严重的地区。20世纪50年代以来,黄土高原地区开展了大规模的生态环境建设和水土流失综合治理,显著改变了流域土地利用和植被覆盖。下垫面条件改变与气候变化综合作用,使得流域水沙情势发生剧变。围绕黄土高原流域水沙变化的时空尺度特征与驱动机制,总结了径流输沙和水沙关系变化特征的研究结果,归纳了径流输沙变化的归因分析方法与人类活动和气候变化影响的贡献分割结果,探讨了气候变化、植被恢复、水土保持工程措施以及流域景观格局对水沙变化的影响机制。未来应加强流域水沙演变的时空尺度特征特别是水沙关系非线性特征的定量研究,阐明极端事件对水沙动态的影响与贡献;开展水沙变化影响机制的多要素综合解析,发展耦合地表覆被动态特征和气候变化的降雨-径流-输沙模型,揭示生态恢复与水沙演变过程互馈机制;开展未来气候变化、社会经济发展和生态建设工程情景下水沙动态的趋势预测,为黄土高原生态综合治理和水资源管理与黄河水沙调控提供策略建议。     

内蒙古草原巴拉格尔河流域不同水体转化特征及环境驱动因素

内蒙古高原草原流域是我国内陆重要的生态屏障,水资源演化对该区域社会经济发展和生态环境保护具有重要意义。本研究选取巴拉格尔河流域为对象,于2018—2019年丰、枯水期采集降水、河水、浅层地下水共254份水样,测定其物理化学指标、δD和δ¹⁸O,运用同位素技术、数理统计和反距离权重法分析不同水体中稳定同位素的组成关系、时空变化及其影响因子,并结合氘盈余(d-excess)及同位素混合比公式,揭示不同水体的转换关系,识别其演化的环境驱动因素。结果表明: 研究期间,大气降水、河水、浅层地下水呈现δD、δ¹⁸O丰水期高、枯水期低的特征;草原流域不同水体时空转化的主要环境驱动因素为温度、海拔和地下水埋深,地下水δD、δ¹⁸O、河水δD与海拔均呈显著负相关;浅层地下水埋深小于10 m时,δD、δ¹⁸O变化大,大于10 m时则趋于稳定;大气降水的δ¹⁸O与气温呈正相关;丰水期氘盈余值高于枯水期,分布特征存在局部高值,流域自南向北呈减小趋势;丰水期降水对上游河水的补给率超过50%,河水对地下水的补给均在50%以上,在不同河段地表水与地下水的补排关系不同。     

疏勒河流域气候变化和人类活动对植被NPP的相对影响评价

气候变化和人类活动是对陆地生态系统碳循环产生重要影响的两个因素,定量评估气候变化与人类活动对植被净初级生产力(NPP)的相对影响,对深入理解其驱动机制和控制荒漠化发展具有重要意义。以疏勒河流域为研究区,利用遥感和气象数据计算潜在NPP(PNPP)及其与实际NPP(ANPP)之间的差值,分别衡量了气候变化和人类活动对流域NPP的相对影响。研究结果表明:(1)2001—2015年疏勒河流域年ANPP整体呈缓慢增加趋势,与全国和西北地区相比,普遍较低,流域植被整体生产力水平不高。流域年ANPP空间分布呈现上游祁连山区和中下游绿洲区ANPP较高,而中下游荒漠戈壁区ANPP较低的分布格局。(2)2001—2015年流域年PNPP的变化趋势表明,降水量的变化是导致疏勒河流域植被退化加剧或缓解的主要气候驱动因素,但气温的变化对植被的影响较为复杂。(3)2001—2015年流域大部分地区植被退化系人类活动造成的,但人类活动的负向影响力在减弱。(4)气候变化和人类活动对植被NPP的相对影响均表现出明显的空间异质性,其中人类活动是疏勒河流域植被变化的主要驱动因素。     

气候变化与人类活动对青藏高原湿地的影响研究进展

青藏高原是中国湿地分布最多的区域,其独特的高寒湿地对区域生态环境安全有着不可或缺的作用。梳理了青藏高原湿地变化的时空特征,基于此,重点分析了气候变化与人类活动对不同类型湿地的影响和作用机制。研究发现：(1)主导不同类型湿地变化的气候因素有差异,影响存在区域异质性。湖泊湿地主要受降水量影响,湖泊湿地在北部扩张、南部缩小的趋势与降水量的空间差异存在较强的一致性;沼泽湿地主要受气温影响,气温升高导致水分蒸发、植被群落演替,沼泽湿地向草地转化,江河源区和若尔盖高原等主要分布区域呈现退化趋势;河流湿地主要受气温影响,气温升高加速河源冰川消融、同时也增大河流蒸散发量,共同作用下河流湿地呈现北部减少、南部增加的趋势。(2)过度放牧、泥炭开采、水利建设等是影响湿地变化的主要人类活动。若尔盖高原同时存在过度放牧、泥炭开采和沟渠建设多重人类活动影响,当地沼泽湿地退化明显;柴达木盆地的人工湿地由于盐业开采迅速扩张。(3)当前研究存在数据可对比性不足、大区域尺度和野外定点持续监测数据缺乏等问题,导致对气候变化与人类活动影响机制研究不够深入。未来应加强高寒湿地定期监测与风险评估,完善高寒湿地生态系统与环境变化和...     

近30年来青藏高原高寒草地NDVI动态变化对自然及人为因子的响应

草地生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，在调节气候、水土保持、防风固沙、保护生物多样性等方面发挥着重要作用。青藏高原是全球海拔最高的独特地域单元，平均海拔超过4000 m，素有“世界第三极”之称，亦是我国重要的生态安全屏障，其对气候变化敏感且易受人类活动的影响，属于气候变化敏感区和生态脆弱带。近年来，由于气候变化和人类活动的不断加剧，青藏高原区域气候和环境发生了重大变化，气候变暖、水污染、草地退化和沙化等问题已严重阻碍了当地社会经济的可持续发展。高寒草地是青藏高原主要的植被类型，在气候变化和人类活动加剧的背景下，青藏高原高寒草地植被的动态变化受到人们的广泛关注。归一化植被指数（Normalized difference vegetation index, NDVI）因能有效地反映植被覆盖程度和生长状况而被广泛应用于植被动态的研究中。气温与降水被认为是影响青藏高原植被动态的主要气候因子，放牧强度与人口数量则是主要人为因子。因此，研究高寒草地植被对气候变化和人类活动的响应机制对预测未来草地变化有着重要的意义。基于青藏高原生长季草地的NDVI、气温、降水、放牧强度及人口数量等数据，在县区尺度上，采用趋势分析法探究了1982—2013年青藏高原143个县区生长季草地NDVI动态变化、气候变化及人类活动的变化，同时采用面板数据模型分析了32年来青藏高原143个县区气候、人为因子变化对草地NDVI变化的相对贡献。研究结果显示：（1）青藏高原高寒草地生长季NDVI总体呈增长趋势，草地植被生长状态呈现“整体改善、局部退化”趋势；（2）青藏高原生长季平均气温与降水量整体增加，气候呈现“暖湿化”趋势；（3）在长时间尺度上，气候因子主导了青藏高原高寒草地NDVI的变化，降雨和气温的增加促进草地NDVI的增加，放牧强度的持续增加则导致草地NDVI的减少。     

我国三北地区植被变化的动因分析

地表植被变化是气候变化、人类活动等多种因素共同作的结果。然而,以往的研究要么集中在与气候变化有关的气象因素,要么集中在与人类活动有关的人为因素,鲜有基于长期数据监测下对自然与社会因素之间相互作用的定量评估。因此,气候变化和人为因素对地表植被变化的相互作用并不明确,各个因素对植被变化影响的量化贡献仍然不确定。为了评价生态修复项目对荒漠化防治的效果、以及在土地荒漠化防治中自然与社会因素对我国植被变化的影响、及其复杂的相互作用机理,该研究应用卫星遥感影像资料,通过面板数据混合回归模型大数据分析方法,计算了1983年至2012年气候变化和人类活动对我国北方地区植被变化的贡献率。结果表明,气候变化和人类活动对NDVI变化均有重要作用,其中人类活动对植被覆盖度变化的影响占58.2%—90.4%、气候变化占9.6%—41.8%;不同地区表现出不同的地理分异特征,并存在时滞效应。由此可见,荒漠化防治必须充分考虑不同因素的综合作用和地域特征,才能取得事半功倍的效果。研究结果较好地体现了卫星遥感影像资料在大尺度(省域尺度)下与社会经济统计指标的融合,为进一步中尺度(县域尺度)研究提供了方法借鉴。     

全球气候变化对农业生态系统的影响研究进展

全球大气中CO2浓度升高、气温升高及降水量的变化等是全球气候变化对农业生产和农业生态系统影响最为重要的几个生态因子,其影响主要表现在对农作物产量、生长发育、病虫害、农业水资源及农业生态系统结构和功能等方面.在过去的几十年,全球气候变化已对我国农业和农业生态系统,特别是我国北方旱区农业造成重大影响,其中不少影响是负面的或不利的.本文综述了全球气候变化对农业水资源、农田土壤养分变化、农作物生长发育、农作物病虫害与杂草、粮食安全及农业生态系统的结构和功能等方面的影响.针对21世纪全球气候变化对我国农业生产和农业生态系统带来的挑战,探讨了今后研究的重点和难点问题.     

青藏高原东北部5000年来气候变化与若尔盖湿地历史生态学研究进展

全球变化背景下古气候学的研究越来越受到关注。利用多年来的文献记载和自然证据,对青藏高原东北部气候变化进行重建。并以若尔盖湿地为例,梳理了区域5000 a来气候变化对湿地植被类型、泥炭沼泽发育和文化发展产生的影响,探讨了气候变化、文化发展、沼泽发育三者之间可能具有的相互关系。指出青藏高原东北部5000—3000 a B.P.之间气候较为暖湿,其平均温度要高出现在2℃左右;3000 a B.P.至今为气候干冷期,其中1000 a B.P.左右是过去5000 a中最寒冷时期,近1000 a来气温呈缓慢回升趋势。区域的气候变化决定了植被类型,对泥炭沼泽的形成和发育发挥了重要作用,对文明进程的影响主要体现在气候变化通过影响沼泽的演替,从而改变人类活动的范围与早期文明的形成,同时人类的过度活动也在一定程度上影响了沼泽的分布格局及动态。但气候变化、沼泽发育和文化发展三者之间的关系有赖于多因素耦合,其具体机理有待更深入的研究。     

Impact of the 1998 El Niño event on a Lake Charr, Salvelinus Namaycush, Population Recovering from Acidification

This study provides a case history of the impact of the 1998 El Ni no event on a lake charr population in a shallow (maximum depth = 13m) lake in the southern boreal shield ecozone of Ontario. The lake lost its native charr population by acidification from air-borne pollutants in the 1950–1960s. A naturally reproducing population was re-established through hatchery stocking after the water quality improved in the 1980s. The warm years triggered by the El Ni no event exposed fish to bottom water temperatures of 20°C for several weeks and resulted in the loss of all hatchery-reared juveniles that were released in 1998. A few adults survived the warm years by making use of cold water refuge areas (groundwater seepage). This study shows how climate change can eliminate charr populations at the margins of their range. It also illustrates the potential confounding effects of climate warming on aquatic ecosystems already subject to other stressors.     

The combined effects of a long‐term experimental drought and an extreme drought on the use of plant‐water sources in a Mediterranean forest

Vegetation in water‐limited ecosystems relies strongly on access to deep water reserves to withstand dry periods. Most of these ecosystems have shallow soils over deep groundwater reserves. Understanding the functioning and functional plasticity of species‐specific root systems and the patterns of or differences in the use of water sources under more frequent or intense droughts is therefore necessary to properly predict the responses of seasonally dry ecosystems to future climate. We used stable isotopes to investigate the seasonal patterns of water uptake by a sclerophyll forest on sloped terrain with shallow soils. We assessed the effect of a long‐term experimental drought (12 years) and the added impact of an extreme natural drought that produced widespread tree mortality and crown defoliation. The dominant species, Quercus ilex, Arbutus unedo and Phillyrea latifolia, all have dimorphic root systems enabling them to access different water sources in space and time. The plants extracted water mainly from the soil in the cold and wet seasons but increased their use of groundwater during the summer drought. Interestingly, the plants subjected to the long‐term experimental drought shifted water uptake toward deeper (10–35 cm) soil layers during the wet season and reduced groundwater uptake in summer, indicating plasticity in the functional distribution of fine roots that dampened the effect of our experimental drought over the long term. An extreme drought in 2011, however, further reduced the contribution of deep soil layers and groundwater to transpiration, which resulted in greater crown defoliation in the drought‐affected plants. This study suggests that extreme droughts aggravate moderate but persistent drier conditions (simulated by our manipulation) and may lead to the depletion of water from groundwater reservoirs and weathered bedrock, threatening the preservation of these Mediterranean ecosystems in their current structures and compositions.     

干旱半干旱区地下水埋深对沙地植物土壤系统演变的驱动作用综述

在干旱半干旱生态脆弱区,地下水是限制植物种类组成、数量和生长发育的关键因素之一。近年来由于气候变化与土地利用强度的增加,我国北方普遍出现以极端气候变化、地表水体萎缩和地下水位下降为特征的生态过程,对区域生态系统安全和可持续发展构成严重威胁。而有关干旱半干旱区地下水埋深变化驱动退化植被恢复和稳定性维持方面的系统研究尚存不足。系统总结了地下水埋深变化分别对植物、土壤产生的影响及其三者间相互作用关系,比较分析了前人的研究成果,归纳总结了地下水埋深变化的驱动作用和影响因素,以及干旱半干旱区地下水埋深变化对植物土壤系统影响的预测模型研究,以期为今后应对地下水埋深变化制定生态保护策略提供理论指导依据。对本研究做了展望。     

沙丘多枝柽柳灌丛根层土壤含水量变化特征与根系水力提升证据

分析干旱区深根型荒漠植物的根层土壤水分是揭示荒漠植物与土壤水分关系机理的重要方面。在黑河中游一片风沙侵蚀区域的多枝柽柳(Tamarix ramosissima)人工林地中, 对表层0.3 m到3 m深的土壤不同深度的含水量进行了连续的动态观测。结果显示, 多枝柽柳根系层土壤含水量可以分为明显不同的3层: 浅层(0.2-1.7 m深)相对湿润层、中间(1.7-2.7 m深)相对干层和深层(2.7 m以下)有效含水层。在多枝柽柳生长盛期, 浅层相对湿润层土壤含水量呈现明显的昼夜变化特征, 同时, 在晚上植物根系与浅层土壤之间存在正水势梯度, 这说明存在根系水力提升现象。水力提升是干旱气候下根层浅层土壤含水量保持相对湿润的主要原因, 并因此维系浅层根系的发育, 也为多枝柽柳具备的防风固沙功能提供了可能的解释。据初步估算, 多枝柽柳根系水力提升占每天耗水量的5%-8%, 耗水的主要水分来源仍然是充足的土壤深层有效含水层。     

Observation of irrigation‐induced climate change in the Midwest United States

Irrigated agriculture alters near‐surface temperature and humidity, which may mask global climate change at the regional scale. However, observational studies of irrigation‐induced climate change are lacking in temperate, humid regions throughout North America and Europe. Despite unknown climate impacts, irrigated agriculture is expanding in the Midwest United States, where unconfined aquifers provide groundwater to support crop production on coarse soils. This is the first study in the Midwest United States to observe and quantify differences in regional climate associated with irrigated agricultural conversion from forests and rainfed agriculture. To this end, we established a 60 km transect consisting of 28 stations across varying land uses and monitored surface air temperature and relative humidity for 31 months in the Wisconsin Central Sands region. We used a novel approach to quantify irrigated land use in both space and time with a database containing monthly groundwater withdrawal estimates by parcel for the state of Wisconsin. Irrigated agriculture decreased maximum temperatures and increased minimum temperatures, thus shrinking the diurnal temperature range (DTR) by an average of 3°C. Irrigated agriculture also decreased the vapor pressure deficit (VPD) by an average of 0.10 kPa. Irrigated agriculture significantly decreased evaporative demand for 25% and 66% of study days compared to rainfed agriculture and forest, respectively. Differences in VPD across the land‐use gradient were highest (0.21 kPa) during the peak of the growing season, while differences in DTR were comparable year‐round. Interannual variability in temperature had greater impacts on differences in DTR and VPD across the land‐use gradient than interannual variability in precipitation. These regional climate changes must be considered together with increased greenhouse gas emissions, changes to groundwater quality, and surface water degradation when evaluating the costs and benefits of groundwater‐sourced irrigation expansion in the Midwest United States and similar regions around the world.     

Vegetation of groundwater discharge sites in the Douro basin,central Spain

Abstract. The chemical composition of the groundwater and the distribution of phreatophytic vegetation in a relatively homogeneous aquifer in the Douro basin appear to depend primarily on groundwater flow patterns within the aquifer. The concentration of major ions in the water is correlated with flow path length, which indicates that the chemical composition of the groundwater changes with the ageing of the water. The distribution of phreatophytic plant species is closely related to both the chemical composition of groundwater discharging in seepage areas, and length of the groundwater flow path. Factors such as heterogeneity in lithology, human influences and local climate are of secondary importance.     

Peat characteristics and groundwater geochemistry of calcareous fens in the Minnesota River Basin, U.S.A.

Calcareous fens in Minnesota are spring-seepage peatlands with adistinctive flora of rare calciphilic species. Peat characteristics andgroundwater geochemistry were determined for six calcareous fens in theMinnesota River Basin to better understand the physical structure andchemical processes associated with stands of rare vegetation. Onset of peataccumulation in three of the fens ranged from about 4,700 to 11,000 ¹⁴C yrs BP and probably resulted from acombination of climate change and local hydrogeologic conditions. Most peatcores had a carbonate-bearing surface zone with greater than 10%carbonates (average 27%, dry wt basis), an underlyingcarbonate-depleted zone with 10% or less carbonates (average4%), and a carbonate-bearing lower zone again with greater than10% carbonates (average 42%). This carbonate zonation washypothesized to result from the effect of water-table level on carbonateequilibria: carbonate precipitation occurs when the water table is above acritical level, and carbonate dissolution occurs when the water table islower. Other processes that changed the major ion concentrations inupwelling groundwater include dilution by rain water, sulfate reduction orsulfide oxidation, and ion adsorption or exchange. Geochemical modelingindicated that average shallow water in the calcareous fens during the studyperiod was groundwater mixed with about 6 to 13% rain water.Carbonate precipitation in the surface zone of calcareous fens could bedecreased by a number of human activities, especially those that lower thewater table. Such changes in shallow water geochemistry could alter thegrowing conditions that apparently sustain rare fen vegetation.     

Climate drivers of diatom distribution in shallow subarctic lakes

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降雨对高寒沙地不同林龄中间锦鸡儿水分利用特征的影响

为明确不同林龄中间锦鸡儿水分来源对降雨的响应,利用稳定同位素技术测定青海共和盆地不同林龄的中间锦鸡儿(4 a、9 a、17 a和31 a)在降雨前后土壤水、木质部水、地下水和雨水的δ²H、δ¹⁸O组成,运用Iso-Source模型计算植物对各潜在水源的利用比例。结果表明: 各林龄中间锦鸡儿的浅层(0～40 cm)土壤水δ²H、δ¹⁸O组成对降雨的响应最明显;降雨前后各林龄中间锦鸡儿的木质部水、土壤水分和地下水同位素值均位于当地大气降水线(LMWL)的右下侧,其截距和斜率均小于LMWL和全球大气降水线(GMWL),且降雨后中间锦鸡儿的木质部水和土壤水的同位素组成更趋近LMWL;降雨前,4 a和9 a中间锦鸡儿主要利用浅层土壤水,17 a中间锦鸡儿主要利用中层(40～90 cm)土壤水,31 a中间锦鸡儿主要利用深层土壤水;降雨后,各林龄中间锦鸡儿的吸水层位均为降雨补充的浅层土壤水;各林龄对地下水的利用率仅有1.8%～11.9%。说明不同林龄中间锦鸡儿的水分来源对降雨的响应方式相同,均优先利用降雨补充的浅层土壤水,对地下水的利用减少。     

Global pollution of surface waters from point and nonpoint sources of nitrogen

Global 0.5- by 0.5-degree resolution estimates are presented on the fate of nitrogen (N) stemming from point and nonpoint sources, including plant uptake, denitrification, leaching from the rooting zone, rapid flow through shallow groundwater, and slow flow through deep groundwater to riverine systems. Historical N inputs are used to describe the N flows in groundwater. For nonpoint N sources (agricultural and natural ecosystems), calculations are based on local hydrology, climate, geology, soils, climate and land use combined with data for 1995 on crop production, N inputs from N fertilizers and animal manure, and estimates for ammonia emissions, biological N fixation, and N deposition. For point sources, our estimates are based on population densities and human N emissions, sanitation, and treatment. The results provide a first insight into the magnitude of the N losses from soil-plant systems and point sources in various parts of the world, and the fate of N during transport in atmosphere, groundwater, and surface water. The contribution to the river N load by anthropogenic N pollution is dominant in many river basins in Europe, Asia, and North Africa. Our model results explain much of the variation in measured N export from different world river basins.