荒漠草原脉动性降水格局及其时空变化特征——以达尔罕茂明安联合旗为例

全球变化背景下,荒漠草原降水格局受到不同程度扰动,识别荒漠草原变化环境下脉动性降水格局及其时空变化特征具有重要生态学和水文学意义。利用达尔罕茂明安联合旗位于不同雨量带的3个气象站1960—2013年日降水数据,分析荒漠草原地区降水格局及其时空变化特征。研究表明,研究区0—5 mm、5—10 mm和大于10mm降水事件及降水量所占的比例分别为77%—80.9%、11.5%—12.2%、7.6%—10.9%和25.2%—32.2%、21.9%—25.4%、42.4%—52.9%。不同等级降水事件日均降水量分别为1.2—1.3 mm/d、7.0—7.1 mm/d、17.8—19.2 mm/d。研究区降水量较降水日数具有更强的时空变异性,全年和生长季降水日数和降水量主周期在2.84—4.5a左右。研究区不同雨量带不同降水等级降水日数和降水量普遍呈增加趋势,尤以0—5mm小降水事件的增加为主。     

内蒙古不同类型草原光合植被覆盖度对降水变化的响应

植被是影响土壤侵蚀过程的重要因素。论文基于MODIS遥感数据和同期降水数据,用相关和回归分析方法从不同时间尺度揭示了内蒙古草甸草原、典型草原和荒漠草原2002—2016年光合植被覆盖度(Fractional Photosynthetic Vegetation,f_(PV))的变化规律及其对降水变化的响应。结果表明:(1)2002—2016年间多年平均f_(PV)草甸草原为46.5%,典型草原和荒漠草原分别为36.3%和22.4%;草甸草原f_(PV)随时间变化呈不显著增长趋势(线性变化斜率为0.29%/a),典型草原和荒漠草原f_(PV)呈不显著下降趋势(线性变化斜率分别为-0.04%/a和-0.21%/a);相应时期年降水量随时间变化都呈现不显著波动上升趋势。(2)内蒙古草原的月植被覆盖度对月降水量存在明显的1—2个月滞后效应和显著的累积效应,且表现出草原类型越干旱,滞后效应越明显的特征;相比草甸草原和典型草原,荒漠草原植被对降水量变化更加敏感。(3)内蒙古3类草原年平均植被覆盖度对降水量的响应,均表现出年、季、月尺度上分别受当年降水量、生长季降水量以及6、7、8月份降水量的显著影响的特征;3类草原年植被覆盖度与生长季降水线性拟合结果都较好,内蒙古3种草原类型的年植被覆盖度与降水量具有的强相关性,可为区域土壤侵蚀动态评价提供科学依据。     

气候变化背景下中国农业气候资源变化Ⅵ.黑龙江省三江平原地区降水资源变化特征及其对春玉米生产的可能影响

利用黑龙江省三江平原地区1959-2007年降水资料和1983-2007年春玉米生育期资料,采用百分位法确定了各站点的极端降水阈值,结合极端降水频次、强度、最长连续(无)降水日数、极端降水贡献率等指标,分析了三江平原地区极端降水的年际间变化特征、不同等级的降水量变化以及春玉米各生育阶段极端降水的分配特征.结果表明:1959-2007年间,研究区域年降水量呈略微减少趋势,且年降水日数的减幅远大于降水量,年内降水量分布更趋于集中;极端降水频次和强度均呈减少趋势,极端降水频次的年际间波动大于极端降水强度;年极端降水量占全年降水量的比例略有减少,减少趋势不显著;年小雨日数极显著减少,而年中雨日数和年内大到暴雨日数的减少趋势不显著.三江平原地区春玉米各生育阶段的极端降水分配比例由高到低依次为生殖生长阶段、营养生长与生殖生长并存阶段、营养生长阶段和出苗前;春玉米生长季内降水量占年降水量的比例显著减少,导致春玉米生长季缺水的风险加大;春玉米生长季内最长连续无降水日数呈极显著增加趋势,增幅达1.1 d·(10 a)-1,而最长连续降水日数却呈极显著下降趋势,减幅为0.5 d·(10 a)-1,说明研究区自然降水条件下春玉米生长季干旱风险有所加大.     

东北地区植被物候对气候变化的响应

使用1982—2003年GIMMS-NDVI数据和气候数据,借助GIS空间分析和统计分析方法,分析了东北地区不同植被物候期与气候变化的关系。结果表明:22年东北地区年均温度以升高趋势为主,年降水量以减少趋势为主;针叶林、针阔叶混交林、阔叶林、草甸和沼泽植被生长季开始日期提前受春季温度升高影响显著(P<0.05)。春季降水对植被生长季开始日期变化影响较小,仅对针叶林生长季开始日期的推迟有显著的影响(P<0.05)。植被生长季结束日期受温度变化影响较小,仅草原植被生长季结束日期提前受秋季温度降低影响显著(P<0.05)。降水对东北地区植被生长季结束日期的变化影响高于温度。随着秋季降水量的减少,针阔叶混交林、草原和农田植被生长季结束日提前(P<0.05)。草丛生长季结束日期提前受夏季降水减少的影响显著(P<0.05);农田生长季结束日期提前亦受夏季和9月降水量减少的显著影响(P<0.05)。阔叶林和沼泽植被生长季延长受春季温度升高影响显著(P<0.05);灌丛植被生长季缩短受春季降水量减少影响显著(P<0.05);草丛和农田植被生长季延长受夏季降水量增加影响显著(P<0.05)。     

温度植被干旱指数在蒙古高原干旱监测中的应用

以蒙古高原为研究区,选择2000—2019年植物生长季的MODIS归一化植被指数(NDVI)和陆地表面温度(LST)构建NDVI-LST特征空间,由该特征空间计算蒙古高原温度植被干旱指数(TVDI);利用Theil-Sen Median趋势分析、Mann-Kendall检验及Hurst指数方法分析蒙古高原TVDI的时空变化特征和未来的变化趋势,利用偏相关分析法探究气象因子与蒙古高原TVDI之间的关系。结果表明: 2000—2019年,蒙古高原TVDI以0.0001·a^-1呈增大趋势,期间,蒙古高原的干旱情况小幅加重,其中,草甸草原和典型草原干旱情况逐渐减轻,而荒漠草原和高山草地干旱情况加重。蒙古高原TVDI的Hurst指数均值为0.45,小于0.5的地区面积占比为71.5%,说明大部分地区2000—2019年的TVDI变化趋势与过去相反。中部的荒漠草原地区和东部的草甸草原地区未来干旱情况可能加重;典型草原的大部分地区以及内蒙古境内的荒漠草原未来干旱可能减轻;高山草地地区的干旱变化无法确定。蒙古高原有33.6%的地区TVDI与气温呈显著正相关,34.8%的地区TVDI与降水量呈显著负相关,其中,典型草原受气象因子的影响最显著。     

气候变化背景下中国农业气候资源变化Ⅵ. 黑龙江省三江平原地区降水资源变化特征及其对春玉米生产的可能影响

利用黑龙江省三江平原地区1959—2007年降水资料和1983—2007年春玉米生育期资料,采用百分位法确定了各站点的极端降水阈值,结合极端降水频次、强度、最长连续（无）降水日数、极端降水贡献率等指标,分析了三江平原地区极端降水的年际间变化特征、不同等级的降水量变化以及春玉米各生育阶段极端降水的分配特征.结果表明：1959—2007年间,研究区域年降水量呈略微减少趋势,且年降水日数的减幅远大于降水量,年内降水量分布更趋于集中;极端降水频次和强度均呈减少趋势,极端降水频次的年际间波动大于极端降水强度;年极端降水量占全年降水量的比例略有减少,减少趋势不显著;年小雨日数极显著减少,而年中雨日数和年内大到暴雨日数的减少趋势不显著.三江平原地区春玉米各生育阶段的极端降水分配比例由高到低依次为生殖生长阶段、营养生长与生殖生长并存阶段、营养生长阶段和出苗前;春玉米生长季内降水量占年降水量的比例显著减少,导致春玉米生长季缺水的风险加大;春玉米生长季内最长连续无降水日数呈极显著增加趋势,增幅达1.1 d·(10 a) ^-1,而最长连续降水日数却呈极显著下降趋势,减幅为0.5 d·(10 a)^-1,说明研究区自然降水条件下春玉米生长季干旱风险有所加大.     

内蒙古温带荒漠草原能量平衡特征及其驱动因子

基于内蒙古苏尼特左旗温带荒漠草原生态系统观测站2008年全年的涡度相关观测与相应的生物、环境观测资料,对生态系统能量平衡特征及其驱动因子分析表明:能量平衡各分量(净辐射,Rn;感热通量,H;潜热通量,LE;土壤热通量,G)呈单峰型日动态,白天大部分时间H/RnG/RnLE/Rn;夜间G/Rn占主导;全天LE/Rn相对较小,即使在植物生长盛期。较低的LE/Rn可能与荒漠草原气候干旱及植被分布稀少有关。日Rn受天气变化的影响,特别是在雨季,Rn日间差异较大,呈现锯齿状波动。能量平衡各分量季节变化明显,Rn、H、LE和G最大月分别为7、5、6月份和6月份。全年H是Rn的主要能量支出项(58%);LE其次(26%),年蒸散量(190.3mm)大于年降水量(136.3mm),与多年平均降水量接近(183.9mm),其中最大日蒸散率3.8mm/d;G所占比例较小(1%),全年基本保持平衡。然而G白天吸收能量,夜间释放能量;夏季储存能量,冬季释放能量的特点,在能量平衡中存在类似"能量缓存"的作用,不能被忽略。降水过程显著影响内蒙古温带荒漠草原水热交换。降水后较降水前LE峰值明显增大,而H峰值降低。日蒸散率峰值多数与降水事件有关。而且,生长季日蒸散率波动与降水引起的SWC变化趋势一致。生长季潜热分配(LE/Rn)主要受到土壤含水量(SWC)、饱和水汽压差(VPD)及叶面积指数(LAI)共同影响。LE/Rn随SWC增大呈增加趋势,LE/Rn随VPD增大而降低,LE/Rn随LAI增大呈二次曲线变化。其中LAI为0.2m2/m2是一个阈值,当LAI0.2m2/m2,SWC是LE/Rn主要驱动因子;当LAI0.2m2/m2,SWC和LAI共同驱动LE/Rn。应用退耦因子(Ω)评价了荒漠草原与大气之间水汽交换的耦合状况。与其他草原类型相比,本研究区退耦因子(Ω)相对较低(生长季平均0.15)。生长盛期Ω相对较高,Rn是LE的主导因子;而生长前期和后期Ω相对较低,VPD是LE的主要控制因子。     

降水时间对内蒙古温带草原地上净初级生产力的影响

全球气候变化下降水时间的改变将深刻影响草原生态系统地上净初级生产力(ANPP),而草原生态系统ANPP是区域碳循环的重要过程.利用1998-2007年的SPOT-VEG NDVI数据并结合111个样点的ANPP地面样方调查数据,获得了内蒙古温带草原1998-2007年的ANPP区域数据,依此分析了中国内蒙古温带草原以及区域内的3种植被类型(荒漠草原、典型草原、草甸草原)降水时间对ANPP的影响.研究结果表明,对于整个内蒙古温带草原来说,一个水分年内(从上一年9月份到当年地上生物量达最大值时的8月份)影响ANPP较为重要的降水月份为2-7月份,其中,5-7月份降水尤为重要.具体到每个月降水的影响,研究发现,7月份降水最重要,而仍处于生长季的8月份降水相对于其他生长季降水作用最小;影响不同草地类型最重要的降水时期存在一定差异,对荒漠草原和典型草原地区来说,ANPP达最大值前3个月(5-7月份)的生长季降水最重要,而8月份降水影响较小,而草甸草原地区8月份和非生长季的3、4月份降水最重要,但各个降水时期降水对ANPP的影响都较荒漠草原和典型草原小,大部分地区降水对ANPP的影响不显著.     

中国西北部草地植被降水利用效率的时空格局

植被降水利用效率(PUE)是评价干旱、半干旱地区植被生产力对降水量时空动态响应特征的重要指标。利用光能利用率CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型估算了2001—2010年中国西北七省草地植被净初级生产力(NPP),结合降水量的空间插值数据,分析了近十年草地植被PUE的空间分布、主要植被类型的PUE,及其时空格局的驱动因素。结果表明:(1)2001—2010年西北七省草地植被的平均PUE为0.68 g C m~(-2)mm~(-1)。在温带草地各类型中,PUE的大小顺序为草甸草原灌丛典型草原荒漠草原荒漠,各类型草地PUE之间差异显著;对于高寒草地而言,高寒草原的PUE显著高于高寒草甸;(2)温带草地PUE的空间分布与年降水量的关系呈抛物线形状(R~2=0.65,P0.001),PUE峰值出现在年降水量P=472.9 mm的地区;荒漠地区植被PUE的空间分布与年降水量的关系同样呈抛物线形状(R~2=0.63,P0.001),PUE峰值出现在年降水量P=263.2mm的地区;对于高寒草地而言,年降水量100 mm以下地区植被PUE变异较大,年降水量大于100 mm的地区植被PUE的空间分布随降水量的变化呈抛物线形状(R~2=0.47,P0.001),PUE峰值出现在P=559.2 mm的地区;(3)不同降水量区域,植被PUE的年际波动与气候因子的关系也有较大差别。在年降水量为200—1000 mm的地区,草地PUE的年际波动与年降水量的变化呈正相关;在年降水量高于1050 mm的地区,草地PUE的年际波动与年均温的相关性较强,相关系数最高可达到0.4。     

天山北坡前山带降水分布型对荒漠植被的影响——基于逐日降水数据和NDVI分析

降水分布型对荒漠植被的影响规律的揭示是理解全球气候变化下干旱区地表植被覆盖变化过程的基础。基于新疆天山北坡前山带1999-2014年生长季MODIS 1B逐日遥感资料和7个气象站点降水观测数据,运用GIS软件提取出气象站点周围荒漠植被的归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index,NDVI）值,利用相关分析、决策树判识分析等方法,系统分析天山北坡前山带生长季荒漠植被NDVI在不同量级降水和降水型下的时空变化及其持续性等特征,并探究两者的相关程度。研究表明：生长季NDVI在不同时间、空间尺度上对降水存在一定规律的响应特征。从时间尺度来看,NDVI对降水的响应延迟现象随时间越来越不明显,两者相关性先增后减,在生长季中期相关性最强;空间尺度上,各区域差异较大,NDVI对降水的响应快慢与研究区各地的降水量大小明显相关。不同地区的年内NDVI变化趋势也不相同,18天以上的干期长度影响显著。无论研究区域中任一地区年均降水量大小,都一致表现出在生长季期间降水较多的时期,植被覆盖普遍出现为基本不变或轻微改善的趋势,相反在降水较少的时期,植被覆盖普遍出现轻微退化或基本不变（趋势斜率为负的极小值）的趋势。未来可以通过计算体现某地区植被覆盖变化趋势的值,来判断这一时期该地区大气的干湿程度。另外不同量级降水和降水分布型对NDVI变化影响明显,在生长季早、中期,降水量在6.1-12.0 mm时对荒漠植被的生长最为有利,NDVI增长幅度在0.15以上,并且对生长季早、中期植被生长最佳的降水分布型分别为B型降水（指连续两天出现降水且第一天的降水量大于第二天的降水量）和A型降水（指连续两天出现降水,第一天的降水量小于第二天的降水量）。揭示NDVI对降水的响应规律,可为干旱区、半干旱区合理生产灌溉、节约用水、生态恢复与重建等提供理论依据。     

内蒙古典型草原地上净初级生产力对气候变化响应的模拟

利用内蒙古锡林浩特国家气候观象台1994～2009年牧草生长季逐月实测资料,对CENTURY模型进行检验,模拟内蒙古典型草原1953～2010年间地上净初级生产力(ANPP)动态,并与26个气象因子进行相关性分析。模型检验结果显示,模拟值与观测值之间的相关系数为R2=0.66,斜率b=0.95,误差平方根值为50.51g.m-2,平均绝对百分比误差为44.19%。结果表明:(1)CENTURY模型能比较准确地模拟这类草原的季节动态和年际变化;在过去的58年中,内蒙古典型草原温度增加,降水减少,ANPP下降;ANPP变化趋势与降水量相似。(2)用实际气象观测资料模拟获得的ANPP随气温和降水的变化呈现出明显的变化规律,生长季内地上生物量对降水和温度的季节性分布也非常敏感;相关分析进一步表明,ANPP对生长季内降水量和极端高温非常敏感,而与年极端最低气温、平均地面温度、日照时数、平均风速和最大积雪深度无显著相关关系;过去58年研究区ANPP下降是降水减少、温度升高以及干旱事件频发共同作用的结果。(3)根据预测,在SRES B2情景下,未来50～100年内蒙古典型草原生长季平均最高气温和最低气温都将呈升高趋势,2080s分别升高4.01℃、4.35℃,每10年增加速率分别为0.35℃和0.38℃;降水量略呈增加,2020s、2050s和2080s研究区生长季将分别增加3.17%、5.13%和7.03%,每10年增加速率为0.09mm;ANPP呈下降趋势年际间波动较大,2020s、2050s和2080s研究区将分别下降5.76%、7.52%和11.42%,每10年下降速率为0.76g.m-2。     

2000—2015年青藏高原草地归一化植被指数对降水变化的响应

降水变化是造成青藏高原草地植被生长年际变异的重要因素,降水量、分配方式及发生时间是降水变化的重要特征.利用2000—2015年青藏高原及附近区域145个气象站点的降水资料,以年降水量表征降水整体状况,以改进的降水集度(PCI)表征年内降水的分配状况,以定义的降水重心(PC)表征降水的集中时期,分析青藏高原降水变化的时空特征;并进一步以归一化植被指数最大值(NDVI_max)表征植被生长状况,探讨了青藏高原草地对降水年际变化的响应.结果表明: 青藏高原年降水量和PCI存在明显的梯度特征,PC在西藏南部形成中心.青藏高原灌丛草地NDVI_max年际变化对PCI变化响应敏感,降水越均匀越有利于NDVI_max的增加,但受到降水量的限制;高寒草甸对降水特征没有表现出显著的相关关系;草原植被NDVI_max的年际变化同时受PCI和PC的控制;高寒荒漠植被NDVI_max的年际变化主要受降水量的控制.在研究降水变化对青藏高原不同类型植被的影响时,除降水量之外,还需进一步考虑降水的分配格局等特征.     

Precipitation Pattern Determines the Inter-annual Variation of Herbaceous Layer and Carbon Fluxes in a Phreatophyte-Dominated Desert Ecosystem

Arid and semi-arid ecosystems dominated by shrubby species are an important component in the global carbon cycle but are largely under-represented in studies of the effect of climate change on carbon flux. This study synthesizes data from long-term eddy covariance measurements and experiments to assess how changes in ecosystem composition, driven by precipitation patterns, affect inter-annual variability of carbon flux and their components in a halophyte desert community dominated by deep-rooted shrubs (phreatophytes, which depend on groundwater as their primary water source). Our results demonstrated that the carbon balance of this community responded strongly to precipitation variations. Both pre-growing season precipitation and growing season precipitation frequency significantly affected inter-annual variations in ecosystem carbon flux. Heavy pre-growing season precipitation (November–April, mostly as snow) increased annual net ecosystem carbon exchange, by facilitating the growth and carbon assimilation of shallow-rooted annual plants, which used spring and summer precipitation to increase community productivity. Sufficient pre-growing season precipitation led to more germination and growth of shallow-rooted annual plants. When followed by high-frequency growing season precipitation, community productivity of this desert ecosystem was lifted to the level of grassland or forest ecosystems. The long-term observations and experimental results confirmed that precipitation patterns and the herbaceous component were dominant drivers of the carbon dynamics in this phreatophyte-dominated desert ecosystem. This study illustrates the importance of inter-annual variations in climate and ecosystem composition for the carbon flux in arid and semi-arid ecosystems. It also highlights the important effect of changing frequency and seasonal pattern of precipitation on the regional and global carbon cycle in the coming decades.     

藏北高原典型植被样区物候变化及其对气候变化的响应

植被物候作为陆地生态系统对气候变化的响应和反馈的重要指示,已成为区域或全球生态环境领域研究的热点。基于非对称高斯拟合方法重建了2001—2010年MODIS EVI时间序列影像,利用动态阈值法提取藏北高原植被覆盖2001—2010年每年关键物候参数。选取研究区内东部高寒灌丛草甸、中部高寒草甸及西部高寒草原和高寒荒漠4种典型植被类型,并结合附近的4个气象台站气候资料,分析典型植被物候在近10a对关键气候因子的响应特征。研究结果表明:(1)4种不同典型植被的物候特征(EVImax降低、返青期延后和生长季长度缩短)均表现出高寒灌丛草甸→高寒草甸→高寒草原→高寒荒漠草原的过渡;(2)藏北高原近10a的年平均气温及春、夏、冬三个季度的平均气温均呈显著升高的趋势,升温幅度在0.8—3.9℃/10a,降水减少趋势不显著,在这种水热条件下典型植被均表现出返青提前(7.2—15.5d/10a)、生长季延长(8.4—19.2d/10a)的趋势,而枯黄出现时间为年际间自然波动;(3)高寒灌丛草甸EVImax主要受春季降水量和气温影响,且降水的影响程度大于气温;对高寒草甸植被而言,春、夏季的气温和降水均有较大的影响;而高寒草原和高寒荒漠草原主要受夏季平均气温和降水量影响;(4)高寒灌丛草甸的返青时间主要受前一年秋季降水量的影响,相关系数达-0.579;而高寒草甸、高寒草原和高寒荒漠草原主要受春季平均气温影响,高寒荒漠草原的特征最为明显(r=-0.559)。