干湿季节下基于遥感和电磁感应技术的塔里木盆地北缘绿洲土壤盐分的空间变异性

土壤盐渍化问题是制约干旱半干旱区植被生长最主要的生态环境地质问题,也是影响绿洲农业生产的障碍性问题.而将遥感与近感技术相结合,是当前评价、监测及预报土壤盐渍化程度的先进方法.以新疆塔里木盆地北缘的渭干河-库车河三角洲绿洲为例,以遥感数据和解译后的电磁感应数据为基础数据源,利用解译后的数据结合GIS和地统计学知识以及野外实测所得到的土壤电导率和盐分资料,分别采用泛克里格(Universal Kriging)、光谱指数回归(Spectral Index Regression)和回归残差泛克里格(Regression-Universal Kriging)3种方法研究了该地区两个关键季节(干季和湿季)土壤盐分的空间变异特征.研究结果表明:研究区的土壤浸提液电导率EC1∶5和土壤盐分呈现显著相关,可以用EC1∶5来代替土壤的全盐量进行分析;电磁感应仪(EM38)所测各季节土壤表观电导率与EC1∶5的相关系数均达到1％显著水平,以表观电导率垂直读数(EMv)和水平读数(EMH)为自变量的多元回归模型拟合效果较好;研究区各季节的表层土壤电导率的空间分布均表现为强相关性,说明土壤采样点间的内部结构性良好,采用能够充分考虑到干旱区表层土壤电导率空间变异的尺度依赖性的球状套合模型,能够更好的拟合土壤表观电导率的空间结构;经过精度比较,回归残差泛克里格法为最优预测方法,这表明将遥感和电磁感应技术相结合,能够有效的提高预测与评估土壤盐分空间分布的精度,为精确地进行土壤盐分预测以及土壤次生盐渍化的防控提供了一定的依据.     

干旱区土壤盐渍化特征空间建模

当前,土壤盐渍化以及因灌溉引起的土壤次生盐渍化问题是我国干旱、半干旱区所面临的主要生态环境问题。在特征空间理论的支持下,以波谱分解技术为基础,以Landsat-TM、Landsat-ETM+多光谱遥感影像和野外调查数据为基础数据源,通过分析干旱区土壤盐渍化对地表生物物理特征的影响,探讨了表征盐渍化过程与地表生物物理特征之间的规律及定量关系,进而利用土壤盐渍化遥感监测中关键的3个指标——经过波谱分解技术获得的直接表征盐渍化的土壤盐渍化光谱、间接表征盐渍化的植被覆盖度和土壤水分含量协同构建了二维特征空间支持下的土壤盐渍化遥感监测模型VSSI(Vegetation fraction and Soil fraction Soil Index)、SVSI(Soil water contents and Vegetation fraction Soil Index)、SSSI(Soil water contents and Soil salinization fraction Soil Index)和三维特征空间支持下的土壤盐渍化遥感监测模型SVWSI和SDI。研究结果表明:基于三维特征空间建立的SVWSI(Soil salinization fraction-Vegetation fraction-Water contents Soil Index)和SDI(Soil Distance Index)模型对不同盐渍化程度土壤的敏感程度要高于基于传统二维特征空间建立的VSSI、SVSI和SSSI模型。其中,SVWSI和SDI模型与实测0—10 cm土壤盐分含量决定系数分别为R2=0.8325和R2=0.8646,这充分说明基于高维数特征空间所构建的土壤盐渍化遥感监测模型能更准确地反映盐渍化土壤地表盐量组合及其变化信息,且指标简单、易于获取,对于今后干旱区区域大尺度盐渍地信息提取以及动态监测研究具有重要意义。     

3S技术在绿洲土地覆盖变化研究中的应用研究--以新疆于田绿洲为例

土地利用／覆盖变化（LUCC）是全球变化研究的重要核心问题之一,基于区域和地方尺度的绿洲土地覆盖变化信息的定量提取在干旱区生态环境演变研究中具有重要的价值,也是对全球变化研究的重要补充。选择干旱区典型绿洲新疆于田地区为研究靶区,利用2期不同时相的TM卫星影像,结合多年实地调查所获得的大量数据,根据当地实际情况,选择适宜的分类指标体系,利用遥感、全球定位系统以及地理信息系统技术（3S技术）对图像进行了综合技术处理,获得了较高精度的该区域绿洲LUCC不同类型分类精度统计以及土地利用／覆盖转换矩阵。在此基础上,对跨度近10年的于田绿洲LUCC时空变化格局进行了分析,提出了相应的生态环境改良措施,其方法和结论对塔里木盆地南缘绿洲地区生态环境改良及其可持续发展研究具有一定参考价值。     

基于人工神经网络的生态环境质量遥感评价

利用ETM遥感数据提取反映生态环境的植被、土壤亮度、湿度,MODIS地表温度产品提取的热度指数、气象指数及其它地学辅助信息作为神经网络的输入,野外调查标准兴趣区的遥感本底值评分值作为网络输出,建立一个3层结构的BP神经网络生态环境遥感本底值预测模型.利用MATLAB软件对网络进行训练和研究区生态环境遥感本底值的预测输出,并将预测结果按照生态环境遥感本底值分级评分标准进行等级划分.结果表明,总体分类精度达87.8%.利用神经网络方法对生态环境遥感本底值进行预测是可行的.采用先预测再分级的方法不仅能很好地评价区域生态环境质量,而且能够和区域生态环境类型紧密的结合起来.     

玛纳斯河流域盐渍化灌区生态环境遥感监测研究

土壤盐渍化已成为全球性问题,给生态环境及农业生产带来严重的威胁。为了快速、准确评价土壤盐渍化给区域生态坏境带来的影响,该文提出了新的完全基于遥感数据的遥感生态指数(SSEI,Soil Salinization Ecology Index)来监测玛纳斯河流域盐渍化灌区生态环境变化。该指数利用主成分分析的方法耦合与土壤盐渍化相关的土壤盐度、地表反照率、植被覆盖度和土壤湿度四大地表参数,指数构建是数据本身性质所决定,不同于以往遥感与非遥感指数加权叠加易受人为影响。研究结果表明:耦合与盐渍化信息相关的各遥感指数得到的生态指数,能够对土壤盐渍化影响区域的生态环境进行快速、定量、客观的监测。将该指数应用到新疆玛纳斯河流域灌区,结果表明在近26年优和良等级生态环境面积增加了12.89%,这说明灌区生态环境有所改善。该研究对土壤盐渍化监测与评价具有一定参考意义。     

干旱区内陆河流域尾闾绿洲土壤盐渍化动态预测

针对干旱区尾闾绿洲土壤盐渍化严重发生的现状,运用遥感和GIS技术,基于天山北麓三工河流域平原尾闾绿洲农区0~20 cm耕作层土壤盐渍化特征,利用空间概率模型预测了其今后的发生状态。结果表明:经过长时间的土地利用,土壤盐渍化程度有所加剧;通过空间概率模型χ~2检验,1982—2005年的转移概率模拟值与实际值可靠性要高于1982—1999年的转移概率。模型模拟结果显示,2010年以后到达稳定状态,人工景观的面积增加,自然景观的面积减少,其中轻盐化耕地面积减少,中盐化和重盐化耕地面积增加,在长时间范围内,土壤盐渍化依旧是制约研究区绿洲耕地生产力的主要因素。     

渭干河-库车河三角洲绿洲土地利用/覆被时空变化遥感研究

土地利用/覆被变化(LUCC)是全球变化研究的重要核心问题之一,选择干旱区典型绿洲新疆渭干河—库车河三角洲绿洲为研究靶区,利用1989年、2001年、2006年和2010年的同期遥感影像数据,借助RS和GIS技术,对绿洲土地覆盖变化信息进行定量提取和分析。结果表明:①1989—2001年,各类地物面积呈现五增二减的趋势:耕地、林地、中度盐渍地、水体和其他均有所增加;而轻度盐渍地和重度盐渍地有所减少;2001—2006年,呈现四增三减的趋势:耕地,轻度盐渍地,中度盐渍地和重度盐渍地均有所增加;林地、水体和其他均有所减少;2006—2010年,呈现四增三减的趋势:中度盐渍地,重度盐渍地、水体和其他均有所增加;耕地、林地、轻度盐渍地均有所减少。②随着时间的推移,各类地物的重心均有所偏移。其中水体的重心于1989—2001年间向北迁移的距离最远,为23.12 km;同期重度盐渍地重心迁移距离次之,为22.04 km。林地的重心于1989—2001年间逐年向西南方向迁移,并且迁移的距离逐年增大,中度盐渍地重心总体向西北方向偏移。③21年间,Shannon多样性指数、Shannon均匀度指数均呈稳步增加的趋势,景观的异质性程度呈现上升趋势;聚集度差异不大,集中在78到85之间,说明斑块类型连接程度较高。1989—2006年,分维数增加,研究区的土地利用景观格局愈来愈复杂,人类干扰程度在不断增强;2006—2010年,分维数略有所下降,景观格局略有所改善。总之,21年间渭-库地区各类型土地利用情况变化显著,不仅各土地覆盖类型间面积转换频繁,而且土地利用景观格局发生了很大的变化。该研究确定了土地利用/土地覆被的时空变化规律,分析驱动因子,提出改良建议,研究结果对西部干旱区绿洲的环境演变和可持续发展研究具有现实意义,也是对全球变化研究的重要补充。     

不同径级马占相思(Acacia mangium)整树蒸腾的湿、干季变化

利用Granier树干液流测定系统对广东鹤山丘陵地马占相思(Acacia mangium)林进行长期监测,并同步监测环境因子(空气温度、相对湿度、光合有效辐射、土壤体积含水量),选择胸径具有代表性的样树,结合马占相思的形态学参数,计算马占相思的整树蒸腾.通过对光合有效辐射(PAR)分级,建立不同辐射强度等级的湿季(土壤水分θ≥33%)整树蒸腾与水汽压亏缺(VPD)的相关方程,以干季(θ≤24%)的VPD代入对应PAR等级的湿季的拟合方程,求出干季的潜在蒸腾,以潜在蒸腾和干季实际蒸腾之差分析不同径级整树蒸腾在不同季节的实际变化.在所有的PAR分级内,干季整树蒸腾显著低于湿季,仅占湿季蒸腾的10%～20%,就蒸腾减少的绝对量而言,优势木>中间木>劣势木.土壤水分下降缩小了不同径级树木之间液流密度的差异,土壤水分亏缺限制了树木的蒸腾,对马占相思的生长造成一定程度的水分胁迫.     

辽宁省土地退化与景观生态建设

利用1997－1998年1：25万辽宁省TM遥感影像及相应的GIS获取的数据,调查分析了辽宁省土壤侵蚀,土地沙化和盐渍化3种类型土地退化程度,面积和分布,结果表明,全省92．52％的土地面积遭受不同程度的侵蚀,3．39％的土地为沙化土地,2．22％土地为盐渍化土地,在此基础上,以新的角度进行全省地土地退化分区,现代侵蚀退化区,地质侵蚀退化区和沙化盐渍化退化区,分析不同区域内不同类型的退化特点和原因,依据区域自身特点和景观生态学原理,提出相应的景观生态建设恢复治理模式。     

基于VIC模型模拟的干旱区土壤水分及其时空变化特征

土壤水分在陆地水循环中起着十分重要的作用,大尺度、长时间及高精度的土壤水分监测是旱情预警、生态恢复与精准农业决策部署的重要指导依据,而陆面过程模式模拟在时空尺度上可获得更准确的土壤水分特征。以渭-库绿洲为目标靶区,结合VIC陆面过程模型和土地利用类型变化,探讨2009—2016年研究区年际间不同地类土壤水分时空变化规律,并用实测数据进行精度验证,结果表明:(1)东北区域土壤含水率模拟值较高,土壤含水量低值集中在研究区西部与南部区域。(2)盐渍土壤表层含水量高于耕地,每年雨季,灌丛土壤含水量高于其他3种地类,由于大量荒地转为耕地,绿洲荒地土壤含水量与耕地土壤相互接近,在28.784—53.741 mm之间。(3)渭-库绿洲近7年耕地与盐渍地面积大幅度增加,耕地与盐渍地面积增幅达35%以上,荒地面积相较2009年减少约46%,灌丛面积增幅约15%。(4)荒地土壤含水量伴随面积大幅度下降,土壤含水量数值集中在正态曲线28.6 mm以上区域。VIC模拟值与实测值均方根误差(RMSE)范围在1.4—2.80之间,RE范围在0.90—2.20之间,R~2范围在0.40—0.60之间,模拟效果较好。     

准噶尔盆地植被与土壤盐渍化关联性变化趋势分析

准噶尔盆地作为北疆地区主要的气候单元其环境变化会影响北疆地区整体的的生态环境变化。植被作为衡量区域生态环境的重要指标直接反映了准噶尔盆地的生态状况,近年来受到全球气候变化的影响准噶尔盆地地区气候格局发生改变,盆地相比于往年降水和气温明显升高,这种改变影响了盆地的植被变化同时也会在部分地区诱发土壤盐渍化灾害。土壤盐渍化是我国西北地区常见的导致植被退化的因素,其生成原因与地形和气候因素有关。为了探究准噶尔盆地植被变化与土壤盐渍化的关联性,基于2002-2019年生长季MOD09A1遥感影像数据,利用最大值合成法、Mann-Kendall趋势分析,Hurst趋势分析法、相关性分析等方法对准噶尔盆地植被和土壤盐渍化变化趋势以及两者的关联性进行了分析。结果表明,受区域降水和气温升高的影响,近20年来准噶尔盆地生长季植被整体呈增加趋势,各季节增加区域面积占比为63.50%-90.93%,平均为77.98%。土壤盐渍化呈减少趋势,各季减少区域面积占比为46.50%-86.78%,平均为70.68%。在地形低洼、排水不畅的区域土壤盐渍化程度加重,植被因盐分胁迫导致衰退,植被减少及巨大的蒸发降水比使得该地区土壤进一步变干,湿度降低。关联性分析结果表明各季植被与土壤盐渍化的变化中呈显著负相关的区域面积占比为37.36%-57.83%,平均为51.75%。Hurst趋势预测结果表明,当前植被和土壤盐渍化两者呈显著性变化的区域未来预测与当前变化方向相同,两者呈一般性变化的区域未来预测与当前相反。研究有助于在全球气候变化背景下了解准噶尔盆地近年来生态环境变化,结果为区域生态环境的可持续发展提供参考。     

Seasonal water use patterns of woody species growing on the continuous dolostone outcrops and nearby thin soils in subtropical China

In karst regions, forests often grow on bedrock outcrops, however the water sources used by the forest vegetation are not known. This study aimed at investigating whether there were seasonal shifts (dry/wet season) of water sources for plants growing on the continuous dolostone outcrops, and comparing their differences with those growing on nearby thin soils in karst areas of southwest China. Rainwater, soil water within 0–30 cm depths, spring water (as a reflection of local deep water sources) and plant xylem water were sampled in March (late dry season) and July (mid rainy season) 2009, respectively. A direct inference approach and the IsoSource mixing model were used to estimate the contributions of different sources to the plant xylem water. On the outcrops, the deciduous tree species Radermachera sinica mainly used deep water sources during the dry season and a mixture of rainwater and deep water sources during the wet season. By contrast, the deciduous small shrub Alchornea trewioides largely relied on recent rainwater during both dry and wet seasons. Three non-deciduous species (Sterculia euosma, Schefflera octophylla and Ficus orthoneura) appear to rely on deep water sources during the wet seasons. In nearby thin soils, R. sinica mainly utilized deep water in the dry season and a mixture of soil water and deep water in the wet season. A. trewioides relied on the same water sources (rainwater-derived soil water) in the different seasons. The above results indicate that inter-specific differences in rooting patterns and leaf phenologies may lead to the differences in the sources of water used by coexisting plant species in karst regions.     

长江中下游岸带(宜昌-铜陵段)湿生植物的群落构建机制研究

沿长江中下游（宜昌-铜陵段）13座城市共37个位点,分别于丰水期和枯水期对岸带的湿生植物进行调查,从物种和系统发育2个维度研究群落的构建机制,并结合环境和空间因子探讨其驱动因素。结果显示：（1）丰水期湿生植物群落的α多样性高于枯水期,且丰水期α多样性主要与水分条件呈正相关,而枯水期则主要与温度和土壤总氮含量有关。（2）丰水期的系统发育结构指数呈聚集趋势,暗示生境过滤起着主导作用,而枯水期的NRI（net relatedness index）和NTI（nearest taxon index）呈不同趋势,暗示存在近期的群落分化。（3）群落的α多样性在物种层面和系统发育层面存在显著关联性,其多样性水平可在一定程度上互为表征。（4）长江中下游沿岸湿生植物群落的构建机制在不同时期存在差异,丰水期的群落构建是环境筛选和扩散限制共同作用的结果,且以环境筛选作用占主导,而枯水期的群落构建仅在物种层面受一定程度环境筛选作用的影响。（5）大生境的温度变化、微生境的土壤水分和养分条件是影响长江中下游岸带湿生植物群落差异的主要驱动因素。该研究结果可为长江中下游岸带湿地生态系统的管理和保护提供科学支持。     

Wet- vs. Dry-Season Transpiration in an Amazonian Rain Forest Palm Iriartea deltoidea

The wet and dry seasons in tropical rain forests can differ in precipitation, soil moisture and irradiance more significantly than often assumed. This could potentially affect the water relations of many tree species that may exhibit either increased transpiration in the dry season as a response to the increased irradiance or decreased transpiration as a result of decreases in soil moisture and increases in atmospheric vapor pressure deficit (VPD). Atmospheric data, soil moisture data and sap fluxes in Iriartea deltoidea palms were measured in eastern Ecuador during the wet and dry seasons. There were no differences between total daily sap fluxes in I. deltoidea palms during the wet and dry seasons; however, evaporative demand was significantly higher in the dry season and therefore, transpiration was more restricted by stomatal closure during the dry season than the wet season. This is likely the result of larger atmospheric VPD during the dry season compared with the wet season and possibly the result of reduced soil moisture availability. Additionally, based on published tree abundances in this area, measured sap fluxes in I. deltoidea were scaled up to the hectare level. Transpiration from I. deltoidea palms was estimated to be around 0.03 mm/d, which could represent about 1 percent of total transpiration in this area of the Amazon rain forest. If climate change predictions for more lengthy tropical dry periods are realized, greater stomatal control of dry-season sap flux has the potential to become even more prevalent in tropical species.     

土层厚度对刺槐旱季水分状况和生长的影响

该研究测定了旱季和雨季刺槐(Robinia pseudoacacia)林不同土层厚度的土壤含水量,刺槐的树高、胸径、小枝凌晨水势、叶片碳稳定同位素组成(δ13C)、叶面积、比叶重和气体交换指标;分析了刺槐旱季和雨季的水分状况和土层厚度之间的关系;通过刺槐对季节性干旱胁迫的反应,估计华北石质山区不同土层厚度土壤水分对刺槐的承载能力;并求证近年来该地区刺槐衰败和水分因素的关系.结果显示:随着土层厚度减小,旱季土壤含水量下降、凌晨小枝水势降低;气孔导度和最大光合速率都减小,而瞬时水分利用效率增加,雨季上述指标无显著性差异,旱季土壤含水量只有雨季的60％左右.随着土层变薄,刺槐叶片δ13C增高,叶面积减小,比叶重增加;刺槐树高和胸径减小.以上结果表明:刺槐在不同季节下的水分状况综合反映土壤的供水能力,土层浅薄导致土壤水分承载力不足,致使刺槐在旱季受到较严重的水分胁迫,这可能是刺槐出现衰败的重要原因.     

埃塞俄比亚Senkele Swayne保护区斯韦恩麋羚的种群现状与结构

于2005年10月至2006年4月调查了埃塞俄比亚森可勒斯韦恩麋羚保护区旱季和湿季斯韦恩麋羚(Alcelaphus buselaphus swaynei)的种群现状与结构.根据植被类型、道路和沟谷,将研究区划分为5个区域,并且调查了保护区外的一块休耕农地.利用全部计数法计数了每个区域内的斯韦恩麋羚,在28 km2的区域内共统计到283只(湿季)和351只(旱季)麋羚,湿季和旱季的麋羚数量变化显著,其季节间差异是由旱季的出生高峰造成的.斯韦恩麋羚种群中雌性个体占42.7%、雄性占36.0%、幼羚占21.3%.某些区域的麋羚数量要高于其它区域,且无论湿季或旱季斯韦恩麋羚多集中在狼尾草高草地中.斯韦恩麋羚的种群结构随季节而变化,其大集群经常出现在湿季而旱季集群较小.斯韦恩麋羚的种群动态因保护程度的不同在不同时期呈不规则性变化     

三峡库区古夫河水质时空分异特征

以湖北省神农架林区和兴山县境内长江三峡库区香溪河支流古夫河为研究对象,于2010年8月-2011年7月在整条河流中选取20个采样点,进行样本采集,并测定溶解氧、碱度、硬度、电导率、总磷、总氮、化学需氧量、二氧化硅、总有机碳共9项水质指标,运用多元统计方法,分析水质的时空分异特征.依据研究区土地利用类型差异,将20个采样点分成4组,即森林(A组)、耕地(B组)、水库(C组)和村镇(D组);根据该区域的水文节律,将5-10月归为湿季,其余月份为干季.判别分析和方差分析结果表明,古夫河水质具有时空显著性差异:总磷、二氧化硅、电导率、化学需氧量、总硬度和总碱度等指标具有空间显著性差异;总氮、化学需氧量、溶解氧、二氧化硅和总有机碳与季节存在显著相关性,所测9项水质指标在不同空间类别上呈现出显著的季节变化.主成分分析表明,不同空间类别上的干湿季节引起水质变化的主导因子是不同的:A组中,湿季主要体现为二氧化硅和总有机碳,干季主要体现为总磷、二氧化硅、总有机碳和化学需氧量,该组水质主要受地表径流、地质成因和风化作用等自然因素的影响;B组中,湿季主要体现为硬度和总有机碳,干季主要体现为总磷、化学需氧量、总碱度和总硬度,该组除了受自然因素的影响,还受如农业径流、未处理的生活污水排放等人为因素影响;C组中,湿季主要体现为二氧化硅、总氮和总磷,干季主要体现为总氮、总有机碳和二氧化硅,该组主要受农业径流、地表径流以及未经处理的生活污水等的影响;D组中湿季主要体现为二氧化硅、总氮和总磷,干季主要体现为碱度、硬度、总氮和总有机碳,该组主要受村镇生活污水和农业径流等的影响.结果表明,古夫河水质受自然和人为因素影响而发生变化,其中受人为因素影响更大.因此,加强水资源的管理和保护,改善水质,做好水源地的长期水质监测显得尤为重要.     

马拉河流域植被生态需水特征及估算

生态需水是生态用水控制和区域生态环境恢复建设的基本依据。马拉河流域拥有世界著名的生态系统，植被生态需水占流域总需水量的很大一部分。基于1980—2020年ERA5气象数据、叶面积指数(LAI)与世界土壤数据库数据，采用Penman-Monteith法计算了马拉河流域四个季节(短旱季、长雨季、长旱季、短雨季)植被生态需水量的时空变化特征。在此基础上，使用支持向量机(SVM)、随机森林(RF)和卷积神经网络(CNN)3种机器学习方法与7个环境因子(气温、降水、10 m风速、LAI、太阳辐射、相对湿度、地形)建立了回归模型，分别估算了2011—2020年逐年不同季节的植被生态需水量，并与Penman-Monteith法计算结果进行时间序列拟合度和空间相似性的比较。结果表明：马拉河流域植被生态需水量在过去40年所有季节都呈现为波动变化，植被生态需水量长雨季>长旱季>短雨季>短旱季，长雨季的植被生态需水量约为短旱季的1.5倍。不同季节均呈现出上下游高、中游低的植被生态需水量空间分布格局。LAI为最大的正影响因子，风速为最大的负影响因子。就不同方法估算的植被生态需水量准确性而言，...