新疆草地蒸散与水分利用效率的时空特征

新疆地处中国西北干旱区,草地分布广泛,具有重要的经济和生态价值,其蒸散(ET)与水分利用效率(WUE)的研究还比较薄弱,尤其是草地WUE的研究还较为缺乏。该研究基于Biome-BGC模型对气候变化背景下1979–2012年新疆不同区域、不同草地类型的ET与WUE的时空特征进行了系统模拟与分析。结果表明:1979–2012年新疆草地年平均蒸散量为245.7 mm,其年际变化趋势与降水变化趋势大体一致,蒸散量总体低于降水量;蒸散量高值区主要分布在天山、阿尔泰山、阿尔金山以及昆仑山北坡中低山带,低值区主要分布在昆仑山高山区和平原荒漠区;1979–2012年南疆草地年平均蒸散量为183.2 mm,天山区域草地年平均蒸散量为357.9 mm,北疆草地为221.3 mm,冬季北疆草地蒸散量略大于天山区域草地;新疆6类草地年平均蒸散量从大到小依次为中山草甸、沼泽草甸、典型草原、荒漠草原、高山草甸、盐生草甸,这6类草地均是夏季蒸散量最高,冬季最低,春季略高于秋季。新疆草地WUE较高的区域主要集中在天山和阿尔泰山区域,WUE较低的区域主要集中在昆仑山高山区域及部分平原区域;新疆草地全年WUE平均值为0.56 g·kg~(-1),其中春、夏、秋季分别为0.43 g·kg–1、0.60 g·kg~(-1)和0.48 g·kg~(-1);1979–2012年WUE具有显著的区域差异:北疆平均为0.73 g·kg~(-1),南疆为0.26 g·kg~(-1),天山区域为0.69 g·kg~(-1);不同草地WUE差异也较为显著,由高到低依次为中山草甸、典型草原、沼泽草甸、盐生草甸、高山草甸、荒漠草原。     

基于贝叶斯模型平均的蒸散遥感产品集成——以三江源国家公园为例

蒸散发(ET)是陆表水热过程的一个基础通量,不同模型基于的概念、假设、应用尺度等诸多差异给ET的准确模拟带来了多种不确定性。本研究以三江源国家公园为例,应用贝叶斯模型平均(BMA)方法,通过通量塔观测值对模型进行训练,并综合PT-JPL、ARTS-GIMMS3g、ARTS-MODIS、MOD16和SSEBo 5个模型结果,以提高ET的估测精度。结果表明: 5个模型结果可以捕捉海北高寒草地通量塔观测ET的季节变化,可解释观测ET季节变异的64%～86%,均方根误差(RMSD)的范围为0.47～0.76 mm·(8 d)^-1;基于BMA得到的ET的解释能力提高至89%,RMSD降低至0.43 mm·(8 d)^-1。2003—2015年,三江源国家公园地表ET总体呈不显著增加的趋势,在全区尺度上,温度和降水对蒸散的影响不显著;但在长江源园区,降水和气温对其影响达到显著水平。气温和降水对蒸散发有积极的影响,但不同园区之间的地理差异导致蒸散发也出现不同的变化趋势。本研究为其他多源数据的集成分析提供了方法参考,所集成的蒸散数据可以有效降低原各自模型的不确定性,为区域水热变化研究提供了更为精确的数据基础。这对于更好地认识气候变化背景下的水循环过程具有重要意义。     

1981—2018年新疆草地归一化植被指数时空特征及其对气候变化的响应

在新疆开展长时间序列的草地监测,分析草地生长的时空变化特征,有利于草地环境压力分析和草地生态健康预测。以NOAA-AVHRR NDVI为数据源,采用最大值合成、一元回归分析与相关性分析,分别在年际尺度和多个空间尺度(全疆、南北疆与各地区及其11种草地类型)上探讨了1981—2018年新疆草地归一化植被指数(NDVI)时空特征及其对气温、降水的响应。结果表明：(1)1981—2018年,新疆草地NDVI多年均值0.326,变化范围0.259—0.386,具有轻微年际波动特征;(2)北疆、南疆草地NDVI均表现为轻微增加趋势;全疆占草地总面积41%的区域NDVI呈显著增加趋势,9%为显著减少区域,北疆草地NDVI显著增加的面积是南疆的1.7倍;(3)由于垂直地带性及区域差异,新疆草地NDVI由山区向盆地的荒漠降低;北疆草地NDVI是南疆1.4倍,总体上北疆各地区草地NDVI高于南疆各地区;(4)草地类型植被NDVI对降水的显著响应高于气温,其中温性荒漠类、温性荒漠草原类与温性草原类草地NDVI对降水变化的响应明显高于其余草地类型,降水对草地NDVI的影响更为显著,表明降水引起的地表水分变化...     

1962—2009年天山北部湿润指数变化的区域差异

湿润指数揭示了地表干湿变化趋势,与降水变化相比,它更能客观地诠释在全球增暖背景下区域干湿演变特征及变化趋势。本文运用消除趋势波动分析、样条函数法和最小二乘法等方法,对天山以北5个不同区域1962—2009年的地表湿润指数的时空变化趋势和降水、气温变化趋势的空间分布进行统计,以分析各分区的不同年份、季节气候干湿变化特征。结果表明:各分区分季节湿润指数序列在48年的时间尺度上具有微弱的Hurst效应,即具有较弱的长期持续性和较强的随机性,并且各分区不同季节差异较明显;近48年来天山北部荒漠绿洲区降水整体呈现统计意义上的增加趋势,但地表湿润指数变化趋势差异较大;干化趋势最显著的地区与增暖最强烈的地区对应,干化趋势最显著的地区在伊犁谷地及其周围地区,准噶尔西部山地和东部边缘地区干化趋势次之;干湿变化表现出明显的季节差异,干化趋势最显著的季节为冬季和秋季,春季次之,夏季全区表现为明显的变湿趋势。     

青藏高原植被水分利用效率时空变化及与气候因子的关系

水分利用效率(WUE)是研究陆地碳水循环耦合的有效指标,青藏高原是我国最重要的生态安全屏障,了解WUE的特征以及变化机制,对研究高原生态系统碳水循环和水资源合理利用有重要意义。本研究基于MODIS的总初级生产力(GPP)和蒸散发(ET)数据,分析青藏高原WUE的时空变化特征以及气候因子对WUE的影响。结果表明: 2001—2020年,在GPP和ET的共同作用下,青藏高原WUE呈上升趋势;WUE平均值较高的区域为高原东南部、东北部,低值区为高原中部。草地、沼泽、高山植被WUE呈增长趋势,灌丛、阔叶林、针叶林呈下降趋势。WUE与年均气温呈显著正相关,敏感性随着气温的升高而增加;WUE与年降水量呈非线性关系,降水量小于700 mm时,WUE对降水敏感性随着降水增加而减小,降水量大于700 mm,降水敏感性随着降水增加而增大。青藏高原超过75%的区域WUE与降水呈负相关,与气温相比,WUE受降水影响的面积更大,未来气候暖湿化将导致WUE降低。     

西北干旱区荒漠植被生态需水量估算

基于AVHRR-GIMMS和SPOT-VEGETATION两种NDVI数据计算西北干旱区生长季植被覆盖度指数(fc),根据该指数划分阈值范围确定荒漠植被面积,并在塔里木盆地进行适用性验证。通过荒漠植被面积和参考作物蒸散量(ET0),采用潜水蒸发模型,计算西北干旱区1982—2010年荒漠植被生态需水量,以期为今后西北干旱区水资源利用和管理提供科学依据。结果表明:根据fc确定荒漠植被面积,在西北干旱区阈值范围设为0.1~0.35较为合理;1982—2010年西北干旱区荒漠植被面积总体上变化不大,呈现增-减-增的波动趋势。高、低覆盖度荒漠植被面积多年平均值分别为234.3和448.2万hm2;西北干旱区ET0空间分布总体为南疆大于北疆、东部大于西部,其中南疆、北疆及河西地区ET0多年平均值分别为1066.9、975.6和1171.6 mm。根据ET0数据拟合分析计算西北干旱区荒漠植被潜水蒸发量,其中南疆、北疆和河西地区低覆盖度荒漠植被潜水蒸发量多年平均值分别为75、64和82 mm,高覆盖度荒漠植被分别为275、233和299 mm;1982—2010年西北干旱区荒漠植被生态需水量呈减少趋势,以0.1063亿m3·a-1的速率减少,多年平均生态需水量为134.13亿m3。其中高覆盖度荒漠植被需水量多年平均为91.64亿m3,以0.3034亿m3·a-1的速率减少;低覆盖度荒漠植被需水量多年平均为42.49亿m3,以0.1972亿m3·a-1的速率增加。     

中国西北干旱区降水时空分布特征

利用中国西北干旱区122个气象站点1961—2011年月降水量资料,运用线性趋势、Mann-Kendall非参数趋势和突变检验法、Morlet小波分析等方法研究了西北干旱区降水量空间分布及多时间尺度下的变化规律和趋势。结果表明:近50年来西北干旱区降水量呈增加趋势,95.9%的站点有增湿特征,全区增湿趋势为9.31mm/10a(P0.01),但增湿幅度存在区域差异性,其中祁连山亚区(38.67mm/10a)增湿最明显;从季节来看,冬季增湿具有全区普遍性,但夏季增湿的区域差异性特征明显。全区及各亚区降水量在20世纪80年代至90年代初有明显的突变特征,除内蒙西部亚区外均通过了0.01的显著性水平检验,降水量序列存在4、8、12a和22a振荡周期,其中22a尺度振荡周期最强,其次是12a尺度。全区32%的年份降水量属正常范围,偏干年份为24%,异常偏干年份为12%,异常偏湿和偏湿年份均为16%。20世纪70年代之前降水量略低于标准降水均值,80年代开始有区域性增湿趋势,90年代之后全区增湿均较明显,正距平年数比例由70年代的10%上升至21世纪初的80%,西北干旱区整体处于相对湿润时段,且增湿趋势明显。     

黑河流域高寒草甸生态系统水分收支及蒸散发拆分研究

水分收支是对水循环要素降水、蒸发蒸腾、径流以及土壤贮储水量变化等的定量刻画,对水资源的可持续开发及利用至关重要。基于黑河流域阿柔观测站2014和2015年水文气象观测数据,运用水量平衡理论,定量的评估了高寒草甸生态系统的水分收支动态,并结合双源模型对高寒草甸生态系统蒸散发(植被蒸腾和土壤蒸发)进行拆分及评价。研究结果表明(1)在生长季(5—9月)植被蒸腾是高寒草甸生态系统主要的耗水形式,2014和2015年生长季平均蒸散比(T/ET)分别为0.74和0.79;(2)土壤水分的剧烈变化主要发生在0—40 cm处,且受冻融过程影响显著;(3)在降水较多的年份(2014)高寒草甸生态系统水分收支基本平衡,且不受冻融影响的月份(6—9)有地表径流产生约42 mm;在正常年份(2015),生态系统呈现水分亏缺,亏缺量约为134 mm,6—9月约亏缺26 mm;(4)模型估算蒸散发(ET)与实测蒸散发具有很好的一致性,相关系数可达0.90,敏感性分析表明模型输入变量对蒸散发(ET)及蒸散比(T/ET)产生的误差较小,双源模型可以很好地实现对高寒草甸生态系统蒸散发(ET)的拆分。     

风电场对草地蒸散发影响分析

利用 2000 年-2014 年的 MOD16 数据, 采用线性趋势分析的方法, 分别对内蒙古灰腾梁风电场及该电厂 50 km缓冲区内, 风电场建设之前的 2000 年-2008 年、风电场建设之后的 2008 年-2014 年及 2000 年-2014 年的草地生态系统区域年蒸散发(ET)进行了分析; 同时结合 2000 年-2014 年的风向频率数据, 重点探讨了不同风向频率下 ET 的具体变化幅度, 最终得到了如下的结论: (1)风电场会加快地表 ET, 风电场对 ET 的影响距离可达到 50 km 以上。 (2)同其它风向区域相比, 风电场上、下风区对 ET 的影响程度更大。 (3)风电场下风区对 ET 的影响程度最大, 在剔除 ET 自然变化趋势的影响后, 下风处 ET 以 141.05 mm·年1 的速度上升。 (4)ET 持续上升可能会对局地草地资源的可持续性发展产生影响, 随着风电场更大规模的建设, 这是一个值得警惕和关注的问题。本研究期待为风电场的建设、探讨风电场对草业资源的可更新性, 可持续性利用等方面的影响提供借鉴。     

1986—2019年黄土高原干旱变化特征及趋势

干旱作为极端气候事件之一,其频率和强度的变化影响到区域水资源,而干旱半干旱区植物生长的主要限制因素是水分,因此,研究黄土高原干旱时空特征及未来变化趋势对当地的生态环境具有重要意义。本研究基于1986—2019年降水和温度逐月格点数据,计算标准化降水蒸散发指数(SPEI)和干旱发生频率,并运用Mann-Kendall检验和Sen斜率估计方法,探讨了黄土高原的年、季尺度干旱时空分布及变化特征,最后利用NAR神经网络结合Hurst指数对黄土高原未来干旱趋势进行预测。结果表明: 研究期间,黄土高原总体呈现干旱化趋势,且年际和季节尺度的干旱发生频率在空间上差异较大。其中,年际、春季和冬季以黄土高原东南部和西部干旱发生频率最高,夏季和秋季以西北部干旱发生频率最高。夏季以中度干旱发生频率最高,年际及其他季节以轻度干旱发生频率最高。黄土高原春、夏季呈现干旱化趋势,秋、冬季研究区大部分区域干旱趋势减轻。黄土高原年际、春季、夏季的SPEI值在未来一段时间内仍处于下降趋势,即干旱化趋势加重,且夏季的Hurst指数最大,持续性变化最强,未来持续干旱的可能性高于其他季节。     

气候变化对新疆雪岭云杉潜在适宜分布及生态位分化的影响

探究气候变化对天山森林植物潜在空间分布的影响及其模拟预测有助于揭示中尺度下植物分布格局对气候变化的适应对策和反馈机制,对促进干旱区山地森林生态系统的生物多样性保育和森林资源可持续管理有着重要的科学和实践意义。基于雪岭云杉的分布点数据和环境因子数据,利用最大熵(MaxEnt)模型、GIS工具及R软件估计其在基准气候(1970—2000年)及2050(2041—2060年)和2070(2061—2080年)时段基于RCPs气候情景下的潜在分布范围、空间格局变化及生态位分化。结果表明：(1)雪岭云杉在基准气候下的潜在分布与2019年秋季的NDVI植被覆盖变化基本保持一致,高适生分布区主要分布在东疆的哈密、巴里坤和伊吾,北疆主要分布在天山北坡、博格达山、北塔山和伊犁河谷,南疆主要分布在天山南坡。另外,在阿尔泰山南坡、塔城、裕民、托里、西昆仑山和小帕米尔山地也有分布。(2)限制雪岭云杉潜在分布的关键因子为降水(最干月降水量、最冷季降水量和降水季节性)和温度(最干季平均温度、年均温、等温性和气温年较差)、土壤剖面有效含水量、土壤碳密度及海拔,其累计贡献率之和达到87.28%。(3)2050和207...     

河西走廊农业昆虫的区系分析及其生态分布

河西走廊地处青藏高原和内蒙古高原的过渡地带,是甘肃省的粮棉基地。河西走廊的昆虫分布,前人已做过一些调查、采集以及分析工作,发表过一些见解。作者现根据在河西走廊采集、鉴定的昆虫标本和该区植保部门提供的农业昆虫名录,取其中分布资料比较完整的491种,并参考当地的地势地形、气候状况、植被和农业昆虫的发生特点,对河西走廊农业昆虫的区系结构和生态分布进行了分析,籍此可以比较清楚地看出该区农业昆虫的区系结构概貌、生态分布特点和不同分布区的优势种     

Changes in Remotely Sensed Vegetation Growth Trend in the Heihe Basin of Arid Northwestern China

The Heihe River Basin (HRB) is the second largest inland river basin in China, characterized by high diversity in geomorphology and irrigated agriculture in middle reaches. To improve the knowledge about the relationship between biotic and hydrological processes, this study used Global Inventory Modeling and Mapping Studies Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) data (1982–2006) to analyze spatiotemporal variations in vegetation growth by using the Mann—Kendall test together with Sen’s slope estimator. The results indicate that 10.1% and 1.6% of basin area exhibit statistically significant (p < 0.05) upward and downward trends, and maximum magnitude is 0.066/10a and 0.026/10a, respectively. More specifically, an increasing trend was observed in the Qilian Mountains and Hexi Corridor and a decreasing trend detected in the transitional region between them. Increases in precipitation and temperature may be one possible reason for the changes of vegetation growth in the Qilian Mountains. And decreasing trend in transitional region may be driven by the changes in precipitation. Increases of irrigation contribute to the upward trend of NDVI for cropland in the Hexi Corridor, reflecting that agricultural development becomes more intensive. Our study demonstrates the complexity of the response of vegetation growth in the HRB to climate change and anthropogenic activities and correspondingly adopting mechanistic ecological models capable of describing both factors is favorable for reasonable predictions of future vegetation growth. It is also indicated that improving irrigation water use efficiency is one practical strategy to balance water demand between human and natural ecosystems in the HRB.     

Satellite-Based Analysis of Evapotranspiration and Water Balance in the Grassland Ecosystems of Dryland East Asia

The regression tree method is used to upscale evapotranspiration (ET) measurements at eddy-covariance (EC) towers to the grassland ecosystems over the Dryland East Asia (DEA). The regression tree model was driven by satellite and meteorology datasets, and explained 82% and 76% of the variations of ET observations in the calibration and validation datasets, respectively. The annual ET estimates ranged from 222.6 to 269.1 mm yr⁻¹ over the DEA region with an average of 245.8 mm yr⁻¹ from 1982 through 2009. Ecosystem ET showed decreased trends over 61% of the DEA region during this period, especially in most regions of Mongolia and eastern Inner Mongolia due to decreased precipitation. The increased ET occurred primarily in the western and southern DEA region. Over the entire study area, water balance (the difference between precipitation and ecosystem ET) decreased substantially during the summer and growing season. Precipitation reduction was an important cause for the severe water deficits. The drying trend occurring in the grassland ecosystems of the DEA region can exert profound impacts on a variety of terrestrial ecosystem processes and functions.     

Moisture changes over the past 467 years in the central Hexi Corridor,northwestern China

The long-term characteristics of precipitation in arid and semi-arid areas are of great interest because these areas are very sensitive to climate change and human activities. The Hexi Corridor is an arid and semi-arid region in northwestern China that also is an important sector of the Silk Road Economic Belt; despite the region’s dependence on precipitation, annually resolved, long-term moisture records are still lacking for this region. Here, a standard tree-ring width chronology spanning 1484–2015 AD is developed for the Hexi Corridor using Qilian juniper (S. przewalskii Kom.). The chronology is used to reconstruct moisture changes in the region over the past 467 years. Correlation analyses indicate that the tree-ring width index has a significant positive correlation with the June SPEI (standardized precipitation evapotranspiration index) on a twelve-month time scale (r=0.73, n=65, p<0.001). We used this information to build a transfer function that explains 52.5% of the variance in the SPEI reconstructed for the period from 1549 CE to 2015 CE. Our study area experienced clear alternations between dry and wet periods. Especially long wet periods include 1600–1650 AD and 1762–1804 AD; long dry periods include 1670–1693 AD, 1917–1970 AD, and 1990–2015 AD. The 1920s was the most severe period of drought in the last 467 years. The results of wavelet analysis and running correlation analysis indicate that the atmospheric circulation system experienced a notable shift around the 1800s, after which point the role of the westerly system grew more pronounced.     

河西走廊啮齿动物地理分布的初步调查

河西走廊位于甘肃省的西北部,为历史上通往我国新疆及中亚大陆的交通要道,以丝绸之路而闻名于世界。19世纪末,一些外国学者及旅行家曾对河西走廊作过动物学方面的调查。解放后,中国科学院甘青调查队于1958-1960年对河西地区的兽类进行了调查。随着自然疫源地普查工作的深入开展,省、地、县的有关卫生防疫专业机构,对河西走廊的部分地区和县(市)做过一些动物学方面的工作,但专门对啮齿动物地理分布进行较大范围的调查还不多。我们于1982年4-8月对河西走廊的马鬃山、安西、敦煌、金塔等地进行了调查,现报道如下。     

基于三温模型的南宁市蒸散量估算及其影响因素

蒸散发是水文能量循环和气候系统的关键要素。研究蒸散发的时空变化特征及其响应气候、土地利用的变化规律,对理解城市流域水循环和生态过程效应具有重要意义。本研究基于三温模型和MODIS影像,估算并分析2001—2018年南宁市的蒸散量时空演变特征,并探讨了主要气候要素、土地利用类型对蒸散量的影响规律和驱动模式。结果表明: 2001—2018年,南宁市年均蒸散量在495.7～781.1 mm,年际相对变化率为-22.5%～23.1%,整体呈上升趋势;区域蒸散量呈南北高、中间低的分布格局,市区蒸散量显著低于郊区。南宁市蒸散量与气候因子呈显著的复相关性,气温对蒸散量的影响大于降水,在郊区呈气温驱动型,而市区则存在多种驱动类型复合现象。南宁市各土地利用类型的平均蒸散量大小依次为:林地(823.4 mm)>草地(675.6 mm)>耕地(582.9 mm)>建设用地(346.6 mm)。土地利用类型的转变是导致区域蒸散量发生显著变化的主要下垫面因素。     

青海祁连山地区兽类分布格局及动物地理学分析

根据2001～2002 年对青海祁连山及周边地区的考察, 结合历史资料对青海祁连山及临近地区的兽类分布格局及动物地理分布等问题进行了探讨。通过兽类分布信息对该地区进行聚类, 用物种分布的相似性聚类结果分析该地区兽类区系特点。结果表明: 湟水河谷兽类区系特殊; 祁连山中部与青海湖北岸山地的区系成分近似;祁连山西部与其它区域区系差异明显; 柴达木盆地东部与祁连山中部相近, 而与柴达木盆地中、西部相区别。本地区的兽类分布格局与植被关系密切, 充分体现出青藏高原和黄土高原过渡的特点。本区特有种类比较缺乏,在不同生境交错带具有各种成分混杂和相互渗透的现象, 既包含了东部黄土高原和东南湿润地区的区系成分,又不乏典型的青藏高原种类, 同时还与蒙新区有一定的联系。从而体现出祁连山地区在兽类物种多样性及其动物地理方面的边缘效应作用。     

石羊河流域水分利用效率及其对饱和水汽压差的响应

水分利用效率(WUE)是叶片通过光合作用调节水分生理过程的指标，是联系生态系统碳循环与水循环关系的关键，反映了植被生态系统对立地环境快速调整和资源的变化适应策略。基于卫星遥感和地面观测数据，利用光能利用率模型和蒸散发经验估算模型，模拟石羊河流域2000—2019年植被总初级生产力(GPP)和蒸散发(ET)数据，估算2000—2019年不同植被类型的WUE空间分布特征，研究GPP/ET/WUE与饱和水汽压差(VPD)的相关性，探讨干旱区不同类型植被对水分利用及胁迫的适应策略。结果表明：(1) 2000—2019年石羊河流域植被WUE、GPP和ET的平均值分别为0.80 gC m^-2 mm^-1、256.52 gC/m²和302.52 mm,其三者的空间分布特征表现为“南高北低”,即由流域源头至下游逐渐减少的空间分布。(2)近20年内，流域内WUE、GPP和ET的变化率的平均值分别为0.017 gC m^-2 mm^-1 a^-1,6.99 gC m^-2     

960-2011年西北五省潜在蒸散的时空变化

基于Penman-Monteith模型和Hurst指数模型,分析了我国西北五省1960-2011年潜在蒸散(ET₀)的时空演变特征及其未来趋势,并采用敏感性分析方法定量分析了驱动ET₀变化的主导因素.结果表明:研究期间,西北五省ET₀整体呈下降趋势,降速为-0.72 mm·a^-1,但1993年之后,ET₀逐渐增加;ET₀空间分布存在显著差异,西北五省ET₀平均值为1158 mm 675~2282 mm),最大值出现在新疆的七角井（2282 mm）,低值区主要分布在陕南秦巴山地（<800 mm）.除春季外,其余季节ET₀均呈下降趋势,且在未来趋势分析中,西北五省81.4%的区域ET₀由减少转为增加,在全球变暖背景下,该区暖湿化程度将有所减弱,而新疆中部的ET₀将持续减少.西北五省全年及各季节影响ET₀变化的主导因素主要为风速,但风速在不同季节、不同区域的影响范围有所差异,冬季风速影响范围覆盖整个西北五省,夏季则影响整个新疆及甘肃和青海的西北部.