基于通量塔净生态系统碳交换数据的植被物候遥感识别方法评价

选择北美洲72座通量塔观测的净生态系统碳交换(NEE)数据来计算植被物候,并以此作为参考数据,从可行性和准确性两方面对阈值法、移动平均法和函数拟合法三大类常用的植被物候遥感识别方法进行了综合评价.结果表明:基于局部中值的阈值法对植被物候识别的可行性和准确性均最优;其次为Logistic函数拟合法中的一阶导数方法;移动平均法对植被物候识别的可行性和准确性与移动窗口的大小有关,对于16 d合成的归一化差值植被指数(NDVI)时间序列数据来说,移动窗口大小为15时能获得较优的结果;而全局阈值法对植被物候识别的可行性和准确性均最差;Logistic函数拟合法中的曲率变化率方法在识别植被物候时虽然与基于NEE数据得到的植被物候在数值上存在较大偏差,但二者之间具有较高的相关性,说明基于曲率变化率方法识别出的植被物候能较真实地反映植被物候在时空上的变化趋势.     

2001—2017年蒙古高原不同植被返青期变化及其对气候变化的响应

利用2001-2017年MODIS NDVI数据和气象观测数据,在NDVI数据进行S-G和HANTS平滑的基础上,采用累计NDVI的Logistic曲线曲率极值法、Logistic曲线曲率变化率法和动态阈值法等3种返青期识别方法研究了蒙古高原植被返青期,并在植被类型尺度上分析了返青期对气候变化的响应特征.结果表明:在研究区内,虽然S-G方法略优于HANTS方法,但两者均对返青期识别的影响较小,总体上累计NDVI的Logistic曲线曲率极值法较适用于蒙古高原植被返青期识别;蒙古高原平均返青期在124 d左右,其中,西南部和肯特山脉地区返青期最早,杭爱山脉和大兴安岭西侧返青期最晚,总体上呈微弱的提前趋势(-0.04 d·a^-1);从变化趋势的空间差异看,杭爱山脉地区呈明显的推迟趋势,而在大兴安岭、肯特山脉、大湖盆地和内蒙古中西部呈明显的提前趋势;除森林植被外(-0.67 d·a^-1),其他植被类型返青期变化不明显;蒙古高原植被返青期与返青期前特别是3月份的温度呈负相关,而与上一年秋冬季的降水呈正相关.     

北京市植物物候对热岛效应的响应

都市的快速发展致使城市热岛效应日渐加剧。城市绿化对缓解热岛效应有一定的作用,但同时其物候也受到了影响。本文基于遥感影像数据,通过对照北京市热岛区与非热岛区、不同热岛强度等级的植物物候差别,研究热岛效应对植物物候的影响。采用Landsat 8影像对北京市地表温度进行反演,结合空间分析进行热岛效应分区分级识别;通过MOD13A1的归一化植被指数(NDVI)数据,采用Dallimer平均值法和动态阈值法提取植被生长季始期(SOG)、生长季末期(EOG)、生长季长度(LOG)等重要植被物候参数,研究植被物候在热岛区与非热岛区、不同热岛强度等级之间的差异。结果表明:北京市夏季与冬季相比,热岛效应更为显著;利用Dallimer平均值法提取的北京市热岛区SOG比非热岛区提前4 d,EOG延迟9 d,LOG延长13 d;利用动态阈值法提取的SOG提早10 d,EOG推迟4d,LOG延长14 d,动态阈值法提取的物候信息与观测的物候信息更为接近;随着热岛强度等级提高,SOG提前,EOG推迟,LOG延长。本研究丰富了我国华北地区植被物候对热岛效应的响应机制,同时对研究全球变暖对生态系统的影响具有一定价值。     

基于多种遥感植被指数、叶绿素荧光与CO2通量数据的温带针阔混交林物候特征对比分析

植被物候学作为研究植被与环境条件相互作用的科学,在全球气候变化的大背景下已成为国际热点研究领域,其中森林植被在调节全球碳平衡、维护全球气候稳定的过程中有着至关重要的作用。随着遥感技术的发展,多种遥感指数被应用到森林植被物候研究中,其中以MODIS NDVI和EVI应用最为广泛,而叶绿素荧光(SIF)作为植被光合作用的"探针"也被广泛应用于森林植被物候研究中。为了探究3种指数在森林植被物候研究中的差异与特性,本文以长白山温带红松阔叶林通量观测站为研究区域,采用模型拟合结合动态阈值法提取2007—2013森林物候特征参数,并使用通量数据(总初级生产力GPP)进行验证。结果表明:NDVI与EVI、SIF相比,表现为生长季开始时间与结束时间的明显提前和滞后,与GPP数据偏差较大,且夏季生长季峰期曲线形态过宽且平坦,无法较好反映生长季变化特征;EVI相较于NDVI有所改善,整体变化趋势与SIF、GPP基本吻合,但依然存在秋季衰减时间稍迟于SIF与GPP的问题;SIF虽然存在夏季骤降现象,但依然与GPP数据一致性最好,可以较好反映出森林植被季节变化特征。SIF数据与植被光合作用的紧密关联使其在植被物候研究中具有优于植被指数的准确性,并随着遥感平台的增加和反演方法的改善,将会在多尺度、多类型的植被物候监测中发挥更加重要的作用。     

自然植被物候遥感提取精度评估

利用遥感开展植被物候的研究涉及到物候提取方法这一基本问题,但当前不同方法的优劣尚无定论,亟待开展不同方法的综合评价。本研究利用2009年的叶面积指数数据,基于18种植被物候遥感提取组合,联立23个地面站点的物候观测数据,利用偏差等5个定量指标综合评价不同遥感提取组合对植被生长季开始时期(SOS)、结束时期(EOS)和长度(LOS)的提取精度。结果表明:基于SG-Sa 0.1(SG滤波法+阈值为0.1的季节性振幅法)组合能够较好地提取地面23个站点的总体植被物候;针对单个物候期,SOS、EOS和LOS的最优方法分别为SG-Sa 0.1、SG-Sa 0.3和DL-Sa 0.1,但提取结果与地面观测物候日期的最小偏差均超过5 d,显示了利用时间分辨率为8 d的遥感数据提取植被物候可以达到的精度水平; SOS、EOS和LOS各自最优与对应的最差方法提取的物候期差值分别可达到-51.55、19.06和86.33 d,说明选取适宜遥感提取方法的重要性。此外,遥感提取物候和地面观测物候不能完全匹配,采用多重评价方法,特别是偏差一致性方法可以有效选取出最优的遥感提取组合。     

藏北高原植被物候时空动态变化的遥感监测研究

 利用遥感数据提取的植被物候格局及时空变化特征能很好地反映区域尺度上植被对全球变化的响应。目前关于青藏高原地区植被物候的少量报道基本上是基于物候站点的观测记录展开分析的。该文基于非对称高斯拟合算法重建了藏北高原2001–2010年的MODIS EVI (增强型植被指数)时间序列影像, 然后利用动态阈值法提取整个藏北高原2001–2010年植被覆盖的重要物候信息, 包括植被返青期、枯黄期与生长季长度, 分析了植被物候10年间平均状况的空间分异特征以及年际变化情
况, 并结合站点观测记录分析了气温和降水对植被物候变化的影响, 结果表明: (1)藏北高原植被返青期在空间上表现出从东南到西北逐渐推迟的水平地带性与东南高山峡谷区的垂直地带性相结合的特征, 近60%区域的植被返青期提前, 特别是高山地区; (2)植被枯黄期的年际变化不太明显, 大部分地区都表现为自然的年际波动; (3)生长季长度的时空变化特征由植被返青期和枯黄期二者决定, 但主要受返青期提前影响, 大部分地区生长季长度延长; (4)研究区内不同气候区划植被物候的年际变化以那曲高山谷地亚寒带半湿润区和青南高原亚寒带半干旱区的植被返青期提前和生长季延长程度最为明显; (5)基于气象台站数据分析气候变化对物候的影响发现, 返青期提前及生长季延长主要受气温升高的影响, 与降水的关系尚不明确。     

2000—2018年黄河流域森林和草地物候的时空变化

植被物候研究对了解全球气候变化特征具有重要意义。黄河流域空间跨度大、生态环境复杂,林草植被的物候变化特征有待进一步明确。本研究基于2000—2018年MODIS-EVI数据,采用分段Logistic和双Logistic物候模型及分别对应的曲率变化极值法和导数法对黄河流域林、草植被物候进行反演,分析物候参数的时间变化和空间差异。结果表明：研究区生长季开始期(SOS)在第90～165天,从东南到西北逐渐推迟,海拔每升高100 m, SOS推迟0.94 d,其中,森林SOS早于草地。生长季结束期(EOS)在第270～315天,从西向东南推迟,海拔每升高100 m, EOS提前0.63 d,其中,森林EOS晚于草地。生长季长度(LOS)为110～230 d,从东南向西北逐渐缩短,森林植被的LOS大于草地。研究期间,SOS呈提前趋势,幅度为4.1 d·(10 a)^-1,空间上提前面积比例为73.2%,流域中部地区提前幅度较大;EOS整体呈显著推迟趋势,幅度为2.3 d·(10 a)^-1,空间上推迟面积比例为63.4%,森林物候期提前和延迟都小于草地;L...     

2003-2018年米仓山地区植被物候时空变化及对气候的响应

植被物候直接反映了植被对环境变化响应的动态过程,对研究植被与气候的关系具有重要意义。基于遥感植被时序数据,探讨秦巴山区典型山地-米仓山地区植被物候变化及其对气候的响应。利用MODIS NDVI时序数据,采用动态阈值法获取米仓山地区植被物候参数;借助于Theil Sen斜率、Mann Kendall趋势检验方法结合植被类型数据分析研究区物候时空变化;采用偏相关方法分析物候变化与气温和降水之间的关系。结果表明：（1）米仓山地区植被生长季始期（SOS）主要集中在第80-110d,海拔每上升100m,SOS大约推迟0.6d;生长季末期（EOS）主要集中在第250-300d;生长季长度（LOS）主要集中在130-210d。除低海拔区域受人类活动影响物候波动较大外,EOS和LOS随海拔变化存在2000m分界线,其下物候随海拔升高物候明显推迟或缩短,其上物候变化趋于平缓。（2）16a来植被SOS呈提前趋势,提前幅度为0.47d/a,提前的像元占74.03%,其中,达到显著提前的像元占12.21%（P<0.1）;EOS整体呈提前趋势,提前幅度为0.22d/a;LOS略有延长,延长幅度为0.26d/a。（3）区域常绿型森林植被SOS晚于同垂直带的落叶型森林植被;草地、常绿阔叶灌木林SOS提前趋势最明显,变化率分别为-0.80、-0.71d/a;EOS提前趋势最明显的是针阔混交林和落叶阔叶林。（4） SOS主要受3月平均气温和4月降水的影响,3月平均气温升高以及4月降水增加导致SOS提前;EOS主要受10月降水的负向影响。     

A new method of sample selections for optimizing phenology model based remote sensing data

 植被物候模型是生态系统模型的重要组成部分, 其精度对准确地模拟陆面和大气之间的能量和物质交换具有重要意义。利用遥感获取空间物候信息并与气候数据进行耦合分析是在中亚干旱区等地面物候观测数据缺乏的地区构建物候模型的重要方法。为减小混合植被像元和气候数据资料的内在误差及二者在空间尺度的不匹配对物候模型构建产生的影响, 该研究提出一种在气象站点周围选取满足规定规则集的“代表植被类型像元”作为样本点的选择方法, 以代表植被类型像元的遥感物候数据和气象站点数据为基础, 结合经典物候模型和改进物候模型, 在粒子群优化算法支持下, 分别以独立的拟合与评价样本数据, 完成了荒漠草原植被与落叶阔叶林的模型拟合与评价。研究发现中亚干旱区荒漠草原植被的最优模型为温度-降水修正模型, 落叶阔叶林的最优模型为替代模型。通过此方法模型总体精度在8–10 d左右。结果表明此方法在气候数据和植物物候空间匹配方面有改进, 有助于提高物候模型精度。     

城市化背景下植被物候动态变化及驱动因素

快速城市化会对植被物候带来显著影响，但当前影响城市植被物候时空变化的因素仍不清楚。本研究以京津冀城市群为研究区，采用5种拟合方法构建归一化植被指数曲线，通过阈值法获取京津冀城市群2001—2019年的城市植被物候特征，比较城市建成区与山区的春季和秋季物候，在此基础上分析降水、气温以及城市地表温度对植被物候的影响。结果表明：2001—2019年，京津冀城市群城市建成区植被生长季开始日期(SOS)平均比山区早16.88 d,城市建成区植被生长季结束日期(EOS)比山区晚12.22 d。研究期间，京津冀城市建成区植被SOS逐步延迟，而山区SOS逐步提前，并且城市建成区物候的变化率比山区快，因此，二者SOS的差值随时间变化而显著减小(-0.58 d·a^-1);秋季物候方面，城市建成区和山区EOS都表现为延迟趋势，但二者差值随时间变化并不显著(-0.10 d·a^-1)。城市建成区地表温度对SOS的贡献与气温较为接近；而山区地表温度对SOS的贡献仅为气温的1/2,说明城市内部的热岛效应和气温共同影响城市植被物候的变化，并且二者贡献几乎相等。本研究结果有助...     

黄土丘陵区小流域土壤水分时空变异

采用定位监测法，对2002—2005年黄土丘陵区小流域土壤水分的时空动态规律及其主要影响因素进行了分析.结果表明，研究区年均土壤水分剖面呈倒“L”型，水分最低点出现在1.0 m深处.表层（0～0.2 m）和下层（2.4 m以下）土壤水分年际间的差异达显著水平，而季节间的显著差异则表现在土壤表层和中层（1.0～2.4 m）；干旱年的降水不足显著提高了中、下层土壤水分的空间变异性，而丰水年的降水补充作用则显著降低了上层土壤水分的空间变异性，对中、下层土壤水分变异的影响不大.坡向对土壤水分变异的影响最大，其次是土地利用类型，坡位的影响最小.在干旱年或每年雨季开始时，坡向对土壤水分的影响随土层的加深而减弱，土地利用类型的影响则随之增强；在丰水年或每年雨季结束时，土地利用类型只对上层土壤水分状况具有显著影响，且其影响程度小于坡向的影响.     

土地利用和环境因子对表层土壤有机碳影响的尺度效应——以陕北黄土丘陵沟壑区为例

土壤表层有机碳对土地利用和环境因子的变化非常敏感,并具有尺度变异特征。研究不同尺度上表层土壤有机碳的空间分布及其与土地利用与环境因子的关系对于评价黄土丘陵沟壑区表层土壤有机碳状况具有重要意义。选择黄土丘陵沟壑区安塞集水区和集水区内典型小流域——沐浴小流域作为研究区,探讨两个尺度上,表层土壤有机碳的分布特征及其与土地利用、环境因子的关系。结果表明:(1)土地利用方式对有机碳的影响在不同尺度上差异明显,对于不同利用方式下的有机碳含量,沐浴小流域从高到低依次是荒草地林地灌木林地耕地,安塞集水区则依次为林地灌木林地耕地荒草地;(2)对于不同利用方式下的土壤有机碳密度,沐浴小流域从高到低依次是荒草地林地耕地灌木林地,安塞集水区则是林地耕地荒草地灌木林地;(3)在沐浴小流域和安塞集水区两个尺度上,坡向、坡度和植被盖度均与有机碳含量和有机碳密度正相关,而相对海拔、土地利用与有机碳密度负相关;(4)在小流域尺度上,海拔高度、坡位、土地利用与有机碳含量负相关,坡位与有机碳密度负相关,但是在集水区尺度上,相关性则与此相反。     

黄土高原不同土地利用类型土壤含水量的地带性与影响因素

通过对黄土高原南北样带大面积(北纬34°05'—40°75'、东经107°14'—111°09')土壤含水量(0—500 cm剖面)测定和相应植被类型调查,研究了黄土高原农田、草地、灌木林地和乔木林地4种土地利用类型土壤含水量的空间变化及它们之间的差异性。结果表明:黄土高原4种土地利用类型的土壤含水量皆呈现南北向地带性变化,自南向北土壤含水量有明显递减趋势,与多年平均降雨量、潜在蒸散量、土壤质地等的分布具有一致性;同一地点不同土地利用类型下土壤水分含量具有显著差异(农地草地灌木和乔木林地),不同植被类型根系分布、蒸散耗水量的不同是造成含水量差异性的原因。植被建设应遵循土壤水分分布规律,研究结果对黄土高原植被恢复建设具有一定参考价值。     

黄土塬区不同地形部位和土地利用方式对土壤物理性质的影响

在黄土塬区王东沟流域采集不同地形部位和不同土地利用方式下土壤样品，测定其颗粒组成、容重和饱和导水率，借助变异系数、非参数检验等方法研究了不同地形部位和不同利用方式对土壤物理性质的影响.结果表明：土壤物理性质在水平方向和沿垂直剖面都存在变异，但在同一地形部位或同一土地利用类型内，容重和颗粒组成基本相似.水平方向，饱和导水率属强变异，粘粒和砂粒含量属中等变异，粉粒含量和容重属弱变异；沿垂直剖面，土壤的粒级分布具有连续性，但0～25 cm的土壤容重和饱和导水率与下层土壤差异显著.沿坡面从上向下，土壤趋向粘重，但饱和导水率增大；其中上坡位和中坡位的土壤性质相似，在相关研究中可以进行合并.草地与其他利用方式下的土壤性质差异显著，主要受地形部位的影响；耕地和果园的土壤性质相似且不同于其他利用类型，表明人为干扰对土壤物理性质有重要影响.     

Almost 50 years of monitoring shows that climate,not forestry,controls long‐term organic carbon fluxes in a large boreal watershed

Here, we use a unique long‐term data set on total organic carbon (TOC) fluxes, its climatic drivers and effects of land management from a large boreal watershed in northern Finland. TOC and runoff have been monitored at several sites in the Simojoki watershed (3160 km²) since the early 1960s. Annual TOC fluxes have increased significantly together with increased inter‐annual variability. Acid deposition in the area has been low and has not significantly influenced losses of TOC. Forest management, including ditching and clear felling, had a minor influence on TOC fluxes – seasonal and long‐term patterns in TOC were controlled primarily by changes in soil frost, seasonal precipitation, drought, and runoff. Deeper soil frost led to lower spring TOC concentrations in the river. Summer TOC concentrations were positively correlated with precipitation and soil moisture not temperature. There is some indication that drought conditions led to elevated TOC concentrations and fluxes in subsequent years (1998–2000). A sensitivity analysis of the INCA‐C model results showed the importance of landscape position, land‐use type, and soil temperature as controls of modeled TOC concentrations. Model predictions were not sensitive to forest management. Our results are contradictory to some earlier plot‐scale and small catchment studies that have shown more profound forest management impacts on TOC fluxes. This shows the importance of scale when assessing the mechanisms controlling TOC fluxes and concentrations. The results highlight the value of long‐term multiple data sets to better understand ecosystem response to land management, climate change and extremes in northern ecosystems.     

黄土高原典型小流域综合治理的水文生态效应

从流域产流规律及水土保持措施改变引起的土壤水分状况和流域蒸散发的变化等方面评价了黄土丘陵沟壑区泉家沟流域水土保持措施变化对流域水分生态环境的影响.结果表明:水土保持与生态建设过程改变了土地利用结构,对小流域水环境变迁具有很大的影响作用,主要表现在:减少地表径流量,径流模数1996～2000年平均较1980～1985年减少了36.1%;不同治理措施土壤水分状况不同,灌木林地、人工草地和乔木林地均存在深度和厚度不等的土壤"干层";不同地貌部位土壤储水差异很大,阴坡的水分环境优于阳坡,沟底优于峁顶,缓坡优于陡坡;林草措施对流域总蒸散量起着决定性作用,1991～1995年流域林草地面积达到最大,总蒸散量也达到最大,与治理初期相比,总蒸散量累计增加了56.3 mm.     

长三角典型城郊土地利用变化及其土壤碳氮响应

城市化在改变城市周边土地利用及其空间布局的同时,也改变了城郊土壤的碳氮循环等关键生物地球化学过程。明确城郊地区土地利用变化及其对土壤碳氮储量的影响,可有效揭示城郊地区土壤肥力提供等关键生态系统服务的演变特征。以长三角典型城郊宁波樟溪流域为例,分析了1974年至2015年其土地利用变化特征,并采用DNDC模型模拟了土地利用变化所引起的土壤碳、氮储量变化。研究表明该流域内农地和林地面积均在不断减小,而园地和城镇建设用地面积在不断增加。模拟表明农地单位面积有机碳、总氮含量逐年降低,而林地则不断增加,园地呈波动变化,不同土地利用类型的单位面积有机碳和总氮含量对温度和降雨的变化有不同程度的响应。随着城郊地区土地利用变化,流域内农地土壤有机碳和总氮储量逐年降低,园地和林地土壤有机碳和总氮储量逐年增加,土地利用变化决定了流域土壤有机碳和总氮的储量变化特征。     

不同时间尺度小流域径流变化及其归因分析

流域径流的变化及其原因的研究,是森林水文领域的一个重要的科学问题。当前,大部分研究基于年尺度定量分析了流域径流变化及其影响因素的贡献率,而季节尺度上的研究较少。因此,季节尺度上径流变化的归因分析值得深入研究。基于彭冲涧小流域1983—2014年降水、径流等水文气象资料,通过Mann-Kendall检验法对降水、径流序列进行突变分析,采用累积量斜率变化率比较法计算季节及年尺度上降水变化、蒸发散和植被恢复对径流变化的贡献率。结果表明:2003年为降水与径流的一致突变点;春、夏、秋、冬季及年降水变化的贡献率分别为50.88%、42.60%、-10.39%、-3.28%和31.26%,蒸发散的贡献率分别为32.89%、40.71%、29.33%、47.43%和42.64%,植被恢复的贡献率分别为16.23%、16.69%、81.06%、55.85%和26.10%。季节尺度上,春、夏季,降水变化和蒸发散是径流深减少的主要原因,而秋、冬季,植被恢复居主导地位;年尺度上,蒸发散对径流深减少的贡献率最大。该研究揭示了彭冲涧小流域近30年来径流变化规律以及不同时间尺度上影响径流的主要驱动因子,为流域水资源合理配置和管理提供科学依据。     

黄土丘陵小流域土壤水分时空分异与环境关系的数量分析

采用ＤＣＣＡ排序,研究了流域尺谍上土壤水分的时空分异类型及环境因子的关系。研究结果表明,丰水年土壤水分垂直的分布呈降低型、波动型和增长型３种类型,主要影响因子为土地利用与地形（地貌类型、坡度、坡位与海拔高度）;土壤水分的季节变化表现为三峰型、四峰同步型与四峰滞后型３种类型,主要影响因子为降雨与地形（坡度、海拔高度、坡向与坡位）。分析得出,降低型与波动型的土壤水分利用率较高;从丰水年到欠水年,降低型     

岷江上游不同景观结构小流域水量平衡的比较

研究了1988～2002年岷江上游两个小流域（镇江关流域和黑水河流域）不同景观结构（土地覆盖、海拔、坡度、斑块密度、最大斑块指数等）对水量平衡的影响.基于两个流域土地覆盖类型、1988～2002年多年平均降水量和蒸散量的空间分布、两个流域土地覆盖类型同期多年平均径流深度的数据,得到不同土地覆盖类型的海拔、坡度、坡向与降雨、蒸散、径流的关系.结果表明,两个流域有林地海拔、坡度、坡向的不同导致其降水、蒸散降水比、径流降水比各异;两个流域草地水量平衡对景观格局的响应模式与有林地基本一致;由于黑水河流域的耕地分布在干旱河谷中,其蒸散量远远大于降水量,耕地本身的景观结构（坡向、坡度,斑块密度）并不对其水量平衡产生影响,这一点与镇江关完全不同.