动态空气动力学参数对玉米田陆-气通量模拟的影响——以BATSle模型为例

基于2006-2008年锦州玉米农田生态系统的通量、气象及生物因子连续观测,利用所建立的考虑玉米不同发育期叶面积指数、冠层高度和风速的地表粗糙度(z0)和零平面位移(d)动态参数化方案对BATS1e陆面模型进行改进,研究空气动力学参数变化对玉米田陆-气通量模拟的影响.结果表明:改进后的拖曳系数(CD)随植被覆盖度增大而增大,更符合实际;感热、潜热和土壤热通量的模拟精度均有不同程度改进,效率系数分别提高0.0569、0.0194和0.0384,生长季累计改进量分别占总辐射的0.9％、1.1％和1.2％;当输入真实的表层土壤湿度后,z0和d动态参数化对感热和潜热的改进作用更大.合理的动态空气动力学参数化方案对陆面过程模拟具有明显改善作用.     

华北平原农田土壤蒸发δ18O的日变化特征及其影响因素

 土壤蒸发δ¹⁸O (δ_E)是影响大气水汽δ¹⁸O (δ_v)变异的重要因素, 也是农田生态系统蒸散组分土壤蒸发和植物蒸腾拆分的核心科学问题之一。δ_E主要基于Craig-Gordon模型计算, 主要受地表大气水汽δ_v、相对湿度(h)、平衡和动力学分馏系数以及土壤蒸发前缘液态水δ¹⁸O (δ_s)的影响。该研究以华北平原冬小麦(Triticum aestivum)-夏玉米(Zea mays)生态系统大气水汽δ_v的原位连续观测数据为基础, 同时结合不同深度的土壤日变化采样, 综合探讨了δ_E的日变化特征及其影响因素。结果表明: 冬小麦和夏玉米生长季δ_E的日变化表现为双峰曲线, 分别在6:00和15:00左右达到峰值。h强烈影响农田生态系统δ_E, 特别是在h > 95%的高相对湿度环境条件下Craig-Gordon模型并不适用。大气水汽δ_v的原位连续观测技术克服了传统的降水平衡预测大气水汽δ_v方法的不确定性, 可以显著提高δ_E的准确性。不同的平衡分馏系数对δ_E的结果无显著影响。不同的动力分馏系数尤其是考虑湍流扩散对动力分馏系数的影响会显著影响δ_E的模拟结果。土壤蒸发前缘的确定直接影响δ_s和标准化到土壤蒸发前缘温度下的h, 显著影响δ_E的准确性。结合动态箱或静态箱与稳定同位素红外光谱连续观测技术直接测定δ_E, 从而避免模型参数化过程引入的不确定性是未来研究的重要方向。     

黄土丘陵沟壑区典型流域土地利用/土地覆被变化水文动态响应

以黄土高原第三副区桥子东、西沟流域为例,分析了土地利用／土地覆被变化的水文动态响应。研究结果表明：土地利用／土地覆被对年径流有显著影响,治理流域较未治理流域在丰水年、平水年和枯水年的径流系数分别减少约50％、85％和90％;流域土地利用后期（1995～2004年）较前期（1986～1994年）多年平均径流系数下降73．6％,且随降雨增多,土地利用与植被变化对径流的响应增强。土地利用／土地覆被变化对径流量的影响具有季节性特征,治理与非治理流域多年平均最大月径流系数减少时期与流域最大地表覆盖期具有一致性,即5月份径流系数减少值最大;同一降水条件下流域两期土地利用的产流量仅在生长季具有明显的差异。流域洪水径流量与场降雨量和30min最大雨强有较好的相关关系,场降雨量与30min雨强对治理流域洪水流量的影响要强于非治理流域;暴雨在达到一定强度后,对比流域的洪峰流量差异减小,即森林植被对洪水的影响减弱。经洪水频率分析,认为流域前后两期土地利用若具有相同频率的降雨强度,则一定频率范围内洪峰流量对土地利用与植被变化产生明显响应。     

黄土高原沟壑区小流域坡地土壤养分分布特征

坡地土壤质量退化以及生产力下降是限制坡地植被恢复的主要因素,而坡地土壤质量和生产力在很大程度上取决于土壤养分状况。通过野外调查和室内分析相结合的方法,研究了黄土高原沟壑区坡地土壤养分分布特征,结果表明坡地土壤主要养分含量均随土壤层次的加深而降低,其中以有机碳和全氮降低最多,而硝、铵态氮和全磷降低较少;坡地不同土层土壤有机碳和全氮表现出较大的变异性,土壤铵态氮和全磷的变异较小。0．005～0．05mm土壤颗粒含量随土层加深而增加,0．05～1mm颗粒含量随土层加深而降低;〈0．005mm土壤颗粒含量在0～40cm土层变异很大,而0．005～0．05mm和0．05～1mm的土壤颗粒在所有土层变异都很小。有机碳、全氮、全磷和〈0．005mm颗粒从坡顶向下呈增加的趋势,其分布与坡度和坡长有关,其变异性随坡度和坡长的增加而增大。坡面较长时,〈0．005mm颗粒易于在坡面中、下部累积,坡度较大时则易于迁移出坡面。坡面土壤有机碳、全氮和全磷均在坡底部富集,其富集程度和位置因坡长和坡度而异,长缓坡有利于养分富集,短陡坡利于养分迁出。坡度较小时坡面不同位置土壤养分剖面分布主要由坡面土壤性质变异引起,随坡度的增加,土壤侵蚀便逐渐成为坡面养分分布的主导因子。坡上部碳、氮养分流失的深度也随坡度的增加而加深,而不同坡位全磷的剖面分布与坡度的关系较差。因此,在坡地土壤养分调控中必须综合考虑坡度和坡长因素。     

风沙过渡区土地利用动态与生态效应变化分析--以榆阳区为例

以榆阳区1988～2003年土地数据为依据,在分析研究区土地利用的数量和结构变化特点的基础上,运用生态价值估算方法与模式,结合榆阳区具体情况对估算参数进行修正;对研究区研究时段内各年度生态系统服务功能经济价值进行了估算;并以1988年为基准测算了土地利用类型的数量和结构变化所引起的生态系统服务功能经济价值变化情况,分析了其变化的时段特点及变化原因,定量地揭示了生态脆弱区环境与经济发展的关系。结果表明,1988～2003年,榆阳区土地利用变化所产生的环境响应总体来说是积极的,生态系统服务功能经济价值年度总量在波动中提高;营造防护林、退耕还林及农用地内部结构调整政策的实施实现了经济和环境双赢的预期效果。     

Response of land use/coverage change to hydrological dynamics at watershed scale in the Loess Plateau of China

In this study Qiaozidong and Qiaozixi watersheds in Loess Plateau were selected as the case to investigate the effects of land use/coverage change on hydrological dynamics. The results showed that the runoff coefficient of controlled watershed reduced by about 50%, 85%, 90%, respectively, in wet, normal and dry years in comparison with that of uncontrolled watershed. The average runoff coefficient reduced by 73.6% during the period of 1995–2004 compared with that in the previous period of 1986–1994 for land use in controlled watershed. And the impacts of land use and vegetation changes on runoff were strengthened in response to the increasing rainfall. Additionally, the impacts of land use/coverage change on runoff yield are characterized by seasonal fluctuation. The maximum monthly runoff reduction in the both watersheds occurred in May, which was consistent with the period of the maximum land coverage appeared. Finally, when the rainfall intensity reached a certain threshold, the variance of flood peak in two watersheds reduced, which showed that the effects of forest on flood weakened. The flood peak discharge frequencies indicated that peak discharge would respond to the land use and vegetation change obviously on condition that there were the same frequencies of rainfall intensity in the earlier and later periods.     

Response of land use/coverage change to hydrological dynamics at watershed scale in the Loess Plateau of China

In this study Qiaozidong and Qiaozixi watersheds in Loess Plateau were selected as the case to investigate the effects of land use/coverage change on hydrological dynamics. The results showed that the runoff coefficient of controlled watershed reduced by about 50%, 85%, 90%, respectively, in wet, normal and dry years in comparison with that of uncontrolled watershed. The average runoff coefficient reduced by 73.6% during the period of 1995–2004 compared with that in the previous period of 1986–1994 for land use in controlled watershed. And the impacts of land use and vegetation changes on runoff were strengthened in response to the increasing rainfall. Additionally, the impacts of land use/coverage change on runoff yield are characterized by seasonal fluctuation. The maximum monthly runoff reduction in the both watersheds occurred in May, which was consistent with the period of the maximum land coverage appeared. Finally, when the rainfall intensity reached a certain threshold, the variance of flood peak in two watersheds reduced, which showed that the effects of forest on flood weakened. The flood peak discharge frequencies indicated that peak discharge would respond to the land use and vegetation change obviously on condition that there were the same frequencies of rainfall intensity in the earlier and later periods.     

黄土高原沟壑区王东沟小流域土壤有机碳空间分布

地貌和土地利用是影响土壤有机碳(Soil organic carbon,SOC)空间变异的重要因素。以黄土高原沟壑区王东沟小流域(8.3 km2)为对象,在考虑地貌单元和土地利用影响的基础上,采集0—20cm样品448个,0—200cm样品33个。研究了地貌单元(塬面、塬坡和沟道)和土地利用方式对SOC含量的影响。结果表明,地貌单元和土地利用对小流域表层和深层SOC的含量分布影响都有显著差异。0—20cm土层的SOC含量,沟道塬面塬坡;塬面表层SOC含量的变化平缓;塬坡和沟道SOC变异大于塬面。0—200cm土层SOC三地貌单元差异达极显著水平(P99.9%),塬面SOC含量最高(5.37g kg-1),塬坡(3.06 gkg-1)最低。不同地貌单元条件下土地利用方式对表层和剖面SOC含量分布的影响也存在明显差异。塬面区,人工草地SOC含量亦明显高于农田和果园,但仅40cm以上土层SOC达到显著差异。在塬坡上,不同土地利用类型间,发生显著差异深度达到140cm。沟道内,林草两种土地利用类型间的SOC含量无显著差异。在估算该地区SOC密度和储量时,需要充分考虑地貌单元和土地利用方式的影响。     

云南省维西县塔城镇土地利用/地表覆盖及其空间格局变化研究

利用遥感和地理信息系统,结合野外实地参与式调查,从土地利用类型和空间格局角度,对滇西北维西县塔城镇1990和1999年的土地利用变化进行综合分析。结果表明,塔城镇10年间土地利用类型和空间结构变化较小,仍以有林地为主。但高覆盖度林地、中覆盖度林地和低覆盖度林地的结构发生了变化,低覆盖度林地从9．93％增加到18．30％,增加8．37％;高覆盖度林地减少5．35％;中覆盖度林地减少5．15％,森林植被质量下降。土地利用／地表覆盖景观变化最大的区域在海拔3400m以上的塔城镇的东南角和西南角。景观多样性、优势度降低,景观破碎化程度加深,严重影响该地区滇金丝猴的栖息地。     

基于多目标线性规划的甲积峪小流域生态系统服务权衡优化

黄土高原是我国水土流失最严重的地区之一,区域生态系统服务退化。小流域是水土流失的主要发生地,在提升水土保持服务时如何权衡各类生态系统服务,是当前生态系统服务管理的重要内容。选取黄土高原典型小流域——甲积峪,以2012年为基准年,2022年为规划目标年,基于统计年鉴和调查数据,采用市场价值法、影子价格法、影子工程法、替代成本法和机会成本法对各土地利用类型的生态系统服务价值进行估算;采用多目标线性规划方法,将生态系统服务分为供给服务、水土保持服务与其他服务,以三者价值作为权衡子目标,生态系统服务总价值作为总目标构造目标函数,依据土地面积、粮油保障和各土地利用类型对坡度的适宜性,利用35个变量构造了17个约束方程,通过调整甲积峪土地利用类型实现小流域生态系统服务的权衡优化。结果表明,甲积峪生态系统服务价值主要受占地比例较大且生态系统服务价值较低的坡耕地和荒草地制约。权衡优化后,坡耕地和荒草地主要调整为生态系统服务价值较高的乔木林和梯田,土地利用结构得到明显改善。生态系统服务总价值增幅为9.23%,供给服务、水土保持服务与其他服务价值增幅分别为6.24%、9.81%和17.35%。三者增加量分别占生态系统服务总价值增加量的25.96%、54.42%和19.62%。与仅以供给服务、水土保持服务、其他服务或总服务价值为目标函数的优化结果相比,3个子目标的优化结果更加协调,且三大效益均明显增加。空间分布上,不同生态功能区的各生态系统服务价值增长率存在明显差异,上游其他服务价值增长率最高,中游水土保持服务价值增长率最高,下游供给服务和总服务价值增长率最高,与甲积峪上中下游生态功能区定位一致。充分考虑了土地利用适宜性,在保证供给服务的前提下,突出了水土保持服务并优化了其他服务,各综合治理效益评价指标均得到提高,符合黄土高原小流域的实际情况。     

黄土丘陵沟壑区狼牙刺的生长特征研究

在陕北黄土丘陵沟壑区,对阳坡、半阳坡的不同林龄狼牙刺的生长特征作了系统研究,调查分析了狼牙刺的株高、冠幅、树龄、物种组成、新枝生长量以及地上部生物量和叶量(以柠条为研究对照)等生长特征指标。结果表明:天然灌木狼牙刺的株高在1.50m左右,冠幅约2.0m×2.0m,平均分枝数约4.45。17龄、14龄、6龄狼牙刺地上部生物量和种群密度分别为21.0t/hm2,10000株/hm2;27.3t/hm2,4375株/hm2;6.8t/hm2,8750株/hm2;6、7、8三个月份是狼牙刺新枝的快速生长期,新枝年生长量大小顺序为14龄狼牙刺>6龄狼牙刺>17龄狼牙刺。流域内,狼牙刺个体地径基本保持直线生长,其种群处于旺盛生长阶段。林龄是造成狼牙刺地上部生物量差异的主要内因,而立地条件(土壤水分状况)的优劣以及种群密度则是影响狼牙刺地上部生物量及生长速率的重要外部因素。与柠条相比,狼牙刺在长期的生长发育过程中与土壤水分环境形成了更为协调的关系,表现出较高的土壤水分含量和多年地上部累积生物量,生长旺期盖度均能达到50%以上,应该成为当地造林树种的优先选择之一。     

The role of protected areas in land use/land cover change and the carbon cycle in the conterminous United States

Protected areas (PAs) cover about 22% of the conterminous United States. Understanding their role on historical land use and land cover change (LULCC) and on the carbon cycle is essential to provide guidance for environmental policies. In this study, we compiled historical LULCC and PAs data to explore these interactions within the terrestrial ecosystem model (TEM). We found that intensive LULCC occurred in the conterminous United States from 1700 to 2005. More than 3 million km² of forest, grassland and shrublands were converted into agricultural lands, which caused 10,607 Tg C release from land ecosystems to atmosphere. PAs had experienced little LULCC as they were generally established in the 20th century after most of the agricultural expansion had occurred. PAs initially acted as a carbon source due to land use legacies, but their accumulated carbon budget switched to a carbon sink in the 1960s, sequestering an estimated 1,642 Tg C over 1700–2005, or 13.4% of carbon losses in non‐PAs. We also find that PAs maintain larger carbon stocks and continue sequestering carbon in recent years (2001–2005), but at a lower rate due to increased heterotrophic respiration as well as lower productivity associated to aging ecosystems. It is essential to continue efforts to maintain resilient, biodiverse ecosystems and avoid large‐scale disturbances that would release large amounts of carbon in PAs.