喀斯特关键带植被时空变化及其驱动因素

中国南方喀斯特地区广泛面临着生态问题,植被的保护与恢复倍受关注,对这一区域植被覆盖的进行监测和预测是非常必要的。以MODIS-NDVI为数据源,分析2000—2016年间,研究区不同地质背景,多种土地覆被类型的NDVI时空变化特征及驱动因素。结果表明:(1)从2000—2016年间,研究区植被覆盖整体呈增长趋势;其中喀斯特区域增长情况略优于非喀斯特区域。植被覆盖在空间上呈现东高西低;其中林地的NDVI值最高,耕地次之,依次草地,居民用地,水域,未利用地最低;在林地和耕地中,非喀斯特区域的NDVI值比喀斯特高,其余的土地覆被类型中都比喀斯特区域低。(2)研究区植被覆盖改善的地区占60.19%,退化地区占17.06%;草地,耕地区改善明显,退化主要在水域和建设用地; Hurst指数显示在研究区持续性改善的NDVI大于持续性退化;相比非喀斯特区域,喀斯特区域改善及持续性改善情况更佳。(3)整体而言,海拔对NDVI的空间分布影响力最大,温度次之,依次为降雨,夜间灯光指数;相比而言,非喀斯特区域NDVI空间分布更易受地形因子影响;喀斯特区域NDVI空间分布更易受气候差异及人类活动影响。(4)研究区分别有49%,45%,61%的NDVI与气温,降雨,日照的相关系数通过a=0.05的显著性检验;相比非喀斯特而言,喀斯特区域植被生长更易受气候变化的影响。     

西南喀斯特地区石漠化时空演变过程分析

喀斯特地区石漠化对当地社会经济的可持续发展有严重的阻碍作用，因此，研究喀斯特石漠化时空特征及演变规律，对石漠化治理有着重要的意义。以西南八省为研究区，利用归一化差分植被指数（Normalized Difference Vegetation，NDVI）、净初级生产力（Net Primary Productivity，NPP）、地表反照率（Surface Albedo）和坡度（Slope）数据，借助ArcGIS等软件平台，分析石漠化在不同的坡度、土地利用和生态保护区内的变化。结果显示：（1）轻度和中度石漠化是西南主要的石漠化类型。从空间分布来看，石漠化发生分布面积最广的是贵州，其次为云南和广西。（2）从不同土地利用来看，2000-2015年间无石漠化面积最多，潜在石漠化次之。石漠化主要发生在耕地和林地两种土地类型上，其他用地上石漠化发生面积最少，但是极重度石漠化在其他用地上的发生比例很大，平均在11%左右。（3）从不同坡度来看，石漠化严重程度不随坡度的增加而加剧，在坡度6°-25°之间石漠化发生面积最大。（4）从生态保护区来看，2000和2015年西南喀斯特生态保护区是石漠化面积分布最多的区域，分别为27481.86 km²和21738.65 km²。最少的是大别山山地生态功能保护区，从变化量来看，增加最多的是三峡库区，增加1641.22 km²，减少最多的是西南喀斯特生态功能保护区，减少5743.22 km²。（5）利用NPP、NDVI、地表反照率和坡度能较精准的反演石漠化，其反演权重依次为0.33、0.42、0.15和0.1。研究时段内，西南生态环境逐渐得到改善。     

贵州省地表温度的遥感反演评价及时空分异规律

地表温度(LST)是全球变化研究中的关键参数,对生态系统和生物地球化学等具有重要研究意义。然而,目前针对复杂地形区域的地表温度的研究仍非常欠缺,贵州省是典型的西南喀斯特高原地区,地形复杂,生态系统脆弱。本研究以贵州省为研究区,基于多年MODIS遥感数据,结合地面观测气象数据,使用相关分析、趋势分析、R/S分析和地理探测器等方法,进行地表温度的时空演变规律研究。结果表明:(1)MODIS LST与实测气温具有良好的线性相关性;(2)地表温度在空间上呈南高北低的空间分布格局;(3)在时间上,地表温度的年际波动较大,最大差值为2.06℃·a~(-1),年内主要呈现单峰型分布;(4)海拔800 m以上区域,地表温度随海拔升高而降低;海拔800 m以下区域,地表温度与海拔呈非线性关系;(5)不同土地利用类型的地表温度之间存在显著差异,且最大差值为1.3℃。综上所述,研究区地表温度空间分布与纬度分布相对一致,受到海拔和纬度双重控制,且与土地利用类型有关。     

西南典型喀斯特地区石漠化时空演变特征——以贵州省普定县为例

为揭示我国西南典型喀斯特地区石漠化时空演变特征,选取贵州省普定县为研究对象,基于Landsat、DEM等影像数据,提取了坡度和4期植被覆盖度、岩石裸露率分布图,并利用地理探测器获得各自的贡献率,反演了1990—2015年4期石漠化空间分布信息,进而讨论了石漠化时空演变特征。结果表明:(1)在1990—2015年间,普定县石漠化演变复杂,经历了由好转到恶化再到好转的阶段,总体趋势在好转,局部恶化,石漠化治理仍需加大力度;(2)中度以上石漠化集中分布在三岔河沿岸附近,轻度以下石漠化则分布较散乱;(3)潜在和轻度石漠化演变方向复杂,潜在石漠化平均变化速率最大(2.75 km2/a),在1997—2006年间更是达到了16.5 km2/a;(4)植被覆盖度与岩石裸露率的变化主要呈负相关,前者的增加主导了石漠化的好转,而后者的增加则控制了石漠化的恶化;(5)石漠化演变存在突变,在三岔河沿岸附近,存在无/潜在石漠化突变为重度以上石漠化的现象;在靠近城乡居民地附近,存在重度以上石漠化突变为无/潜在石漠化的现象;(6)植被覆盖度、岩石裸露率、坡度能较准确反演石漠化,贡献率分别为44%、42%、14%。本文提供的石漠化反演方法快速高效,制作的图件、数据为同行提供了参考,得出的结论为石漠化治理提供了科学支撑。     

喀斯特山地不同微地貌下土壤碳氮磷空间异质性及生态化学计量特征

喀斯特地区特殊地质背景造就复杂破碎的地形发育出多样的微地貌,这使得清晰地认识土壤碳氮磷的空间异质性及生态化学计量特征存在困难。基于实地调查、土壤采样、实验测试的结果数据,引入混合效应模型评估方法结合变异系数,分别从全量（土壤有机碳、全氮、全磷）及有效态（活性有机碳、碱解氮及速效磷）两方面,揭示不同微地貌类型下土壤碳氮磷空间异质性及其生态化学计量特征。结果显示：（1）不同微地貌类型下土壤有机碳、全氮、全磷对碳氮磷比值的耦合解释度为：土面（91.09%）＞石沟（91.02%）＞石坑（84.63%）＞石洞（80.17%）＞石缝（73.20%）,土面的空间异质性最低而石缝最高;（2）有效态方面,活性有机碳、碱解氮和速效磷对碳氮磷比值的耦合解释度特征为：石缝（84%）＞石洞（58.15%）＞土面（47.80%）＞石坑（44.06%）＞石沟（32.18%）,说明石缝微地貌的土壤活性有机碳、碱解氮及速效磷空间异质性最低;（3）不同微地貌类型下土壤全量碳氮磷生态化学计量的变异系数差异均在50%以上（C/N 80%、C/P 53.57%、N/P 69.33%）。通过揭示不同微地貌土壤全量及有效态碳氮磷空间异质性及生态化学计量特征,为喀斯特土壤系统管理方案及应对全球变化与碳中和提供数据和科学参考。     

气候变化及生态恢复对喀斯特槽谷碳酸盐岩风化碳汇的影响评估

评估气候变化及生态恢复对碳酸盐岩风化碳汇（CS）的复合影响机制是当前喀斯特生态系统碳循环及气候变化研究领域的一个重要任务。基于碳酸盐岩热力学溶蚀模型估算了1992-2017年中国西南喀斯特槽谷碳酸盐岩风化碳汇通量（CSF）,利用Lindeman-Merenda-Gold模型定量评估了气候及生态恢复因子对槽谷CSF的相对贡献率。研究结果表明：（1）槽谷整体年均温及年降雨量均处于持续升高的趋势,增速分别为0.06℃/a及12 mm/a,进入21世纪之后,增速均有一定程度的放缓,年蒸散发在21世纪以前为增加的状态,2000年以后整体表现为减少的趋势;（2）槽谷植被覆盖度增加速率为0.004/a,其增加区域的面积占比达到了95.07%,槽谷生态系统恢复效果显著;（3）槽谷的年均CSF约为9.42 t C km^-2 a^-1,研究期间处于增加的状态,其年均增长速率约为0.2 t C km^-2 a^-1,CSF增加区域的面积占比约为89.28%;（4）槽谷CSF受到气候因素（降雨、蒸散发、温度）及生态恢复2方面的影响,其中降雨、温度及生态恢复反馈因子FVC与CSF呈正相关关系,ET与CSF呈负相关关系,降雨对于研究区CSF的贡献率最大,达到了70.36%;（5）本研究揭示了气候变化及生态恢复对岩石风化过程的复合影响机制。     

近百年中国西南降雨侵蚀力反演计算与时空格局演变

降雨侵蚀力(R)是评价降雨对土壤剥离、搬运侵蚀的重要指标,反映了降雨对土壤侵蚀的潜在能力,分析降雨侵蚀力百年尺度的演变过程对于探究区域生态安全格局具有十分重要的意义。基于CRU_TS4.01数据集中的逐月降雨数据,计算中国西南地区1901—2016年的降雨侵蚀力,分析其时空格局演变过程并基于像元进行了趋势分析。结果表明:(1)西南地区百年以来降雨侵蚀力空间分布与降雨量的分布基本一致,呈现出自西北向东南逐渐增加的空间分布格局;(2)中国西南有34.11%的地区百年平均降雨侵蚀力在4500—5500 MJ mm hm-2h-1a-1之间;(3)西南地区降雨侵蚀力在年内的集中度较高,各个地区在夏季(6—8月)和秋季(9—11月)的累计降雨侵蚀力占到了全年的75.84%—96.09%,其中季节最大降雨侵蚀力出现在西藏林芝地区的夏季,其贡献率达到了74.2%;(4)西南地区降雨侵蚀力在百年尺度上的年均值为4092.84 MJ mm hm-2h-1a-1,最高值(1915年)为4667.75 MJ mm hm-2h-1a-1,最低值(1992年)仅3639.63 MJ mm hm-2h-1a-1;(5)西南地区降雨侵蚀力年际变化存在明显的空间差异性,有47.59%的区域降雨侵蚀力呈现不同程度的减少趋势,32.91%的区域则呈现不同程度的增加趋势。为中国西南地区土壤侵蚀的防治、生态安全格局的形成及演化机制提供了理论和数据方面的参考。     

西南地区生态系统服务价值时空演变及模拟预测

生态系统服务价值(ESV)分析对构建生态安全格局和实现区域可持续发展具有决定作用,为揭示西南地区ESV过去-现在-未来时空演变规律,运用ESV计算体系对西南地区2005—2015ESV动态演变进行定量分析,采用Logistic-CA-Markov耦合模型预测2025年ESV格局。结果表明:(1)2005—2015年西南地区总体呈现增长的趋势,其值达到20.85亿元,主要受青海、西藏水域ESV增加所致,青海、西藏ESV增长率占绝对优势。(2)空间上呈现西北和东南部ESV高、北部ESV低的分布格局;不同类型和不同等级的ESV在空间上相互转换,低等级向高等级转化明显,其他生态景观向建设用地亏损流动减少的价值不足以抵消向水域流动增加的价值,盈利大于亏损,生态环境明显好转。(3)Logistic回归分析各生态景观的ROC值均大于0.87,拟合结果能够满足预测要求;CA-Markov模拟ESV空间布局,Kappa系数为0.86,可以在整体上较准确的反映其空间演变格局。(4)2015—2025年ESV空间演化表明西南地区各区域生态环境总体趋于良好,但建设用地增加的生态负效应不可忽视,还需合理进行用地布局。研究揭示了西南地区过去-现在-未来ESV时空演化规律,提供了长时间序列的时空演化图谱,对该地区实施卓有成效的生态规划及可持续发展提供了科技支撑和重要参考。     

西南近50年实际蒸散发反演及其时空演变

利用CRU 4.0及GLDAS Noah 2.1数据集,采用随机森林算法对1966年至2016年中国西南陆面月尺度实际蒸散发(ETa)进行逐像元反演,结合袋外误差均方值(MSEOOB)、解释方差百分数(PVE)和均方根误差(RMSE)评价模型以及与其他典型数据集对比的方法对模型和反演结果进行精度评价,在对中国西南ETa的空间格局及时空演变特征进行分析的基础上,利用因子置换重要性评价模型(PIM)对特征因子进行重要性评价。结果表明:(1) MSEOOB均值为4.14,标准偏差仅为3.73,PVE均值为99.36%,标准偏差仅为0.33,模型基于2000年至2016年月尺度拟合结果的RMSE均值仅为1.04 mm/月,标准偏差为0.52,反演结果与GLDAS 2.1、2.0及MOD16数据的R2分别为0.99、0.89、0.95,总体而言模型及拟合结果可信度和精度较高;(2)西南地区ETa整体上表现出随着纬度的降低而增加的特征,从西北高原地区向东南沿海区域逐步增加,不同季节上西南的ETa空间分布差异较为明显,从春季到夏季先呈现出由东南向西北逐步增加的态势,夏季到冬季则呈现出从西北向东南减弱的特征,在每年的7、8月份左右各区域的ETa达到最大值,在1、2月份左右为最低值,并呈现起伏的周期特征;(3)以横断山脉为分界,横断山脉以南的丰水区的ETa主要受云覆盖百分数、月均气温日较差与月均日最高温共同驱动,而横断山脉以北的少水区域主要受云覆盖百分数、月霜日频率与月均水汽压共同驱动,而无论是在丰水区还是少水区,云覆盖百分数都是所有因素中最主要的驱动因子。     

西南地区土壤湿度与气候之间的互馈效应

土壤湿度控制着陆气之间的水热交换,与气候具有互馈效应。为了揭示中国西南地区土壤湿度与气候之间的关系,基于39年GLDAS数据,采用线性倾向估计、偏相关等方法探究了该区域土壤湿度与降水、气温的时空规律及相关性,分析了土壤湿度记忆性(Soil Moisture Memory,SMM)的空间分布及季节特征。主要结论如下:(1) 1979—2017年,西南地区仅表层(0—10cm)年平均土壤湿度呈显著减少趋势(P 0.001),气候倾向率为0.7 kg/m2/10 a,年降水量呈不显著增加趋势,而年平均气温呈显著的增加趋势(P 0.001)。(2)多年平均状态下,表层与更深层(10—40、40—100、100—200 cm)的土壤湿度呈相反的空间格局,中层(10—40、40—100 cm)土壤湿度最高。(3)基于像元的偏相关系数表明研究区土壤湿度总体上与降水关系更密切,二者呈正相关,但在0—10 cm,部分地区相关性不显著。(4)西南地区SMM总体上以60—90 d为主,且SMM均值以夏季最长,其次为冬季和春季,秋季最短;同时,对比各深度的SMM,发现0—10 cm的土壤湿度对整个西南地区长期的气候预测具有更好的代表性。研究结果可为研究西南地区陆-气相互作用以及气候预测与模式评估等提供参考依据。