基于CLDAS强迫CLM3.5模式的新疆区域土壤温度陆面过程模拟及验证

利用中国气象局国家气象信息中心研发的中国气象局陆面数据同化系统(China Meteorological Administration Land Data Assimilation System,CLDAS)大气近地面强迫资料,驱动美国国家大气研究中心公用陆面模式(Community Land Model,CLM3.5),对中国新疆地区土壤温度时空分布进行逐小时Off-line模拟(模拟时段为2009—2012年);利用国家土壤温度自动站(新疆区域105站点)数据验证CLDAS驱动场强迫下的CLM3.5模式在中国新疆地区3个土壤层(5cm、20cm和80cm)的土壤温度模拟能力。研究发现:在月变化方面,第1层(5cm)土壤温度模拟与实测值差异最大,在每年7月最大差异达5k左右;第2层(20cm)在每年7月达最大差异(3k左右),而第3层(80cm)在每年7月均模拟的很好。造成这种现象的原因可能因为新疆地区7月前后浅层土壤温度变化剧烈,温度白天最高可达300K以上,昼夜温差大,导致模式不能很好抓住浅层土壤温度的变化趋势。研究还发现,在80cm土壤深度,模式在1月、12月的模拟结果均较前两层差。在日变化方面,研究发现:较浅的两层(5cm和20cm)土壤温度模拟值在夏季和秋季均较差。与月变化模拟结果类似的是,80cm土壤层日变化在1、12月模拟较差,然而在其他时段却模拟的很好。在小时变化方面,分析发现:第1层土壤(5cm)模拟结果在每年的1—4月及9—11月的全天(即24 h),模式也会有不同的偏差:其中,在03UTC—21UTC之间主要表现为模式结果比观测结果偏高,而在日内21UTC—00UTC主要表现为模拟结果偏小。在每年的5—8月,全天模拟值都偏小,其中在09UTC达当日最大值。而距离第2层(20cm)处的土壤温度模拟值在大部分月份都偏差较小(-1K至1k之间),并在日内12UTC偏差达到当日最大值。研究发现,在土壤20cm处,模式模拟的最大值较观测值提前,而第3层(80cm)的土壤温度基本不受日内变化影响,表现较为平稳。造成这种影响的原因可能是因为新疆地区5—8月、9—11月为昼夜温差大,深层土壤温度较浅层土壤温度温差变化小,这也造成了模式对于浅层土壤模拟较深层差的主要原因。总体研究表明:CLDAS驱动场强迫下的CLM3.5模式可较为精确的模拟中国新疆地区多年平均土壤温度时空分布,并较为准确的反映中国新疆地区土壤温度的小时、日、月及年际的变化规律。模式浅温度模拟不好的原因可能与模式参数化方案及地表参数有关,后期将继续修正该问题。     

湿地生态水文结构理论与分析

针对水土资源开发利用引发的湿地消退问题,通过研究湿地水分运动与补给规律,分析湿地和径流进退的关系、湿地生境和生物的扩展关系,分析湿地水文连接度下降引起的湿地消退效应.根据湿地水循环原理和湿地生境空间分布规律,建立湿地径流场与生物多样性场的概念,从而提出湿地生态水文结构理论.以维持湿地存在、保障湿地生物多样性为目标,通过湿地径流场与生物多样性场的耦合关系,将湿地划分为中心区和适宜活动区,以维持湿地生态水文结构所需要的水分条件定义为湿地生态需水.湿地生态需水问题的核心为确定湿地生态水文结构,并以湿地中心区和适宜活动区为边界条件,通过地表水地下水转化的水量平衡模型对湿地生态需水量进行分析计算.以维持中心区的水分条件作为最小生态需水;维持适宜活动区的水分条件作为适宜生态需水.湿地生态水文结构更对湿地管理提供生态安全阈值.根据湿地生态水文结构的稳定程度,建立湿地生态安全危机管理机制,进行不同级别的预警管理.     

黑河流域中游地区净初级生产力的人类占用

基于Miami模型，对黑河流域中游净初级生产力的人类占用（HANPP）及其与生态系统多样性的关系进行了研究，并对HANPP与生态足迹（EF）指标在可持续发展评估方面的价值进行了比较.结果表明：HANPP的提高将降低生态系统多样性，研究区现状年的平均HANPP率为38.61%，肃州区和甘州区的HANPP已超过生态系统潜在生产能力的极限；结合气候变化和社会经济发展状况进行分析，未来40年黑河流域中游生态系统将面临更大压力.与生态足迹（EF）相比，HANPP更适于从生态系统功能变化角度评估区域发展的可持续性.     

东寨港红树林小型底栖动物丰度与Chla、有机质的相关性

于2015年4月(春季)、2015年6月(夏季)、2015年10月(秋季)、2016年1月(冬季),在海南东寨港红树林保护区潮间带进行多次采样,分选小型底栖动物,并测定沉积物中有机质和叶绿素a含量,分析不同季节东寨港红树林小型底栖动物丰度与有机质、Chla的相关性。研究结果,沉积物中小型底栖动物主要包括自由生活线虫、桡足类、涡虫、多毛类、寡毛类,线虫为优势类群;有机质含量为25.22%—93.41%,平均值为46.6%; Chla含量为0.188—6.303μg/g,平均值为1.731μg/g。相关性分析显示,春季小型底栖动物的丰度和Chla含量呈显著正相关(Pearson's r=0.684; P0.05),夏季小型底栖动物的丰度与有机质含量呈显著负相关(Pearson's r=-0.518; P0.05)。     

基于SPEI指数的淮河流域干旱时空演变特征及影响研究

运用淮河流域149个气象站1962—2016年逐日气温、降水资料以及历史旱情资料,基于SPEI、EOF和M-K等方法分析淮河流域的干旱时空特征,研究干旱的时空演变规律并揭示其对农业生产的影响。结果表明:(1)基于SPEI得到的干旱频次与受灾、成灾面积的相关性通过了0.1的显著性水平检验,表明SPEI在淮河流域具有较好的适用性;(2)淮河流域干旱发生时间差异明显,干旱次数呈现波动变化,发生重旱和特旱次数占总干旱的比重是20.0%,其中重旱和特旱在1960s比重最大(24.8%),其次是2010s(15.8%),在1980s比重最低(10.0%);(3)干旱的空间分布差异大,淮河流域干旱频率在27.76%—36.04%之间,西北部和东南部发生干旱强度较西南部、东北部及中部低;(4)淮河流域总体呈干旱化的趋势,从中部到四周呈现由高到低递减的趋势变化,且空间模态表现为全区一致型、南北相反型和东西相反型。     

辽河流域大型底栖动物耐污值

大型底栖动物耐污值是构建河流生物评价指标的基础。受自然地理区域影响,同一分类单元的耐污值会出现地域上的差异,因此计算和修订适用于某一研究区域的耐污值是准确评价该区域河流健康状况的前提。目前尚未有针对我国北方河流大型底栖动物耐污值计算和修订的报道,基于2009年春季、秋季和2010年夏季在辽河流域308个样点的大型底栖动物数据,采用Simpson多样性指数的水质分级标准对所有样点的水质等级进行了划分,并利用累积分位数法计算获得了辽河流域大型底栖动物195个分类单元的耐污值;同时参考专家经验和相关文献核定了其余71个分类单元的耐污值。依据耐污值敏感特征划分标准,辽河流域大型底栖动物优势类群以敏感种和一般耐污种为主,两者几乎占到总分类单元数的84%,耐污类群种类较少,仅占16%。其中敏感类群有齿蛉科Corydalidae,襀科Perlidae,原石蛾科Rhyacophilidae,细裳蜉科Leptophlebiidae等;一般耐污类群有纹石蛾科Hydropsychidae,四节蜉科Baetidae,扁蜷螺科Planorbidae等;耐污类群有颤蚓科Tubificidae、石蛭科Erpobdellidae等。     

三峡库区典型支流浮游细菌的生态分布及其影响因素

2013年夏季对三峡库区3条典型支流朱衣河、梅溪河、草堂河进行了采样调查,分析了浮游细菌丰度的分布特征及其与环境因子的关系。结果表明:浮游细菌丰度在调查的水体中存在明显空间差异,变化范围为0.53×105~10.55×105个·m L-1,平均值为2.71×105个·m L-1;平均细菌丰度从大到小依次为梅溪河、朱衣河、长江干流和草堂河;3条支流浮游细菌丰度垂向分布特征均表现为表层中层底层。相关性分析表明,溶解氧、p H、叶绿素a与浮游细菌丰度具有显著的相关性,为该水域浮游细菌丰度空间分布的主要限制因子。根据浮游细菌丰度,各调查水域均处于富营养状态。     

海河流域景观空间梯度格局及其与环境因子的关系

基于GIS技术,以海河流域为对象,首先,分别采用Fragstats3.3的标准法和移动视窗法先后分析了流域整体景观格局及其空间分异特征;然后,针对流域本身自然地理梯度特点,分别沿流域纵向(河流流向)梯度和横向(垂直与河流流向)梯度设置了两条样带,应用移动视窗法计算了景观层次下的斑块面积(AREA_MN)、蔓延度指数(CONTAG)、边界密度(ED)、形状指数(LSI)、斑块密度(PD)、多样性指数(SHDI),获得了景观沿两个样带方向的梯度格局;最后,以高程、降水、气温、人口和GDP为环境因子,以上述6个指数值为目标物种,利用去趋势典范对应分析(DCCA)方法研究了景观梯度格局与环境因子的关系。结果表明:2000年海河流域内景观基质为农田,面积占55.9%,流域内景观结构以块状结构为主,并零散分布有圈层和带状(廊道)结构;景观梯度格局在两条样带上均表现为类似的特征,即随景观类型变化呈现不同幅度的波动,两条样带上均存在较为明显的过渡带;DCCA分析表明:景观梯度格局与环境因子关系密切,区域高程、降水量、温度对流域尺度的景观格局起决定性作用,人口数量、GDP则在局部地区对景观格局有着重要影响。     

南水北调对海河流域水生态环境影响分析

提出可定量分析研究流域水循环变化对水生态环境影响的关联分析方法 ,并对海河流域现状进行了关联分析和和评价。分析研究表明人类对水资源的过度开发利用已改变了海河流域的天然水循环并导致水生态环境全面退化。进一步对未来无南水北调和有南水北调的情况进行定量模拟计算 ,结果表明在无南水北调的情况下 ,未来海河流域将处于无法兼顾发展经济和保护生态环境的困境 ;在实施南水北调的情况下 ,水资源可支撑海河流域经济发展并影响和改善整个流域的水循环状态 ,从整体上遏制海河流域水生态环境恶化的趋势 ,但入海水量仍无法改善     

1982-2012年中亚地区植被时空变化特征及其与气候变化的相关分析

干旱区植被生态系统对气候变化极为敏感，并且干旱区的植被变化研究对全球碳循环具有重要意义。然而近几十年来，中亚干旱区植被对气候变化的响应机制尚不甚明朗。利用归一化植被指数NDVI数据集和MERRA（Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications）气象数据，采用经验正交函数（EOF，Empirical Orthogonal Function）和最小二乘法等方法系统分析了31a（1982-2012年）来中亚地区NDVI在不同时间尺度的时空变化特征。进一步分析和研究NDVI与气温和降水的相关性，结果表明：1982-2012年，中亚地区年NDVI总体呈现缓慢增长趋势，而1994年以后年NDVI呈现明显下降趋势，尤其在哈萨克斯坦北部草原地区下降趋势尤为突出。这可能是由于过去30年间，中亚地区降水累计量的持续减少造成的。NDVI的季节变化表明春季NDVI增长最为明显，冬季则显著下降。与平原区相比，中亚山区的NDVI值增长幅度最大，并且山区年NDVI与季节NDVI呈现显著增加趋势（P < 0.05）。中亚地区年NDVI与年降水量正相关，而年NDVI与气温变化存在弱负相关。年NDVI和气温的正相关中心在中亚南部地区，负相关中心则出现在哈萨克斯坦的西部和北部地区；NDVI和降水的相关性中心刚好与气温相反。此外，在近30年间的每年6月至9月，中亚地区NDVI与气温存在近一个月的时间延迟现象。本研究为中亚干旱区生态系统变化和中亚地区碳循环的估算提供科学依据。