2008-2014年新疆艾比湖流域土壤水分时空分布特征

传统的土壤水分模拟研究难以从土壤水分变化的时空双向出发表达其连续演变的过程,存在时空尺度效应问题。借助SWAT模型模拟的长时间序列优势,结合高分辨率卫星影像和遥感技术,力图在时空尺度效应问题上取得突破。并利用长时间序列的模拟结果分析流域土壤水分的空间格局和不同维度时空异质性。结果表明：（1）2008-2014年间艾比湖流域土壤水分主要受气温、降水及人类活动影响,呈波动变化,总体偏低且具有逐年减小趋势。（2）受降水、地形及土地覆被影响,土壤水分分布呈现出由山区向两侧平原减少的特点,且林地 > 农用地 > 草地 > 稀疏植被。（3）近10年间土壤水分低值区由原来的北部山区及平原向东部、东南部平原区及南部山区迁移,东部减少最为明显。（4）流域四季土壤水分变化差异显著。其中,春季主要受融雪影响;夏季、秋季主要受降雨量和气温影响;冬季主要受固态降雪和气温影响;且不同年份、相同季节、相同子流域土壤水分变化趋势表现一致。     

1998-2013年新疆艾比湖湖面时空动态变化及其驱动机制

采用1998年9月,2002年9月,2007年9月,2011年9月以及2013年9月多期Landsat数据,利用归一化水体指数模型(NDWI)和修正归一化水体指数模型(MNDWI)提取新疆艾比湖水域面积,研究近年来艾比湖湖面的动态变化。以最大似然分类结果作为标准,验证了用NDWI和MNDWI模型提取面积的精度,得出NDWI模型所提取的湖泊面积更符合实际情况,湖泊总面积从1998年的519.26km²减少到2013年的422.73km²,缩小了18.59%,表明目前艾比湖正在退化,从而促使生态环境受到影响。对5期影像中的艾比湖湖面进行了边界的提取和叠加,利用湖泊面积动态模型研究艾比湖湖面积的动态变化,在此基础上分析了影响艾比湖湖面积变化的驱动机制,近年来随着温度的逐渐升高,降水量呈下降的趋势,加上大量的蒸发作用、径流量变化及沙尘日数等综合作用的结果,导致了艾比湖面积的缩小。多年来艾比湖流域内随着人口数量的增加、耕地面积的不断扩张、牲畜的大量增长,导致需水量逐渐增大,因此也是导致湖面面积减少的主要原因之一。开展艾比湖湖面时空动态变化及其驱动机制研究,对于干旱区湖泊来说具有重要的理论和实际意义。     

基于乡镇尺度的土地生态安全时空格局评价研究——以博尔塔拉蒙古自治州为例

近年来,国内外学者已做了大量区域土地生态安全评价的研究,但大多针对流域或县级以上行政单元,乡镇尺度的土地生态安全评价研究甚少。因此,选择地处我国西北干旱生态脆弱区的博尔塔拉蒙古自治州为研究区,以"3S"技术和数学统计方法为支撑,结合研究区自然地理特征和社会经济状况,构建博尔塔拉蒙古自治州乡镇级压力-状态-响应(Pressure-StateResponses,P-S-R)土地生态安全评价模型,并对其土地生态安全空间格局特征及成因进行诊断性分析。结果表明:(1)2014年博州土地生态安全较2011年有所恶化,Ⅲ级向Ⅳ级转化的面积最大,高达2555.33 km~2,主要在温泉县境内,其次是Ⅴ级区域向Ⅳ级转化1356.53 km~2,主要发生在精河县的茫丁乡和托托乡;(2)博州大部分乡镇的土地生态安全状况处于Ⅲ级水平,区域生态结构不稳定,亟待调整;(3)博州土地生态安全状况具有明显地域性分布的特征,低值区多集中于博州东部荒漠地区,高值区多集中在博州中部绿洲区域和湖区。研究结果可为乡镇级土地生态安全评价提供参考,为区域生态保护协调推进与乡镇可持续发展提供理论指导。     

艾比湖区域景观格局空间特征与地表水质的关联分析

为进一步明确区域土地利用/覆被—景观格局对河流水质影响的空间尺度。选择新疆艾比湖区域为研究对象,以25个水质采样点为中心,建立5种尺度的河流缓冲区并提取不同尺度下的土地利用/覆被-景观格局数据。首先,通过主成分分析获得水环境的主要水质变量。其次,利用冗余分析(RDA)方法探讨研究区不同宽度缓冲区土地利用/覆被—景观格局对河流水质的影响,获得水质管理的有效缓冲区。最后,引入突变点分析方法进一步寻找导致水质变量沿景观梯度突变的特定位置。结果表明:(1)土地利用/覆被—景观格局在不同宽度缓冲区内对河流水质的影响不同。4 km缓冲区土地利用/覆被—景观格局对区域水质有较强的分异解释能力,因此4 km缓冲区的景观格局合理配置对河流水质管理尤为重要。(2)通过偏RDA分析发现4 km缓冲区中,影响区域水质的主要环境变量为景观水平斑块密度、类型水平耕地斑块密度和森林聚集度。(3)在偏RDA分析的基础上,对4 km缓冲区内的景观指数进行突变点分析研究,发现区域景观水平斑块密度为90—105 m/hm~2,类型水平耕地的斑块密度ED值在90—110 m/hm~2、林草地的AI值在70%—90%,是艾比湖区域水质保护的最佳突变值,该值为艾比湖区域水质保护的阈值。本研究从多个角度对新疆艾比区域的土地利用/覆被—景观格局对区域水质的影响进行定量分析,揭示该地区景观生态变化的规律,为区域景观格局优化和土地合理规划提供理论依据,并对改善"丝绸之路经济带"生态环境、实现资源可持续利用具有重要的现实意义和理论价值。     

基于Sentinel-2A影像干旱区棉花叶片SPAD数字制图

植被叶片叶绿素是农业遥感反演的重要参数,叶绿素含量的变化与植被生长环境的胁迫程度、生理变化密切相关,故将植被叶绿素进行实时、动态监测对农业生产极为重要。然而,传统经验模型及叶绿素精准测量存在困难。基于高分辨率的Sentinel-2A数据,在机器学习框架下,利用光谱信息、最适光谱指数和基于PROSAIL辐射传输模型的生物协变量构建3种建模方案（方案1：光谱信息和最适光谱指数联合,方案2：光谱信息和物理模型生物协变量联合,方案3：光谱信息、最适光谱指数和物理模型生物协变量联合）。最终基于优选出的建模方案进行棉花叶片叶绿素相对含量的空间数字制图。结果表明：（1）红边波段参与的最适光谱指数比值植被指数（RVI）与棉花叶片SPAD值相关性最高r=0.767,P^**=0.195;（2）将构建的17个变量进行重要性分析可知,构建的最适光谱指数比值植被指数（RVI）与物理模型生物协变量LAI-Cab对估算模型的精度贡献率较大;（3）建模方案构建植被指数时红边波段被确定为最优波段,在增加精度方面起到决定性作用;通过模型评价标准来分析3种方案可知,预测精度大小顺序为模型方案3 > 模型方案1 > 模型方案2,其中方案3的决定系数R²最高为0.826,即估算模型方案3对棉花叶片SPAD值具有最好的预测能力,可以为干旱区农作物的生理参数反演提供新的思路,为农业安全监测,合理水肥配置提供科学数据支持。     

基于VIC模型模拟的干旱区土壤水分及其时空变化特征

土壤水分在陆地水循环中起着十分重要的作用,大尺度、长时间及高精度的土壤水分监测是旱情预警、生态恢复与精准农业决策部署的重要指导依据,而陆面过程模式模拟在时空尺度上可获得更准确的土壤水分特征。以渭-库绿洲为目标靶区,结合VIC陆面过程模型和土地利用类型变化,探讨2009—2016年研究区年际间不同地类土壤水分时空变化规律,并用实测数据进行精度验证,结果表明:(1)东北区域土壤含水率模拟值较高,土壤含水量低值集中在研究区西部与南部区域。(2)盐渍土壤表层含水量高于耕地,每年雨季,灌丛土壤含水量高于其他3种地类,由于大量荒地转为耕地,绿洲荒地土壤含水量与耕地土壤相互接近,在28.784—53.741 mm之间。(3)渭-库绿洲近7年耕地与盐渍地面积大幅度增加,耕地与盐渍地面积增幅达35%以上,荒地面积相较2009年减少约46%,灌丛面积增幅约15%。(4)荒地土壤含水量伴随面积大幅度下降,土壤含水量数值集中在正态曲线28.6 mm以上区域。VIC模拟值与实测值均方根误差(RMSE)范围在1.4—2.80之间,RE范围在0.90—2.20之间,R~2范围在0.40—0.60之间,模拟效果较好。     

新疆艾比湖湿地自然保护区荒漠优势种体内的水分来源

植物体内各水分来源的比例反映植物的适应特征,在水分作为限制因子的荒漠区,其更是物种间生态位分化、荒漠多样性维持的重要机理之一。通过检测艾比湖湿地自然保护区内4个生境(荒漠、河岸林、盐沼地和沙丘)的8科14种优势种的木质部,以及当地河水、地下水、4层不同深度(0—40,40—70,70—100 cm和100—150 cm)土壤水的稳定氧同位素值(δ~(18)O),估算各物种和各科植物体内各种水分来源的比例,随后依据根系的空间位置再将14种植物分成13个中深根系和1个浅根系物种,进一步利用δ~(18)O值分析深浅根系植物间的水分差别,以及各水源间的补给关系。结果表明:(1)艾比湖湿地自然保护区内,不同物种体内水分来源存在差别。将所有优势物种按科属归类后,类似物种水平,不同科属植物体内的水分来源也存在差别;(2)地下水是大部分植物的主要补给水源,多数植物很少利用0—40 cm表层土壤水;(3)深浅根系植物的水分来源不同,深根系植物主要利用地下水和河水,而浅根系植物主要利用土壤水;(4)艾比湖湿地自然保护区内,地下水补给河水,随后两者共同从土壤深层至浅层依次补给土壤水。综上可知:干旱荒漠内,水源可利用性的多样化,导致不同区域植物体内各水分来源的比例存在差别。在离河岸距离、地下水位高低、土壤表层盐渍化程度等因素的综合影响下,多年生和盐渍环境生长的植物,趋向于吸收地下水、河水和深层土壤水,相反,一年生或短命植物趋向于利用其能触及到的各种水源。     

和田地区植被覆盖变化及气候因子驱动分析

基于MODIS NDVI(2000—2016年)数据集,结合气温、降水数据,利用最大值合成法、斜率分析法及相关分析等方法,分析和田地区近17年的植被覆盖时空变化特征及其与气候因子的相关性。结果表明:(1)近17年和田地区植被覆盖的月际变化表现为先增加再减少,年际变化表现为显著上升趋势,增速为0.452/10a;(2)近17年和田地区植被覆盖增加和减少的区域分别占总面积的4.48%和0.21%,绿洲及昆仑山北部部分区域变化剧烈,高海拔区域基本不变;(3)近17年温度和降水小幅增加,增速分别为0.144/10a和0.156/10a;月尺度上,植被覆盖与温度为正相关,植被生长滞后于温度两个月;与降水以负相关为主,滞后效应不明显。(4)NDVI对气候因子响应的空间分布中,NDVI与平均温度以负相关为主,与降水以正相关为主,与降水的相关性较温度的相关性高;昆仑山北部植被对降水变化更敏感,和墨洛绿洲、策勒-于田绿洲和和田地区西南部山区对温度变化更敏感。     

2001-2015年天山北坡植被覆盖动态变化研究

利用天山北坡2001-2015年植被生长比较旺盛月份（6-9月）的MODIS NDVI产品数据,结合像元二分法进行植被覆盖度提取,并对其空间分布特征、随时间及地形的动态变化和面积加权重心进行分析。研究表明：（1）天山北坡6-9月多年平均植被覆盖度介于0.4-0.5,以低、中低植被覆盖度为主,各等级植被覆盖度大致呈西北-东南向相间分布;（2）2001-2015年间,植被覆盖度有逐渐上升的趋势;植被覆盖改善区域（54.42%）大于退化区域（45.58%）,西部较东部改善更为明显;植被覆盖度变异类型以弱变异和中等变异为主,植被覆盖度变化类型以稳定型为主;（3）天山北坡区域植被覆盖度变化受海拔高度影响明显：随着海拔高度的上升,较低植被覆盖度比例呈现先上升后下降再次上升趋势,较高植被覆盖度则与之相反;海拔3880 m以上低植被覆盖度占绝对优势,较高的植被覆盖度占比逐渐下降直至几乎绝迹;（4）各等级植被覆盖度面积加权重心集中在沙湾县、石河子市、玛纳斯县及呼图壁县;并呈现由集中到相对分散的趋势。     

基于遥感与GIS的渭库绿洲生态系统服务价值时空变化研究

生态系统服务价值(ESV)研究是改善土地利用方式,对促进地区生态系统保护和修复具有重要指导意义。选择生态环境较为脆弱的渭库绿洲为研究区域,以1994和2016年遥感影像为基础数据进行生态服务价值评估,应用格网、敏感性分析、空间自相关等空间统计学方法来进一步揭示研究区域生态系统服务价值(ESV)动态变化特征。结果表明:(1)1994—2016年间渭库绿洲土地利用变化/土地覆被变化较为显著,耕地,建设用地面积呈增长趋势,水域、草地和未利用地面积呈递减趋势,耕地和草地面积变化最为剧烈。(2)1994—2016年,渭库绿洲的生态系统服务总价值呈减少趋势,由4895.67×10~6元减少到3864.78×10~6元,减少了1030.89×10~6元,年均减少0.96%;空间上表现为生态服务价值增值区及减值区呈包围态势,生态系统服务高值区域在不断缩小;同时生态系统单项服务价值呈现有增有减的趋势,废物处理、水源涵养、生物多样性保护、娱乐文化等四项单项服务价值呈现下降趋势,而食物生产、气候调节、气体调节和原材料、土壤形成与保护等其他五项单项服务价值出现上升趋势。(3)敏感性分析表明,所有土地利用类型生态系统服务价值系数的敏感性指数(CS)均小于1,说明生态价值系数(VC)对生态系统服务价值的变化影响较小,模型能够合理评估该区域生态服务价值波动。(4)研究区生态系统服务价值表现出明显的空间自相关与空间聚集现象,生态服务价值高值聚集区主要分布在渭干河上游"克孜尔水库"周围和塔里木河北岸,并呈减少趋势,注意保护高值区的空间稳定性;低值聚集区主要集中在绿洲南部靠近塔克拉玛干沙漠边缘和北部靠近天山中部的山区以及库车河下游荒漠区域,这类区域在空间范围上呈连片连绵趋势,空间分布格局上基本保持稳定。(5)受气候变化和人类活动的双重影响下,草地和水域面积的大幅度下降,耕地和建设用地面积的增加,导致生态服务价值系数较高的土地越来越少,使得研究区的生态服务价值趋于减弱。