基于地表温度-植被指数特征空间的区域土壤干湿状况

土壤干湿状况是监测土地状况的重要指标之一,在水文、气候和生态等多个领域有广泛应用.地表温度-植被指数特征空间(Ts/VI)综合了传感器从可见光到近红外波段的信息,能较好地反映区域土壤干湿状况.以华北平原作为研究区,选择了研究区的云量较少的16幅MODIS产品,包括每日500m地表反射率产品(MOD09GA),每日1km地表温度产品(MOD11A1),建立温度-植被指数特征空间.首先利用线性方程拟合了特征空间的上下边界,改进了计算特征空间的干湿边的方法,并分析了干湿边参数随时间变化的趋势,比较了归一化植被指数(NDVI)和增强型植被指数(EVI)构建的地表温度-植被指数特征空间形状的差异.基于研究区107个土壤湿度站点的数据,讨论分别由Ts/NDVI和Ts/EVI特征空间计算得到的温度植被干旱指数(temperature vegetation dryness index,简称TVDI,分别为TVDIN与TVDIE)和土壤湿度的相关性,以此验证TVDI反映区域土壤干湿状况的能力.利用Ts/EVI空间计算得到的TVDI分析了研究区4个时期土壤湿度的5空间分布规律.同时在气象站点尺度上,讨论了TVDI与降水变化的相关性.研究结果表明,TVDI能够反映土壤表层的干湿状况;Ts/EVI空间计算得到的TVDI与土壤湿度的相关性比Ts/NDVI空间计算得到的TVDI与土壤湿度的相关性要高.降水随时间变化的规律和TVDI也有明显的相关性,即:每次连续降水以后TVDI值下降,表明土壤湿度升高;经过一段无降水的时间之后,TVDI值上升,土壤湿度降低.研究区不同时期的TVDIE图表明,TVDIE能够有效的反映土壤湿度的时空差异,是一种有效的实时监测土壤干湿状况的手段.     

华北平原参考作物蒸散量时空变化及其影响因素分析

根据华北平原56个气象站1960—2012年逐日气象数据和Penman-Monteith模型计算了各站及区域整体参考作物蒸散量(ET0),利用样条插值法、气候倾向率、累积距平、敏感性系数等方法对华北平原ET0的时空变化及其影响因素进行了分析。结果表明:(1)华北平原多年平均ET0为1071.37mm,空间上呈现高低值相间分布格局,高值中心分布在冀北、鲁中、豫西,而低值中心分布在冀东、鲁南、豫东及豫南等地;(2)近53年ET0呈减少趋势(-12.8mm/10a),山东半岛北部及冀北等地有缓慢增加趋势,其余地区以减少为主;(3)ET0对气温、平均风速、日照时数为正敏感,而对相对湿度为负敏感。平均气温与日照时数敏感系数呈现下降趋势,相对湿度与风速敏感系数表现出上升趋势。ET0对气温和风速敏感度高的区域同时对日照时数和相对湿度敏感度较低;(4)归因分析表明,华北平原ET0的主导因子是日照时数,平均风速次之,相对湿度、最高温度、最低温度对ET0变化影响较小,日照时数主导区域包括冀北、坝上地区、冀中、豫西、豫南、鲁中及鲁西北,平均风速的主导区域为冀南、河南黄河以北、豫中、鲁西北,温度主导区域零星分布于冀北、豫西、山东半岛等地,相对湿度的主导区域主要分布在鲁南、山东半岛。     

黄淮平原农业景观不同生境鸟类多样性特征及年际动态

鸟类是地球生物多样性中的重要组成部分,在生态系统功能和服务中发挥着重要作用,是生态环境变化的重要指示物种。农业景观中的食虫鸟类提供了重要的虫害控制服务。当前,农业景观中鸟类多样性丧失加剧,为探讨鸟类多样性在各生境以及年际间的变化,以黄淮平原为研究区,在河流、湖泊、农田、村庄等生境中共设置20个样点。于2016-2019年连续4年在繁殖期采用样线法对鸟类进行多样性调查。调查结果显示：（1）共发现22922只个体,分属14目,38科,53属。从区系分布来看,各生境各年间均以广布种为主;从生态类群来看,鸣禽占绝对优势;从居留型来看,留鸟所占比例最高。（2）在食性组成上,从物种丰富度看,食虫鸟类有57种,约占总物种数的77%;从个体数来看,杂食性鸟类占比超52%。（3）物种丰富度、多样性和均匀度指数最高值均出现在湖泊或河流生境中。（4）鸟类群落相似性分析显示,各生境间鸟类群落均为中等相似程度;鸟类物种丰富度波动幅度在农田和村庄中呈逐年上升趋势。（5）物种多样性加性拆分分析显示,在生境尺度上,局地的α多样性是生物多样性的最重要组成,而从整个研究区来看,生境间的差异则更为重要。造成鸟类多样性时空差异的原因复杂多样,而生境异质性的增加和水域的存在对提高鸟类多样性是具有积极作用的。调查中超过77%的物种和40%的个体均为食虫鸟类,应当充分重视鸟类为区域农业景观提供的虫害控制服务。本研究可为区域鸟类多样性保护及鸟类提供的生态系统服务的提升管理提供理论基础和科学依据。     

华北平原玉米叶片光合及呼吸过程对实验增温的适应性

利用典型农田生态系统的原位实验增温平台,探讨我国华北平原重要农作物玉米叶片光合及呼吸过程对实验增温的适应性,并深入分析其产生适应性的原因和机理。研究结果显示,实验增温使玉米叶片净光合速率(A_n)显著升高(P0.001),同时增温也导致A_n的最适温度(T_(opt))升高1.56℃;相似地,实验增温也同样导致了光合作用过程中最大电子传递速率(J_(max))显著增加(P0.001),并且其最适温度(T_(opt))升高了1.45℃,但并没有对最大羧化反应速率(V_(cmax))及其温度敏感性(Q_(10))产生显著的影响(P0.05)。然而,实验增温却显著降低了玉米叶片的暗呼吸速率(R_d)及其Q_(10)值(P0.05)。另外,研究结果还显示实验增温没有对R_d/A_g和J_(max)/V_(cmax)产生显著的影响(P0.05)。此外,尽管实验增温显著提高了玉米叶片的蒸腾速率(T_r),但却并没有显著改变叶片的气孔导度(G_s)及水分利用效率(WUE)。研究结果表明,玉米可以通过调控叶片光合及呼吸等关键生理过程的最适温度对增温产生一定的适应性。然而,尽管玉米能够在叶片尺度上做出调整来适应增温环境,但这种适应能力却十分有限,以至于未来气候变暖仍可能会对华北平原玉米的生长发育过程和粮食产量造成一定的影响。     

全球气候变化背景下华北平原气候资源变化趋势

在全球气候变化的大背景下,过去几十年,华北平原气候资源也发生了相应的变化,这一变化对该区域的粮食生产将产生深刻的影响。利用华北平原1961-2007年逐日气候资料,探讨了不同年代际间该区域气候资源的空间分布特征。研究结果表明:气候变暖使华北平原热量资源更加丰富,全区≥0℃和≥10℃积温呈整体增加趋势,空间分布呈北移东扩的变化特征;且气候带移动特征明显,向北移动了3个纬度,约300多km。过去47a,华北区域年降水量呈下降趋势,平均下降速率为18mm/10a。夏、秋两季降水量呈减少趋势,速率在25-40mm/10a之间;春、冬两季降水量呈微弱增加趋势,但增加幅度小于夏、秋两季的减少幅度。年平均参考作物蒸散量呈整体下降趋势,减幅小于降水量的变化趋势。全区日照时数显著减少,纬向分布特征明显,以大中城市附近减少最为突出。     

华北平原参考作物蒸散量变化特征及气候影响因素

参考作物蒸散量是估算作物需水量的关键因子,对指导农田灌溉是有十分重要的现实意义。在气候变化的背景下,利用Penman-Monteith方法,计算华北平原典型站点1961 2007年逐日参考作物蒸散量,并从能量平衡和动力学角度对其分解,分析年际变化和季节变化特征;结合数理统计方法,研究影响参考作物蒸散量及其构成项变化的主次气候因子,为该区农田水分管理提供更有效的科学指导。研究结果表明:在华北平原全区温度显著上升、日照时数,相对湿度,平均风速呈显著下降的背景下,绝大部分站点参考作物蒸散量及构成项呈显著下降趋势。夏季的参考作物蒸散量和辐射项值相对最高,冬季值最低;春季的空气动力学项值相对比例最高。辐射项与空气动力学项年际间呈负相关关系,春夏两季之间呈不显著正相关趋势,秋冬两季呈不显著负相关趋势。辐射项的变化主要受日照时数、风速及温度的影响,其中风速的贡献是负效应;空气动力学项的变化主要受风速、相对湿度及平均温度的影响,相对湿度的贡献是负效应。参考作物蒸散量的变化主要受日照时数、相对湿度、温度日较差和风速的综合影响。此外,降水与其呈显著负相关关系,下降幅度略高于参考作物蒸散量的变化幅度。     

气候变暖对华北平原玉米叶片形态结构和气体交换过程的影响

未来全球变暖对农田生态系统产生的影响不仅可能改变整个陆地生态系统的碳平衡状态,更重要的是还关系到全球的粮食安全问题。然而,目前有关农作物对全球变暖响应和适应性机理的研究还很少见,尤其是缺少通过农田原位增温实验探讨作物叶片形态结构及其气体交换过程对增温的响应和适应性机理的研究。利用典型农田生态系统的实验增温平台,研究了未来全球气候变暖对我国华北平原重要农作物玉米叶片的形态、结构特征(解剖及亚显微结构)以及气体交换参数所可能产生的影响。研究结果显示,实验增温分别使玉米叶片的宽度和厚度减少了4%(P=0.017)和10%(P0.001)。然而,实验增温却导致叶绿体长度和宽度显著增加46%(P0.001)和50%(P0.001),从而使叶绿体的剖面面积显著增加了141%(P0.001)。另外,研究结果还显示,实验增温分别增加了玉米叶片的净光合速率52%(P=0.019)、气孔导度163%(P=0.001)以及蒸腾速率81%(P=0.017);同时,实验增温使玉米叶片的暗呼吸速率显著降低了24%(P=0.006),但却并没有对细胞间CO2浓度和水分利用效率产生显著的影响。因此,研究结果表明,未来气候变暖不仅会直接改变玉米叶片的形态和结构特征,同时还可能对玉米叶片的功能(例如光合和呼吸等关键生理生化过程)产生显著的影响。     

华北平原大气氮素沉降的时空变异

利用量雨器和湿沉降自动收集仪在华北平原9个监测点通过2a的试验,研究了农田生态系统中大气氮素沉降的时空变异。结果表明:华北平原大气氮素混合沉降的平均值为28.0 kg/(hm2.a),降水中铵态氮和硝态氮量平均分别为3.76 mg/L和1.85 mg/L。不同地区比较,北京大气氮素沉降为32.5 kg/(hm2.a),明显高于山东和河北两省的23.6 kg/(hm2.a)。北京各监测点的大气氮素沉降也存在明显空间变异,东北旺、房山的氮素沉降水平较高,延庆、顺义的氮素沉降水平较低。大气氮素沉降的年内分布不均,60%的沉降集中在降水较丰沛的6~9月份。氮素的输入与降雨量呈乘幂型正相关(r2=0.67),在农田生态系统中以铵态氮的沉降为主,铵态氮的沉降量是硝态氮的2.0倍;城市生态系统中以硝态氮的沉降为主,铵态氮的沉降量是硝态氮的0.79倍。在东北旺试验点近两年的监测结果表明,在等量降雨量条件下湿沉降输入的氮素(18~20.6 kg/hm2)明显低于混合沉降(26.3 kg/hm2),湿沉降的氮素输入仅占后者的73%,而混合沉降中的超量部分主要来自铵态氮,表明干沉降尤其是降尘带入的铵态氮也是华北平原大气氮素沉降的重要来源。     

不同施肥模式对潮土有机碳组分及团聚体稳定性的影响

作为土壤质量的重要指标,土壤有机碳及其组分在土壤许多物理、化学和生物特性中发挥着重要作用。在田间条件下,通过对7种肥料结构组合处理下的土壤进行采样和分析,系统地研究和比较了不同养分模式对华北平原潮土土壤有机碳组分和土壤团聚体稳定性的影响。结果表明。与单施化肥处理（NPK）比较,NPK＋S和NPK＋M处理显著增加土壤耕作层（0～20cm）的总有机碳（TOC）和总氮（TN）含量。PK和CK处理的土壤TOC和TN较试验前土壤皆有明显下降。有机无机肥配施,明显增加土壤易氧化有机碳（EOC）、颗粒有机碳（POC）、轻组有机碳（LFOC）和水溶性有机碳（WSOC）。特别是与NPK处理相比较,NPK＋M处理的土壤EOC、POC、LFOC和WSOC含量分别增加23．8％、39．9％、42．5％和32．1％。土壤耕作层中微生物生物量碳（MBC）和可矿化碳（MNC）以有机无机肥配施为最高,NPK处理次之,PK处理和CK最小。有机无机肥配施处理还明显增加了土壤〉250μm水稳性团聚体（WSA）含量,并降低了土壤粘粒分散率（CDR）。相关分析表明,土壤〉250μm水稳性团聚体（WSA）含量与所测定的有机碳组分含量皆呈明显正相关,特别是POC、LFOC和MBC与WSA达到极显著相关．相关系数分别为0.89、0.81和0,78;CDR与TOC、POC和LFOC皆呈显著负相关,相关系数分别为-0．70、-0．78和-0．73。     

华北平原冬小麦农田生态系统通量贡献区

利用2013—2014年涡度相关系统观测的华北平原冬小麦农田生态系统通量数据,结合通量贡献区模型FSAM,分析华北平原冬小麦农田生态系统通量贡献区的时空分布特点,对比研究不同大气稳定层结条件和生长期内通量贡献区的分布差异.结果表明: 在主风风向上,冬小麦整个生育期内大气稳定条件下的通量贡献区范围大于不稳定条件下的贡献区范围.在0°～90°主风风向上,生长初期稳定条件下通量贡献区范围比不稳定条件下大17.8 m左右,生长末期稳定条件下的通量贡献区范围比不稳定条件下大11 m左右.生长初期的通量贡献最大值点位置比生长末期距观测点位置远15 m(大气稳定条件)和12.4 m(大气不稳定条件);通量贡献最大值点在稳定条件下比不稳定条件下距观测点位置远5 m(生长初期)和2.4 m(生长末期).在非主风风向上,当风向为90°～180°时,生长初期和生长末期不同大气条件下的最大通量值分别位于距观测点的67.8、53.4和47.0、30.8 m.当风向为270°～360°时,生长初期和生长末期不同大气条件下的最大通量值位于距观测点的58.8、42和41.1、33.1 m.在整个生育期尺度上,观测塔的通量信息主要来自东北、西南和东南方向,其所占比例分别为35.4%、32.5%和19.4%.冬小麦整个生育期内通量贡献区的主要变化发生在观测点东北方向16.0～173.8 m和西南方向14.7～209 m,通量信息全部来源于农田生态系统.两个典型日期的通量贡献区日变化特征明显,通量贡献区范围随大气稳定条件和风向改变而发生变化.夜晚通量信息全部来源于农田生态系统,白天少部分通量信息来源于居民区和果园.本文的定量化结果可为农田生态系统通量贡献区的研究提供依据.