彭冲涧小流域植被恢复的水文效应及其对年降水量响应的临界值

对流域径流的变化及其原因的研究,是森林水文研究领域中一个重要的科学问题.本研究以降水充沛的彭冲涧小流域为对象,运用Mann-Kendall检验法对彭冲涧小流域1983—2014年的降水、径流序列进行突变分析;采用经验统计分析法,分析降水变化和植被恢复对小流域径流的影响及其贡献率,并计算年尺度上植被恢复的水文效应对降水量响应的临界值.结果表明: 2003年为降水与径流的一致突变点;相对于基准期(1983—2003年),变化期(2004—2014年)的年降水量、年径流深分别减少8.7%、29.2%,年平均减少幅度分别为12.7、22.1 mm;春、夏、秋、冬季及年尺度上的平均径流深分别减少100.2、105.8、25.2、23.4和243.0 mm,其中,降水变化的贡献率分别为58.9%、71.6%、65.5%、35.0%和57.1%,植被恢复的贡献率分别为41.1%、28.4%、34.5%、65.0%和42.9%;植被恢复的水文效应依赖于年降水量,且临界值为1181 mm.当年降水量小于1181 mm时,植被恢复增加了年径流深;当年降水量大于1181 mm时,植被恢复减小了年径流深.此临界值的存在,将有助于解释不同流域植被恢复对径流影响贡献率的差异性,有助于找到森林对径流影响存在争论和分歧的原因.     

云南省近50年降水量的时空格局与成因分析

随着全球变暖的加剧,中国各区域近50年来的降水量变化呈现出更显著的地域差异。本文选取云南省32个资料序列较长的地面气象观测站1967—2016年逐日降水量数据,通过线性倾向率、Mann-Kendall检验、Morlet小波分析、Kriging插值和广义线性混合模型(GLMM)等方法,分析了云南省1967—2016年降水量时空格局与变化趋势。结果表明:1967—2016年年际降水量波动变化显著,总体呈下降趋势,且湿季主导全年降水; 1995年和2002年为云南省降水量发生突变的年份,其中,1995年出现了降水量的急剧上升,2002年出现了降水量的骤然下降;云南省年平均降水量主要有准23 a、准12 a和准4 a三个振荡周期,并以准23 a长周期为主振荡周期,在未来一段时间内云南省降水仍维持在多雨期,但处于降水偏多向降水偏少的过渡阶段;云南省平均年降水量整体表现为滇东北和滇西北地区降水少、滇西南和滇南地区降水多的空间分布格局,且自东北向西南呈条带状递增分布;湿季降水空间分布主要受海拔的影响,在滇南地区海拔较低的江城形成降水中心;干季降水空间分布则受到地形和气流的综合作用,在滇西北地区的贡山形成降水中心。本研究定量解析了云南省降水量的时空演变特征及其驱动机制,证明了云南省近年来降水不稳定性加剧的同时下降速率明显升高,干旱化趋势越来越严重。研究结果为区域气候变化与灾害预警提供了基础数据,对预测区域水文变化趋势、提升水资源利用效率以及制定科学的抗旱减灾决策具有重要的现实意义。     

鹤山丘陵草坡的水文特征及水量平衡

 在中国科学院鹤山丘陵综合开放实验站的草坡集水区对大气降水和径流进行了连续4年的观测,并于1994年对该集水区的蒸散进行了测定,结果表明：1)鹤山丘陵区年均降水量1761.37mm,大气降水有明显的干湿季之分,干季降水量占全年降水量的12.47％,湿季占87.53％。年均降水量中有62.24％可引起地表产流,即年均产流降水量1096.3mm。产流降水以中、小雨频度为大,但产流水量主要由大、暴雨供给。文中根据降雨量较大地区的降水、产流特征和规律,提出了产流降水和产流水量的概念。2)鹤山丘陵草坡集水区年总径流系数50.12％,地表径流系数17.33％。地表径流主要集中在湿季产生,与降水量呈二次抛物线型回归关系,与降水强度关系不大。3)1994年水量平衡各分量中,实际降水输入1841.55mm,年径流量970.28mm,径流系数52．69％,径流是系统的最大输出项;蒸散量851.56mm,意味着年降水收入中46.24％的水量以汽态形式返回了大气。蒸散的月变化呈双峰型,不同于降水的季节分配,径流的月变化则与降水同步。系统蓄水年变化量19.71mm,约占年降水量的1.07％,但其月变化却非常大,在一68～104mm之间。草坡集水区的水量平衡是一种收入对支出的补给和收支项目中可变性的动态平衡。4)鹤山丘陵草坡水热季节分配失衡、产流降水量和地表径流量大是这种退化生态系统恢复的3个限制因素;认为退化生态系统恢复过程中系统水量支出和蓄留方式的转变是退化生态系统的恢复机理之一。     

近30年我国棉花需水特征

利用1981—2010年我国棉花全生育期和各生育阶段降水资料,分析在不同年降水量保证率条件下,棉花全生育期降水和需水量的变化特征.结果表明: 我国棉花全生育期降水分布总体稳定少变,由南至北降水量递减;棉花全生育期需水量分布情况相似,新疆地区需水量较全国其他地方多;降水盈亏0毫米线在35° N附近,最大亏缺量在1000 mm左右,最大盈余量在800～1200 mm.各生育阶段需水量以下降趋势为主,尤其是开花-吐絮期更为明显,棉花全生育期需水量Kendall倾斜度为-3.6673～-0.3733.     

马占相思人工林和果园地表径流规律的对比研究

基于连续 5年的观测 ,对比研究了马占相思人工林和果园两种地表类型上地表径流的各自特点 ;讨论了季节性地表径流的差异与系统水分结构问题 ;探讨了根据实际资料求取发生地表产流的降雨量临界值的方法 ,此方法以综合考虑未发生产流的最大降雨量和已发生产流的最小降雨量为基础 ;并得到了如下的一些结果 :1)本区域不同强度的大气降水频度分布比较均匀 ,但降水量主要由少数几场特大降水带来 ,并且降水量的季节分配极不平均 ,湿季 (4～ 9月 )降水量占全年的 85 .5 %。 2 )地表径流的季节差异更大 ,果园在湿季的地表径流量占全年的93.8% ,马占相思林占 95 .1% ,作者认为在降水量存在较大干湿季差别的地区 ,对于越难于发生地表径流的下垫面 ,这个值会越高。3)马占相思地表径流系数在逐年减小 ,果园的变化较大。4)一次性降雨量对地表径流量的影响在这两种地表类型上都很明显 (r>0 .85 ) ;一次性降雨强度对地表径流的影响只有在中等降雨量 (6～ 16 mm)下才表现明显 (r>0 .87) ,对于较小和较大降水量 ,径流量与降雨强度关系都不大 ;径流系数受一次性降雨强度的影响很明显 (林地 r>0 .92 ,果园 r>0 .77)。 5 )马占相思和果园一次性“最大可能”地表径流产流的雨量临界值 ,分别为5 .1m m和 2 .8mm。     

1962-2011年来宁夏不同等级降水的变化特征

为了了解宁夏地区不同等级降水的结构特征,以1962-2011年宁夏地区9个气象台站逐日降水资料为基础,运用线性趋势法、相关分析法、Hurst趋势分析法及IDW空间插值法,分析了宁夏地区不同等级降水量、降水日数和降水强度的变化特征.结果表明:年降水量、降水日数整体呈减少趋势,而年降水强度则表现为微弱增加,未来的年降水量将呈反持续性,而年降水日数、降水强度则表现为持续性;从空间变化来看,受不同因素影响,年降水量、降水日数及降水强度均表现为由南至北的减少趋势,且降水量、降水日数的空间分布具有一致性;从时间变化来看,夏季降水量丰、降水日数多、降水强度大,其中暴雨的降水强度最大,冬季则降水量枯、日数少、强度小;年、季不同等级降水事件气候趋势分析表明,年降水量和降水日数呈减小趋势,而受冬、夏、秋小雨及暴雨的影响,年降水强度呈微弱增加之势.     

东江流域降水与径流演变趋势及周期特征分析

认识流域水文演变趋势和周期性规律对流域可持续发展规划具有重要的生态意义。基于1989-2011 年东江流域9 个气象站点的逐日降水数据和3 个水文代表站(龙川、河源和博罗)的日径流数据, 分别采用Mann-Kendall 趋势检验和小波分析方法对东江流域降水量和径流量变化趋势和周期特征进行了研究。结果表明1989-2011 年间东江流域年降水量和春冬季节降水量呈不显著的减少趋势, 而夏秋季节降水量有增多的趋势; 位于上、中、下游水文站点的年径流量和枯水期径流量均呈现不显著的下降趋势; 东江流域的降水和径流趋向于更加不均的时空分布特征,其周期性演变趋势的时空特征较一致; 年径流系数的变化幅度极小(Mann-Kendal 倾斜度接近0)。这项研究也将有益于位于亚热带类似的流域森林植被恢复的政策决定。     

岷江上游不同景观结构小流域水量平衡的比较

研究了1988～2002年岷江上游两个小流域（镇江关流域和黑水河流域）不同景观结构（土地覆盖、海拔、坡度、斑块密度、最大斑块指数等）对水量平衡的影响.基于两个流域土地覆盖类型、1988～2002年多年平均降水量和蒸散量的空间分布、两个流域土地覆盖类型同期多年平均径流深度的数据,得到不同土地覆盖类型的海拔、坡度、坡向与降雨、蒸散、径流的关系.结果表明,两个流域有林地海拔、坡度、坡向的不同导致其降水、蒸散降水比、径流降水比各异;两个流域草地水量平衡对景观格局的响应模式与有林地基本一致;由于黑水河流域的耕地分布在干旱河谷中,其蒸散量远远大于降水量,耕地本身的景观结构（坡向、坡度,斑块密度）并不对其水量平衡产生影响,这一点与镇江关完全不同.     

气候变化背景下中国农业气候资源变化Ⅵ.黑龙江省三江平原地区降水资源变化特征及其对春玉米生产的可能影响

利用黑龙江省三江平原地区1959-2007年降水资料和1983-2007年春玉米生育期资料,采用百分位法确定了各站点的极端降水阈值,结合极端降水频次、强度、最长连续(无)降水日数、极端降水贡献率等指标,分析了三江平原地区极端降水的年际间变化特征、不同等级的降水量变化以及春玉米各生育阶段极端降水的分配特征.结果表明:1959-2007年间,研究区域年降水量呈略微减少趋势,且年降水日数的减幅远大于降水量,年内降水量分布更趋于集中;极端降水频次和强度均呈减少趋势,极端降水频次的年际间波动大于极端降水强度;年极端降水量占全年降水量的比例略有减少,减少趋势不显著;年小雨日数极显著减少,而年中雨日数和年内大到暴雨日数的减少趋势不显著.三江平原地区春玉米各生育阶段的极端降水分配比例由高到低依次为生殖生长阶段、营养生长与生殖生长并存阶段、营养生长阶段和出苗前;春玉米生长季内降水量占年降水量的比例显著减少,导致春玉米生长季缺水的风险加大;春玉米生长季内最长连续无降水日数呈极显著增加趋势,增幅达1.1 d·(10 a)-1,而最长连续降水日数却呈极显著下降趋势,减幅为0.5 d·(10 a)-1,说明研究区自然降水条件下春玉米生长季干旱风险有所加大.     

降水对新疆马铃薯甲虫分布的影响

为明确降水在中国新疆地区对马铃薯甲虫分布的影响,揭示制约马铃薯甲虫分布扩散的关键环境因子,为马铃薯甲虫的持续防控和综合治理提供理论依据。该研究结合新疆历史降水数据,对马铃薯甲虫现有分布区内的降水时空格局展开分析,比较了马铃薯甲虫危害程度与降水时空格局的关系。结果表明:马铃薯甲虫现主要分布于新疆年降水量在150 mm以上地区,早期定殖的地区降水量大于后期定殖区,其扩散方向为自西向东,同时年降水量也逐渐减少。马铃薯甲虫危害程度也随着经度增加而递减,早期发现马铃薯甲虫的地区受危害程度较重。降水量减少导致的水分缺乏对马铃薯甲虫的分布扩散具有一定的制约作用。     

气候变化背景下中国农业气候资源变化Ⅵ. 黑龙江省三江平原地区降水资源变化特征及其对春玉米生产的可能影响

利用黑龙江省三江平原地区1959—2007年降水资料和1983—2007年春玉米生育期资料,采用百分位法确定了各站点的极端降水阈值,结合极端降水频次、强度、最长连续（无）降水日数、极端降水贡献率等指标,分析了三江平原地区极端降水的年际间变化特征、不同等级的降水量变化以及春玉米各生育阶段极端降水的分配特征.结果表明：1959—2007年间,研究区域年降水量呈略微减少趋势,且年降水日数的减幅远大于降水量,年内降水量分布更趋于集中;极端降水频次和强度均呈减少趋势,极端降水频次的年际间波动大于极端降水强度;年极端降水量占全年降水量的比例略有减少,减少趋势不显著;年小雨日数极显著减少,而年中雨日数和年内大到暴雨日数的减少趋势不显著.三江平原地区春玉米各生育阶段的极端降水分配比例由高到低依次为生殖生长阶段、营养生长与生殖生长并存阶段、营养生长阶段和出苗前;春玉米生长季内降水量占年降水量的比例显著减少,导致春玉米生长季缺水的风险加大;春玉米生长季内最长连续无降水日数呈极显著增加趋势,增幅达1.1 d·(10 a) ^-1,而最长连续降水日数却呈极显著下降趋势,减幅为0.5 d·(10 a)^-1,说明研究区自然降水条件下春玉米生长季干旱风险有所加大.     

黄土丘陵沟壑区苹果树冠截留规律

以陕北黄土丘陵沟壑区的盛果期山地苹果为研究对象,2008-2010年连续3年监测其树冠外大气降水、树冠穿透降水和树干径流,分析不同降水因子对树冠截留能力的影响.结果表明:研究区苹果树干径流率为0.8％,树冠截留率为8.9％,且株间的截留量高于行间,距树干越近,截留量越高.苹果树冠在雨季截留量较大而截留率较低,旱季截留量较小但截留率较高.苹果树冠截留量随降水量、降水强度、降水历时、降水间隔的增大而增加,为幂函数或对数函数关系;截留率随降水量、降水强度、降水历时的延长而降低,随降水间隔的延长而增加,呈幂函数关系.不同降水因素中,降水量对苹果树冠截留能力的影响最大.     

土丘陵沟壑区苹果树冠截留规律

以陕北黄土丘陵沟壑区的盛果期山地苹果为研究对象,2008-2010年连续3年监测其树冠外大气降水、树冠穿透降水和树干径流,分析不同降水因子对树冠截留能力的影响.结果表明： 研究区苹果树干径流率为0.8%,树冠截留率为8.9%,且株间的截留量高于行间,距树干越近,截留量越高.苹果树冠在雨季截留量较大而截留率较低,旱季截留量较小但截留率较高.苹果树冠截留量随降水量、降水强度、降水历时、降水间隔的增大而增加,为幂函数或对数函数关系;截留率随降水量、降水强度、降水历时的延长而降低,随降水间隔的延长而增加,呈幂函数关系.不同降水因素中,降水量对苹果树冠截留能力的影响最大.     

天山北坡前山带降水分布型对荒漠植被的影响——基于逐日降水数据和NDVI分析

降水分布型对荒漠植被的影响规律的揭示是理解全球气候变化下干旱区地表植被覆盖变化过程的基础。基于新疆天山北坡前山带1999-2014年生长季MODIS 1B逐日遥感资料和7个气象站点降水观测数据,运用GIS软件提取出气象站点周围荒漠植被的归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index,NDVI）值,利用相关分析、决策树判识分析等方法,系统分析天山北坡前山带生长季荒漠植被NDVI在不同量级降水和降水型下的时空变化及其持续性等特征,并探究两者的相关程度。研究表明：生长季NDVI在不同时间、空间尺度上对降水存在一定规律的响应特征。从时间尺度来看,NDVI对降水的响应延迟现象随时间越来越不明显,两者相关性先增后减,在生长季中期相关性最强;空间尺度上,各区域差异较大,NDVI对降水的响应快慢与研究区各地的降水量大小明显相关。不同地区的年内NDVI变化趋势也不相同,18天以上的干期长度影响显著。无论研究区域中任一地区年均降水量大小,都一致表现出在生长季期间降水较多的时期,植被覆盖普遍出现为基本不变或轻微改善的趋势,相反在降水较少的时期,植被覆盖普遍出现轻微退化或基本不变（趋势斜率为负的极小值）的趋势。未来可以通过计算体现某地区植被覆盖变化趋势的值,来判断这一时期该地区大气的干湿程度。另外不同量级降水和降水分布型对NDVI变化影响明显,在生长季早、中期,降水量在6.1-12.0 mm时对荒漠植被的生长最为有利,NDVI增长幅度在0.15以上,并且对生长季早、中期植被生长最佳的降水分布型分别为B型降水（指连续两天出现降水且第一天的降水量大于第二天的降水量）和A型降水（指连续两天出现降水,第一天的降水量小于第二天的降水量）。揭示NDVI对降水的响应规律,可为干旱区、半干旱区合理生产灌溉、节约用水、生态恢复与重建等提供理论依据。     

青藏高原植被覆盖时空变化及其对气候因子的响应

研究青藏高原植被覆盖时空分布特征对加深气候变化的认识及生态环境保护具有重要的生态价值和现实意义。利用2000—2016年MODIS NDVI 1km/月分辨率数据以及气象观测数据,采用最大合成法、趋势性分析以及相关分析方法,探讨了不同时间尺度青藏高原地区NDVI的分布特征及其与降水、气温的关系。结果表明:(1)青藏高原东南部植被状况明显好于西北部,植被覆盖的分布格局与区域水热条件的时空分布保持了较好的一致性;近17年来青藏高原植被覆盖改善的地区要比退化的地区面积大,严重退化的区域主要位于青藏高原西南部;青藏高原NDVI值在2000—2016年呈幅度较小的增加趋势。(2)除夏季降水量外,研究时段内其他季节降水量均呈增加趋势;气温均呈增加趋势,尤其以春季增加最为显著,整体上青藏高原气候呈现"暖湿化"趋势。总体上年降水量与年最大合成NDVI呈较好的正相关;年平均气温与年最大合成NDVI在高原东南部呈正相关,西南部呈负相关。降水量和热量条件均是高原植被生长的影响因素,降水与植被覆盖的影响较气温密切。     

气候变化背景下中国南方地区季节性干旱特征与适应Ⅰ.降水资源演变特征

基于中国南方地区15个省（市、自治区）262个气象台站1959-2008年的降水量资料,分析了季尺度降水量的趋势系数、降水变率、年际及年代际标准化降水距平的变化特征.结果表明：研究期间,中国南方地区降水变化趋势的季节差异较大,大部分地区春季和秋季降水量呈减少趋势,夏季和冬季降水量呈增多趋势,但西南部分地区略有不同;研究区域春旱发生可能性减小,夏旱、秋旱和冬旱发生的可能性增加;春旱更易发生在华南地区和西南地区,夏旱和秋旱发生可能性较高的地区为长江中下游地区和华南地区,冬旱发生可能性较高地区由华南地区扩大为华南和长江中下游地区.中国南方地区春季和秋季降水自20世纪80年代以来明显偏少,夏季和冬季降水在20世纪90年代以前偏少、20世纪90年代偏多、21世纪以来又偏少.中国南方各区域季节尺度降水量标准距平的年代变化基本一致,研究时段内秋季降水量呈减少趋势,夏季和冬季降水量呈增加趋势.     

西江坪常绿阔叶林地表径流的研究

本文采用固定小区径流法,对常绿阔叶林及其皆伐迹地草坡地表径流进行了对比研究,结果表明:常绿阔叶林年径流量为9.79毫米,占大气降水量0.5％;较迹地草坡减少径流56.3％。径流的季节变化以夏、春、秋、冬依次递减;其中4—8月为径流高峰期,径流量占全年62.4—96.5％。常绿阔叶林对暴雨以下雨量级的削减作用显著;而对持续性大暴雨以上雨量级的削减作用不明显。     

中国西北部草地植被降水利用效率的时空格局

植被降水利用效率(PUE)是评价干旱、半干旱地区植被生产力对降水量时空动态响应特征的重要指标。利用光能利用率CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型估算了2001—2010年中国西北七省草地植被净初级生产力(NPP),结合降水量的空间插值数据,分析了近十年草地植被PUE的空间分布、主要植被类型的PUE,及其时空格局的驱动因素。结果表明:(1)2001—2010年西北七省草地植被的平均PUE为0.68 g C m~(-2)mm~(-1)。在温带草地各类型中,PUE的大小顺序为草甸草原灌丛典型草原荒漠草原荒漠,各类型草地PUE之间差异显著;对于高寒草地而言,高寒草原的PUE显著高于高寒草甸;(2)温带草地PUE的空间分布与年降水量的关系呈抛物线形状(R~2=0.65,P0.001),PUE峰值出现在年降水量P=472.9 mm的地区;荒漠地区植被PUE的空间分布与年降水量的关系同样呈抛物线形状(R~2=0.63,P0.001),PUE峰值出现在年降水量P=263.2mm的地区;对于高寒草地而言,年降水量100 mm以下地区植被PUE变异较大,年降水量大于100 mm的地区植被PUE的空间分布随降水量的变化呈抛物线形状(R~2=0.47,P0.001),PUE峰值出现在P=559.2 mm的地区;(3)不同降水量区域,植被PUE的年际波动与气候因子的关系也有较大差别。在年降水量为200—1000 mm的地区,草地PUE的年际波动与年降水量的变化呈正相关;在年降水量高于1050 mm的地区,草地PUE的年际波动与年均温的相关性较强,相关系数最高可达到0.4。     

基于华北区河北省监测数据的土壤墒情综合诊断模型验证

本文应用河北省3个市县的14个墒情监测点的数据验证土壤墒情综合诊断模型在华北半湿润地区的适应性,建模使用2011—2014年的数据,模型验证使用2015年的数据。结果表明:模型在河北省半湿润地区具有较好的适应性,验证合格率为76.92%~100%;不同降水量区域模型参数不同;降水越少的地区模型预测合格率越高;唐山市滦南县和唐山市乐亭县属于沿海地区,降水分布与另外2个内陆县不同,因此合格率偏低;墒情综合诊断模型可以应用于华北半湿润地区。     

1956-2009年内蒙古苏尼特左旗荒漠草原的降水格局

弄清全球变化背景下不同地区降水格局的变化对科学理解气候变化及其影响具有重要意义。苏尼特左旗荒漠草原是温带干旱半干旱地区的典型荒漠草原,对气候变化,特别是降水变化非常敏感。利用1956-2009年的日降水资料探讨了苏尼特左旗荒漠草原降水格局的变化规律,以为揭示气候变化的影响机制提供依据。结果表明,该地区年均降水量为191.9 mm,年际变化剧烈,变异系数达26.63%;年均降水日数为63.8 d,变异系数16.9%。生长季降水占全年的85%,但各月变异系数均>50%;降水日数占全年的63%。年和生长季的各月降水以中等降水量、弱降水日数为主,中等强度以上降水事件较少。近50 a来,年和生长季的降水量、降水日数与各等级降水事件均呈下降趋势,年降水减少的原因在于中等降水事件的减少、生长季降水减少的原因在于弱降水事件的减少。年降水减少将影响草地的土壤水分与植物返青;而生长季降水减少将直接影响草地固碳。气候变化背景下年与生长季降水的减少将进一步加剧该地区干旱程度并影响植物的生长发育,从而直接威胁到草地畜牧业的发展。