1982-2020年内蒙古地区极端气候变化及其对植被的影响

内蒙古地处生态环境脆弱区,对气候变化尤为敏感。在全球气候变暖背景下,探究极端气候变化及其影响显得尤为重要。基于内蒙古地区115个气象站点1982—2020年的逐日气象数据,从强度、持续时间、频率3个维度出发计算了18个极端气候指数,在综合分析极端气候的时空变化特征的基础上,运用地理探测器和皮尔逊相关分析方法,定量评估极端气候对该区植被的影响。结果表明：(1)极端暖指数均呈增加趋势,说明1982—2020年期间内蒙古地区极端偏暖现象增多。(2)持续干旱日数与持续湿润日数呈减少趋势,说明39年来内蒙古地区连续性无降水天数和降水天数均减少。(3)极端气候指数与归一化植被指数(NDVI)的相关关系表现出明显的空间异质性,表明内蒙古不同区域NDVI对各极端气候指数的响应程度不同。(4)因子探测器结果表明极端降水指数相对于极端气温指数来说,对内蒙古植被生长变化的影响较大。研究结果可为内蒙古地区防灾减灾与生态修复工程提供一定的科学依据。     

1961—2020年松花江流域极端气候指数的时空变化特征

研究气候变化和极端气候对保障松花江流域的粮食安全和社会经济发展具有重要意义。基于松花江流域及其附近69个气象站点的1961—2020年逐日降水量、最高气温和最低气温数据，采用世界气象组织推荐的27个极端气候指数，利用一元线性回归模型和Mann-Kendall趋势检验以及普通克里金插值分析松花江流域极端温度和降水的时空变化特征。结果表明：1961—2020年，研究区极端冷指数中除了冷日持续时间外，其余均呈下降趋势，而极端暖指数、极值指数及其他温度指数呈上升趋势，且最低气温的上升趋势大于最高气温。结冰日数和冷日持续时间及暖日持续时间呈现出自南向北递增的趋势，而日最高气温极低值和日最低气温极低值则呈现相反的空间特征。夏日日数和热夜日数的高值区主要分布在西南部，而冷昼日数、暖夜日数、暖昼日数的空间变化不明显。整体上，除了冷日持续时间外，其他的极端冷指数在松花江流域北部和西部下降趋势较快；而暖指数中的夏日日数、暖夜日数、暖昼日数、暖日持续时间在北部和西部的上升速度较快，热夜日数在西南部上升速度最快；极值指数中，温度的极大值在西北部上升最快，而极小值在东北部上升最快。除了持续干燥日外，其余的降水指...     

1961-2012年西藏色林错流域极端气温事件变化趋势

利用西藏色林错流域2个气象站1961—2012年逐日最高气温、最低气温和平均气温资料,分析了流域极端气温事件的变化规律。结果表明:近52年色林错流域TXx、TNn呈上升趋势,尤其是TNn升幅更大,达1.10℃/10a。极端气温暖指标(TNx、TX90p、TN90p)和生长季长度(GSL)呈明显的增加趋势,而极端气温冷指标(FD、ID、TX10p、TN10p)和DTR为显著的下降趋势。流域绝大部分极端气温指数的变化幅度均比全球、全国和青藏高原偏大,特别是TN90p的变幅最大。在10年际变化尺度上,TNn、TX90p、TN90p和DTR呈逐年代增加趋势,极端气温冷指数和GSL为下降趋势。从时间转折上看,各项极端气温指数均有突变发生,突变点主要出现在20世纪80年代中期以后。最低气温及与之相关的极端气温冷指数的显著上升与色林错湖泊面积的增加密切相关。     

中国西南部地区植被对极端气候事件的响应

在全球气候变化背景下, 极端气候事件频发。中国西南部地区植被对于气候变化及极端气候事件的响应较为敏感。为探究西南部地区植被对极端气候事件的响应程度, 该文采用Pettitt检验、趋势分析法对数据进行分析, 并对数据进行去趋势处理, 分析去趋势前后极端气候指数与归一化植被指数(NDVI)的相关关系。结果表明: (1) 1982-2015年西南部地区植被NDVI呈现显著上升的趋势, NDVI在1994年发生突变, 突变前上升不显著, 突变后呈现显著上升的趋势; (2)去趋势前, 1982-2015年间, 极端降水指数与NDVI显著相关的仅有1日最大降水量, 其与NDVI显著正相关; 除气温日较差外, 其他极端温度指数均与NDVI显著相关。1994-2015年间, 1日最大降水量与NDVI显著正相关, 降水日数与NDVI显著负相关; 在极端温度指数中, 日最低气温最大值、暖昼日数、夏季日数、生长季长度和气温日较差与NDVI显著正相关, 冷昼日数、冰冻日数、冷夜日数和霜冻日数与NDVI显著负相关。1982-2015年间NDVI对年平均气温的响应最强, 而在1994-2015年间NDVI对夏季日数和气温日较差的响应强于对年平均气温的响应。(3)去趋势后, 极端降水指数与NDVI的相关性在两个时段都不显著; 而日最高气温最大值、暖昼日数、夏季日数和气温日较差在这两个时段与NDVI显著正相关, 但其与NDVI的相关系数都在1994-2015年间更高。气温日较差在两个时段与NDVI的相关系数都最高。只在1982-2015年冷昼日数与NDVI显著负相关。     

长江三角洲地区极端气温事件变化特征及其与ENSO的关系

基于1960—2014年65个气象站点逐日最高、最低气温和平均气温资料,分析了长江三角洲地区极端气温事件的变化规律和ENSO事件强度对极端气温指数变化趋势的影响。结果表明:近55年长江三角洲地区夏季日数(SU)、热夜日数(TR)、暖昼日数(TX90)、暖夜日数(TN90)、异常暖昼持续指数(WSDI)、生长期(GSL)均呈增加趋势,其中暖夜日数(TN90)增加幅度最大,增幅为8.55d/10a;极值指数也呈上升趋势,其中月最低气温极小值(TNn)上升幅度最大为(0.53℃/10a);冰冻日数(ID)、霜冻日数(FD)、冷昼日数(TX10)、冷夜日数(TN10)、异常冷昼持续指数(CSDI)均呈减少趋势,其中冷夜日数(TN10)减少幅度最大(-6.06d/10a);月平均日较差(DTR)以0.11℃/10a的速率呈下降趋势。空间上,所有站点SU、TXn、TNx呈增加趋势;TR、TX90、TN90、TNn、TXx、WSDI、GSL分别有97%、85%、98%、95%、78%、92%、94%的站点呈增加趋势;所有站点ID、FD、TX10、TN10呈减少趋势;CSDI、DTR分别有87%、77%的站点呈减少趋势。多数极端气温指数与纬度、经度、海拔显著相关。气候变暖突变后,极端暖指数明显增加,极端冷指数明显减少。总体上,厄尔尼诺对极端气温指数的影响大于拉尼娜的影响。     

近60年来印江河流域极端气候演变及其对净初级生产力和归一化植被指数的影响

极端气候事件的发生改变了区域水热条件,并影响着生态环境变化。然而,目前长时间尺度上极端气候的演变规律及其对生态环境的影响尚不明晰。采用Mann-Kendall趋势及突变检验法、连续小波变换和Hurst指数法揭示了喀斯特槽谷印江河流域极端气候的变化趋势、突变时间、周期性特征和未来演变规律,并利用Lindeman-Merenda-Gold模型定量评估了极端气候溶变对生态环境变化的影响。结果表明：(1)印江河流域极端气温显著上升,降雨量增多,呈现湿热多雨的气候特征。未来极端气温事件持续等级将更高,持续强度也更强。(2)同类型极端气候具有潜在的关联性,但不同类型极端气候间的影响较小,且多呈负相关。(3)印江河流域平均净初级生产力(NPP)和归一化植被指数(NDVI)在2000—2015年间呈现相反的变化趋势,NPP平均值为598.53 g C m^-2 a^-1,平均减少速率为-3.32 g C m^-2 a^-1。NDVI平均值为0.59,平均增长速率为0.0013/a。(4)冷持续指数(CSDI)、平均温差(D...     

2000—2020年广西植被生态质量变化及驱动力分析

为掌握广西植被生态质量的时空变化特征及其驱动机制,该文以植被生态质量指数(ecological quality index,EQI)为评价指标,基于气象、地形、土壤和遥感等多源数据,利用线性趋势分析、相关性分析、地理探测器等方法,分析了2000—2020年广西植被生态质量的时空变化特征及其驱动力。结果表明:(1)2000年以来广西植被生态质量指数呈显著增加趋势,区域植被生态明显改善。植被生态质量发展经历了缓慢增长、迅速增长、显著提升等演变阶段。在空间上,广西植被生态质量指数呈现四周高,中间低的特征,高值区逐渐由东部向西部和北部扩展。(2)广西植被生态质量时空演变影响因素差异显著。随海拔高度上升植被生态质量总体变化呈“增加—下降—稳定—上下波动”的趋势。壤土的植被生态质量高,砂土的植被生态质量低。森林和灌草的生态质量较高,农田植被的生态质量较低。植被生态质量与气候驱动因素呈显著正相关关系,受气温和降水共同影响,其中以气温为主要驱动(T)的区域面积最广,降水为主要驱动(P)的区域面积次之,气温降水强驱动([T+P]⁺)和弱驱动([T+P]^-)的区域面积较小。(3)广西植被生态质量变化驱动力受地形、土壤、植被、气候、自然灾害和人类活动的共同影响。自然影响因子解释力排序为植被>地形>土壤>气候,其中植被净初级生产力和植被覆盖度是影响植被生态质量时空分异的最主要因素。自然因子对广西植被生态质量变化的影响存在交互作用,均呈非线性增强及双因子增强关系,其中地形与植被、土壤与植被、气候与植被因子交互作用最明显。自然灾害和人类活动加剧了植被生态质量变化的影响,其中干旱和低温冷害等气象灾害抑制了植被生态质量的改善,而林业生态工程等人为活动促进了植被生态质量的提升。该研究结果为合理制定广西植被生态保护与修复措施提供了科学理论依据和技术支撑。     

延安市安塞区极端降水变化特征

以1980—2019年安塞气象站的日降水资料为基础选取11个极端降水指标,从降水强度和降水频率的角度对安塞区的极端降水数据进行分析,并对未来极端降水趋势进行预测。结果表明: 1980—2019年,安塞区极端降水指标总体呈现下降趋势,其中,大雨以上日数和普通日降水强度的下降趋势达到显著水平,其气候倾向斜率分别为-0.65 d·(10 a)^-1和-0.32 mm·d^-1·(10 a)^-1。除持续湿润日数和极端降水总量外,其余极端降水指标均存在突变点,突变之后各指标多呈下降趋势,且年降水量、中雨以上日数、大雨以上日数、暴雨以上日数、异常降水总量、普通日降水强度的下降趋势达到显著水平。持续干燥日数与其他指标的相关性较低且与一些指标呈负相关,而持续湿润日数只与少数几个指标具有相关性,此外,其他极端降水指标之间均呈显著相关。Hurst指数分析表明,未来安塞区极端降水总体变化趋势具有持续性。     

2000-2020年祁连山植被净初级生产力时空变化及其驱动因素

植被净初级生产力(NPP)是评价植被生长的重要参数,也是评估陆地生态系统质量与功能的重要指标。基于MODIS NPP、数字高程模型(DEM)、气象水文及人类活动数据,采用空间分析、趋势分析,分别从像元尺度和县域尺度识别了2000-2020年以来祁连山NPP时空变化特征,采用偏相关分析研究了NPP对年均温和年降水的响应,并借助地理探测器模型揭示了NPP变化的驱动因素,最后采用Hurst指数预测了NPP未来变化趋势。结果表明:2000-2020年祁连山平均NPP呈波动增加趋势,年均增加2.38 g C/m²,其中栽培植被和阔叶林增长最为明显。近20年,像元尺度上有75.37%的区域NPP增加,主要位于东南部;县域尺度上,古浪、平安、化隆和永登县NPP增速较快,而祁连、海西、德令哈和门源县增速较慢。祁连山NPP空间分布具有明显的集聚性,高值集聚区主要位于东南部,而低值集聚区主要位于西北部。年均温和降水量的增加均促进了NPP的增加,但不同区域NPP对气温和降水的响应有明显差异。降水量、饱和水气压差和蒸散发是NPP变化的主要驱动因子,驱动因子之间对植被NPP变化存在交互作用,分为双因子增强和非线性增强效应。未来祁连山NPP变化以增加非持续性为主,说明植被变化面临较大不确定性。研究结果有助于揭示全球气候变化背景下区域植被NPP对气候变化及人类活动的非线性响应机制,亦可为祁连山生态保护与可持续发展提供理论依据。     

1961-2014年中国沿海极端气温事件变化及区域差异分析

基于1961-2014年156个地面气象站日尺度的气温数据集,利用趋势分析、小波分析、Mann-Kendall检验、累积距平、Pettitt检验、主成分分析等方法分析了中国沿海地区极端气温事件的时空变化特征。结果表明：中国沿海及各子区域极端气温暖指数呈上升趋势,冷指数和气温日较差呈下降趋势,夜指数的年际倾向率明显大于昼指数的年际倾向率;除相对指数、极高值指数和冷（暖）持续日数的多年均值在各子区域之间相差不大以外,霜冻日数、冰冻日数以及气温日较差的多年均值从北至南依次递减,与之相反,夏季日数、热夜日数、极端气温极低值指数以及生长季长度的多年均值则从北至南依次增加。各子区域极端气温指数年际间的主周期介于2-8 a,均无显著的年代际震荡周期;各子区域极端气温指数的突变主要发生在1980s和1990s期间,冷指数和极低值指数的突变时间稍早于暖指数和极高值指数的突变时间,突变后,极端暖事件和气温的极值事件进入多发阶段,极端冷事件进入相对少发的阶段;主成分分析中第一主成分高载荷的极端气温指数对日均气温和日最高（低）气温均有较好的指示性,这类极端指数两两之间的相关性也较强,低载荷的极端气温指数对日均气温和日最高（低）气温的指示性相对较弱,与其他极端气温指数之间的相关性也均较弱。     

Excessive rainfall leads to maize yield loss of a comparable magnitude to extreme drought in the United States

Increasing drought and extreme rainfall are major threats to maize production in the United States. However, compared to drought impact, the impact of excessive rainfall on crop yield remains unresolved. Here, we present observational evidence from crop yield and insurance data that excessive rainfall can reduce maize yield up to ?34% (?17 ± 3% on average) in the United States relative to the expected yield from the long‐term trend, comparable to the up to ?37% loss by extreme drought (?32 ± 2% on average) from 1981 to 2016. Drought consistently decreases maize yield due to water deficiency and concurrent heat, with greater yield loss for rainfed maize in wetter areas. Excessive rainfall can have either negative or positive impact on crop yield, and its sign varies regionally. Excessive rainfall decreases maize yield significantly in cooler areas in conjunction with poorly drained soils, and such yield loss gets exacerbated under the condition of high preseason soil water storage. Current process‐based crop models cannot capture the yield loss from excessive rainfall and overestimate yield under wet conditions. Our results highlight the need for improved understanding and modeling of the excessive rainfall impact on crop yield.     

Persistent effects of a discrete warming event on a polar desert ecosystem

A discrete warming event (December 21, 2001–January 12, 2002) in the McMurdo Dry Valleys, Antarctica, enhanced glacier melt, stream flow, and melting of permafrost. Effects of this warming included a rapid rise in lake levels and widespread increases in soil water availability resulting from melting of subsurface ice. These increases in liquid water offset hydrologic responses to a cooling trend experienced over the previous decade and altered ecosystem properties in both aquatic and terrestrial ecosystems. Here, we present hydrological and meteorological data from the McMurdo Dry Valleys Long Term Ecological Research project to examine the influence of a discrete climate event (warming of >2 °C) on terrestrial environments and soil biotic communities. Increases in soil moisture following this event stimulated populations of a subordinate soil invertebrate species (Eudorylaimus antarcticus, Nematoda). The pulse of melt-water had significant influences on Taylor Valley ecosystems that persisted for several years, and illustrates that the importance of discrete climate events, long recognized in hot deserts, are also significant drivers of soil and aquatic ecosystems in polar deserts. Thus, predictions of Antarctic ecosystem responses to climate change which focus on linear temperature trends may miss the potentially significant influence of infrequent climate events on hydrology and linked ecological processes.     

Microclimatic buffering in forests of the future: the role of local water balance

Forest canopies buffer climate extremes and promote microclimates that may function as refugia for understory species under changing climate. However, the biophysical conditions that promote and maintain microclimatic buffering and its stability through time are largely unresolved. We posited that forest microclimatic buffering is sensitive to local water balance and canopy cover, and we measured this effect during the growing season across a climate gradient in forests of the northwestern United States (US). We found that forest canopies buffer extremes of maximum temperature and vapor pressure deficit (VPD), with biologically meaningful effect sizes. For example, during the growing season, maximum temperature and VPD under at least 50% forest canopy were 5.3°C and 1.1 kPa lower on average, respectively, compared to areas without canopy cover. Canopy buffering of temperature and vapor pressure deficit was greater at higher levels of canopy cover, and varied with water balance, implying that buffering effects are subject to changes in local hydrology. We project changes in the water balance for the mid‐21st century and predict how such changes may impact the ability of western US forests to buffer climate extremes. Our results suggest that some forests will lose their capacity to buffer climate extremes as sites become increasingly water limited. Changes in water balance combined with accelerating canopy losses due to increases in the frequency and severity of disturbance will create potentially non‐linear changes in the microclimate conditions of western US forests.     

水培条件下营养元素对枳幼苗根毛发育及根生长的影响

以柑橘砧木枳实生苗为试材,研究水培条件下N、P、 K、Ca、Mg、Fe和Mn等7种营养元素分别缺乏对其根系主根长度、侧根数和主、侧根根毛密度、根毛长度及根毛直径等的影响．结果表明: 水培条件下,不同缺素处理枳实生幼苗的根毛均能生长,但根毛主要集中在近根基段,根尖处分布较少;侧根的根毛密度显著大于主根,而其根毛长度显著小于主根.不同缺素处理对根毛的生长发育影响较大,主根根毛密度为55.0~174.3 条·mm^-2．与对照相比,缺Ca诱发主根的根毛密度、长度显著增加;缺P使主根的根基段、中段及侧根的根毛密度、长度显著增加;缺Fe使主根根尖段根毛密度显著增加,而长度显著降低;缺K使主根、侧根的根毛密度、长度及根毛直径均显著降低;缺Mg使主根根毛长度显著增加．各处理主根的生长较一致;侧根除缺N、Mg处理外,其他处理均出现脱落后再生的现象.     

黄土高原极端气温变化特征及其与平均气温的相关性

近几十年来,黄土高原极端气候频发,研究和预测极端气候的发生显得尤为重要。目前,关于极端气候的研究多关注事件本身的变化特征,而忽略了平均气温与其变化趋势的相关分析。本研究基于1986—2019年黄土高原79个气象站的逐日最高气温、最低气温和平均气温资料,采用线性倾向估计、Mann-Kendall检验、滑动t检验以及Pearson相关分析方法,对黄土高原地区极端气温的变化趋势及其与平均气温的相关性进行研究。结果表明: 研究期间,黄土高原地区极端气温暖指数呈显著上升趋势,冷指数呈显著下降趋势,极端高温事件发生频率增加;大多极端气温指数在20世纪90年代中后期和2012年发生突变,且极端气温在1998—2012年整体呈现下降趋势,较好地响应了全球变暖停滞现象;平均气温在西部黄土高塬沟壑区、土石山区及河谷平原区的上升趋势较其他区域明显,且极端气温指数大幅变化趋势的站点几乎都发生在平均气温大幅上升的区域;平均气温的小幅上升显著增加了极端高温事件发生的频率,其中,极端低温的变化幅度和速率大于极端高温,气候变暖对极端气温指数产生了不同影响,平均气温的微小变化使得黄土高原整体气候分布向着更易发生热浪的方向转移。     

Hail‐induced mortality of Asian Openbill (Anastomus oscitans) in Southern Tropical China

Hailstorms has been reported to cause mortality of mammals or birds around the world, but the effect of hailstorms on tropical avian species has seldomly been documented. In April 2020, a hailstorm hit Xishuangbanna in south China and was reported to kill 45 Asian Openbills. We estimated the effect of hail by doing fieldwork and interviews. We walked along transects to survey the local avian diversity 3 days after the hail; checked the dead species along the transect; and also interviewed 67 local villagers in 14 villages in the impacted area. We found no evidence that other species were killed by the hail and recorded 40 bird species along the transects in April. Four months later, we surveyed the same transects and recorded 38 species, and the Asian Openbill stayed as one of the most dominant bird species. We concluded that the Asian Openbill is more vulnerable to hail compared with other local birds, but this single hail event did not have an obvious long‐term impact on the population. The result provided an important case study for a tropical bird''s response to extreme climate events and we suggested more similar observations to be made in the future.     

我国极端降水变化趋势及其对城市排水压力的影响

全球气候变化对水循环具有重要影响,其中极端降水的变化,对城市排水系统产生巨大冲击,造成城市内涝、交通瘫痪及生命财产损失等问题。为了揭示我国极端降水变化的趋势和区域特征,及其对城市排水系统的压力程度,使用中国气象数据中心1951—2014年全国917个站点的逐日降水量,计算得到我国极端降水及其变化趋势的空间分布特征。并以我国289个主要地级城市为研究对象,构建了气候变化情景下的城市排水压力评估方法,预测并展望了不同时段和不同代表性浓度路径(RCPs)情景下,未来城市的排水压力情况。结果表明,我国极端降水整体上正随着全球气候变化而增加,全国年最大降水量变化速度的平均值为0.06mm/a,但并不是所有区域都具有一致性,具体表现为南部极端降水增加而北部缓解的规律。我国排水压力大的城市主要分布在南部和东北地区,城市排水基础设施完善的东部和极端降水量比较小的西部地区城市排水压力比较低,华北地区极端降水的随机性大,历史上出现的最大降水显著高于该地区常见大雨,也属于内涝风险比较大的区域。随着气候变化的影响,我国未来城市排水压力整体上升,城市未来短期排水压力相对于现有水平总体上升2.9%,具体75个城市的排水压力有所增加明显。且低应对的RCP8.5情景显著高于高应对的RCP2.6情景,这说明减缓气候变化的工作对降低我国城市内涝风险有比较大的积极意义。我国城市排水压力的变化也具有区域性,华北地区极端降水呈现减少的趋势,南部地区极端降水呈现增加趋势,加重了该地区原本就很高的城市内涝风险,需要政府采取积极措施提出有针对性的方案和考虑了气候变化的前瞻性城市排水规划,以降低城市排水压力,尽量减少城市内涝造成的经济损失。     

Response and adaptation of terrestrial ecosystem processes to climate warming

陆地生态系统包含一系列时空连续、尺度多元且互相联系的生态学过程。由于大部分生态学过程都受到温度调控, 因此气候变暖会对全球陆地生态系统产生深远的影响。近年来, 全球变化生态学的基本科学问题之一是陆地生态系统的关键过程如何响应与适应全球气候变暖。围绕该问题, 该文梳理了近年来的研究进展, 重点关注植物生理生态过程、物候期、群落动态、生产力及其分配、凋落物与土壤有机质分解、养分循环等过程对温度升高的响应与适应机理。通过定量分析近20年来发表于主流期刊的相关论文, 展望了该领域的前沿方向, 包括物种性状对生态系统过程的预测能力, 生物地球化学循环的耦合过程, 极端高温与低温事件的响应与适应机理, 不对称气候变暖的影响机理和基于过程的生态系统模拟预测等。基于这些研究进展, 该文建议进一步研究陆地生态系统如何适应气候变暖, 更多关注我国的特色生态系统类型, 并整合实验、观测或模型等研究手段开展跨尺度的合作研究。