基于随机森林模型的茹河流域水沙变化及其影响因素研究

水沙关系不协调已成为制约黄河高质量发展的关键问题,揭示径流量与输沙量变化的主要影响因素,对适应生态经济发展条件下的水土流失治理工作具有指导意义。以茹河流域为研究对象,采用M-K检验和Pettitt检验分析茹河流域1989—2019年水沙变化趋势,运用双累积曲线法定量研究了降雨和人类活动对茹河流域径流量、输沙量变化的贡献率,通过随机森林回归分析探索了影响水沙变化的主控因子。结果表明：(1)茹河流域径流量和输沙量峰值对应情况良好,但在2012年之后径流量和输沙量呈现出明显分异,径流量逐渐增加,输沙量平稳减小。(2)茹河流域径流量突变点为1996年和2003年,输沙量突变点为1996年和2004年,影响期的两个阶段中,人类活动对径流量的贡献率分别为95.95%和77.52%,对输沙量的贡献率分别为78.31%和77.91%。(3)显著影响径流量的因子为农作物播种面积、耕地面积、草地面积和人口密度,显著影响输沙量的因子为植被覆盖度、水利环境投资占比、人口密度和工业总产值。(4)农作物播种面积和耕地面积的变化对径流量的影响均呈显著正相关,草地面积和人口密度对径流量响应关系为显著负相关;植被覆盖度...     

基于RS与GIS的赣江上游流域生态系统服务价值变化

研究土地利用背景下的生态系统服务价值变化对促进区域生态建设和可持续发展具有重要意义。以赣江上游流域为例,依据1990年、1995年、2000年和2005年4期的遥感数据,利用RS和GIS手段对土地利用数据进行了处理,并分析了土地利用变化引起的生态系统服务价值变化。结果表明,1990-1995年赣江上游流域生态系统服务价值变化不大,1995—2005年生态系统服务价值总量不断增加,且各类生态服务功能价值波动较大;各土地利用类型生态系统服务价值敏感性指数都小于1,表明生态系统服务价值对服务价值指数缺乏弹性。     

汾河上游流域生态系统服务变化及驱动因素

随着社会经济的发展,人类对生态系统服务选择的加剧,生态系统服务面临的形势更加严峻。以汾河上游流域为研究区,以遥感影像、气象、土壤、统计数据及专题地图等为数据源,基于Arc GIS平台,采用CASA、In VEST等模型,评价了2000年和2008年汾河上游流域泥沙截持、产水量、NPP、固碳释氧、粮食生产五项生态系统服务变化情况;同时,整合人口、居民点、道路定量评价了研究区2000和2008年人类活动强度,并采用SPSS典型相关分析方法(CCA),对生态系统服务的自然与人文驱动因素进行了分析。结果表明:2000—2008年间,研究区5项生态系统服务变化明显。其中,泥沙截持服务减少43.30 t/hm~2,减少范围占整个流域87.5%,只有北端局部区域有所增强;产水服务增加4.74 t/hm~2,产水服务增加的区域占到了流域总面积的89.6%; NPP生产服务增加0.86 t/hm~2,NPP增加的区域占研究区的93.7%,仅边缘零星区域NPP减少;固碳释氧服务与NPP生产服务呈现一致的时空格局,增加量达2.18 t/hm~2,仅流域边缘零星分布减少的斑块;粮食生产服务总体上有所降低,下降幅度为15.65 kg/hm~2,粮食生产减少的区域占到整个流域的65%。同期,该区域人类活动强度有所增强,人类活动指数(HAI)由0.19增加到0.21,呈现出北低南高的空间格局。相关性分析表明,2000—2008年前,人类活动与泥沙截持和产水服务呈现极显著的正相关(r=0.637**和r=0.656**)。典型相关分析则(CCA)表明:影响泥沙截持服务的主要驱动因子是坡度,影响产水量的主要因素是降雨量和温度; 2000—2008两年间生态系统服务变化量的典型相关分析表明泥沙截持和产水服务受日照时数、相对湿度、降雨等自然因子的影响,NPP生产/固碳释氧的主要影响因子为温度和坡向。     

黄土高原流域水沙变化研究进展

人类活动和气候变化是影响流域水文过程的两大驱动因素,径流输沙是流域水文过程的总体反映,变化环境下径流输沙的变化规律与成因分析是水文学和全球变化研究的热点问题。黄土高原是我国水土流失最严重的地区。20世纪50年代以来,黄土高原地区开展了大规模的生态环境建设和水土流失综合治理,显著改变了流域土地利用和植被覆盖。下垫面条件改变与气候变化综合作用,使得流域水沙情势发生剧变。围绕黄土高原流域水沙变化的时空尺度特征与驱动机制,总结了径流输沙和水沙关系变化特征的研究结果,归纳了径流输沙变化的归因分析方法与人类活动和气候变化影响的贡献分割结果,探讨了气候变化、植被恢复、水土保持工程措施以及流域景观格局对水沙变化的影响机制。未来应加强流域水沙演变的时空尺度特征特别是水沙关系非线性特征的定量研究,阐明极端事件对水沙动态的影响与贡献;开展水沙变化影响机制的多要素综合解析,发展耦合地表覆被动态特征和气候变化的降雨-径流-输沙模型,揭示生态恢复与水沙演变过程互馈机制;开展未来气候变化、社会经济发展和生态建设工程情景下水沙动态的趋势预测,为黄土高原生态综合治理和水资源管理与黄河水沙调控提供策略建议。     

嫩江流域参考作物蒸散量时空变化及其气候归因

为了解嫩江流域参考作物蒸散量(ET₀)的时空变化特征,明确气候因素对流域ET₀的影响,应用Penman-Monteith公式计算1970—2019年嫩江流域各站点日ET₀,分析ET₀的时间变化趋势和空间分布格局,采用敏感性分析方法定量研究ET₀对气象因子敏感性程度,并进一步探究各气象因子对ET₀变化的贡献。结果表明: 研究期间,嫩江流域年际ET₀整体呈不显著减少趋势,春、夏、秋季ET₀波动减少,冬季波动增加;ET₀整体呈从东南向西北递减趋势。ET₀在时间和空间尺度上均表现为对相对湿度的敏感性最高;平均气温、相对湿度和风速的敏感性系数逐渐增强,日照时数的敏感性系数逐渐减弱。大兴安岭北部和小兴安岭地区ET₀对平均气温较敏感;大兴安岭南部和松嫩平原地区ET₀对风速较敏感。风速是影响全年及春、秋、冬季ET₀变化的主导因素,日照时数是影响夏季ET₀变化的主要因素。大兴安岭北部和小兴安岭地区平均气温和相对湿度对ET₀的贡献率最大,松嫩平原地区风速的贡献率最大。     

洞庭湖流域生态安全状态变化及其驱动力分析

通过构建由状态子系统、压力子系统和响应子系统组成的洞庭湖流域生态安全评价系统,重点研究了该流域的生态安全变化趋势,并采用因子分析方法探究其驱动力。结果表明,1949年以来,流域生态安全变化表现出如下特征:系统状态指数明显下降,波动性和阶段性显著;系统压力指数1990年后呈下降趋势;系统响应指数一直呈增长趋势;生态安全度自1990年以来开始稳步上升。因子分析表明,流域生态风险是自然和人为因素叠加的结果,农民人均收入增加、农业人口占总人口比例减少、单位面积土地产值和单位土地面积生态建设投入增加,是促进流域生态安全度提高的决定性因素。同时,本文提出了提高流域生态安全度的相关对策。     

不同时间尺度小流域径流变化及其归因分析

流域径流的变化及其原因的研究,是森林水文领域的一个重要的科学问题。当前,大部分研究基于年尺度定量分析了流域径流变化及其影响因素的贡献率,而季节尺度上的研究较少。因此,季节尺度上径流变化的归因分析值得深入研究。基于彭冲涧小流域1983—2014年降水、径流等水文气象资料,通过Mann-Kendall检验法对降水、径流序列进行突变分析,采用累积量斜率变化率比较法计算季节及年尺度上降水变化、蒸发散和植被恢复对径流变化的贡献率。结果表明:2003年为降水与径流的一致突变点;春、夏、秋、冬季及年降水变化的贡献率分别为50.88%、42.60%、-10.39%、-3.28%和31.26%,蒸发散的贡献率分别为32.89%、40.71%、29.33%、47.43%和42.64%,植被恢复的贡献率分别为16.23%、16.69%、81.06%、55.85%和26.10%。季节尺度上,春、夏季,降水变化和蒸发散是径流深减少的主要原因,而秋、冬季,植被恢复居主导地位;年尺度上,蒸发散对径流深减少的贡献率最大。该研究揭示了彭冲涧小流域近30年来径流变化规律以及不同时间尺度上影响径流的主要驱动因子,为流域水资源合理配置和管理提供科学依据。     

三江平原流域湿地景观多样性及其50年变化研究

基于统一的湿地景观分类系统 ,利用遥感和 GIS技术 ,选择两个典型流域为研究单元 ,通过对比定量研究了 5 0年来流域湿地景观多样性的变化过程 ;分析了湿地景观多样性变化对生态系统多样性和群落多样性的影响以及与面积的关系 ;探讨了流域地貌类型对湿地景观多样性形成的影响以及地貌多样性与湿地景观多样性之间的关系 ;通过湿地多样性指数分析发现湿地景观多样性受人类影响的阶段性变化特征 ,为流域湿地保护和退化生态系统的恢复提供定量分析依据     

1982-2015年黄土高原植被变化特征及归因

黄土高原植被对于黄河中下游泥沙量减少以及区域生态安全维持发挥着重要作用。气候变化和人类活动是驱动黄土高原植被覆盖度变化的两大因素,然而先前研究多基于统计方法建立植被覆盖度与气候变化的线性关系,忽略了植被覆盖度与气候变化之间复杂的非线性关系,限制了对黄土高原植被变化驱动机制的理解。基于1982-2015年黄土高原植被覆盖度(GIMMS NDVI)数据,以1999年退耕还林工程开始实施为界限,采用随机森林和残差阈值法等手段量化并分析了1982-2015年植被变化特征及气候变化和人类活动对植被变化的影响。结果表明:(1)1982-2015年黄土高原植被覆盖度整体上呈现增长趋势,1999年之后植被覆盖度增加的面积大于1999年之前, 1999年以前显著增长的区域只占总面积的54.68%,1999年以后显著增长的区域面积占比增长至85.11%;(2)在考虑时滞效应的基础上,1982-1998年黄土高原超过80%的区域的逐月温度、降水、日照时数与植被覆盖度存在显著的正相关关系,表明1999年以前植被覆盖度变化主要与气候变化有关。随机森林算法能较好地模拟植被覆盖度与气候因子之间的关系,99.71%的区域拟合的决定系数R²达到0.5以上;(3)2000-2015年,气候因素和人类活动对植被覆盖度的影响具有空间异质性。人类活动对植被覆盖度产生积极影响的面积增加了55.94%,气候消极影响的面积减少了42.58%,气候积极影响的面积减少了12.86%。研究提出的量化气候变化与人类活动对植被覆盖度影响的方法能够更好的区分黄土高原植被覆盖度变化的驱动因素,为黄土高原生态建设以及黄河流域的生态安全和高质量发展提供数据支撑。     

基于GIS和RS的赣江上游流域土地利用动态趋势分析

利用赣江上游流域1990、1995、2000、2005和2010年5期的TM影像以及2010年的SPOT影像资料,通过目视解译方法及GIS软件的空间叠加分析功能,获取了研究区土地利用覆被变化数据。在此基础上,结合1990—2010年赣江上游流域的统计资料利用灰色关联分析和主成分分析法进行分析,找出引起土地利用变化的主导因素。结果表明:研究区20年来林地和建设用地总量增加,耕地、草地、水域和未利用地总量减少。相同时期不同类型的土地利用变化的驱动因子不相同,不同时期同一类型土地利用变化的驱动因子也不相同。再利用GM(1,1)灰色预测模型预测了2015—2030年间研究区驱动因素和土地利用情况,研究表明主导因素对土地利用变化的影响与1990—2010年间变化趋势一致。     

外源亚精胺对槐叶苹耐镉胁迫的增强效应

研究了不同浓度（0.05～1 mmol·L^-1）亚精胺（Spd）对镉（Cd）污染下槐叶苹（Salvinia natans）光合色素、可溶性蛋白、抗氧化系统以及矿质营养的影响,以探讨外源多胺在水生植物重金属胁迫适应中的作用机制.结果表明,外源Spd对槐叶苹的Cd污染胁迫具有明显的缓解作用：Spd延缓了槐叶苹叶片失绿症状,使叶绿素a/b和总叶绿素含量平均增加了18.97%和43.96%;外施Spd后可溶性蛋白含量平均提高了27.89%,SDS-PAGE电泳显示主要是增加了202.15、77.67、52.69、41.83 和25.35 kD的蛋白多肽表达量;外源Spd提高了抗氧化酶系统（SOD、POD、CAT）的活性和小分子保护物质［抗坏血酸（AsA）、谷胱甘肽（GSH）和类胡萝卜素（Car）］的含量,前者平均分别增加了12.44%、66.90%和51.23%,后者依次增加11.21%、17.60%和24.81%;外施Spd能更好地维持槐叶苹对P、K、Fe、Na、Mg、Zn和Mn等的平衡吸收（Ca除外）.综合分析发现,0.05～0.1 mmol·L^-1Spd缓解效果最好,与其改善光合作用、刺激蛋白表达、维持抗氧化系统高活性/含量和调节矿质营养平衡等多种生理过程有关.     

鄱阳湖流域非繁殖期鸟类多样性

2010年11月-2011年3月,采用样线和样点法相结合,对鄱阳湖流域非繁殖期鸟类种类及数量进行了调查.共记录鸟类13目36科106种.其中,国家Ⅰ级重点保护鸟类1种,国家Ⅱ级重点保护鸟类10种.居留型方面,留鸟和冬候鸟最多,分别占鸟类物种总数的56.60％和35.85％.鸟类区系上,古北界种类最多,占41.51％;其次是东洋界鸟类,占32.08％.鸟类物种数1月份和3月份最多,多样性和均匀度指数均以12月份和3月份最高,以11月份和2月份最低.欧氏距离显示,修水段、龙虎山段和靖安段与其他河段的鸟类组成差异较大.宜黄段、耳口段和浮梁段的鸟类组成比较相近.研究结果表明,鸟类的相似度与各河段间隔的距离无关,而可能与当地的生境密切相关.鄱阳湖流域分布着一些濒危鸟类,然而人类活动如采砂、非法捕鱼等严重影响了这些鸟类的生存环境.因此建议降低人类活动强度,维持鄱阳湖流域鸟类多样性.     

流域水热耦合过程及其对气候与下垫面变化响应的文献计量分析

生态水文学在水文过程与生态过程的交叉地带开展研究,现已成为水文学与生态学最为活跃的前沿领域之一,而流域水热耦合过程及其对气候与下垫面变化的响应则是其中的一个重要热点研究方向。以SCIE数据库为数据源,借助Thomson Data Analyzer （TDA）、Ucinet和Netdraw等工具,对1992-2015年间关于流域水热耦合过程及其对气候与下垫面变化的响应的研究论文进行数据挖掘,分析表明：（1）近24年来,该领域的论文数量总体呈显著增长态势,依据文章数量、研究主题、机构合作特点等划分为3个阶段：低产出探索期、拓展推进期和高产出活跃期。（2）气候变化、径流、水量平衡、水文模拟、土地利用与覆盖变化等是研究的核心主题,遥感与GIS技术的应用在不断得到加强,人类活动的水文效应及其时程变化等的研究逐渐受到更多的关注。（3）澳大利亚和美国在该研究方向表现突出。中国发文量高,论文质量不断提升。（4）国际合作范围不断扩大。近十年来,中国科学院、清华大学等国内多家科教机构逐渐加强了与国外同行的合作关系,研究工作取得长足进展。     

滦河流域景观格局变化对水沙过程的影响

以滦河流域为研究区域,基于SWAT模型模拟1976—2012年滦河流域的水沙过程,分析2000年京津风沙源治理项目实施前后流域产水产沙时空格局变化;研究1980—2010年流域景观格局变化特征,揭示景观格局变化的水沙响应;应用Spearman相关分析法分析流域景观格局变化对水沙过程的影响。结果表明:与20世纪80年代相比,2010年流域林地和建设用地增加,其他用地类型减小;流域景观集中程度提高、连通性变优、优势斑块显著、形状趋于规则、多样性减少、破碎化程度降低、景观类型向非均衡方向发展;流域年均地表径流减少9mm,产水量增加5.44mm,产沙减小1.59t/hm~2;地表径流减少区域占全流域89.32%,产水量增加区域占76.71%,产沙量减少区域占93.89%;地表径流、产水、产沙与林地面积呈负相关,产水与草地面积呈正相关,地表径流、产沙与农业用地面积呈正相关;地表径流、产水、产沙与景观形状、Shannon′s均匀度、景观分离度呈正相关,与蔓延度、最大斑块指数呈负相关;产水、产沙与斑块密度和Shannon′s多样性指数呈正相关;工程治理后,流域年均径流量与产沙量显著下降,产水产沙高值区显著缩小,产沙关键区域仍需治理。     

赣江流域河岸带外来入侵植物的调查分析

通过对赣江流域河岸带植物调查,发现该地有外来入侵植物17科27属31种,其中菊科最多有9种。对赣江流域河岸带入侵植物分布的分析显示:外来入侵植物发生在赣江全流域,上、中、下游河岸带植物群落中入侵植物的优势度无明显差异;河岸带植被类型对入侵植物的分布影响较大,草本群落和灌草群落中的入侵植物优势度明显高于乔木林群落;干扰对外来植物的入侵起到了积极作用,与无干扰方式下的群落相比入侵植物的优势度差异极显著,但干扰方式对入侵植物的分布无影响。     

基于Budyko假设的洮河与大夏河径流变化归因识别

受气候变化和人类活动的影响,世界许多河流水文过程发生了显著的变化。研究河川径流变化特征及其原因对流域水资源管理和规划有十分重要的意义。以黄河上游支流洮河、大夏河为研究对象,采用Mann-Kendall趋势检验法、突变分析等方法探究河川径流的趋势变化、阶段特征,并采用Budyko水热耦合平衡方程定量评估径流变化影响因素的贡献率。研究发现洮河与大夏河流域年径流深均呈显著减少趋势,减少速率为：-1.85 mm/a、-1.36 mm/a （P≤0.01）。通过突变检验可将洮河的径流序列分为基准期1961-1987年,剧烈人类活动期1988-2017年,而大夏河的基准期为1961-1985年,人类活动期1986-2017年。洮河、大夏河流域下垫面变化对径流变化的贡献率超过60%,降雨次之,潜在蒸散发最弱,约贡献10%。流域下垫面改变是引起研究区河川径流变化的主要因素。     

赣南九曲水流域基流变化特征及其对降水的响应

基流是水资源重要组成部分,探究流域基流变化特征及其对降水的响应,对优化流域水资源配置具有重要意义。本研究基于赣南九曲水流域1982—2019年逐日降水、径流观测资料,运用数字滤波法、交叉小波变换及累积量斜率变化率比较法等,分析了基流变化特征,探讨了基流对降水的时滞效应,并计算了降水对基流变化的贡献率。结果表明: 研究期间,九曲水流域年基流深和年基流指数变化趋势均不显著,年均值分别为384.21 mm和0.44;春、夏季基流深大于秋、冬季,基流指数则与之相反。年降水量控制着年基流深的动态变化,春、夏季降水对基流深的作用强于秋、冬季;年及春、夏、秋、冬季基流滞后降水的时长分别为3.5～10.3、1.5～8.5、2～10、2～13和5～20.5 d,年均滞后时长依次为6.4、4.9、5.3、6.8和10.8 d。年基流深在1992年发生突变,降水对基流变化的贡献率为68.2%,其他因素对基流变化的贡献率为31.8%。本研究成果可为南方红壤区评价流域的森林水文效应、保障河流的水生态安全提供科学依据。     

洞庭湖流域人类活动净磷输入及其空间分布

本研究基于人类活动净磷输入模型(NAPI)估算了1985、1995、2005和2015年洞庭湖流域及其子流域磷元素的输入特征,并分析其时空分布及变化趋势.结果表明:过去30年洞庭湖流域NAPI呈现先升高后降低的趋势,1985、1995、2005、2015年流域NAPI分别为7.00、9.20、10.33、10.01 kg·hm^-2·a^-1.从磷的组成来年,1985年最大的输入源为食品/饲料净输入,1995-2015年NAPI最大输入源为磷肥施用.磷肥输入年均值为6.01 kg·hm^-2·a^-1,占NAPI年均值的65.8%;其次是食品/饲料磷净输入,年均值为2.65 kg·hm^-2·a^-1,占比为29.0%;非食品磷输入年均值为0.47 kg·hm^-2·a^-1,占比为5.2%.从空间分布上,洞庭湖流域的较高的NAPI主要分布在东北部,与该区域农业的相对集中分布有关.从子流域NAPI组成上,洞庭湖子流域的NAPI总体均呈现逐年上升的趋势,各流域年均NAPI强度从高到低依次为:洞庭湖环湖区>湘江下游>资江上游>湘江上游>澧水>沅江上游>沅江下游>资江下游.洞庭湖环湖区是子流域中NAPI最高的区域,1985年NAPI为13.01 kg·hm^-2·a^-1,2015年上升至24.14 kg·hm^-2·a^-1.农业生产和人口增长是导致当前人类活动净磷输入的主要原因,其带来的负面生态效应是不容忽视的.     

皇甫川流域土地利用变化与土壤侵蚀评价

基于“3S”技术,揭示了皇甫川流域近十多年来的土地利用变化情况,并采用通用土壤侵蚀方程（Universal Soil Loss Equation,USLE）定量研究了不同土地利用背景下的土壤侵蚀分布规律。结果表明,近十几年来流域土地利用变化剧烈,其总体趋势是城镇用地、林地、耕地和灌丛的面积逐渐增加（速率依次减小）,水体、草地、沙地和棵砒砂岩面积逐渐减小（其中水体缩减的幅度最大）,土地利用格局持续承受着来自当地快速城市化进程及社会经济发展和生态环境保护及建设两方面相互矛盾的巨大压力;与此同时,流域土壤侵蚀模数由1987年的16160．72t／km^2减少到2000年的13943．32t／km^2,其中6种不同土地利用类型在同一年份内土壤侵蚀模数的大小顺序为棵砒砂岩〉沙地〉耕地〉草地〉林地〉灌丛,表明林、灌措施是流域植被恢复和减少土壤侵蚀的首选,草地限制土壤侵蚀的效果也较为明显,而沙地尤其是分布面积较广的棵砒砂岩则是土壤侵蚀综合治理的难题和关键;虽然十几年来水土流式综合治理效果显著,但由于棵砒砂岩和沙地的面积仍在整个流域占有相当的比例以及耕地剧增等因素,土壤侵蚀模数仍明显高于流域土壤允许侵蚀的临界值,流域生态环境仍然处于不安全状态,有必要对未来土地利用格局进行优化以确保生态安全。最后,在讨论中阐明了流域土地利用格局调整和优化的方向。     

新开河流域土地利用格局变化及其生态学意义

基于利用不同时期的地形图和TM遥感数据,运用ARC/INFO软件,以马尔柯夫空间概率模型为基础,对新开河流域的土地利用格局变化及驱动因素进行的分析,论证新开河流域土地利用结构日趋不合理：不仅林地占地最小,而且土地盐碱化、沙化严重,草地退化严重,生态环境质量整体向恶化方向发展,分析了生态环境恶化的原因,探讨了土地利用格局变化的生态学意义,提出了治理措施和方法.