基于遥感的千烟洲人工林蒸散及其组分模拟研究

论文通过改进遥感蒸散模型的关键参数,结合遥感数据和气象观测数据,对2003—2008年江西千烟洲人工林生态系统蒸散及其组分进行模拟,并利用涡度相关技术获取的蒸散实测数据对模型模拟结果进行验证和评价。结果表明:①年均蒸散总量模拟值比实测值偏低2.4%,决定系数与均方根误差分别为0.83和0.61 mm·d^-1。②土壤蒸发、林冠截留蒸发和植被蒸腾分别占总蒸散量的12%、23%和65%。其中,土壤蒸发季节及年际变化相对稳定;林冠截留蒸发季节变化明显且在不同年份差异较大;植被蒸腾季节变化明显,但年际变异较小。③1—3月植被光合作用较弱,植被蒸腾与蒸散比小于30%。随着植被蒸腾的增强,从4月开始植被蒸腾与蒸散比迅速增加,在生长旺季(7月底)可达到约90%。由于该模型所需数据在区域尺度较易获取,从而为开展区域尺度中亚热带人工林生态系统蒸散及其组分模拟提供方法支撑。     

基于SEBAL模型的赤峰市植被修复下林草蒸散耗水特征

水是制约干旱半干旱地区实现可持续发展的关键因素,维持降水与蒸散发的平衡是开展植被修复工程时需要着重考量的因素.利用陆面地表平衡算法（Surface Energy Balance Algorithm for Land,SEBAL）模型反演了2000年、2008年、2016年赤峰市全域及森林与草地生态系统的实际蒸散发,通过参考蒸散比不变法与日气象数据将反演结果扩展至日尺度,累加得到月际与生长季尺度的实际蒸散发;结合降水变化,分析植被修复工程开展后赤峰市实际蒸散发的时空变化特征与水分盈亏状况.结果表明:①2000年、2008年、2016年赤峰市生长季的实际蒸散量分别为440.86、452.76、474.34 mm,呈增加趋势,蒸散发高值区（>400 mm）由北向南扩增.②2016年生长季森林分布区的耗水量比2000年增加了27.69×108 t,水分亏缺量增加了8.03×108 t,表明过度造林会使森林生态系统遭受严重的干旱胁迫.③一个生长季内,草地生态系统蒸散量的增幅远低于森林生态系统,1 m2草地生态系统的耗水量比森林生态系统少0.18 t.研究显示,在降水量低于300 mm的区域,草地生态系统面临较轻的干旱,且部分区域可以实现水分平衡.为了维持区域水资源存量,建议赤峰市在今后的植被修复工作中,对于降水量低于300 mm的区域以草本修复为主.      

黄河中游砒砂岩地区长川流域生态用水分析

在野外实地观测的基础上,利用GIS和情景分析方法,对地处典型黄河中游砒砂岩地区的内蒙古长川流域不同水土流失综合治理和退耕还林(草)情景下的生态用水特征进行分析。结果表明:长川流域平均蒸散量和平均生态用水量分别为274.3mm和370.7mm,植被蒸散的水分消耗较大,但流域降雨量基本能满足植被的蒸散耗水需求,流域的整体生态用水量处于较适宜水平。研究区水土保持生物措施情景(B2方案)的生态用水量小于适宜生态用水阈值(411.3mm),但其植被蒸散量大于有效降雨量(279.0mm),从长远角度看,B2方案还是受水分(降雨)条件的限制;而4种退耕还林(草)情景的生态用水量和植被蒸散量均小于适宜生态用水阈值和有效降雨量,不受降雨条件的限制。     

关于单株玉米耗水量的探讨

一株玉米一生究竟需要消耗多少水,目前尚无定论。国内外许多著作中,一株玉米一生蒸腾耗水量常常引用"200kg"这一数据。在《中国玉米栽培学》中,则提出了蒸腾耗水量为80kg/株,两者相差2.5倍。文章通过中国科学院禹城综合试验站大量的玉米农田蒸发实验数据,分析了生长在自然条件下单株玉米的蒸腾耗水量和玉米平均总耗水(包括蒸腾量和棵间蒸发量),得到如下结果:①单株春玉米的总耗水量为100kg/株左右,蒸腾耗水量为60kg/株左右;②华北平原夏玉米总耗水量为50~80kg/株,蒸腾耗水量为30~40kg/株;③只要土壤水分不出现长期干旱,土壤水分状况不会对单株玉米耗水量产生大的影响;④种植密度对单株玉米需水量产生重大影响,当玉米种植密度由5.0×10⁴株/hm²增至10.0×10⁴株/hm²时,总耗水量仅增加13.18%,而单株耗水量减少了44.48%。这些数据可供参考。     

黄土高原植被演替不同阶段植物系数的变化与适应性评价

用4年长期定位试验资料,利用植物系数、蒸散量、土壤含水量和土壤水分对植物的有效性等指标,研究了黄土高原植被群落不同演替阶段(草本群落→灌木群落→早期森林群落→顶级群落)的耗水特性与生态适应性。结果表明:不同演替阶段,群落实际蒸散量主要受降水控制,群落间差异不显著(P＞0.05);土壤含水量是早期森林群落明显高于其它群落,草本群落明显高于灌木群落(P＜0.05);植物系数是灌木群落＞草本群落＞乔木群落,而顶级群落大于早期森林群落;土壤水分对植物的有效性是早期森林和顶级群落明显高于草本和灌木群落(P＜0.05)。因此,进行植被建设不但要考虑植物系数还要考虑土壤水分对不同植物的有效性。     

黄土丘陵沟壑区狼牙刺灌木林地的土壤水分动态

在陕北黄土区安塞县纸坊沟小流域,选择不同林龄的狼牙刺地块,对其土壤水分作了动态观测,并以柠条地和撂荒地为对照。分析研究得出如下结论:①在土层足够深的地块上,天然灌木狼牙刺年蒸散量约为590mm,单株平均耗水量约85mm。强烈耗水期是5月中旬至7月底,8月底土壤水分达到最低值,9月份以后开始恢复;②狼牙刺地土壤水分活跃层在0-2.5m之间,土壤水分的消耗强度随深度的增加而下降;③狼牙刺地干层超过10m,比同龄的柠条土壤干层(8m)深,在两个生长季中,干层没有进一步发展。     

陕北黄土丘陵区撂荒演替过程中的土壤水分效应

根据陕北黄土丘陵区17块不同撂荒年限样地土壤水分的普查和10块样地土壤水分的定位测定,利用多元回归分析和通径分析法研究了植被恢复过程中土壤水分的变化和各植被、土壤因子对土壤水分的作用效应:①农田撂荒后,随着植被的恢复,因群落生物量、植被盖度和土壤有机质等这些对土壤水分有直接作用因子的变化,而间接表现为随着撂荒年限的增加,土壤含水量越来越低,而土壤水分的波动却越来越大;②用地形因子(包括坡度、坡向和海拔)、土壤因子(地表土壤容重和有机质含量)和植被因子(地上生物量和植被盖度)可以较好地对土壤水分做出多元拟合,影响表层土壤水分含量和根系层水分波动的主导因子是植被盖度,而影响深层土壤水分波动的主导因子是地上生物量;③土壤水分两次测定期间深层储水量差值与累积降雨量成显著正相关,说明土壤水分测定下边界存在上渗与下渗运动,而且储水量差值多数为正值,说明是以下渗为主。因此O根据土壤水分来估算群落蒸散时会有正的系统误差。为此论文将深层储水量差值作为补偿调节因子自变量,以提高多元拟合精度。拟合结果说明群落蒸散可由群落生物量、群落盖度、坡度、坡向和土壤表层容重或坚实度来估计。在植被恢复过程中影响群落蒸散的最大因子是群落蒸腾,其次是植被盖度。     

利用区域遥感ET分析山东省地表水分盈亏的研究

论文利用MODIS遥感数据和常规地面气象观测数据基于SEBAL模型定量反演了山东省区域地表蒸散量(Evaportranspirations,ET),并利用站点Lysimeter实测ET资料与经联合国粮农组织修正的Penman-Monteith公式计算的ET对遥感反演的ET进行验证,获得了较高的精度,日模拟值的平均相对误差约为11.34％,相关系数为0.872,一致性指数达0.917。在此基础上,结合气象站点降水量的空间分布格局,分析了研究区不同土地利用/覆被类型下2005年和2006年逐月与季节的水分盈亏状况。研究结果表明在2005年3-11月期间山东省总的实际蒸散量平均为637.45 mm,降水量为639.61 mm,降水量基本满足ET消耗;而2006年同期蒸散量为578.48 mm,但降水量仅为443.98 mm,水分亏损量为134.50 mm。春秋季节水分亏缺严重,旱情发生的几率较高;夏季水分亏损量相对较小,降水量满足地表蒸散耗水需求。     

近50a华北平原冬小麦-夏玉米耗水规律研究

为明确华北平原主导作物冬小麦-夏玉米耗水量的变化趋势,为水资源配置提供科学依据,论文搜集文献资料,结合中国科学院禹城综合试验站长期观测数据,采用Mann-Kendall检验法分析了华北平原近50 a冬小麦和夏玉米的耗水量变化趋势,阐明其耗水特性和作物水分利用效率变化,最后通过对蒸发能力和气象要素的变化趋势分析明确了冬小麦-夏玉米耗水量变化的主导原因。研究表明:①近50 a华北平原主导作物冬小麦-夏玉米耗水量呈下降趋势,冬小麦耗水量从501.2 mm降低到456.3 mm,夏玉米耗水量大体变化在300~400 mm,平均为350 mm左右;②冬小麦和夏玉米水分利用效率大幅度提高,冬小麦水分利用效率由3.31 kg/(hm²·mm)增至15.91 kg/(hm²·mm);夏玉米水分利用效率从3.72 kg/(hm²·mm)提高到23.36 kg/(hm²·mm);③拔节-乳熟期是冬小麦耗水强度和耗水量最大的一个时期,华北平原需要通过多次灌溉满足作物水分供需平衡,拔节-灌浆期是夏玉米耗水强度和耗水模系数都比较高的时期,适逢华北地区雨热同期,一般不需要进行补充灌溉;④大气相对湿度增加和日照时数减少是蒸发能力减弱的主因,进而导致作物耗水量呈现下降趋势。     

华北平原1981～2001年作物蒸散量的时空分异特征

利用土壤-植被-大气传输机理模型(VIP模型),以GIS背景数据库(土地利用图、土壤质地图和数字高程图)为支撑,在NOAA-AVHRRNDVI数据和气象信息的驱动下,连续模拟了1981～2001年华北平原冬小麦和夏玉米生育期的蒸散过程。结果表明:模拟的作物蒸散量与Lysimeter观测值和其他学者的田间试验研究结果具有较好的一致性。华北平原冬小麦多年平均蒸散量空间上呈现南高北低的趋势,其中黄河以北地区和山东半岛的蒸散量在200～400mm之间,南部地区在400～466mm之间。对玉米而言,北部的海河低地平原以及津、冀、鲁的沿海地区多年平均蒸散量变化在230～380mm,其余大部分地区蒸散量在380～470mm。除本区最南端的极少部分地区外,华北平原大部分地区冬小麦生育期内的自然降水都小于蒸散量,水分亏缺量大于200mm,而夏玉米生育期内大部分地区的降水大于蒸散量。     

腾发覆盖垃圾填埋场覆盖层机理试验研究及结构分析

研究了腾发覆盖垃圾场覆盖层水平衡机理并探讨了植物、土质和厚度调节对控制覆盖层水均衡的作用.6组腾发覆盖试验结果表明,腾发作用在覆盖层水量平均过程中起关键作用,覆盖层土壤水分耗散与叶面积指数表现出非线性增长关系;植物生长条件下覆盖层土壤水分总耗散量可以达到无植物覆盖情况下的3.3～4.5倍,60 cm覆盖厚度、植物生长条件下能够提供97.2 mm的土壤水库容积,而无植物生长情况下有效库容仅为62.8 mm; 降雨入渗在覆盖层中表现出非均匀运动特性,流动区域随深度的增加而呈指数递减的趋势,20、40和60 mm降雨条件下最大入渗深度与平均入渗深度的比值分别为3.65、1.77和1.40,表明土壤水库容量不仅取决于覆盖层土壤质地,厚度和初始含水率,并且与降雨量有关,非均匀入渗是植物生长条件下渗沥产生的主要原因.Hydrus-2D模拟覆盖层水均衡要素动态结果显示,相比粘土,选用砂壤性土壤能够更为有效利用腾发作用的调节和控制覆盖层水分,达到控制渗沥的目的.     

围封对固沙樟子松林下植被群落数量特征及多样性的影响

为揭示围封对人工樟子松固沙林林下植被群落及生态系统的影响,选择章古台围封37年生和46年生固沙樟子松林为研究对象,以邻近未围封林地为对照,采用野外调查法研究不同条件下樟子松林下植被的群落特征与物种多样性。结果表明:研究区共发现林下植被58种,分属18科42属,围封条件下促进禾本科植物与多年生植物种有所增加,多年生及灌木植物的重要值增大。围封降低先锋物种的重要值,明显增加羊草的重要值。围封有利于增加固沙樟子松林下植被群落的平均盖度、高度和生物量,而且随着围封年限的增加呈现不同程度的增长趋势;林下植被群落的物种多样性指数、优势度指数、均匀度指数在半围封5年较未围封状态略高,而在全围封10年则均低于未围封状态。因此,围封有利于樟子松林下植被群落的恢复与生长,适度的围封有利于林下群落多样性,进而保障群落的演替及生态系统稳定性的维持。     

黄土丘陵区典型植被枯落物坡面分布及混入土壤对土壤性状的影响

黄土丘陵区植被的恢复可能影响枯落物分布特征,进而对土壤性状产生影响。论文选取刺槐（Robinia pseudoacacia）人工林、柠条（Caragana intermedia）人工林、铁杆蒿（Artemisia gmelini）群落和白羊草（Bothriochloa ischaemum）群落4种典型植被样地,研究其枯落物坡面（坡长40~80 m）分布特征及自然条件混入土壤中对土壤理化性状的影响。结果表明：1）4种典型植被样地地表枯落物蓄积量（143.89~833.04 g/m²）、盖度（0.36~0.63）和厚度（0.77~2.03 cm）均表现为刺槐人工林>柠条人工林>铁杆蒿群落>白羊草群落;土壤中枯落物混入量（178.80~657.21 g/m²）和混入深度（1.33~2.29 cm）均表现为刺槐人工林>铁杆蒿群落>柠条人工林>白羊草群落;土壤中枯落物混入量占枯落物总蓄积量的比例（45.91%~74.02%）表现为铁杆蒿群落>柠条人工林>白羊草群落>刺槐人工林。2）4种典型植被样地地表枯落物蓄积量和土壤中枯落物混入量均为坡下高于坡上,受径流冲刷和泥沙分离—输移—沉积过程的影响,枯落物地表蓄积量和土壤混入量在坡中波动较大;随枯落物地表盖度的增加,地表枯落物蓄积量呈指数函数增加（P<0.01）,且随地表枯落物蓄积量的增加,土壤中枯落物混入量呈对数函数增加（P<0.01）。3）土壤容重、粘结力和水稳性团聚体几何平均直径（WAS-GMD）随土壤中枯落物混入量的增大而线性降低（P<0.01）,土壤有机碳和全氮含量在铁杆蒿群落和白羊草群落中均随土壤中枯落物混入量的增大而线性增加（P<0.05）。该研究将为评价黄土高原退耕还林还（草）工程生态成效、修正土壤侵蚀预报模型提供重要依据。     

呼伦贝尔沙质草原风蚀坑积沙区的植被分带性

呼伦贝尔沙质草原现代风蚀坑主要包括平缓草地的简单风蚀坑、复合风蚀坑和固定沙丘的简单风蚀坑3种类型。坑后积沙区植被出现明显的分带性,且随风蚀坑及其下风侧积沙体的形态、尺度而发生变化。在平缓草地简单风蚀坑下风侧积沙体平面形态呈顺风向的舌状,由坑口至原生草地,随积沙厚度顺风向减小,依次出现沙蓬、冰草和百里香3个植被带;平缓草地复合风蚀坑后缘形成具有滑落面的大型流动沙丘,在沙丘背风侧顺风向依次出现舌状裸沙带、舌状拂子茅带及两侧的冰草带;固定沙丘风蚀坑坑后积沙呈裸沙形式穿越沙丘原有的山刺玫和小叶锦鸡儿两个灌木带,并在裸沙带外围形成舌状拂子茅带。风蚀坑下风侧积沙区植被的分带性反映了草地植被对风沙活动的响应,即随着坑后积沙体的扩大,草地植被由原生向沙生逆向演替。     

祁连山区亚高山灌丛土壤含水量的空间分布与月份变化规律

为了探究祁连山区不同灌丛类型的土壤水分时空变异规律,论文以祁连山排露沟小流域的箭叶锦鸡儿（Caragana jubata）、吉拉柳（Salix gilashanica）、金露梅（Potentilla fruticosa）、鲜黄小檗（Berberis diaphana）、甘青锦鸡儿（Caragana tangutica）5种灌丛为对象,建立固定样地,进行了一个生长季的分层（0~10、10~20、20~30、30~40、40~60 cm）土壤含水量监测。结果表明：1）在各灌丛类型样地之间,土壤含水量差异很大,由大到小依次为：箭叶锦鸡儿>吉拉柳>金露梅>鲜黄小檗>甘青锦鸡儿。2）在小流域内空间尺度上,地形（海拔、坡向）、气象（降水、温度）、植被、土壤等作为主要因素共同影响着土壤含水量的差异,导致土壤含水量的空间分布具有随海拔（降水）升高而增大、随地形遮荫作用增强而增大（阴坡高于阳坡）的变化规律。3）不同灌丛类型样地土壤含水量在生长季内各月的变异程度均为弱变异或中等变异,相同土层含水量变异系数大小顺序基本为：鲜黄小檗>箭叶锦鸡儿>吉拉柳>金露梅>甘青锦鸡儿。     

黄土丘陵区退耕还林对土壤真菌群落的影响

退耕还林显著影响了黄土高原土壤细菌群落结构与组成特征.然而,作为土壤微生物群落的重要组成部分,黄土高原土壤真菌落结构与组成特征如何响应退耕还林并不十分清楚.以山西省右玉县贾家窑黄土高原缓坡丘陵为研究区域,以耕地(玉米地和糜子地)和人工林地(沙棘林和柠条林)土壤为研究对象,通过18S rRNA高通量测序技术,研究了退耕还林对土壤真菌群落结构与组成特征的影响.结果发现,黄土高原丘陵区耕地和林地土壤中子囊菌门(Ascomycota)占绝对优势(61.03%～78.06%),毛霉门(Mucoromycota)次之(12.11%～17.13%),担子菌门(Basidiomycota)再次之(6.15%～18.42%),壶菌门(Chytridiomycota)等其余真菌门的相对丰度较低.退耕还林显著降低了子囊菌门的相对丰度而增加了担子菌门的相对丰度.属分类水平下,退耕还林显著影响了毛壳菌属(Chaetomium)、被孢霉属(Mortierella)、镰刀菌属(Fusarium)和地舌菌属(Geoglossum)等的丰度.镰刀菌属(Fusarium)等植物病原性真菌在耕地土壤中被富集.非度量多维尺度...     

同质环境下不同锦鸡儿属植物根际土壤细菌群落结构差异及其影响因素

采用高通量测序技术分析同质环境下小叶锦鸡儿、中间锦鸡儿和荒漠锦鸡儿根际土壤细菌多样性及群落结构,以期探讨驱动锦鸡儿属植物根际土壤细菌群落结构构建的关键因子.结果表明,土壤样品中共检测到细菌42门55纲123目244科558属,优势菌门为变形菌门(Proteobacteria)、蓝藻门(Cyanobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)和酸杆菌门(Acidobacteria)(相对丰度>1%),优势属为苯基杆菌属(Phenylobacterium)、剑菌属(Ensifer)和鞘氨醇菌属(Chitinophaga).双因素方差分析表明,物种间差异显著影响土壤细菌香农指数和辛普森指数(P<0.05),种源和物种交互作用对土壤细菌的物种数、 Chao1指数、香农指数和辛普森指数均影响显著(P<0.05).主坐标分析表明,3种锦鸡儿属植物根际土壤细菌群落结构差异显著(P<0.05),且聚类分析显示来自不同种源地的中间锦鸡儿和荒漠锦鸡儿根际土壤细菌群落结构组成不同.通过冗余分析发现...     

黑河中下游防风固沙功能时空变化及影响因子分析

黑河中下游是我国重要的防风固沙生态功能区,分析该区域的防风固沙功能时空变化,明确其主要的影响因子贡献,对于指导荒漠化防治、维护流域生态安全十分重要.该研究基于修正风蚀方程(revised wind erosion equation,RWEQ)、一元线性回归斜率分析、灰色关联分析和GIS技术,分析了2000—2017年黑河中下游防风固沙功能动态变化及其影响因子.结果表明:①2000—2017年,黑河中下游年均防风固沙量为3.2×109 t,年均防风固沙功能约为2.44×104 t/km2;防风固沙量总体呈增强趋势,年均增加6.67×107 t,年均变化率为1.85%.②区域防风固沙功能呈现中游较强,向下游递减的空间分布特征,防风固沙功能较高区约占研究区面积的31.54%,一般区占20.77%,较低区(北部荒漠区)占47.69%;甘肃省张掖市和嘉峪关市防风固沙功能呈增加趋势,回归方程系数(slope)为0~26.29%,占总面积的12.51%;额济纳旗东北部和甘肃省高台县中部防风固沙功能呈下降趋势,回归方程系数为-17.17%~0,占总面积的23.30%.③防风固沙功能主要影响因子中,风力因子最主要,贡献率为30.04%,其次为积雪覆盖、土壤湿度、植被覆盖,贡献率分别为24.57%、24.26%和21.13%.研究显示,防风固沙工程应综合考虑气候变化、植被覆盖、土壤特性及人类活动的复合影响,实行具有空间差异化的方案.