干旱区内陆河流域土地利用程度变化与生态安全评价——以新疆玛纳斯河流域为例

以天山北坡玛纳斯河流域为例,在遥感与GIS支持下揭示了流域1989-2002年间土地利用程度变化状况,并进一步对流域生态安全进行了综合评价,最后分析了土地利用程度变化与生态安全的关系。结果表明：①玛纳斯河流域土地利用程度稳定上升,土地利用总体处于发展时期;②1989-2002年,流域生态安全状况整体有所好转,但局部生态环境出现恶化趋势;③流域土地利用程度综合指数在18~100间的区域生态安全等级有所提高,由1989年主体属于中警状态提高到2002年的预警状态;④不同土地利用程度下流域在较安全和预警状态面积之和有以下顺序：Ⅴ＞Ⅳ＞Ⅰ＞Ⅵ＞Ⅲ＞Ⅱ,表明Ⅴ级土地利用程度区即林草地是流域生态恢复和重建的首选和重要组成部分,而沙地则是生态环境治理的难题和关键。最后,提出了通过提高低利用程度区的土地利用程度来确保生态安全的观点。     

基于多源遥感数据的锡尔河中下游农田土壤水分反演

机器学习结合多源遥感数据反演土壤水分含量（SMC）是目前SMC研究的热点,因较少考虑温度、蒸散等重要SMC影响因子,反演结果存在一定的不确定性。利用Sentinel-1影像、MODIS产品和SRTM数据,提取雷达后向散射系数等32个SMC影响因子,经相关分析选择27个显著的SMC影响因子（P<0.05）作为反演因子,并设计三组因子组合。这三组因子组合分别与随机森林、支持向量回归、BP神经网络三种机器学习方法结合,发现基于随机森林结合所有因子的方案,其SMC反演精度最高,该组合均方根误差RMSE为0.039 m³/m³,将该方案被用于反演2017年生长季锡尔河流域中下游平原区农田SMC。结果表明：从上部至下部SMC总体呈逐渐增加的态势,但存在显著时空差异,春季和秋季SMC较高而夏季较低。SMC差异主要由土壤质地、热量条件和地表植被状况差异引起。春季平原区下部农田SMC要高于上部,SMC的主控因子是土壤质地和地表植被状况;在夏季,土壤水分的主控因子是热量条件,农田灌溉弥补了热量条件差异对土壤水分的影响,导致空间上平原上部和下部土壤SMC空间差异不显著;秋季SMC的主控因子植被状况抵消地表温度和土壤质地差异对SMC的影响,使得秋季SMC空间差异不显著。本文采用的研究方法在一定程度上克服了因考虑SMC影响因子不足而获取更高SMC精度的限制。     

基于RS和GIS的西部干旱区生态环境调控研究

实现生态环境优化调控与科学管理，是保护生态环境、促进社会经济与环境协调发展、建立人与自然和谐关系的重要举措。尤其是对生态环境十分脆弱的西部干旱地区，各级政府和学术界给予高度的重视。在定量研究生态环境调控的理论方法和具体操作过程中，需要借助遥感(RS)、地理信息系统(GIS)以及它们的结合等技术手段，来实现时空变化信息的实时、动态监测以及信息的提取、分析和处理。本文针对西部干旱区生态环境调控问题。提出一种RS和GIS支持下的生态环境调控量化研究方法，包括基于RS和GIS的西部干旱区生态环境量化指标体系、生态环境调控管理模型、调控方案优选与实施。并介绍一个应用例子。     

近50a玛纳斯河流域土地利用/覆被变化对碳储量的影响

土地利用变化对碳收支的影响是当前全球变化研究领域的重点内容之一,中国西北干旱区土地利用变化对陆地生态系统碳收支的影响尚不清楚。论文以西北干旱区流域绿洲水土开发的典范--玛纳斯河流域为研究区,基于Bookkeeping模型,利用多期土地覆被类型图、植被和土壤碳密度历史文献及实地调查资料,开展玛纳斯河流域近50 a荒漠转变为绿洲农田和农田弃耕两种主要土地覆被变化对碳收支的影响研究。玛纳斯河流域的垦殖活动有利于碳储量的增加,在1962-2008年的46 a间,土地利用变化导致流域植被碳储量增加6.34×10⁵ t,土壤碳储量增加3.14×10⁶ t,总碳储量增加3.77×10⁶ t。受土地覆被变化面积和转换类型碳密度差异的影响,不同土地覆被类型转换对碳储量的影响存在显著差异:荒漠草地、裸地开垦为耕地均引起植被和土壤碳储量显著增加;林地开垦为耕地引起植被碳储量减少,土壤碳储量增加,总碳储量减少;而耕地弃耕通常会导致流域碳储量减少。     

1975—2005年中亚土地利用/覆被变化对森林生态系统碳储量的影响

土地利用/覆被变化(LUCC)对碳循环的影响研究已覆盖全球绝大多数地区,但中亚LUCC对森林生态系统碳库的影响仍属未知。论文以人工林面积、森林产品收获产量及林地转移面积为基础数据,应用Bookkeeping模型,分析了1975—2005年期间三种LUCC方式对中亚森林碳库的影响。近30 a LUCC对其碳库的影响总体表现为碳汇,固碳量为3.07 Tg。植树造林表现出强烈的碳汇功能,总固碳量为12.97 Tg。森林采伐是最主要的碳释放来源,共释放碳5.80 Tg。林地转移呈现较强的碳释放特征,共排放为4.10 Tg。结果表明1975—2005年该区域LUCC对森林碳库具有明显的增汇效应。研究结果将有利于减少LUCC对全球碳收支影响的不确定性。     

绿洲浅层地下水位与水质变化对人为驱动LUCC的响应——以三工河流域为例

以新疆三工河流域绿洲为例,应用遥感、地理信息系统、空间插值和统计分析的方法,初步分析干旱区绿洲土地利用/土地覆被变化对绿洲浅层地下水位水质变化的影响。研究数据包括1978、1987和1998年三期遥感数据和近25年8口常年观测井水位数据及1987和1998年两期20口观测井水质数据。结果表明,绿洲随着城市、工矿用地为主的非农业用地和以耕地为主的农业用地的持续增加,浅层地下水水位与水质发生了显著性的时空变化。冲洪积扇绿洲主要城镇聚居区地下水位以年均45cm的速率下降,冲积平原下部绿洲地下水位以年均7cm的速率呈现缓慢的上升趋势;绿洲地下水水质趋于恶化,矿化度总体呈现上升的态势,且冲积平原绿洲地下水矿化度上升的幅度普遍大于冲洪积扇绿洲,这与地形、水文地质条件、土地资源开发、灌排强度、地表蒸发、化学肥料和农药的使用密切相关。     

滴灌背景下玛纳斯流域绿洲内外荒地土壤盐分时空变化趋势分析

干旱区内陆河流域土壤盐渍化主要集中于绿洲内灌溉农田,而对绿洲内荒地和外围荒漠（以下简称绿洲内外荒地）土壤盐分变化趋势尚不清楚。论文基于地理信息系统技术和数理统计学方法,利用玛纳斯流域绿洲膜下滴灌技术普及的初期2006年和近期2012年绿洲内外荒地0~100 cm土壤盐分数据,分析滴灌背景下干旱区绿洲南部、中部和北部内外荒地土壤盐分的0~30、30~60、60~100 cm深度时空变异的总体特征。绿洲内外荒地2012年0~100 cm深度土壤平均含盐量、阴离子含量和除Na⁺、K⁺以外的阳离子含量低于2006年的水平,土壤盐渍化类型由硫酸盐-氯化物类向氯化物-硫酸盐类转化,降低了土壤的碱性,有利于后备农业资源的开发和作物的生长;2006年玛纳斯流域绿洲内外荒地土壤盐分含量、阴离子含量和阳离子含量空间分布差异不显著,而2012年土壤盐分和除个别离子（Na⁺、K⁺、CO32-）外其他离子空间格局总体表现为绿洲中部含量最高;绿洲内外荒地土壤盐分时空变化趋势的主导因素是灌溉方式的改变和地下水的利用。玛纳斯流域绿洲内外荒地土壤盐分时空变化总体特征和可能驱动机制分析,将丰富对干旱区流域绿洲土壤盐渍化的趋势认识,并有助于干旱区后备农业土地资源的合理开发与利用。     

干旱区三工河流域土壤有机碳储量及空间分布特征

精确估算干旱区流域生态系统土壤有机碳库是进行干旱区土壤碳循环研究的重要前提。论文利用改进的土壤类型法--基于网格的土壤类型法,以干旱区典型的三工河流域为例,精确估算流域土壤碳储量,分析土壤碳密度的空间分布特征,为干旱区土壤碳循环研究提供数据支撑。研究结果显示,三工河流域0~20cm土壤有机碳储量为14.35Tg,平均土壤有机碳密度为6.70kgC/m²,其中山地灰褐土土壤有机碳密度最大,这主要是受中山带较低的气温和丰富的森林凋落物的影响;流域土壤有机碳密度表现出了明显的垂直地带性和水平地带性特征,即碳密度从山地区、丘陵区、绿洲区到荒漠区呈逐渐减小的趋势,且随海拔高度的降低碳密度逐渐减小。     

区域尺度绿洲稳定性评价

论文在区域尺度上,探讨了绿洲稳定性的内涵,并以新疆三工河流域绿洲为例,从绿洲所处的地理位置、绿洲与外围荒漠和山地系统之间的相互作用等方面评价了绿洲的区域稳定性。结果表明:①冲洪积扇型绿洲稳定性最高,其次是位于地下水溢出带下方的冲积平原型绿洲,稳定性最差的是湖滨三角洲或散流干三角洲上发育的绿洲;②绿洲的冷岛效应和植被指数可较好地表征绿洲与外围荒漠和山地系统之间的相互作用和评价绿洲的区域稳定性的时间变化。绿洲规模的扩大及绿洲水分和植被的增加将加强绿洲的冷岛效应,提高绿洲的稳定性;归一化差异植被指数增加,表明绿洲内植被覆盖密度增大和植物生物量提高,绿洲的稳定性增强。     

近50a人工灌排技术进步对玛纳斯河流域耕地格局变化的影响

分析绿洲人工灌排技术发展和耕地格局变化之间的关系,对研究干旱区灌溉农业发展具有重要的意义。论文选取玛纳斯河流域为研究区,利用RS和GIS技术,对玛纳斯河流域1960年地形图,1976、1989、1997、2006、2013年Landsat遥感影像和历史水利工程建设分布图等原始数据进行处理,获得5期人工灌排渠系矢量图和6期土地利用分类矢量图,并计算人工灌排渠系长度指数和表征耕地格局的绿洲垦殖率、净耕地系数、周长面积比;利用多元逐步回归法,分析干旱区绿洲人工灌排技术对耕地格局变化的影响。结果表明:滴灌技术应用前,玛纳斯河流域耕地分布格局由灌排渠系的空间分布决定,尤其是农渠的分布格局和长度,其与耕地面积的回归方程为y=0.43x+7.38(R~2=0.90,n=33,P=0);滴灌技术应用后,耕地分布格局的变化取决于滴灌系统管网的空间分布,尤其是干管和支管的分布格局与长度,导致流域灌溉水利用系数从1960年的0.38增长到2010年的0.65。