土壤酸化-植被生产力空间信息模型构建及贵州典型森林对酸沉降的生态效应响应

将遥感数据驱动的土壤水平衡模型、植被生产力光能利用率模型与基于过程的土壤酸化模型、营养元素循环模型相耦合,建立森林土壤酸化-植被生产力空间信息模型,定量表达土壤和土壤水离子浓度、植被生产力、营养元素循环空间分异.将模型模块化,耦合于自主开发的EcoHAT系统(Ecohydrolgy Assessment Tools),并以贵州典型森林群落为研究对象,运用模型对群落土壤化学性质、植被生产力和营养元素生物循环的关键过程的时空演变模式进行了模拟和研究,与实验数据进行验证,取得良好的效果.运用情景设定的方式,定量模拟研究区酸雨的强度变化导致土壤中植被可吸收的盐基离子变化,以及对森林植被净第一性生产力(NPP)的间接影响.     

模拟氮沉降对土壤酸化及土壤酸缓冲能力的影响

为探讨N沉降对酸雨区森林土壤酸化和土壤酸缓冲能力的影响,于2012年4—12月在重庆缙云山地区选取针阔混交林和常绿阔叶林2种典型林分进行模拟N沉降试验,设N0、N1、N2、N3 4个处理,施N量(模拟N沉降量)分别为0、60、120、240 kg/(hm2·a),每月月初将NH₄NO₃溶液均匀喷洒在所选样方内,8个月后进行取样分析. 结果表明:①不同pH下2种林分土壤的酸缓冲能力存在较大差异,pH越低土壤酸缓冲能力越高. ②2种林分的土壤酸缓冲能力随N沉降量的增加而降低. 在相同的N沉降量下,常绿阔叶林土壤酸缓冲能力略高于针阔混交林. ③N沉降会加快土壤酸化速率. 与N0处理相比,N1、N2、N3处理常绿阔叶林土壤pH分别下降了0.03、0.06、0.16,而针阔混交林则分别下降了0.08、0.10、0.26. ④2种林分土壤中盐基离子含量均随N沉降量的增加而降低,交换性Al3+含量则相反. 与N0处理相比,常绿阔叶林N1、N2、N3处理盐基离子含量分别下降了55.76%、66.00%、70.38%,交换性Al3+含量分别增加了16.03%、21.37%、31.81%;针阔混交林盐基离子含量分别下降了24.12%、43.38%、62.24%,交换性Al3+含量分别增加了19.19%、23.48%、34.85%. 研究表明,氮沉降会降低森林土壤酸缓冲能力,加快酸化速率,并且常绿阔叶林土壤对N沉降的敏感性高于针阔混交林.      

中国东部典型森林生态系统蒸散及其组分变异规律研究

森林蒸散包括植被蒸腾、土壤蒸发、冠层截留蒸发三个组分,在陆地生态系统水分循环及能量流动研究中占有重要地位。论文基于Priestley-Taylor Jet Propulsion Laboratory Model （PT-JPL）模型,估算温带针阔混交林、人工常绿针叶林、亚热带常绿阔叶林三个典型森林生态系统2003-2008年蒸散（组分）;在模拟结果基础上揭示了蒸散（组分）的季节变异规律及主控因子。结果表明：①PT-JPL模型在中国东部森林生态系统蒸散及其组分估算中具有较高的稳定性和可靠性;②蒸散（组分）季节变化特征明显,不同森林生态系统类型变化规律差异较小,但主控因子存在较大差异：温带针阔混交林蒸散和植被蒸腾季节变异主要由净辐射和增强植被指数（EVI）共同控制,而亚热带人工常绿针叶林和亚热带常绿阔叶林主要受净辐射影响;EVI和饱和水汽压差（VPD）是土壤蒸发季节变异的主控因子,截留蒸发的季节变化则主要受VPD影响。     

中国植被对氮和盐基阳离子吸收速率及其在土壤酸化中的作用

植被对氮和盐基阳离子的吸收是除酸沉降外另一个重要的土壤酸度来源.本研究基于中国植被的净初级生产力和元素化学组成确定了中国植被对氮和盐基阳离子的吸收速率.结果表明中国东南部,包括东北、华北、华东和华南地区,植被对氮的吸收速率普遍较低,而在中国的西北部吸收速率较高,并且由东南向西北逐渐递减对盐基阳离子来说,吸收速率较高(>2.0 keq·(hm²·a)^-1)的植被有亚热带、热带常绿阔叶林、温带石灰岩落叶阔叶林、温带落叶灌丛和亚热带、热带稀树灌木草原等,它们主要分布在华北西北部、云南南部和海南岛西部,而吸收速率较低(<0.5 keq·hm²·a)^-1)的植被则主要包括分布在东部亚热带地区的常绿针叶林以及分布在西部干旱地区的各种荒漠和草原尽管中国大多数地区不会因为植被吸收而造成显著的土壤酸度增加,但在少数地区,植物吸收造成的土壤酸度输入却不容忽视(>0.5 keq·(hm²·a)^-1)由于这些地区植被吸收造成的土壤酸度输入已经大于或相当于目前的酸沉降水平,而且两者之和也超过了土壤的风化速率,这些地区可能面临土壤的酸化问题.     

重庆酸雨地区森林生态系统土壤、植被与地表水现状分析

酸沉降现象在重庆已成为一个严重的长期环境污染问题，本文根据东亚酸雨监测网土壤、植被监测技术规范的方法-研究了酸沉降对森林生态系统土壤、地表水以及植被的影响和危害。通过对土壤的分析：3个采样点的土壤pH值较低，这可能与大气S和N的输入有关，导致了土壤酸化。而南山采样点的盐基饱和度(BS)均值少于10％，盐基离子交换量(CEC)也较低．土壤中Al^3 浓度相对较高，土壤中C／N较低，南山可能存在土壤酸度增加的危险，以及土壤中Al浓度增高并伴有S或N沉降增加的危险。对地表水分析结果表明，南山采样点地表水的酸中和能力(ANC)较大，但是该采样点土壤剖面的盐基饱和度并不高，由此可推测该地表水可能是经由盐基离子丰富的土壤或岩石径流而来。通过对植被的分析，酸雨可能对杉木和柳杉这两种酸敏感性植物有一定的危害作用。     

中国地表水酸化敏感性的区划

地表水体的酸化与集水区的许多环境因子密切相关,如土壤对酸的缓冲能力、基岩中和酸沉降的能力以及土地利用方式等.其中,土壤的抗酸化能力是关键因素.因此可以根据集水区土壤、基岩和土地利用方式等信息来评估地表水在不同流量下发生酸化的可能性.本研究成功地应用已有资料和数据得到了我国地表水对酸沉降的敏感性等级,并绘制了地表水酸化敏感性区划图.结果表明,我国大部分地表水对酸化并不敏感.极易酸化和较易酸化的地表水主要分布在东北的北部地区,占所有国土面积的2.67%,是该地区强酸性漂灰土、酸性母岩和针叶林植被共同作用的结果.对酸化敏感性为中级和低级,即不易酸化的地表水主要分布在东北暗棕壤地区和南方富铝土区域,占所有国土面积的15.2%.其余82.11%国土面积上的地表水对酸化不敏感,完全不可能发生酸化.北方地区主要是由于土壤的强缓冲能力,而在南方,石灰质土壤以及耕作农田的广泛分布是最重要因素.南方重酸雨区由于土壤对酸化并不很敏感,因此在短期内不会出现大面积水体酸化现象.由于东北近年来频频出现酸雨,因此东北的酸沉降必须及早防治,以免出现大面积酸化水体.     

区域尺度典型喀斯特地区土壤水分动态模拟

在单层土壤水分模型基础上,建立起针对于黔中部典型喀斯特地区的0~15cm、15~40cm两层土壤水分模拟模型。在此基础上,依托遥感和GIS手段,将模型扩展到区域尺度上,模拟出黔中部典型喀斯特地区2005-10~2006-05日尺度上0~15cm、15~40cm土壤水分动态转化规律,并以实测值进行了验证。结果表明：①构建模型在数据获取上比较容易,使其实际的可操作性得到加强;②黔中部典型喀斯特地区不同植被类型下土壤水分变化特征有着重要的差异。从土壤水变化幅度上看：农用地>灌丛>草地;从土壤水分垂直变化规律上看,灌丛和草地的0~15cm层土壤水分含量低于15~40cm层,水分梯度为正,而农用地相反;从土壤保水性上来看,草地>灌丛>农用地;③不同植被类型季节变化表现出同样的特征：12~2月日土壤含水量平均值大于其它月份日均值,主要是由于冬季贵州地区降水丰富,再加上气温低,蒸散发量小;月相变化,10~2月为土壤水分缓慢积累期,2~4月为土壤水分强烈消耗期,4~5月为雨季土壤水分补充期。     

应用稳态酸化模型计算酸沉降临界负荷

应用稳定状态土壤化学模型ＰＲＯＦＩＬＥ计算了柳州薄层砂页岩红壤和地表水的酸沉降临界负荷。对模型所需参数,建立了系统完整的收集、测量与计算方法,得到柳州地区针叶林植被区域由湿沉降计算总沉降的经验公式。     

中国酸沉降:来源、影响与控制

总结我国酸沉降观测与模拟、来源与影响以及控制与成效,不仅能为未来我国大气污染治理提供科学依据,也能为国际酸沉降控制提供参考.本文回顾了40年来我国酸沉降研究的发展历程,对有关酸雨时空分布特征、致酸气体排放、土壤和地表水酸化、酸化缓冲机制、临界负荷区划以及酸雨控制对策等研究进展进行综述.我国酸雨污染经历了快速发展、污染缓和、再次恶化和持续改善4个阶段,与酸性气体——二氧化硫和氮氧化物的排放趋势相一致.我国酸雨区主要分布在长江以南及青藏高原以东的广大地区以及四川盆地,而不是排放最为集中的华北地区,反映出氨气和盐基阳离子排放的较强中和作用.作为酸沉降的主要危害,我国土壤酸化严重,而地表水酸化与欧美相比并不突出,原因是盐基阳离子沉降和硫氮转化（如硫酸根吸附和反硝化等过程）提供了特别的缓冲作用.随着二氧化硫排放优先于氮氧化物得到初步控制,我国降水化学组成由硫酸型转变成硫酸-硝酸-铵混合型,从而氮沉降,特别是铵沉降对我国土壤酸化的贡献越发显现.国家“两控区”划分、大气污染物总量控制与“大气污染防治行动计划”等政策的实施,有效控制了我国酸沉降的发展,酸化的土壤和地表水开始出现恢复的趋势.     

北京松山国家级自然保护区典型植被类型表层土壤碳密度及周转速率特征

为阐明不同植被类型下表层土壤有机碳的分布特征,本文选取北京松山国家级自然保护区内胡桃楸阔叶林、蒙古栎阔叶林、油松针叶林、针阔叶混交林、灌丛和草甸6种典型植物群落作为研究对象,基于野外调查、采样与实验室分析对不同植被类型下表层土壤有机碳含量、密度及周转速率进行了研究。结果表明：草甸表层土壤有机碳含量和密度最高,分别为188.5 g/kg和10.9 kg/m²,周转速率最低,为0.019 6/a;针阔叶混交林表层土壤有机碳含量和密度最低,分别为68.6 g/kg和5.7 kg/m²,周转速率为0.074 9/a;灌丛表层土壤有机碳周转速率为0.077 4/a。土壤有机碳含量整体上随土壤深度增加而逐渐减少。土壤水分的增加和土壤温度的下降使表层土壤有机碳含量及密度呈上升趋势,而使有机碳周转速率呈下降趋势。土壤有机碳密度随海拔升高呈逐渐上升趋势。海拔通过影响不同植被群落土壤水热条件来影响微生物活动及凋落物的分解,进而影响表层土壤有机碳含量、密度和周转速率。本文为松山国家级自然保护区典型植被类型土壤碳储量和周转研究提供了有效参考。     

氮循环的人为干扰与土壤酸化

从生物地球化学循环的观点出发 ,研究了N循环的人为干扰与土壤酸化的关系 ,并探讨了N循环扰动下导致土壤酸化的机理。在土壤酸化中 ,人类对N循环干扰起作用最大的是对大气中NOx 排放的影响以及对N固定的影响 ;前者通过酸雨导致土壤酸化 ,后者则通过施肥导致土壤酸化。     

黄淮海地区土壤水分动态模拟模型

本文根据黄淮海地区１９９３～１９９５年麦季实测土壤水分、农业气象资料和卫星监测资料,试验了区域性土壤水分模型,以便模拟区内土壤水分及其相关要素的动态变化过程,解决以往土壤水分遥感模型只确定土壤水分含量不能确定水量结构的缺点。试验取得比较满意的效果,成功地利用遥感数据作为模型的输入,达到土壤墒情监测、水文水利分析和农作物遥感估产的目的。模型在输出水量结构的同时还提供了人类活动对水环境影响的信息。     

GF-5高光谱遥感影像的土壤有机质含量反演估算研究

本文基于高光谱遥感影像对土壤有机质含量进行反演估算,以哈尔滨与兴安盟交界处的平原地表土壤为试验对象.首先,基于辐射和几何校正等预处理的高分五号（GF-5）高光谱遥感影像,依据五点采样法采集影像覆盖范围的地表土壤样本共100组,在实验室内进行理化分析等一系列处理获取样本土壤有机质含量数据.然后,运用偏最小二乘法建立高光谱影像土壤沙化指数、土壤退化指数、归一化亮度指数和土壤盐分指数反演土壤有机质含量的估算模型.比较基于原始反射率数据、一节微分反射率数据和4种土壤指数构建的反演模型的预测精度,通过65%的建模样本和35%的预测样本验证表明,反演模型中基于土壤指数建立的反演模型的预测验证精度最高,预测集验证中ρ为0.816,RMSE为1.7287.并将该反演模型运用到高光谱影像的土壤有机质含量的反演估算,实际测量的SOM与影像反演SOM含量变化趋势一致,相关性达到80.023%以上,验证了模型的反演估算精度.     

基于贝叶斯网络分类的土壤盐渍化遥感监测

贝叶斯网络是一种将贝叶斯概率方法和有向无环图的网络拓扑结构有机结合的概率模型。采用贝叶斯网络分类对具有典型干旱特征的库车县土壤盐渍化情况进行监测，首先应用条件独立性测试原理建立贝叶斯网络结构，把研究区遥感数据进行离散化，然后应用贝叶斯定理作为分类原则，将每个像元分为像元最大概率的类别。研究结果表明该方法分类6种地类的整体分类精度达到96％，为该区盐渍地面积、空间分布等特征监测提供了较好的依据。     

基于遥感时-空-谱特征及随机森林模型的土壤重金属空间分布预测

获取土壤重金属的含量特征及空间分布是预防土壤污染和制定环保政策的关键.选取济南市长清区为研究区,系统采集304处表层土壤样品（0~20 cm）,利用多源遥感数据构建土壤重金属的光谱特征、时间特征和空间特征;进一步采用相关分析法选择出与土壤重金属密切相关的时-空-谱特征,并将其作为输入自变量,实测土壤砷（As）含量值为因变量,建立基于随机森林（RF）算法的空间预测模型,完成土壤重金属的含量估算和空间分布预测.结果表明：①As含量均值超出背景值43.17％,低于农用地土壤污染风险规定的筛选值和管控值,表明As在土壤中出现富集,但处于可管控范围内.②在单个遥感特征构建的土壤重金属空间预测模型中,精度由高到低依次为：空间特征（RPIQ=3.87）>时间特征（RPIQ=2.57）>光谱特征（RPIQ=2.50）,空间特征对土壤重金属空间预测最为重要.③基于“时间-空间”、“时间-光谱”和“空间-光谱”组合特征的土壤重金属空间预测模型均优于单个特征构建的模型,其精度系数RPIQ值分别为4.81、4.21和4.70.④利用“时间-空间-光谱”特征组合输入的随机森林模型达到最佳的空间预测精度（R²=0.90;RMSE=0.77;RPIQ=5.68）.⑤As在空间分布上从西北到东南含量逐步降低,主要受到黄河冲淤积和工业活动影响.研究采用的遥感时-空-谱特征结合随机森林算法的土壤重金属空间预测技术,可为土壤污染防治及环境风险管控提供有效的方法支持.     

浅谈水土流失遥感定量模型及其因子算法

基于地理信息系统的遥感定量调查法是近年来新出现的水土流失调查方法 ,其核心部分就在于水土流失定量评价模型及其各参数的算式算法。本文主要介绍了几种主要的水土流失遥感定量评价模型的构成 ,并对其中USLE系列模型的因子的算式、算法进行了汇编。     

西南地区典型土壤酸化特征及其与重金属形态活性的耦合关系

采用空间代替时间的方法,采集了西南地区主要类型和不同酸化阶段的土壤样品,分析了土壤理化性质特征、酸缓冲性能和重金属赋存形态,结合小白菜盆栽生物试验,探讨土壤酸化和重金属形态活性变化的耦合关系.结果表明,紫色土和黄壤随着土壤酸化程度增加,土壤交换性盐基离子降低,由交换性Ca²⁺流失引起.不同酸化阶段紫色土和黄壤对酸敏感性差异较大,紫色土在pH>7.50和pH<4.50时,酸缓冲容量较大;黄壤酸缓冲容量和土壤交换性盐基离子含量呈较强的相关性,且随着酸添加量增加,酸缓冲容量的增大倍数和土壤盐基离子消耗速率有关.重金属Cd和Pb在土壤中的赋存形态和土壤类型、酸化程度紧密相关,紫色土与黄壤中Cd和Pb主要以可交换态和残渣态为主,且随土壤酸化程度增加交换态占比增加,残渣态占比减少;红壤中以残渣态和Fe-Mn结合态为主,Cd的Fe-Mn结合态分别是紫色土和黄壤的2.15倍和1.73倍,Pb的Fe-Mn结合态是紫色土与黄壤的4.30倍和3.91倍,与红壤铁含量较高有关.盆栽试验表明土壤酸化一定程度上抑制小白菜的生长量,酸化严重的黄壤(pH<5.70)中小白菜生物...     

IBIS改进及其多尺度流域分布式生态水文模拟

针对集成生物圈模拟器IBIS未考虑高分辨率模拟情况下地表起伏对太阳辐射等参数影响的特点,改进了IBIS的地表太阳辐射计算模块、日气象数据读取模块,并增加了坡度、坡向数据读取模块。在土地利用覆被数据、DEM、坡度、坡向和降水、气温、云量、湿度、风速等气象数据的支持下,利用改进的IBIS分别对泾河及其子流域在0.041 5°和0.001°空间尺度上的生态水文过程进行了模拟,并用二源遥感估算的蒸散发对模拟结果进行了空间比较分析。结果表明,改进的IBIS在日、月、年不同时间尺度和不同空间尺度上均具有很好的模拟适应性与模拟能力,模拟蒸散发与二源遥感估算蒸散发结果比较一致,总体空间分布形态和趋势具有相似特征。     

遥感技术在土壤污染中的应用研究进展

近年来遥感技术不断地拓展着应用的领域和范围，在土壤污染方面得到了广泛的关注和应用。传统土壤污染的研究存在许多弊端，需要耗费大量时间和精力。遥感技术具有建模范围大、实时性短的特点，它的出现使这些繁琐的过程更加简化。特别是近些年来图像处理手段和无人机遥感技术的发展，极大地提高了该技术的应用精度。本文从遥感技术在土壤污染状况的识别、反演、监管和风险评估等方面的应用出发，列举了遥感技术应用过程中常用的反演手段和方法，梳理了监管数据来源和监管对象。通过目前土壤污染与遥感技术结合的发展现状，较为全面地回顾了国内外遥感技术应用于土壤污染的发展历程，总结了遥感技术应用于土壤污染的各个方面的进展，并对该方面的未来发展趋势进行了展望。