基于Google Earth Engine分析黄土高原植被覆盖变化及原因

为探明黄土高原植被覆盖时空变化及其原因,基于Google Earth Engine（GEE）,采用Landsat Surface Reflectance data（陆地卫星地表反射率数据）分析了黄土高原1987~2015年间植被覆盖度的时空变化规律,并借助累积量斜率变化率方法对引起植被覆盖度变化的气候和人为因素进行了量化分析.结果表明：黄土高原年均植被覆盖度由1987年的41.78%增加到2015年的53.23%,增速为0.38%/a（P<0.05）.其中,1987~1999年年均植被覆盖度变化趋势不显著（P>0.05）;而退耕还林还草工程实施以来（2000~2015年）,年均植被覆盖度显著增加（P<0.05）,增速达到0.59%/a.由像元尺度分析,黄土高原72.93%的区域植被覆盖度呈增加趋势,其中38.31%的区域增加趋势显著（P<0.05）.植被覆盖度的变化受气候和人为因素的共同影响,以1987~1999年为基准期,气候变化和人类活动对黄土高原2000~2015年间植被覆盖度变化的相对贡献率分别为23.77%、76.23%,人类活动为引起黄土高原植被覆盖度变化的主要原因.退耕还林还草工程极大地改善了黄土高原的植被覆盖状况,但是城市的扩张使得部分地区的植被覆盖呈显著退化现象.     

1961—2007年黄土高原极端降水事件的时空变化分析

极端降水事件会引起严重的灾害事件,其变化趋势需要进行详尽的评估。基于50个站点1961—2007年日降水数据,定义极端降水事件及衡量指标后,使用M ann-Kendall法评估了黄土高原极端降水事件的空间分布和时间变化特征。结果表明,极端降水事件的空间分布具有东南—西北方向的梯度变化特征,降水量、强度和年最大日降水量均从东南向西北递减,而严重干旱事件从东南向西北递增。多数站点极端降水事件的各指标都具有单一趋势,但各指标具显著性趋势的站点数差异很大。约40%的站点极端降水频率具有显著降低趋势;约30%的站点极端降水量的减少趋势和严重干旱频率的增加趋势具有显著性;约10%的站点极端降水强度的上升趋势和年最大日降水量的下降趋势显著。     

2000~2014年黄土高原植被覆盖时空变化特征及其归因

基于MODIS-NDVI数据,辅以一元线性回归分析、Mann-Kendall检验、Hurst指数等方法,分析了2000~2014年黄土高原植被覆盖时空演变特征及其驱动因素.研究表明:近15年黄土高原NDVI呈显著增加趋势,增速为6.93%/10a(P<0.01);空间上,植被归一化指数,或归一化值被指数Normalized Difference Vegetation Index(NDVI)呈由东南向西北递减的分布格局,高值区主要分布在东南部的土石山区、河谷平原区;同时,500m以下和3500米左右的NDVI值最高;在趋势上,NDVI呈现增加和减小趋势的面积比重分别为88.24%和11.76%;Hurst指数表明研究区未来NDVI变化趋势呈持续性和反持续的比重分别为50.07%和49.93%,其中持续改善和由改善变为退化的面积分别占43.98%和44.28%;降水是影响NDVI变化的主要驱动因子,表现为NDVI随降水的增加而增加;人类活动也是影响NDVI的重要因素,且对NDVI有双重影响.     

雅鲁藏布江径流变化趋势及原因分析

论文利用1956-2000 年近45a 的天然径流逐月资料, 1956-2004 年近50a 的气温、降水逐 月资料, 分析了20 世纪下半叶雅鲁藏布江流域径流变化特征及其与气候变化的关系。研究表明: 雅 鲁藏布江流域径流的年际变化较稳定, 年内分配极不平衡, 月最大径流量占全年百分比达30.1%, 而月最小径流量只占全年的2.1%, 枯水季节径流量和洪水季节径流量相差较悬殊; 雅鲁藏布江流 域普遍存在升温的变化趋势, 同时流域内降水增加趋势较明显, 变化周期与径流变化周期较一致。 从雅鲁藏布江流域天然径流代际变化的初步分析来看, 流域来水的增加, 主要受制于降水和气温的 变化, 也受到流域地表状况变化的影响, 同时也可能是河流丰枯长周期变化的表现。这种周期变化 还需相关资料的验证和分析。     

近45a宁夏气温、降水及植被指数的变化分析

利用1961~2005年宁夏气温、降水资料,并结合1982~2003年植被指数(NDVI)数据,分析了宁夏气温、降水和NDVI的时空变化特征。结果表明:近45a来,宁夏气温明显升高,降水总体呈减少趋势;冬季和引黄灌区升温最明显,冬季降水增加,其它季节及各地区降水减少,其中秋季和宁夏南部山区减少最明显;秋冬季降水在1968年前后发生了突变,突变后,冬季降水增多,秋季降水减少;1985~1996年间发生了气温突变,突变后各季及各地区气温明显升高,冬春季和引黄灌区降水增多,其它季节和地区降水减少,极端气候事件较突变前发生更为频繁;近20a宁夏区域内NDVI值呈增加趋势,荒漠化面积整体得到控制。进一步分析表明,前一年气温偏高、夏季降水增加时,有利于当年NDVI值增加。     

1961—2019年黄土高原植被潜在蒸散及影响因子

研究潜在蒸散对于深刻了解区域的生态环境问题及水文循环过程具有重要的理论与现实意义.该研究基于Penman-Monteith模型对1961—2019年黄土高原潜在蒸散的时空变化特征进行了分析,再结合土地利用数据探究了各植被类型潜在蒸散的差异及其影响因素.结果表明:①1961—2019年黄土高原区域呈暖干化趋势,其中平均最高温度、平均最低温度与平均温度均呈显著增加趋势;平均相对湿度、平均风速、日照时数均呈显著降低趋势;降水量非显著减少.②在空间分布格局上,黄土高原区域年均、生长季、春季、夏季和秋季潜在蒸散均呈南北高、东西低的分布特征;1961—2019年春季潜在蒸散以0.41 mm/a的速率显著增加(P < 0.05).③1981—2019年黄土高原区域潜在蒸散平均变化趋势为1.35 mm/a,其中62.98%的区域呈显著增加趋势(P < 0.05),多分布在东部和西部地区.④1961—2019年黄土高原区域各植被类型潜在蒸散变化均表现为不显著上升趋势,多年平均潜在蒸散大小表现为草原>农田>针叶林>草甸>阔叶林>灌丛,其中,1981—2019年各植被类型潜在蒸散增加趋势大小表现为阔叶林>针叶林>灌丛>农田>草甸>草原.⑤影响黄土高原区域各植被类型潜在蒸散的主要气象因子为平均风速与平均相对湿度,其次为日照时数.潜在蒸散随着平均风速和日照时数的增加而增加,随着平均相对湿度的增加而减小.研究显示,各植被类型潜在蒸散的增加与区域降水的减少可能会加剧水资源短缺态势,建议黄土高原地区在开展植被恢复工作时,应优先考虑耗水较少的树种,优化群落植被结构,充分利用光水热资源,修建蓄水设施,支撑区域生态环境的可持续发展.      

陇东黄土高原农业物候对全球气候变化的响应

通过对多年来陇东黄土高原董志塬主要农作物冬小麦和主要果树苹果、梨发育物候和气候变化的同步观测,分析了陇东黄土高原农作物发育物候对气候变化的生态响应。分析发现,董志塬近35年来年平均气温呈显著增加的趋势,且以冬季和春季增温为主(冬小麦越冬期增温线性趋势达0.0672℃a/),和全球气候变暖趋势基本一致。增温线性趋势达0.0507℃a/,远高于全国20世纪60年代以来平均增温幅度,也高于陇东黄土高原近35年平均增温幅度(0.0348℃a/),是陇东黄土高原增温中心地带。气候变暖对董志塬冬小麦和果树的生态影响主要体现在春季发育期普遍提前,冬小麦越冬期显著缩短(缩短的线性趋势达0.674d a/),而冬小麦和果树春季各发育期间隔并未出现缩短的趋势。而且由于当地种植冬小麦品种为强冬性、长日照型品种,发育期提前导致日长缩短,对发育有一定抑制作用,抵消了一部分增温的影响,因此果树春季各发育期提前的线性趋势比冬小麦明显。就果树而言,梨树春季发育期提前的线性趋势又比苹果树明显。结论认为气候变化对农业的影响有利有弊,农业管理部门应根据当地气候变化特征,及时调整种植结构,优化种植模式,趋利避害,充分挖掘气候资源潜力,提高农业经济效益。     

黄土高原中部浅层地下水化学特征及影响因素

通过采集黄土高原中部沿黄流域57个浅层地下水水样,采用定性（Gibbs模型、Na端元和离子相关关系）和定量（正向演替模型）分析方法探究了该地区地下水水化学特征、沿程变化规律和控制因素.结果表明,黄土高原中部沿黄流域浅层地下水均呈弱碱性;优势阴阳离子分别为HCO₃^-和Na⁺;水化学类型以HCO₃-Ca-Mg为主,占40%.研究区地下水主要离子自北向南变化趋势有所差异,其中Cl^-浓度保持动态稳定,SO₄^2-、HCO₃^-、Mg²⁺和Na⁺浓度沿程增加,而NO₃^-、Ca²⁺和K⁺浓度沿程降低,矿产资源开发是研究区地下水SO₄^2-重要来源,而强烈的阳离子交替吸附作用是引起Na⁺富集的重要因素.研究区地下水溶质来源主要受岩石风化作用控制,以硅酸盐岩石风化为主;大气输入、人类活动和岩石风化对地下水溶质的相对贡献分别为5%±3%、6%±13%和89%±13%.此外,下垫面因素改变、人类活动以及气候变化通过改变地下水补给与排泄等过程直接或间接的影响了地下水水量和水质.本研究结果将为黄河流域和其他类似地区当前和未来的地下水质量管理项目提供参考.     

1960—2017年黄土高原极端降水的时空演化及其对环流变化的响应

基于1960—2017年黄土高原47个气象站逐日降水量数据,对黄土高原极端降水量、极端降水日数和极端降水强度的时空演化特征进行了分析。结果显示：（1）黄土高原极端降水时空分布存在明显异质性。极端降水事件在全年发生频率不高（13.2%—46.1%）,但对年降水量贡献突出（50.4%—91.4%）。（2）1960—2017年黄土高原极端降水量和降水日数出现下降,但极端降水强度上升。在黄土高原干旱化的同时,极端降水在全年降水中的占比有升高趋势。作为黄土高原土壤侵蚀的主要驱动力,愈发增强的极端降水将会给该地区水土保持和地质灾害防治工作带来严峻挑战。（3）极端降水特征EOF分解第一模态反映了黄土高原极端降水的一致性变化,其空间分布特征可能受到了当地水汽条件及大气层结稳定度等大气动力效应的影响。第二模态反映了黄土高原极端降水的差异性变化,极端降水量和极端降水日数均大致以临夏—太原一线呈反相位变化,这种分布模式可能和地形因素密切相关。（4）黄土高原极端降水特征的年际变化受厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）活动的显著影响,厄尔尼诺年极端降水量偏低、日数偏少,拉尼娜年反之。     

黄土高原大气降水δ18O的空间分布

大气降水δ¹⁸O值的空间分布可以为理解现代大气中的水分输送提供空间信息,也可以为解释古气候代用指标的环境意义提供基础。本文整理了黄土高原44个站点的实测降水δ¹⁸O数据,基于纬度和海拔构建回归模型并得到了黄土高原降水δ¹⁸O的同位素景观图谱,结合实测资料和图谱结果分析了降水δ¹⁸O的年内变化和空间分布特征,并评价了两种全球降水同位素景观图谱产品的适用性,得出以下结论：（1）黄土高原降水δ¹⁸具有明显的年内变化特征,春夏季相对富集,秋冬季较为贫化。（2）黄土高原降水δ¹⁸O高值区多出现在南部的渭河谷地一带,低值区则主要出现在西部高原山地和北部边缘。（3）黄土高原北部与西部降水δ¹⁸温度效应更为明显,向南和向东延伸,温度效应逐渐弱化。（4）两种全球降水同位素景观图谱产品对δ¹⁸值的最佳模拟结果均出现在夏季,冬季模拟较差。     

黄土高原近30年植被变化特征及其气候驱动

The use of Normalized difference vegetation index (NDVI) data acquired with multiple satellite sensors has become a necessity in research fields such as agriculture, Land-Use and Land-Cover Change (LUCC) and changes in the natural environment. In this paper, vegetation 10-day composite (VGT-S10) NDVI data with a 1 km×1 km resolution, covering the period from April 1982 to December 2011 and Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) Global Inventory Modelling and Mapping Studies (GIMMS) NDVI data with a 8 km×8 km resolution, covering the period from April 1998 to December 2006 were used. The VGT NDVI covering the period from 2007 to 2011 was converted to the GIMMS NDVI for the same period. The vegetation trend during 1982 to 2011 was calculated using the extended NDVI data set. Climate change has a large impact on the vegetation dynamics. A series of statistical analyses were employed to demonstrate the relationship between NDVI and meteorological data during 1982 to 2005. A multiple correlation analysis was applied to validate the association between the two climatic factors and monthly maximum NDVI (MNDVI). The partial correlation coefficient of MNDVI and each climate factor were calculated respectively to describe the singular influence of each meteorological variable. The results indicated that temperature made a significant positive influence on vegetation growth in the whole Loess Plateau. Precipitation is the most important climatic factor that closely correlates with MNDVI, particularly in arid and semi-arid environments. However, in some wet regions, precipitation is not a limiting factor on vegetation growth.     

基于氢氧稳定同位素的黄土高原云下二次蒸发效应

根据GNIP提供的1985年1月至2004年12月黄土高原8个站点的409个降水同位素数据及同期的气象资料,结合HYSPLIT 4.9模型,分析了该区δ18O和d的时空分布特征,计算了二次蒸发的比率,并对不同气象因子影响二次蒸发的程度作了探讨,得到以下结论:1冬季风和夏季风期间,在黄土高原内由南向北δ18O呈上升趋势,d呈下降趋势;自东向西δ18O仅在夏季风期间有上升趋势,而在冬季风期间呈现下降趋势,d总呈现下降的趋势,δ18O和d的变化幅度可以指示季风的路径.2该区全年存在二次蒸发效应,夏季风期间最为明显,蒸发比率介于1.51%~5.88%之间,平均值为3.87%.冬季风期间蒸发比率总体较低,介于1.06%~5.46%之间,平均值也降为3.03%.黄土高原边缘站点蒸发比率受季风变化影响较大,而中部站点受季风变化影响较小.3温度对二次蒸发的影响较大,降水量和水汽压其次,相对湿度较小.此外,风速和海拔对二次蒸发的影响较弱.     

黄土高原土壤景观格局特征分析

在地理信息系统支持下,选择多种景观格局指数,从斑块面积、斑块数、斑块周长和多样性的角度对黄土高原地区土壤景观进行了格局特征分析。结果表明,黄土高原地区土壤景观斑块数、面积和周长分布均极不均衡,土壤景观多样性指数较低,反映出黄土高原地区土壤景观破碎化程度较高。     

云南高原楚雄市降水分布与旱涝灾害分析

运用楚雄市1961~2009年的降水量资料,通过统计检验、五点三次滤波法并计算了楚雄降水距平百分率,分析了楚雄市旬、侯、月﹑季、年际降水量变化特征及旱涝灾害的时间分布特征,得出楚雄市49年平均降雨量为867.77 mm,2000~2009年来年平均降雨量为935.57 mm,比49年均值偏高67.8 mm,呈上升趋势。降水主要集中在5~10月,干湿明显,楚雄市冬春干旱年年都有发生,只是程度不同,初夏干旱如遇大气环流异常发生的机率较大,干旱发生连续性较强,洪涝灾害偶有发生。并对旱涝灾害成因进行了分析,提出了旱涝灾害防治基本对策。     

黄土高原侵蚀产沙与高含沙水流空间分异对比分析

论文研究了黄土高原侵蚀产沙、高含沙水流的空间分布特征,并对比分析了两者空间分布的异同。结果表明:黄土高原高含沙水流高发区、侵蚀产沙高值区呈带状分布,大致为东北—西南向,带状区域中包括三个高峰区;黄土高原降雨量、NDVI等值线的空间分布方向与侵蚀产沙带及高含沙水流高发区延伸方向平行,侵蚀产沙带及高含沙水流高发区基本位于200~600 mm降雨量及NDVI值为0.15~0.25范围内,当降雨量达到400 mm及NDVI为0.17时侵蚀产沙达到峰值,而当降雨量为400 mm及NDVI为0.2时,高含沙水流达到峰值;影响因素对侵蚀产沙、高含沙水流发生的作用规律的一致性,决定了黄土高原侵蚀产沙与高含沙水流分布的相似性,而侵蚀产沙、高含沙水流对影响因素响应程度的差异,是两者空间分布差异的重要原因。     

黄土高原中尺度流域基流变化驱动因素分析

针对黄土高原基流的动态变化特征和驱动因素问题,以昕水河流域为例,采用数字滤波法（3次,α=0.925）分割基流,利用Mann-Kendall、Pettitt、小波分析和Hurst法分析该流域基流的趋势性、突变性、周期性和持续性特点,采用双累积曲线法对基流变化驱动因素进行分析。结果表明,昕水河流域多年平均基流量为0.45亿m³,基流指数为0.368;流域年基流量呈显著下降趋势（P<0.01）,在1985年发生突变;基流变化周期为27年,预计未来基流仍有进一步减少趋势（H>0.50）。流域降水和人类活动是基流变化的根本原因,人类活动通过植被覆盖度的变化、地下水的开发、煤矿开采和水土保持措施等方式影响基流。与第一阶段相比,第二、第三阶段降水和人类活动对基流的影响比例分别为25.89%、74.11%和0.37%、99.63%。进入21世纪,人类活动逐渐成为影响基流变化的主要因素。     

黄土丘陵小流域土地利用的时空分布及其与地形因子的关系

采用航片解读、实地调查、土地规划和基于GIS的统计分析相结合的方法,从土地利用面积和地形分布格局的变化分析入手,研究了黄土丘陵小流域土地利用的时空分布格局及其影响因子。研究结果表明,黄土丘陵区大南沟小流域的土地利用变化可以分成两个阶段,第一阶段从1975、1998年到25°退耕,林地/灌木地面积增加,荒草地、休闲地和耕地的面积减少,果园/经济林地的面积变化不明显;第二阶段即3种土地利用规划方案,包括25°、20°和15°退耕方案,林地/灌木地和荒草地的面积保持不变,耕地和休闲地逐渐被果园/经济林地所替代。汇总与相关分析表明,这5种土地利用类型的地形分布格局也发生相应的变化。研究指出,近20年来,大南沟小流域土地利用格局日趋优化,3种土地利用规划方案体现了土地持续利用的生态、经济和社会效益,具有很强的操作性。