华北山前平原区厚包气带次降水入渗补给定量估算

降水入渗补给定量估算对于区域水资源评价具有重要作用。在干旱半干旱地区,年降水入渗补给量通常取决于年内几次集中的降水特性。因而,开展次降水入渗补给机理研究,建立次降水入渗补给量估算方法,有望提高干旱半干旱地区入渗补给量评估的科学性和准确性。本文以华北山前平原地下水深埋区为例,利用中国科学院栾城农业生态系统试验站和河北冉庄水资源实验站实测的土壤含水量、土壤水势、地下水补给量和降水量等长序列资料校准Hydrus-1D模型,模拟日降水入渗补给过程,构建具有物理意义的次降水入渗补给事件划分标准,深入研究华北山前平原地下水深埋条件下次降水入渗补给机理,定量估算次降水入渗补给量,建立次降水入渗补给量和次降水量间的定量关系。研究结果表明:次降水入渗补给量具有较大的变异性,次降水入渗补给量与次降水量或次总有效水量(次降水量+前期200 cm土壤储水量)呈显著相关关系(P<0.01),决定系数(R^(2))达0.801~0.962;但次降水入渗补给系数与次降水量无显著相关关系,这是由于次降水入渗补给系数不能反映降水前期土壤水分条件对补给的影响。因此,在地下水深埋区,不建议利用次降水入渗补给系数来估算次降水入渗补给量。本研究结果对区域地下水资源评价具有重要理论意义。

“23·7”特大暴雨对河北平原玉米产量的影响研究

洪涝是一种破坏力巨大的自然灾害,对粮食生产构成严重威胁。受台风“杜苏芮”和“卡奴”的影响,2023年7月29日至8月1日京津冀地区出现百年一遇的特大暴雨洪水灾害,给京津冀地区造成了重大损失,导致部分农田几乎绝收。为评估极端暴雨事件对当地粮食产量的影响,本研究使用MODIS MOD09GQ数据分析了暴雨前后的归一化植被指数(NDVI)变化,据此划定了本次暴雨造成的受灾农田区域(主要在河北平原)及其受灾程度,同时结合2016—2020年玉米种植空间分布、农业统计数据和NDVI数据,估算了受灾农田区域未发生暴雨和发生暴雨后两种情景下的玉米产量,进而评估了本次暴雨造成的玉米产量损失。主要得到以下结果:1)暴雨发生后,河北平原受灾农田区域的NDVI普遍减少0~0.35,相比之下,未受灾农田区域的NDVI均有所增加。2)本次强降雨导致河北平原约24万hm^(2)农田受到影响,绝产面积约13万hm^(2),减产面积约11万hm^(2)。3)蓄滞洪区周边的22个县(市、区)是本次暴雨的主要受灾区域,据回归分析结果,本次暴雨可能造成的玉米产量损失多达22万t,且92%的产量损失是由作物绝产所致。本研究为遥感手段估算极端降雨导致的粮食减产提供了一个快速且可靠的计算框架,同时强调了极端降雨对粮食安全的巨大威胁。

华北山前平原典型站点地下水位与硝酸盐变化特征

华北平原是我国重要的集约化农业生产区,该区域农业生产长期以来依赖于过度开采地下水以及过量施肥,造成地下水位持续下降和地下水水质恶化,严重威胁区域生态环境安全、粮食安全和人民健康。本文利用长期观测资料分析了华北山前平原井灌区典型站点(中国科学院栾城农业生态系统试验站)的浅层地下水水位埋深和水质长期变化特征。研究发现:1)在1974—2019年,地下水位呈下降趋势,46年内下降了32.6 m,年均下降速率0.7 m·a^(−1);随着地下水超采综合治理的持续开展,2020—2022年地下水位有回升的趋势,平均回升速率为0.2 m·a^(−1)。2)浅层地下水的电导率在年内存在较大波动(425~776μS·cm^(−1)),表明农业灌溉地下水开采导致了深层地下水(电导率较低、水质相对较好)与浅层地下水(电导率较高、水质相对较差)在年内发生了多次且剧烈的混合。3)近20年的定位观测数据表明,浅层地下水水质呈现变差的趋势,其中氯离子和硝酸根离子的浓度升高。本研究对于该地区合理利用地下水资源,促进地下水水质保护具有重要的科学价值。

华北平原冬小麦-夏玉米农田蒸散观测对比研究

华北平原是我国的粮食主产区之一,然而该地区水资源非常短缺,精准测算农田蒸散量(ET)对于该地区合理配置水资源、提高农业用水效率具有非常重要的科学意义和实践价值。本研究利用涡度相关法、水量平衡法和蒸渗仪法对2013年10月—2018年9月的华北平原典型冬小麦-夏玉米一年两熟农田生态系统ET进行了连续的观测对比研究。结果表明:3种方法测定的ET季节变化趋势基本一致,且不同方法间ET变化显著正相关,相关系数r>0.90;总体表现为蒸渗仪法最高,水量平衡法和涡度相关法较低,水量平衡法计算的ET与蒸渗仪法和涡度相关法相关性均为在0.94,因此其更适于不同尺度ET变化的验证研究。全年来看,水量平衡法测得的平均年ET为788.6 mm,比涡度相关法(717.9 mm)高9.8%,蒸渗仪法测得的年ET为906.4 mm,比涡度相关法高26.2%。冬小麦关键生育期(拔节期、抽穗期、灌浆期)的ET占生育季总ET的57.3%~61.5%,夏玉米关键生育期(抽穗期、开花期、灌浆期)的ET占生育季总ET的58.5%~61.6%。综上,在ET变化及其影响等研究中可以根据研究内容及情况结合各种方法优缺点,选择适宜的观测方法。

黄河上中游地区能源生产及其水足迹变化特征

为揭示黄河上中游地区能源生产及其水足迹变化特征,基于能源统计数据,利用水足迹理论在市级尺度上定量分析能源产量、能源结构以及能源生产蓝水足迹的时空变化特征。结果表明:1990-2020年黄河上中游一次能源生产总量总体呈现上升趋势,从1.5亿t标准煤增至17.1亿t标准煤,全国占比由13.7%增到41%,空间上能源生产更加集中且重心向上游转移;近30年,黄河上中游能源生产结构中原煤比重呈下降态势,由93.3%减少至88%,天然气比例增加显著,以原煤为主的城市数量明显减少,清洁能源在其能源生产结构中的比重提升;能源生产蓝水足迹由1990年的4.64亿m^(3)增至2010年为25.18亿m^(3),随着能源生产用水效率的提高和清洁能源比重的提升,能源生产蓝水足迹减少至2020年的24.24亿m^(3),其中能源加工蓝水足迹是能源生产蓝水足迹的主要组成部分,空间上能源生产蓝水足迹高值区向水资源短缺的“几字弯”地区集中,加剧了该区域的水资源供需矛盾。研究结果可为黄河上中游地区用水效率提升、能源生产结构优化以及能-水系统协同发展提供理论依据及决策参考。

冀北高原农业种植结构的演变

冀北高原是京津冀地区的重要生态屏障和农业产区,分析该地区作物种植结构的时空格局变化,明确其种植结构演变规律对破解区域水资源匮乏与农业可持续发展至关重要。本研究基于MODIS NDVI数据对冀北高原2000年、2010年、2020年3期主要种植作物麦类(莜麦、春小麦)、胡麻、蔬菜、马铃薯的种植面积进行分类提取,并分析了该地区农作物种植结构的时空格局变化规律。研究结果表明:1)遥感监测与农业统计数据相关性的决定系数为0.61,混淆矩阵验证Kappa系数为0.84,总体分类精度为87.65%,分类精度较高。2)2000—2020年,冀北高原总耕地面积有所下降,其中传统作物(麦类、胡麻)种植面积下降约50.7%,经济作物(马铃薯、蔬菜)种植面积增长约211.4%。3)2000—2020年间,麦类种植面积有所下降,2020年约51%的麦类集中在康保县北部,胡麻分布逐渐迁移至尚义县北部,蔬菜分布区域趋于分散化,马铃薯种植范围扩大,集中在尚义县北部、沽源县北部及张北县西北部安固里淖附近。以上研究结果可为冀北高原种植结构调整、水资源合理配置提供科学数据支撑。

黄河上游景泰川电力提灌工程的经济与生态效益

为促进景泰川电力提灌工程及其灌溉区(以下简称“景电工程”及“景电灌区”)持续健康发展,通过时间序列分析法,对比分析景电工程自建设以来产生的经济效益;利用2000—2020年的归一化植被指数数据,采用Slope趋势分析法,分析2000—2020年景电灌区植被指数的时空动态变化。结果表明:1980—2020年农村人均纯收入增加19854元;城乡居民储蓄存款增加近100倍;地区生产总值增加122亿元;财政收入增加5.78亿元,40年的时间里财政收入增加289倍。2000—2020年植被指数持续增加,区域生态呈显著改善状态,景电灌区灌溉面积已发展到60784 hm^(2),荒漠化土地面积减少2.0667万hm^(2),景电工程建成以后,生态得到有效恢复,促进了区域农业经济的快速发展,居民生活水平显著提高。

地下水压采下河北平原冬小麦面积及耗水变化

河北省是我国的重要粮食生产基地,资源性缺水与长期高强度的农业生产,导致河北平原水资源危机进一步加剧。面对水资源安全与粮食安全的矛盾,河北省政府自2014年起实施地下水压采政策,在农业生产上开展季节性休耕、实施旱作雨养、推广节水农业等措施。为探明地下水压采政策下河北平原冬小麦种植面积与耗水特征的变化,本研究利用MODISNDVI数据提取了河北平原2009—2019年冬小麦种植空间分布,结合TSEB(基于双源能量平衡模型)蒸散产品以及农业生产统计数据,对压采政策实施前后进行了比较研究,并调研了相关变化的驱动因素。结果表明:河北平原的冬小麦种植面积在2009—2019年持续增长了18.37万hm^(2),压采政策实施后表现为东部增加西部减少的特征,总体上增加10.4万hm^(2)。通过实地调研发现,农业生产经营者追求种植效益以及城市化导致冬小麦面积减少,政府保障粮食安全的鼓励种粮政策以及冬小麦种植全程机械化程度的提高则促使其种植面积增加。与地下水压采政策实施前相比,压采后冬小麦的蒸散量与总耗水量分别增加32.58mm和10.9亿m^(3)。季节性休耕期间,休耕地不抽取地下水灌溉,相比于麦田,休耕地能够减少73mm的蒸散耗水。2009—2019年冬小麦平均水分利用效率为1.67kg∙m^(-3)。地下水压采政策实施后,2/3地区的冬小麦水分利用效率在逐年提升。农田的破碎化、流转土地经营权不稳定以及农户节水动力和压力不足导致冬小麦节水灌溉普及率不高。面对水粮矛盾,河北平原仍需加强农业节水,真正降低蒸散耗水,才能使其得到缓解。

2013-2017年栾城冬小麦-夏玉米农田水热碳通量观测数据集

冬小麦–夏玉米农田是华北平原种植面积最大的生态系统类型,其碳水通量观测数据对于理解区域碳水循环过程及其调控机理至关重要。中国科学院栾城农业生态系统试验站(简称栾城站)地处太行山山前平原,是华北平原地下水灌区的典型代表,自2007年10月采用涡度相关技术开展了冬小麦–夏玉米农田水热碳通量观测。本数据集为2013年10月–2017年9月(包括4个完整的冬小麦和夏玉米生育季)栾城站水热碳通量和气象数据,包括半小时、日、生育季和生育年尺度的生态系统潜热通量(或蒸散发)、感热通量、CO_(2)净交换量、太阳辐射、光合有效辐射、空气温/湿度、降水、土壤温度和土壤体积含水量。数据存储和处理严格按照ChinaFLUX标准执行,数据可靠性高。本数据集可为深入理解华北地区农田水热碳交换过程、提高水资源管理以缓解地下水超采等提供数据支撑。

不同水分传感器在河北平原典型土壤中的测量准确度对比

深入了解不同类型土壤传感器的性能表现对于提高区域土壤含水量测定的准确性具有重要意义。本研究针对河北平原农田土壤,选择了4种典型土壤质地(粉黏土、粉壤土、砂壤土、砂土),通过室内试验,分别研究了5个不同容重(1.40 g∙cm^(−3)、1.45 g∙cm^(−3)、1.50 g∙cm^(−3)、1.55 g∙cm^(−3)、1.60 g∙cm^(−3))下5种常见土壤水分传感器(TDR315H、CS655、5TE、Teros12、Hydra ProbeⅡ)测定含水量的准确度。研究发现:1)在本试验条件下,未经标定的TDR315H、CS655、Teros12、Hydra ProbeⅡ的测量准确度较高,测量误差基本不超过0.03 cm^(3)∙cm^(−3),其中TDR315H的性能表现最好;2)5种类型传感器在粗质土壤中的误差大于细质地土壤,土壤质地对传感器测量准确度的影响远大于土壤容重;3)土壤含水量对传感器的测定准确度也会产生显著影响,随着含水量的变化,测量误差也随之发生变化,且可能存在使传感器测量准确度发生显著变化的含水量阈值。总体而言,在未进行标定的前提下,TDR315H有望直接应用于河北平原农田田间土壤含水量监测。本研究可为土壤含水量监测中的传感器选型提供重要参考。

太行山典型油松林降雨再分配规律

森林降雨再分配过程是水循环的一个重要环节,对区域产水及水资源的形成过程有重要意义。本研究于2022年7—11月对太行山典型油松林降雨再分配要素进行观测,阐明油松林降雨再分配的基本规律,利用修正的Gash模型和Liu模型对林冠截留量进行模拟。结果表明:研究期间林外降雨量为450.8mm,油松林林冠截留量、穿透雨量、树干径流量分别为105.5 mm、338.2 mm、7.1mm,分别占总降雨量的23.4%、75.0%、1.6%。基于修正的Gash模型计算得到林冠截留量、穿透雨量、树干径流量分别为105.3 mm、340.7 mm、4.6mm,实测值与模拟值的相对误差分别为0.2%、0.8%、34.7%;修正的Liu模型计算得到林冠截留量为96.0mm,实测值与模拟值的相对误差为9.0%;修正的Gash模型相比于Liu模型模拟结果相对误差更低,模拟效果更好。修正的Gash模型参数敏感性排序:林冠平均蒸发速率>平均降雨强度>林冠持水能力>冠层盖度>树干持水能力>树干径流系数。综上,太行山典型油松林可截留23.4%的降雨,这对评估区域水资源量具有重要意义,且修正的Gash模型在太行山油松林有很好的适用性,可用于预测油松林林冠截留量变化。

华北平原典型土地利用类型下包气带土壤水稳定同位素变化特征

基于华北平原典型土地利用类型(梨园、农田)包气带(>18m)土壤水同位素测定结果,分析了华北平原深层土壤水稳定同位素(δD、δ18O)特征,揭示了不同土地利用类型下包气带土壤水补给过程中蒸发和入渗的规律。结果表明,研究区大气降水线δD=6.07δ18O–5.76(R2=0.86),土壤水δD、δ18O值均落在大气降水线下方,表明降水入渗补给土壤水过程中经历了强烈的蒸发作用;除梨园Ⅰ,土壤水同位素值变异系数浅层>中层>深层,表明浅层土壤水δD、δ18O波动较大,主要由于其易受到降水和蒸发的影响,随土壤剖面深度的增加,蒸发和降水的影响逐渐变弱;梨园Ⅰ深层土壤水同位素变异系数较大,表明该样点深层土壤水受到地下水波动的影响;梨园浅层土壤水氘盈余(d-excess)较农田大,说明农田浅层土壤水蒸发强度大于梨园;0.25~0.5m深处土壤水均出现δD、δ18O的明显富集,主要受土壤质地分层影响导致土壤水入渗受阻,同位素较为富集的土壤水在此深度层积聚;而梨园2~5 m出现δD、δ18O的贫化现象,主要是梨树根系埋深使得降水以优先流形式补给至此土壤层。梨园和农田包气带土壤水δD、δ18O垂直剖面上差异显著,表明了华北平原不同土地利用方式的包气带土壤水入渗过程有明显差异,梨园包气带土壤水入渗过程主要以优先流补给影响。本研究为深入了解华北平原农田区厚包气带水分运动、氮素迁移转化与地下水水质之间的关系提供了理论依据。

山区侧向流对滹沱河冲洪积扇地下水补给与硝酸盐动态的影响

山区侧向补给是华北山前平原冲洪积扇含水层重要补给来源,影响平原区地下水水量和水质动态。近年来受极端气候和人类活动影响,山区对冲洪积扇平原区地下水的侧向补给机制及其对地下水硝酸盐动态的影响仍不明确。本研究以滹沱河冲洪积扇为研究区,利用水文观测、水化学和同位素示踪等方法,估算山区侧向补给通量和硝酸盐输移通量,揭示山区侧向补给与平原区地下水的补给关系,分析山区侧向补给对地下水硝酸盐分布的影响。根据水文地质条件,将采样点划分为4个子区:滹沱河冲洪积扇北部扇顶(Ⅰ区)、扇中(Ⅱ区)、滹沱河附近扇缘区(Ⅲ区)以及滹沱河冲洪积扇南部区域(Ⅳ区)。地下水硝酸盐动态监测数据表明,滹沱河北部的山区断面地下水硝酸盐浓度高于南部断面,平原区北部Ⅰ区和Ⅱ区地下水硝酸盐浓度高于南部Ⅳ区;且沿地下水流动方向,地下水硝酸盐浓度均值呈现Ⅰ区(105.28 mg·L^(−1))>Ⅱ区(99.22 mg·L^(−1))>Ⅳ区(37.10 mg·L^(−1))>Ⅲ区(23.08 mg·L^(−1))的空间分布特征。利用地下水氢氧同位素示踪揭示了山区侧向流对冲洪积扇北部地下水补给影响范围为扇顶和扇中,而冲洪积扇南部因地下水超采改变地下水流场,其影响范围主要为扇顶。利用达西定律计算2022年3月至2023年2月山区侧向流对滹沱河冲洪积扇平原区的补给量为2.10×10^(8)m^(3),硝酸盐通量为239.56×10^(5)kg,且北部山区侧向补给的水氮通量大于南部,这也是影响平原区地下水硝酸盐空间分布的重要原因。山区侧向补给对冲洪积扇平原区地下水量和水质的影响不容忽视,因此,实现源头综合治理,降低山区地下水污染物浓度,对下游平原区面源污染管理,防止地下水硝酸盐污染具有重要意义。

基于MODIS的松花江流域主要作物分布提取

准确地掌握并监测区域内的作物分布及时空变化信息对科学指导流域内农业生产布局具有重要指导意义。本研究选择中国的粮食主产区——松花江流域为研究区,基于MODIS数据计算的归一化植被指数(NDVI)、植被增强型指数(EVI)及地表水分指数(LSWI)指标,结合不同作物生长发育的物候期构建决策树模型,对2000年和2020年研究区内主要作物——水稻、玉米和大豆种植区进行了提取;提取结果通过实地考察、Google Earth选点和统计年鉴数据进行了验证。水稻、玉米和大豆提取精度分别为0.9090、0.9026和0.8200,Kappa系数为0.79,总体精度为0.84。松花江流域种植农作物类型以玉米为主,水稻、大豆为辅,流域内形成“北大豆,南玉米,河流附近皆水稻”的生产格局,是我国重要的玉米、水稻和大豆生产基地。2000—2020年流域种植规模处于持续扩张状态,作物种植结构显著改变,总种植面积由95556.26 km^(2)增加到173070.00 km^(2),增幅为81.12%,其中水稻、玉米和大豆种植面积分别增加24911.36 km^(2)、54432.07 km^(2)、20719.77 km^(2),水稻、玉米和大豆种植面积占总种植面积比例分别增加8.56%、16.86%和0.39%。从空间变化来看,水稻种植面积在松花江流域范围内大部分区域明显增加,尤其是在河流附近水资源丰富的区域;玉米种植面积在流域内大部分区域显著增加;大豆种植面积在流域北部偏东区域增加明显。松花江流域各市形成了具有特色的种植结构,绝大部分地区由双作物主导型转变为玉米主导型;2020年流域内新增水稻主导型市,玉米-水稻主导型市和大豆-水稻主导型市消失,玉米-水稻主导型市和玉米-大豆主导型市均转变为玉米主导型市,作物种植类型逐渐趋于集中。本文提取的作物分布结果与松花江流域内实际情况一致,可为松花江流域的种植结构调整及指导农业生产提供科学支撑。

冬小麦叶片和冠层尺度的光合-蒸腾模拟

利用气孔导度-光合-蒸腾耦合模型(SMPT-SB),选取冬小麦关键生育期的典型日,模拟了冬小麦叶片和冠层尺度的光合与蒸腾速率日变化,并借助光合仪和涡度相关系统获得的观测数据进行了验证。研究结果表明:模型模拟的叶片和冠层尺度光合及蒸腾速率与实测值变化趋势具有较好的一致性,光合速率日均绝对误差不超过1μmol·m^(-2)·s^(-1),蒸腾速率日均绝对误差不超过0.41 mmol·m^(-2)·s^(-1);叶片尺度光合和蒸腾速率模拟值与实测值的决定系数R^(2)均在0.90以上,冠层尺度也分别达到了0.96、0.88。此外,模型中水汽响应函数以f(D_(s))=RH表示时,相对湿度(RH)变化较大会导致参数m值不能准确量化气孔导度(g_(s))的变化,从而降低模拟效果;若分时期率定m值,会大幅提高模拟精度。该模型适用于冬小麦叶片及冠层尺度的土壤-植物-大气之间水碳交换的模拟。

石家庄地区近70年来伴随经济发展的水文环境变化分析

论文系统分析了石家庄地区70年来伴随社会经济发展的水资源开发历史,结合水文资料探讨了人类活动对区域水文环境变迁的影响。并通过对地下水采样,结合室内水化学和氚同位素测定,确认区域地下水补给来源主要是通过河道得到线状的垂向补给,和上游含水层的侧向补给两种天然途径。城市及工农业发展改变了区域水循环系统的补排结构。河流断流减少了地下水的垂向补给,造成地下水的补给源从原来的天然垂向补给和上游的侧向补给,变为单一的侧向补给。另一方面,大量开采地下水已成为区域地下水排泄的主要方式。其中用于农业灌溉的大部分以蒸发、蒸腾的形式耗散于大气,无法回补。地下水位的持续下降、地下水化学类型转变及其空间分布显示了水量和水质以及生态环境的变化。

陆面蒸散的双源遥感模型及其在华北平原的应用

建立了一个计算陆面蒸散的双源遥感模型,利用多光谱和热红外遥感数据估算地表土壤缺水状况,并计算蒸散通量。本模型利用2000-2002年的13期Landsat TM和ETM+遥感数据计算了栾城地区1 000 km2范围的蒸散通量。通过与地面同步微气象观测值的对比,显示利用笔者建立的双源蒸散模型和简化的植被指数-地表温度梯形法确定土壤水分状况,在华北平原能够获得比较满意的计算结果。

华北平原典型井灌区农田水循环过程研究回顾

本文回顾了中国科学院栾城农业生态系统试验站在农田水分循环和水量转化方面的研究工作和进展。目前,对于冬小麦-夏玉米农田的蒸散耗水量及其结构(植物蒸腾和土壤蒸发)有较详细的研究结果。全年总蒸散量多年平均870 mm,每年亏缺的350 mm左右需要靠提取地下水保证;同位素分析结果显示土壤蒸发的深度在地表下20 cm处,而植物蒸腾耗水也主要是利用0-40 cm土层的土壤水分。对于土壤深层渗漏量和地下水接受垂直补给的问题,不同研究结果间仍然存在较大差异,尚需更精细的试验来确定。对于区域水量平衡和地下水资源可持续性的评价和管理,目前急需重点开展区域蒸散量的精确估算和模拟研究,以及不同土地利用和不同农业种植方式的水量平衡与水分转化过程研究。

麦田能量平衡及潜热分配特征分析

用波文比-能量平衡法(BREB)分析了冬小麦返青后麦田能量平衡和潜热分配的变化特征及影响因素。在平衡过程中,土壤含水量和叶面积指数(LAI)是决定能量分配的关键因素。并分析了返青后土壤蒸发随叶面积指数变化的规律。

黄河流域生态环境保护与水资源可持续利用

随着自然环境的变化和人类社会经济的发展,黄河流域的生态环境也正经历着巨大的变化,水资源、水环境、水生态问题和各种矛盾日益突出。从流域整体来看,上游植被退化、中游水沙锐减、下游用水紧张、河口三角洲退缩等,成为黄河流域面临的新问题,对流域的生态文明建设和可持续发展提出新的挑战。以下从气候和社会经济变化两个方面出发,基于流域水循环和生态水文学原理,对黄河流域面临的主要生态环境问题进行粗线条的梳理和解读,以求为该流域的生态环境保护和可持续发展路径选择提供参考。