石漠化区岩-土与非岩-土界面土壤孔隙变异及入渗对干湿变化的响应

全球气候变化下土壤水分暴涨骤减愈加频繁和强烈,这使生态系统脆弱的喀斯特区石漠化适应性治理面临严峻挑战。因此,探究干湿变化下土壤孔隙变异及入渗响应对石漠化区土壤水分补给及降雨径流调节具有重要意义。该研究采用原位圆盘入渗法研究了干湿条件下不同露石岩面形状岩-土界面和非岩-土界面土壤孔隙结构变异及水分入渗的响应。结果表明:1)干旱条件下土壤孔隙大小及数量均大于湿润条件;干湿条件下岩-土界面土壤小(<0.2 mm)、中孔隙(0.2~1.0 mm)数及体积比均大于非岩-土界面,大孔隙(>1.0 mm)数及体积比则小于非岩-土界面;干湿变化下土壤孔隙数及体积比的平均变化幅度从高到低为小孔隙、中孔隙、大孔隙,土壤孔隙各参数平均变化幅度从高到低为非毛管孔隙度、毛管孔隙度、通气度、总孔隙度。2)干旱条件下土壤稳定入渗率和饱和导水率均大于湿润条件;随着水头压力的增加,岩-土界面和非岩-土界面土壤导水率逐渐增加,土壤稳定入渗率则呈现先减小后增大的趋势。3)干湿条件下各级土壤孔隙对入渗水流的贡献率均随孔隙减小而降低;非毛管孔隙度和大孔隙数对土壤入渗能力的影响最大。4)岩-土界面土壤孔隙及水分入渗等参数在干湿变化下的平均变化幅度均大于非岩-土界面。研究结果可为干湿变化下土壤孔隙变异引起的土壤水分补给及降雨径流调节能力变化的认识及石漠化的适应性治理提供科学依据。

干湿变化调控稻田土壤活性细菌群落与潜在功能

大量研究发现干湿变化显著影响土壤微生物群落和温室气体排放。然而,土壤干湿变化下活性微生物和温室气体排放的瞬时动态变化仍不清楚。因此,本实验首先观察稻田土壤在干旱、湿润和干湿变化三种情况下细菌群落和温室气体排放的动态变化,然后运用基于18O的稳定性同位素核酸探针技术(DNA-SIP)和高通量测序探讨干湿变化下土壤活性细菌群落的多样性、构建与潜在功能。相比于干旱和湿润处理,干湿变化显著促进二氧化碳的排放和含有更高相对丰度的放线菌门和浮霉菌门。干湿变化下变形菌门、放线菌门和浮霉菌门的相对丰度均随着培养时间呈现显著增长。而DNA-SIP试验结果表明干湿变化处理活性细菌的alpha多样性随着培养时间显著降低,变形菌门和放线菌门细菌是最主要的活性细菌,其中变形菌门中黏球菌目的相对丰度随培养时间呈显著增加。活性细菌的群落构建由确定性所主导,且随着培养进行,确定性的主导作用进一步加强。活性细菌的功能预测进一步发现碳水化合物代谢潜能随培养时间显著降低。综上,干湿变化处理显著改变土壤细菌群落,并促进稻田土壤二氧化碳排放,干湿变化处理的活性细菌由变形菌门和放线菌门细菌主导,活性细菌的群落构建由确定性过程主导。

淮河流域1914—2013年气候干湿变化特征

利用淮河流域1914—2013年标准化降水蒸散指数(SPEI)研究流域的气候干湿变化、干旱的时空分布和周期特征,结果表明:流域的年际和年代际变化均呈湿润化趋势;四季中,除秋季外均通过了Mann-Kenddall趋势检验(0.05显著性水平),秋旱最易发生。干旱空间分布非常不均匀,不同程度的干旱频率有较大的地区差异,中旱频率高值区位于流域西北以及东北部,重旱频率由北向南递增,极旱频率在流域内较小,高值区域位于流域的东南角。流域均呈湿润化趋势,但西部、东部和北部边界一带湿润化趋势不明显。淮河流域存在35~65 a、17~30 a、3~7 a的三类尺度的干旱周期,以55 a为第一主周期。

黄土剖面中赤铁矿和针铁矿的定量分析与气候干湿变化研究

为了了解黄土剖面中赤铁矿和针铁矿的分布特征,文章采用对铁氧化物矿物灵敏的漫反射光谱法(DRS),开展了赤铁矿和针铁矿的鉴定和测定研究,提出了定量分析赤铁矿和针铁矿含量的DRS新方法。选择天然典型黄土和古土壤样品,首先采用柠檬酸盐-重碳酸盐-连二亚硫酸盐(CBD)方法去除其中成壤成因的铁氧化物矿物,以其为基体配制含不同赤铁矿和针铁矿的系列标样,然后进行DRS测试和多元逐步回归分析,分别建立测定赤铁矿和针铁矿含量的校准方程并加以检验。利用DRS方法,分析了多个黄土剖面的赤铁矿和针铁矿含量,发现黄土-古土壤剖面的赤铁矿/针铁矿比值可作为东亚季风干/湿变化的敏感指标。该比值较高时反映了干燥土壤环境,而较低时指示了潮湿土壤环境。对灵台和洛川剖面中赤铁矿/针铁矿比值的分析,初步揭示了2.6Ma年以来黄土高原东亚季风阶段性变强的特征。

干湿变化和保水剂对植物生长和水分利用效率的影响

在盆栽玉米、大豆和辣椒的生长阶段进行高水分 (土壤田间持水量FC 10 0 %～ 80 % )、中水分 (FC 70 %～5 5 % )、低水分 (FC 5 0 %～ 40 % )处理 ,后复水至充分供水 .分析 3种植物在干湿变化中的生长和水分利用效应 ,比较土壤施用保水剂的效果 .结果发现 ,水分处理期间 3种植物生长变化与水分供给紧密相关 ,单株干重均表现为 :m (高水分 ) >m(中水分 ) >m(低水分 ) .但水分利用效率 (WUE)效应不一 ,中水分处理下玉米和大豆WUE为 2 0 .2gkg-1和3 .70gkg-1,分别比高水分处理还高 5 9.1%和 2 9.7% .水分处理又复水后 15d ,玉米在中水分处理复水的单株干重增加 39.6 3g ,是一直充分供水处理的 175 .0 % ,WUE达到 13 .3gkg-1,呈现超补偿生长效应和水分利用效率效应 .辣椒在中水分处理后复水 ,其青椒产量较高水分处理增加 6 % ,呈现产量补偿效应 .土壤加入保水剂可明显提高作物在低土壤水分条件下WUE .图 4表 1参

2.5Ma以来柴达木盆地的气候干湿变化特征及其原因

长期以来 ,一直认为柴达木盆地第四纪气候在波动中向干旱方向发展。原因是青藏高原的隆升阻挡了来自印度洋、孟加拉湾的水汽。然而 ,来自柴达木盆地新的证据表明 ,柴达木盆地第四纪气候演变的总体趋势是冰期越来越干燥 ,间冰期干燥程度却存在减弱的趋势。并且这种变化是呈阶段性的。最明显的阶段划分应在 0 .8～ 0 .6Ma前后。这种现象可以用青藏高原的隆升做出比较合理的解释 :青藏高原的隆升 ,不仅通过增强冬季亚洲高压 (西伯利亚高压 )使冬季风增强 ,使东亚季风区冰期气候更加干燥寒冷 ,而且还可以通过增强夏季亚洲低压 (印度低压 ) ,使夏季风增强、间冰期气候更加温暖湿润 ,从而使得中国季风区冰期 -间冰期的气候变差增大。可是 ,柴达木盆地位于青藏高原北缘 ,我国西北内陆区受夏季风影响较弱 ,间冰期或者湿润期湿润程度的增大如何与高原隆升和季风系统的调整相联系 ,还有待于进一步的研究。

510年来中国东中部地区气候干湿变化研究

选择上海、武汉、天津和西安为典型区,以1470—1979年逐年干湿等级序列为基本数据源,应用墨西哥帽小波变换方法,对中国东中部地区近510a来不同时间尺度下的气候干湿变化与气候突变特征进行分析,并探讨气候干湿变化的动因。结果显示:19世纪以前气候干湿变化表现出较明显的东西差异;小冰期事件、18世纪气候温和期等非局地性事件在较大区域都有反应,但各地的具体响应程度、方式和时间均有差异;在20世纪气候变暖的大背景下,各地气候均向偏干旱方向演变。百年以上尺度气候干湿变化的原因主要是太阳辐射及其引起的大气环流变化,百年以下尺度的变化则与季风系统短尺度波动、区内各个大气环流系统的相互作用、局地下垫面差异和人类活动等复杂因素的影响有关。

可可西里库赛湖揭示的青藏高原北部近4000年来的干湿变化

通过青藏高原北部可可西里库赛湖KS-2006孔(深637cm)沉积岩芯总有机碳、总氮含量及沉积物粒度变化的研究,恢复了该地区近4000年来的干湿变化历史.结果表明,该地区近4000年来经历了显著的干湿变化,干旱时段出现在3900-3590cal aBP、3320-2630cal aBP、1720-1420cal aBP及1100-840cal aBP期间;湿润时段出现在3590-3320cal aBP、2630-1720cal aBP、1420-1100cal aBP以及840cal aBP之后小冰期有效降水升高的相对湿润时期.区域对比分析表明库赛湖地区近4000年来的干湿变化受亚洲季风影响;同时,该地区存在明显的中世纪暖期及小冰期的三次降温事件记录.

江汉平原12.76 cal. ka B.P.以来环境干湿变化的高分辨率研究

选择位于江汉平原的JZ-2010湖相沉积剖面为研究对象,利用AMS14C测年建立江汉平原12.76 cal.ka B.P.以来环境演变的时间序列。对湖相沉积物中元素Rb和Sr的差异分布、Rb/Sr值、Ti元素含量以及磁化率等多项环境代用指标的综合分析表明:江汉平原12.76 cal.ka B.P.以来环境干湿变化经历了晚冰期由偏干转向偏湿波动、全新世开始湿度增强、全新世中期偏湿到湿润再至干湿波动,全新世晚期至现代偏湿到偏干的过程。磁化率波动与江汉平原新石器时代各文化类型出现或转型相关。江汉平原环境干湿变化体现东亚季风环流影响,驱动机制主要是北半球夏季太阳辐射变化;还受到东北、北、西三面环山而东南面向夏季风倾斜开放的地势影响。

塔里木河流域干湿变化与大气环流关系

基于塔里木河流域39个气象站1961--2010年逐日观测数据和NCEP／NCAR再分析数据，采用标准化降水蒸散指数（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI），分析了该流域近50年来干湿时空变化特征及典型干湿月份和突变前后的大气环流特征。对SPEI序列进行的趋势检验和突变分析表明，近50年来，塔里木河流域显著变湿并在1986年发生显著突变，SPEI上升趋势显著的站点较多的月份主要集中在暖季（5—10月）。对突变前后不同等级干湿事件频率变化的统计结果表明，突变后，极端干旱事件发生频率略有增加，但轻度和中度干旱事件发生频率有所减少，而不同等级的湿事件发生频率则一致地表现为增加。对典型干湿月份和突变前后对应的北半球500hPa位势高度场和风场变化的合成分析表明，暖季典型干湿月份环流系统配置存在明显差异，增加的水汽和弱不稳定大气层结构是该区域1986年后暖季变湿的原因之一。

近300年来中国西部气候的干湿变化

利用冰川积累量和树木年轮代用资料,分析了中国西部地区近300年来气候干湿变化的时空特征。中国西部气候干湿变化存在显著的准70年尺度的周期变化。准30年和准110年尺度的周期变化在大部分地区也较显著。在准70年尺度的干湿变化中,1850年前,高原东部和新疆在干湿变化上基本同步,可划分到一个湿度带中,这就和高原西部有了一种偶极子的位相关系。在1850年后,这种位相型有些变化,新疆渐渐的和高原西部的位相趋于一致,但这个同位相关系不如1850年前新疆和高原东部的同位相关系那么好。这时候应该重新把高原西部和新疆划分到一个湿度带中,高原东部作为另一个湿度带,两者之间成为一种偶极子的关系。在最近十几年,似乎高原东西部又合为一个湿度带,而与新疆成偶极子的关系。但由于小波分析所固有的边界效应的影响,这一可靠性是值得怀疑,不过这三者之间两两组合的偶极子关系的漂移倒是一个有意思的研究方面。110年尺度的干湿变化中,青藏高原主体部分及华山地区为一个干湿分布一致的湿度带。1850年以前整个高原和新疆地区在准110年尺度上存在着比较一致的干湿变化,而19世纪末期突变发生后,高原北部和新疆地区的干湿变化存在偶极子的位相关系。在准30年时间尺度的干湿变化中,高原和新疆地区的干湿变化基本一致。

沼泽沉积剖面特征元素比值及其环境意义——盐碱化指标及气候干湿变化

沼泽发育过程中堆积的各类沉积物真实地记录下区域环境演变与沼泽发育过程的信息。以向海沼泽湿地为研究对象,由137Cs2、10Pb法定年实现沉积层深度坐标向年代坐标的转换,对典型沉积剖面特征元素比值进行了综合剖析。结果表明:Sr/Ba、Rb/K、(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3等比值具有盐碱化和气候干湿变化的指示意义。该区域的盐碱化并非只发生在近几十年,而是由来已久,只是近年来人类活动促进了盐碱化进程。霍林河流域近240年来气候存在冷干—暖湿—冷干的多次波动,1880年之前气候以冷干为主,并有小幅度波动;1880年后气候开始转暖,但仍以冷暖波动振荡为主。

基于两种潜在蒸散发算法的SPEI对中国干湿变化的分析

利用美国普林斯顿大学高分辨率的全球陆面同化数据集和美国国家环境预测中心的辐射再分析数据,根据Thornthwaite和Penman-Monteith公式分别计算了1948～2008年中国区域潜在蒸散发量;而后,使用降水和两套潜在蒸散发数据分别计算得到标准化降水蒸散发指数SPEI（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index）,并以此研究了1949～2008年中国区域干湿变化时空特征以及两种SPEI结果之间的差异;最后,给出了两种SPEI在中国的适用区域.结果表明：两种SPEI均显示中国地区整体上存在变干趋势,季节上以春季的变干趋势最为显著;空间上表现为以长江为界的南涝北旱,显著变干的区域有内蒙古中部、华北、东北以及四川东部地区,显著变湿的地区主要位于新疆北部和西部.同时,各种不同等级干旱也呈增加趋势,其中以中等干旱增加最为显著.1990年代中后期以来是中等和极端干旱发生最多的时期,空间上与SPEI显著减小的区域相对应.两种SPEI在冬、春季差异最大,这主要是由于期间两种潜在蒸散发的计算结果之间存在很大差异.在Penman-Monteith公式中,由于空气动力项对冬、春季北方潜在蒸散发的贡献显著增加,基于该公式的SPEI相对而言能更合理地描述干湿变化特征.

蒙元时期陕甘宁交界地区干湿变化特征

从官修正史、方志和历朝纪事本末、区域气象灾害年鉴等历史文献资料中提取关于陕甘宁交界地区(元前期陕西四川行省的西北部以及元后期的陕西行省和甘肃行省的交界地区,主要包括宁夏府路、河州路、巩昌路、奉元路和延安路之间的部分)的水涝、干旱等气候信息共240余条,利用湿润指数法、旱涝灾害定级法对其干湿变化特点进行研究。研究发现1208-1369年期间,陕甘宁交界地区气候总体以干旱为主。旱涝灾害发生频率的比例为85/38。按照旱涝变化类型可将研究区旱涝变化过程分为三个时段,1208-1240年是以干旱为主要特征,局部时段偶发水涝灾害的时期;1240-1320年,基本持续干旱,而且极端干旱事件频发;1320-1369年,旱灾略有好转,但是旱涝交并发生。蒙元时期陕甘宁交界地区的干湿变化具有明显的转折性和周期性。转折主要发生在1230年和1325年前后,以此两点为界,前后气候变化类型有比较明显的差异。蒙元时期的干湿变化具有10年和23年的准周期,均与太阳活动周期吻合,说明蒙元时期区域干湿变化受太阳活动影响较大。

晚第四纪科尔沁沙地干湿变化的黄土记录

利用光释光(OSL)定年技术对科尔沁沙地南缘的典型黄土剖面进行了测年,结合两个剖面的磁化率、粒度、有机质含量等气候替代性指标,对沙地古气候及环境变化过程进行了分析。结果表明,晚第四纪科尔沁沙地的古气候经历了万年-千年时间尺度的多次干湿变化,特别是在146.96 ka BP前后、141.98 ka BP左右和107.06 kaBP前后发生过重大转变;相应地,沙地地表植被也经历了干冷多风条件下的干草原、荒漠草原和温暖湿润或温凉稍湿气候条件下的森林草原、疏林草原的多次变化。科尔沁沙地古气候的干湿变化可能是晚第四纪东亚冬、夏季风强弱变化的反映。

闽中北柳杉树轮指示的气候信号与季风区不同地域干湿变化关系

利用采自闽中北部柳杉树轮样芯,建立树轮宽度标准化年表,通过树轮气候响应分析,发现柳杉树径向生长主要反映了该地上年7月至当年2月帕尔默干旱指数(PDSI)变化(r=0.6,p<0.001)。进一步研究发现,该年表与山东地区油松树轮年表有着良好相关,他们之间的第一主成分能够准确指示东部沿海季风区干湿变化(r=0.661,p<0.001),并揭示6个偏湿阶段和5个偏干阶段。该第一主成分序列所记录的一些极端干旱事件与中国北方干旱半干旱地区的极端干旱事件有着良好对应,这些极端干旱事件对中国社会有着重要影响。同时也发现该第一主成分序列与东亚夏季风尾闾区的兴隆山降水序列在低频变化上具有很好的一致性,并准确记录了最近30 a东亚夏季风变化趋势。

基于SPEI的黄河流域多时间尺度干湿变化分析

黄河流域是我国重要的经济地带和生态屏障,水资源匮乏,研究流域的干湿变化对于水资源的合理管理和利用、促进流域的可持续发展具有十分重要的现实意义。运用1966—2015年3个时间尺度(年、半年、季节尺度)的SPEI数据,基于EOF,Mann-Kendall方法研究了全球变暖背景下黄河流域的干湿变化特征,并进行归因探讨。结果表明:在过去的50年中,黄河流域的SPEI有显著的年际波动,但大部分区域的SPEI未有显著的增加或降低的趋势,区域之间的干湿变化具有非同步特征;黄河流域气温与SPEI相关性弱,SPEI与降水有更好的同步性;黄河流域夏、秋季节的干旱较冬、春季节严重,中部黄土高原区的干旱事件频率高于黄河流域西部高原和东部平原区。研究表明黄河流域干湿状况存在区域差异,降水是决定SPEI大小的关键因子,异常气候事件—厄尔尼诺在一定程度上会影响流域的干湿状况。

近50年重庆市气候干湿变化时空特征

以重庆市34个气象站点1961—2011年降雨、气温、相对湿度等资料为基础,计算了近50 a全市的湿润指数。运用Kriging法将年均气温、降雨和湿润指数的倾向率和倾向系数进行空间插值,并对反映气候干湿变化的年气温、降雨量和气候湿润指数等时空特征进行了分析。结果表明:1近50 a,重庆年均气温呈波动上升趋势,上升速率为0.09℃/(10 a),空间分布上年均气温呈现由西南向东北升高,但整体差异不显著;2降雨量呈波动下降趋势,年均降雨量倾向率为15 mm/(10 a),空间上有从东南向西北递减的趋势;3重庆市湿润指数总体上略有下降,其空间特征表现为由东南向西北逐渐趋于干旱,下降幅度呈由东南向西北递减趋势,但总体差异性不显著;4气温、降雨与湿润指数相关系数分别为-0.465和0.950。

全球典型干湿变化区域水汽收支与降水变化的对比分析

利用NCEP/NCAR再分析资料和CRU降水数据,分析了1948-2009年全球典型干湿变化区域水汽收支的时间变化特征,并比较了这些区域净水汽收支、可降水量与降水的变化关系。结果表明:(1)亚洲大陆东部、非洲大陆年水汽收支显著减少,而北美大陆显著增加,三个地区的净水汽收支变化与区域的干、湿变化特征相一致;(2)对于亚洲大陆东部,春、夏、秋季和年水汽收支状况较一致,即经向收支和净收支均呈显著减少趋势,纬向收支均呈增加趋势。冬季与年平均状况有所不同,三种收支都增加;(3)在北美大陆,夏、秋和冬季的水汽收支趋势与年水汽收支趋势基本一致,即经向收支增加,纬向收支减少,净收支增加;仅春季经向收支减少,纬向收支增加;(4)在非洲大陆,四个季节的纬向收支和净收支均减小,纬向水汽的变化主导着净水汽的变化;与年变化特征不同的是,春、夏季的经向收支减少;(5)近几十年来,在亚洲大陆东部和非洲大陆,伴随着各季及年降水的减少,同期净水汽收支和可降水量也随着减少,且相关显著。在北美大陆,伴随着各季及年降水的增加,同期净收支也随着增加,且相关也较显著。值得注意的是,北美大陆的可降水量与降水没有很好的相关性。

1960—2011年秦岭南北地表干湿变化时空特征

运用P-M模型、气候倾向率及相关分析等方法,分析秦岭南北近52年地表干湿变化特征及其影响因素.结果表明:(1)潜在蒸散量(ET0)和干燥度指数(I)均呈现由南向北逐渐增加的空间分布型式;(2)ET0呈下降趋势,降速为-0.314mm/a(P<0.05),其中1993年之前下降趋势显著,为-2.699mm/a(P<0.01);(3)I呈缓慢上升趋势,增速为0.022/10a,在空间上呈现中部下降、两侧上升的分布型式,上升和下降趋势区域分别占62.62%和37.38%;(4)各年代干湿分界线变化显著,20世纪90年代最干旱,21世纪干燥程度有所缓解;(5)秦岭南北地表干湿状况及干湿分界线的变化主要归因于相对湿度、日照时数及降水量的变化.