喀斯特地区参考作物蒸散量变化特征及驱动机制研究——以贵州省为例

贵州省独特的地表水和地下水二元水文结构及典型的喀斯特低山丘陵地貌区造成农业生态环境极其脆弱,易发生由气象因素引发的农业灾害,导致农业减产。运用修订的Penman-Monteith公式,估算贵州省2000—2017年31个气象站点的参考作物蒸散量(ET0),利用ArcGIS反距离加权插值法研究贵州省植被生长季参考作物蒸散量空间分布特征,利用MATLAB软件对参考作物蒸散量栅格数据进行一元线性回归及显著性检验,探究贵州省参考作物蒸散量的趋势特征;在此基础上,利用主成分分析法研究影响贵州省参考作物蒸散量的主要因素。研究表明:①贵州省ET0分布特征为东南部地区高于西北部地区,喀斯特地区低于非喀斯特地区,喀斯特石漠化较为严重的毕节地区、安顺、贵阳及黔南地区的北部地区为ET0最低区;植被生长季年平均ET0总体呈波动上升趋势;②高海拔地区的ET0未发生突增或突减变化,较低海拔地区ET0在不同年份骤增或骤减变化;③影响贵州省ET0的主导气象因素是温度与风速、降水次之。

我国南方喀斯特石漠化治理进展

南方喀斯特是我国典型的生态脆弱区,石漠化问题是该区域突出的环境问题。从喀斯特脆弱生态系统恢复的角度,以地理-生态过程为主线,从石漠化治理的基础理论和应用研究2个方面总结喀斯特石漠化治理的研究进展,指出基础理论研究在喀斯特脆弱生态系统结构与过程空间尺度耦合研究中的不足,须要进一步发掘技术集成与模式提炼方面的应用研究,工程实施中存在工程落地难、成果巩固难、产业形成难的问题。最后对未来的石漠化治理研究方向提出建议。

典型喀斯特流域介质结构的降雨-径流机制研究——以黔中地区为例

[目的]探究喀斯特流域介质结构的降雨—径流机制,为合理利用黔中地区水资源及防洪防旱等方面提供理论参考。[方法]选黔中20个典型流域为研究样区,分析流域降雨、径流时空分布特征,利用支持向量回归(SVR)开展多尺度降雨—径流模拟,采用Spearman方法分析流域介质结构的降雨—径流机制。[结果](1)黔中1979—2021年降雨呈缓慢上升趋势(5.02 mm/a),径流呈缓慢下降趋势(-0.17亿m^(3)/a),两者在空间上总体分布不均匀;(2)通过径向基核函数(RBF)训练的SVR相对准确,模拟精度:秋季>冬季>春季>全年>夏季;(3)单因素单因子影响:非喀斯特(0.764)>低活性强酸土(0.566)>峰林地貌型(0.459)>草丛(0.456)>连续性白云岩喀斯特(-0.435)>栽培植被(-0.426);(4)单因素耦合影响:土层覆盖结构(0.714)>地貌组合结构(-0.529)>岩石组成结构(-0.446)>植被分布结构(0.323),多因素耦合影响:234(-0.702)>1234(-0.679)>23(0.607)>34(-0.604)>24(-0.547)>134(-0.544)>13(0.507)。[结论]SVR适用于黔中地区降雨—径流过程的模拟,流域介质结构对降雨—径流影响较大。

中国南方喀斯特石漠化地区3种经济林土壤呼吸日动态特征

喀斯特石漠化作为一个脆弱生态系统,对全球气候变化和碳循环具有重要影响。为阐明中国南方喀斯特石漠化生态治理工程背景下土壤呼吸作用的时空动态变化特征及其影响因素,选取贵州省贞丰县北盘江镇查耳岩村的核桃林Julans regia、花椒林Zanthoxylum bungeamum和关岭县花江镇峡谷村的枇杷林Eriobotrya japonica3种特色经济林作为研究对象,采用英国ADC Bioscientific公司生产的Lcpro+便携式土壤呼吸仪对土壤呼吸进行了监测。结果表明:1)土壤温度能预测土壤呼吸速率变异83%～89%的信息,是影响土壤碳排放量变异的主要因素;2)3种经济林中土壤呼吸的温度敏感性(Q10)有所差异,Q10为4.34～6.40;3)喀斯特石漠化地区冬季土壤的月平均碳排放量达到了63.46 g·m-2;4)土壤呼吸速率的偏离程度变化较大,在-56%～83%之间;5)花椒林在09:00、15:00、21:00,核桃林0:00、11:00,枇杷林在12:00土壤的呼吸速率与日平均值偏离程度较小(<10%),为最佳观测时间;6)各土壤特征因子中,全钾是影响土壤呼吸速率变异的主要因素。

喀斯特分布区小比例尺地表水系提取及阈值分析——以黔中水利枢纽工程区为例

针对喀斯特峰丛洼地集中连片分布区小比例尺水系提取及该尺度下阈值的合理确定,以精准、快速和经济提取大范围区域主干河网水系为目标,选取黔中水利枢纽工程区为研究对象,基于改进的30 m ASTER-GDEM数字高程数据,利用ArcGIS10. 2的Hydrology水文地理分析技术,探讨了无大比例尺水系图参照条件下喀斯特分布区地表水系提取及其合理汇流阈值的确定。结果表明:汇流累积量阈值的大小是决定河网密度的关键因子,阈值由小到大变化过程中河网密度的变化呈现出先快速降低后渐缓变化的趋势,即河流的数量随汇流累积量阈值门槛的升高而减少。通过分析汇流累积量与河网密度、河流总条数、河道总长之间的关系及其斜率变化,发现汇流累积阈值10 000是一个变点,阈值10 000以下河网密度、河流总条数、河道总长变化剧烈,10 000以上则变化趋缓。取汇流阈值10 000提取的水系叠加在Google Earth高分辨率遥感影像上与研究区互相独立的横江流域进行验证,结果发现该阈值下的水系基本与现状河流吻合。

喀斯特地区不同时间尺度农业干旱对局地气候因子脉冲响应机制

[目的]为定量解析喀斯特地区农业干旱对单因子的响应机制。[方法]利用泰森多边形及K阶均值聚类对贵州省83个站点年平均降雨量进行面积计算及分类,将贵州省划分为5个区域,并基于各分区降雨量(Pre)、平均气温(T)、潜在蒸散发(E)、风速(W)、气压(P)、土壤水分(SW)、标准化土壤水分指数(SSI)建立向量自回归(VAR)模型,通过脉冲响应与方差分解分析不同时间尺度农业干旱对各气象因子及土壤水分含量的响应机制。[结果](1)农业干旱呈现西高东低,总体由南往北逐渐减轻;春、夏季农业干旱强于秋冬季。(2)年尺度各因子对SSI脉冲响应达峰值所需时间为Pre<E=W<P<SW<T,恢复平稳期则为Pre>W>T>E>P>SW。由月尺度到年尺度,岩溶发育较强区域E对SSI脉冲达峰值所需时间缩短2期;SW与之相反,且非岩溶地区比岩溶地区恢复平稳期短。(3)降雨量在农业干旱中占主导地位,降雨与风速随时间尺度增加在农业干旱中作用增强,其农业干旱贡献比例月、季、年分别为31.88%,34.25%,58.33%和1.07%,3.15%,12.88%。[结论]研究成果可为喀斯特地区农业干旱预警提供参考理论依据。

基于相对湿润指数的贵州省气象干旱时空变化特征研究

为探究贵州省各区域干旱发生频率、强度及不同等级干旱的时空分布特点,基于贵州省17个气象站1981—2019年逐日气象数据,利用相对湿润指数,同时结合Couple二维分布函数,探讨了干旱强度和干旱频率的联合、条件概率特征,以揭示贵州省气象干旱的时空分布规律。结果表明:(1)贵州省1981—2019年气象干旱强度呈减弱—增强趋势,整体上呈减弱的趋势,干旱频率呈上升趋势。(2)贵州省年与季尺度发生干旱强度在空间上分布有所不同,季尺度中,冬旱强度最强,秋旱和夏旱次之,春旱强度较弱;(3)年及冬、春季节干旱频率在空间上呈西高东低的分布格局,夏、秋季节分布较为一致;季尺度中,干旱频率呈冬季最高,春、秋季次之,夏季最低;(4)在干旱联合特征中,季尺度的联合特征值呈春季>冬季>秋季>夏季,在各季节干旱强度的条件下,各季节干旱频率的条件概率特征值表现为夏季>秋季>冬季>春季。综上,贵州省气象干旱强度逐渐降低,干旱频发,呈春旱高频率、高强度,夏旱低强度、高频率。

基于不同时间尺度的喀斯特农业干旱时空演变特征及驱动探测——以贵州省为例

为提高喀斯特农业干旱监测的准确性和进一步揭示其驱动机制,基于MODIS-NDVI/LST数据,利用地理加权回归模型对GLDAS土壤水分进行降尺度研究;并基于SSI对农业干旱进行识别,分析不同时间尺度农业干旱时空演变及联合概率特征;最后运用地理探测器揭示喀斯特农业干旱驱动机制。结果表明:(1)20年间,贵州省不同时间尺度的干旱强度整体上呈减弱趋势,干旱面积也呈减少趋势;干旱强度和干旱频率在空间上呈西高东低分布格局。(2)干旱联合特征值呈秋季>冬季>生长季>夏季>全年>春季规律,说明贵州省秋冬容易发生较高强度和较多面积的农业干旱。(3)岩溶发育强度、降雨和海拔是喀斯特农业干旱主导驱动因子,与其空间分布有较强的耦合关系;不同因子交互作用对SSI均呈双因子增强和非线性增强,且各因子之间无显著性差异的组合较少,说明农业干旱是因子之间协同的结果。研究结果可为喀斯特农业干旱监测和防旱抗旱措施的制定提供参考依据。

贵州省近55年降水量时空变化分析

贵州省由于其独特的山地地形,降水量是该区域地表水和地下水重要的补给来源。研究该区域降水量变化特征有利于合理地规划水资源。应用反距离插值法、非参数Mann-Kendall突变检验等方法对贵州省多年降水量进行分析。结果表明:(1)全省降水量空间分配上极度不均,分布特征为西南多东北少,南多北少,西北部最少;(2)从年际上看,全省1961—2015年降水量在时间上有很大的变化,所有站点年均降水量大致在800～1 500 mm,从代际上看,全省降水量呈先增加后减少,再增加后减少,最后微微增加的趋势,但整体上2001年及以后降水量明显低于1961—1970年;(3)全省降水量空间变化上,多雨区面积变化趋势是先扩大后减小,再扩大再减小,最后中南部都匀-丹寨一带有轻微扩大,而少雨区变化趋势大致与之相反;(4)通过非参数Mann-Kendall突变检验,贵州省所有站点降水量数据增加或减少趋势没有通过α=0.05显著性检验,说明降水量的变化趋势并不明显。通过分析可知,2001年以来相对于多年平均降水量而言,贵州省降水量有异常偏低的现象。

基于地貌视角的喀斯特流域水系分维估算方法适应性分析

水系分维是地貌发育程度的定量表示方法之一。水系分维的研究对于喀斯特筑坝流域地貌的产汇流机制研究具有重要意义。以1∶5万地形图提取水系和30 m空间分辨率ASTER-GDEM为数据源,利用基于ArcGIS10.2的Horton-Strahler理论、水系栅格法、渔网法估算黔中筑坝工程区龙场桥流域水系分维,探讨筑坝区地貌发育对流域水文特征的影响。结果表明:喀斯特地区复杂地貌组合结构下不同方法、不同数据源估算的水系分维相差较大。Horton-Strahler法、水系栅格法、渔网法估算1∶5万地形图提取水系分维值分别为1.69,1,53和1.54;估算ASTER-GDEM提取水系的分维值分别为0.66,1.59和1.60。其中Horton-Strahler法估算分维值差别显著,差值达到1.03。综合分析Horton-Strahler理论、水系栅格法、渔网法估算喀斯特筑坝区不同数据源水系分维与实际地貌发育的关系可知,渔网法估算的水系分维与研究区实际地貌现状最为吻合。根据渔网估算的水系分维可知,研究区利用渔网法估算的1∶5万地形图提取水系分维值为1.54,通过ASTER-GDEM提取水系估算的分维值约为1.60,这说明研究区处于地貌发育阶段的幼年晚期、壮年期早期,此结果与研究区实际发育地貌吻合。此外3种方法估算喀斯特筑坝流域的水系分维精度排序为:渔网法>水系栅格法>Horton-Strahler法。

基于Landsat8的喀斯特峰丛洼地地貌信息提取

通过对喀斯特峰丛洼地的地理形态特征和遥感影像特征的研究,基于归一化植被指数(NDVI)、地表温度(LST)及地形坡度数据等,结合Arc GIS工具的模型构建器(Model Builder)可视化空间建模,建立了"一键式"遥感自动提取峰丛洼地地貌模型。运用分形理论,计算洼地斑块周长—面积关系,分维数和稳定性等指数,揭示峰丛洼地空间结构特征。实验表明:(1)通过运用集成NDVI、LST及坡度数据综合算法,能够有效增强地物图像的特征差异,从而区别峰丛和洼地的影像特征统计值,有利于喀斯特地貌单元阈值自动选取,提取精度为82.32%;(2)研究区洼地斑块周长-面积的关系为y=0.681x-0.002,二者的相关系数R2为0.901 7,周长和面积的分维数D=1.362,表示研究区图斑镶嵌结构较稳定。

黔中喀斯特筑坝流域水系分维估算与地貌发育特征分析

针对喀斯特地貌发育对筑坝河流径流的影响问题,为了更经济、快捷、精确地提取水系特征,揭示地貌发育对水文特征响应的成因机制,以黔中筑坝区为研究对象,以30 m分辨率的ASTER-GDEM和1∶100万的贵州省综合地貌图为数据源,应用ArcGIS构建渔网法估算流域水系分维,探讨黔中筑坝区水系分维与地貌发育特征的关系。结果表明:(1)通过渔网法估算的北盘江、猫跳河、三岔河、南明河、蒙江、头堡河、翁吟河、鱼梁河、暗流河流域的分维值分别为1.675 6、1.595 1、1.615 1、1.595 0、1.648 9、1.280 2、1.515 1、1.621 6、1.465 1;(2)从地貌发育特征看,研究区主要发育的地貌类型为K化中山谷地、峰丛谷地,占研究区比例为66.9%。北盘江、三岔河、蒙江、鱼梁河流域地貌发育为壮年期,南明河、猫跳河、翁吟河、暗流河流域为幼年期的中晚期,头堡河流域为幼年期的早期;研究区坡度、切割深度的空间展布规律与渔网法估算分维值揭示的地貌发育阶段相一致,与实际发育地貌吻合。

贵州省不同地形与地貌的土地利用变化分异特征

为了厘清不同地形与地貌的土地利用变化及其变化轨迹的分异特征,以贵州省为研究区,基于1995、2000、2005、2010、2015和2018年土地利用数据以及地貌和数字高程模型数据,运用地形位指数、地形分布指数、土地利用程度综合指数以及土地利用图谱法,对研究区土地利用在不同的地形、地貌梯度时的分异特征开展研究。结果表明:贵州省土地利用结构以林地、耕地和草地为主;在地形梯度上,耕地、水域和建设用地多集中于低梯度区,草地和林地则分布于较高梯度区域,未利用地多位于中梯度区,随着时间的推移,低、中梯度区草地面积增加,林地逐渐向中、高梯度区转移,水域、耕地和建设用地由高梯度区向中低梯度区转移;不同地貌条件下,建设用地、林地、草地和未利用地的优势分布区未发生明显变化,耕地和水域则呈现增加态势;在土地利用程度的地形分异特征上,地貌类别和高程对土地利用程度无明显影响;土地利用变化图谱以稳定型和后期变化型为主,不同土地类型的时空分布和变化受地形、地貌因子和人类活动的影响显著,呈现选择性分布。

基于不同时间尺度的贵州省近50年气象干旱时空演化特征

[目的]基于气候因子分区条件下,分析贵州省不同区域在不同时间尺度下气象干旱的时空演变特征,可为干旱监测和预测、抗洪救灾提供理论依据。[方法]基于贵州省31个气象站点1970-2019年的逐月降水和气温数据,利用主成分分析讨论贵州省降水及气温变化特征,结合SPEI指数研究贵州近50年气象干旱时空演化规律。[结果](1)贵州近50年气温变化由东向西逐渐递增,即西部为气温极端变化和重度变化区、中部和东部为中度变化区、南部和北部边缘为轻度变化区;贵州省降水变化由西向东逐渐递减,其中西部为极端变化和重度变化区、中部为重度变化区、东部为轻度变化及正常区;(2)贵州省近50年气象干旱强度中度变化区最大、其次是轻度变化区,重度变化区最小;随着年代的递增及时间尺度增大,气象干旱逐渐增强,并呈现“峰-谷”交替现象,其中1970-1985年及1990-2000年为干旱“低谷”期、1985-1990年及2000-2019年为干旱“峰值”期;(3)贵州近50年逐月干旱频率以中低频为主,主要发生在贵州东部、南部及北部;轻度变化与中度变化区70s干旱频率最小、变幅最大,10s干旱频率最大、变幅次之,其余年代干旱频率变化相对较小。[结论]气象干旱具有显著的时间尺度特征,干旱的时空演化是气候变化、流域地表及人类活动时空耦合的结果。

气象干旱-水文干旱传播过程特征及其影响因素--以贵州黔中水利工程区为例

为探究喀斯特区域气象干旱向水文干旱传播过程特征,使用SPI与SRI标准化指数识别区域干旱,采用交叉小波、小波相干、状态转移概率等方法探讨传播强度、响应率等干旱传播特征。结果表明:(1)上世纪60 s和70 s气象干旱、水文干旱的干旱持续时间较短,而80 s与21世纪初期区域干旱持续时间较长;SPI与SRI间呈显著的正相关关系,气象干旱向水文干旱传播的过程需要1.5个月。(2)喀斯特区域的干旱传播强度DPI>1,且响应率偏高,水文干旱对气象干旱的发生极为敏感,尤其是在地表切割深度较浅、岩溶发育较为强烈的区域。(3)传播过程主要受地表切割深度的影响较大,各下垫面条件对干旱传播过程的影响程度依次为地表切割深度>岩溶发育强度>高程>地形地貌,其中,干旱传播特征与地表切割深度呈显著的负相关,与岩溶发育强度、高程、地形地貌呈正相关;在浅切割、中等切割或海拔较低、岩溶发育强烈的区域,各等级间的DPI、Rr的转移较为活跃,整体上传播特征在57年间呈增强的趋势。研究结果旨在为区域干旱防治与监测提供理论依据,尤其是为喀斯特生态环境脆弱区的可持续发展规划提供理论参考。

2001-2020年贵州省气候变化及人类活动对植被变化的影响

以MODIS-EVI及同期气候因子及气象干旱指标SPEI作为表征植被和气候时空变化特征的指标,采用Theil-Sen Median趋势分析、Mann-Kendall显著性检验、Hurst指数分析和残差分析等方法探究贵州省2001—2020年植被生长状况对气候变化及人类活动的响应。结果表明:(1)2001—2020年贵州省植被增加的区域面积比为84.97%,主要改善区域以贵州省北部和西南部地区为主,且植被在未来的空间变化趋势上以反持续性增加为主,占据贵州省总面积的69.23%。(2)贵州省植被与气候因子降水呈正相关关系,与气温呈负相关关系,但相关性均较弱,而区域植被生长状况与SPEI间的正相关性大于负相关性。(3)EVI与人类活动在贵州省北部、西部及西南部地区主要以积极的改善作用为主,而在贵阳、遵义及其周边地区则以消极的抑制作用较为突出,整体上研究区内的人类经济活动与植被EVI呈正相关关系。研究结论可为贵州省植被生态保护及其与气候变化、人类活动之间的适宜性研究提供客观的科学理论支撑。

基于GIS的喀斯特地区生态环境敏感性评价

以位于贵州省境内的典型喀斯特地区乌江流域为研究对象,以ArcGIS平台为技术支撑,采用单因子与多因子评价相结合的方法,根据乌江流域的具体实际情况及其特有的地形地貌,选取了“4+1”模式,即生态类因子土地利用类型、坡度、水系、植被盖度,地质类因子喀斯特地貌分布等5个评价因子,制定乌江地区的单因子敏感性评价指标。结果表明:1)乌江流域整体敏感性程度较高,中度敏感、重度敏感与极度敏感约占流域总面积的24%、35.66%、15.21%,尤其是流域的中部极为明显。2)流域内东北部地区与西南部地区地形起伏较为平缓,城市建设用地面积大,故生态环境表现出不敏感或轻度敏感,如毕节市七星关区、大方县、纳雍县,以及铜仁市沿河县等地,流域内不敏感约占9.2%、轻度敏感约占15.93%。3)乌江流域内植被覆盖与水环境之间具有极显著的正相关性,坡度与其他各单因子及综合因子间均呈负相关性,流域的土地利用类型对敏感性综合评价起重要作用,两者之间具有极强的、显著的正相关性。

黔中岩溶山区近50年降水时空变化——以黔中水利枢纽工程区为例

为了研究黔中岩溶山区多年降水变化规律,选取黔中水利枢纽工程区为例,依据研究区内25个雨量站点1967—2016年逐月降水资料。通过线性回归分析、累计距平法、Mann-Kendall检验法和ArcGIS空间插值等方法,采用年和季节尺度研究该地区的降水空间分布和变化趋势。结果表明:1)50年来,该地区年降水表现为增加-减少交替的特征;春秋为下降趋势;冬夏为上升趋势;2)M-K检验显示,多年年降水呈现下降趋势,在1983年发生降水突变;春夏秋冬四季变化不剧烈,春秋季不存在突变年份,夏季降水出现突变的在1990年和2008年,冬季在1970年出现降水突变;3)全年和季节降水空间分布不均匀,年、夏秋季为哑铃状分布:中部多两侧少的降水特征;春季和冬季为东多西少。可见对黔中水利枢纽的降水量的研究,以期深入了解岩溶山区复杂地形条件下特征和规律。研究结果可为该地区的降水研究、水资源的可持续开发利用、水资源配置等提供参考。

膏盐层下石膏晶洞水化学特征的环境指示意义

选取具有典型意义的膏盐层下石膏晶洞内滴水、池水以及大气降水、土壤水作为研究背景,分析其水化学成分特征及迁移过程得出:石膏晶洞水化学参数K^+、Na^+、Mg^(2+)、Ca^(2+)、Cl^-、SO_4^(2-)、HCO_3^-、TDS的含量分别介于0.45~7.22、0.4~3.92、20.27~310.45、70~338、0.38~3.37、81.31~958.12、73.2~207.4、562~1 780 mg/L之间,各离子质量浓度均值进一步表明区域内SO_4^(2-)、TDS质量浓度很高;而K^+、Na^+、Cl^-质量浓度很低;时间序列上,研究区地下水化学类型主要分为5种类型:CaHCO_3型水、Ca-SO_4型水、Ca-Mg-SO_4型水、Ca-Mg-HCO_3型水、Ca-Mg-SO_4-HCO3型水,其中以Ca-SO_4型水为主。同时由总硬度、TDS、水温、pH得出,研究区属弱碱性低矿化度(微)硬水;由降水至洞穴池水水化学类型为:Ca-HCO_3型水至Ca-Mg-SO_4型水。各离子含量变化主要受地层岩性的控制。其次可能受溶滤作用、蒸发浓缩作用、盐效应、阳离子交替吸附作用以及氧化还原作用影响。

森林固碳释氧研究进展

碳汇林培育是控制全球气候变暖、提高森林固碳功能的一个有效途径和可持续发展模式。本文综述了森林固碳增汇效应与碳汇林的概念及内涵,分别从树种和群落垂直结构层次分析了影响森林固碳能力的因素,概括了森林固碳释氧量的测算方法及改进建议,为森林固碳释氧功能研究提供了参考和借鉴。