基于生态系统服务和PSO-SOFM神经网络的中亚水土热资源匹配分区

水土热资源匹配度分区研究对于区域农业规划具有重要意义。中亚地区长期以来缺乏合理的水土热资源管理,已引发了一系列资源环境问题,严重威胁该地区农业生产。目前的研究也较少关注中亚水土热资源匹配分区模式。本研究利用遥感数据,通过量化4种主要生态系统服务(植被固碳、土壤保持、水源供给与涵养及生物多样性保护)的时空分布特征,结合PSO-SOFM(particle swarm optimization,PSO;self-organizing feature map,SOFM)神经网络模型实现中亚水土热资源匹配度分区,并利用Spearman秩相关分析探索不同匹配度分区与生态环境因子的关系,应用偏相关分析确定气温和降水量对中亚地区生态系统服务的影响。结果表明,中亚生态系统服务总体呈东南高、西北低的空间格局,沿山地—绿洲—荒漠方向递减。在2000—2015年间,各类生态系统服务均有不同程度变化,其中植被固碳和土壤保持呈显著下降的面积占整个中亚的84.81%和84.82%;水源供给与涵养以及生物多样性保护服务呈显著下降的面积较少,占比分别为69.48%和19.8%,且这两种生态系统服务在个别地区有增加趋势。PSO-SOFM神经网络模型在中亚水土热资源匹配度分区中表现良好,根据生态系统服务值空间模式,中亚水土热资源匹配度可被划为5大类21个子类分区。在空间尺度,各类匹配度分区之间生态系统服务值有显著差异,降水是影响生态系统服务和匹配度高低的重要限制因子,而气温和土壤因素影响较弱;在时间尺度,降水和各生态系统服务值间呈显著正相关关系的范围更广,而气温对生态系统服务值有显著影响的区域主要集中在哈萨克斯坦北部草地—半荒漠生态敏感区、中亚荒漠生态脆弱区、中亚中部半荒漠生态敏感区以及巴特赫兹—卡拉比尔半荒漠生态敏感区等地。而在其他区域,气温和降水量并非决定生态系统服务值高低的主要因素,生态系统服务值的变化可能与土地开发利用模式有关。结合不同匹配度分区的生态地理条件,本研究可为中亚地区水土资源开发利用、农牧业发展以及生态环境保护提供有用信息。

1966—2015年天山南北坡空气湿度差异及其影响因素

利用天山地区近50年(1966—2015年)逐日气象资料,采用Mann-Kendall趋势检验法研究了天山南北坡相对湿度(RH)的时空变化特征,分析了天山南北坡RH对平均气温、降水量、平均风速、参考蒸散量、日照时数的敏感性,并探讨了引起RH变化的主导因素。结果表明:(1)整个天山地区RH变化有略微上升的趋势但不显著,北坡RH总体呈下降趋势,南坡RH总体呈上升趋势。(2) RH空间分布呈自北向南递减趋势,南北坡全年及春季以下降趋势为主,而夏、秋、冬三季均以上升趋势为主,且南坡变化趋势的显著性高于北坡。(3) RH对风速、气温、日照时数及参考蒸散量均为负敏感,对降水量为正敏感。北坡RH对各气象因子的敏感程度依次为日照时数>参考蒸散量>风速>气温>降水量,南坡敏感程度依次为日照时数>风速>参考蒸散量>气温>降水量。空间分布上,仅降水量敏感系数高值区位于北坡伊犁河谷,其余要素敏感系数高值区均位于南坡。(4)参考蒸散量是影响天山地区RH变化的主导因子,整个天山地区参考蒸散发贡献率较高,日照时数贡献率高值区集中于北坡伊犁河谷,风速、降水量、气温贡献率高值区均集中于南坡克孜勒苏地区。

新疆伊犁地区季节冻土沿海拔的分布规律及其影响因素

基于2000-2014年新疆伊犁地区不同海拔区域观测的冻融期内的冻土、积雪和气象数据,应用相关性分析和回归分析方法,分析该地区季节冻土沿海拔的分布规律,以及气温、积雪对季节冻土特征的影响。结果表明:伊犁地区表层土壤存在着每年11月份开始结冻,于次年4月份完全融化的周期性变化。每个周期内土壤冻结时长随海拔以4d·(100m)^(-1)的趋势增加,土壤最大冻结深度随海拔以3.9cm·(100m)^(-1)的趋势增加。土壤冻结时长与冻结期的平均气温具有显著负相关关系,相关系数为-0.98(P<0.05)。土壤冻结日数与积雪覆盖历时呈正相关关系,土壤的最大冻结深度与最大雪深呈负相关关系。随着海拔升高,温度递减,导致伊犁地区土壤最大冻结深度和土壤冻结日数整体呈现增加趋势。但在海拔相对较高的地区,由于相对较厚积雪的影响,出现土壤最大冻结深度随海拔升高而减小的反常现象。研究结果可为新疆伊犁地区季节冻土的分布对气候变化的响应研究提供支持,帮助研究区域生态规划和水资源管理,为农业发展制定适应气候变化对策。

亚洲高山区雪崩灾害时空分布特点及其诱发因素分析

雪崩灾害严重威胁亚洲高山区社会经济发展,掌握亚洲高山区雪崩灾害的时空分布特点及其影响因素对雪崩灾害防治具有重要的理论及现实意义。本研究采用文献分析、数据整理等方式,收集了2009—2019年间亚洲高山区的雪崩灾害数据,基于雪崩灾害活跃指数定量分析不同时空雪崩的活跃度,阐明亚洲高山区雪崩灾害的时空分布特点及其影响因素。结果展示:(1)10月到次年4月为亚洲高山区雪崩灾害危险期,2月下旬和3月为雪崩的危险性和活跃度的高峰期。(2)由于积雪特性和气候的差异,不同山区的雪崩活跃度和受灾程度呈现显著差异。64%的雪崩灾害事件发生在帕米尔高原和克什米尔地区为中心的天山、西喜马拉雅山、兴都库什山区,该区域的雪崩造成的伤亡人数占总伤亡人数的78%。(3)多数雪崩灾害事件是由自然因素(强降雪、温度剧增、雨夹雪、地震和风等)诱发,其中强降雪诱发的雪崩灾害最多,其次为春季快速升温诱发的雪崩。本研究可为评估在气候变化下亚洲高山区雪崩灾害未来发展趋势和应对防治策略的研究提供数据支持。

1979-2020年天山地区积雪量估算及其特征分析

积雪作为干旱区的重要水源,深刻影响区域水资源及经济发展。决定积雪量的积雪深度、积雪面积和积雪密度在时空分布上存在不确定性,尤其是积雪密度难以获取。本文利用FY-3B/MWRI(Fengyun3B Microwave Radiation Imager)数据反演积雪密度,结合1979-2020年长时间序列遥感雪深数据集,对天山地区40多年来积雪期(11月-次年3月)及其不同时期(积累期、稳定期、消融期)的积雪量进行估算,并分析其时空分布及与地形、气象等因子之间的关系。结果表明:1979-2020年,天山地区积雪期不同时期积雪量存在差异,稳定期积雪量最大,消融期次之,积累期最小。研究时段内,积雪期积雪量最大值出现在1979年,最小值出现在1998年,积雪期积雪量呈微弱的下降趋势,消融期积雪量下降趋势显著。多年平均积雪量空间格局与积雪深度和积雪密度基本一致,主要呈现为西北多东南少的特点。天山地区积雪量空间分布主要受海拔、坡度影响,积雪量与海拔正相关,海拔越高,积雪量越丰富;在15°以下时,坡度对积雪的影响较大,且坡度越大,积雪量越大。不同时期积雪量的多年变化与气温关系密切,在一定温度范围内,气温越低,积雪量越大;稳定期积雪量变化同时受积累期降水影响,积累期降水越多,稳定期积雪量越大。本文基于遥感积雪深度和密度的天山积雪量研究结果,可供气候变化条件下新疆水资源利用和经济发展参考。

巴基斯坦干旱特征及其风险评估

干旱深刻影响着巴基斯坦的水资源、粮食产量和社会经济格局,分析当地的干旱特征及其风险对其社会发展具有重要意义,但当前鲜有学者从长期视角分析整个巴基斯坦的干旱特征或评估该地区的干旱灾害风险。通过采用1982—2013年第三代归一化植被指数(Global inventory mod⁃elling and mapping studies normalized difference vegetation index,GIMMS NDVI3g)数据集构建植被状态指数(Vegetation condition index,VCI),分析了32 a巴基斯坦干旱范围和频率;采用由干旱频率、牲畜、土壤、作物、灌溉面积等资料表征的危险性、脆弱性、暴露度和防灾减灾能力对巴基斯坦干旱风险进行了评估。结果表明:(1)研究时段内,各月多年平均干旱范围存在差异,1月和9—12月干旱范围较大(面积比例大于40%);5—8月干旱范围较小(面积比例小于30%);5—6月受升温和降水减少影响,干旱面积有上升趋势。(2)研究区5—8月干旱频率较低,西部山区林地、草地9月干旱频率较高,东部平原1月和9—12月干旱频率较高。(3)巴基斯坦干旱风险空间格局主要由干旱频率、作物产量、大牲畜比例、土壤持水能力决定,其中干旱频率对区域干旱风险的影响最大。在牲畜比例和土壤持水性的分别作用下,巴基斯坦北部山区向平原过渡的地带和东南部自然植被覆盖地区干旱风险较高;受灌溉影响,地形平坦的河谷地区干旱风险较低;北部山区自然植被覆盖度高,干旱风险也较低。研究结果有益于巴基斯坦灾害风险管理。

中亚农业水资源脆弱性及其变化特征分析

农业用水是链接自然环境和社会经济发展的重要环节,研究农业水资源脆弱性的时空变化对揭示水资源的可持续开发利用、保障水资源安全、应对洪旱灾害具有重要意义。为研究中亚地区农业水资源脆弱性变化特征,本文以中亚五国为研究区,基于气象、土地覆盖、地形和社会经济数据,依据脆弱性概念框架,从暴露度、敏感度和适应度3个方面选取18个指标,建立了农业水资源脆弱性评价指标体系,采用等权重法和主成分分析法确定指标权重,对1992-2017年中亚农业水资源脆弱性进行了评价及特征分析。结果表明:1)中亚农业水资源脆弱性空间分布表现为“南高北低”的特征,5国中土库曼斯坦农业水资源脆弱性最强,其次为乌兹别克斯坦、塔吉克斯坦和吉尔吉斯斯坦,而哈萨克斯坦农业水资源脆弱性最弱;研究时段内农业水资源脆弱性空间分布格局变化较小。2)中亚农业水资源脆弱性随时间变化表现为“前期升高,中期降低,后期稳定”的态势,整个研究期内研究区农业水资源脆弱性变化类型以相对稳定为主。不同地区农业水资源脆弱性随时间的变化存在差异,吉尔吉斯斯坦西部和土库曼斯坦的农业水资源脆弱性升高,乌兹别克斯坦、塔吉克斯坦以及咸海地区水资源脆弱性降低,其他地区相对稳定。3)不同地区农业水资源脆弱性对各指标的敏感性不同,北部农业水资源脆弱性动态变化对农田灌溉定额和灌溉指数以负敏感为主,对其他指标以正敏感为主,而南部对各指标的敏感性正负均有;相关性分析表明,森林覆盖率、农业用水比例、农田灌溉定额、水分胁迫指数、灌溉指数和农业水分生产率是导致中亚农业水资源脆弱性空间差异的重要因素。4)为降低农业水资源脆弱性,中亚地区需发展集约型农业,调整作物种植结构,推广耐旱品种农作物,进行节水灌溉。研究结果可为中亚农业水资源规划管理、农业生产布局调整以及农业可持续发展提供参考依据。

新疆开都河流域季节性冻土特征的控制和影响因子分析

全球变暖使季节性冻土范围逐渐缩小,而季节性冻土对春季径流,尤其是春季洪峰的影响使得该方面的研究更为重要。为了分析季节性冻土广泛分布的山区不同海拔高度条件下季节性冻土发育和融化期影响因子的差异,采用通径分析方法对开都河流域不同海拔高度季节性冻土最大冻结深度和解冻日数的影响因子进行了分析。结果表明,不同海拔高度这两者的影响因子差异不大,但其控制因子存在差异。季节性冻土最大冻结深度的控制因子由低海拔处的负积温和最大积雪深度转为中高海拔处的平均相对湿度;解冻日数的控制因子由低海拔处的平均风速和最大冻结深度转变为高海拔处的平均相对湿度。该差异主要由不同海拔高度的地理位置和局地气候条件等决定。

新疆北部植被生长季NDVI时空变化及其与冬季降雪的关系

植被是陆地生态系统最重要的组成部分,在调节陆地碳循环过程和气候变化中起着关键作用。冬季降雪为植被生长提供良好的水分条件,加强冬季降雪与植被关系研究具有重要的生态意义。利用1982~2013年GIMMS NDVI数据,基于趋势分析研究了北疆4~10月植被覆盖的时空变化特征,并结合WRF模拟冬季降雪数据,采用基于栅格的相关性分析方法,分析了各月NDVI对冬季降雪的响应及不同生态系统之间大小的差异。结果表明:(1)北疆地区4~10月NDVI总体呈增加趋势,增加区域主要位于农田地区和高海拔草地,但准噶尔盆地中东部地区呈减少趋势;(2)区域内冬季降雪基本呈环状分布,中部少、四周高,冬季降雪呈增加趋势;(3)冬季降雪与5、6月NDVI显著正相关的面积最大,且显著正相关区域主要位于准噶尔盆地的荒漠生态系统;(4)冬季降雪对整个研究区以及不同生态系统类型NDVI的影响具有显著的滞后性,对4~10月NDVI的影响均呈现先增大后减小的趋势,且对6月NDVI的影响最大。

沙尘对天山积雪消融的影响

积雪是西北干旱区重要的水资源,春季融雪时期,沙尘天气频繁,沙尘沉降会减少积雪表面反射率,增加雪层的太阳辐射吸收,加速积雪的融化,影响干旱区年内的水资源分布。通过融雪期在天山积雪雪崩研究站开展模拟沙尘沉降试验,观测积雪物理特性参数变化,分析沙尘对积雪消融的影响。本研究设置2 g·m^-2、4 g·m^-2、8 g·m^-2、自然雪4个处理,3组重复,从3月4日开始,3月11日结束。结果表明：沙尘沉降对积雪消融具有明显影响。在2 g·m^-2、4 g·m^-2、8 g·m^-2沙尘沉降量下,随着融雪的进行,沙尘沉降量逐渐增大,致使积雪表面粒径增大,积雪反射率降低,雪表层温度差变大,2 g·m^-2、4 g·m^-2、8 g·m^-2导致积雪消融速率比自然状态下的快22.36%、46.05%和76.90%。通过野外试验获得了主要积雪物理参数对沙尘沉降的响应,量化了沙尘沉降对积雪消融的影响,其结果可为西北干旱区水资源管理提供参考。

巩乃斯河谷地带地表土壤水分和电导率的分布特征

土壤水分和土壤电导率是影响植被生长和农业发展的重要因素,传统方法测量土壤水分和土壤电导率成本高,导致当前缺少基于实测资料的这两种土壤变量在山区流域不同空间尺度下的研究。本研究利用地表土壤水分和电导率实测数据,应用统计学方法,分析了天山西部巩乃斯河谷地带不同空间尺度下秋季地表土壤水分和地表土壤电导率的分布特征及其影响因素。结果表明:(1)在巩乃斯河谷,流域尺度地表土壤水分随海拔的升高而显著(P<0.01)增加,增加速率为每公里10%,但在阿拉图拜小流域,地表土壤水分随海拔的升高先上升后降低;流域尺度平均地表土壤电导率为17.51 mS·m^(-1),表层土壤整体上不存在盐碱化,但2000~2500 m海拔范围内部分点的电导率大于35 mS·m^(-1),为轻度盐渍化;坡地尺度下,不同坡向地表土壤水分和电导率均存在较大差异,阴坡地表土壤水分(均值:44.22%)>阳坡(均值:22.83%),阳坡地表土壤电导率(均值:8.33 mS·m^(-1))>阴坡(均值:4.58 mS·m^(-1));(2)随空间尺度增大,影响土壤特性的环境要素更加复杂,地表土壤水分与地表土壤电导率关系逐渐变弱;(3)不同土地利用类型的地表土壤水分依次为:草地(均值37.19%)>耕地(均值37.04%)>林地(均值34.67%),地表土壤电导率依次为:耕地(均值17.36 mS·m^(-1))>草地(均值14.95 mS·m^(-1))>林地(均值13.81 mS·m^(-1))。在海拔、坡向、土地利用类型的影响下,巩乃斯河谷地带地表土壤电导率和土壤水分均呈中度变异。本研究有益于巩乃斯河流域水土资源合理利用及生态环境保护。