小麦生产水足迹区域差异及归因分析

用水效率评价是节水农业研究的重点领域之一。作物生产水足迹作为评价作物生产过程中水资源消耗类型、数量以及用水效率的综合指标,为农业水资源管理评价提供了全新的思路。该文基于水足迹理论和量化方法,分析了中国大陆小麦生产水足迹空间分布情况和特征,并对造成水足迹区域差异的因素进行归因分析。结果表明:小麦水足迹的空间分布差异显著,其中西北、西南局部以及华南等地的小麦水足迹较高,而黄淮海、东北东部等地的水足迹较低。新疆绿水足迹比例为11.87%,部分南方省份大于80%,绿水足迹所占比例呈现出从东南沿海向西北内陆递减的空间分布格局。归因分析结果显示除小麦品种差异外,区域农业生产水平和气候条件的差异也是造成小麦水足迹空间差异的主要原因,其中化肥、农业机械投入是影响小麦水足迹的主要农业生产因子,而太阳辐射和降水量是影响小麦水足迹的主要气候因子,该研究结果可为国家制定农业水资源管理策略提供参考。

河北省冬小麦生育期蒸降差的时空变化及其原因分析

冬小麦生育期蒸降差是制定灌溉计划的重要依据,了解其时空变化及影响因素,可以为水资源高效利用提供参考。利用河北省冬麦区1965-2007年48个地面气象站资料,根据FAO推荐的Penman-Monteith公式,分析了河北省冬小麦生育期蒸降差的时空变化及其与气象要素的关系。结果表明:河北省冬小麦生育前、中、后期各站蒸降差均为正值,表明全生育期水分亏缺;生育中期的水分亏缺最严重,且变率较小;水分亏缺最大的区域位于河北省东南部地区。随着气候变化,各生育期蒸降差均为减少趋势,其中全生育期和后期的减少趋势明显(P<0.01),前期和中期的减少趋势不显著;全生育期蒸降差的变率较小。相关分析表明:引起冬小麦全生育期蒸降差减少的气象原因主要是日照时数减少和风速下降,最低气温对其有一定影响,但不起决定作用。

洱海流域近59年水资源的多时间尺度分析

以分析洱海流域地区水资源的时序变化特征为研究目标,利用国家气象局整编的大理气象站气象资料(1951-2009年),用FAO推荐的Penman-Monteith公式计算潜在蒸散量,分析了近59a来洱海流域地区降水和蒸散量的变化特征,并分析计算了相应的降蒸差及其演变特征。结果表明:(1)各年代降水量呈现了一个先减少后增加的变化规律,春季降水量有显著上升趋势,线性倾向值为13.6mm/10a,夏季各年代降水量呈现了一个先减后增加的变化规律,秋季降水量大体经历了"少-多-少"的变化过程,年降水量发生的两次突变都是由少雨期到多雨期,春季、夏季和冬季降水发生了明显的突变,春季和冬季突变后进入多雨期,而夏季进入少雨期;(2)年蒸散量在波动中有减少的趋势,达到7.8mm/10a,春季、夏季和冬季的蒸散量呈现波动变化特点,最近10a呈现显著减少的趋势,秋季的蒸散量呈现显著的减少趋势,达3.0mm/10a。年蒸散量和春季蒸散量存在明显的突变现象,但不是在同一时期发生,目前都处于低蒸散期;(3)年内降水量和降蒸差的逐月变化趋势基本相同,但月间分布不均衡,蒸散量逐月变化趋势呈现5月为最大值的近似单峰抛物线的线型分布;(4)未来本地区冬、春、秋季节干旱依然存在,影响作物尤其是坡耕地玉米和冬季大蒜的正常生长和发育。

内蒙古典型草原区暖季蒸降差的时空分异

研究草原生态系统的蒸降差变化,对探讨气候变化条件下的水分循环和草原生产力等具有重要意义。本文利用1960-2004年内蒙古典型草原区及其周边38个气象台站的气候资料,采用Penman-Monteith公式计算暖季(4-8月)的潜在蒸散量及相应的蒸降差,用经验正交函数(EOF)和旋转正交函数(REOF)研究蒸降差的时空分异特征。结果表明:内蒙古典型草原区暖季蒸降差的主要空间异常型表现为全区一致偏高或偏低,这是典型草原区主要的空间型;暖季蒸降差空间分异大致可划分为4个异常区即北部区、东北部、中部和西部区;随时间的推移暖季蒸降差有降低的趋势,且具有明显的阶段性变化特征。

多尺度下宝鸡地区干旱动态格局演变及其与植被覆盖的关系

利用宝鸡地区11个气象站点1974—2013年逐月气温和降水量数据,基于标准化降水蒸散指数(SPEI),结合土地利用/覆盖数据,从干旱发生频率、发生强度及与植被NDVI相关性等角度,探讨了近40年来干旱时空变化格局及其对植被覆盖的响应。结果显示:宝鸡地区年均SPEI指数以-2.50%/a的速度下降,干旱趋势明显增强。自20世纪末以来,全区年均干旱指数呈明显的上升趋势,以2007—2010年增大趋势最为显著(超过0.05临界线);近40年来,春季干旱发生频率达60%及以上的有21 a,达90%以上的有9a。1981—1986年起伏变化最为剧烈。秋季平均干旱发生频率为46.29%,为春、夏、秋、冬4个季节中最低。从干旱发生强度来看,全区年际、四季及月6个时间尺度上干旱强度高、低值区域分布均比较集中;秋季强度最弱的区域面积表现最高,占总面积的75.47%。干旱发生最严重的是春季,占总面积的11.90%。全区干旱与植被覆盖相关性均表现较好(均通过0.05显著性水平检验),林地、草地负相关性最为显著(除夏季),夏季、秋季、月尺度上,耕地、水域、城乡地区干旱与植被覆盖的相关性与土地利用类型无关。

华北石质山区杏树蒸腾规律和蒸降差分析

以河南省济源市石质山区8a生梯田杏树为例,利用热扩散植物液流技术(TDP)测算得到2005年和2006年杏树逐日蒸腾数据,结合同步观测的降水量数据,分析了华北石质山区杏树蒸腾耗水规律及水分供求关系,旨在为该地区节水杏园的发展提供依据。结果表明:(1)杏树蒸腾速率(TR)呈现出明显的日际变化特征,且在同一生长期内,晴天-多云日的蒸腾速率高于阴天。(2)从全年来看,4-8月杏树蒸腾速率相对其他月份要高,其中,5月(6月)蒸腾速率为全年最大时期;1月(12月)蒸腾速率为全年最低水平。(3)在华北石质山区,2005年和2006年的年际总降水量与杏树蒸腾耗水量差值分别为-263.25mm和-220.47mm,说明周年降水可以满足杏树蒸腾耗水的需要。但各月的蒸降差差异很大,7-9月降水量大于蒸腾量;其他大多月份降水不能满足杏树耗水的需要。

鄂尔多斯市水资源的气候特征演变

采用鄂尔多斯市鄂托克旗站和东胜站1957-2010年的月均温和月降水资料,分析了气温和降水的演变规律。采用高桥浩一郎的陆面蒸散发经验公式估算陆面蒸散发并分析演变规律。结果表明:鄂尔多斯市自20世纪90年代开始显著增温,东部东胜站增温幅度大于西部鄂旗站。四季中各季的显著升温也出现在90年代。夏季增温相对缓慢,其它三季变暖比较显著。两站年降雨量均呈减小趋势,东部东胜站减少量大于西部鄂旗站。春冬两季降雨量变化趋势不明显,夏秋两季降雨量呈减小趋势。蒸散量均呈现上升趋势,20世纪90年代以后上升趋势明显。东部东胜站多年平均年蒸散量大于西部鄂旗站。春、夏、冬三季蒸散量均呈上升趋势,而在秋季均呈下降趋势。降水量显著影响降蒸差,可利用降水量呈下降趋势,东部的东胜站下降趋势更明显。

陕西黄土区土壤的农业水文特性研究

在研究陕西黄土区土壤水文特性分布特点及其相关因素的基础上，根据土壤的物理粘粒含量，100cm土层的绝对含水量．和年降水蒸发差为主导指标，用模糊数学等价关系聚类，把陕西黄土区划分为7个区．对其土壤的农业水文特性值进行了分析评述，并提出相应的改良措施和办法。

干旱对内蒙古植被生长的累积与滞后影响评估研究

本文为探究干旱对植被的累积和时滞效应,以内蒙古为研究区,基于SPEI base v.2.5和GIMMS NDVI数据集,利用Sen式斜率、Mann-Kendall突变检验和偏相关分析方法,分析干旱对植被的累积和时滞效应。结果表明:内蒙古地区归一化植被指数(Normalized difference vegetation index,NDVI)年最大值随时间变化整体呈上升趋势,标准化降水蒸散指数(Standardized precipitation evapotranspiration index,SPEI)年平均值呈降低趋势,空间趋势变化上两者呈现一定的相似性;干旱的累积效应与内蒙古北部林区及西部荒漠戈壁区NDVI呈负相关,累积月数均在10—12个月;中部草原NDVI与干旱的累积滞后关系呈正相关,且干旱的累积影响大于滞后影响;农田植被NDVI与干旱的累积滞后效应均呈正相关,但相关性较弱;通过不同水分利用条件下干旱累积与时滞效应的相关性对比发现,干旱累积效应对植被的影响远大于时滞效应。

近50年湖北省多时间尺度干旱演变特征

干旱对水文循环、生态系统、工农业生产及社会生活具有重要影响。为此,基于标准化降水蒸散指数(SPEI),分析了湖北省近50年不同时间尺度干旱演变特征。结果表明:不同时间尺度干湿变化频率、持续时间、干旱强度、发生范围存在明显差异,但其年际变化特征基本一致,程度略有差异。在6个月及更长时间尺度上,20世纪60年代前期、70年代前期及80年代至90年代前期是湖北省较为湿润的时期,20世纪90年代后期以来尤其是21世纪初的10年湿期明显减少,干期明显增加;在季节尺度上,近50年湖北省春、秋季呈干旱化趋势,夏、冬季呈湿润化趋势,其中秋季干旱化趋势最为显著;1个月时间尺度干湿变化阶段性、趋势性特征最不明显。各时间尺度干旱发生强度均有加重趋势,最严重干旱事件集中发生在近20年。干旱发生范围时间序列变化与干期阶段变化的特征非常一致,其中极端干旱在近10年大范围发生的频率显著高于过去40年。

黄土高原地区气象干旱动态格局演变及其对植被的影响

本文以黄土高原为研究区域,通过识别气象干旱的三维连续时空体,剖析了1982—2018年夏秋季节气象干旱(SPEI)事件发生发展过程与区域植被覆盖(NDVI)之间的响应关系。结果表明:①基于空间聚类识别的黄土高原三维气象干旱事件与历史真实干旱事件的发展演变过程基本吻合;②从时间和空间维度综合来看,黄土高原气象干旱发生区域NDVI往往会比同区域非干旱时期减少,且NDVI减少程度与气象干旱强度显著相关(R2=0.4389,P<0.05);③从黄土高原不同土地利用类型(耕地、草地和林地)对干旱事件响应关系来看,草地最易受干旱胁迫且对干旱强度的变化最敏感,抗旱性最差;而耕地在干旱强度较大的干旱事件中更易受到影响。本研究对科学合理地理解区域干旱的动态格局演变及阐明其对植被生态系统的影响机制均具有重要参考意义。

黄土高原地区植被指数对干旱变化的响应

基于黄土高原83个地面气象站2000—2016年观测数据,计算标准化降水蒸散发指数(SPEI,standardized precipitation evapotranspiration index),分析黄土高原干旱时空变化特征,并结合对应时段的归一化植被指数(NDVI,normal difference vegetation index),研究不同土地利用类型及不同海拔高度植被对气象干旱的响应。结果表明:(1)通过旋转经验正交函数(REOF,rotational empirical orthogonal function)可将黄土高原划分为东南区、东北区、西南区和西北区;除西北区外均呈明显湿润化特征。(2)生长季各月黄土高原NDVI均呈显著增大趋势,NDVI均与SPEI呈正相关关系,其中两者在6—9月相关性最强(P<0.05)。(3)对于研究区内4种土地利用类型(耕地、草灌、森林和未利用土地),生长季内NDVI与SPEI呈显著正相关的面积百分比在草灌类型最大(62.54%),耕地类型次之(52.97%),而森林类型最小(25.62%)。(4)6—9月NDVI与SPEI呈显著正相关的面积百分比随海拔的升高先增加后减小,最大值出现在海拔1500~2000 m。

干旱胁迫下珠江流域植被响应的滞后效应及损失概率评估

基于标准化降水蒸散指数(SPEI)和归一化植被指数(NDVI),在网格尺度上定量识别珠江流域植被对干旱响应的滞后时间;基于贝叶斯理论和二维联合分布构建了干旱胁迫下植被损失的条件概率模型,定量评估了不同干旱情景下4种植被类型(常绿阔叶林、混交林、草地、耕地)的损失风险的空间分异性。结果表明:1982—2020年间,西江流域东部、北江和东江流域上游以及珠三角南部地区的干旱风险明显高于研究区的其他区域;上游高海拔地区植被对干旱的响应时间(大多<3个月)通常小于低海拔地区(>8个月);干旱加剧了植被的脆弱性,其中,混交林在不同干旱强度下的损失概率大于其他3种植被类型,表现出更高的脆弱性;流域西北部植被损失概率低于流域中部地区。

黄土高原地区植被与水循环的关系

为了改善水土保持效果,研究了黄土高原地区植被和水循环的相互关系。以黄土高原51个小流域为研究区域,分析了归一化植被指数(NDVI)与降水和蒸散发的关系。结果表明:在多年平均降水量越多的区域,植被密度越大,实际蒸散发量也越高。在降水越充沛的区域,NDVI的变差系数较小,植被的年际波动也较小。植被密度大的地区,蒸发效率高,但蒸发系数较低;增加植被会增加地表水和地下径流的分配比例。提高土壤含水量是增加植被覆盖的途径之一。

青藏高原植被绿度变化及其对干湿变化的响应

青藏高原是全球气候变化的敏感区,特殊的自然环境孕育了极端脆弱的植被及其生态系统,已成为研究植被对气候变化响应的一个理想区域。植被易受气候变化的影响且响应可能因季节和植被类型而异。该研究将标准化降水蒸散指数(SPEI)和MODIS归一化植被指数(NDVI)分别作为干湿度和植被绿度指标,采用Sen’s斜率估计、BFAST模型和相关分析,分析了2000–2018年青藏高原植被绿度变化的时空格局特征,并探讨了植被绿度对干湿变化的响应。结果表明:2000–2018年青藏高原植被绿度呈上升趋势,但变化速率空间差异显著。大部分高原地区植被绿度于2012–2015年间存在突变,突变后普遍呈上升趋势,以藏北地区最为突出。青藏高原植被生长季NDVI与不同时间尺度SPEI整体呈正相关关系,且在生长季的中后期相关性逐渐增强。青藏高原植被对SPEI的响应表现出一定的年内周期性,草本植被(草甸和草原)区尤为显著。相对于森林和灌丛植被,草本植被对SPEI响应更为敏感,且在生长季的不同阶段对不同时间尺度的SPEI的响应存在明显差异。

滇黔桂地区NDVI变化及其对SPEI的响应特征

滇黔桂地区生态环境脆弱,干旱频繁,研究植被对干旱的响应机制对区域水资源的管理调控和干旱综合应对具有重要意义。基于滇黔桂地区1982~2015年的GIMMS NDVI数据和多时间尺度(1/3/6/9/12/24个月)的标准化降水蒸散指数(standardized precipitation evapotranspiration index, SPEI)数据,运用趋势分析法和相关分析法研究植被变化及其对气象干旱的响应特征。结果表明:1982~2015年滇黔桂地区年际及季节NDVI增加趋势显著,岩溶区NDVI增长速率高于非岩溶区;岩溶区植被改善状况显著,但空间分布上具有差异性。年际NDVI对6种时间尺度SPEI的最大相关系数以正相关为主,绝大部分地区NDVI对SPEI-1和SPEI-3响应比较敏感,岩溶区尤为显著。季节NDVI与6种时间尺度SPEI的最大相关系数均以正相关占主导,且响应时间存在季节差异。生长季NDVI与6种时间尺度SPEI的最大相关系以正相关为主,随着SPEI时间尺度的推移最大相关系数呈正相关的区域呈减少趋势,表明NDVI对短时间尺度SPEI响应比较敏感;不同植被类型对6种时间尺度SPEI的响应存在差异性,但均与短时间尺度SPEI相关性最为明显。结果可为水资源的合理调控和干旱的综合应对提供理论参考。