玛纳斯河流域植被净初级生产力时空变化及驱动因素分析

【目的】探明新疆玛纳斯河流域植被净初级生产力(NPP)的时空变化规律及其影响因素。【方法】基于MODIS遥感数据以及地形、气象因子和人类活动数据,运用Slope趋势分析、相关分析和地理探测器,分析玛纳斯河流域2001—2021年NPP的时空变化特征及其驱动因素。【结果】2001—2021年,玛纳斯河流域年平均NPP为125.63 g C/(m^(2)·a),2008年最低,为98.80 g C/(m^(2)·a),2016年最高,为163.98 g C/(m^(2)·a),NPP呈年际上升趋势。玛纳斯河流域NPP的空间分布格局呈北部和南部区域低而中部区域高的特征,近63.84%的区域NPP呈增加趋势,其中26.98%的区域NPP显著增加(P<0.05);19.31%的区域NPP显著下降(P<0.05)。NPP随着高程和坡度的增加呈上升趋势,最高值出现在玛纳斯河流域的低山林草区;NPP与气温和降水呈正相关。各因子对NPP的影响程度由高到低依次为高程>土地利用>降水>坡度>GDP>气温>人口密度>夜间灯光,其中高程与土地利用的交互作用对NPP的影响最大。【结论】玛纳斯河流域NPP存在明显的时空分异特征,高程、土地利用以及降水对NPP的时空分布格局具有重要影响。

古尔班通古特沙漠西部地下水位和水质变化对植被的影响

通过对比分析古尔班通古特沙漠西部3a地下水位和水质的变化特点,研究了地下水位和水质变化对地表土壤理化性质、植物多样性、及建群种梭梭种群生长与更新的影响。发现地下水位和土壤理化性质空间变异较大,最浅地下水位为3.3 m,最深可达24.2 m,主要集中在6—8 m;土壤电导率、pH值、Cl-和SO24-均在表层0—40 cm含量较高,变异系数随土层深度的增加而减小。在时间上地下水位受准噶尔盆地上游农田用水的影响,水位呈季节性波动。一年中最高水位出现在4月,最低水位在7月。玛纳斯河向下游输水对提高盆地地下水位具有明显作用,地下水位平均可升高4.3 cm,地下水矿化度平均增幅1 g/L。地下水位对退化区物种多样性影响不大,但对梭梭生长产生显著影响。梭梭生长的适宜地下水位为5—8 m,且地下水矿化度小于4 g/L。地下水位大于8 m导致梭梭种群衰退,而地下水位小于4 m时,地下水矿化度影响土壤表层积盐,进而显著地降低物种多样性,阻碍梭梭幼苗更新,导致梭梭种群衰败。总结认为准噶尔盆地上游的玛纳斯河断流和农业灌溉对古尔班通古特沙漠西部平原地区的地下水位和水质产生显著影响,梭梭退化与地下水位变化显著相关,必须引起高度重视。

干旱区典型流域近30a土地利用/覆被变化和景观破碎化分析--以玛纳斯河流域为例

利用1976年、1989年、2005年三期遥感影像,运用GIS和FRAGSTATS景观分析软件对玛纳斯河流域近30 a的土地利用/覆被变化和景观破碎化进行了研究。结果表明:①玛纳斯河流域土地利用/覆被在过去30 a间发生了普遍的变化。耕地、建设用地不断增加,而草地、林地、水域、盐碱地不断减少。耕地主要是在草地上开垦出来的。②绿洲内部的耕地趋于集聚状态,破碎性降低,而绿洲边缘的耕地,破碎性增强。草地面积大减,破碎性增强,退化严重。沙地、水域破碎性也不断增强,林地、未利用土地的破碎化于1989年增强,2005年减缓。③驱动力分析表明,流域变化是自然和人类活动共同作用的结果,其中人口的快速增长、政策环境的变化和自然环境变化如干旱等是最主要的驱动因素。

新疆玛纳斯河流域平原区地下水水文地球化学特征研究

地下水是玛纳斯河流域主要的供水水源,为宏观掌握该区地下水化学特征,了解区域地下水主要形成过程,运用舒卡列夫分类法、数学统计法、吉布斯图、离子比及同位素的方法,在分析玛纳斯河流域平原区典型剖面的地下水水化学常量组分、吉布斯图、离子比和同位素特征的基础上,进行了研究区水文地球化学特征研究。结果表明:研究区潜水和承压水水力联系紧密;从上游、中游到下游,潜水、承压水的δ18O、δD值逐渐增大。地下水形成主要受蒸发浓缩、大气降水及碳酸盐岩和硫酸盐岩的溶滤作用。

玛纳斯河流域地貌与地下水的关系

以玛纳斯河流域为例,研究地貌和地下水的特点及其关系。结果表明,水文地质单元的界线明显与地貌单元的界线一致,地下水的类型、贮存和循环方式受地貌单元的控制。形成这种现象的原因是,地貌单元内第四纪沉积物的岩性、厚度、密度和裂隙等决定了地下水的赋存状态和循环方式。

玛纳斯河流域生态与环境需水研究

在总结国内外关于生态和环境需水研究的基础上,本文界定了玛纳斯河流域生态与环境需水的内涵。结合国内外生态与环境需水量的计算方法和玛纳斯河流域的实际情况,初步探讨了玛纳斯河流域生态和环境需水的研究思路、计算内容和方法,并对玛纳斯河流域的生态与环境需水进行了分析计算,从而为定量评价玛纳斯河流域水资源的合理配置提供理论基础。

干旱区典型流域近30年土地利用／土地覆被变化的分形特征分析--以玛纳斯河流域为例

利用1976、1989、2005年三期遥感影像,运用GIS和分形理论研究干旱区典型流域——玛纳斯河流域近30年的土地利用/土地覆被变化的复杂性和稳定性。结果表明:玛纳斯河流域各时段的土地利用/土地覆被类型分布具有分形结构,土地利用/土地覆被类型形状复杂性和斑块的稳定性波动变化,1976、1989、2005年三时期的各种土地利用/土地覆被类型总平均分维值分别为1.394 0、1.363 4和1.389 9。总平均稳定性指数分别为0.606 0、0.636 6、0.610 1。三期土地利用/覆被类型平均稳定性排序为:沙地>未利用土地>居民点工矿用地>水域>林地>草地>耕地>盐碱地。耕地、林地、草地、盐碱地稳定性相对较差。通过对流域土地利用/土地覆被类型变化复杂性和稳定性的研究,可以为政府协调水土开发和调整土地利用结构提供支持。

玛纳斯河流域地下水水位变化及水量平衡研究

天山北坡玛纳斯河流域地下水长期大规模开采引发了一系列生态环境问题,地下水均衡状态和地下水流动模式明显发生了改变。为研究节水灌溉条件下的地下水系统流动模式及其对地下水均衡要素的改变规律,以平原绿洲区为研究对象,采用三维地下水数值模拟方法,研究玛纳斯河流域地下水水位动态变化及水量平衡规律。结果表明:研究区地下水水位的抬升和回落受农业灌溉的影响显著,具有一定的周期性,存在着明显的时空差异;地下水均衡处于负均衡状态,补排差为-2.81×108m3。模拟期内观测水头与计算水头两者相关系数各月均在0.81以上,模拟效果较好。

新疆玛纳斯河流域平原地下水水-岩作用模拟

玛纳斯河流域平原区地下水化学演化较为复杂,从上游至下游的变化特点主要以Na+、Ca2+、 HCO3-、SO42-含量和TDS值的高低相间交替演化为主。本文对此演化机理进行了水-岩作用模拟研究,模拟结果表明:①矿物相的溶解、析出和蒸发作用、稀释作用共同控制着地下水水化学的演化;②从研究区上游往下,由于地层岩性颗粒逐渐变细,水中矿物相迁入、迁出的数量逐渐增大,水-岩作用逐渐增强;③研究区上游的水-岩作用主要是地表水或灌溉水入渗补给的影响,研究区中下游的水-岩作用主要受蒸发作用的影响;④由于地表水或灌溉水的大量混入,局部的水化学演化往往不符合一般演化规律,甚至于往相反的方向演化,TDS呈下降趋势,产生复杂的过渡水化学类型。

新疆玛纳斯河流域平原区水资源组成和水循环

本文在分析新疆玛纳斯河流域平原区地表水、地下水同位素组分D、18O、T和14C特征的基础上,运用同位素混合模型进行了水资源组成和水循环研究。研究表明,在δD~δ18O图、T~δ18O图和14C^T图上,从上游至下游,地表水、浅层水和深层水的同位素分布具有明显的规律性,并在14C^T图上,可明显识别出古水,其14C介于0~40pMC之间,T值介于0~25TU之间。水资源主要来源于南部山区大气降水补给,上游是地下水的主要补给区。上游地表水有80.3%来自于山区大气降水,上游浅层水有83.5%来源于上游地表水。之后,浅层地下水在冲洪积扇前缘受阻溢出地表转化成地表水。再往下游,地表水、浅层水和深层水之间发生多次复杂的相互转化,最终耗于人工开采和蒸发。

新疆天山玛纳斯河流域高分辨率积雪遥感研究进展

新疆天山北麓玛纳斯河流域冬、春季积雪覆盖,高山冰川发育,是我国西北干旱区的典型流域,其冰雪融水对北疆工农业生产和生态环境具有重要意义.近五年来,在流域开展5次科学考察、积雪常规观测和星地同步观测,利用GF-1PMS(Panchromatic and Multi-Spectral)和WFV(Wide Field of View)、HJ-1CCD(Charge-Coupled Device)和IRS(Infrared Scanner)等国产高分光学遥感数据和C波段RADARSAT-2、ENVISAT ASAR等合成孔径雷达数据,探索山区复杂地形条件下的综合辐射校正方法,建立积雪识别模型获取积雪覆盖范围、积雪表面类型和积雪干湿状况,建立积雪参数反演模型获取雪粒径、雪深和雪水当量,分析流域积雪变化特征与雪盖衰退过程,进行流域融雪径流模型的参数率定、模拟与预报,为流域水资源合理利用与调配提供科学依据.

玛纳斯河流域绿洲区域经济差异分解研究

以县域为研究单元,运用崔王指数(TW)、经济增长指数和泰尔指数分解等方法,对1978—2007年新疆典型绿洲县域经济的增长及其差异进行了分析.结果表明:以崔王极化指数测度的绿洲县域经济极化态势呈波动性扩大的趋势,并大致可以分为2个不同的发展阶段;自1978年以来玛纳斯河流域各县域经济都得到了较快发展,绿洲平均经济增长率为18.6%.从整个绿洲来看,经济平均增长指数经历了"增加-降低-增加"的过程;从绿洲的不同灌区来看,各个分区的平均增长指数都出现了大幅度的波动,其极差为41.17%;泰尔指数的分解特征表明,1978—2007年间,灌区内差异虽然呈波动式下降的趋势,但它仍然主导着区域内经济的差异;但从不同灌区来看,石河子区和安集海区的经济差异占据了灌区内差异的90%以上,是灌区内差异的主体,是区域整体差异的根源.地理环境、人口文化素质、政策性因素等是造成玛纳斯河流域绿洲县域经济差异的最主要的原因.

水资源开发利用引起的环境负效应——以玛纳斯河流域为例

通过对玛纳斯河流域环境负效应研究,确定了水资源开发利用过程中引起环境负效应的制约因子,引入地下水动态均衡方法进行半定量分析,明确地下水量的变化为引起环境负效应的直接因素,为定量进行水资源综合开发与利用、防止环境负效应的产生提供方法和依据。

玛纳斯河流域生态补偿机制探析

由于人类不合理的开发利用,导致玛纳斯河流域生态环境状况恶化,破坏了生态系统的正常运行,使生态服务功能下降。为了恢复流域生态系统,需要对流域生态的受损者和受益者进行补偿。根据生态系统的结构、功能和所处的位置,将流域划分为上游山地生态服务区、中游平原绿洲生态受益区和下游荒漠生态受损区。在分析了各功能区存在的生态问题的基础上,明确了生态补偿的主客体、补偿标准和补偿原则,提出了相应的生态补偿对策和建议。

新疆玛河流域土壤和蔬菜汞分布特征与生态、人体健康风险评价

采集玛河流域140份土壤和126株蔬菜样品进行汞含量分析,检测土壤矿物质成分,分析污染状况,探究表层土壤汞空间分布特征和来源,探讨人体健康风险.结果表明,研究区表层土壤汞含量最高,含量在0.001—0.901 mg·kg^(-1),平均值为0.187 mg·kg^(-1),是新疆背景值的11倍.土壤矿物成分相似,主要为石英、长石、伊利石、蒙脱石、方解石.富集系数及潜在生态危害指数显示,除工业区严重富集外其余为中度到轻度富集,整体处于严重生态危害,形成了以化工园为中心的点—面污染.地统计学和多元统计学表明,研究区汞含量空间变异大,存在显著差异,化工园区汞含量最高,主要来源于工业生产;其次是城市和农业区,主要受到城市生活垃圾和农药、交通的影响;人类活动罕见的山区和沙漠地区含量最低.健康风险评价表明,土壤汞对儿童和成人的非致癌风险(HI)均在可接受范围内,沙湾大型电解铝厂周围菊科蔬菜汞对人体造成非致癌风险,其余区域均在可接受范围内.

多源NDVI在玛纳斯河流域荒漠化监测中的应用

为了对玛纳斯河流域荒漠化进行长期准确地监测,在分析MOD13A1-NDVI（归一化植被指数）与同期8 km×8 km AVHRR-NDVI数据的基础上,建立了基于两种不同NDVI数据的荒漠化分级指标体系。利用相应的分类体系进行了流域荒漠绿洲带1982－2008年荒漠化的遥感监测,并结合19892、000和2008年8月Landsat-5/TM数据,分析了3种不同NDVI数据在空间上的差异性,并进一步分析了荒漠化演变的原因。结果表明：（1）同期AVHRR、MOD13A1和Landsat-5/TM监测结果显示出相似的空间差异性,绿洲带北部紧连古尔班通古特沙漠地区植被覆盖稀疏,NDVI较小;南部绿洲灌溉区植被覆盖较好,NDVI整体上较大。植被覆盖具有显著的空间差异性,这与地形因素、水分、热量条件、地貌形态和土壤理化性质等气候环境因子存在联系。（2）近20 a来,绿洲带外围不断向南迅速扩展,由20世纪80年代初的11 200 km^2增加到90年代末的12 672 km^2,增加了1 472 km^2;绿洲带内部以石河子垦区为中心,NDVI呈辐射状逐年线性增加。（3）近8 a来,绿洲内部变化不大,荒漠带中盐渍化土地增加显著,2008年面积为1 906 km^2,较2000年增加了1 712 km^2,东部丘间盆地被开垦耕地面积196 km^2。

基于多维临界调控模型的玛纳斯河流域水资源调控

水资源调控是不同区域和用水户之间有效公平分配水资源的重要途径,本文以新疆玛纳斯河流域为研究对象,以水资源供需缺水量最小为优化目标,在分析耗散结构、协同学、有序原理和临界控制论的基础上,应用多维临界调控模型对玛纳斯河流域水资源系统进行行业间优化调控。研究结果表明:2020年,通过工业节水30.8%、农业节水1.2%和污水资源化1.38×108m^3,可使系统熵由0.34降低到0.15;2030年,通过工业节水54%、农业节水1.6%和污水资源化1.89×108m^3,可使系统熵由0.34降低到0.15;2030年的缺水量比2020年的缺水量减少了0.4×108m3,可实现水资源系统的有序发展。研究成果对解决灌区水资源供需矛盾、提高水资源高效利用具有重要意义。

玛纳斯河流域积雪变化特征及其与气温、降水的关系

利用MODIS积雪资料以及同期气象资料,分析了2000—2009年玛纳斯河流域积雪面积年内、年际变化及其与同期气温和降水的关系,结果表明:玛纳斯河流域积雪面积在4个不同分带上随季节变化各不相同,其中,带1变化最剧烈,受气候影响最为显著;带2、带3积雪的增加和减少都比较平缓;带4受气候影响最小。从年际波动来看,带1积雪面积随季节变化更为明显,带4在四季变化中均较平稳。对整个流域积雪面积与气候资料的相关分析表明:冬季,流域积雪变化对降水更敏感;而春季,气温是影响流域积雪面积变化的更主要的因素。

基于合成孔径雷达图像的山区雪水当量反演

雪水当量是表征积雪水资源量的重要指标,准确获取雪水当量信息对于流域水资源管理与区域气候研究具有重要意义.以新疆玛纳斯河流域山区典型地区为研究区,在获取RADARSAT-2精细四极化产品、地面同步观测数据、数字高程数据和土地覆盖类型数据的基础上,探讨了针对山区地形与下垫面条件的EQeau模型参数优化方法,修订了模型系数,并反演获得了研究区2013年12月13日的雪水当量分布信息.结果表明:(1)在山区复杂地形与下垫面条件下,增加地形、土地覆盖类型和局部入射角作为EQeau模型的条件参数,可取得冬秋季后向散射系数比与积雪热阻间较好的拟合关系,从而修订模型系数;(2)利用系数修订后的EQeau模型和RADARSAT-2数据反演得到了研究区精度较高的雪水当量信息,进而表明利用C波段合成孔径雷达数据和EQeau模型反演山区雪水当量是有效可行的.研究成果可为山区雪水当量的定量反演提供新思路.

新疆玛纳斯河畔红沟剖面西山窑组和头屯河组孢粉组合及地层意义

本文系统地研究了新疆玛纳斯河红沟剖面西山窑组和头屯河组孢粉化石,共计51属108种。根据孢粉属种组成及其含量的变化,自下而上分为2套组合:1.Cyathidites-Neoraistrisckia-Disacciatrileti(CND)组合,2.Cyathidites-Disacciatrileti-Classopollis(CDC)组合。依据组合中一些重要分子的地质时限讨论及其与相关组合的对比,将“CND”组合的地质时代归为中侏罗世早期,“CDC”组合归为中侏罗世晚期。在综合分析和对比新疆一些地区中侏罗世孢粉组合的基础上,自下而上建立了2个孢粉组合带,即:Cyathidites-Neoraistrisckia-Quadraeculina-Cycadopites(CNQC)组合带,Cyathidites-Quadraeculina-Classopollis(CQC)组合带。