中国干旱半干旱区植被降水利用效率时空变化特征及影响因素分析

植被的降水利用效率(Precipitation use efficiency,PUE)是表征植被生产力对降水量时空动态变化响应特征的重要指示器,对了解干旱环境下植被生产力的变化尤为关键。基于中国干旱半干旱区2000—2020年的植被净初级生产力、降水量、气温、土地利用类型和地形等数据,分析了中国干旱半干旱区植被降水利用效率的时空特征及其变化趋势,探究了植被PUE与气候因子的关联以及气候变化下土地利用和地形对植被PUE的影响。研究结果表明:(1)2000—2020年中国干旱半干旱区植被平均PUE为0.41 g C m^(-2)mm^(-1),不同土地利用类型下植被PUE的大小顺序为:草地<湿地<灌木<耕地<林地。(2)植被PUE年际变化整体呈现波动上升趋势,上升速率为0.004 g C m^(-2)mm^(-1),其中呈现显著改善趋势的面积占总面积的12.24%。(3)气温升高在不同程度上对大多数植被PUE起到促进作用,而降水增多则会抑制绝大多数区域的植被PUE。植被较少的区域,植被降水利用效率与气温、降水两气候因子基本无关。(4)随着海拔的升高,植被PUE呈现出先减后增再减的趋势。随着海拔的变化,气温依然与植被PUE呈正相关,降水依然与植被PUE呈负相关。研究结果可为中国干旱半干旱区生态系统保护、恢复以及可持续利用提供科学参考。

中国半干旱区呼包鄂城市群地表覆盖等级结构时空特征研究

以地处半干旱区的呼包鄂城市群为例,基于精确的建成区边界,采用决策树阈值分类模型与指数耦合模式,植被—不透水—土壤选取模型结合最小二乘像元混合分解模型等方法,构建半干旱区城市化过程中地表覆盖等级结构体系研究,从城市化—城市结构—城市组分揭示不同尺度21世纪以来的城市化过程。结果表明:①呼包鄂城市群2000～2015年的城市化过程较快,2005～2010年时段最为明显;总体空间格局呈现呼和浩特市外延式扩张,包头市填充式内展,鄂尔多斯市飞地式扩张为主;②不透水空间持续增加,在城区的占比由2000年的62.46%提升到2015年的75.40%;绿地空间呈现出波动变化的增加趋势,反映出半干旱区的城市化过程注重城市化与绿地协同建设;城市发展将裸土空间纳入,但城市化过程明显降低了裸土空间范围,有效提升了生态系统服务功能和人类福祉;③不透水组分密度变更顺序为低、中、高,增加明显的时段为2005～2010年;绿地组分呈现先降低后增加的变化特征,总体微幅增加,说明城区绿地得到提升;裸土组分密度呈现高、中、低的变化趋势,表明城市化扩张纳入了大量的裸土,随后裸土进一步转化为不透水面和植被,使城区内生态环境得到明显提升。总体而言,半干旱区的城市化过程可以有效降低周边裸土的面积,使其转化为可被利用的建筑和植被,有效改善区域水热环境和生态系统服务功能。

中国干旱半干旱区潜在植被演替

研究中国干旱半干旱区植被背景,成为其生态环境建设方面的基础性和指导性的工作。潜在植被作为一种与所处立地达到平衡的演替终态,反映的是无人类干扰的情况下,立地所能发育形成的最稳定成熟的一种顶极植被类型,是一个地区现状植被的发展趋势,对本地区植被生态的恢复和重建具有重要的指导意义。以综合顺序分类法为基本理论方法,在GIS研究方法支持下,采用中国干旱半干旱区119个气象观测站1961—2005年的年降水数据与115个气象观测站1961—2005的>0℃年积温数据,以15a的年平均数据为时间周期,对中国干旱半干旱区潜在植被的演替进行了分析,得出了以下结论:在中国干旱半干旱区,潜在植被类型之间发生了复杂的演替过程。1961—1975年间,分布在中国干旱半干旱区的潜在植被有10种类型,由于气候变化,到20世纪90年代后期仅剩6种类型。在潜在植被类型之间的转化特征与数量方面,表现出3种特点,稳定减少、稳定增加与波动性变化。在潜在植被类型地理分布格局变化与发展方向方面,演替明显的地区主要有:吐鲁番盆地、锡林郭勒高原北部、呼伦贝尔高原、太平岭地区;在发展方向上,潜在植被的空间变化方向(演替方向)均异。潜在植被类型演替的驱动因素主要是气候变化条件下,影响植被分布的水热条件发生了改变。

中国西北干旱半干旱区年平均气温的时空变化规律分析

利用中国西北干旱区138个测站,近46年历年平均地面月气温资料,采用线性趋势分析、多项式拟合、EOF、REOF、Mann-Kendall、子波分析等方法,分析了干旱区年平均气温对气候变暖的响应。结果表明:(1)中国西北干旱半干旱区年平均气温近46年增温率为0.34℃/10 a。新疆西部、青海高原东部的部分地方受大地形背风坡影响有不显著的上升趋势,其余大部分区域增温显著,同步响应全球变暖。(2)年平均气温标准差分布不均匀。除南疆和海东-陇南一带相对较小,该区其余大部分区域年平均气温的年际变化稳定性差。(3)蒙陕甘宁-塔里木盆地是该区气温变化最敏感的区域。年平均气温的演变在干旱半干旱区一致性程度较高。从20世纪70年代初期开始发生降温-升温转型,1986年有一次显著突变,其后气温达到一个更显著的增暖时期;全区性的前10个偏热年,全部出现在20世纪90年代及以后,各分区的异常偏热年,大多数也出现在1990年以后;气温异常变化存在5年和10年左右的周期,从15年以上的变化层次来看,气温趋势还在偏高的位置。(4)年平均气温存在演变的地域差异,蒙新区和陕甘宁青区南北变化相反。(5)根据REOF分析将该区年平均气温异常细分为北部区、高原区、南疆区和东部区4个分区。西部干旱半干旱区年平均气温的转折存在区域差异,高原和南疆区单调增暖,无明显转折,北部区的转暖时间比较低纬度的东部大致要早5年左右。受高原"启动区"影响,其它区的突变比高原要晚3～10年,其它区的年代际变化比高原要晚1～2年。

我国干旱半干旱区气候变化特征及其对干湿波动的影响

气候干湿状况是表征区域气候特征的重要指标,是在全球气候变暖背景下,水循环与陆面蒸散发作用的综合结果。本文从湿润度指数入手,结合降水与潜在蒸散的时空变化,分析了我国干旱半干旱区气候特点与干湿变化特征及对土壤湿度的影响。分析发现:近50年来,我国干旱与半干旱区均呈变湿趋势。干旱区与半干旱区潜在蒸散与降水月差值在年内出现时间上存在不一致,且干旱区明显大于半干旱区;3~9月为干旱气候区潜在蒸散与降水差值大值期,3~6月半干旱区潜在蒸散明显大于降水,7月起差值明显减小。作用分析表明,在干旱区,降水对湿润度指数的影响更大,而对于半干旱区,降水与潜在蒸散作用相当。长期以来,我国整个干旱与半干旱区大部分土壤湿度在逐渐变干,尤其是农业耕作层的浅层土壤,几乎全区域一致呈现变干趋势,说明我国干旱半干旱区农牧业生产存在较大的潜在干旱风险。

2008年夏季中国干旱-半干旱区陆面主要物理参数的平均特征

采用2008年7-9月观测的中国干旱-半干旱区试验观测协同与集成研究资料,选取12个测站(涵盖不同气候环境区的草地、农田、果林和森林等下垫面)比较分析了干旱-半干旱区的动力、热力和水汽粗糙度长度、总体输送系数、反照率以及土壤热传导率和热扩散率的夏季平均特征,并与陆面模式的理论参考值进行了对比。结果表明,植被下垫面的水、热特性和植被高度对主要陆面参数有重要影响,但植被下垫面的土壤热传导率和扩散率与下垫面类型之间无明显关系。动力学粗糙度长度与下垫面的植被高度呈正相关关系,无论是稳定还是不稳定层结下,动量拖曳系数都随着植被高度的增大而增大,而反照率随植被高度的增加而降低。在研究区的下垫面中,草地下垫面动力学粗糙度长度的实测值比模式理论参考值偏小,但农田和果林下垫面的实测值比理论参考值偏大;草地下垫面动量拖曳系数理论的参考值比实测值高,但其他下垫面的实测值高于理论参考值;实测反照率处于可见光反照率和近红外光反照率之间,但反照率的理论参考值比实测值偏高。

中国干旱半干旱区水分利用效率的时空变异及其影响因素

水分利用效率(WUE)作为陆地生态系统中碳水循环之间的重要连接,衡量了生态系统水分消耗与碳积累之间的关系。本文基于MODIS净初级生产力(NPP)和蒸散(ET)产品数据,分析了中国干旱半干旱区WUE的时空变异及其影响因素。结果表明:1) 2001至2014年,整个研究区NPP和ET均呈上升趋势,WUE呈下降趋势;2) WUE低值区主要分布在青藏高原地区,其年际变化呈上升趋势;WUE高值区主要分布在新疆北部和松嫩平原西部,WUE年际变化呈下降趋势;3) 研究区大部分地区WUE与降水呈正相关。在青藏高原高寒草甸区,WUE与温度呈负相关,而在内蒙古高原温带草甸区,WUE与温度呈正相关。4) 不同时间尺度的SPEI与WUE相关性趋势大体一致,即干旱促进大部分研究区植被WUE且SPEI-12与WUE的显著相关比例最大。

灌淤土——中国干旱与半干旱地区的人为土壤

灌淤土分布于中国干旱与半干旱地区的古老灌区,东起河北省张家口,经内蒙、宁夏、甘肃、青海,西至新疆,包括西藏西部干旱的亚高山河谷。1.灌淤土概念灌淤土这类人为土壤,具有厚度大于50cm的灌淤土层。

中国西北干旱半干旱区近46a秋季气候变暖分析

利用中国西北干旱、半干旱区137个测站,近46 a年平均地面气温资料,采用线性趋势分析、EOF、REOF、Mann-Kendall、子波分析等方法,分析了西北区秋季气温对气候变暖的响应。结果表明:①中国西北干旱、半干旱区秋季气温增温明显,近46 a增温率0.36℃/10a.从1971年开始气温呈增加趋势,1988年有一次显著突变,其后达到一个更显著的增暖时期。②秋季气温标准差在青海高原西部、新疆东部—北疆和内蒙古是一个高值区。③秋季区域平均气温单调增温而无明显转型期,全区性的前10个偏热年,80%出现在1990年以后,各分区的异常偏热年,90%也出现在1990年以后;气温异常变化存在5 a左右和22 a的周期,无论从年代际的变化来看,还是从20 a以上的气候变化层次来看,振幅向高温增大,气温趋势仍在居高不下的位置。④秋季气温存在演变的地域差异,新疆区和蒙陕甘宁青区东西变化相反。⑤根据REOF分析将该区秋季气温异常细分为蒙陕甘宁区、北疆区、南疆区和高原区。西部干旱、半干旱区秋季气温的转折大致在20世纪60年代末期至70年代初期,由下降转为上升;各区秋季气温在1987—1988年发生一次突变。

内蒙古罕山华北落叶松径向生长特征及水热环境响应

[目的]以内蒙古罕山保护区为例,系统探讨我国北方半干旱区华北落叶松树干径向生长的变化规律及与环境因素(温度、降水等)的关系,为进一步认识半干旱区树木生长对气候变化的响应提供理论基础。[方法]在通辽市扎鲁特旗罕山国家级自然保护区,运用点触式树木径向生长测量仪对4株样树的径向生长开展了高分辨率的连续监测,并同步监测温度、降雨、土壤水分等环境因子,分析树木径向生长动态特征及影响因素。[结果]研究表明:华北落叶松径向生长具有白天收缩、夜间膨胀的日变化特征。在5—6月的树干收缩膨胀现象较7—9月更明显,且夜间膨胀量大于日间收缩量;在整个生长季尺度,华北落叶松的径向生长始终受到土壤温度的显著影响,但在不同生长阶段,土壤含水量是影响树干径向生长的重要因子。在极端丰水年(2021年)的生长季中的降雨高峰期之前(5月初—6月中),径向生长已达全年生长量的45%以上,说明土壤水分对径向生长的影响更直接,夏季降水量的直接影响较小,而冬季积雪在春季融化后的土壤水分供应则是决定径向生长的关键因子。[结论]在内蒙古半干旱地区,当年降水量对华北落叶松径向生长的直接贡献相对较小,主要是通过转化成土壤水的形式间接影响树木生长;土壤温度和土壤水分是影响径向生长的重要因子,在土壤水分未得到降雨有效补充的生长季初期,树木径向生长主要依靠土壤水的前期存量。

近50a来中国北方沙区风沙气候演变与沙漠化响应

中国北方干旱、半干旱地区近50a以来风沙活动有显著的变化.20世纪60至70年代区域处于强烈的风沙活跃期,而自80年代至今则持续减弱,在绝大部分地区其输沙能力仅为60至70年代的20%～50%.沙丘活动指数的分析结果也表明,20世纪80年代以后,处于强烈风沙活动控制下的区域在不断向北向西退缩;在中东部部分地区,60和70年代有较强流沙活动的区域已演变为固定、半固定沙丘或者沙地.风沙活动的这一显著变化在沙漠化过程中有很好的响应:20世纪60年代至70年代中国北方沙漠化强烈发展主要与这一时期正处于风沙活跃期有关;而近20a以来沙漠化逆过程的发生则与风沙活动的大幅度减弱和春季降水量增加有密切联系.因此,尽管现代沙漠化的正逆过程或多或少受到人类活动的影响,其仍主要被气候变化所制约.

中国西北近46a夏季气温的时空变化特征分析

为了整体分析中国西北干旱半干旱区夏季（6～8月）气温的时空变化特征，利用该区137个测站1961—2006年历年夏季平均地面气温资料，采用线性趋势分析、多项式拟合、EOF、REOF、Mann—Kendall、滑动t-检验、子波分析和功率谱分析等方法，分析该区夏季气温异常的空间分布、时间演变特征及对气候变暖的响应。结果表明：1）中国西北干旱半干旱区夏季近46a平均气温19．5℃，且年际变化较小。2）在20世纪70年代中期发生由降温到升温的转变，1994年以后变暖趋势更加明显，并在1996发生了增温的突变。全区温度变化存在7a和4a左右的周期，目前，气温仍处于偏高周期。3）根据EOF分析，夏季气温异常可分为全区一致型、准东西向差异型、准南北差异型。经REOF分析，进一步突出局地特征细分为6个区：高原区、蒙陕甘宁区、北疆区、南疆区、蒙新甘区、东部区。4）全区夏季46a增温率为0．24℃／10a，近10a变暖趋势更加明显，其中高原区、蒙陕甘宁区、蒙新甘区对全区夏季增温贡献最大。南、北疆区和东部区增温较小，局地有下降趋势，表明大部分区域增温显著，同步响应全球变暖。