基于MODIS-NDVI数据的延河流域植被覆盖时空变化及其对极端降水的响应

基于2010-2020年MODIS-NDVI数据,分析延河流域归一化植被指数(normalizeddifference vegetation index,NDVI)和极端降水指数,辅以利用Sen趋势分析、M-K趋势检验法、Pearson相关分析等方法,研究植被覆盖时空变化及其对极端降水的响应。结果表明:1)2010-2020年,延河流域NDVI呈显著增加趋势,植被覆盖状况逐年改善,其增加速率为0.073/(10 a)(P<0.001);2)空间上,延河流域NDVI呈现从东南到西北减小的布局;3)趋势上,NDVI呈上升和减小趋势的面积占比分别为98.02%和1.98%,整体呈上升趋势,植被覆盖显著改善;4)近11年极端降水指数总体趋势变化平缓,R20(number of very heavy precipitation days)、RX_(5day)(max5-day precipitation amount)、CDD(consecutive dry Days)和CWD(consecutive wet days)呈上升趋势,R_(95P)(very wet day precipitation)和SDII(simple daily intensity index)呈下降趋势;5)NDVI与极端降水指数的相关性整体上偏低,除SDII外,其余指数都与NDVI正相关,且NDVI与RX_(5day)相关性最强,与R20相关性最弱。

延河流域不同植被带植物功能性状变化及其对环境因子的响应

植物功能性状是表征植物对环境差异的适应性及植物内功能的进化与平衡关系的重要属性,功能性状-环境条件相互关系对于探讨植被对多变生境的适应策略具有重要意义。对黄土丘陵区延河流域3个生物地理气候区(草原区、森林草原区和森林区)进行分层采样,通过野外试验测定植物群落功能性状和土壤理化性质,结合气象数据分析了植物功能性状沿植被带的变化及其对环境变化的响应。研究结果如下:(1)比叶面积(SLA)、叶氮含量(LNC)、叶氮磷比(LN/LP)、根碳含量(RCC)、根碳氮比(RC/RN)和根氮磷比(RN/RP)从草原区到森林区显著上升,而叶组织密度(LTD)、叶碳氮比(LC/LN)和比根长(SRL)显著下降。森林草原区的植物磷含量显著高于森林区和草原区。(2)水分条件是调节植物群落功能性状变异的最主要因素,其能够直接影响叶和根性状,还会通过影响土壤养分和土壤水分间接作用于叶片功能性状。(3)从草原区至森林区,随着养分和水分可获取性的升高,植物群落会通过增大SLA,降低LTD和SRL以提高对干旱贫瘠立地条件的适应能力。氮(N)是草原区植物生长主要限制元素,而森林草原区则同时受到N、磷(P)的限制。

基于MRSEDI与CA Markov的延河流域生态环境质量评价及预测

为探索快速准确评价和预测生态环境质量的普适方法,以延河流域为例,采用1998年、2004年、2010年、2016年6—9月的LandsatTM/OLI遥感影像数据,选取土壤侵蚀指数SEI、建筑裸土指数NDSI、湿度指数WI、植被指数NDVI计算改进型遥感生态距离指数MRSEDI,对1998—2016年生态环境质量进行评价,并采用CA-Markov模型对生态环境质量进行模拟预测。结果表明:①改进型遥感生态距离指数MRSEDI能够综合多指标信息、较为准确地反映延河流域生态环境状况,可作为生态环境质量评价的指标;CA-Markov模型兼具CA模型模拟复杂系统空间变化的能力和Markov模型长期预测的功能,可用于模拟预测流域生态环境质量。②延河流域生态环境质量在空间上具有西北低、东南高的特征,1998—2016年负向指标SEI和NDSI均呈下降趋势、正向指标WI和NDVI均呈上升趋势,MRSEDI流域均值从0.873提高到1.376,流域生态环境质量整体上明显上升,但存在局部生态环境质量退化现象。③未来延河流域生态环境质量将整体持续上升,但流域北部和中部生态环境极度脆弱区生态环境质量仍然较差,因此生态建设尤其石油、天然气、煤炭开采区的生态恢复须长期坚持。

延河流域不同生活型植物功能性状特征及其对环境变化的响应

[目的]探究不同生活型植物对延河流域生境的生长适应策略,为理解植物对环境的适应机制和该流域植被恢复物种选择等提供理论依据和实际指导。[方法]以黄土丘陵区延河流域为研究区,选择乔木、灌木和草本3种植物生活型,调查了6个与资源获取能力相关的植物功能性状,应用方差分析、线性回归和冗余分析方法探究了延河流域不同生活型植物对环境的适应策略和机制。[结果]延河流域不同生活型植物的比叶面积、比根长、叶组织密度、根组织密度、叶氮含量、根氮含量均存在显著性差异;水分是延河流域植物生存的限制性因子。[结论]为适应延河流域生境,草本植物采取“快速投资—收益”型(获取型)策略,灌木和乔木植物采取“缓慢投资—收益”型(保守型)策略。

近20年延河流域生长季产水系数时空变化特征及影响因素

[目的]流域产水系数的变化反映了降雨和下垫面变化的综合影响,研究产水系数的变化特征对流域水资源合理调控具有重要意义。[方法]以延河流域为研究区,采用一元线性回归和Mann-Kendall方法分析生长季产水系数的变化趋势,结合NDVI、降雨量、暴雨日数和无雨日数4种产水系数影响因素进行空间聚类分析,并探究其时空变化特征。[结果]2001-2017年延河流域生长季的产水系数呈现波动增加趋势,但增加趋势不显著,且大部分区域变化幅度相对较小,倾向率介于-0.017~0.031/10 a,延河流域生长季平均产水系数空间上呈北向南、西向东逐渐增大,大部分区域存在不显著的上升趋势,西北部区域产水系数呈不显著的下降趋势,中部部分区域呈现显著的上升趋势。[结论]就变化率而言,产水系数与降雨量、暴雨日数呈正相关,与无雨日数和NDVI呈负相关。就多年平均值而言,平均产水系数与平均降雨量、暴雨日数和NDVI均呈现正相关关系,与无雨日数呈负相关关系。延河流域产水系数时空变化特征及影响因素分析可为干旱半干旱区流域水资源管理和规划提供理论支撑。

黄土高原生态工程对关键生态系统服务时空变化的影响——以延河流域为例

黄土高原地区生态工程的实施,使其生态环境得到显著改善,提高了生态系统服务能力。现有的研究成果中,生态工程对生态系统服务影响的定量评价比较匮乏。以延河流域为例,采用RUSLE模型和InVEST模型对生态系统服务进行评价,通过构建模型识别出不同时期的生态工程区,探究生态工程对生态系统服务的定量影响,为下一步生态工程的实施提供科学的指导和依据。结果表明:(1)2000—2018年,延河流域土壤保持服务和产水服务均呈波动增长趋势,但二者的变化并不同步。(2)4个时期内,能产生生态效应的生态工程区面积呈波动增长趋势,从854 km^(2)增加到1343 km^(2),在整个流域均有分布,不同时期的重点分布区不同。(3)生态工程增强了区域的土壤保持能力和产水能力,土壤保持服务增强区面积从477.5 km^(2)增加到1140.6 km^(2),保持的土壤总量从2.1×10^(7)t增加到5.6×10^(7)t;产水服务增强区面积从139.1 km^(2)增加到485.5 km^(2),产水总量从2.9×10^(6)m^(3)增加到1.5×10^(7)m^(3)。(4)生态工程对土壤保持服务和产水服务具有协同效应,土壤保持服务对生态工程的敏感性强于产水服务。

延河流域泥沙连通性对土地利用变化的响应

泥沙连通性是表征泥沙在地貌单元间物理级联关系的重要参数,探讨其对土地利用变化的响应,对揭示流域内部水沙动态以及不同土地利用类型的水土保持效应具有重要意义。基于延河流域1990—2019年土地利用与径流输沙量等数据资料,结合连通性指数(index of connectivity,IC)分析土地利用变化对泥沙连通性时空分布的影响及与径流输沙量的关系。结果表明:1)近30年来,延河流域土地利用变化以退耕还林还草为主,加之少量的建设用地扩张。2)1990—2019年,延河流域IC整体呈下降趋势,截至2019年降低17.85%。退耕还林还草和建设用地扩张可有效降低泥沙连通程度,且退耕还林还草具有长期生态效益。3)IC存在明显的空间分异规律,呈现由南向北、由东向西的增加趋势。流域中部是主要退耕还林还草区和建设用地扩张区,也是泥沙连通性明显下降区;流域西北部泥沙连通性较高,且随土地利用变化降幅较小;流域南部泥沙连通性低。4)IC与输沙量之间存在显著正相关关系(P<0.05),适用于流域输沙预测。研究成果可为深入理解流域泥沙输移过程提供科学依据,并为布局和优化土地利用提供参考。

退耕还林(草)和降雨变化对延河流域土壤侵蚀的影响

【目的】通过定量评估退耕还林(草)和降雨变化对延河流域土壤侵蚀的影响,为延河流域水土保持效益评价、流失治理和环境建设提供决策参考。【方法】利用延河流域日降雨、数字高程模型、土壤类型图、土地利用图和植被覆盖图,运用RUSLE模型,在ArcGIS平台的支持下计算流域1997年和2000年土壤侵蚀量,并分别模拟了退耕还林(草)和气候变化对土壤侵蚀的影响。【结果】由于降雨的变化,研究区年降雨侵蚀力均值由1997年的775.32MJ·mm·hm-2·h-1·a-1增加到了2000年的1292.07MJ·mm·hm-2·h-1·a-1,降雨大大加剧了流域土壤侵蚀;由于退耕还林(草)政策的实施,坡耕地面积大大减少,林草面积增加,植被覆盖和管理因子值显著减少,由退耕还林(草)前的0.1714下降到了退耕还林(草)后0.1592,减小了流域土壤侵蚀;由于退耕还林(草)的实施、气候变化以及水土保持工程措施和耕作措施变化共同影响,单位面积平均土壤侵蚀量由退耕还林(草)前的3012t·km-2·a-1增加到了退耕还林(草)后4671t·km-2·a-1,年土壤侵蚀总量2314×104t增加到了3589×104t。【结论】降雨变化使得研究区土壤侵蚀量增加了71.28%,退耕还林(草)约减少研究区土壤侵蚀量7.84%,二者共同作用使得研究区土壤侵蚀量增加了59.26%,退耕还林(草)政策的实施对减少区域土壤侵蚀的作用是显著的。

基于DEM的延河流域水文特征提取与分析

基于DEM数据,依据地表径流漫流模拟算法,使用ArcGIS软件中的水文分析工具,提取与分析延河流域河网特征及相关信息,并与1∶25万地形图数字化水系进行分析比较。结果表明:集水面积阈值是决定河网提取精度的关键参数,阈值越大,提取河网越稀疏,反之则提取河网越密集;随着集水面积阈值的增大,河源数和河网密度、河流的级数、总河长等随之减少,但主河长变化不大;当阈值为5.51 km2时,提取河网与实际较吻合。因此,基于90m分辨率的DEM数据提取延河流域水系和子流域是切实可行的,可以作为数字流域建设与水资源管理的基础数据。

延河流域植物群落功能性状对环境梯度的响应

研究群落水平上的植物功能性状特征及其随环境梯度的变化规律,对认识不同环境梯度下植物群落的形成及其对环境的适应机制具有重要意义。以延河流域不同环境梯度下的稳定的自然植物群落为对象,测量了植物群落组成物种的叶厚度、比叶面积、叶组织密度、比根长、根组织密度、单位质量叶氮含量、单位质量根氮含量、种子质量、种子体积等9个性状,然后以物种重要值为基础加权平均得到各个性状在群落水平上的平均值(即群落性状值);以现有的环境因子栅格图为基础,利用ArcGIS提出各群落对应的环境因子值,同时测定各个群落的土壤水分,分析群落各性状值与环境因子的关系,并建立关系模型。结果表明:在群落水平上,9个植物功能性状分别与13个环境因子存在不同程度的相关性,同时这9个植物功能性状对8个环境因子梯度(土壤水分、年4—10月平均气温、年7—9月总降雨量、降雨季节变化、年平均降雨量、年平均蒸发量、坡度、坡向)的响应特征较好,不同植物功能性状间具有较好相关性。群落水平上植物功能性状及其组合随环境梯度的规律性变化,反映了延河流域植被群落构建过程中环境对功能性状的筛选效应。该研究结果对该区的植被恢复重建的物种选择及植被布局规划具有重要的实践意义。

环境及遗传背景对延河流域植物叶片和细根功能性状变异的影响

研究环境筛选作用和植物系统发育背景对植物群落构建产生的影响,有助于理解植物在生长过程中对资源的分配利用和对环境的适应规律。以延河流域3个植被带(森林带、森林草原带及典型草原带)稳定的自然植物群落为研究对象,调查了31个样地107种植物,隶属于35个科78个属,测量了6种叶片和3种细根性状。分别对3个植被带和不同植物科植物的叶片和细根性状做单因素方差分析,结果表明:叶片氮含量和细根氮含量在3个植被带间无显著差异,叶厚度、比叶面积、叶组织密度、叶片磷含量、叶片氮磷比、比根长、根组织密度在3个植被带间差异极显著。由南向北随着气候干旱的加剧,植物通过调节叶片和细根性状,表现出了不同的适应策略:森林带植物叶片相对生长速率高,根系防御力强;森林草原带植物叶片防御力强,根系相对生长速率快。不同科的植物在相同的环境条件下,对于资源的竞争力和胁迫的忍耐力也有所不同,比如豆科植物具有远远高于其他科的叶片和细根氮含量,但是对养分的利用效率并不高。GLM分析结果说明,所涉及的植物功能性状的空间变异主要来自于年均降雨量的变化及植物科的差异,如16.26%的比叶面积的变异可由年均降雨量变化解释,4.02%可由植物科的差异解释。物种水平上,叶厚度、比叶面积、叶组织密度、比根长、根组织密度、叶片磷含量是对气候干燥度变化响应敏感的植物功能性状,其空间变异主要由环境差异所致。延河流域的植物群落在形成过程中,存在明显的环境筛选效应。这表明,环境异质性在植被恢复实践中必须予以考虑。

延河流域水土保持对径流泥沙的影响

采用Mann-Kendall统计检验方法和Pettitt系列显著性突变点的无参数识别方法分析延河流域径流和泥沙演变趋势及突变点,基于流量历时曲线分析延河流域突变点前后径流和泥沙变化特征,研究了水土保持措施对流域径流和泥沙的影响。结果表明:延河流域径流和输沙量均呈减少趋势,输沙量在1971和1996年有2个显著性的突变点,对于黄土高原丘陵沟壑区,水土保持措施减少河川径流量和输沙量。随着突变点后期水土保持措施力度的加大,水土保持措施拦蓄径流和泥沙的作用逐渐增强。水土保持措施使径流高流量部分减少,常流量和低流量部分增加,表明水土保持措施可削减汛期流量,增补枯季流量。突变点后期输沙量较之变化前期整体呈减少趋势。研究结果可为黄土高原丘陵沟壑区的水土保持和水资源管理工作提供一定参考。

延河流域森林草原区不同植物功能型适应策略及功能型物种数量随退耕年限的变化

不同退耕年限退耕地的环境差异以及不同生物间的相互作用导致各阶段植物功能型物种数量不同。研究退耕地植被自然恢复过程中不同植物功能型适应策略及功能型物种数量随退耕年限的变化,对于理解植物对环境的响应机制及植物的适应策略具有重要意义。采用空间序列代替时间序列的方法,以延河流域森林草原区不同退耕年限、自然恢复的植物群落为研究对象,调查了不同退耕年限的植物群落33个,共44种植物,涉及16个科35个属,分别测定了每个物种的叶厚度、比叶面积、叶组织密度、叶片氮含量、比根长、根组织密度、细根氮含量等7项能够反映植物生存对策且易于测量的功能性状。依据这7项植物功能性状,采用数量分类方法将全部物种划分为3个功能型。结果表明:(1)根据C-S-R理论,功能型Ⅰ植物用于防御的投资较多,生长速率处于中间水平,偏向于"胁迫-干扰型",功能型Ⅱ植物能够通过维持体内的养分平衡的方式对抗资源贫瘠或干旱的环境,偏向于"胁迫-竞争型"对策,而功能型Ⅲ植物吸收大量的营养和资源用于生长,偏向于"竞争型";(2)功能型Ⅰ在整个植被恢复时间序列中占据优势地位(61%—80%),并呈增加趋势,功能型Ⅱ则由恢复初期的25%降低为恢复后期的15%,功能型Ⅲ从恢复初期的14%降低到恢复后期的5%。同时,在功能型Ⅰ内部,优势物种也发生着相应的相互替代。虽然土壤养分含量整体上随着植被自然恢复时间的延长而呈上升趋势,但是植物的生存环境并未改善到不存在干扰与胁迫的程度。因此,在植被恢复初期的四、五十年内,"胁迫-干扰型"策略的植物占据着绝对优势。随着植被恢复时间的延长,能够高效利用资源且抗胁迫能力强的物种代替了以快速生长和传播为适应策略的物种。

延河流域生态环境脆弱性评价及其特征分析

以黄土丘陵区延河流域为研究对象,在遥感和GIS技术支持下,应用空间主成分分析方法,综合评价该区生态环境脆弱性,对其生态环境脆弱性特征进行简要分析,以期为延河流域生态环境建设提供决策依据。结果表明,延河流域生态环境整体上以中度脆弱为主,其面积占流域总面积的54.87%,生态系统较不稳定,抗干扰能力较差;微度脆弱最少,仅占7.55%;重度及以上脆弱程度占11.36%;轻度及以下脆弱程度占33.78%。延河流域极度脆弱带主要分布在陕西省靖边县、志丹县西部;重度脆弱带主要分布在安塞县西北部及子长县;中度脆弱带主要分布在安塞县东南部、延川县及宝塔区;轻度脆弱带主要分布在宝塔区东南部及延长县西北部;微度脆弱带主要分布在延长县东南部。延河流域从上游到下游,生态脆弱性程度依次减弱。不同土地利用类型生态脆弱性程度存在很大差异,坡耕地、裸地、荒草地脆弱性程度相对较高。

延河流域土地利用变化对其生态服务价值的影响

土地利用变化明显影响流域生态系统服务价值。本文在谢高地等制定的中国陆地生态系统服务价值当量表的基础上,结合延河流域土地利用变化情况和生态系统服务特征,完善了延河流域生态系统服务价值估算表,并以延河流域1990年、2000年和2006年土地利用数据为基础,估算了各年度的生态服务价值。分析表明:在16a间,延河流域生态服务价值总体有所提高,2006年比1990年生态服务价值增加了5.72亿元。敏感性分析表明流域内生态服务价值对生态服务价值指数是缺乏弹性的,研究结果是可信的。

陕北延河流域基于GLP模型的流域水土资源综合配置

该文基于延河流域近50a的水、土、气等因素的动态资料,在测评流域生态环境需水和社会经济用水的基础上,运用灰色线性规划(GLP)方法,构建水资源—土地资源耦合系统模型,探讨多目标情景下"面向生态的"水土资源综合配置方案。结果表明,随着供水能力的提高,流域林果产业前景广阔,城市化进程将不断加快。2020-2030年,预计流域在低配方案下有林地、灌丛林、园地的面积将分别由1201.51、412.87km2调整为1434.67和589.24km2,建设用地面积将由346.73km2调整为575.38km2。

黄土丘陵沟壑区生态环境建设中的水问题——以延河流域为例

水在生态环境建设中具有重要的地位 ,同时生态环境建设也对水文情势产生重要影响 ,两者密切相关 .黄土丘陵沟壑区属于资源性缺水地区 ,水土流失非常严重 ,同时这一地区也是生态环境建设特别是植被恢复与重建的重点区域 ,研究这一地区的水与生态环境建设间的相互关系具有更加重要的意义 .根据黄土丘陵沟壑区的典型流域———延河流域的社会经济统计数据、水文站监测数据及土壤水分和植被生长的有关研究 ,综合分析后认为 :①人口快速增长和社会经济高速发展需要更多的水资源支持 ,生态环境建设用水受到直接威胁 ;②生态环境建设特别是建成植被减少了河川径流 ,由于植被蒸腾过度消耗土壤水库中的水分 ,一些地方出现土壤干层 ;③水资源的不足不仅限制了进一步的植树种草 ,而且也对建成植被产生了不利影响 ,一些地方甚至出现了“小老树” ,从而使植被的生态环境效益受到影响 .在此基础上 ,通过分析生态环境建设与水的关系 ,提出了黄土丘陵沟壑区水资源可持续利用、生态环境可持续建设和社会经济可持续发展的建议 .

1952-2008年延河流域降水与径流的变化趋势分析

利用延河流域控制站甘谷驿水文站流量实测数据及流域内5个县级气象站降水观测数据,分析了1952-2008年间甘谷驿水文站以上延河流域降水与径流的年内、年际变化特征,并运用滑动平均法、Mann-Kendall趋势检验法和Sen斜率估计法对延河流域降水、径流的变化趋势进行了分析。结果表明,延河流域汛期降水量和径流量分别占全年降水量和径流量的72%和64%。20世纪50年代至90年代,径流变化过程基本与降水过程一致,但到了21世纪初期,降水量呈先升后降的变化趋势,而径流量呈下降趋势。1952-2008年间流域降水量呈微弱的减少趋势,而冬季降水却以0.18mm/a的幅度显著递增。甘谷驿站汛期径流量以99.25万m3/a幅度显著降低。从径流的季节变化上来看,春季降低趋势不显著;夏秋两季径流分别以83.83万m3/a和26.16万m3/a的幅度显著减少;而冬季径流以15.62万m3/a的幅度显著增加。虽然相关分析表明降水变化与径流变化有较好的相关关系,但人类活动对径流的影响不容忽视。

延河流域土地利用格局时空变化与驱动因子分析

利用GIS技术和景观生态学的方法，对延河流域1985～2000年的土地利用格局特征及其动态变化的驱动因子进行了分析，得出以下结论：1）从1985年至2000年，耕地、草地仍占据明显的优势，二者始终占流域总面积的88％以上。中、低覆盖度草地之间转化比例较大，草场退化严重。2）延河流域15年间平均斑块面积在增加，斑块密度增大，景观趋于破碎化。景观多样性减小，优势度增加，景观异质性程度在降低。3）耕地面积有所增加，毁林（草）开荒与退耕还林（草）并存，人为开荒活动仍在加剧；建设用地面积大幅度增加，主要来自于农村住宅和开发油田等工矿建设用地的扩张。4）土地利用格局变化的驱动因子主要包括：水土流失、水资源短缺的自然因素及人口压力、宏观政策等人文因素。

延河流域水土保持措施减蚀效应分析

利用延河流域35个雨量站50多年的日降雨、数字高程模型、土壤类型图、土地利用图和植被覆盖图、水土保持措施调查数据,结合黄土高原的区域特征,运用CSLE,在ArcGIS的支持下分别计算研究区1986、1997和2006年土壤侵蚀量,以1986年的水土保持措施实施情况作为基期水平,模拟1997、2006年在水土保持基期水平情景下的土壤侵蚀量,对比分析水土保持措施变化对土壤侵蚀量的影响。结果表明:以1986年作为基期,新增水土保持措施在1997年减少土壤侵蚀量96万t,在2006年减少土壤侵蚀量628万t;考虑2006年降雨特征不同于研究区多年降雨特征,按照2006年降雨特征计算,则新增水土保持措施在2006年减少土壤侵蚀量140万t。研究结果可为延河流域水土保持效益评价、水土流失治理和生态建设提供参考。