黄河流域植被水分利用效率对干旱的时空累积响应

利用植被总初级生产力和蒸散发数据,结合标准化降水蒸散发指数(SPEI)数据,分析了1982—2018年黄河流域植被水分利用效率的变化特征,量化了干旱对植被水分利用效率的累积效应。结果表明:干旱对植被水分利用效率的累积影响可利用多尺度SPEI和植被水分利用效率之间具有最大显著相关性的月份来衡量;黄河流域多年平均植被水分利用效率呈北低南高的分布格局,与多年平均植被总初级生产力的空间分布呈现一定的相似性,植被水分利用效率呈上升趋势,主要原因是植被总初级生产力增速大于蒸散发增速;干旱对黄河流域内58.48%区域的植被水分利用效率存在累积效应,其中累积时间尺度为1~2月、6~8月和19~24月尺度的占比分别达到了43.58%、23.10%和16.96%;干旱对植被水分利用效率的累积时间尺度因植被类型和水文气候条件而异,干旱对北部靠近沙漠区域的草地和农田的累积影响是长期(>18月)的,对湿润半湿润区的草地和森林的累积影响是短期(≤4月)的;平均累积时间尺度随着年均SPEI的增加而下降,SPEI越大,干旱对植被水分利用效率的累积时间尺度越短。

遥感光谱信息提取不同覆盖下植被水分信号的研究进展

综述了基于遥感光谱信息的植被水分信号提取的研究进展,包括直接利用光谱反射率反演植被水分信息到建立植被水分指数(WI),再发展至利用辐射传输模型来获取植被冠层水分信息。着重评述了针对低植被覆盖条件下的提取其冠层水分信息的方法,包括利用冠层生理参数估算植被水分信号;基于去除土壤背景影响的光谱植被水分指数或辐射传输模型估算植被水分信息,以及基于多角度的星-地观测提取稀疏条件下的植被水分信息。最后讨论了针对提取低覆盖植被冠层水分信息方法的可能发展趋势。

植被水分遥感监测模型的研究

植被水分含量的遥感测定对农、林业和水文研究具有重要的意义,对于植被干旱评估也十分重要.研究表明,在叶片尺度上建立400—2500nm的反射率数据与表征叶水分含量的参数,如EWT(等价水厚度)与FMC(叶片相对水分含量)之间存在紧密的相关关系;在冠层水平上,植被水分与光谱指数存在很好的相关关系.归一化水分指数(NDW I)(R860-R1240)/(R860+R1240)等能较好地反演植被冠层的水分含量.同时,本文对辐射传输模型及其与植被水分指数结合对植被水分反演的应用也进行了讨论;从利用高光谱结合辐射传输模型(如PROSPECT等)进行植被水分反演的角度,对植被水分监测进行评述.最后对利用多角度和偏振光技术定量反演植被水分和监测旱情的研究提出展望.

基于多光谱数据的植被水分反演及其在旱情评估中的应用分析

植被作为干旱的承载体,其含水量的变化反映了旱情的时空分布以及受旱程度。文章从监测原理、植被水分表征以及遥感数据反演模型等三个方面,开展了基于多光谱遥感数据的植被水分反演方法研究。以2010年春季西南四省为应用案例,进行了植被水分的反演和时空分析,并与气象数据进行了相关性分析。结果表明:在2010年旱情中,降水对植被水分变化具有一定的影响;然而由于植被吸收降水的过程是一个滞后的过程,因而降水的变化对植被水的影响也存在一定滞后效应。在上述分析基础之上,从时间和空间尺度对植被水分在旱情监测和评估中的应用进行了评价。通过时间合成以及与其他数据(如历史数据)的结合,可克服多光谱数据的自身不足,提高多光谱遥感数据在旱情监测和评估的应用性。

MODIS影像的NDVI和LSWI植被水分含量估算

植被含水量估算在作物灌溉和森林火灾预警中具有重要指导意义。采用8天合成MODIS地表反射率数据,针对植被水分含量与陆表水指数,植被覆盖与归一化植被指数的关系及不同植被类型和地表水分含量状况在NDVI-LSWI二维空间中的分布规律,在NDVI-LSWI梯形特征空间中确定最大和最小含水量边界线的基础上采用植被干燥指数直接估算植被水分亏缺程度。该方法不仅简便,而且可以避开植被指数温度梯形图中陆地表面温度和气温差值的测量。

植被水分遥感监测处理系统的建立及应用

在分析了遥感监测植被水分可行性的基础上,阐述了以MODIS HDF为数据源进行植被水分遥感监测的处理流程;根据处理流程,利用IDL结合ENVI中提供的库函数开发出了植被水分遥感监测处理系统。介绍了系统实现中的关键技术和核心功能实现,系统在黄淮海农作物水分监测中得到了成功的应用,为农作物水分监测的业务化处理发挥了核心作用。

高光谱反演植被水分含量研究综述

高光谱反演技术凭借快速、有效和不破坏植被的优势,已成为评估植被水分含量的重要方法。本研究概述了利用高光谱数据反演植被水分含量的研究进展。重点介绍了反演植被水分含量模型所用高光谱参数、指数的选择与变换方法,以及建立植被水分含量模型的几种常用方法,并分析了各种方法的适用条件。最后针对目前的研究进行了展望。

新疆玛纳斯河流域植被水分利用效率时空格局及影响因素研究

水分利用效率(WUE)是生态系统碳水循环的基础,是评价植被生长条件的重要生态指标。为了揭示玛纳斯河流域不同植被类型WUE的时空变化规律,分析不同植被类型WUE的差异,探讨影响WUE的驱动因子,基于MODIS数据估算了2001-2019年玛纳斯河流域水分利用效率,利用变异系数、Theil-Sen median趋势分析结合M-K显著性检验以及Hurst指数分析了研究区植被WUE时空变化的现状和未来的趋势,并利用地理探测器定量分析了WUE的影响因素。结果表明:2001-2019年玛纳斯河流域WUE在0.74~1.08 g/(mm·m^(2))之间,WUE多年平均值为0.88 g/(mm·m^(2)),整体表现为波动降低趋势,降幅为6.82%。流域WUE空间差异显著,呈现中部和北部高、南部低以及中游高、上游和下游低的分布格局。研究区各植被类型中林地WUE平均值较高,其中针叶林的平均WUE最高,为1.52 g/(mm·m^(2));其次为阔叶林,WUE平均为1.29 g/(mm·m^(2))。研究区WUE主要驱动因子为CO_(2)、土壤湿度、温度植被干旱指数和饱和水汽压差。与单因子相比,多因子相互作用对研究区WUE的影响更明显。双因子交互探测均呈显著增强关系,解释力均在60%以上,其中CO_(2)与土壤湿度的交互作用解释力最高,达到90.3%。研究结果可为研究区农业高效生产、水资源优化管理及生态恢复提供科学依据。

若尔盖沙化草地土壤理化性质与植被承载力关系

为了探究若尔盖草原不同程度沙化地土壤水分有效性并确定其土壤水分植被承载力(SWCCV),选取若尔盖草原极重度沙地、重度沙地、中度沙地和轻度沙地为研究对象,基于野外调查、室内实验和模型模拟等方法,分析了土壤物理性质、持水量、土壤水分有效性并确定SWCCV。结果表明:(1)在0~60 cm土层,极重度沙地土壤容重最大(1.43±0.12 g·cm^(-3)),轻度沙地最小(1.30±0.20 g·cm^(-3)),其中>20~40 cm土层表现为轻度沙地土壤容重与极重度沙地和重度沙地差异显著(P<0.05)。在>0~20 cm、>20~40 cm、>20~40 cm三个土层内,四种沙化草地土壤剖面团聚体整体表现在>0.25~0.5 mm粒级的百分点占比最高,平均分别达到66.72±15.97%、56.28±14.44%和44.67±12.57%,随深度增加表现为降低的变化趋势。极重度沙地和中度沙地>0~20 cm土壤非毛管孔隙度和毛管孔隙度最大(4.68%和46.13),而>20~40 cm、>40~60 cm土层,主要表现为轻度沙地土壤孔隙特性最好,而极重度沙地土壤孔隙特性相对较差。(2)轻度沙地稳定土壤含水量为16.45%估和17.53%测,中度沙地稳定土壤含水量为13.74%估和15.62%测,重度沙地稳定土壤含水量为13.14%估和15.56%测,极重度沙地稳定土壤含水量为9.1%估和13.34%测。(3)轻度沙地土壤水分植被承载力为4 765沙、3 200高、4 507金株·hm^(-2),植被覆盖度为52%。中度沙地为7 668沙、5 255高、6 873金株·hm^(-2),植被覆盖度为76%。重度沙地为6 933沙、4 618高、5 980金株·hm^(-2),植被覆盖度为70%。极重度沙地为5 755沙、3 850高、5 165金株·hm^(-2),植被覆盖度为61%。研究结果为揭示若尔盖沙化草地的植被恢复机理和技术参考提供重要依据。

鄱阳湖湿地典型植被群落地下水-土壤-植被-大气系统界面水分通量及水源组成

地下水-土壤-植被-大气系统(GSPAC)界面水分传输是湿地生态水文过程研究的关键.本文选取鄱阳湖湿地高位滩地的2种典型植被群落:茵陈蒿(Artemisia capillaris)和芦苇(Phragmites australis)群落为研究对象,运用HYDRUS-1D垂向一维数值模拟,量化了湿地GSPAC系统界面水分通量,阐明了典型丰水年(2012年)和枯水年(2013年)鄱阳湖湿地植被群落的蒸腾用水规律和水源组成.结果表明:(1)茵陈蒿和芦苇群落土壤-大气界面的年降水入渗量为1570~1600 mm,主要集中在雨季4-6月,占年总量的60%;植物-大气界面的年蒸腾总量分别为346~470 mm和926~1057 mm,其中7-8月植被生长旺季最大,占年总量的40%~46%;地下水-根区土壤界面的向上补给水量受不同水文年水位变化的影响显著,地下水年补给量分别为15~513 mm和277~616 mm,主要发生在蒸散发作用强烈和地下水埋深较浅的时段.(2)植被蒸腾用水分为生长初期(4-6月)和生长旺季(7-10月)2个阶段,丰水年植被的整个生长期蒸腾用水充足,枯水年植被生长旺季的蒸腾用水受到严重水分胁迫,实际蒸腾量仅为潜在蒸腾量的一半左右.(3)不同水文年湿地植被生长旺季的水源贡献不同:丰水年茵陈蒿群落以地下水补给为主,芦苇群落以湖水和地下水补给为主;枯水年茵陈蒿群落以降水和前期土壤水储量为主,芦苇群落以地下水补给为主.本研究结果有助于揭示湿地植被的水分利用策略,为阐明湖泊水情变化与植被演替的作用机理提供参考依据.

半干旱区人工林草地土壤旱化与土壤水分植被承载力

近年来在黄土高原地区多年生林草地 ,出现了以土壤旱化为主要特征的土壤退化现象。退化土壤反过来影响植物的生长和发育 ,最终将导致植物群落衰败和生态系统的退化 ,从而影响到林草植被的长期稳定 ,经济效益和生态效益的持续稳定发挥 ,这已成为当前林草植被建设的重大问题之一。分析了土壤旱化现象与土壤干层的关系 ,探讨了土壤干层的划分标准。认为防止土壤旱化的主要措施就是控制林草地密度和生产力 ,而控制林草地密度和生产力的理论依据就是土地植被承载力。在黄土高原大部分地区植物吸收和利用的土壤水分主要依靠当地的天然降水 ,土壤水分是限制植物生长的决定因子 ,该类地区土地植被承载力实质上为土壤水分的植被承载力。作者定义土壤水分植被承载力为土壤水分承载植物的最大负荷。它是指在较长时期内 ,在现有的条件下 ,当植物根系可吸收和利用土层范围内土壤水分消耗量等于或小于土壤水分补给量时 ,所能维持特定植物群落健康生长的最大密度。探讨了土壤水分植被承载力的确定方法和影响因素 ,认为凡是影响林草地土壤水分的补给和消耗 ,植物群落生长发育和植物水分利用效率的因素 ,包括地理位置、地形、气候、植被类型及其发育阶段 ,抚育管理措施都影响土壤水分植被承载力数值。开展土壤水分植被承?

陕北黄土丘陵沟壑区杏林地土壤水分植被承载力

根据台地和26°坡地杏林地连续3年的降雨、冠层截留、地表径流、土壤水分和生物量的定位观测结果,研究分析陕北黄土区自然降水与土壤水分补给、土壤水分补给与生物量、土壤水分消耗与生物量的关系。提出台地土壤水分可承载的杏树生物量为3728kg·hm-2,坡地为2423kg·hm-2,台地杏林地适宜的果实产量为4714kg·hm-2,坡地杏林地适宜的产量为3064kg·hm-2。建议综合应用水保工程、修剪、保墒、花果控制、生长激素等措施,平衡利用雨水资源,实现杏产业的可持续发展。

乌兰布和沙漠东北部土壤水分植被承载力

根据乌兰布和沙漠东北缘的自然环境特点和植物生理生态特征,基于水量平衡原理建立土壤水分动态模型,模拟计算该区植被在不同叶面积指数下的土壤水分动态变化和保证植物生存前提下的土壤水分亏缺值,评价该区土壤水分植被承载力。结果表明:自然条件下乌兰布和沙漠东北缘土壤蒸发占降水的比例在流动沙地和半固定沙地大于60%,固定沙地为44.8%;在叶面积指数低于1.7 m2.m-2时,土壤水分亏缺水平较低,叶面积指数继续升高时,土壤水分亏缺大幅度增加。从而确定该区土壤水分植被承载力为叶面积指数1.7 m2.m-2。

陕北黄土丘陵沟壑区人工草地的土壤水分植被承载力

土壤水分植被承载力是黄土高原生态环境建设和可持续发展的核心。该文根据陕北黄土区4种不同立地条件下苜蓿地(MedicagosativaL.)连续3a的降雨、径流、土壤水分动态和生物产量的小区定位观测结果,研究分析了自然降水与土壤水分补给、土壤水分补给与地上部生物量、地上部生物量与土壤水分消耗的关系;并采用FAO法和水量平衡法分别计算出了苜蓿地土壤水分的承载力。结果表明:苜蓿地土壤水分补给量与地上部生物量呈线性关系,地上部生物量与土壤水分消耗量呈二次函数关系。用FAO法估算可得陕北黄土区土壤水分可承载的苜蓿最大产量为3992.2～4173.7kg/hm2;而根据水量平衡原理计算可得陕北黄土区苜蓿地可承载的地上部生物量为2600～3500kg/hm2,比FAO法低16.07%～33.52%。坡向、坡位相同时,坡度增大,承载力降低;坡向、坡度相同时,下坡承载力大于上坡;坡度、坡位相同时,南坡承载力小于北坡。

土壤水分植被承载力初步研究

土壤水分植被承载力是干旱、半干旱和半湿润易旱地区土壤水分与植物生长关系调控、合理利用水土资源和林草植被的核心科学问题之一。定位研究密度与植物生长、土壤水分补给和消耗的关系是确定土壤水分植被承载力的实验基础。我们以黄土高原半干旱区16年生人工柠条林为例,进行了实验研究,实验密度包括8700、7100、5100、3200、1600丛/hm2。研究结果如下:土壤水分植被承载力为土壤水分承载植物的最大负荷,它是指在较长时期和特定条件下,土壤水分所能维持相应植物群落健康生长的最大密度;多年生柠条根系虽然可分布到500cm以下土层,但是大部分根量分布在0～150cm土层,根系随深度分布可用指数方程描述;降水最大入渗深度为170～270cm。柠条主要吸收利用0～270cm土层的土壤水分;一年内植物生长与土壤水分的关系可分为4个阶段;柠条密度与生产力或土壤水分补给量为线形关系,与土壤水分消耗量为二次抛物线关系,研究区柠条林地土壤水分承载力为8115丛/hm2,柠条林合理利用方向为保持水土和改善环境质量。

土壤水分植被承载力数学模型的初步研究

本文通过对不同密度林地根层土壤水分补给和消耗量的分析,提出确定土壤水分植被承载力的概念模型。通过对不同密度人工林地根层土壤水分补给和消耗的定位监测资料分析,建立了土壤水分植被承载力的数学模型。通过实例分析可以看出,该方法是简便易行。

晋西黄土残塬沟壑区刺槐人工林土壤水分植被承载力研究

为明确在干旱缺水地区,植被对深层土壤水分的过度消耗以及水资源的承载能力,在晋西黄土残塬沟壑区选取林分密度1 300株/hm^2的刺槐人工林为研究对象,以裸地为对照,利用Enviro-SMART土壤水分监测系统(FDR)和热扩散探针(TDP)技术对当地刺槐人工林地0—150 cm范围内各土层体积含水量与树干液流量进行长期连续定位观测,采用土壤有效水与单株刺槐耗水量的比值来衡量研究区刺槐人工林土壤水分植被承载力。结果表明:(1)月降水量和月土壤储水量是决定刺槐人工林土壤水分植被承载力的主要环境因子,且二者与土壤水分植被承载力之间均呈现显著的正比例关系(P<0.05)。(2)根据构建的刺槐人工林土壤水分植被承载力模型,计算出当地林龄为19年的刺槐人工林0—150 cm土层深度的土壤水分植被承载力为1 224株/hm^2,稍小于研究区实际林分密度(1 300株/hm^2),为保证当地刺槐人工林分耗水深度控制在0—150 cm土层范围内,同时也为促进当地林分生产力处于最优水平,建议在今后的营林造林过程中将刺槐人工林密度控制在当地土壤水分植被承载力范围之内,在减少林地深层水分消耗、调整林地土壤水资源平衡的同时,促进当地林业产业的合理发展。

水资源紧缺地区土壤水分植被承载力论述

在详细论述土壤水资源概念发展和土壤水分植被承载力研究尺度的基础上,介绍土壤水分植被承载力量化模型,包括经典的承载力模型、种群增长通用模型、密度-土壤水分模型和基于物理过程的土壤水分植被承载力模型,述评土壤水分植被承载力研究现状,提出今后应在完善土壤水分植被承载力理论的同时,加强水资源紧缺地区土壤水分与植物生长的野外长期定位研究,从不同时空尺度确定不同植物群落的土壤水分承载力。

基于Biome-BGC模型的若尔盖不同沙地类型土壤水分植被承载力对气候变化的响应

若尔盖地区是全球气候变化的敏感地区,同时也是我国黄河长江上游生态屏障的关键区域,然而目前针对全球气候变化背景下该地区的土壤水分植被承载力情况还不清楚。本文基于Biome-BGC模型,模拟了2007—2021年不同气候变化情景下若尔盖地区4种沙地类型(固定沙地、半固定沙地、流动沙地和露沙地)上典型植被沙棘的水分利用效率(WUE),再根据土壤水分植被承载力公式估算出不同沙地类型上沙棘的土壤水分植被承载力。结果表明:不同气候情景下,沙棘的WUE年均值均表现为露沙地>固定沙地>半固定沙地>流动沙地;与现行气候情景相比,未来气候变化情景下沙棘的WUE均有所下降,尤其在温度升高降水增加的情景下沙棘的WUE最低;不同气候情景下,沙棘的土壤水分植被承载力年均值均呈现固定沙地>半固定沙地>流动沙地>露沙地;与现行气候情景相比,未来气候变化情景下各类型沙地上的土壤水分植被承载力均有所下降;降水和气温对土壤水分植被承载力的影响存在耦合效应,其中降水对土壤水分植被承载力的影响大于气温。本研究揭示了若尔盖地区不同沙地类型上土壤水分植被承载力对气候变化的响应特征,对高寒沙地的生态治理与恢复具有一定的指导意义。

黄河流域植被变化对区域水碳耦合的影响

为了明晰黄河流域植被变化对流域生态系统水碳耦合的影响,基于MODIS产品(叶面积指数L_(LAI)、植被总生产力G_(GPP)、蒸散发量E_(ET))、重力卫星数据GRACE、降水数据及水文站数据,分析2001~2020年间黄河流域L_(LAI)、G_(GPP)、E_(ET)时空变化,综合植被水分利用效率W_(WUE)探讨黄河流域水碳循环变化。结果表明,2001~2020年黄河流域有93.68%的区域L_(LAI)呈增加趋势,且在生态恢复建设工程区域内L_(LAI)呈显著增加,而在人类活动强烈的渭河流域及黄河源区中东部等过度放牧区植被呈下降趋势;显著增加的植被使黄河流域内耗水呈显著增加趋势,给本就缺水的黄河流域带来压力,但同时也显著提高了流域内生态系统的固碳能力;黄河流域内生态系统的水碳循环急剧变化,引发W_(WUE)变化显著且在空间分布上存在差异,其中,在流域东南部的林地、耕地及源区东部W_(WUE)主要由E_(ET)主导,呈减小趋势,该区域内植被的增加并未使水分得到高效利用,而在西北部与源区西部植被覆盖度较低处W_(WUE)主要由G_(GPP)主导,呈增加趋势,该区域内G_(GPP)、W_(WUE)的增长提高了流域的抗旱能力,有利于流域的生态可持续发展。