闪电河流域6种农作物磷元素含量动态变化规律研究

本文报道了闪电河流域１５种植物磷含量特征及６种农作物含磷量的动态变化规律。结果表明：闪电河流域植物平均含磷量为１．３８±０．６２ｍｇ·ｇ￣（－１），最高达２．２５ｍｇ·ｇ￣（－１），最低只有０．８８ｍｇ·ｇ￣（－１），与海河流域及锡林河流域植物磷含量基本一致。６种农作物在整个生长期间的磷含量变化规律表现为三种类型：禾本科植物小麦（Ｔｒｉｔｉｃｕｍａｅｓｔｉｖｕｍ）、莜麦（Ａｖｅｎａｎｕｄａ）和油料作物类亚麻（Ｌｉｎｕｍｕｓｉｔａｔｉｓｓｉｍｕｍ），果实成熟期＞幼苗期＞营养期（Ｐ＜０．０５）；豆科作物豌豆（Ｐｉｓｕｍｓｅｔｉｖｕｍ）和蚕豆（Ｖｉｃｉａｆａｂａ）幼苗期＞营养期≥果实成熟期（Ｐ＜０．００１）；块茎类作物马铃薯（Ｓｏｌａｎｕｍｌｕｂｅｒｏｓｕｍ）则表现为营养期＞幼苗期＞果实成熟期（Ｐ＜０．００１）。６种农作物不同器官部位中根、茎、叶表现为幼苗期＞营养期＞果实成熟期（马铃薯除外），而果实则为成熟后期＞果实形成期。不同器官磷含量比率的变化可反应磷在根、茎、叶、果４个器官的迁移清况，研究认为植物磷在幼苗期及营养期，通过根→茎→叶迁移，而在果实成熟期则通过根→茎叶→果途径运输。

闪电河流域中游区长时间序列土地利用动态变化对植被的影响

基于闪电河流域中游区1985、1990、1995、1999、2004、2010和2014年7期中高分辨率的遥感影像数据,利用ENVI 5.1和ArcGIS 10.1解译土地利用和植被覆盖信息,分析闪电河流域中游区土地利用与植被覆盖度长时间序列的动态变化,并利用回归分析法,探索土地利用变化对植被覆盖度的影响。结果表明:(1)研究区内土地利用发生明显变化,土地利用变化有较强的时空分异特征。裸地和耕地面积均有大幅度的增加,林地和草地面积有一定程度的下降,增加和减少的总幅度基本一致。土地利用程度强度变化较大,2000年前土地利用基本处于调整期,2000年后土地利用程度不断增加,处于发展期。(2)植被变化有较强的波动性和异质性。研究区始终以植被高级覆盖和中高级覆盖为主,但中低级覆盖、低级覆盖以及裸地面积比都表现为上升趋势,同时植被高级覆盖与中高级覆盖面积比不断下降,特别是植被高级覆盖面积比于2010年后明显下降。(3)各土地利用类型对植被覆盖度的贡献各异,其中林地>草地>耕地。综上,研究区的土地利用类型变化和土地利用程度变化均不利于植被恢复和持续发展,土地利用变化是植被变化的先决因素,决定了植被变化的趋势、强度与过程。

冀北高原闪电河流域上游不同介质体中总P分布特征

对冀北高原闪电河水库上游２０ｋｍ长的河段的多介质体中总Ｐ含量及其动态变化分析表明，同源水体的总Ｐ含量各段不一，其中最高量（０．０８２４ｍｇ·Ｌ（－１））为最低量（０．０２２８ｍｇ·Ｌ（－１））的３．６倍；不同介质体总Ｐ含量以土壤（３４０２ｍｇ·ｋｇ（－１））＞淤泥（１９９２ｍｇ·ｋｇ（－１））＞岩石（５４２ｍｇ·ｋｇ（－１））＞水体（０．０５５３ｍｇ·Ｌ（－１））的排序递减，并随温度升高而增高．

闪电河流域“三水”氢氧同位素特征及水体转换分析

通过采集闪电河流域2020年2月至2022年2月的降水与2021年的丰(8月)和枯(10月)水期的地表水和地下水,运用稳定同位素技术,对流域“三水”的氢氧稳定同位素进行时空变化分析,探讨水体同位素与环境因子的关系,结合HYSPLIT模型追踪大气水汽来源,利用端元混合模型揭示水体转换关系.结果发现,当地降水线的斜率和截距均小于当地大气降水线,水汽主要来自西风水汽、极地气团和东亚季风环流,降水同位素有显著的温度效应;时间上,地表水与地下水同位素在季节变化上均表现出枯水期较丰水期更富集,地表水与地下水d-excess值均低于全球平均值,显现出当地强烈的蒸发作用;空间上,地表水δ^(18)O值丰枯季节在空间上具有相同的变化特征,呈现上游至下游逐渐富集,地下水δ^(18)O高值区空间分布不均,地下水δ^(18)O值随埋深的增加更加贫化;地下水水线斜率最高在丰水期为7.87,与当地大气降水线和地表水水线斜率十分接近,表明丰水期“三水”存在复杂的水力联系.研究区在丰水期地表水主要接受降水的补给,其次是接受地下水的径流补给.研究结果有助于明确闪电河流域同位素变化特征反映的水文信息,为揭示干旱半干旱区水文循环提供理论依据.

基于SWAT模型的内蒙古闪电河流域径流模拟研究

以内蒙古闪电河流域为研究对象,采用分布式水文模型SWAT对闪电河流域水文过程进行模拟,模型采用1962～1975年月径流资料进行参数率定,将1986-2001年作为模型的检验期对模型的适用性进行评估。结果表明:实测与模拟的逐月流量总体较为接近,率定期和验证期的Nash-Sutcliffe效率系数均大于0.60,实测与模拟的月流量之间的相关系数在0.65以上,率定期的多年平均相对误差小于5%。由于人类活动的影响,验证期的模拟误差相对较大,超过12%。总体来看,SWAT模型参数经多次率定之后,能够较好地模拟干旱半干旱地区的径流过程,在同类地区具有一定的适用性。模拟过程中,对于降水量突然增大的月份,SWAT模型对月径流量的模拟结果往往超过实测值一倍,直接导致整个模拟过程的误差偏大。然而,模拟值与降水量在年内分配上却表现出很好的相关性,降水偏大的月份径流量敏感性大。同时,SWAT模型模拟径流结果受参数影响很大,调整融雪参数值,模拟精度在原有基础上相对提高。

闪电河流域“三水”季节变化特征

分析水体中氢(H)、氧(O)稳定同位素(δD、δ^(18)O)的变化,可以判断出不同水体的变化特征及相互关系。通过2014年5、8、10月对内蒙古正蓝旗境内闪电河流域地表水、浅层地下水及大气降水等样品的连续采集,得到地表水样21个、地下水样69个、大气降水样21个,在对"三水"样品δD、δ^(18)O值测试分析的基础,进一步讨论了"三水"变化特征及相互关系,结果显示:1闪电河流域"大气降水线"表达式为:δD=8.01δ^(18)O+6.83‰(r=0.962 1),反映了研究区蒸发量远大于降水量的气候特征。而不同月份d(氘盈余参数)出现差异,降水最多的8月d值最低,降水最少的10月d值最高,显示了大气降水次数或强度对二次蒸发作用产生了一定程度的影响。2闪电河流域地下水与地表水中δD、δ^(18)O值,不仅位于"大气降水线"之下,而且不同月份地表水与地下水中δD、δ^(18)O值的变化区间也出现差异。5月,各断面地下水与地表水中δD、δ^(18)O值差异不大,说明地下水与地表水得到充分混合;8月和10月,地表水中δD、δ^(18)O值比地下水明显偏重且各断面中大气降水所占比例较高,显示了大气降水过程对地表水H、O同位素变化的影响。此外,闪电河流域自上游到下游地表水中δD、δ^(18)O值在8月相近,而在10月逐渐出现偏大,指示了10月强烈蒸发作用对地表水中δD、δ^(18)O值变化的影响。

滦河内蒙段闪电河子流域地下水资源开采潜力评价

通过对滦河上游闪电河子流域水文地质实体辨识、含水层概念模型选择、边界条件确定、以及初始水头、含水层底板高程和水文地质参数空间变异性分析,采用可视模块化的三维有限差模型(VISUAL MODFLOW)对闪电河子流域地下水资源的开采潜力进行了评价。在评价过程中,基于地质统计学插值、估值理论,对于MOD-FLOW减小误差和简化参数的调节试算过程提出了新的计算思路,从而保证了模拟计算的精度。

闪电河流域水循环和能量平衡遥感综合试验

遥感试验是进行遥感原理的验证、遥感模型与反演方法的发展、遥感产品的真实性检验,推动卫星计划的论证实施及其观测在地球系统科学中应用的重要途径。闪电河流域水循环和能量平衡遥感综合试验以滦河上游闪电河流域为核心试验区,以地球表层系统的水循环过程和能量平衡为研究对象,旨在通过天—空—地一体化的观测手段,针对不同典型地表类型开展全波段主被动协同遥感观测,研究异质地表和山地条件下像元尺度遥感关键参量的观测方案,研究重要水热参量的遥感方法及其同陆面/水文过程模型的结合,支撑国家民用空间基础设施和空间科学先导专项相关卫星计划的论证实施。其中,航空飞行遥感试验搭载L波段主被动一体化微波载荷、双角度热红外相机、四波段多光谱相机和高光谱成像仪进行协同观测,实现了土壤水分、组分温度、植被含水量、叶面积指数等地表参数以及湖泊、水库、湿地等的遥感监测;地面同步观测试验利用车载微波辐射计、地基雷达和光谱仪进行了典型地物如裸土、植被、水体、人工目标等的遥感观测,并按照样区—样方—样点的多尺度嵌套方案进行了地表参数的同步采样,获取了该地区关键地表参数的短时期时空变化特征;同时配合卫星和机载观测,在闪电河流域完成了土壤温湿度、地表水热通量、地表辐射四分量、降水等气象要素的地面观测网络的建设,为验证地表辐射/散射遥感模型,发展、优化和验证水热参量遥感反演算法,研究地表水热参量尺度效应与尺度转化问题提供了重要平台,将促进陆表能量与水分交换过程的理解及其对全球变化的作用和反馈机制的研究。

基于极端随机树的闪电河流域土壤水分反演

土壤水分在地表动植物生存、大气—地表间的能量和物质循环中承担着重要的角色,对水循环、气候变化、农业监测、生态环境、地质灾害等应用指标的大面积监测具有重要意义。但由于土壤类型、土壤结构条件、地形特征、植被环境以及人类活动等因素的影响,土壤含水量的分布存在空间异质性特点,对较大区域(例如流域尺度)的土壤水分分布进行监测仍然十分困难。本文以闪电河流域为例,利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)反射率数据反演得到植被指数,并以相关植被指数VIs(Vegetation Indices)、地表温度LST(Land Surface Temperature)数据为输入参数,实测土壤水分数据为期望输出参数,发展了一种基于极端随机树的土壤水分反演方法。考虑到地表温度的不易测量性以及对区域土壤湿度监测的需求,本文使用短波红外转换反射率STR(Shortwave Infrared Transformed Reflectance)代替LST建立极端随机树模型,反演了覆盖闪电河流域的2°×2°区域的土壤湿度图。实验结果表明:(1)输入参数使用LST时,基于极端随机树的土壤湿度反演模型表现较好,其均方根误差为0.054 m^(3)m^(-3),相关系数为0.69,预测精度优于其他模型(支持向量机、随机森林);(2)输入参数使用STR时,预测结果的均方根误差为0.060 m^(3)m^(-3),相关系数为0.66,使用STR代替LST进行大面积土壤湿度预测具有可行性,土壤水分的空间分布与实际情况基本一致,能够满足一般的应用需求。

XGBoost和DSCGAN模型协同的SMAP土壤水分降尺度方法

卫星微波遥感的SMAP土壤水分产品可以用于大陆和全球尺度,但因为空间分辨率低,难以满足中小尺度的应用。经验性降尺度方法是空间降尺度常用方法,但因为需要依赖于光学遥感获取降尺度因子,所以易受云雾影响导致无法获得时间连续的高空间分辨率土壤水分。为了解决这个问题,我们结合机器学习和深度学习方法进行了降尺度研究。首先,获取地表温度、植被指数、反照率、土地覆盖、地形数据、土壤质地等降尺度因子。然后,利用机器学习模型(Random Forest、LightGBM、XGBoost)建立SMAP土壤水分产品数据与降尺度因子的经验降尺度模型。选择其中精度较好的XGBoost模型将SMAP-L4土壤水分产品的空间分辨率由9 km降尺度至1 km。最后,基于9 km和1 km土壤水分数据对训练DSCGAN超分辨率模型,并利用该模型获取研究区域时空连续的土壤水分数据。结果表明,降尺度得到的土壤水分与SMAP原数据之间的相关性系数R为0.96,均方根误差RMSE为0.034 m^(3)/m^(3),偏置bias为0.011 m^(3)/m^(3),无偏均方根误差ubRMSE为0.034 m^(3)/m^(3)。与实测站点之间的相关性系数R为0.696,均方根误差RMSE为0.192 m^(3)/m^(3),偏置bias为-0.171 m^(3)/m^(3),无偏均方根误差ubRMSE为0.089 m^(3)/m^(3)。本文方法为生产时空连续的更高空间分辨率的地表土壤水分提供了一个框架,可以满足区域水分调查和农业干旱监测等小尺度应用需求。

遥感土壤水分对蒸散发估算的影响

地表实际蒸散发是联系陆表水循环、能量平衡和碳收支等物理过程的重要生态水文变量,同时也是目前水循环研究中的薄弱点,定量化土壤水分对蒸散发的胁迫作用是估算地表蒸散发的一个关键过程和难点。本研究基于2018年9月闪电河流域水循环与能量平衡遥感综合试验星—机—地联合观测数据,采用机载观测和卫星遥感反演土壤水分输入到ETMonitor模型估算地表实际蒸散发,在时间和空间两个维度上评估不同土壤水分产品对蒸散发估算的影响。从时间变化上来说,与地面观测蒸散发时间序列相比,基于ESA CCI(European Space Agency Climate Change Initiative)融合土壤水分产品、SMAP(Soil Moisture Active and Passive)土壤水分产品和国产风云三号气象卫星(FY-3C)土壤水分产品估算的蒸散发最接近地面站点观测蒸散发,而基于ASCAT(The Advanced Scatterometer)和SMOS(Soil Moisture Ocean Salinity)土壤水分估算蒸散发分别明显的高于和低于地面观测蒸散发。从空间分布上来说,利用卫星反演土壤水分估算的蒸散发与基于机载观测土壤水分估算蒸散发具有一致的空间分布,能较好地反映该区域地表蒸散的空间分布格局,其中基于SMAP和SMOS土壤水分估算蒸散发与基于机载观测土壤水分估算蒸散发空间一致性最好。本研究评估遥感反演土壤水分对蒸散发影响,对区域及全球遥感蒸散发估算和土壤水分产品评估具有一定的指导意义。