植被NPP时空变化及其对气候变化的响应——以黄河内蒙古段为例

研究黄河内蒙古段植被净初级生产力(NPP)时空变化特征及其对气候变化的响应,为黄河流域环境保护、生态修复等提供科学依据。基于MOD17A3和气象站点资料,运用趋势分析、偏差分析、变异系数、相关分析、残差分析等方法,探讨2002—2021年植被NPP时空变化特征及其对气候变化的响应。结果表明:(1)植被NPP呈波动增加趋势,2011年以前以负偏离为主,2012年以后以正偏离为主。(2)植被NPP平均值为169.15 gC·(m~2·a)^(-1),自西向东递增,101~250 gC·(m~2·a)^(-1)区域占总面积的77.0%,裸地﹤灌木﹤其他﹤草地﹤农田﹤林地。69.1%的区域植被NPP变异系数Cv≤0.2,整体稳定性较好。(3)植被NPP与气温平均偏相关系数为0.31,仅有6.7%的区域通过了0.01的显著性检验;与降水量平均偏相关系数为0.62,有81.1%的区域通过了0.01的显著性检验。说明降水量是影响研究区植被NPP显著增加的主要气候因子。(4)气候变化与人类活动共同导致植被NPP的变化。

关于黄河与河套古湖河湖关系演变的假说性分析——兼论对黄河内蒙古段生态治理的启示

黄河曾经在流经河套盆地过程中形成吉兰泰、乌兰布和、巴彦淖尔、呼包4个古湖,且在高湖面时期连成统一的“河套古大湖”,其后4湖分离并分别演绎了自己的河湖关系。在研习前人相关成果基础上,通过建立整体假说性解释框架,试图按照历史顺序与逻辑顺序统一的要求对该河段河湖关系的演变过程进行重建,并为与之相关的生态系统的治理提供借鉴。研究认为:主河道构建是黄河主动实施填湖、建堤、造槽并“甩湖”的过程与结果;冲积扇是黄河填湖的主要模式,而冲积扇顶附近凸起则是湖口淤塞、移动并最终筑成黄河自然堤的主要原因;巴彦木仁与磴口两地控制点对形成鄂尔多斯一侧黄河主河道起到了关键性作用;黄河西派在高湖面期间从巴彦木仁湖口注入吉兰泰-乌兰布和古湖,与从北面入湖的黄河水共同促成贺日木西尼古砂嘴及其延伸砂脊生长,并在低湖面期将这两个湖分离。基于对所述黄河历史过往的认识,须尽可能立足高效集成利用有限水资源这一观念,将减灾与适度重造沿河湖泊和绿洲结合,营建可持续的内蒙古段黄河生态体系。

变化环境下黄河流域内蒙古段植被与水文要素的时空协同演变

为了探明我国干旱和半干旱区植被和水的时空演变规律,通过集成多源卫星遥感观测数据、再分析数据集与模型模拟数据,得到了黄河流域内蒙古段的降水、蒸散发、径流、表层土壤含水率、陆地总水储量变化信息,解析了2003—2018年不同土地利用类型区植被与水资源的时空演变特征,探讨了植被与各水文要素之间的相互作用规律。结果表明:黄河流域内蒙古段东部森林植被覆盖度的提升促使蒸散发增加,年均蒸散发量和径流量之和较降水量高16.5 mm,导致土壤水和地下水储量下降;农田年平均净灌溉耗水量为101.3~108.9 mm,并因农田植被覆盖度逐年增大而增加;虽然草地区域年均蒸散发和径流量之和低于降水量,但草地植被覆盖度的持续增大导致水分盈余量显著降低,草地的耗水正接近其生态水文阈值;陆地总水储量等效水高以(7.5±1.9)mm/a的速率下降,区域地下水呈现亏缺趋势;降水的年际波动对植被覆盖度和蒸散发的影响逐渐减弱,对森林表层土壤含水率变化的影响也逐渐减弱。

黄河内蒙段开河期细菌群落结构特征研究

为探索黄河内蒙段开河初期水-土介质中细菌群落组成情况及生态网络结构,于2021年4月中旬进行取样,共获得黄河水样6个和土样4个.利用16S rRNA基因高通量测序方法对水、土样品进行测定,并从菌门及菌属水平对二者的细菌群落组成进行了分析.结果显示:河漫滩土样细菌群落结构的分布较水样更为分散,且土样中细菌群落丰富度、均匀度及多样性均高于水体,二者多样性存在显著的组间差异;在菌门水平上,变形菌门、放线菌门和酸杆菌门等是构成水-土样品的优势细菌门类,其中变形菌门在河水中相对丰度均值约为36.57%,在土样中则下降到25.39%,而酸杆菌门主要存在土样中,相对丰度约为14.17%;在菌属水平上, hgcI_clade(6.19%~12.75%)、CL500-29_marine_group(2.97%~5.05%)和Acinetobacter(0.74%~12.24%)是水体中的优势菌属,而norank_f__norank_o__norank_c__KD4-96(1.95%~4.91%)、 norank_f__norank_o__Vicinamibacterales(2.35%~4.67%)和norank_f__Gemmatimonadaceae (2.20%~4.73%)是土样中的优势菌属;不同菌属对水-土细菌群落结构的响应并不一致,其中分别归属于酸杆菌门和芽单胞菌门的norank_f__norank_o__Vicinamibacterales及norank_f__Gemmatimonadaceae等是联系水-土细菌群落的主要菌属,而归属于放线菌门的hgcI_clade和CL500-29_marine_group等是造成水、土优势菌门存在差异的主要菌属;虽然土样较水样拥有更大的生态网络结构,且Delftia、Candidatus_Methylopumilus、Arthrobacter和Rb41等是维持黄河内蒙段水、土介质生态网络结构的关键菌属,但相较于土样网络结构,水体网络结构中不同模块关键菌门及菌属间的生态功能较为一致.

黄河内蒙古段甲烷通量变化特征及甲烷功能菌群落对通量的影响

内陆水体被认为是甲烷(CH_(4))排放的一个重要来源,占全球CH_(4)排放总量的25%。为研究黄河内蒙古段水⁃气界面CH_(4)通量变化特征及甲烷功能菌群落对甲烷排放的影响,于2023年3月—11月采集样品,采用静态箱⁃气相色谱法探讨了黄河内蒙古段水⁃气界面CH_(4)气体通量时空变化特征并分析了其主要影响因素,利用16S rRNA基因高通量测序技术,对甲烷功能菌群落与甲烷排放通量间的关系进行了研究。研究发现:黄河内蒙古段在研究期间总体表现为大气CH_(4)的排放源,春季、夏季、秋季CH_(4)排放通量分别为(5.92±4.54)mg m^(-2)d^(-1)、(13.42±18.83)mg m^(-2)d^(-1)和(1.40±3.81)mg m^(-2)d^(-1),存在明显的季节变化,且不同采样点排放通量存在显著空间差异性。CH_(4)气体通量受多种环境因子的影响,与溶解氧(DO)呈显著负相关(P<0.05),与溶解有机碳(DOC)和铵态氮(NH_(4)^(+)⁃N)呈显著正相关(P<0.01和P=0.05)。研究区产甲烷菌优势菌群为Methanosarcina(甲烷八叠球菌属)和Methanobacterium(甲烷杆菌属),甲烷氧化菌优势菌群为Methylocystis(甲基孢囊菌属)和Methylobacter(甲基杆菌属);不同样本中甲烷功能菌群落多样性和丰富度存在显著差异,对产甲烷菌影响最大的环境因子是总碳(TC)(r=0.8792),对甲烷氧化菌影响最大的环境因子是NH_(4)^(+)⁃N(r=0.7190);在产甲烷菌群落中,Methanobacterium(甲烷杆菌属)和未分类菌属unclassified_k_norank_d_Archaea对CH_(4)排放影响最大,这类细菌会促进甲烷排放;在甲烷氧化菌群落中,未识别的甲烷氧化菌norank_d_Bacteria对CH_(4)氧化影响最大,这类细菌会促进甲烷氧化,从而减少水⁃气界面甲烷排放。本研究可为我国河流温室气体排放量的估算以及排放机制提供数据支持。

基于InVEST-PLUS模型的黄河流域内蒙古段生态系统碳储量评价及预测

陆地生态系统碳储量对减缓全球气候变暖有重要意义,评估黄河流域内蒙古段土地利用变化对碳储量变化的影响,可以为“双碳”目标的实现提供助力。本研究运用InVEST模型对黄河流域内蒙古段过去20 a的碳储量进行评估,运用PLUS模型预测了2040年3种不同发展情景下的土地利用格局,并耦合InVEST-PLUS对黄河流域内蒙古段未来20 a的碳储量进行估算,探讨土地利用变化和碳储量之间的响应关系。结果表明:2000—2020年黄河流域内蒙古段草地是主要土地利用类型和最重要的碳库。草地面积增加是黄河流域内蒙古段碳储量上升的主要原因,碳储量累计上升4.08×10^(7)t。在生态保护情景下,最有利于2040年黄河流域内蒙古段碳储量的增加,可使碳储量累计增加4.50×10^(7)t。年均降水是解释度最高的单因子影响因素,随着社会经济的发展,社会经济因子对碳储量时空分异特征的解释度增加。双因子交互影响的解释度普遍远高于单因子对于碳储量时空分异特征的解释度。本研究以期为区域用地规划提供建议,为我国更好的实现碳中和目标提供服务。

黄河内蒙古河段河道整治方案研究

黄河内蒙古河段干流三盛公以下游荡性河段较长,河势摆动剧烈,塌滩塌岸现象普遍,严重危及堤防安全。系统分析了已实施的河道整治工程对河势控制作用,分析了不同河道整治方案的作用、利弊,结合内蒙古河段河道特性及已实施工程效果,提出黄河内蒙古段宜采取微弯型整治与就岸防护措施相结合的模式进行治理,采用二维水沙数学模型对工程建设措施效果进行了验证分析。

黄河流域内蒙古段气象干旱与水文干旱变化对植被NDVI的影响

全球气候变暖及人类活动的影响下,黄河流域内蒙古段干旱事件增加,强度加重,干旱又通过水文循环影响区域植被生长,从而破坏生态平衡。基于标准化降水蒸散发指数(SPEI)数据集、陆地储水量数据以及归一化植被指数(NDVI)数据,采用slope趋势性分析、Pearson相关系数等方法,分析黄河流域内蒙古段2003—2019年气象干旱(SPEI)、水文干旱(SWSI)时空变化,并探究其对植被NDVI的影响。结果表明:研究区气象干旱呈下降趋势(0.0123/a),而水文干旱呈上升趋势(0.02/a),均在研究区巴彦淖尔市地区呈现持续时间长,干旱强度高的特点;植被NDVI整体呈显著增长趋势(0.0029/a),仅在巴彦淖尔市和呼和浩特市部分地区出现植被明显退化的现象;SPEI与NDVI呈显著正相关的面积占比为22.65%,SWSI与NDVI呈显著正相关的面积占比为43.63%,SPEI、SWSI与NDVI呈显著负相关地区主要在巴彦淖尔市西部;干旱对植被的影响具有滞后性,气象干旱和水文干旱分别集中在1、10月和1月,大部分地区的植被短期内受水文干旱的影响较大。

黄河头道拐段冰输移及堆积过程数值模拟

头道拐河段因其特殊的河道形态及地理位置而成为黄河内蒙古段最易形成冰坝的河段,研究该河段河冰输移及堆积过程是理解内蒙古段河冰过程及卡冰结坝作用机理的关键。本文基于耦合的二维有限元水动力学模型和DPM(Discrete Parcel Method)河冰动力学模型,模拟了黄河头道拐河段2020—2021年冬季封河过程并进行了验证,讨论了不同水力条件、上游流凌密集度及河道形态对封河过程的影响。结果表明:相比于官牛犋弯道,河道弯曲率大、束窄程度高的什四份子弯道更易形成卡冰,且流量越小,卡冰作用越明显,冰盖向上游发展速度越快。河道流凌密集度小于0.4时,各种流量下研究河段未发生卡冰;流凌密集度增大至0.4,表面流冰首先在弯曲率系数较大的什四份子弯道处形成卡冰,随着流凌密集度和流量的进一步增大,下潜并输移到下游的流凌也会在官牛犋弯道形成卡冰,因此,头道拐河段形成卡冰的流凌密集度临界条件为0.4。应用冰水耦合二维动力学模型可以很好地模拟天然河道河冰输移、堆积过程中河道的水力特性、冰厚增长及封河形态,揭示了影响河冰过程的相关因素及作用机理,为黄河内蒙古段防凌减灾工作提供技术支撑。

黄河宁蒙段河岸带土地利用变化及驱动力分析

以气候和人类活动影响最为敏感的沿黄河岸带为研究区,基于1999—2018年黄河宁蒙段河岸带土地利用、气候、社会经济数据,运用灰色关联和逐步回归分析方法对土地利用变化驱动力进行分析。结果表明:1999—2018年黄河流域宁蒙段河岸带土地利用类型以耕地、草地和沙漠为主;1999—2018年研究区土地利用处于快速发展阶段,开发利用程度逐渐加大;气候变化和农业经济发展是黄河流域宁蒙段河岸带土地利用转变的主要驱动力。

黄河龙羊峡和刘家峡水库凌汛关键期优化调度研究

2000年以来黄河上游来水形势、宁蒙河段河道状况和凌情发生了较大变化,而凌汛期正值青海省用电高峰,水力发电所需水量大,迫切需要开展凌汛期龙羊峡、刘家峡水库优化调度研究。通过分析凌汛期水库调度、气温变化和河道条件等对黄河凌情的影响,研究确定黄河宁蒙河段适宜封河流量、开河关键期压减水库下泄流量的时机和力度,提出了龙羊峡、刘家峡水库封开河关键期优化调度建议,并在此基础上编制多种情景(上游来水、气温类型和河道条件组合)下,龙羊峡、刘家峡水库优化调度预案。2019—2020年度、2022—2023年度在汛期来水分别偏多、偏少情况下水库优化调度实践表明,凌汛期优化调度方案可以在保证黄河宁蒙河段防凌安全的前提下,明显提高黄河上游梯级水库群发电效益。

中国北方农牧区乡村重构特征及问题区域识别——以黄河流域内蒙古段为例

科学、有序重构是实现农牧区现代化和国家乡村振兴的重要路径。选取黄河流域内蒙古段这一典型北方农牧区乡村,基于乡村发展指标和计量模型,探究了乡村重构的特征并识别问题区域。结果表明:(1)1990—2020年研究区乡村发展各维度的水平均得到不同程度的提升,总体上经济发展>空间利用>社会发展。(2)1990—2020年研究区乡村经济重构总体先增强后减弱,空间重构则一直增强,社会重构整体滞后。乡村综合重构总体表现为南高北低、东高西低,其中经济重构地域差异较小,社会重构表现为南高北低;空间重构以河套平原较为剧烈。1990—2020年乡村经济-社会-空间重构的耦合度和协调度总体先升高后降低,在空间上表现为东高西低。(3)乡村发展及重构的问题县域共6类11个,分布在研究区黄河以西、阴山以北,映射了地理环境、资源条件、区位交通、经济基础、区域政策等因素交互作用产生的综合影响,需结合地域实际分类施策。

基于毫米波云雷达的黄河流域内蒙古段云宏观特征分析

云是地-气系统的重要组成部分,云宏观特征不仅与地-气系统的辐射收支及区域气候变化密切相关,还直接影响云降水过程模式预报的准确性,鉴于此本文基于2020年8月至2021年7月呼和浩特地区毫米波云雷达观测数据,对黄河流域内蒙古段云出现频率及垂直结构进行统计分析。结果表明:该地区多以晴空为主,全年晴空廓线超过了云雷达总采样廓线的70.00%,相比而言,云出现频率较小,6月最高值也仅为43.84%。云类型以中高云为主,云底高度多出现在3.00~4.00 km之间,云层较薄,厚度介于0.50~1.00 km的云出现频率最高。云宏观属性存在明显的季节变化和日变化特征,春季和夏季云的出现频率较高,分别为39.71%和35.77%,冬季云的出现频率最小,春、夏、秋季午后云出现频率明显高于上午时段。

黄河内蒙古河段冲淤量评估

通过实测断面资料、来沙量资料和同流量水位的变化等,对黄河内蒙古河段的冲淤量分别进行了估算,其结果基本一致。综合分析表明,1986-2004年内蒙古三盛公—头道拐河段年均淤积量为0.616亿t是基本可靠的,而主槽的淤积量占全断面的80%以上。总体看,这一数值可以反映1986年龙羊峡水库运用以来内蒙古河道的淤积情况。

黄河宁蒙河段沙样粒度与分形维数特征

采用分形理论与线性回归方法研究了黄河宁蒙河段附近地区沙漠表层沙样的粒度及其分形维数特征,发现其机械组成中以细砂、粉砂为主,粒度分形维数值与砂粒呈反相关关系,与粉粒、黏粒呈正相关关系.从腾格里沙漠沿河而下直到库布齐沙漠,4个沙区的分选系数、粒度分形维数值依次减小,并且两者呈现较好的正相关关系.在粒度及分形维数分析结果中,0.10 mm粒径是一个重要的分界值.

黄河宁蒙河段泥沙加入量分析及防治对策

利用1950—2005年黄河干流泥沙分布特征值资料与干流任意河段年平均泥沙加入公式对黄河干流宁蒙河段年平均泥沙加入进行了计算分析。结果表明,1950—2005年宁蒙河段每年都有大量泥沙加入,并且加入量随时间呈波动变化。通过数据分析与实地调查发现,造成该河段泥沙大量加入以及随时间呈波动变化的原因主要是宁蒙河段穿越腾格里沙漠、河东沙地、乌兰布和沙漠以及库布齐沙漠,沙漠与河流交互作用,使其具备风沙直接入黄以及支流泥沙入黄的条件;尤其以"十大孔兑"河道上游比降大,河道两岸地表沙物质易蚀性高,从而导致大量泥沙通过洪水过程进入黄河。黄河宁蒙河段的泥沙防治关键在于减少入黄泥沙量,特别是要加强"十大孔兑"地区的水土保持综合防治力度。

黄河内蒙古段水体中六六六和多氯联苯的分布特征

为了解持久性有机污染物在黄河内蒙段的分布状况,采用固相萃取法和气相色谱法对该段水体样品中的六六六(HCHs)和多氯联苯(PCBs)进行了分析测定。结果表明:HCHs和PCBs在黄河内蒙古段水体中均有检出,HCHs残留水平在63.14～188.65ng/L之间,平均值为146.94ng/L;PCBs的残留水平在0.64～2.25ng/L之间,平均值为1.51ng/L。对污染物的来源进行了解析,HCHs污染的最大贡献源是河套灌区的农业退水,PCBs的主要来源是历史残留。

黄河内蒙古段头道拐断面沉积物中六六六(HCHs)和多氯联苯(PCBs)的残留特征分析研究

采用索式提取法和气相色谱法对黄河内蒙古段头道拐断面沉积物中的六六六(HCHs)和多氯联苯(PCBs)进行了分析测定。结果表明:HCHs和∑PCBs在黄河内蒙古段头道拐断面沉积物中均有检出,α?HCH和β?HCH的平均浓度分别为6.70ng/g和6.24ng/g,处于中等污染水平;除八氯联苯外,PCBs的各异构体在该断面沉积物中均有检出,且检出率均在65%以上,∑PCBs平均浓度为1.46ng/g,处于较低污染水平;HCHs和PCBs的残留水平随时间均没有明显的变化。对黄河内蒙古段沉积物中HCHs和PCBs污染物的来源进行了解析,HCHs污染的最大贡献源是河套灌区的农业退水,PCBs的主要来源是历史残留。

黄河宁蒙河道水沙变化及冲淤特性

采用断面法对黄河宁蒙河段的冲淤量进行了计算,分析了该河段的水沙变化情况及冲淤特性。结果表明:宁夏河道多年来呈微淤状态;内蒙古巴彦高勒—浦滩拐河段1962—1982年、1982—1991年、1991—2000年、2000—2008年年均淤积量分别为-0.009亿、0.379亿、0.540亿、0.620亿t;内蒙古河道2000—2008年主槽淤积量占全断面淤积量的90.9%,造成平滩流量减小,严重威胁防凌、防洪安全。

黄河内蒙古段冰情变化特性的统计分析

运用数理统计理论的相关分析方法,对黄河内蒙古段冰情时间序列自身以及对它有一定影响的水文气象序列之间的相关关系进行了分析和检验。结果表明:冰情时间序列在长期变化中都存在一定的自相关性;冰情与水文气象要素存在一定的互相关性,影响冰情的主要因素有流量、温度和风速。