极端干旱区天然植被耗水规律试验研究

采用自动控制仪器对极端干旱地区不同植被的单株和群落的蒸散发进行了长期的试验研究。结果表明：胡杨在生长期内单位叶面积上月蒸腾量8月最大,10月最小,蒸腾量呈单峰型,在4—5月树干单位面积液流通量为0.13～0.15 L.cm-2.d-1,6月为0.294 L.cm-2.d-1。在晴朗无云的条件下,柽柳灌丛蒸散速率变化呈单峰型,在生长季节日蒸腾量为63.48 L,平均日蒸腾量为0.349 L。梭梭日蒸腾量与土壤含水量有密切的关系,在生长期总蒸腾量为344.66 L。骆驼刺、苦豆子和胖姑娘蒸腾量月变化具有共性,各月和年蒸腾量的总量骆驼刺最大,苦豆子居中,胖姑娘最小。最后推算额济纳三角洲全年植物蒸散发总量为2.43亿m3。该定量数据的测定为确定区域层面上的需水量和区域生态需水计算奠定基础。

额济纳荒漠河岸胡杨林叶片气孔导度与微环境因子关系的模拟研究

以额济纳荒漠河岸胡杨（Populus euphratica）为研究对象,利用LI-6400光合测定仪于2005年5-9月份观测了胡杨叶片气体交换数据,研究了胡杨叶片气孔导度与光合速率、光合有效辐射与光合速率之间的关系.结果表明：（1）胡杨叶片净光合速率随气孔导度的增大而升高,但当气孔导度增加到一定值后,光合速率的增加变缓慢直至平稳,并主要是非气孔限制因素造成的;Ball-Berry模型（B-B模型）能够很好地描述气孔导度与光合速率之间的关系（R2=0.92）.（2）叶片净光合速率随着有效辐射的变化符合非直角双曲线规律（R2=0.99）.（3）B-B模型和非直角双曲线光合模型耦合后模拟值与观测值之间存在很好的正相关性（r=0.93）,但耦合模型的模拟值还是较实测值偏大.因此,在干旱区还必须考虑水分限制因素对气孔开闭的控制作用,进一步构建适合干旱区生态系统特点的水-碳耦合循环机理模型.

水文模型在估算冰川径流研究中的应用现状

冰川径流估算是气候变化风险评估和水资源可持续管理的重要内容.冰川径流估算方法主要包括:直接观测法、冰川物质平衡法、水量平衡方程法、水化学示踪法和水文模型法.本文首先对五种方法的应用情况进行简要总结,进而重点阐述水文模型法在估算冰川径流研究中的应用现状.水文模型法是冰川径流估算研究中使用最频繁的方法,使用方式主要包括耦合冰川模块和开发新的冰川水文模型.冰川水文模型中的消融算法主要包括温度指数模型(度日因子法)、修正的温度指数模型、能量平衡模型.受当前观测条件限制,修正的温度指数模型兼顾能量平衡模型和温度指数模型的优势而成为冰川水文模型中最流行的方法.随着学科的发展进步,能量平衡模型与水文模型的耦合将会成为未来的研究重点,发展大尺度分布式冰川水文模型是冰川水文学的未来发展方向之一.

土壤呼吸与测定方法研究进展

土壤呼吸是当前碳循环研究领域中的一个引人关注的热点问题,也是陆地生态系统向大气释放CO2最大的源,具有多方面的生态意义。综合评述了国内外有关土壤呼吸研究成果与测定方法,阐述了影响土壤呼吸的主要因素分别有温度、湿度、植被类型、土壤理化性质和人类活动等,概括了土壤呼吸及其各分量的不同测定方法及特点,并讨论了土壤呼吸今后的努力方向。

土壤水盐运移模型研究进展

土壤盐渍化是影响全球农业生产的重要因素之一,研究土壤中水盐运移过程并对其进行精确模拟对于监测、评价、治理干旱、半干旱区土壤盐渍化具有重要意义.介绍了国内外目前应用较为广泛的几种水盐运移模型,包括对流-弥散模型(CDE模型)、流管模型(STM模型)和美国国家盐渍土改良中心开发的HYDRUS模型等3种物理模型以及相关的模型参数研究;两种系统模型:传递函数模型(TFM模型)和BP人工神经网络模型.对相关模型的原理、异同点、优缺点、适用性及应用状况进行了对比分析,并指出目前模型在发展和应用上存在的问题,同时对未来模型发展趋势作了预测.

黑河下游额济纳三角洲河道渗漏对地下水补给研究综述

干旱区河道渗漏是河道径流转化为地下水的一种主要方式.河道渗漏系数是确定河流与地下水之间转化量的重要参数,也是建立地下水模型的关键.从河道渗漏运动的研究方法、河道渗漏时空动态变化、河道渗漏特征规律与机理以及河道渗漏模拟研究等方面入手,综述了国内外有关河道渗漏研究方面的进展情况以及发展趋势.同时对黑河下游额济纳三角洲地区的河道渗漏研究现状及存在的问题进行了阐述,分析当前研究的不足.针对黑河流域下游额济纳三角洲水系与河道特点,提出如下建议:从河道渗漏的时空动态变化分析入手,开展典型渗漏观测试验、进行河水位、流量、河床含水量、地下水位的连续观测和同位素示踪试验,测定河道渗漏与地下水运动参数;建立河道渗漏模拟模型,模拟和预测不同情景下河道渗漏过程.为该地区的河道渗漏补给地下水的定量化研究提供新的思路,为制定科学合理的水资源利用规划和维护绿洲稳定及可持续发展提供科学依据.

额济纳盆地浅层地下水演化特征与滞留时间研究

以地球化学和氚（3H）同位素测年技术相结合,通过额济纳盆地地下水、地表水地球化学及同位素的研究,探讨中国西北干旱区内陆河流域下游盆地地下水地球化学演化规律和平均滞留年龄。额济纳盆地浅层地下水状况主要受地表水补给状况的影响,离河道近的水样矿化度低;而离河道较远的戈壁区,地下水矿化度高。水体化学成分主要受岩盐、石膏、白云石等矿物的溶解及蒸发作用的影响。通过利用指数-活塞模型流模型（EPM）,计算出额济纳浅层地下水年龄在13-58年之间。

额济纳绿洲土壤入渗特征与土壤状况的关系研究

土壤水分入渗是自然界水循环中的重要部分,土壤水分入渗与土壤状况有很大的关系,应用Guelph渗透仪测定了黑河下游额济纳绿洲的土壤饱和导水率,并分析比较不同植被覆盖类型下测得的试验结果.结果表明:额济纳绿洲的几种典型土地利用方式下的土壤饱和导水率,其大小关系为:西戈壁>七道桥保护区沙枣林>二道桥胡杨林>林工站棉花地>二道桥柽柳林>梭梭苗圃地;通过因子的KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)检验,影响土壤入渗的因子被归类为三个主成分,分别为土壤疏松程度因子、土壤水分因子、容重和阴阳离子总量因子,它们的主成分的累计贡献率为80.427%,其中粘粒质量分数因子对于土壤入渗的影响最大,土壤中阴阳离子总量因子和容重因子影响最小.

极端干旱区胡杨吸水根系的分布与模拟研究

依据2006年7月在极度干旱区内蒙古额济纳旗的实测资料，对胡杨吸水根系根长密度的分布特征进行了分析和拟合，建立了根长密度垂直方向和水平方向的一维、二维分布函数，以期对胡杨根系吸水及胡杨SPAC系统进一步的研究提供有力的试验依据和理论支持。试验结果表明：在垂直方向，吸水根根量主要集中在0～80am的土层内，占吸水根总量的97．60％；在水平方向，0～220am范围内根长密度随距离的增加而逐渐增大；220～400am范围内根长密度随距离的增加而逐渐减小；在0～20am范围内，吸水根系仅占总量的0．47％；在160～220am范围内，吸水根系分布最为密集，占总量的18．57％。统一采用指数函数对胡杨吸水根系根长密度分布函数进行了拟合，拟合函数与实测数据的相关系数平方分别为：0．8884、0．680、0．73和0．685，说明胡杨吸水根系根长密度分布也具有与果树相似的规律，基本符合指数衰减规律。

天山乌鲁木齐河源1号冰川融水径流水化学特征研究

2006年和2007年的整个消融期内,在天山乌鲁木齐河源1号冰川末端水文控制点逐日定时采集融水径流样品,对样品的主要可溶离子、pH、电导率EC、总溶解固体TDS和悬移质颗粒物SPM进行了分析.结果表明:天山乌鲁木齐河源1号冰川融水径流离子类型为Ca2+-HCO-3-SO2-4,呈弱碱性.融水径流中TDS变化受日径流量调节显著,表现为消融初期和末期浓度较高,消融强烈时浓度较低;SPM以细颗粒物质为主,各粒度组分含量变化幅度较大,且质量浓度SSC年内变化与TDS呈相反的变化趋势.融水径流中离子组成主要受岩石风化作用影响,离子摩尔比值和Piper图分析表明,控制冰川径流离子组成的主要过程是碳酸盐、黄铁矿和长石类矿物风化作用.

祁连山不同植被类型残体碳库贮量研究

采用野外调查测定、野外定位研究和室内分析相结合的方法,在植被类型变化较大林区,选择邻近相同海拔、坡向和土壤类型的天然林（青海云杉林、祁连圆柏林、高山灌丛林）、人工林（13 a华北落叶松）、牧坡草地和农田几种植被类型土壤为研究对象,研究了祁连山不同植被类型残体碳库贮量、组成与形成特征,结果表明：天然林残体碳总贮量为510.09~639.7 gC/m^2,农田和草地分别为71.4 gC/m^2和169.65 gC/m^2,人工林为503.75 gC/m2。天然林地上残体碳年形成量为63.48~485 gC/（m^2.a）、地下为267.8~314.3 gC/（m^2.a）,人工林地上为203.7gC/（m^2.a）、地下为187.2 gC/（m^2.a）,农田地上为47.8 gC/（m^2.a）、地下为106.4 gC/（m^2.a）,草地地上为98.3 gC/（m^2.a）、地下为147.3 gC/（m^2.a）。在不同植被类型中,从天然林到农田或草地,残体碳库贮量及形成量减小。

黑河下游典型植被下垫面与大气间能量传输模拟研究

在分析过去地-气间相互作用的物理过程、研究进展基础上,探讨了土壤、植被、大气系统中水分与能量的传输过程在模型中不同的计算方法。同时对不同计算方法进行对比,确定了分析土壤、植被、大气系统中水分和能量传输方法的优缺点。利用黑河下游额济纳地区绿洲试验区2003年9月的大气资料作为陆面模式的强迫场,研究陆面过程模式(LSM)在极端干旱地区的模拟能力。模拟结果表明,在观测资料的强迫下,LSM能够较好地模拟出地表特征量的变化趋势。根据实际情况,定义额济纳地区绿洲的植被覆盖率为0.7,叶冠高度为1.5 m,位移高度为0.64 h,Karman常数取0.4。通过对比试验发现,采用LSM模型模拟的空气温度和地面蒸发比实际蒸发少,但地表潜热通量、辐射和土壤热通量的模拟结果与实测值的比较吻合。如果地表和植被的参数选择较好,采用LSM模型模拟本地区的陆面过程将有较好的结果。

疏勒河流域极端水文事件对极端气候的响应

为了明确疏勒河流域极端水文事件对极端气候事件的响应关系,选取疏勒河流域内及其周边的托勒、敦煌、瓜州、玉门、酒泉、马鬃山等气象站点的气温、降水和蒸发的日值数据,昌马堡水文站的日径流数据,通过趋势分析、滑动平均、主成分分析等方法,分析疏勒河流域极端气候指数、极端水文事件的年际变化规律以及影响极端水文事件的因素,并明确该流域极端洪水年内分布特征。结果表明:疏勒河流域年际气温升高趋势明显,降水量呈波动变化,增加趋势不明显,而蒸发量呈下降的变化趋势。表征高温的极端气温指数呈显著上升趋势,表征低温的极端气温指数呈显著下降趋势,说明疏勒河流域气温增幅明显。极端降水指数呈显著的增加趋势。该流域极端洪水事件和频次呈上升趋势,而极端枯水事件和频次呈下降趋势。极端洪水事件主要受控于极端降水事件,特别是极端降水总量,极端高温事件对极端洪水总量的增加也有影响,而极端枯水事件主要受控于极端低温事件。此外,2000-2016年年最大洪峰流量出现的时间有由8月向7月转变的趋势。

黑河上游径流对极端气候变化的响应研究

为深入认知黑河上游径流变化与极端气温、极端降水指数间的关联机制,使用1960-2014年黑河上游祁连、托勒、野牛沟3个气象站点的逐日气温、降水资料和莺落峡水文站逐日径流量资料,通过趋势分析、相关分析、多元回归分析和主成分分析等方法,分析黑河上游极端气候指数和极端水文事件的变化趋势、极端气候指数与径流的相关关系以及径流对降水的滞后效应。结果表明:(1)黑河上游表征低温的极端气温指数呈下降趋势,表征高温的气温指数呈上升趋势。极端降水指数呈小幅增加趋势。年极端洪水总量呈增加趋势,极端枯水呈显著减少趋势,与黑河上游径流总量增加的变化趋势一致。(2)极端降水指数与极端洪水总量的相关性显著,说明黑河上游极端降水是影响极端洪水总量的主要因素。(3)洪水对祁连站降水量的响应存在1~2天的滞后期,初步分析得出黑河上游降水量的时间和空间差异以及东、西支河流河网密度的差异是产生滞后性响应的主导因子。

1990-2019年中国北方沙区太阳能资源评估

沙漠地区太阳能资源丰富且地表植被稀疏,非常适于太阳能资源开发。然而目前针对中国北方沙漠地区太阳能资源的评估仍然较少。本研究利用中国北方沙区(含沙漠、沙地、戈壁和盐碱地)46个太阳辐射站和189个常规气象站数据,基于极端梯度提升算法(xgboost)估算了太阳总辐射量,分析了总辐射量年、季和月的时空分布并进行太阳能资源评估。结果表明,中国北方沙区1990-2019年平均日照时数和太阳总辐射量为2927.90 h和5888.39 MJ·m^(-2),且以分别以22.48 h·(10a)^(-1)和8.66 MJ·m^(-2)·(10a)^(-1)的速率减少,但这种趋势并不显著(p>0.05)。日照时数和太阳总辐射量空间分布呈现出东西低中部高的特点,青海和甘肃河西的沙区总辐射量最高,在6300 MJ·m^(-2)以上,东北地区的沙地总辐射量最低,不足5300 MJ·m^(-2)。季节变化表现为夏季太阳总辐射量最大,春季次之,秋冬季最低。总体上看,青海和河西走廊西部沙区太阳能资源丰富,其他沙区较丰富,但就太阳能资源稳定度而言,仅青海、河西走廊南部沙区为较稳定,其他沙区为欠稳定或一般。因此,青海和甘肃河西沙区太阳能资源开发潜力最大,应加大对该区太阳能资源的开发投入,提高区域经济发展水平,改善沙区生态环境。

基于地下水位变化的荒漠河岸林蒸散估算

深根植物生长季蒸腾耗水是河岸林消耗地下水的主要方式之一,是荒漠绿洲水分循环的重要环节,因而有效估算荒漠河岸林蒸散对于河岸林管理具有重要的意义。本研究利用地下水位日波动方法对额济纳绿洲荒漠河岸林进行了蒸散估算研究,结果表明基于地下水日波动方法估算得到的七道桥胡杨林蒸散量与涡度相关和FAO-PM方法得到的蒸散结果变化趋势较为一致,且显著相关,说明地下水位日波动方法可以用于估算极端干旱的荒漠河岸林下的植被蒸散发量。最后探讨了考虑植物夜间蒸腾的地下水位日波动方法,新方法的蒸散估算较原始地下水位日波动方法的蒸散估算占涡度观测蒸散的比例从70%提高到了90%。

流域生态水文模型研究和问题

在生态水文学的发展进程中,流域生态水文模型是研究的重要分支和热点问题。它可以通过不同尺度的生态过程和水文过程的耦合描述,揭示其相互作用机制与关系。发展至今,对流域生态水文模型的研究已取得一些阶段成果,从最初描述单过程的经验模型到清晰刻画物理过程的分布式模型,主要经历了单向耦合模型、概念模型、半物理过程模型和物理过程模型。目前,流域生态水文模型在森林流域和干旱半干旱区流域生态水文过程对气候变化的响应及土地利用对作物产量影响等方面的研究中得到广泛应用。现有模型在对植被-水文相互作用机制的刻画、流域尺度转换、模型参数估计、输入数据、模拟精度与不确定性等方面存在一些问题,这些问题也是未来生态水文模型研究的重点。生态水文模型的研究依赖于生态水文学的学科发展和理论研究,要紧密结合生态水文学的最新研究进展,才能够实现模型在理论上的突破。

胡杨根系分布特征与根系吸水模型建立

依据2006年和2007年6～7月在极端干旱区额济纳的实测资料,利用分形和概率统计的方法对胡杨根系分布与根区土壤水分的关系进行了分析研究。引入土壤含水率期望(cm.g/g)的概念,建立了含水率期望值与根系分维值之间的函数关系,并求出了适宜胡杨生长的土壤含水率期望值的范围。同时建立了初版的根系吸水模型,并进行验证,得到较好的结果。

黑河流域生态水文样带调查

样带研究是研究全球变化与陆地生态系统关系最有效的途径之一。通过在黑河流域上、中、下游分别确定具有代表性的流域样带和空间网格,系统调查植被、土壤、水文、地貌和气候特征及人类活动和社会经济特征,建立相应的数据库。完善流域整体概念的野外观测试验研究网络,形成以流域为单元、科学问题为导向的生态—水文过程的数据—模拟研究平台,使我国流域生态水文研究进入国际先进行列。

蒸发条件下一维垂向非饱和土壤水分运动的数值模拟--以额济纳荒漠河岸胡杨林为例

根据额济纳荒漠河岸胡杨林的实际土壤层结构,建立了带有根系吸水项的垂向一维土壤水分非饱和运动基本方程,并采用有限差分法对蒸发条件下土壤水分运动方程进行离散化,编制了用于该模型数值模拟的计算程序。最后通过数值模拟对模型进行验证,结果表明,模拟值与实测值能够较好吻合,模拟精度在92%～98%之间,能较好地反映土壤水分的运动规律,为研究土壤-植被-大气连续体（SPAC）水分运移提供理论基础。