玉龙雪山及周边地区是典型的季风海洋性冰川区,是研究冰川变化、地-气能量交换、植被群落演替以及生态系统碳水耦合的最重要的区域.水分利用效率(water use efficiency,WUE)是联系生态系统水-碳循环及其与气候因子之间响应关系的重要参数.本研究利用MODIS卫星遥感总初级生产力(gross primary productivity,GPP)、蒸散发(evapotranspiration,ET)产品和 自适应帕尔默干旱指数(self-calibrating Palmer drought severity index,scPDSI)分析了2000-2020年玉龙雪山及周边地区植被WUE空间变化特征,研究了该区GPP、ET、WUE与scPDSI的相关性,探讨了该区不同地貌植被对水分利用及胁迫的适应策略.结果表明:2000-2020 年,研究区植被 WUE 平均值为 2.44 g C·m-2·mm-1,GPP 平均值为 1365.0 g C·m-2,ET 平均值为559.6 mm;WUE平均值最高区域分布在大起伏中山,为2.88 g C·m-2·mm-1;最低区域为大起伏极高山,为1.23 g C·m-2·mm-1.玉龙雪山地势起伏大,植被空间分布具有显著垂直地带性特征,植被WUE在3500 m以下区域随海拔上升而增加,3500 m以上则随海拔上升而减少.2000-2020年,研究区逐月WUE呈现增加—减少—增加趋势,不同地貌类型造就了植被WUE变化速率具有显著的差异性特征.玉龙雪山以及周边大起伏高山的植被WUE呈增长趋势,而中海拔平原呈减少趋势.研究区内植被WUE对干旱胁迫响应具有明显的季节性特征,WUE与scPDSI的多年逐月相关性呈现负相关—正相关—负相关—正相关的变化趋势.7月玉龙雪山WUE与scPDSI呈显著正相关,而5月则表现为显著负相关;玉龙雪山周边地区植被WUE与scPDSI在12月—次年6月呈负相关,在7-8月呈正相关.

参考作物蒸散(Reference crop evapotranspiration,ET0)是生态水文过程中的关键因子,研究ET0在干旱绿洲区的演变,不仅有助于理解气候变化背景下的绿洲水文过程响应,亦对绿洲水土资源高效配置和生态系统稳定性维持有指导意义.以宁夏沿黄绿洲为例,基于 1960-2019 年的气象资料和Penman-Monteith模型计算ET0,利用Mann-kendall突变检验、相对敏感系数和Morlet小波分析等方法,对宁夏沿黄绿洲近60a的ET0演变特征及其归因进行研究.结果表明:(1)宁夏沿黄绿洲ET0年内呈单峰形态,ET0在5-7月间较高,累积ET0占年总ET0的43.6%;近60a的ET0年均值为1226.38 mm,并以1.66 mm/a(P＜0.01)幅度上升,但年际波动特征明显,其中在 1988 年突变之前,ET0无显著变化趋势,而突变之后则以每 10a左右的周期显著增加或降低.(2)年ET0主要以 20-40 a和 50-60 a周期振荡,且有多重时间尺度的复杂嵌套现象,不同季节的周期振荡差异较大,夏、秋季振荡幅度较强,其周期接近于年ET0规律,而冬、春季振荡幅度较弱.(3)虽然ET0与 6 种气象因子均存在显著相关性,但ET0对不同气象因子的敏感性存在差异,其中对最高温度和相对湿度的敏感性较高,敏感系数分别为 11.58%和 8.40%.(4)宁夏沿黄绿洲ET0与区域气候变化特征有较强的耦合性,区域气候的持续升温和相对湿度持续降低、以及由此引发的饱和水汽压亏缺持续增强是推动ET0上升的重要原因,而气候由湿润向干旱的突变和平均风速的异常波动是诱发ET0突变的原因.

植被净初级生产力(NPP)是评价植被生长的重要参数,也是评估陆地生态系统质量与功能的重要指标.基于MODIS NPP、数字高程模型(DEM)、气象水文及人类活动数据,采用空间分析、趋势分析,分别从像元尺度和县域尺度识别了 2000-2020年以来祁连山NPP时空变化特征,采用偏相关分析研究了 NPP对年均温和年降水的响应,并借助地理探测器模型揭示了NPP变化的驱动因素,最后采用Hurst指数预测了 NPP未来变化趋势.结果表明:2000-2020年祁连山平均NPP呈波动增加趋势,年均增加2.38 g C/m2,其中栽培植被和阔叶林增长最为明显.近20年,像元尺度上有75.37％的区域NPP增加,主要位于东南部;县域尺度上,古浪、平安、化隆和永登县NPP增速较快,而祁连、海西、德令哈和门源县增速较慢.祁连山NPP空间分布具有明显的集聚性,高值集聚区主要位于东南部,而低值集聚区主要位于西北部.年均温和降水量的增加均促进了 NPP的增加,但不同区域NPP对气温和降水的响应有明显差异.降水量、饱和水气压差和蒸散发是NPP变化的主要驱动因子,驱动因子之间对植被NPP变化存在交互作用,分为双因子增强和非线性增强效应.未来祁连山NPP变化以增加非持续性为主,说明植被变化面临较大不确定性.研究结果有助于揭示全球气候变化背景下区域植被NPP对气候变化及人类活动的非线性响应机制,亦可为祁连山生态保护与可持续发展提供理论依据.

三江源是我国重要的水源涵养功能区,也是我国乃至东南亚地区的生态屏障,具有重要的生态战略地位.揭示三江源水源涵养能力的空间分布、变化趋势及影响因素,对于推进生态保护与修复工程,提高区域水资源供给能力和维持生态系统健康稳定具有重要意义.基于InVEST模型,定量分析了三江源区水源涵养能力的时空变化及影响因素.结果表明:草地生态系统为三江源水源涵养功能主体,年平均水源涵养量为120.04亿m3.1990-2020年三江源水源涵养量呈显著上升趋势,变化速率为1.80亿m3/a(P＜0.05),年平均水源涵养量为163.84亿m3.生态治理前(1990-2005年)水源涵养量增长速率高于生态治理后(2005-2020年).三江源区水源涵养能力空间分布上表现出东南高、西北低的特点,显著增长面积为22.07万km2,占全区总面积的60.79％.生态治理前,降水量增加、实际蒸散量增加和实际蒸散比降低等气候变化为驱动水源涵养能力增长的主要因素;生态治理后,林、草地面积增加等土地利用/覆被变化为驱动水源涵养能力增长的主要因素.

随着全球气候变化加剧,干旱对草原生态系统碳循环的影响更加复杂.作为全球陆地生态系统碳通量的最大组成部分,总初级生产力(GPP)对整个陆地碳循环具有深远影响,因此,探讨干旱对草地GPP的影响,对于理解区域碳循环机制,维护草地生态系统稳定发展具有重要意义.以中亚为研究区,基于NIRv-GPP和SPEI base v.2.7数据集,利用Theil-Sen Median斜率估计结合Mann-Kendall显著性检验、M-K突变检验和相关分析方法,探究1982-2018年干旱对草地GPP的时滞和累积效应.结果表明:(1)中亚地区草地GPP年平均值随时间变化整体上呈下降趋势,标准化降水蒸散指数(SPEI)年平均值呈降低趋势;(2)干旱对中亚绝大多数草地(95.6％)产生了时滞效应,滞后时间尺度集中在2-3个月;随着干旱状况的加重,滞后时间变长,滞后效应对草地GPP影响减弱;(3)中亚绝大多数草地(95.8％)对干旱存在累积响应,累积时间尺度以4、5、10月为主;随着干旱状况的加重,累积时间变短,累积效应对草地GPP影响增强;(4)通过对比研究时滞效应和累积效应发现:中亚超过四分之三(76.84％)的草地区域,干旱对草地GPP的时滞效应大于累积效应.研究结果可为理解气候变化背景下中亚生态环境动态变化特征及区域碳循环机制提供参考.

水分利用效率(water use efficiency,WUE)是联系生态系统水碳循环耦合关系的重要指标,探明生态系统水分利用效率时空演变特征及其影响因素,对优化区域水、碳资源综合管理和提升生态系统生产力至关重要.基于MODIS遥感数据、CRU气象数据以及CCI 土地利用数据,利用MK检验与Sen趋势分析以及偏相关分析,探讨了伊犁河-巴尔喀什湖流域不同时空尺度生态系统WUE的空间分布与时间变化规律,讨论了其影响因素.结果表明:流域春秋两季与多年平均WUE值从东南部至西北部呈现先增后减再增的变化特征,但夏季恰好相反,而冬季绝大部分区域都接近于0;全流域四季的多年平均WUE由高到低依次为夏季、春季、秋季、冬季;全流域年平均WUE呈略微上升趋势,上升区域主要集中在WUE较低的下游;全流域90％以上区域的夏季年平均WUE呈下降趋势,其中巴尔喀什湖、伊犁河谷与天山山脉附近区域下降趋势显著(P＜0.05);上中下游年尺度WUE值依次由高到低变化,且它们的年际变化程度和趋势均不明显;上中下游夏季WUE值的排序与年尺度正好相反,且均呈下降趋势,其中上下游的下降趋势显著(P＜0.05);不同区域WUE的年内分配极不均匀,峰值均出现在8月;就影响因素而言,总初级生产力和降水对WUE的影响要分别大于蒸散发和气温.

蒸散是土壤-植物-大气连续体(SPAC)水热运移的一个重要环节,是全球水量平衡的重要组成,一直是气象学、水文学、地理学及生态学等相关学科重要的研究主题.区域尺度地表蒸散的时空变化过程十分复杂.迄今为止,在像元尺度水平上,特别在非均匀下垫面和地形起伏条件下,有代表性的进行地表蒸散的观测仍然十分困难.虽然遥感方法可获得区域尺度水平蒸散,但其主要根据经验或半经验模型对区域蒸散进行估算,模型选用的参数以及结果还需地面实测数据进行改进、优化,如何获得与遥感尺度相应的地面蒸散实测数据成为模型验证的重点和难点,光闪烁方法的出现为上述问题的解决带来了希望.光闪烁方法能够适应复杂下垫面,测量结果准确且具有时空平均等优点,成为测量区域蒸散的有效方法、验证遥感模型结果的最佳手段.从理论原理、计算方法、主要应用情况等方面,概述了光闪烁方法观测区域蒸散研究进展,指出了影响测算精度的不确定性因素,并提出了研究展望,旨在进一步推动该方法在区域蒸散观测研究中的应用,促进相关学科的发展.

黄土高原退耕还林(草)等生态恢复工程促进了地表植被覆盖增加,进而通过影响地表-大气之间热量交换影响区域气候过程.基于黄土高原1998-2000年和2008-2010年SPOT卫星反演的植被覆盖资料、54个地面气象站气温资料及EIN-Interim地表热通量数据,采用空间分析交叉验证及地表热量平衡分析的方法,从站点尺度探讨了退耕还林(草)工程初期和10年后黄土高原植被变化与气温和地表热通量变化之间的关系.研究表明,退耕还林(草)工程开展10年后,黄土高原气温最小值、最大值与平均值均有下降,植被覆盖增加与气温变量降低在空间上呈正相关.同时,植被覆盖增加与潜热通量增加、感热通量与大气下行长波辐射下降在空间上也呈正相关关系.这些结果表明,植被恢复可通过增加地表蒸散发作用对区域气候产生降温效应,会减缓气温升高对黄土高原生态系统的影响.

为评价生态模型在农田蒸散及土壤水分运动模拟中的适用性,利用2013-2015年南京农业气象测站观测数据,评估了BEPS (Boreal Ecosystem Productivity Simulator)模拟冬小麦农田生态系统逐日蒸散及与土壤水分动态的可靠性,并进一步开展了植被冠层蒸腾和农田土壤蒸发分离.模拟结果表明:BEPS适用于研究冬小麦农田蒸散量及土壤水分运动规律;由于考虑了叶片聚集指数和冬小麦根系垂直分布递减系数随生育期变动的参数化改进,BEPS分别可以解释2013-2014年和2014-2015年两个生长季农田生态系统蒸渗仪实测蒸散量变化的83％和74％,参数化改进前后模型效率ME相当(前:0.8,后0.74),标准差RMSE(前:1.50,后1.05),平均偏差MBE(前:0.5,后0.35),误差减小;两个生长季中,土壤蒸发占冠层上方总蒸散的比例随生育进程而变化,全生育期发散比平均值分别为34％和29％;BEPS模拟的0～40 cm土层深度土壤水分随时间变化趋势与实测值基本一致,可以解释78％以上的土壤水分实测值变化,并能快速地响应降水变化.本研究表明,生态模型可以用于模拟冬小麦农田蒸散和土壤水分变化,并有助于厘定农田冠层中难以区分的植被蒸腾和土壤蒸发的比例关系,可为进一步开展气候变化背景下的区域蒸散发评估及与之相联系的农田节水管理奠定基础.

利用MOD17A3 NPP时间序列数据、地表覆盖类型数据、气象数据、MOD16蒸散产品、地形数据等,分析2000-2015年陕西省植被净初级生产力(NPP)时空变异特征,探讨NPP的时空变异对各影响因素的响应特征.结果表明:研究期间,陕西植被NPP整体呈极显著上升趋势,NPP变化趋势线斜率为5.02 g C·m-2·a-1.NpP年平均值为344 g C·m-2·a-1,变化范围为247～390 g C·m-2·a-1.陕西NPP显著增加的区域占全省国土面积的61.2％,主要分布在陕北、渭北地区和秦巴山地西部;显著减少的区域主要分布在西安市、宝鸡市等城市周边区域,仅占2.5％.陕西年平均气温和年降水量变化趋势均不显著,气温呈现不显著升高,降水呈现不显著降低,具有暖干化趋势.NPP与降水量、平均气温显著相关的区域分别占全省总面积的9.4％和1.5％.由于人类活动的频繁干预大大降低了气候环境对NPP变化的影响程度,人类活动逐渐成为影响NPP变化的主导因素.陕北、关中地区的NPP与蒸散显著相关,随着植被NPP的增加,势必对这些地区水平衡造成重大影响.各土地覆盖类型NPP平均值为耕地＞林地＞草地＞园地,NPP增加速率为园地＞草地＞林地＞耕地,NPP变化百分率为草地＞园地＞林地＞耕地.研究区内坡度0°～5°、5° ～25°和＞25°区域的NPP增长百分率分别为14.6％、25.7％和35.9％.