植被通过光合作用固定大气中的CO2来减缓温室效应,同时植被也通过改变地表能量收支影响温室效应.在过去的气候-植被研究中,大多关注气候变化对植被的影响,而植被对气候反馈的研究相对较少.植被通过调节地表能量收支、水通量等重要地气过程影响局地、区域乃至全球气候,在气候变化中的作用十分重要.因此,需要厘清植被对气候的反馈效应机制及其结果,并识别其地域差异.从生物地球物理和生物地球化学过程两方面分析植被与气候之间的作用机制,对全球及关键区域内植被变化对局地、区域乃至全球的气候反馈效应进行了系统总结:(1)生物地球物理反馈的区域特征明显,生物地球化学反馈则表现在全球尺度上,二者相互作用但难以统一;(2)植被破坏带来的气候影响在气温效应方面与生态系统的类型及地理分布相关:热带森林破坏带来增温效应,北方森林破坏带来降温效应,温带森林破坏则会通过增加森林反照率抵消丢失的固碳降温效应,气温效应表现不明显;(3)当前研究对关键过程机制考虑不够完善,不同研究方法的结果差异较大,且缺乏高质量观测数据的验证;同时考虑生物地球物理和生物地球化学的净气候反馈研究尚无法支撑植树造林对气候变化单一减缓作用的常规理解.本文可为科学评估植树造林对气候变化作用的方向与强度提供理论依据.

地表蒸散是维持地球表面水量平衡和热量平衡的重要环节,SEBAL模型作为一种快速且有效的反演地表蒸散的遥感物理模型方法,在地表蒸散研究中得到广泛应用.地表反照率作为影响地表能量平衡的重要因素,同时也是SEBAL模型的重要输入参数,因此不同的地表反照率计算方法对SEBAL模型的反演结果有重要影响.以新疆三工河流域为研究区,利用Landsat8 OLI/TIRS数据,以应用最为广泛的Smith地表反照率计算法和Liang地表反照率计算法两种方法计算地表反照率,并输入SEBAL模型中反演日蒸散量,比较分析两种地表反照率计算方法对蒸散反演结果的影响,得出以下结论:(1)两种地表反照率计算方法下经SEBAL模型得到的日蒸散量与实测值拟合程度均较高,不同年份下线性拟合决定系数大于0.75,但是使用Smith方法计算出的地表反照率结合SEBAL模型得到的日蒸散量与实测值拟合程度更高;(2)通过RMSE等精度指标比较两种地表反照率计算方法下基于SEBAL模型反演的日蒸散量,结果显示,Smith地表反照率计算方法下反演的日蒸散量精度略高;(3)Smith地表反照率计算方法下最终得到的区域日均蒸散量高于使用Liang地表反照率计算方法最终得到的区域日均蒸散量,夏季差异最大,差异为0.64 mm/d,其他季节差异较小,差异约为0.2 mm/d.(4)进一步比较研究日内两种地表反照率计算方法得到的地表反照率,结果显示,Smith地表反照率计算法得到的地表反照率均值均小于同时期Liang地表反照率计算法得到的地表反照率均值.

中国西南喀斯特区域土地石漠化生态灾难已经严重制约了经济和社会的发展,而对石漠化进行治理,其空间分布信息的准确提取是必不可少的.针对现有石漠化信息提取技术存在不可能发生喀斯特石漠化(Impossible to develop karst rocky desertifieation,IKRD)范围提取不准确,关于石漠化的时空演变分析较少及其驱动因子、表征因子繁杂等问题,本文以典型喀斯特流域后寨河流域为研究对象,基于高精度影像识别提取IKRD范围,利用植被覆盖度、岩石裸露率对研究区域准确提取石漠化信息,揭示该区域不同石漠化等级的时空演变规律,同时探明石漠化分布与地表反照率、坡度的相关性.研究结果表明:(1)2005年至2010年后寨河流域石漠化程度整体在恶化,在后寨河流域西南部分和中部极少区域石漠化程度有所减轻,其余区域基本未发生变化,而在2010年至2015年后寨河流域石漠化程度大部分区域都呈减轻状态,而且石漠化程度减轻强度较大,在南侧大部分区域石漠化程度都呈减轻状态,且强度较大.(2) 2005年至2010年后寨河流域石漠化程度减轻、未发生变化以及加重的面积分别为4.23 km2、25.736 km2、20.81 kim2,各部分面积占比分别为8.3％、50.7％、41％.(3)2010年至2015年后寨河流域石漠化程度减轻、未发生变化以及加重的面积分别为31.87 km2、16.57 km2、6.85 km2,各部分面积占比分别为57.6％、30％、12.4％.(4)石漠化区域的坡度、地表反照率主要集中在2°-22°、0.12—0.21之间,而且随着坡度值的增加,潜在石漠化、重度石漠化面积占比增高,轻度石漠化和中度石漠化面积占比降低,随着地表反照率增加潜在石漠化、轻度石漠化面积占比增高,重度石漠化面积占比降低.综上所述,在2005年至2015年间,后寨河流域石漠化演变因贵州省2008年至2010年开始实施退耕还林还草等石漠化综合治理工程而呈现先恶化,后减轻的状态,同时通过对该区域石漠化分布与地表反照率、坡度的相关分析发现,地表反照率和坡度可以作为石漠化研究的辅助表征因子和驱动因子.

蒸散发是土壤-植被-大气系统中水循环和能量交换的主要组成部分,准确估算区域蒸散发对农业用水调度与水资源的管理至关重要.利用MODIS数据产品结合地面气象站的观测资料,基于能量平衡原理建立的SEBAL(Surface Energy Balance Algorithms for Land)模型对西北农牧交错带2015年生长季(4-10月)的地表蒸散发量进行反演研究,并用Penman-Monteith(P-M)公式结合作物系数对模型的估算结果进行对比,结果表明:SEBAL模型估算结果与P-M公式之间的平均绝对误差为0.79mm/d,均方根误差为0.94mm/d,R2=0.76,整体反演值偏高,但基本能满足本地区的研究需求.生长季区域日均蒸散发的变化范围为0.12-10.66mm/d,日蒸散量均值为4.31mm/d,呈东北、西南部较高,西部偏低的空间分布特征.将蒸散发估算值与地表特征参数统计分析发现蒸散发与NDVI和地表净辐射之间呈正相关,与地表温度和地表反照率之间呈负相关;不同土地利用/覆被类型的日蒸散发量由大到小依次为:耕地、林地、未利用地与草地.

地表反照率是地表能量和水文循环的关键要素.本研究基于2013-2015年对北京奥林匹克森林公园城市绿地生态系统气象要素的连续观测,探讨城市绿地生态系统地表反照率的动态及其影响因素.结果 表明:地表反照率日变化为08:30-12:00逐渐减小,12:00-17:00比较接近,早晨与下午的反照率差异为0.03,地表反照率日变化不对称的主要因素是早晨植物叶片表面的露水;地表反照率的季节变化特征为冬季(0.15)＞春季(0.13)＞秋季(0.12)＞夏季(0.11),在生长期内,地表反照率受空气温度和土壤含水量的共同影响;在展叶期,地表反照率主要受空气温度的影响,与空气温度呈线性负相关,而与土壤含水量没有相关性;在完全展叶期和落叶期,地表反照率受空气温度和土壤含水量共同的影响,与空气温度和土壤含水量均呈负指数相关,但当空气温度大于24.0℃时,空气温度对其无影响.

土壤水分是地表和大气循环的纽带,对植被生长和高效农业灌溉起着关键作用.以石羊河流域为研究区,采用植被覆盖度/表面反照率梯形特征空间散点图计算裸土反照率,减少植被对遥感获取土壤水分误差,以提高遥感土壤水分估算精度.同时通过稳定性、空间自相关和地理探测器等分析了SM的空间格局及其影响因素.结果表明:(1)裸土反照率模型在石羊河流域的SM反演精度较高,为流域尺度的SM计算提供了新的方法思考.(2)SM具有明显的空间自相关性,Moran's值为0.88(Z-score= 1852.94,P ＜0.01),上游林地高-高聚集,下游荒漠低-低聚集,且SM与FVC显著相关(P ＜0.01).(3)石羊河流域年内SM稳定性整体良好,其中稳定性好和较好区域占研究区88.34％. (4)SM空间分布受多因子影响,各因子解释能力存在显著差异,其中植被覆盖度＞土壤类型＞高程＞土地利用,且因子间交互作用增强了对SM空间分异的解释力.(5)不同土地利用类型的SM差异较大,其中未利用地大部分SM小于7％;草地和耕地SM居于中等水平,SM值为7％-15％;林地水平最高,SM值大于25％.

喀斯特地区石漠化对当地社会经济的可持续发展有严重的阻碍作用,因此,研究喀斯特石漠化时空特征及演变规律,对石漠化治理有着重要的意义.以西南八省为研究区,利用归一化差分植被指数(Normalized Difference Vegetation,NDVI)、净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)、地表反照率(Surface Albedo)和坡度(Slope)数据,借助ArcGIS等软件平台,分析石漠化在不同的坡度、土地利用和生态保护区内的变化.结果显示:(1)轻度和中度石漠化是西南主要的石漠化类型.从空间分布来看,石漠化发生分布面积最广的是贵州,其次为云南和广西.(2)从不同土地利用来看,2000-2015年间无石漠化面积最多,潜在石漠化次之.石漠化主要发生在耕地和林地两种土地类型上,其他用地上石漠化发生面积最少,但是极重度石漠化在其他用地上的发生比例很大,平均在11％左右.(3)从不同坡度来看,石漠化严重程度不随坡度的增加而加剧,在坡度6°-25°之间石漠化发生面积最大.(4)从生态保护区来看,2000 和2015 年西南喀斯特生态保护区是石漠化面积分布最多的区域,分别为27481.86 km2 和21738.65 km2.最少的是大别山山地生态功能保护区,从变化量来看,增加最多的是三峡库区,增加1641.22 km2,减少最多的是西南喀斯特生态功能保护区,减少5743.22 km2.(5)利用NPP、NDVI、地表反照率和坡度能较精准的反演石漠化,其反演权重依次为0.33、0.42、0.15 和0.1.研究时段内,西南生态环境逐渐得到改善.

以石羊河流域下游甘肃省民勤县为研究区,选取1995、2000、2005、2010、2015、2018年6期遥感影像作为数据源,利用RS和GIS理论和方法,基于归一化植被指数(NDVI)和地表反照率(Albedo)建立Albedo-NDVI特征空间,构建荒漠化差值指数,对民勤县荒漠化动态变化进行分析.结果 表明:石羊河流域下游地区荒漠化面积占民勤县总面积的90％以上,绿洲零星分布在大面积荒漠化土地中,以中度荒漠化为主,占全县总面积的70％以上;1995-2018年间,民勤县荒漠化面积整体呈减少趋势,年均减少面积为22.06 km2,年均减少0.1％.研究期间,该县各类荒漠化面积减少与扩张并存,重度、中度、轻度、微度荒漠化面积的动态度分别为-1.5％、0.2％、-0.9％、3.8％,说明荒漠化严重程度降低;研究区荒漠化总体处于稳定状态,未发生大面积并且趋势较为明显的荒漠化过程,荒漠化治理工作取得了阶段性的成果;研究区荒漠化波动下降的面积占15.2％,而波动上升的面积只占3.9％,无规律波动变化区主要分布在荒漠绿洲过渡区和绿洲边缘地区,面积达到总面积的17.7％,说明在绿洲和荒漠区交错地带,荒漠化反复变化较为活跃,是将来重点治理和修复地区之一.

作为人类活动影响气候变化的重要因素之一,土地利用主要通过改变地表生物地球物理过程和生物地球化学过程来影响气候系统.土地利用通过生物地球化学过程对气候系统的影响已得到广泛和深入研究,但对生物地球物理过程认识仍不足,这不利于区域气候的准确评估.本研究针对经历过大规模高强度人类活动的黄土高原地区,利用地表辐射能量数据,在明确2000-2015年耕地转移情况的基础上,量化了耕地和林草地的生物地球物理差异,然后结合能量再分配因子估算了退耕还林还草的辐射和非辐射效应,最后利用非辐射效应指数(NRFI)量化了地表温度变化中非辐射效应的贡献率.结果表明:土地利用变化对地表温度变化影响的辐射效应表现为增温效应(0.05℃),非辐射效应表现为降温效应(0.21℃),非辐射效应占主导;在研究期间,生长季地表温度下降了0.17℃,非辐射效应贡献率为69.7％;地表温度变化对能量再分配因子、地表反照率和土壤热通量等敏感性不同,其中,能量再分配因子对地表温度的变化起决定性作用,使得生长季地表温度下降了0.21℃.本研究不仅为准确评估土地利用变化对区域气候影响提供理论依据,也对黄土高原地区应对或减缓气候变化的影响具有重要意义.

以大中小城市协同发展为特征的城市群已成为我国城市化发展的主要形式,城市化和农业作为城市群地区最主要的土地利用活动,其气候效应是国际研究的热点.然而过去研究多关注大城市的热岛效应,对更为普遍的农业活动以及中小城市城市化的气候效应认识十分薄弱.基于MODIS地表温度数据,以自然林地为参照,提出了一种可逐像元估算土地利用地表热环境效应的新方法,进而对比分析了我国三大城市群地区(京津冀、长三角和珠三角)城市和农业用地地表热环境效应及其驱动因子差异.结果 表明各城市群白天城市热岛效应明显,地级以上城市年平均热岛强度达3.2℃以上,但最强热岛均未发生在核心城市.夜晚热岛效应明显减弱,京津冀和长三角部分城市甚至出现冷岛效应.农业用地在白天亦表现出明显的增温效应,特别是在京津冀地区,而在夜晚除珠三角城市群外,降温效应明显,京津冀和长三角地区平均降温2.3℃和0.7℃.虽然城市用地平均增温强度大于农业用地,但农业用地因面积优势对区域温度变化起控制作用.白天城市和农业用地整体导致各城市群温度明显增加,京津冀增温最高(4.0℃),夜晚二者导致长三角和京津冀地区平均温度降低.研究还发现各城市群城市和农业用地地表热环境效应时空异质性极大,主要受植被、地表反照率、气候背景和人口密度控制.本文对制定缓解气候变化的土地利用策略具有重要的指导意义.