地球关键带的各个界面是有机碳发生剧烈分解转化的场所,探讨关键带有机碳的动态变化、归趋及其控制过程,是揭示地表流域中物质运输和能量传递规律的重要基础,对维持生态系统平衡具有重要意义.本文介绍了国内外关于流域不同关键带有机碳的研究方法、来源、储量及其动态、周转过程等地球化学特征的研究进展,以及现有研究存在的问题.建议将典型关键带作为一个整体来研究,综合使用多种技术方法,将短期高频次观测和长期定位观测研究相结合,在典型小流域开展多界面、多过程、多时间尺度的长期同步观测和系统研究,揭示控制关键带有机碳地球化学循环的关键因子及其作用机制.同时重视长时间尺度下有机碳循环对全球变化和人类活动的响应及反馈机制;分析不同人为活动下,大气-植物-凋落物-土壤-河流之间的碳交换特征及流域有机碳动态变化规律;定量区分环境变化和人类活动对关键带有机碳地球化学行为的影响,为碳循环模型优化及气候变化预测提供科学依据.

近50年来,以中国为代表的发展中国家快速城市化过程所引起的生态环境问题直接导致了城市地表热环境的剧烈变化.当前,采用定量化的研究方法开展城市地表热环境研究已成为国内外城市生态环境与气候领域的研究热点之一.因此,厘清城市地表热环境的研究进展对于今后更好地开展城市空间热环境定量评价研究以及进一步促进城市可持续发展具有重要的现实意义.在对城市空间热环境和城市热岛等相关概念、主要研究方法和数据获取方式进行简要叙述的基础上,着重从城市地表热环境的时空特征及其变化、驱动力和驱动机制、城市地表辐射与能量平衡、城市地表热岛与城市大气热岛的关系及其演变规律、城市绿地和水体对城市热岛效应的缓解、城市地表热岛的尺度转换等6个主要方面对当前国内外已开展的城市地表热环境研究进行了归纳总结,并就当前研究过程中存在的问题以及未来的研究重点进行了探讨,以期为今后更好地开展城市地表热环境定量化研究提供参考.

植被在全球变化中影响着地-气系统的能量平衡,是自然和人文因素对环境影响的敏感指标.分析地表植被的覆盖现状并探究影响植被变化的驱动力因素对区域生态恢复以及区域经济发展和区域生态文明建设都有促进作用.本研究基于中分辨率成像光谱仪-归一化植被指数(MODIS-NDVI)数据,结合宝鸡11个气象站的气温和降水量实测数据、净初级生产力(NPP)以及宝鸡统计年鉴数据,采用趋势分析方法、Pearson相关分析法、主成分分析方法对2001-2013年宝鸡地区植被覆盖的时空演化特征进行了分析,并对自然驱动因子和人为驱动因子双重影响下的宝鸡地区植被覆盖演化状况进行了综合评价.结果显示:(1)2001-2013年宝鸡地区年均NDVI以0.025/10a的速度上升,比三北防护林工程区1982-2006年植被覆盖的增速(0.007/10a)快,且2001-2002年、2003-2004年两个年份段为年均NDVI值的两次高恢复期;(2)植被覆盖以轻度改善为主,基本不变和中度改善次之,严重退化和中度退化最弱.植被覆盖恢复状况整体上呈稳中上升的趋势(个别地区除外);(3)自然因素中的降水量和NPP是制约植被生长的主要因素.整体来看,人为因素相对于自然因素对宝鸡全区的植被覆盖影响较大,贡献率在90％左右,呈先减小后增加的趋势.

地表能量平衡问题一直是陆面过程研究中的重点和难点问题.以2014年8-10月和2015年4-6月黄土高原北部水蚀风蚀交错带柠条林地涡度相关通量观测数据为依据,分析柠条林地热储通量变化特征,在此基础上分析热储通量对能量闭合度的影响.结果表明,柠条林地各热储通量均表现出明显的季节和日变化规律.在能量平衡方程中,考虑热储通量项后能显著提高柠条林地能量闭合度,平均提高幅度为11.91％.其中,土壤表层热储通量对能量闭合度的贡献最大,占总热储通量的95.63％;光合作用热储通量和大气感热存储通量占总热储通量的比例不足5％,光合热储通量略高于大气感热存储通量;而大气潜热存储通量则降低了能量闭合度,平均降低幅度为0.06％.因此,在分析黄土高原柠条林地能量平衡中热储通量项是不可忽略的.影响柠条林地各热储通量的因素主要有太阳辐射、大气温度、土壤温度和水分.植被生长状况是影响柠条林地热储通量各分量项季节和日变化的重要因素,并对能量闭合度产生影响.

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.

蒸散是地表水热平衡的重要分量,也是陆地生态过程与水文过程之间的重要纽带,尤其在干旱区地-气相互作用、碳循环、水循环等过程所包含的物质与能量交换中占有极其重要的地位.基于Landsat 8遥感影像和资源三号影像(ZY3)的高分辨率植被信息,利用SEBS模型对西北干旱区河西走廊中段临泽绿洲北部区域地表蒸散量进行了估算,并用绿洲内部和绿洲-荒漠过渡带两个通量塔涡动相关数据对模型进行评估,分析了不同土地覆盖类型对蒸散量空间分布的影响.结果 表明:(1) SEBS模型模拟值与实测日蒸散值之间拟合效果较好,且在均一地表时(绿洲农田区)估算精度更高(R2=0.96,P＜0.001),RMSE、MAE分别为0.84 mm/d、0.56 mm/d;(2)从季节变化来看蒸散量与作物生长密切相关,夏季灌溉和降雨使得研究区水分充足,植被覆盖度高,蒸散量相应增加,在绿洲地区可达5.95 mm/d,而冬季最小仅为0.52 mm/d;(3)从蒸散量的空间变化来看,水体蒸散值最大,其余依次为农田、防护林、裸地和灌木丛,说明除水体外,随着植被覆盖的增大,蒸散量也逐渐增加.通过ZY3影像的高分辨率植被信息与Landsat 8影像热红外数据融合,提高了SEBS模型对该区域蒸散量的模拟效果,增进了我们对绿洲下垫面与大气间水热交换规律、水文过程、生态-水文相互作用的深入理解.

城市的三维空间形态,通过影响地表能量平衡过程和空气流动,改变城市内部热环境,并可能加剧城市热岛效应.在三维空间上定量解析格局-过程-效应关系对于城市生态安全和可持续发展具有重要意义,可为城市生态规划与景观设计提供重要科学依据.从城市三维形态的热环境效应研究角度,综述了城市三维形态的定量化研究进展;总结了城市三维形态对热环境以及空气流动、太阳辐射等过程的影响;分析了当前城市三维形态的热环境效应研究领域存在的不足.未来的研究应注重建筑与植被三维特征的综合表征,三维形态指标的选择应综合考虑其对设计规划的指导作用,并加强城市三维形态对热环境影响机理及其尺度效应的研究.

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.

积雪是全球气候变化的重要指示器,也是中国西北干旱地区重要的淡水资源.卫星遥感由于具有大面积短周期重复观测等特点,已经成为积雪识别与面积变化监测的重要手段.与Landsat TM相比,Sentinel-2影像具有更高的辐射分辨率、光谱分辨率和空间分辨率以及更高的时间分辨率,成为积雪研究的重要数据源.然而,在中小尺度,高分辨率卫星辐射亮度值不仅受大气水汽、气溶胶等大气衰减,受地形遮蔽、坡度、坡向等地形因素的影响,同时也受地表二向反射分布函数(BRDF)影响,从而使得地表信息失真.本文以中国天山中段为研究区,选择2017年5月-2018年4月共20时相Sentinel-2影像,基于数字高程模型(DEM),利用山地辐射传输模型考虑地表BRDF特性基础上对其同步进行大气校正与地形校正预处理,然后综合利用归一化差值积雪指数(NDSI)以及积雪在绿波段、近红外波段的反射率阈值法精确提取积雪覆盖信息,有效剔除了水体、浓密植被、阴影和辐射亮度较低像元对积雪识别的影响.同时,结合历史天气资料,重点分析了1年内研究区积雪面积变化特征.本研究对积雪消融引起的地表反射率和能量平衡变化以及陆地生态环境等研究具有重要意义.

了解流域水文过程(水量和水质)是流域综合管理的基础.城市化引起的生态环境问题已成为目前和未来一段相当长的时期内人类社会面临的重大问题.然而,城市化(土地利用/覆被变化、新污染物产生)、水文(降水、入渗、蒸散、径流过程)和生态系统服务(产水服务、调节气候、土壤保持、初级生产力、维持生物多样性等)在不同时空尺度之间的相互作用还存在知识空白.从城市化对流域生态系统结构和功能的影响、城市化对地表能量平衡与水量平衡的影响、城市化对水质和水生生物的影响、以及城市土地利用/覆被变化的大气环境效应等多方面系统总结了城市化影响流域生态水文过程的研究进展.研究发现,城市"热岛"、"干岛"、暴雨径流引起的城市内涝、水污染等环境现象都与生态水文过程密切相关.强调现代城市规划需要遵循生态水文学规律,从全流域生态系统角度认识近年来新出现的不同尺度的城市环境效应.城市最佳管理措施应以流域为单元实施,以调节土地利用/覆被、保护湿地(包括自然与人工湿地)为手段,充分发挥自然生态系统调节功能(如植被蒸散和净化水质).未来城市生态水文学应围绕"低影响开发"以及"基于自然的解决方案"等城市流域管理措施,在稳定城市小气候、缓解洪涝干旱等极端水文气象灾害风险以及减轻城市水污染等方面开展多尺度综合研究.