为了实现水源涵养量计算和不同功能的综合评估,基于分布式水文模型(WEP-L)提出了一种新方法,即利用WEP-L模型计算次降水过程中降水量和地表产流、冠层截留量的差值作为水源涵养量,并分别评估削洪(地表径流量)、补枯(地下径流量)、维持植被生态系统用水(植被蒸腾量)等不同水源涵养功能的评估方法.为了验证该方法的合理性,以渭河流域咸阳站以上区域为例,对比了该方法和InVEST模型方法的计算结果,由于两种方法在评估内容和使用模型上都存在差异,为了保证计算结果的可比性,先对比了基于相同评价内容的WEP-L模型法Ⅰ和InVEST模型方法,再对比了基于不同评价内容的WEP-L模型法Ⅰ和WEP-L模型法Ⅱ,结论如下:基于相同评价内容的WEP模型法Ⅰ和InVEST模型法计算结果数值接近,研究区2000-2018年水源涵养量年均值分别为12.43 mm(5.76亿m3)和12.08 mm(5.6亿m3),两种方法所得结果空间分布特征相似,稍有差异之处与InVEST模型的参数没有经过本地化处理有关;基于不同评价内容的WEP-L模型法Ⅰ和WEP-L模型法Ⅱ计算结果数值相差较大,研究区2000-2018年水源涵养量均值分别为12.43 mm和432.57 mm,空间分布特征上有差异的地方分布于研究区的北部、东部及东北部,主要与两种方法评价时是否考虑蒸散发有关.WEP-L模型法Ⅱ评估结果中削洪、补枯、维持植被生态系统用水等功能多年变化趋势分别为:2006-2010年期间增加、2012年以后下降以及增加.2012年后补枯功能和维持植被生态系统用水功能之间可能存在权衡关系.通过不同方法计算结果差异原因分析,证明了基于WEP-L模型的不同涵养功能评估方法的合理性,其结果也可为渭河涵养区水资源和生态保护策略的制定提供更多依据.

青藏高原高海拔引起的地形、气候和土壤空间差异造就了其独特的植被类型及其空间变化,当前研究缺乏针对青藏高原全域范围内各植被类型特征和环境差异的定量与系统性分析.针对青藏高原特殊的地理环境和植被类型,选用植被、地形、土壤、气候 4 个维度共计 58 个空间化指标,采用频数分布统计方法对这些指标开展了定量分析,系统揭示了青藏高原全域范围内各主要植被类型的特征及环境差异.通过定量分析发现,大部分的环境及植被特征指标对青藏高原各主要植被类型的区分度较高,其中,遥感归一化植被指数、植被净初级生产力、裸地覆盖度、海拔、土壤温度、年最低温度、年总蒸散发 7 个指标对青藏高原各主要植被类型的区分度较高.揭示的青藏高原各主要植被类型的特征及环境差异,可提高灌丛和草地之间、各草地类型之间、高山苔原-垫状-稀疏植被与其他植被类型之间的可区分性,有助于解决青藏高原植被精细分类中广泛存在的灌丛和草地区分、草地类型细分、高山苔原-垫状-稀疏植被识别和山地垂直地带植被识别四个难点问题.研究结果一方面可服务于青藏高原的植被精细分类,另一方面也可服务于青藏高原的自然地带划分、生物多样性和生态系统功能评估、地表物质循环研究等.

遥感技术能够客观、定量地评价地表城市热岛强度的时空变化,分析城市热岛的影响因素,为城市生态建设提供有效的科学参考.本研究基于GEE(Google Earth Engine)平台,以长时间序列的MODIS卫星资料为基础数据源,使用城乡二分法估算长江经济带2003-2019年的城市地表热岛强度,再利用城市热场变异指数评价生态环境,并利用地理探测器进行城市热岛成因分析.结果表明:长江经济带5个城市群2003-2019年全年平均气温为22.78 ℃,白天为23.91℃,夜间为7.59 ℃,平均温度整体上均呈上升趋势,分别为0.02、0.02和0.006 ℃·a-1.长江经济带5个城市群17年无热岛占比最高,弱热岛和弱冷岛占比次之,强热岛占比最少,且城市热岛全年、白天和夜间都呈现下降趋势.长江经济带整体的生态评价为优.地理探测器因子探测表明,DEM、土地覆盖类型、03是长三角城市群热岛效应的主控因子;蒸散发量、紫外线气溶胶吸收指数、人口密度是长江中游城市群热岛效应的主控因子;归一化植被指数、夜间灯光指数、土地覆盖类型是成渝城市群热岛效应的主控因子;归一化植被指数、DEM、CO是黔中城市群热岛效应的主控因子;蒸散发量、03、NDVI是滇中城市群热岛效应的主控因子.

内蒙古干旱区是我国高原生态屏障的重要组成部分,其生态环境直接关系我国北方生态安全.为了解研究区生态系统蒸散发分割对于干旱的响应,本研究利用涡度相关数据构建SiB2模型,对植被蒸腾(T)、地表蒸散发(ET)等变量进行模拟,同时分别基于通量站涡度相关数据和SiB2模型模拟计算蒸腾与蒸散发比值(蒸腾比,T/ET).结合标准化降水蒸散发指数(SPEI),分析研究区不同干湿条件下蒸散发及蒸腾比的变化.结果表明:研究区蒸散发受干旱影响显著,蒸散发量与干旱程度呈负相关,在严重干旱或极端干旱时,干旱对蒸散发的影响滞后时间增长;根据SiB2模型计算的研究区2003-2012年蒸腾比与干旱程度相关性较强,在较为湿润的年份(2003),T/ET达到最高值0.64,表明此时植被蒸腾在陆地蒸散发中占据主导地位;在较为干旱的年份(2005),T/ET值为0.39,表明在干旱胁迫下植被蒸腾减少,土壤蒸发占蒸散发量的主导地位;在持续干旱情况下,T/ET和ET的波动范围均较小,表明植被在干旱情况下能根据外界环境进行自我调节,对维持生态系统稳定有一定的作用.研究结果对于推动区域水资源合理配置、提高干旱区水分利用效率具有一定意义.

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.

采煤塌陷引起的土壤环境因子的变化对矿区植物生长的影响越来越受到人们的关注,气孔导度、蒸腾与光合作用作为环境变化响应的敏感因子,研究植物气孔导度、蒸腾与光合作用的变化是揭示荒漠矿区自然环境变化及其规律的重要手段之一.研究采煤塌陷条件下植物光合生理的变化是探究煤炭开采对植物叶片水分蒸腾散失和CO2同化速率影响的关键环节,是探讨采煤塌陷影响下植物能量与水分交换动态的基础,而采煤矿区植物叶片气孔导度、蒸腾与光合作用速率对采煤塌陷影响下土壤含水量变化的响应如何尚不清楚.选取神东煤田大柳塔矿区52302工作面为实验场地,以生态修复物种柠条为研究对象,对采煤塌陷区和对照区柠条叶片气孔导度、蒸腾和光合作用速率以及土壤体积含水量进行监测,分析了采煤塌陷条件下土壤含水量的变化以及其对柠条叶片气孔导度、蒸腾与光合作用速率的影响.结果显示:(1)煤炭井工开采在地表形成大量裂缝,破坏了土体结构,潜水位埋深降低,土壤含水量均低于沉陷初期,相对于对照区,硬梁和风沙塌陷区土壤含水量分别降低了18.61％、21.12％;(2)柠条叶片气孔导度、蒸腾和光合作用速率均与土壤含水量呈正相关关系;煤炭开采沉陷增加了地表水分散失,加剧了土壤水分胁迫程度,为了减少蒸腾导致的水分散失,柠条叶片气孔阻力增加,从而气孔导度降低,阻碍了光合作用CO2的供应,从而导致柠条叶片光合作用速率的降低,蒸腾速率也显著降低.

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.

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％.

水分收支是对水循环要素降水、蒸发蒸腾、径流以及土壤贮储水量变化等的定量刻画,对水资源的可持续开发及利用至关重要.基于黑河流域阿柔观测站2014和2015年水文气象观测数据,运用水量平衡理论,定量的评估了高寒草甸生态系统的水分收支动态,并结合双源模型对高寒草甸生态系统蒸散发(植被蒸腾和土壤蒸发)进行拆分及评价.研究结果表明(1)在生长季(5-9月)植被蒸腾是高寒草甸生态系统主要的耗水形式,2014和2015年生长季平均蒸散比(T/ET)分别为0.74和0.79;(2)土壤水分的剧烈变化主要发生在0-40 cm处,且受冻融过程影响显著;(3)在降水较多的年份(2014)高寒草甸生态系统水分收支基本平衡,且不受冻融影响的月份(6—9)有地表径流产生约42 mm;在正常年份(2015),生态系统呈现水分亏缺,亏缺量约为134mm,6-9月约亏缺26 mm;(4)模型估算蒸散发(ET)与实测蒸散发具有很好的一致性,相关系数可达0.90,敏感性分析表明模型输入变量对蒸散发(ET)及蒸散比(T/ET)产生的误差较小,双源模型可以很好地实现对高寒草甸生态系统蒸散发(ET)的拆分.

青藏高原发育着世界上独一无二的大面积的高寒湿地,在气候调节、水源补给等方面发挥着极其重要的作用.因其独特的地理环境,它也成为了全球气候变化的敏感区、预警区,已引起国内外学者的高度关注.本文综述了近30年来青藏高原主要湿地类型在湿地面积、湿地土壤、湿地水文、湿地动植物等要素方面的变化及其驱动因子,并提出青藏高原湿地研究的重点方向.青藏高原气候变化的基本特征是变暖和变湿;湿地面积在1970-2000年总体呈现减少态势;2000年后,湿地萎缩态势减缓,面积呈现出一定程度的增加;湿地土壤表层湿度降低,碳排放能力增大,植被覆盖呈现退化趋势;气温升高、地表蒸散发量增大、降水量增加、鼠害增加等是导致青藏高原湿地变化的主要驱动力,同时还受牲畜数量增加、资源开采、道路工程建设等人为影响;受青藏高原特殊的地理位置和自然条件限制,高寒湿地研究缺乏基础数据支撑,未来应主要集中在应用遥感技术和长期定位监测手段收集基础数据资料,开展相关机制研究.