近几十年来,嫩江流域湿地大面积萎缩、土地盐碱化严重,干旱频发,严重威胁生态安全、水环境安全和社会经济可持续发展.为量化嫩江流域干旱对生态系统的影响,利用标准化生态缺水指数(SEWD1),结合旋转经验正交函数、累积和曲线和Pearson相关性分析法分析嫩江流域1980-2017年生态干旱的时空演变规律,并利用游程理论提取生态干旱特征.结果表明:(1)生态干旱与影响因子间的相关系数排序为相对湿度＞归一化植被指数＞径流＞降水＞气温,其中生态干旱和相对湿度相关系数最大且大于0.5,呈现显著相关性,其余因子的相关系数均小于0.5,呈现低度相关性;(2)从SEWDI变化曲线上看,1980-1999年干湿交替呈现出一定的周期性,生态干旱以轻旱和中旱为主,总体呈加剧趋势;2000-2017年极端干旱和极端湿润事件频发,生态干旱总体呈缓解趋势.从累积和曲线上看,1980-1995年为嫩江流域生态干湿状态的正常波动时期,1996-2009年为嫩江流域生态干旱期,2012-2017年为生态湿润期;(3)生态干旱的干旱历时和烈度显示流域西南部严重程度较大,长期干旱风险较高,而流域北部干旱强度较大,较易发生单次较为严重的短期干旱.

不同坡向、不同海拔树木生长对极端干旱事件的响应可能不同,然而这方面的认识不足.为此,选取西藏东部珠角拉山阴、阳坡的建群树种川西云杉(Picea likiangensis var.rubescens)和大果圆柏(Juniperus tibetica),在不同海拔高度建立了树轮宽度年表,分析了径向生长的气候响应,以及对极端干旱事件的抵抗力和恢复力.结果表明:阳坡大果圆柏和阴坡川西云杉的树木生长对气候的响应存在相似性,均与前一年 3-6月、11-12 月气温显著正相关,与当年 4-5月气温显著负相关,与当年 4-5 月降水和帕尔默干旱指数(PDSI,Palmer Drought Severity Index)显著正相关(P＜0.05).阳坡大果圆柏的抵抗力显著低于阴坡川西云杉.随着海拔升高,阴坡川西云杉树木个体的抵抗力和恢复力均显著提高,而阳坡大果圆柏树木个体抵抗力、恢复力在不同海拔无显著区别.结合混合效应模型表明树木抵抗力主要受当年 4-5月平均最高气温限制,树木恢复力主要受干旱事件后四年 4-5月平均最高气温限制(P＜0.01),说明生长季高温引起的极端干旱是树木径向生长下降的主要原因.

随着极端气候事件频率和强度的增加,植被物候正在发生深刻的变化.然而,植被枯黄期(EGS)对极端气候的响应机制目前尚未厘清,特别是对于干旱半干旱地区的草地而言.因此,聚焦我国温带草地,基于1982—2015年全球监测与模型研究工作组归一化植被指数(GIMMS NDVI3g)长时间序列数据提取草地物候参数,并分析其时空变化规律;运用随机森林模型等方法探究温带草地EGS对极端气候变化的响应特征.结果表明:(1)全区多年平均EGS主要发生于270—290儒略日(DOY),59.8％的区域呈延迟趋势,其中显著延迟(P<0.05)的区域分布在新疆天山、阿尔泰山一带和准噶尔盆地西部、黄土高原北部、呼伦贝尔高原的西部和东北小兴安岭.(2)EGS与极端气温暖极值(日最低气温的最大值、日最高气温的最大值、暖夜日数、暖昼日数)之间均以广泛的正相关关系为主;相比之下,极端降水事件与EGS之间的关系相对比较复杂,这与各草地类型自身的生理策略和所处环境密切相关.(3)整体而言,持续干旱日数、气温日较差和暖夜日数对全域草地EGS动态变化具有极大的重要性.就不同草地类型而言,温带草甸草原主要受到气温日较差的影响,温带山地草甸和温带沼泽化草甸EGS变化主要受日最高气温的最大值的影响,日最低气温的最大值和暖夜日数分别对温带草丛和温带荒漠草原的影响最大;持续湿润日数和持续干旱日数则分别对生长在水分限制地区的温带盐生草甸和温带典型草原的EGS产生强烈作用.

基于1961-2015年吉林省50个气象站资料,分析了吉林省极端气温指数的变化特征.结果表明:暖昼日数、暖夜日数、霜冻日数、暖持续日数、气温日较差、最高温极高值和最低温极高值均呈自西向东逐渐升高的空间分布特征,夏季日数、热夜日数和冷持续日数自西向东逐渐降低,冰冻日数由南向北逐渐增加.冷昼日数、冷夜日数、霜冻日数、冷持续日数和气温日较差分别以-0.75 d·10 a-1、-2.34 d·10 a-1、-3.15 d·10 a-1、-1.67 d·10 a-1和-0.23℃·10 a-1的趋势显著下降;暖昼日数、暖夜日数、夏季日数、热夜日数、最低温极高值、最低温极低值、暖持续日数和生物生长季分别以0.76 d·10 a-1、1.55 d·10 a-1、2.34d.10a-1、1.62d.10a-1、0.16℃.10 a-1、0.57℃.10 a-1、0.80 d.10 a-1和3.22 d.10 a-1的趋势显著上升.大部分极端气温指数在20世纪80年代发生突变,突变后冷指数降低,暖指数上升.大部分极端气温指数的主周期为3 a左右.当经度每增加1 °,冷持续日数、夏季日数、热夜日数分别降低0.2、5.2和2.3 d;纬度每增加1°,冷持续日数、冰冻日数、夏季日数、热夜日数、最高温极高值、最低温极高值分别上升0.5d、4.2d、5.3d、2.3d、0.7℃、0.5℃;海拔每增加100 m时,冷持续日数、生物生长季、夏季日数、热夜指数分别降低0.4、1.8、5.8和2.9 d.

针对研究区的生态环境特征(风力侵蚀、沙漠化、盐渍化严重、水力侵蚀严重),引入了大尺度景观格局指数(香农均匀性指数和蔓延度指数)和极端气候指数(极端高温日数、极端低温日数和极端降雨日数),构建了北方半干旱荒漠草原生态区生态脆弱性评价体系,进而分析和探讨了该地区近13年的生态脆弱性时空变化格局和驱动机制.结果表明,北方半干旱荒漠草原生态区的生态脆弱性总体上属于中度脆弱状态,呈现自西向东递减的趋势.2000-2013年,北方半干旱荒漠草原生态区生态脆弱性呈现减小趋势.近13年北方半干旱荒漠草原生态区的生态脆弱性时空变化格局受GDP密度、气温、降水、地形等因子影响显著.这些为北方半干旱荒漠草原生态区的生态环境修复及保护提供重要的科学支撑.

基于1960-2014年65个气象站点逐日最高、最低气温和平均气温资料,分析了长江三角洲地区极端气温事件的变化规律和ENSO事件强度对极端气温指数变化趋势的影响.结果表明:近55年长江三角洲地区夏季日数(SU)、热夜日数(TR)、暖昼日数(TX90)、暖夜日数(TN90)、异常暖昼持续指数(WSDI)、生长期(GSL)均呈增加趋势,其中暖夜日数(TN90)增加幅度最大,增幅为8.55d/10a;极值指数也呈上升趋势,其中月最低气温极小值(TNn)上升幅度最大为(0.53℃/10a);冰冻日数(ID)、霜冻日数(FD)、冷昼日数(TX10)、冷夜日数(TN10)、异常冷昼持续指数(CSDI)均呈减少趋势,其中冷夜日数(TN10)减少幅度最大(-6.06d/10a);月平均日较差(DTR)以0.11℃/10a的速率呈下降趋势.空间上,所有站点SU、TXn、TNx呈增加趋势;TR、TX90、TN90、TNn、TXx、WSDI、GSL分别有97％、85％、98％、95％、78％、92％、94％的站点呈增加趋势;所有站点ID、FD、TX10、TN10呈减少趋势;CSDI、DTR分别有87％、77％的站点呈减少趋势.多数极端气温指数与纬度、经度、海拔显著相关.气候变暖突变后,极端暖指数明显增加,极端冷指数明显减少.总体上,厄尔尼诺对极端气温指数的影响大于拉尼娜的影响.

认识区域水沙运移规律及其对气候和土地利用变化的响应能够为水土流失防治提供理论依据,是水土资源综合开发的重要前提.本研究以1963-2013年逐月实测气象、径流和泥沙资料为基础,结合20世纪80年代和2000年土地利用数据和归一化植被指数(NDVI)数据,采用Mann-Kendall趋势分析和突变检验方法,系统分析了西北干旱区典型小流域——小南川流域的气候和水沙长期变化特征,并识别了研究区土地利用及植被覆盖度变化特征.在对单要素变化充分解析的基础上,利用多元线性回归等方法,定量探讨了气候和土地利用变化对小南川流域水沙运移的影响机制,并明确了关键作用因子.结果表明:小南川流域气温向两极化发展,降水量逐渐增加,总体气候变化趋势朝向暖湿方向,极端气候事件发生频率增加,且在20世纪90年代发生突变后,其变化速度和程度均进一步加剧.自20世纪80年代以来,随着经济社会发展,流域内耕地和城镇扩张,林地增加,自然生态环境向良性发展.在土地利用和植被覆盖度变化的主导驱动作用下,流域径流量和输沙量分别以1.7× 106m3· (10 a)-1和1.5×108 kg·(10 a)-1的平均速率呈减少趋势.定量化研究结果揭示了植被覆盖度和月平均最高气温是影响该区径流变化的最关键因子,而植被覆盖度和日最大降水量是影响输沙变化的最关键因子.在当前气候变化背景下,生态修复是防止干旱区流域水土流失的最有效途径之一.

以马尾松树轮样芯为材料,利用树木年代学方法分别建立低海拔(260 m)、中海拔(460 m)、高海拔(690 m)及阳坡(270 m)、阴坡(265 m)处马尾松标准及差值年表,将树轮宽度指数与气候因子进行相关及冗余分析,并建立马尾松径向生长量与气候要素的最优多元回归模型,分析福建将乐地区树木径向生长特征及其与气候的关系随海拔及坡向的变化规律.结果表明:该区域马尾松径向生长在海拔梯度上主要受降水量影响,在坡向水平主要受温度影响;120个气候变量中,上年12月降水量及当年2月极端最低气温分别在海拔及坡向处与马尾松径向生长呈显著负相关.该研究定量描述气候变化对亚热带地区马尾松径向生长的影响,为气候变暖背景下将乐地区马尾松林的栽植及管理提供科学依据.

科学评价生态环境的脆弱性,对合理利用土地资源和促进区域生态安全具有重要意义.以公里格网为基本评价单元,以快速城市化区域典型代表南昌市为研究区,通过SRP概念模型构建评价指标体系并选取17个评价指标,基于空间主成分分析法、全局Moran's I指数以及LISA聚类图,量化分析了2000-2015年南昌市生态环境脆弱性的时空分布特征及驱动力.结果 表明:(1)2000-2015年南昌市生态环境脆弱性呈现由轻度脆弱向中度脆弱演变的趋势;(2)2000-2015年南昌市各县(区)生态环境脆弱性差异明显,东湖区、西湖区、青山湖区、青云谱区、湾里区脆弱性程度最高,其他县(区)脆弱性增幅较大;(3)2000和2015年南昌市生态环境脆弱性具有明显的空间自相关性,且为正相关,高高聚集区主要分布在极度脆弱区,低低聚集区与微度和轻度脆弱区相关;(4)研究时段内,南昌市生态环境脆弱性主要驱动力为人口密度、人均GDP、人均耕地、坡度、地形起伏度、年均气温、极端最高温、极端最低温、年均降水量.

基于2000-2017年MOD13Q1植被指数产品和极端气温、降水指数,分析川渝地区生长季NDVI的时空变化特征,并借助相关分析和Lasso回归模型探讨NDVI与极端指数的关系.结果 表明:川渝地区NDVI均值为0.6134,呈现出0.033(10 a-1)的变化趋势;东部地区NDVI值和变化率均高于西部地区,成都市和重庆市NDVI值及其变化率相较于周边地区明显偏低;川渝地区东西部的交界地带和东部及其偏北区域对极端气候指数的响应表现较为明显,除冷昼日数和单日最大降水量以外,其余极端气温、降水指数均与NDVI呈正相关,其中平均气温与NDVI正相关面积占比最广,为81.79％,而冷昼日数与NDVI的负相关面积占比最大,为76.57％.Lasso回归模型计算得到的预测值与遥感提取的NDVI值具有很好的一致性(R=0.81),模型对相关性结果进行验证的同时还弥补了相关分析仅考虑单个极端指数的不足.川渝地区NDVI受气温的影响比降水更显著,且以正相关关系为主,短期内强降水不利于植被的生长.