中国草地资源的现状分析

中国草地面积广阔,自然资源丰富,准确评估草地资源既是合理开发和利用草地的基础,也对生态环境的保护具有重要意义.但是,关于中国草地面积、生产力和承载力等本底数据至今为止尚没有系统的梳理.本文收集、整理了过去几十年来我国草地资源研究的各类数据,并利用1982~2011年的遥感影像(NOAA/AVHRR-NDVI)和气候数据重新估算了我国天然草地生物量和生产力及其近30年的变化.由于草地的定义、数据来源和分析方法不同,现存资料对中国天然草地面积的估算差异很大,变动范围达2倍以上(1.67×10~6~4.31×10~6 km~2),这些资料也表明,我国目前的天然草地面积在2.80×10~6~3.93×10~6 km~2之间比较合适.草地生物量的估算值也存在显著差异,平均地上生物量在79~123 g m~(-2)之间,但本文对最近30年(1982~2011年)天然草地地上生物量的重新估算结果为178 g m~(-2),在此期间平均每年增加0.4 gm~(-2).我国天然草地平均净初级生产力的估算差异更大,为89~320 g Cm~(-2)a~(-1)(平均176 g Cm~(-2) a~(-1)),但许多研究都发现近年来有增加趋势.而基于过去30年平均气候估算,我国天然草地的潜在生产力可高达348 gCm~(-2) a~(-1).另一方面,我国人工草地面积比较小,约为2.09×10~7 hm~2,但生产力高,可达天然草地的2.7~12.1倍.由于我国对天然草地缺乏有效管理,加上人工草地的比例低,目前我国草地对放牧家畜的承载力比较低,很多地方的超载现象较为严重,平均超载率估计为20%.此外,降水的不足始终是影响我国草地生物多样性、生物量和生产力的重要因素,进一步探讨气候变化和过度放牧等人为活动对我国草地资源的数量和质量的影响是十分必要的.     

德令哈地区树轮宽度指数与草地植被指数的关系

利用德令哈地区五条祁连圆柏树轮宽度指数序列和1982~2001年逐月NOAA/AVHRR的标准化植被指数(NDVI)数据及气候数据, 在分析树轮指数及草地NDVI与气候因子关系的基础上, 探讨了祁连圆柏树轮宽度指数序列与草地NDVI之间的关系. 结果表明, 德令哈地区树轮宽度指数及草地NDVI深受6月份的水热状况, 尤其是降水的影响, DLH1~DLH5五条序列与草地6~9各月NDVI有显著的相关关系, 其中与8月份的NDVI相关性最强. 五条序列的第一主成分(PC1)与草地生长季各月NDVI值及生长季NDVI均值间存在显著的线性关系, 祁连圆柏树轮指数和草地NDVI变化的一致性体现了德令哈地区不同类型植被对水分胁迫的一致响应. 树轮指数与草地NDVI间的显著相关性为研究该地区草地过去的动态变化提供了基础, 本研究利用PC1重建了德令哈地区草地8月份NDVI的千年变化.     

中国植被覆盖对夏季气候影响的新证据

利用1981~1994年NOAA/AVHRR的归一化植被指数(NDVI)资料和中国160个标准气象台站的气温、降水资料, 对我国不同区域植被对气候的影响做了滞后相关分析. 结果表明, 在多数地区前期NDVI与后期降水存在正的相关, 同时这种滞后相关存在明显的区域差异. 上年冬季NDVI与夏季降水以华中和青藏高原地区的相关最明显, 而春季NDVI与夏季降水则以东部干旱-半干旱区和青藏高原的相关更明显. 在这3个地区植被的变化对气候有更敏感的作用, NDVI与降水的滞后相关也表明植被覆盖在年际尺度上对后期降水有一定的影响. 前期NDVI与温度的相关比较复杂, 同时温度较之降水对植被的滞后响应更弱一些, 可能与温室气体造成的全球变暖部分地掩盖了这种相关有关.     

中国潜在湿地分布的模拟

潜在湿地分布的空间信息对于提高湿地制图精度、理解湿地空间分布的变化规律以及制定湿地恢复政策等都具有重要意义.地形特征对湿地的分布具有决定作用,通过采用滤波方法识别真实洼地,并结合气候降水和蒸发资料,提高了地形特征(气候地形指数)的模拟精度;基于气候地形指数的空间分布特征及其与潜在湿地分布的时空关系,采用众数统计方法,模拟中国潜在湿地分布.该方法不仅具有一定的物理基础,而且避免了复杂分布式参数的获取和模型的数值求解,更适用于大尺度湿地分布研究.基于多年的气象数据资料的模拟结果表明:中国潜在湿地约为58.18×104 km2,其中沼泽湿地面积约为32.50×104 km2,水体面积约为25.68×104km2,主要分布在西北部的青藏、新疆地区,东北部内蒙、黑龙江和吉林地区,以及华北平原和长江流域.与已有湿地模拟结果对比表明:模拟结果在空间分辨率(90 m)和精度方面都有所提高;与全国湿地调查结果在空间分布格局上具有较高的一致性.该结果为进一步提高湿地遥感制图精度、制定湿地恢复策略等提供了重要的支撑.     

中国西部地区地表植被覆盖和积雪覆盖变化对沙尘天气的影响

自然正交(EOF)分解生成的80 km×80 km归一化植被指数(NDVI)显示, 自1982~1994年间中国西部区域地表植被覆盖率呈增加趋势, 1995年前后, 地表覆盖状况有下降趋势, 地表覆盖变化存在很大的空间差异. 其中第一、二特征向量时间系数可以很好地反映中国西部区域局地植被覆盖率的年变化. 通过NDVI与西部区域沙尘暴、扬沙、浮尘年发生频次相关分析得出, 地表植被的年变化是影响沙尘等灾害性天气发生的最主要地表特征因素. 同时, 相关分析显示, 在西部部分地区, 降雪量也是影响沙尘天气的重要地表特征因子. 采用遥感数据、气象观测数据, 通过数理分析方法, 直接证明了中国西部地区地表植被、积雪覆盖变化对沙尘天气发生频次的影响.     

呼伦贝尔农垦集团草畜平衡状况与粮经饲配置模式

加快生态草牧业建设以提升草原生态承载力、促进草畜动态平衡,是实现农牧场畜牧业增产和牧区可持续发展的重要举措.本文以呼伦贝尔农垦集团24个农牧场为研究区,基于MODIS,Landsat TM/OLI和高分2号等遥感数据和农牧场草牧业年度报表数据,应用遥感解译和草地净初级生产力遥感估算模型,获取了农垦集团24个农牧场草地分布现状和退化状况,测算了各农牧场草地净初级生产力,评价了草地生态承载力和超载状况,进而提出了农牧场生态草牧业建设的粮经饲配置模式.结果表明:呼伦贝尔农垦集团24个农牧场中草地总面积的66.16%出现不同程度的退化,主要表现为草地植被生产力和盖度下降,由草原开垦等导致草地破碎化面积约占草地总面积的1.55%.遥感估算的呼伦贝尔农垦集团24个农牧场平年产草总量约为34.07万t,欠年(2001年)产草总量为27.43万t,丰年(2013年)产草总量为48.89万t.2015年农垦集团24个农牧场实际载畜量为164.19万个羊单位,理论载畜量为86.83万个羊单位,在不考虑青贮草和外购饲草料的情况下,超载率为89%,饲草缺口42.35万t.农垦集团24个农牧场现有耕地面积为3.95×103 km2,基于生态草牧业建设的理念,将其中10%的耕地开展人工草地种植,理论上相当于5.86×103 km2天然草地的产草量,完全可满足整个农垦集团牲畜饲草料需求.推行"粮、经、饲‘三元结构’、草田轮作"的生产模式,适度利用现有耕地开展粮改饲和种养结合模式,提高草地产量、有助于维护草畜平衡,遏制草地退化趋势,提高草原牧区草牧业可持续发展和生态保护能力.     

纵向岭谷区植被覆盖的空间分异及其对气候的时滞效应

分析了西南纵向岭谷区NDVI时间序列与温度降水两类气象因子的相关性,探讨植被对温度和降水变化响应敏感性的空间格局,通过构造NDVIr指数揭示纵向岭谷区植被覆盖变化与土地利用之间的相互关系,得出如下结论:(1)纵向岭谷区植被对温度和降水变化的响应过程具有"时滞效应",不同地区出现最大相关系数所对应的滞后时间不同;植被对温度和降水变化的反应可以分为"雨热同期、雨先热后和热先雨后"3种时间组合.(2)植被对温度变化反应的敏感程度在空间上形成数个不连续的高相关中心和低相关中心;与温度不同,在研究区北部形成了植被-降水相关关系的两个低敏感区,沿纵向岭谷方向形成了两条高相关带.(3)构造了NDVIr指数,发现NDVIr与气象因子和土地利用状况具有较好的对应关系.     

青藏高原那曲地区夏季对流云结构及雨滴谱分布日变化特征

青藏高原对于我国大气水循环、生态环境、灾害天气产生及气候变化等均具有重要作用和影响.为进一步揭示青藏高原气象和大气物理过程,我国启动了第三次青藏高原科学试验-边界层与对流层观测(2014~2017年)重大研究项目,其中云降水物理观测试验采用了包括C波段连续波雷达、Ka波段毫米波云雷达、地面雨滴谱仪、激光云高仪等目前先进的观测仪器.本文利用2014年7月1日~8月31日期间在西藏那曲的观测数据,结合FY-2E卫星的TBB资料,分析研究了青藏高原夏季(7~8月)对流云及其降水过程和雨滴谱分布特征.研究结果表明,观测试验期间青藏高原对流活动主要集中在高原东南部和中部地区,其降水过程存在准两周的周期性;由于高原的加热效应,对流云和降水过程有着显著的日变化特征,对流活动在11:00(当地时间)由局地热对流发展,经合并增长在17:00~18:00达到最强,入夜后降水过程开始偏平流性并持续至6:00,之后逐渐消散,上午对流活动较少.高原对流云平均云顶高度为11.5 km左右(海拔高度),最大云顶高可超过19 km;平均云底高度6.88 km.降水过程主要表现为短时阵性降水,持续时间基本小于1 h,平均降水强度在1.2 mm/h左右.另外,研究发现高原雨滴谱分布相对于同纬度和季节的平原地区较宽,导致高原对流易产生降水.Γ分布相对于M-P分布更适用于对高原上的雨滴谱分布进行拟合.     

黑河流域高分辨率区域气候模式建立及其对降水模拟验证

以中国科学院大气物理研究所东亚区域气候-环境重点实验室研制的区域环境集成系统模式为基础,采用黑河流域观测和遥感数据对模式中地形高度、植被类型、饱和土壤水势、饱和土壤导水率、田间持水量和萎点含水量、土壤孔隙度和土壤水势参数b等重要参数进行重新率定,进行模式本地化,建立适合黑河流域高分辨率区域气候模式,并且利用该模式对黑河流域进行了2000年连续积分模拟,重点考察了区域气候模式在水平分辨率为3 km条件下对黑河流域降水模拟能力.结果表明:模式能够较好地模拟出黑河流域降水的年、季节空间分布特征和不同区域降水年变化.对于不同区域来说,上游地区模式模拟降水较观测偏多,中游和下游地区较观测偏少,降水偏差在?39.9%~9.06%之间,与IPCC 2001报告中在区域尺度105~106 km2上降水偏差为±50%较为一致;模式模拟黑河流域上游、中游和下游地区平均降水与观测之间对应的相关系数分别为0.8123,0.5064和0.7033,都通过99%置信度检验.其中黑河流域上游地区模拟最好,相关系数达到0.8123;该研究表明采用黑河流域高分辨率区域气候模式进行动力降尺度后,弥补了黑河流域观测站点少的缺陷,为水文模型评估与实现对流域水资源精细化管理和决策支持提供科学数据.     

不同降水强度4种草地群落土壤呼吸通量变化特征

利用静态暗箱法, 对内蒙古锡林河流域沿降水梯度4种半干旱草地类型进行了连续2年的野外定位试验, 对比研究了沿降水梯度4种不同草地类型土壤呼吸通量的变化特征, 统计分析了水热因子对草地土壤呼吸通量特征的可能影响, 并建立了土壤呼吸通量与水热因子间的数值关系模式, 同时利用野外连续完整的观测数据对不同草地类型土壤CO₂年排放量分别进行了估算. 结果表明: 土壤呼吸通量存在明显的季节变化规律, 沿降水梯度各草地类型土壤呼吸通量的季节变化型式基本相同, 各草地群落土壤呼吸均以春末和夏季较高, 秋冬季排放量较低, 不同草地类型冬季均观测到土壤呼吸的负通量, 对其机制的进一步研究有利于对土壤年呼吸总量的准确估算; 沿降水梯度4种草地类型土壤年(或生长季)呼吸量均沿降水梯度递减, 表现为贝加尔针茅草原>羊草草原>大针茅草原>克氏针茅草原; 不同草地类型土壤呼吸通量在植物生长季与0~10 cm以及10~20 cm土壤含水量均呈不同程度的正相关, 而与气温和表层土壤温度的相关性较弱, 4种草地类型生长季内土壤表层含水量的变化通常能解释土壤呼吸通量变异的70.2%~94.7%, 而在植物非生长季, 土壤呼吸通量更多地受气温及土壤表层地温的限制, 温度条件的变化能解释土壤呼吸通量变化的70%以上.     

重建千年东亚夏季风干湿分布型指数

利用中国气象局整编的中国1951~2008 年160 站月平均降水量和美国NCEP 再分析月平均风和湿度资料, 建立了我国东部地区夏季干湿分布型与东亚夏季风向北推进的关系. 利用王绍武建立的公元950 年以来的我国东部历史时期6 种夏季干湿分布型, 重建了过去千年东亚夏季风干湿分布型指数序列. 高(低)指数指示东亚夏季风气流偏强(弱), 推进位置偏北(南), 对应北方(南方)降水偏多的分布型. 东亚季风干湿分布型指数具有60~70 年的周期性年代际变化. 过去千年中, 我国北方出现过连续10 年的区域湿润期和连续10 年以上的区域干旱期. 当前东亚夏季风干湿分布型指数正处于年代际的低谷时期, 对应着我国南方降水偏多,北方降水偏少的分布格局.     

华北地区气溶胶对区域降水的影响

利用长期的地面降水和能见度资料, 分析了华北地区人为气溶胶对区域降水的可能影响. 首先, 根据1960~1979年的旬降水量资料, 用包含显著性检验的聚类方法对研究区域内的自然降水量(这段时间被认为是没有受人为气溶胶污染的影响, 其降水被称为是自然降水量)进行分区, 同一个分区内, 降水的气候特征是相似的, 从而建立起分区中各个测站之间降水量的回归关系. 其次, 利用1990~2005年的能见度资料分析这些测站的能见度变化率, 选择能见度变化率的绝对值小于0.1 km/a的站作为参考站, 认为这些站没有受人为气溶胶污染的影响. 在上述每个分区内, 用参考站的降水量估算其他站的自然降水量, 实际降水量与该估计值之差即认为是由于人为气溶胶污染造成降水的减少量. 用1990~2005年的旬降水资料做了这种分析, 得到这段期间中每个测站由于人为气溶胶污染造成的降水减少总量, 并用统计检验方法证明这种减少是显著的, 从而得到人为气溶胶污染确实是使局地降水量减少的结论. 这一现象对夏季的降水较为明显, 可以认为局地的人为气溶胶通过对流活动影响到对流云的降水效率.     

基于DEM的中国东部南北样带森林、农田净初级生产力时空分布特征

利用1999年5月至2000年4月期间接收的NOAA AVHRR图像进行了植被指数NDVI分布图的计算; 讨论了其对全年NPP分布规律的贡献, 并据此分区计算出相应的NPP分布图; 又进一步将其与中国中原地区、华南地区森林、农田NPP野外实测样点数据相结合, 建立了遥感NPP分布估算的定量模型; 在此基础上, 将NPP与DEM进行了配适分析, 得到了中国东部南北样带的森林、农田三度或三向分布规律性直观的、 定量的和详细的时空分析结果. 作者认为, 以往对中国NPP分布的研究由于受到图像分辨率较低(8 km)或定性分布规律分析的影响, 所得出的结论与实况有比较大的出入. 而通过中国东部南北样带分析所得出的结论是“山地森林植被与平原区农业植被NPP值的高低在不同区域存在较大差异, 在华南地区前者高于后者; 黄淮海平原农业区比其周边低山带NPP值高; 而东北区NPP值由高至低的排列顺序为中高山森林带、平原和低山带”. 而且, 大多数农业区NPP值在25~35 t·hm^–2·a^–1地带性差异不明显等结论. 总之, 遥感时空三维模型所表达的地带性NPP平均分布状况, 展现出较高分辨率的定位、定量的三向地带性分布信息, 较详细地刻画了其特殊地段或极端NPP分布的特征, 并得到定量或半定量的形成机理分析结果的证明.     

2000～2010年中国地表植被绿度变化

自然界的绿度与地表植被覆盖率直接相关.植被覆盖率能从含有近红外和红光波段的遥感图像计算得到的植被指数估算出来.因此植被指数能反映地表植被的绿度.特别对低植被覆盖率的荒漠区域,植被指数与植被覆盖率有单调的正相关关系.因此,它可以用来研究荒漠区域地表植被绿度.本文收集了2000～2010年11年间生长季的中等分辨率成像光谱仪(MODIS)数据计算的归一化差值植被指数(NDVI)产品,应用最小二乘法和最小绝对偏差法对变化趋势进行线性拟合,分析了2000～2010年中国地表植被覆盖绿度的变化情况.结果显示,在这一期间中国有66.84%(最小二乘趋势拟合结果)或64.27%(最小绝对偏差趋势拟合结果)的区域NDVI呈增加趋势,表明整体上我国的绿度在增加.同时,中国荒漠化的面积呈缩减趋势.中国绿度增加最显著的区域位于北方的陕西、山西、宁夏、河南、山东、青海、甘肃等地;绿度降低最显著的部分出现在内蒙古的东北部、西藏南部、江苏和上海等地.青海、甘肃、新疆、西藏南部等地荒漠化程度改变,可能是由气候驱动所致.内蒙古东北部绿度降低与人工开垦有关;江苏和上海等地的绿度降低与快速的城市化有关.气候对陕西、山西、宁夏、甘肃等地的绿度增高贡献不明显.在全国尺度上,荒漠化得到抑制和缩减,可能与人为的治理和保护有关.     

中国森林植被的碳汇/源空间分布格局

利用1984～1988年和1999～2003年间2次森林详查资料,结合1:100万森林植被图及同期基于CASA模型模拟的NPP空间分布,采用空间降尺度技术,定量估算了1km分辨率下1984～2003年间我国森林植被碳源/汇的空间分布.结果表明:(1)在1984～2003年间我国森林植被是大气的碳汇,碳储量增加了0.77PgC,年均增加约为51.0Tga?1.其中,碳的吸收量为0.88PgC,释放量为0.11PgC.(2)我国森林植被碳汇/源分布存在明显的空间分布规律,碳汇面积主要集中在亚热带和温带地区,高值区集中在海南地区、横断山脉地区、吉林境内的长白山脉,大兴安岭南部和西北山地;碳源主要分布在以东北至西南一带上,高值区主要集中在云南南部、大兴安岭北部和四川盆地中部.(3)碳汇强度与NPP的增长存在明显关联性,统计模型表明东北、华北、西北以及中南4个地区的碳汇量80%以上的变化能够由NPP增长驱动来解释.(4)碳汇强度的空间分布与森林林龄分布存在着明显的对应关系,碳汇强度整体上随着林龄的增加而降低.     

夏季纳木错湖水蒸发对当地大气水汽贡献的方法探讨:基于水体稳定同位素的估算

青藏高原中部和南部在夏季风期间的降水主要来自印度季风输送的水汽和高原自身蒸发的水汽. 然而, 目前两种水汽对降水的贡献率还不清楚. 夏季风期间(6~9 月), 纳木错湖区大气降水、河水中过量氘明显比纳木错以南地区降水中过量氘高, 这反映了纳木错湖水蒸发水汽与当地大气水汽的混合. 本文根据地表水体蒸发水汽对当地大气水汽贡献率的估算理论, 基于相关水体(降水、河水、大气水汽和湖水)中稳定同位素数据, 初步估算出近年夏季纳木错湖水蒸发水汽对当地大气水汽的贡献率平均约为28.4%~31.1%.     

不同暴雨的面积与深度之间遵守统一的理论关系

作者之一曾沿统计力学思路研究了大气降水的分布面积与深度的相对关系问题。在各降水元落在地面那一点的机会相等的假设下,导出了一个降水的面积与深度的理论方程其中R为总面积为A区域上的平均降水量,R(r)为降水量大于r的部分的平均降水量,a是降水大于r的部分的总面积。这个结果十分简单明确,适用于任何一次降水(暴雨)过程,但显然也不应要求它也适用于n次(两次或多次)降水的总量.这一理论结果也可从熵极大的角度推导出来。为验证以上结果是否与事实相符,作者之一(杨)用了我国80场大暴雨和我国与美国最大暴雨面深资料合计87组数据进行了全面的     

云南地区的地幔过渡带结构及其动力学意义

计算云南及周边地区48个宽频地震台记录的8600个远震P波接收函数,并根据参考地球模型将接收函数从时间域转换到深度域.在转换深度550 km处,将1°×1°面元内的接收函数叠加成一道信号,共获得了沿纬度28°,27°,26°,25°,24°和23°N的6个共转换面元叠加剖面,其叠加深度在0~800 km之间.结果表明:(1)在26°N以北的地区,410和660 km间断面的平均深度分别为407~408和663~667 km,地幔过渡带的平均厚度处于255~259 km之间,过渡带的厚度接近全球平均厚度250 km;(2)在26°N以南的地区,410和660 km间断面的平均深度分别为412~426和675~703 km,地幔过渡带的平均厚度处于262~279 km之间,明显大于全球平均厚度250 km.云南地区410和660km间断面的加深显然与印度板块在缅甸弧下方的俯冲有关,然而,从云南地区地幔过渡带的结构来分析,本文认为印度板块沿缅甸弧向东俯冲主要发生在26°N以南地区.     

中国北方和蒙古南部植被退化对区域气候的影响

奇异值分解(SVD)分析归一化植被指数(NDVI)和降水给出的新证据, 揭示出中国北方过渡带及附近地区可能是植被覆盖变化对中国夏季降水影响的最敏感地区. 利用再分析资料和测站资料对土地利用变化影响温度的统计分析还表明, 年代际尺度上, 土地利用变化对中国温度的影响最明显地表现在使北方温度的升高. 基于观测上的一些新事实, 利用一个高分辨率的区域环境系统集成模式(RIEMS)通过多年积分, 研究了中国北方过渡带及附近地区(中国北方和蒙古南部)植被退化对区域气候的影响. 模拟结果表明, 植被退化可以造成中国北方和南方的降水减少和江淮流域的降水增加, 及植被变化区的温度的升高和华中地区温度的降低. 此外, 植被退化对大气环流也产生了重要影响. 模拟的表面气候和大气环流的变化与最近50年来观测的年代际气候异常都比较一致. 统计和模拟结果表明, 中国北方过渡带及其附近地区的植被退化, 可能是造成中国气候异常尤其是北方干旱化的重要原因之一.     

全球沙漠面积和粉尘排放量的新估算

沙漠是干旱半干旱地区最重要的地表景观,是粉尘排放的主要源区.确定全球沙漠边界、计算沙漠面积、估算沙漠的粉尘排放量对于定量评估沙漠对气候与环境的影响具有重要意义.利用中分辨率成像光谱仪（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS）数据,结合支持向量机（Support Vector Machine,SVM）、试错法及目视解译技术提取了全球沙漠范围.对全球沙漠分区域进行面积和分类精度计算.利用地形、降水、蒸散、地表风速等数据对全球沙漠的环境变化进行分析.基于移动风蚀仪（Portable In-Situ Wind Erosion Laboratory,PI-SWERL）的观测数据,结合地表类型、土壤湿度和摩阻风速估算出全球沙漠的年粉尘排放量.研究表明,全球沙漠面积为～17.54×10⁶km²,总体分类精度为92.37%.沙漠多分布于地形低于2000 m、降水量不足200 mm、全年风速为4～6 m/s的极端干旱和干旱地区.沙漠每年排放～1792.65 Tg粉尘(本文指PM₁₀