太湖流域丘陵区两种土地利用类型土壤水分分布控制因素

为探究太湖流域丘陵区典型土地利用类型(如竹林地和茶园)土壤水分的控制因素,在不同深度土壤水分定期观测的基础上,根据前7d降雨量将研究时段划分为干旱状态和湿润状态,利用分类与回归树(CART)方法得出不同干湿状态下土壤水分分布的主控因子,并借助典范对应分析(CCA)定量分析不同土地利用类型、不同土壤深度土壤水分格局与环境因子关系。结果表明:(1)高程、土地利用类型和土层厚度对土壤水分分布的相对贡献率最大,但在不同干湿状态下其影响程度存在差异;(2)干旱状态时土壤水分主要受高程、坡度、地形湿度指数(TWI)和剖面曲率等地形因素的作用,而土层厚度和粘粒也分别为0—20 cm和20—40 cm深度土壤水分的主控因子;(3)在湿润状态下,茶园0—20 cm土壤水分的主控因素为地形因子,在20—40 cm则以土壤性质为主,竹林地两个深度的土壤水分受地形和土壤性质的作用都很强,其中20—40 cm深度土壤水分与环境因子的关系较0—20 cm深度更为复杂。     

小流域土层厚度对土壤水分时空格局的影响

以丹江口库区五龙池小流域为研究区,通过定点观测,探讨了土层厚度对土壤水分时空格局的影响.结果表明：土壤含水量在降雨后立即升高,随后逐渐降低,空间异质性则相反.不同土层厚度剖面含水量差异显著.其中,0～20 cm厚度的土壤剖面含水量较低,与降雨有相似的变化趋势,季节变异大;中等厚度（20～40 cm）的土壤水分受降雨特征影响,剖面含水量居中,季节变异中等;较大厚度（>40 cm)的土壤的剖面含水量较高,季节变异小.土壤水分的剖面格局是降雨、蒸发蒸腾和渗漏综合作用的结果,半湿润期呈增长型,湿润期呈波动型,干旱期包括增长型和波动型.土壤剖面含水量与土层厚度呈显著正相关,相关系数在0.630～0.855.土层厚度与表层（0～15 cm）土壤水分相关不显著,但与中下层（20～55 cm）土壤水分显著相关.     

高寒退化草地狼毒种群地上生物量空间格局对地形的响应

地上生物量的空间格局是物种分布格局的重要内容,在小尺度范围内因地形差异导致的环境异质性是这种格局形成和演变的环境基础.在2011年8月野外调查的基础上,借助ArcGIS和S-PLUS软件,利用广义相加模型(GAM)对退化高寒草地狼毒(Stellera chamaejasme)种群的空间分布格局进行了研究,定量分析了狼毒地上生物量空间格局对主要地形因子的响应机制.结果表明:狼毒种群地上生物量受地形因子影响的顺序为坡向＞坡度＞海拔＞平面曲率＞剖面曲率;坡向和坡度两种地形因子对狼毒的地上生物量空间格局的贡献率分别为3.75和1.48,其余因子则相对较小;狼毒地上生物量在海拔、平面曲率和剖面曲率梯度上的分布比较均衡,在坡向梯度上呈开口向下的抛物线趋势,在坡度梯度上则呈现开口向上的抛物线趋势.狼毒地上生物量空间异质性及其与地形因子之间的关系,反映了狼毒在地形因子对水热条件重分配影响下的响应机制及生长策略.     

黄土高原小流域土壤容重及水分空间变异特征

在黄土高原小流域尺度上,地形和土地利用是影响土壤变异的重要因素.在横山县朱家沟小流域采集了82个样点,选取土壤容重和水分作为研究对象,分析比较不同土地利用及不同景观位置下二者的变异及分布特征;分析了土壤容重和水分与地形因素的关系并利用地形与土地利用信息进行了回归分析.结果表明,不同土地利用类型之间,土壤容重变异较小,其大小次序为：灌木林地＞荒草地＞梯田＞坝地＞林地＞坡耕地;土壤水分变化相对较大,大小次序为：坝地＞荒草地＞灌木林地＞坡耕地＞林地＞梯田.在不同景观位置,土壤容重大小变化表现为：坡顶＞沟平地＞坡下＞坡上＞坡中;土壤水分大小变化为：沟平地＞坡中＞坡下＞坡上＞坡顶.基于数字地形分析技术,提取相关地形指数,与土壤容重和水分进行相关分析并进行多元回归分析,结果表明：土壤容重与复合地形指数CTI正相关;土壤水分与高程呈现负相关关系,和剖面曲率正相关.建立了多元线性回归模型,结果发现模型对土壤容重预测结果比较理想,但对于土壤水分的预测存在较大的平滑效应,残差较大,须进一步探讨.     

地形对桂西南喀斯特山地森林地表植物多样性及分布格局的影响

利用协方差分析、曲线回归拟合及典范对应分析(CCA),研究了地形因子对桂西南喀斯特森林地表植物多样性及不同生长型地表植物分布格局的影响.结果表明： 共调查到152种地表植物,其中,蕨类植物37种、草本44种、藤本9种、灌木62种;协方差分析显示,海拔与地表植物个体数和丰富度显著相关,坡向对地表植物丰富度具有显著影响;地表植物的个体数和丰富度与海拔梯度存在显著的非线性相关性;CCA分析显示,坡向对蕨类植物的分布格局影响显著,坡度对草本、藤本和灌木的分布格局影响显著.蕨类植物对坡向引起的水热条件改变响应更为敏感,坡度对土壤水分、养分的作用大于高程,是影响本区域草本、藤本和灌木3种地表植物分布的主要地形因子.     

黑河上游天然草地蝗虫密度与地形关系的GAM分析

地形差异性导致的环境异质性是小尺度范围内生物空间格局形成与维持的重要机制之一,也是导致物种密度分布差异的前提条件.借助GIS和S-Plus软件,利用广义可加模型(GAM)于2009年7-8月对影响蝗虫分布的地形因子进行了研究,在定量分析黑河上游祁连山区北坡地形特征的基础上,研究了该区域蝗虫密度与地形之间的关系.结果表明:蝗虫密度受地形因子影响的顺序为坡向＞海拔＞坡度＞坡位＞平面曲率＞剖面曲率;蝗虫密度在坡位、平面曲率以及剖面曲率各个梯度上的分布比较均衡,在坡向和坡度梯度上呈二次抛物线分布,在海拔梯度上呈“S”曲线分布;从分布区域上来看,蝗虫主要分布在海拔2550～2650 m区域,坡向上则主要集中在西北坡和西坡,与实际观测情况一致.蝗虫密度与地形因子之间的相互关系及其分布状态反映了地形特征对水热等条件的影响,使蝗虫分布格局呈现多元化和以及破碎化状态.     

黄土丘陵沟壑区小流域土壤水分空间变异

采用经典统计学和地统计学相结合的方法探讨了黄土丘陵沟壑区小流域土壤水分(0~300 cm)水平和垂直方向的空间变异特征,以及土地利用和地形因子对其影响规律。结果表明:(1)土壤水分的垂直变化表现为先降低后增加;变异系数为11.22%~21.05%,具有中等程度变异,土壤水分平均值与变异系数之间呈显著负相关。(2)梯田的层状分布和微地形的存在削弱了土壤水分在水平方向上的空间相关性;水平方向变程范围在19~102m,增加采样密度能增加土壤水分的空间结构信息;(3)土壤水分在垂直方向上存在强烈或中等程度的空间自相关;垂直方向的变程的范围为0.67~2.64 m;(4)不同环境因子基台值的变化格局与平均土壤含水量相反,水分的增加对基台值有一定的平滑效应;不同土地利用类型对土壤水分垂直变异影响程度依次为荒草地林地退耕地耕地,而坡位则表现为梁沟谷。     

浑河太子河流域地形和土地利用对表层土壤养分空间变异的影响

应用GIS技术,综合统计学和地统计学方法,探讨了浑河太子河流域表层土壤养分的空间分布,同时分析了地形因子、土地利用及其交互作用对土壤养分空间变异的影响。结果表明:海拔、坡度与土壤有机质、全氮、全磷呈极显著正相关,与全钾呈极显著负相关;坡向的影响不显著。林地和草地的有机质、全磷平均含量相对较高;水田和旱地的全钾平均含量较高。地形因子与土地利用方式的交互作用显著影响土壤养分含量。有机质、全氮和全磷含量高的区域集中在海拔较高、坡度较大的林地和草地。地形条件和土地利用方式能够解释研究区土壤养分的空间变异。     

黄土丘陵区小流域土壤水分时空变异

采用定位监测法,对2002—2005年黄土丘陵区小流域土壤水分的时空动态规律及其主要影响因素进行了分析.结果表明,研究区年均土壤水分剖面呈倒“L”型,水分最低点出现在1.0 m深处.表层（0～0.2 m）和下层（2.4 m以下）土壤水分年际间的差异达显著水平,而季节间的显著差异则表现在土壤表层和中层（1.0～2.4 m）;干旱年的降水不足显著提高了中、下层土壤水分的空间变异性,而丰水年的降水补充作用则显著降低了上层土壤水分的空间变异性,对中、下层土壤水分变异的影响不大.坡向对土壤水分变异的影响最大,其次是土地利用类型,坡位的影响最小.在干旱年或每年雨季开始时,坡向对土壤水分的影响随土层的加深而减弱,土地利用类型的影响则随之增强;在丰水年或每年雨季结束时,土地利用类型只对上层土壤水分状况具有显著影响,且其影响程度小于坡向的影响.     

近40年来辽宁地区气候干湿界线年代际波动及其成因

应用1961～2004年辽宁省内52个气象站的温度、降水、湿度、风和日照等气候资料,采用改进的Penman模型计算了辽宁地区近40年的潜在蒸发量,讨论了其时空代表性及分布特征;以干燥度指数为干湿气候区的划分标准,通过对该地区近40年干湿气候界线波动状况的对比,在10年际尺度上详细分析了其干湿气候界线波动及变化规律.结果表明,20世纪60年代以来,辽宁省干湿气候界线波动显著,呈现出整体移动的特征,但半湿润与湿润、半干旱与半湿润两条界线并未表现出同进、同退的年际变化特征.20世纪90年代辽宁省干湿气候存在一次突变,半湿润与湿润界限明显东移,半干旱与半湿润界线明显西移,半干旱和湿润区面积都显著缩小,半湿润区面积显著扩大.辽宁西部的气候干湿状况主要由西太平洋副热带高压和东南季风控制,辽宁东部的气候干湿状况除受西太平洋副热带高压和东南季风的影响外,还应考虑到地形降水的作用.     

中国北方气候干湿变化及干旱演变特征

利用中国北方15个省(区、市)320个气象站1960—2014年逐月降水量资料,运用标准化降水指数(SPI)、标准差和相关分析等方法,基于不同时间尺度,对近55年来中国北方及不同干湿区气候干湿时空变化特征进行分析,并从干旱站次比、干旱强度等方面分析了年际干旱的时空变化特征。结果表明:(1)1960—2014年中国北方地区整体呈变干趋势,年际干旱站次比和干旱强度在同步波动中均呈下降趋势。(2)1960—2014年北方地区春季和冬季呈湿润化趋势,冬季湿润化趋势最明显,夏季和秋季呈干旱化趋势,夏季干旱化趋势最显著,夏季降水对年干湿状况的变化起决定性作用。(3)湿润区和半湿润区有干旱化趋势,而干旱区和半干旱区均呈湿润化趋势发展;湿润区和半湿润区年际干旱站次比、干旱强度呈上升趋势,而干旱区和半干旱区则相反。(4)中国北方东部季风区的湿润区和半湿润区以及处于季风区和非季风区分界线两侧的半湿润区和半干旱区气候干湿变化均呈显著同步波动变化趋势,而中国北方东部季风区的湿润区和半湿润区与中国北方西部非季风区的干旱区气候干湿变化呈显著反向波动变化趋势,夏季具有同样的规律,而冬季和春季四大干湿区干湿变化具有较好的同步一致性。     

典型岩溶洼地土壤水分的空间分布及影响因素

在桂西北典型岩溶洼地的旱季和雨季,用地统计学结合GIS方法研究了洼地表层(0—16cm)土壤水分的空间分布特征及其影响因素。结果表明:土壤含水量受前期降雨量的影响,且旱季土壤水分对降雨量的反应较雨季敏感。土壤水分均呈中等变异且变异系数随着平均含水量的增加而减少。土壤水分的半方差参数显示土壤水分空间变异及其主导因素随旱、雨季而不同。此外,不同取样区域及取样时段内土壤含水量高低差别明显,分布格局及空间变异程度各异,这主要与当地环境和人为因素的综合影响有关。旱、雨季土壤水分均与前期降雨导致的土壤平均含水量变化呈相反趋势,且不同土地利用方式下的土壤含水量不同。土壤含水量还与土壤有机碳含量呈显著正相关,此外,地势及裸岩率也是造成洼地土壤水分变异及其分布差异的重要因素。下一步应根据旱季和雨季土壤水分分布及影响因素的差异,在岩溶洼地采取有针对性地土壤水资源利用及其水分管理策略。     

基于通量塔净生态系统碳交换数据的植被物候遥感识别方法评价

选择北美洲72座通量塔观测的净生态系统碳交换（NEE）数据来计算植被物候,并以此作为参考数据,从可行性和准确性两方面对阈值法、移动平均法和函数拟合法三大类常用的植被物候遥感识别方法进行了综合评价.结果表明： 基于局部中值的阈值法对植被物候识别的可行性和准确性均最优;其次为Logistic函数拟合法中的一阶导数方法;移动平均法对植被物候识别的可行性和准确性与移动窗口的大小有关,对于16 d合成的归一化差值植被指数（NDVI）时间序列数据来说,移动窗口大小为15时能获得较优的结果;而全局阈值法对植被物候识别的可行性和准确性均最差;Logistic函数拟合法中的曲率变化率方法在识别植被物候时虽然与基于NEE数据得到的植被物候在数值上存在较大偏差,但二者之间具有较高的相关性,说明基于曲率变化率方法识别出的植被物候能较真实地反映植被物候在时空上的变化趋势.     

宁南山区不同乔木林地土壤干层分布及干燥化特征

以宁南山区典型坡面不同人工林地为研究对象,分层采集0~600 cm土样,分析杏树(Armeniaca vulgaris)、杨树(Populus simonii)、榆树(Ulmus pumila)、刺槐(Robinia pseudoacacia)和松树(Pinus sylvestris var.mongolica)及农田(对照)土壤含水量垂直剖面分布特征,采用干燥化指数(SID)、土壤水分相对亏缺指数(CSWDI)、干层起始深度(DSLFD)、干层厚度(DSLT)和干层内平均含水量(DSL-SWC)等指标对土壤干燥化强度和干层分布特征进行分析,利用冗余分析(RDA)确定相关环境因子对土壤干燥化和干层的影响,为黄土高原山区植被合理利用水土资源和生态恢复等提供数据支撑。结果表明:(1)杏树、杨树、榆树、刺槐、松树土壤水分均属中等变异,且0~600 cm平均土壤含水量与对照农田相比分别降低了31.17%、24.15%、23.19%、29.67%和18.35%。(2)不同人工林地干层起始深度、干层厚度及垂直剖面土壤水分分布明显不同,杏树、杨树、榆树、刺槐、松树和农田土壤干层起始深度分别为90、160、140、140、160和600 cm,干层厚度分别为510、460、480、480、460和0 cm。(3)杏树、杨树、榆树、刺槐和松树0~600 cm平均土壤干燥化指数分别为63.48%、91.88%、95.17%、73.97%和111.91%,土壤水分相对亏缺指数分别为0.68、0.59、0.52、0.63和0.41,其土壤水分干燥化强度及亏缺程度由高到低依次为杏树>刺槐>杨树>榆树>松树。(4)RDA分析结果表明,乔木类型、黏粒含量和地形条件是影响土壤干燥化的重要因素。     

Soil moisture determines the recovery time of ecosystems from drought

Recovery time, the time it takes for ecosystems to return to normal states after experiencing droughts, is critical for assessing the response of ecosystems to droughts; however, the spatial dominant factors determining recovery time are poorly understood. We identify the global patterns of terrestrial ecosystem recovery time based on remote sensed vegetation indices, analyse the affecting factors of recovery time using random forest regression model, and determine the spatial distribution of the dominant factors of recovery time based on partial correlation. The results show that the global average recovery time is approximately 3.3 months, and that the longest recovery time occurs in mid-latitude drylands. Analysis of affecting factors of recovery time suggests that the most important environmental factor affecting recovery time is soil moisture during the recovery period, followed by temperature and vapour pressure deficit (VPD). Recovery time shortens with increasing soil moisture and prolongs with increasing VPD; however, the response of recovery time to temperature is nonmonotonic, with colder or hotter temperatures leading to longer recovery time. Soil moisture dominates the drought recovery time over 58.4% of the assessed land area, mostly in the mid-latitudes. The concern is that soil moisture is projected to decline in more than 65% regions in the future, which will lengthen the drought recovery time and exacerbate drought impacts on terrestrial ecosystems, especially in southwestern United States, the Mediterranean region and southern Africa. Our research provides methodological insights for quantifying recovery time and spatially identifies dominant factors of recovery time, improving our understanding of ecosystem response to drought.     

喀斯特峰丛洼地区坡地不同土地利用方式下土壤水分的时空变异特征

基于典型喀斯特峰丛洼地坡面土地利用方式试验火烧、刈割、刈割除根、封育、种植桂牧1号、种植玉米(面积分别为20m×70m)控制性试验建设,通过网格法(5 m×5 m)采样,用经典统计学和地统计学方法,分析了6种土地利用方式下(火烧、刈割、刈割除根、封育、种植桂牧1号、种植玉米)表层土壤水分在不同季节的空间变异特征。结果表明:喀斯特峰丛洼地土壤含水量均很高,雨季显著大于旱季,雨季为火烧封育、刈割除根玉米、桂牧1号刈割,旱季为刈割、火烧、刈割除根桂牧1号、封育玉米,均呈中等至强度变异,且含水量越低变异越大;不同土地利用方式土壤水分的自相关函数均呈由正向负方向发展的相同趋势,但拐点不同,且旱季大于雨季,不同土地利用方式旱季、雨季土壤水分的最佳拟合模型不同,但均呈中等或强烈的空间相关性,变程为6.8—213 m,且旱季大于雨季;同一土地利用方式旱季、雨季表层土壤水空间格局相似,不同土地利用方式空间格局则不同,因此在该区域进行植被恢复和生态重建时应采取不同的水资源利用策略。     

土壤水分时空变异及其与环境因子的关系

土壤水分的时空变异是指在一定的景观内,不同时间、地点和土层的土壤水分特征存在明显的差异性和多样性。土壤水分时空变异是由多重尺度上的土地利用（植被）、气象（降雨）、地形、土壤、人为活动等诸因子综合作用的结果,但就其某一具体地区而言存在着重点尺度和主控因子,土壤水分时空变异的重点尺度与主控因子的时空关系因时间、空间和尺度而异。本文综述了土壤水分（尤其是黄土高原地区）的时空变异与其环境因子时空关系的研究进展,并提出了广眨开展多重时空尺度上土壤水分的时空变异与其诸因素的时空关系,研究土壤水分时空变异性的尺度转换规律,确定重点尺度及其相应的主控因子。