利用清代黄河上中游3个站点的志桩尺寸记录,通过建立回归模型反演了1766-1911年的逐年径流量,重建了兰州、青铜峡和三门峡1766-2000年的逐年汛期径流量序列,再结合河源段唐乃亥站1766-2000年的逐年径流量,构建了河源—上游—中游4个站点的径流量序列,这是目前利用历史文献记录能够获得的最为清晰的黄河径流量曲线。研究显示,19世纪中期出现在黄河下游的沉重“河患”是由青铜峡—三门峡河段内的径流量突变所致,而20世纪20年代的枯水时段从河源段到中游段都存在,但其不是突变造成。同时,研究也揭示出太平洋年代际振荡（PDO）与黄河上中游径流量在年代际尺度上存在着阶段性的反相位关系,20世纪前期和中期,8~16年尺度上在4个站点的径流量都有反相位关系出现;在19世纪30-50年代,PDO与流量在4~6年尺度上的反相位关系在兰州和三门峡断面都较为明显。交互小波分析显示,PDO与黄河上中游汛期水量在8~16年尺度上存在着较为明显的反相关关系,但只存在于三门峡和兰州断面。这一关系也许表明,黄河上中游产流区的夏季降雨量与PDO的关系具有较为明显的时间和空间差异性。
蒸发皿蒸发是唯一可长时间大范围观测的潜在蒸发,其准确估算和长时间序列趋势变化归因分析,对变化环境下干旱研究、水文过程理解分析与预估具有重要意义。本文筛选出416个具有连续观测的气象台站资料,率定了PenPan模型中适合模拟中国20 cm口径（D20）蒸发皿蒸发的风速函数,发展了基于去趋势法的析因数值实验归因法,对比了此方法与常用的偏导归因法在1960-2014年、1960-1993年（“蒸发悖论”时段）及1993-2014年（“蒸发悖论”消失）蒸发皿蒸发趋势变化的归因结果。结果表明,使用新率定的风速函数fq(u2)=3.977×10-8(1+0.505u2)能更准确模拟中国D20蒸发皿蒸发;相较于偏导归因法结果,析因数值实验法也能对蒸发皿蒸发趋势变化进行定量归因分析,且归因结果略优于偏导归因法结果;此外,可利用析因数值实验法的基准态信息来对偏导归因法结果进行校正,从而更准确地对蒸发皿蒸发趋势变化进行归因分析,加深对蒸发皿蒸发趋势变化的理解,为水文水循环研究准确分析提供保障。
时间序列突变点的检测研究是当前气候变化问题的关键环节,其方法和成果也较多,传统的检测方法因统计量结构不合理、假设条件不符合实际以及受主观因素影响等,结果常常缺乏可信度。本文提出一种新的时间序列突变点的检测方法——滑动平均差检测法,将该方法分别用理想时间序列和实际观测序列进行应用检验,并与现有常用的4种突变检验方法比较,发现滑动平均差法具有：① 结构简单、物理意义明确;② 检测突变点更精确;③ 能同时检测出所有突变点的突变位置和其突变强度3个明显的优势。综合利用滑动平均差检测法和传统的4种方法,对黄河流域几个重点水文控制站实测输沙量资料进行突变分析,结果表明：黄河上游输沙量在1986年发生突变,黄河中游输沙量在1979年和1996年发生突变,华县站和潼关站输沙量在1979年、1996年和2003年发生突变,造成输沙量突变的主要因素为水利工程建设和大规模水土保持措施等人类活动。
快速城市化对区域降水过程的影响已成为人类活动对不同时空尺度水循环影响研究的热点。基于北京全区2011-2015年20个自动气象站逐小时降水资料,利用Circular统计法等多种方法,在揭示北京市降水总体特征基础上,进一步从日、场次、小时等多种精细化时间尺度来探究北京市不同类型降水特征。研究表明：① 场次暴雨平均降水量、场次降雨持续时间及降水强度高值中心主要位于北京城区,与郊区降水过程相比,城区总体降水过程历时较长、雨量较大。城市雨岛效应可能是上述降水指标在城区具有高值中心的原因之一。② 北京全区降水日分布不均,不同区域降水类型有较大差异。北京市的暴雨雨型主要以午后型为主,占总雨型的47.53%。山区总体及北部近郊、远郊区、南部近郊分别以午后型、正午型、夜晚型降水为主。而城区的暴雨类型显示出主城区的东西两侧有较大的差异,西侧受山谷风环流及热岛环流影响类型较为复杂,东侧以傍晚型为主。③ 场次暴雨的降水峰值出现时间主要集中在12:00-19:00,且城区降水峰值发生时间较郊区降水峰值发生时间推迟。海拔的升高会使日降水峰值的出现时间的不确定性增大。④ 极端降水量指标及持续干燥、湿润指标均在城区显示出高值区,极端降水频率指标高值区位于城区下风向。城市化可能通过人口膨胀、土地利用类型变更等方式间接提高极端降水发生的风险。
河流入海输沙是海岸稳定的重要物质基础。启东嘴潮滩位于长江北支口门,与江苏海岸线交汇,陆海相互作用强烈。利用电感耦合等离子体质谱仪测定了岩芯沉积物QDZ-1的地球化学元素。根据地球化学元素的分布特征和富集系数,分析了物源指示意义,表明启东嘴潮滩沉积物受到长江物质和南黄海物质的共同影响。基于地球化学元素的沉积物端元定量判识方法,对不同物质来源的贡献率进行了定量估算。在1930年前启东嘴潮滩沉积物主要来自长江的入海输沙,贡献率为68.1%,随着长江北支河槽的衰退,贡献率逐渐减少,在1930-1972年间为38.5%,到1972年后减少到17.5%。苏北沿岸流携带向南输运的南黄海物质,贡献率逐渐增加,在1930年前为27.1%,在1930-1972年间为55.6%,到1972年后增加到75.9%,成为启东嘴潮滩主要物质来源。沉积物来源的阶段性变化,在时间上与北支水动力的阶段性变化基本吻合。
黄河源区地处青藏高原东缘,具有独特的自然生境和丰富的自然资源,是中国西南区域经济发展的重要生态安全屏障。以MODIS ET产品作为研究黄河源区地表蒸散发（ET）的数据源,结合黄河源区内部及周边18个气象站数据、全国1∶100万植被类型图和黄河源区DEM数据,利用趋势分析、相对年际变化和相关分析法,研究2000-2014年黄河源区ET时空变化特征及不同土地利用类型下ET的变化规律,重点探讨了ET与气候因子的关系。结果表明：① 黄河源区多年ET区域分异规律明显,北部ET显著弱于中部和东南部,最强ET位于黄河源区的东南部,多年平均ET值为538.61 mm/a,距平相对变化显著,ET年际变化呈先减小后增加的趋势,平均趋势变化率为0.44 mm/a;② 年内ET呈周期性单峰变化趋势,7月达到峰值;2000-2014年黄河源区多年四季ET季节性差异明显,夏季ET最强达到188.14 mm/a,春秋季次之,冬季ET最弱仅97.15 mm/a;③ 研究时段内不同土地利用类型的ET大小表现为沼泽地>林地>草地>其他>裸地,整体上各土地利用类型的ET呈逐渐增加趋势;④ 相关分析结果表明,ET与同期气温、降水呈正相关关系,与相对湿度呈负相关关系,其中降水对ET的影响强于气温;驱动分区结果显示黄河源区ET受气候因子驱动的地区主要表现为降水驱动。
喀斯特地区下垫面的特殊复杂性使得地表发生显著坡面径流需要达到更大的降水累积阈值,碳酸盐岩岩石成土速率的缓慢和空间异质性导致喀斯特地区的土壤存量被严重高估和均一化等,因此,传统经典的土壤侵蚀模型在喀斯特地区难以适用。本文依据喀斯特关键带岩性的差异,确定其有效降水侵蚀阈值,并对降雨侵蚀力进行重新测算;根据碳酸盐岩化学成分的差异,计算其成土速率并作为土壤允许流失量;通过地貌—水文分析法提取喀斯特洼地空间分布信息,对喀斯特关键带土壤侵蚀算法进行多次改进和创新。结果显示：① 传统算法忽视了喀斯特关键带下垫面的特殊性,致使其平均降雨侵蚀力被高估47.35%,且喀斯特区域的平均降雨侵蚀力仅相当于非喀斯特区域的59.91%;② 传统算法可能将一些无土或少土可流区计算为土壤的高侵蚀量区,而连续性碳酸盐岩、碳酸盐岩夹碎屑岩、碳酸盐岩与碎屑岩互层的土壤允许流失量仅分别为0.21 t ha-1 yr-1、1.2 t ha-1 yr-1、2.89 t ha-1 yr-1;③ 传统算法通常将有坡度和耕作的洼地视为土壤侵蚀的高发区,但其实际应是地表侵蚀的沉积区,喀斯特洼地在空间上的连续性与碳酸盐岩的分布区基本重合;④ 传统算法高估土壤侵蚀面积27.79%,土壤侵蚀量47.72%。总之,传统经典模型会大大高估喀斯特地区的土壤侵蚀量,因此,应该建立一种精确适用的模型。另外,由于喀斯特地区的成土速率慢而土层薄、总量少,土壤允许流失量远低于非喀斯特区域侵蚀标准,应制定适用于喀斯特地区的土壤侵蚀分类分级标准和风险评价方法。
土壤作为陆地生态系统有机碳库的主体,在全球碳循环中起着重要作用。然而,当前区域土壤有机碳储量的变化情况及其碳源/汇功能仍然不清楚。利用中国1980s （1979-1985年）第二次土壤普查数据,同时收集整理2010s（2004-2014年）已发表的有关中国土壤有机碳储量（0~20 cm和0~100 cm）的文献数据,综合评估了1980s-2010s中国土壤有机碳储量的变化情况,并分析森林、草地、农田和湿地等生态系统土壤碳源/汇功能;同时结合现有的中国植被碳储量变化研究,进一步探讨了1980s-2010s中国陆地生态系统的碳源/汇效应。研究发现：① 1980s-2010s中国土壤（0~100 cm）有机碳储量净增长3.04±1.65 Pg C,增长速率为0.101±0.055 Pg C yr-1,其中表层土壤（0~20 cm）的碳汇效应明显;② 森林土壤是固碳主体,净增长2.52±0.77 Pg C,而草地和农田土壤增长有限,分别为0.40±0.78和0.07±0.31 Pg C;③ 湿地有机碳储量净减少0.76±0.29 Pg C;④ 中国陆地生态系统的碳汇效应较强,总碳汇量相当于同期（1980-2009年）化石燃料和水泥生产排放CO2总量的14.85%~27.79%。随着中国森林和草地生态系统植被和土壤的进一步保护、恢复和重建,中国陆地生态系统具有较大的碳汇潜力,在未来全球碳平衡中将发挥更大的作用。
基于1978-2016年中国各省市面板数据,采用超效率SBM模型测算省际农业生态效率,在时间序列分析和空间相关性分析的基础上,构建传统和空间马尔可夫概率转移矩阵,探讨中国农业生态效率的时空动态演变特征,并预测其长期演变的趋势。研究发现：① 中国农业生态效率呈现出在波动中稳定上升的“双峰”分布特征,且波峰高度的差距在缩小,但整体仍处于较低水平,农业生态效率仍存在较大提升空间,东部地区农业生态效率提升较中西部地区更加显著;② 中国农业生态效率整体上向高水平方向转移的趋势显著,但农业生态效率的演变具有维持原有状态的稳定性,且较难实现跨越式转移。地理空间格局在农业生态效率时空演变过程中发挥着重要作用,空间集聚特性显著,农业生态效率较高的省市具有正向的溢出效应,而农业生态效率较低的省市具有负的溢出效应,从而在空间格局上逐渐形成“高高集聚、低低集聚、高辐射低、低抑制高”的“俱乐部收敛”现象;③ 从长期演变的趋势预测来看,多数省市农业生态效率逐渐向上转移为较高水平,并逐渐演变为由低到高渐次递增的格局,在农业生态效率较低的地理背景下,其长期演变的稳定状态表现为偏“单峰”分布,而在农业生态效率较高的地理背景下,其长期演变为较高水平集聚的偏“双峰”分布。最后,分析当前研究需要改进的方向,并提出控制农业污染排放量、地区间农业生态政策联动、加强地区间农业生态合作交流与借鉴等能够有效提升中国农业生态效率及缩小省市间差距。
水稻是孟加拉国、印度和缅甸最重要的粮食作物,研究中国超级杂交稻对孟印缅地区的水稻增产潜力,对于保障孟中印缅经济走廊的粮食安全与区域可持续发展具有重要的现实意义。在全面收集孟印缅地区气候、土壤、田间管理信息和农业统计数据的基础上,结合中国籼型杂交稻F优498和丰两优4号的品种信息和区试数据,通过EPIC模型模拟了1996-2005年雨季孟印缅3国在不同情景下的超级稻生产潜力,并分析了孟印缅地区主要胁迫因子对超级稻单产潜力的影响。研究表明：① 中国超级杂交稻在孟印缅地区2000年的灌溉和施肥水平下单产潜力为10.22 t/ha,在充分灌溉且合理施肥的水平下单产潜力为11.33 t/ha。② 孟印缅地区雨季稻的增产空间达22771万t,水稻增产潜力最大的地区是印度的恒河平原东部、印度半岛东南沿海与缅甸的伊洛瓦底三角洲。③ 印度德干高原东北部、西南部和印度大平原西北部需要进一步完善灌溉设备以满足高产水稻用水,缅甸的中南部平原地区和印度的东北地区则需要增施氮肥以满足高产水稻用肥。
研究中国生态文明建设效率的空间分布状态及格局演变特征,有利于厘清生态文明建设效率的空间差异机理,对于缩小区域差异及其驱动因素的探索具有重要的指导意义和参考价值。因此,基于“自然—经济—社会”（Nature-Economy-Society, N-E-S）复合生态系统理论和生态文明建设内涵目标构建生态文明建设效率的投入产出指标体系,并运用考虑非期望产出的SBM模型对中国2003-2015年的生态文明建设效率进行了测算,在此基础上,综合运用核密度估计、Theil指数、重心—标准差椭圆等方法,对中国生态文明建设效率的空间均衡性及其空间分布格局进行了探究。结果表明：① 中国生态文明建设效率存在明显的空间非均衡性,在研究期内（2003-2015年）空间非均衡性表现为先逐渐缩小后又逐渐扩大的动态演变特征;由三大区域的Theil指数均值可知,西部地区空间非均衡程度最大（0.1174）,东部次之（0.0365）,中部最小（0.0223）。② 从重心移动轨迹来看,中国生态文明建设效率的重心位于河南境内,历经了先向东南再向东北移动的过程,重心移动的方向表明位于该方向上的地区生态文明建设效率有所提升。③ 从标准差椭圆来看,中国生态文明建设效率空间分布呈现出偏东北—偏西南格局,并且这种格局有向正北—正南方向转变的趋势。
随着全球各区域的连通性不断增强,碳流动以及碳泄漏在全球碳减排过程中扮演着越来越重要的角色。伴随全球产业跨境转移的过程,发达国家的高碳行业逐渐转移到发展中国家,并从这些国家进口成品用于自身最终消费。基于多区域投入产出分析,本文测算了“一带一路”沿线地区隐含碳流动,分析了生产碳及消费碳强度在全球的空间分布,并以此为基础探讨了“一带一路”沿线地区的生产者及消费者责任。结果显示,“一带一路”沿线地区的生产碳强度大都高于消费碳强度,且两者的差值大多高于“一带一路”区域外发达地区。全球95%以上的隐含碳净流出发生在“一带一路”沿线地区,美国、西欧等发达国家/地区的消费所引发的“一带一路”沿线主要区域直接碳排放占比约为30%。考虑到跨国贸易中的隐含碳排放,“一带一路”沿线地区整体承受了较大的碳排放压力。从消费者责任着手衡量各国家/地区在全球气候变化中的碳排放责任,并以包容性全球化为基础推进“一带一路”气候治理体系构建,可为长期难以达成协议的全球气候治理问题提供有效思路。
精确的全球及区域尺度土地覆被遥感分类数据是全球变化、陆地表层过程模拟、生态文明建设及区域可持续发展等研究的重要基础数据。本文以5套全球土地覆被数据集GLCC、UMD、GLC2000、MODIS LC、GlobCover为研究对象,结合MODIS VCF、MODIS Cropland Probability以及AVHRR CFTC数据集,设计一种基于模糊逻辑思想的证据融合方法实现上述多源土地覆被信息的决策融合,生成一套依据植物功能型分类的全球1 km土地覆被融合数据SYNLCover。结果显示,与5套源土地覆被数据集相比：① 在总体一致性精度上,SYNLCover的8个生物形态类型和12个目标类型的平均总体一致性精度最高,分别约为65.6%和59.4%,其次依次是MODIS LC、GLC2000、GLCC和GlobCover,UMD的最低,分别约为48.9%和42.6%,而且SYNLCover与5套源土地覆被数据集两两相比的总体一致性都是最好的;② 在类型一致性精度上,除灌丛类型外,SYNLCover中包括森林、草地、耕地、湿地、水体、城镇建筑和其他7种生物形态类型,以及森林类型的5种叶属性的平均一致性精度也是最高的,如其他类型的平均一致性精度可达67.73%;③ 除灌丛和湿地类型外,SYNLCover的其余6种生物形态类型的平均一致性精度均比其在5套源数据中相应的一致性精度的最大值提高了10%~15%左右;森林类型的5种叶属性的一致性精度也提高了约10%。SYNLCover分类精度的提高反映了本研究设计的多源数据融合方法的可行性和有效性。
城市土地利用的空间分布特征一直是城市地理和城市规划领域关注的重点问题,对城市土地利用空间模式的研究有助于理解城市系统的运行状态。在分析现有城市空间结构和城市土地利用模式的基础上,从两个方面对现有基于富集因子的分析方法提出改进,一是采用矢量网格以减少分析的误差,二是采用斜网格和曼哈顿距离来对空间临近关系进行界定。采用这一方法对深圳市2015年6类城市土地利用数据进行分析,得到邻里尺度上各类用地之间富集度随距离变化的3种模式。模式I中,同类用地间的富集度在短距离内较大,且其值随着距离的增加而减小并趋于0,表明同类用地间在较短距离内相互吸引,而吸引力随着距离增加而减弱。在不同类型用地间的模式II和模式III中,富集度在较短距离内为负值,但是在模式II中,富集度随着距离的增加而逐渐增加并趋于0,表明不同用地间短距离内相互排斥,且排斥作用随着距离增加而减弱;而在模式III中,富集度则随着距离增加而快速上升到正值,然后逐渐下降并趋于0,表明不同类型用地在较短距离内相互排斥,但随着距离增加很快变为相互吸引,最后吸引力随着距离增加慢慢减弱。结果表明,相对于基于栅格网的分析方法,基于矢量斜网格的分析方法能够显著降低分析误差。
实行耕地轮作休耕不仅是促进耕地休养生息、加快生态文明建设的重要任务,也是提高农业供给体系质量、实现农业与社会经济可持续发展的重要途径。本文从喀斯特生态脆弱区的人地关系特点出发,围绕休耕的目标导向及约束条件,厘定休耕地空间配置的逻辑内涵,在此基础上以国家休耕试点县——贵州省晴隆县为例,综合运用VSD脆弱性评估框架、灰色预测模型GM（1, 1）和GIS空间分析等方法,通过休耕地初判、休耕地修正、休耕地优选三个步骤实现休耕地的分区布局,据此探讨喀斯特生态脆弱区休耕地空间配置的实现路径与技术方法。结果表明：① 晴隆县耕地生态系统脆弱性较强,全县70%以上的耕地非常脆弱甚至极度脆弱,急需优化耕地利用方式,促进耕地生态修复。② 以粮食安全约束下的耕地保有量作为休耕规模的约束条件,依据耕地生态系统脆弱性由大到小进行筛选,得出晴隆县2015-2020年可休耕耕地规模共计13540.05 hm2,占全县耕地面积的37.18%。③ 根据休耕规模、耕地质量、地形地貌、交通区位、社会经济发展水平等方面的差异,晴隆县休耕地可按“三级五类”进行分区布局,具体布局休耕项目时要因地制宜,制定差异化的休耕模式及休耕组织方式。④ 休耕地的空间配置是一个“对象”和“规模”双重约束下的休耕地块优选问题,在此过程中,休耕对象诊断是基础,规模预测是约束,休耕项目布局是最终落脚点。
