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西北地区生态干旱脆弱性评估

水资源保护 2023年第3期39卷 65-73页

作者：刘轩粟晓玲刘雨翰梁晓萱西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100

为了解西北地区生态干旱脆弱性的空间分布和演变趋势,从暴露度、敏感性以及影响力三方面提出了生态干旱脆弱性的概念及定量表征方法,利用熵权法构建生态干旱脆弱性指数,采用莫兰指数评估脆弱性指数的空间相关性和脆弱性局部空间聚集情况... 详细信息

为了解西北地区生态干旱脆弱性的空间分布和演变趋势,从暴露度、敏感性以及影响力三方面提出了生态干旱脆弱性的概念及定量表征方法,利用熵权法构建生态干旱脆弱性指数,采用莫兰指数评估脆弱性指数的空间相关性和脆弱性局部空间聚集情况,分析了西北地区1985—2014年的生态干旱脆弱性区域分布、脆弱性程度及趋势。结果表明:西北地区生态干旱高脆弱区主要分布在天山山脉、青海南部、青海湖附近、甘肃中部、陕北以及陕西中部等地区,其余地区均处于中等及以下脆弱性等级;生态干旱脆弱性指数局部空间分布相对聚集,呈现出“大聚集、小分散”的空间分布格局;生态干旱脆弱性在研究时段呈现先升高后降低的趋势,伊犁盆地、吐鲁番盆地和河西走廊地区脆弱性改善效果明显,但青海南部、陕北等局部地区脆弱性仍有升高趋势,未来需要加强这些地区的生态保护工作。

关键词：生态干旱脆弱性评估熵权法莫兰指数西北地区

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嫩江流域生态干旱影响因素及其时空演变规律

生态学报 2024年

作者：庞金凤门宝辉华北电力大学水利与水电工程学院

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，本研究利用标准化生态缺水指数（SEWDI），结合旋转经验正交函数、累积和... 详细信息

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，本研究利用标准化生态缺水指数（SEWDI），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。

关键词：生态干旱累积和曲线旋转经验正交函数嫩江流域干旱演变

长江流域六省(市)夏秋季生态干旱综合强度评估

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水利学报 2023年第7期54卷 869-879页

作者：姜田亮屈艳萍吕娟粟晓玲董蓉蓉中国水利水电科学研究院防洪抗旱减灾研究中心北京100038 水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心北京100038 西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100

2022年的长江流域大旱对农业、能源、生态等方面产生了严重影响。8月11日,水利部针对干旱影响最为严重的安徽省、江西省、湖北省、湖南省、重庆市和四川省启动了抗旱IV级响应,有关六省(市)生态系统受旱程度的定量评估亟待开展。鉴于此,... 详细信息

2022年的长江流域大旱对农业、能源、生态等方面产生了严重影响。8月11日,水利部针对干旱影响最为严重的安徽省、江西省、湖北省、湖南省、重庆市和四川省启动了抗旱IV级响应,有关六省(市)生态系统受旱程度的定量评估亟待开展。鉴于此,本研究基于标准化生态缺水指数和改进的归一化差异水体指数,分别评估了干旱对六省(市)陆地和水域生态系统产生的影响,基于干旱事件特征分析研究区夏秋季生态干旱综合强度的年际变化,最后探讨了2022年生态干旱的主要原因。结果表明:(1)6月为生态干旱的起始阶段,7—9月陆地系统生态干旱严重程度和影响范围均不断增加,10—11月随着降雨量增加、植被需水量减小,干旱缓解,水域系统生态干旱不断加重并持续至11月;(2)1982—2022年六省(市)生态干旱综合强度呈波动增加态势,2022年均达到或接近历史同期的最大值,高强度区的面积占比高于历史平均水平的67.4%;(3)2022年降水和地表水偏少导致的低生态供水强度,与高温日数较长导致的高生态需水强度相叠加,引发了1982年以来最为严重的生态干旱。

关键词：长江流域生态干旱演变特征干旱综合强度

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基于水分利用效率的生态干旱敏感性评估

西北农林科技大学学报（自然科学版） 2023年第6期51卷 81-90页

作者：刘轩粟晓玲姜田亮刘雨翰西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100 西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100

【目的】准确量化生态系统的干旱敏感性程度,为生态干旱早期预警和减少生态损失提供参考。【方法】以中国西北地区为例,基于生态缺水量构建标准化生态干旱指数(standardized ecological water deficit index,SEWDI),结合植被水分利用效... 详细信息

【目的】准确量化生态系统的干旱敏感性程度,为生态干旱早期预警和减少生态损失提供参考。【方法】以中国西北地区为例,基于生态缺水量构建标准化生态干旱指数(standardized ecological water deficit index,SEWDI),结合植被水分利用效率(water use efficiency,WUE)定义生态干旱敏感性;采用Copula方法探讨生态干旱加剧条件下WUE升高的概率,以此分析生态干旱的敏感性。【结果】塔里木盆地、昆仑山脉、吐鲁番盆地以及柴达木盆地、河西走廊等地植被生态缺水量较高,逐月均值最高达75 mm。在研究区大部分区域SEWDI与WUE相关性较强,其中显著正相关区域占全区的24.2%,主要分布于新疆大部、青海西部、陕西南部等地;显著负相关区域占全区的36.8%,主要分布于黄土高原等地;随着生态干旱的加剧,WUE对生态干旱的敏感性在不同地区并非单调增加。植被生长期内生态干旱的敏感性随着干旱胁迫程度加剧而升高,且草地的生态干旱敏感性高于林地和耕地。5-6月WUE升高概率上升的速率最快,轻旱-中旱、中旱-重旱、重旱-特旱3个干旱变化情况下,WUE升高概率的月平均速率分别为0.09,0.07和0.06。【结论】水分利用效率(WUE)可以很好地反映植被在生长期遭受干旱胁迫时的生态干旱敏感性,可用作表征生态干旱敏感性的因子。

关键词：生态干旱干旱敏感性水分利用效率条件概率西北地区

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生态干旱初探

灌溉排水学报 2016年第S1期 84-89页

作者：牛文娟苟思刘超庄文化刘铁刚四川大学水利水电学院

为了进一步完善干旱对生态系统的影响,基于已有研究,总结了干旱对水生和陆生生态系统的影响,引入了"生态干旱"的概念,用于描述干旱对生态系统的影响,对传统的干旱定义进行了补充。通过能量和水分循环,各种干旱在区域内相互影响、紧密相... 详细信息

为了进一步完善干旱对生态系统的影响,基于已有研究,总结了干旱对水生和陆生生态系统的影响,引入了"生态干旱"的概念,用于描述干旱对生态系统的影响,对传统的干旱定义进行了补充。通过能量和水分循环,各种干旱在区域内相互影响、紧密相连。气象干旱发生后不久,生态干旱随即发生,而水文干旱往往滞后于生态干旱。各类干旱的发生表现出"滞后性"现象。生态干旱的研究可借鉴农业干旱指数和水文干旱指数的研究方法,建立综合生态干旱指标。同时利用遥感技术对生态干旱进行监测。

关键词：干旱定义生态干旱干旱指标生态系统

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西北地区未来生态干旱的时空演变特征

西北地区未来生态干旱的时空演变特征

作者：刘雨翰西北农林科技大学

学位级别：硕士

全球变暖引发了更为严峻的生态问题,生态干旱逐渐成为生态水文领域的研究热点。生态干旱是指“自然与人类活动引发的生态系统可获得水量的间歇性不足所导致生态系统偏离最佳性能的现象”。近年来,生态干旱理论研究在生态干旱定义、脆弱... 详细信息

全球变暖引发了更为严峻的生态问题,生态干旱逐渐成为生态水文领域的研究热点。生态干旱是指“自然与人类活动引发的生态系统可获得水量的间歇性不足所导致生态系统偏离最佳性能的现象”。近年来,生态干旱理论研究在生态干旱定义、脆弱性及监测等方面取得了一些进展,但生态干旱预估却鲜有研究。阐明气候变化背景下生态干旱演变特征可为缓解生态干旱风险、开展生态干旱预警提供理论支撑。本研究依据观测资料,基于偏差校正空间分解法(BCSD)对第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)中5个气候模式(GCMs)的气象要素进行了降尺度,并评估了数据精度。然后以多模式集合平均的GCMs气象要素为输入,依据LUH2土地利用数据,采用考虑CO浓度的Penman-Monteith[CO]法、单作物系数法、Saxton方程计算了1982～2100年西北地区的月尺度生态需水、有效降水、生态缺水。构建了基于生态缺水的标准化生态干旱指数(SEWSI),并通过游程理论提取未来生态干旱的特征变量,利用旋转经验正交分解法(REOF)和Copula函数分析未来生态干旱的时空演变特征及风险特征。得出的主要结论如下:(1)系统的评价了BCSD降尺度方法在西北地区的应用。BCSD方法能够较好的重现各气象要素年均值和月均值的空间分布特征,但对研究区各要素的变化趋势重现存在一定不足,主要受GCMs本身模拟精度的影响。对气温、辐射的趋势重现效果较好,对相对湿度的趋势重现效果较差,对降水和10m风速整体的趋势重现效果较好,逐月份的趋势重现略有不足。通过BCSD降尺度后可显著提升其模拟精度,各气象要素的NSE均能达到0.5以上,能够保证数据的质量要求。(2)提出了基于气候模式数据的生态需水计算方法,并预估了1982～2100年西北地区SSP2-4.5与SSP5-8.5气候情景下的生态需水、有效降水、生态缺水。西北地区基准期(1982～2014年)月平均缺水11.3mm,缺水面积占比78.9%,不缺水区域为伊犁盆地、青海南部和东部、陕西南部、昆仑山脉附近。在2015～2100年生态需水、有效降水、生态缺水呈现显著的上升趋势;相较于基准期,21世纪末期SSP2-4.5与SSP5-8.5情景下的生态需水分别增加8.3%和15.5%,有效降水相较于基准期分别增加7.9%和12.4%,生态缺水相较于基准期分别增加8.7%和18.7%。(3)构建了标准化生态干旱指数SEWSI,揭示了西北地区未来SSP2-4.5与SSP5-8.5气候情景下生态干旱不同分区的时空演变特征及干旱风险。构建的SEWSI与常用干旱指数SPEI以及植被系数均有较高的相关性,能够较好的监测西北地区生态干旱。未来SSP2-4.5与SSP5-8.5情景生态干旱均呈现增加趋势,平均每2～3年发生一次,相较于SSP2-4.5情景,SSP5-8.5情景发生生态干旱的概率更大,2060～2065年、2070～2075年、2092～2095年是西北地区生态干旱较为严重的时期。西北地区的生态干旱具有明显的时空异质性,基于REOF将其分为6个子区,未来陕西-甘肃南部是生态干旱发生最频繁的区域,新疆北部以及塔里木盆地附近是生态干旱发生最严重的区域,青海西北部、甘肃中东部以及伊犁盆地等区域生态干旱将有所缓解。

关键词：生态干旱 CMIP6 气候变化生态缺水西北地区

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西北地区生态干旱脆弱性评价及区划研究

西北地区生态干旱脆弱性评价及区划研究

作者：刘轩西北农林科技大学

学位级别：硕士

生态干旱脆弱性评估是控制和缓解生态干旱的重要环节,可为减轻研究区生态干旱造成的损失,调整水土资源管理策略提供科学依据。但目前尚缺乏生态干旱脆弱性定量评估方法。本文以中国西北地区为例,首先,根据生态缺水量构建生态干旱指数(SE... 详细信息

生态干旱脆弱性评估是控制和缓解生态干旱的重要环节,可为减轻研究区生态干旱造成的损失,调整水土资源管理策略提供科学依据。但目前尚缺乏生态干旱脆弱性定量评估方法。本文以中国西北地区为例,首先,根据生态缺水量构建生态干旱指数(SEWDI),并结合现有的生态干旱脆弱性评价框架,从生态干旱暴露度、敏感性以及影响力等三个维度提出生态干旱脆弱性的概念及定量表征方法;其次,利用层次分析法和熵权法组合赋权构建生态干旱脆弱性指数(EDVI),采用莫兰指数评估脆弱性指数的空间相关性和脆弱性局部空间聚集情况;最后,分析西北地区1985～1994、1995～2004和2005～2014年3个时段生态干旱脆弱性等级的空间演变特征,对西北地区生态干旱的脆弱性进行综合评价。获得以下主要结论:(1)基于生态干旱指数SEWDI计算了干旱频率,并利用游程理论提取了干旱历时以及干旱烈度,结合上述干旱特征与NDVI加权叠加构建了生态干旱暴露度指数。西北地区生态干旱暴露度等级分为微度、轻度、中度、重度和极度5个级别,所有级别的暴露度指数位于0.12～0.48之间,且整体上呈现从西向东逐渐增加的趋势,其中新疆伊犁盆地、塔里木盆地、青海湖流域、青海南部以及甘肃东南部与陕西大部暴露度较高,而青海西北部、新疆东南部周边区域暴露度较低。(2)利用Copula函数联合SEWDI与植被水分利用效率WUE,计算干旱加剧情景下WUE升高的条件概率,据此加权叠加构建了生态干旱敏感性指数。研究区的生态干旱敏感性等级分为微度、轻度、中度、重度和极度5个级别,所有级别的敏感性指数位于0.06～0.60之间,且呈现从北到南逐渐降低的空间分布趋势,尤其在伊犁盆地、青海东南部、甘肃南部以及陕南地区,生态干旱敏感性较低;而昆仑山脉、甘肃、宁夏和陕北地区的敏感性较高。(3)以各类生态系统服务价值为指标加权叠加构建了生态干旱影响力指数,西北地区生态干旱影响力等级分为微度、轻度、中度、重度和极度5个级别,所有级别的影响力指数位于0.02～0.91之间,以轻度和微度影响为主,秦岭地区为微度影响,而陕北、关中等地区为重度或极度影响。影响力较高的区域主要集中在准噶尔盆地、塔里木盆地周边区域、昆仑山脉、柴达木盆地周边区域、甘肃北部、宁夏北部、以及陕北和关中地区一带,而新疆阿勒泰山脉、伊犁盆地、青海东部和南部、甘肃南部以及陕南地区影响力则较低。从生态干旱影响力的成因分析,发现耕地、林地、建设用地不断增加,使得生态系统服务价值不断升高,导致影响力降低。(4)西北地区的生态干旱脆弱性存在一定的区域分异性,重度和极度脆弱区域主要分布在新疆塔里木盆地、准噶尔盆地、吐鲁番盆地周边区域、昆仑山脉、青海柴达木盆地周边区域、河西走廊、甘肃中部和东部、宁夏中部和北部、陕北地区和陕西关中地区一带;中度脆弱区域主要分布在新疆阿勒泰山脉、青海西南部、青海湖附近、宁夏南部、陕北地区一带。生态干旱敏感性较高的地区相对具有较高的生态干旱脆弱性。西北地区生态干旱脆弱性指数空间分布相对聚集且程度较高,生态干旱脆弱性的局部空间集聚程度整体呈现出“大聚集、小分散”的空间分布情况。生态干旱脆弱性呈先增大后减小趋势,但局部地区生态干旱有恶化趋势。此外新疆天山山脉、阿勒泰山脉、甘肃中部、宁夏中部、陕西大部等地区的脆弱性得到改善后又呈现出加剧趋势,因此上述地区的生态干旱脆弱性问题应进一步重视。本研究获得的脆弱性指数空间分布可为研究区生态干旱防防治工作提供理论依据,生态干旱脆弱性指数的构建方法也可以推广应用于到其他地区,作为当地生态环境治理的科学参考。

关键词：生态干旱脆弱性评价层析分析法熵权法西北地区

西南地区生态干旱时空演变规律分析与模拟研究

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西南地区生态干旱时空演变规律分析与模拟研究

作者：贾松涛西安理工大学

学位级别：硕士

干旱对植被有着广泛而深刻的影响。气候变化环境下,干旱使植被和生态系统脆弱性增加,导致生态系统服务功能丧失,对人类社会产生影响。植被有重要的固碳作用,陆地生态系统将在未来继续发挥碳汇作用,而陆地生态系统碳汇是实现“双碳”发... 详细信息

干旱对植被有着广泛而深刻的影响。气候变化环境下,干旱使植被和生态系统脆弱性增加,导致生态系统服务功能丧失,对人类社会产生影响。植被有重要的固碳作用,陆地生态系统将在未来继续发挥碳汇作用,而陆地生态系统碳汇是实现“双碳”发展目标的关键手段。因此,生态干旱研究已引起众多国家和地区关注。以植被覆盖度为主要研究要素的生态干旱呈现出非线性和复杂性,目前仍然没有被广泛接受的生态干旱监测指标。准确表征生态干旱具有不确定性和挑战性,构建生态干旱指数成为生态干旱研究的热点和难点。有效识别生态干旱时空演变规律以及准确模拟预估生态干旱,将有助于减缓生态干旱对区域社会经济发展产生的不利影响,对实际生产生活和防灾减灾起着重要作用。本论文以中国西南地区为研究区域,以生态干旱为研究对象。从生态干旱指数构建、指数可靠性验证、生态干旱演变特征分析、基于多网格高分辨率模型适用性评估等方面开展研究。并对比生态干旱在不同地貌和土地利用类型的空间分布情况。论文得到的主要研究成果如下:（1）基于Copula函数法构建了综合植被和土壤湿度两方面信息的西南地区生态干旱指数EDI,并通过对比EDI指数与SIF（叶绿素荧光数据）,分析西南典型旱灾的时空演变过程,验证了其表征生态干旱的优越性。研究表明:生态干旱指数EDI与公认的可以表征植被生长状况的SIF荧光数据相关性良好,EDI指数有一定的表征实际干旱情况的能力,能有效表征陆地生态系统的干湿状况。（2）采用克里金插值法和Mann-Kendall（MK）趋势检验法,揭示了西南地区生态干旱时空演变规律。研究表明:西南地区生态干旱趋于缓慢变干趋势。其中,西南地区年降雨量整体上呈现不显著减少趋势。多年平均气温表现出与降雨相同的空间分布,且气温在过去几十年呈显著上升趋势。年均NDVI空间分布不均匀,自北向南递减;研究时间段内,SIF呈现上升趋势;EDI空间变化分布呈现西南高,中部、西北部低的态势,年际变化呈现波动下降趋势,表明西南地区生态干旱呈现加剧的趋势。（3）基于气象遥感资料采用相关系数法优选预报因子,建立了三种高分辨率模型（MLR、ANN、SVM）,对比了三种模型纳什效率系数和均方根误差,考虑了其对西南地区每个网格生态干旱指数EDI的预测精度。结果表明:MLR、ANN、SVM模型验证期NSE系数值范围分别为0.5～0.58,0.6～0.7,0.7～0.76,验证期均方根误差范围分别为0.59～0.73,0.5～0.6,0.48～0.58,表明三种模型中SVM模型模拟预测效果最佳。（4）采用区域分析法,分别按照地貌和土地利用对模型网格化预报效果再分类,统计了其对生态干旱可预报性的影响。结果表明:同一模型在不同地貌条件下预报性能不同;相同地貌类型条件下,同一模型预报精度受不同土地利用类型影响。林地可预报性优于其他土地利用类型。同一土地利用类型有不同的适用模型,对不同土地利用类型进行模拟预测研究时考虑选择最优模型以得到最佳的结果。

关键词：生态干旱生态干旱指数支持向量机模型西南地区

基于核温度植被干旱指数的内蒙古植被生长季生态干旱监测

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应用生态学报 2023年第11期34卷 2929-2937页

作者：赵家培郭恩亮王永芳康尧顾锡羚内蒙古师范大学地理科学学院呼和浩特010022 内蒙古自治区蒙古高原灾害与生态安全重点实验室呼和浩特010022 蒙古高原气候变化与区域响应高校重点实验室呼和浩特010022

生态干旱监测对区域生态系统水资源状况评估和保护十分重要。本研究以内蒙古为研究区,使用核归一化植被指数(kNDVI)改进温度植被干旱指数(TVDI),构建了一种新的生态干旱指数——核温度植被干旱指数(kTVDI),基于此,利用分段线性回归模型... 详细信息

生态干旱监测对区域生态系统水资源状况评估和保护十分重要。本研究以内蒙古为研究区,使用核归一化植被指数(kNDVI)改进温度植被干旱指数(TVDI),构建了一种新的生态干旱指数——核温度植被干旱指数(kTVDI),基于此,利用分段线性回归模型、Sen趋势分析(Theil-Sen median)、曼-肯德尔检验(Mann-Kendall)和赫斯特指数(Hurst)等方法分析2000—2022年间内蒙古生态干旱的时空分布特征和未来变化趋势。结果表明:相较于TVDI,kTVDI的生态干旱监测能力更强;2000—2022年间,内蒙古植被生长季kTVDI呈下降趋势,但变化不显著,在2016年发生突变,突变后的湿润趋势更为明显;研究期间,内蒙古23.6%地区的生态干旱呈加剧趋势,46.5%地区的生态干旱缓解;未来,生态干旱在内蒙古东部地区存在加剧、在中西部地区存在缓解的可能。

关键词：核温度植被干旱指数生态干旱 MODIS 内蒙古