本書系統(tǒng)闡述了空間生態(tài)水文學(xué)的概念，生態(tài)水文學(xué)的過程及尺度，大尺度生態(tài)水文學(xué)的研究方法，遙感和同位素在空間生態(tài)水文學(xué)研究中的應(yīng)用，以及生態(tài)水文過程的耦合與模擬等基礎(chǔ)理論研究成果。本書以分布在我國各自然地理區(qū)的森林生態(tài)站和水文觀測站為依托，基于森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測數(shù)據(jù)和典型大流域綜合觀測數(shù)據(jù)資料，采用對比流域分析、時間序列分析、降水-徑流雙累積曲線方法、生態(tài)水文模型模擬、空間遙感與穩(wěn)定同位素等方法，對比研究了不同氣候帶典型大流域森林生態(tài)水文過程的變化規(guī)律、生態(tài)水文過程的耦合及氣候變化、植被變化對關(guān)鍵生態(tài)水文過程的影響、中國樣帶尺度的森林水量平衡格局及其對氣候變化的響應(yīng)、全球變化背景下流域的適應(yīng)性管理，為促進(jìn)空間生態(tài)水文學(xué)的發(fā)展、合理開發(fā)利用森林資源和水資源、實(shí)施自然生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)以及“山水林田湖草”系統(tǒng)治理、提升森林生態(tài)水文功能及適應(yīng)氣候變化的流域生態(tài)系統(tǒng)管理與森林可持續(xù)經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)和決策參考。
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目錄
序一
序二
前言
第1章 緒論 1
1.1 空間生態(tài)水文學(xué)的概念及內(nèi)涵 1
1.2 生態(tài)水文學(xué)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 1
1.3 空間生態(tài)水文學(xué)研究的意義 4
主要參考文獻(xiàn) 5
第2章 變化環(huán)境下的空間生態(tài)水文學(xué) 8
2.1 全球變化 8
2.1.1 氣候變化 8
2.1.2 土地利用/土地覆被變化 13
2.1.3 氮沉降 14
2.2 全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng) 15
2.2.1 植被生理學(xué)變化 15
2.2.2 植物生長與生產(chǎn)力 17
2.2.3 植物物候變化 18
2.2.4 植被分布與氣候變化 20
2.2.5 植被演替 21
2.3 全球變化與生態(tài)水文學(xué) 22
2.4 氣候變化條件下空間生態(tài)水文學(xué)的發(fā)展需求 24
2.4.1 空間生態(tài)水文學(xué)研究尺度的變化 24
2.4.2 空間生態(tài)水文動態(tài)過程的時空耦合研究是未來發(fā)展方向 25
2.4.3 空間生態(tài)水文學(xué)的長期定位研究與聯(lián)網(wǎng)觀測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè) 27
主要參考文獻(xiàn) 29
第3章 空間生態(tài)水文學(xué)的過程與尺度 39
3.1 生態(tài)水文過程 39
3.1.1 生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)水文過程 39
3.1.2 流域尺度的生態(tài)水文過程 41
3.1.3 景觀和區(qū)域尺度的生態(tài)水文過程 43
3.2 植被生態(tài)水文過程的尺度 43
3.2.1 植被特征的尺度差異 43
3.2.2 植被生態(tài)水文的尺度效應(yīng) 44
3.3 空間與時間尺度的權(quán)衡 46
3.4 大尺度生態(tài)水文過程的復(fù)雜性 47
3.4.1 植被結(jié)構(gòu)和動態(tài)變化的表征 47
3.4.2 尺度轉(zhuǎn)換 47
3.5 景觀生態(tài)學(xué)在生態(tài)水文學(xué)中的應(yīng)用 48
3.6 景觀動態(tài)與水文水資源效應(yīng) 49
主要參考文獻(xiàn) 49
第4章 生態(tài)水文學(xué)研究方法 53
4.1 配對流域?qū)嶒?yàn) 53
4.2 水文圖形法 54
4.2.1 流量歷時曲線 54
4.2.2 雙累積曲線 55
4.2.3 改進(jìn)型雙累積曲線 56
4.3 統(tǒng)計(jì)分析法 57
4.3.1 時間序列分析 58
4.3.2 非參數(shù)檢驗(yàn) 58
4.3.3 多元線性回歸 59
4.3.4 敏感性分析 59
4.4 生態(tài)水文模型及其特點(diǎn) 60
4.4.1 生態(tài)水文模型的概念及主要功能 61
4.4.2 國內(nèi)水文模型 61
4.4.3 國外大尺度生態(tài)水文模型 63
4.5 遙感監(jiān)測和同位素技術(shù) 66
4.5.1 遙感 66
4.5.2 同位素 66
4.6 結(jié)論及展望 67
主要參考文獻(xiàn) 68
第5章 遙感在空間生態(tài)水文學(xué)中的應(yīng)用 71
5.1 研究背景 71
5.1.1 遙感與生態(tài)水文學(xué)的關(guān)系 71
5.1.2以歸一化植被指數(shù)為代表的遙感光譜指數(shù)在生態(tài)水文學(xué)中的廣泛應(yīng)用 75
5.1.3高光譜遙感在生態(tài)水文學(xué)中的深度應(yīng)用與未來的方向 76
5.2 植被結(jié)構(gòu)與功能的遙感分析 78
5.2.1 NDVI與植被功能的動態(tài)表達(dá) 78
5.2.2重要的植被結(jié)構(gòu)特征參數(shù) 葉面積指數(shù) 80
5.2.3 植被物候過程的研究 82
5.3 植被生態(tài)水文過程參數(shù)的遙感估算 89
5.3.1 葉面積指數(shù)的遙感數(shù)據(jù)估算 89
5.3.2景觀尺度上植被降水截留的空間模擬 97
5.3.3 基于遙感的蒸散模型 106
5.4 植被活動強(qiáng)度與長期水文效應(yīng)的遙感分析 150
5.4.1 植被活動強(qiáng)度對水文的影響概述 150
5.4.2 數(shù)據(jù)處理與方法 151
5.4.3溫度、降水與不同植被類型組NDVI時間序列的變化趨勢 154
5.4.4 NDVI時間序列和氣候變化趨勢 154
5.4.5 NDVI和流域徑流關(guān)系的季節(jié)性檢驗(yàn) 155
5.4.6 NDVI和流域長期徑流量的變化關(guān)系 156
5.4.7 討論與小結(jié) 157
主要參考文獻(xiàn) 158
第6章 同位素在空間生態(tài)水文學(xué)中的應(yīng)用 173
6.1 穩(wěn)定同位素技術(shù) 173
6.2 利用氫氧環(huán)境同位素研究森林生態(tài)系統(tǒng)水文過程 174
6.2.1 森林生態(tài)系統(tǒng)的水循環(huán)與轉(zhuǎn)化 174
6.2.2 林冠穿透水 175
6.2.3 地表水/地表徑流 175
6.2.4 土壤水和壤中流 176
6.2.5 地下水 177
6.2.6 植物水 177
6.3 利用氫氧環(huán)境同位素研究灌叢水文過程 178
6.4 穩(wěn)定同位素技術(shù)在岷江流域森林生態(tài)水文中的應(yīng)用 178
6.4.1 岷江上游的降水來源 178
6.4.2植被空間配置對徑流分配的影響 179
6.4.3岷江上游主要植被類型的水分轉(zhuǎn)換過程示蹤 182
6.4.4 岷江上游主要植被類型間的局地景觀水循環(huán) 184
主要參考文獻(xiàn) 186
第7章 水碳耦合與模擬 189
7.1 水碳耦合關(guān)系 189
7.1.1 不同空間尺度的水碳耦合關(guān)系 189
7.1.2 水碳耦合關(guān)系的重要評價(jià)指標(biāo)——水分利用效率 190
7.1.3 水碳耦合中的關(guān)鍵過程——蒸散 193
7.1.4 氣候變化對水分利用效率的影響 195
7.2水碳耦合模型 196
7.2.1 基于光合-氣孔-蒸騰機(jī)理構(gòu)建的模型 197
7.2.2 基于模塊化集成的模型 198
7.2.3 模型尺度的選擇及不確定性 199
7.3水碳耦合模型實(shí)例——基于WaSSI-C模型對川西亞高山地區(qū)水碳耦合關(guān)系的研究 200
7.3.1 研究區(qū)概況 201
7.3.2 多源數(shù)據(jù)處理 206
7.3.3 WaSSI-C模型介紹 212
7.3.4 WaSSI-C模型改進(jìn) 214
7.3.5 模型的評價(jià)方法和不確定性分析 216
7.3.6 WaSSI-C模型響應(yīng)單元空間尺度的確定 217
7.3.7 WaSSI-C模型的率定和驗(yàn)證 221
7.3.8 雜谷腦流域水碳過程模擬結(jié)果 226
7.3.9 雜谷腦流域水碳平衡的評價(jià) 235
7.4 本研究小結(jié) 237
主要參考文獻(xiàn) 238
第8章 北溫帶森林生態(tài)水文過程的變化規(guī)律 244
8.1森林生態(tài)系統(tǒng)對降水輸入過程的影響 245
8.1.1 森林冠層對降水的再分配過程 245
8.1.2 北溫帶主要森林類型對降雨輸入過程的影響 246
8.1.3 不同森林類型對降雪輸入過程的影響 247
8.2森林生態(tài)系統(tǒng)的蒸散規(guī)律 248
8.2.1 不同林木樹種的蒸騰規(guī)律 248
8.2.2 不同森林林分尺度的蒸騰耗水規(guī)律 249
8.2.3 林地地面的蒸發(fā)規(guī)律 250
8.3 小流域森林覆蓋率對徑流的影響 251
8.3.1 對比流域森林覆蓋率和年徑流量變化情況 251
8.3.2 森林覆蓋率變化對年徑流深度的影響 252
8.3.3 森林覆被變化對洪峰徑流的影響 253
8.3.4 森林覆被變化對融雪徑流的影響 253
8.4 大流域森林植被變化對徑流的影響 254
8.4.1 湯旺河流域的森林覆蓋率變化 254
8.4.2 森林覆蓋率變化對年徑流深度的影響 256
8.4.3 森林覆蓋率變化和氣候變化對河川徑流的貢獻(xiàn)率分析 258
主要參考文獻(xiàn) 259
第9章 中溫帶森林生態(tài)水文過程的變化規(guī)律 263
9.1 中溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)的降水再分配過程 263
9.1.1 不同樹種降雨截留的差異 263
9.1.2 中溫帶針闊葉混交林的降雨再分配過程 267
9.2 森林生態(tài)系統(tǒng)的蒸散規(guī)律 270
9.2.1 主要樹種的蒸騰規(guī)律 270
9.2.2 森林蒸散模型與模擬研究 277
9.2.3 中溫帶針闊葉混交林的積雪升華過程 282
9.2.4 森林流域蒸散過程的時空變化 289
9.3 森林流域徑流變化及其影響因素 295
9.3.1 森林流域徑流變化分析 296
9.3.2 森林流域徑流的主要影響因素分析 301
9.3.3 氣候變化和土地利用變化對徑流的影響 309
主要參考文獻(xiàn) 316
第10章 南亞熱帶降水時空特征變化對植被水文過程的影響 322
10.1 近50年來南亞熱帶區(qū)域降水的基本特征 322
10.1.1 年際動態(tài) 322
10.1.2 季節(jié)動態(tài) 322
10.1.3 日動態(tài) 323
10.1.4 特征與變化趨勢評估 323
10.2 降水在南亞熱帶主要植被類型中的再分配過程 323
10.2.1 研究方法 324
10.2.2 穿透水 324
10.2.3 樹干徑流 326
10.2.4 冠層截留 330
10.2.5 穿透水與樹干徑流的養(yǎng)分特征 331
10.2.6 討論 333
10.3 南亞熱帶主要植被類型的降水-產(chǎn)流特征 333
10.3.1 徑流量的測定與計(jì)算 333
10.3.2 3種森林生態(tài)系統(tǒng)的徑流特征 334
10.3.3 地表徑流與降水的關(guān)系 336
10.3.4 我國森林與年徑流量關(guān)系研究 338
10.3.5 鼎湖山3種林型徑流的養(yǎng)分特征 338
10.3.6 結(jié)論 339
10.4 南亞熱帶主要植被類型的蒸散過程 340
10.4.1 潛在蒸散的計(jì)算方法 341
10.4.2 蒸散的研究方法 342
10.4.3 影響潛在蒸散的氣象因子分析 345
10.4.4 潛在蒸散的計(jì)算結(jié)果 348
10.4.5 蒸散對比分析 351
10.4.6 濕潤指數(shù) 352
10.4.7 蒸散過程與脆弱性探討 352
主要參考文獻(xiàn) 353
第11章 西北干旱半干旱區(qū)涇河流域植被格局變化與水文和水土流失響應(yīng) 355
11.1 涇河流域概況 355
11.1.1 氣候 355
11.1.2 地質(zhì)與土壤 356
11.1.3 植被 356
11.1.4 水文與水土流失 356
11.1.5 社會經(jīng)濟(jì) 357
11.1.6 主要生態(tài)環(huán)境問題 357
11.2 涇河流域植被-降水耦合過程研究 359
11.2.1 涇河流域植被分布現(xiàn)狀 359
11.2.2 涇河流域潛在植被分析 359
11.2.3 涇河流域植被退化分析 362
11.2.4 涇河流域植被-降水的耦合關(guān)系 364
11.3 涇河流域植被景觀格局與水土流失過程 369
11.3.1 涇河流域植被景觀格局分析 369
11.3.2 涇河流域植被景觀格局對水土流失過程的影響 372
11.3.3 水土流失與植被景觀格局耦合過程分析 376
11.3.4 三水河流域森林破碎化對水文過程的影響 380
11.4 小流域植被變化的水土流失效應(yīng)模擬研究 386
11.4.1 汭河流域植被變化對水土流失的影響分析 386
11.4.2 內(nèi)河流域植被覆蓋變化的水文過程模擬研究 390
主要參考文獻(xiàn) 395
第12章 西南亞高山森林植被生態(tài)水文過程的時空特征 397
12.1 川西亞高山森林植被對降水輸入時空過程的影響 397
12.1.1 不同森林類型冠層對降水輸入過程的影響 397
12.1.2 不同森林類型地被物層對降水輸入過程的影響 398
12.2 亞高山森林生態(tài)系統(tǒng)的蒸散規(guī)律 399
12.3 亞高山主要生態(tài)系統(tǒng)的水分循環(huán) 400
12.3.1 高山草甸的水分循環(huán) 400
12.3.2 亞高山灌叢的水分循環(huán) 400
12.3.3 亞高山森林的水分循環(huán) 401
12.4 岷江上游森林植被變化對徑流的影響 402
12.4.1 岷江流域自然、社會經(jīng)濟(jì)概況 402
12.4.2 山區(qū)地形條件下降水的時空模擬 404
12.4.3 岷江大尺度植被覆蓋和土地利用變化對水文的影響 406
12.4.4 岷江上游雜谷腦流域徑流動態(tài)小波分析 409
12.4.5 雜谷腦流域大規(guī)模連續(xù)的森林采伐對流域徑流的影響 419
12.5 岷江暗針葉林小流域生態(tài)水文過程耦合及模擬 421
12.5.1 研究區(qū)概況 421
12.5.2 研究方法 425
12.5.3 小流域植被的結(jié)構(gòu)及空間分布特征 437
12.5.4 小流域植被的降水截留特征 451
12.5.5 小流域土壤水分的時空特征 460
12.5.6 小流域植被蒸散的時空變化 475
12.5.7 小流域水文過程的靜態(tài)模擬——濕潤指數(shù) 488
12.5.8 川西亞高山暗針葉林的生態(tài)水文功能 494
12.5.9 川西亞高山暗針葉林植被變化對生態(tài)水文功能的影響 496
12.5.10 小結(jié) 496
12.6 展望 497
主要參考文獻(xiàn) 499
第13章 青藏高原典型流域水文過程及其對氣候變化的響應(yīng) 511
13.1氣候變化與氣候變異 511
13.1.1歷史時期氣候變化與氣候變異的診斷 511
13.1.2 未來氣候變化預(yù)估 513
13.2積雪凍土水文過程及其對氣候變化的時空響應(yīng) 514
13.2.1 積雪水文過程及其對氣候變化的響應(yīng) 514
13.2.2 凍土水文過程及其對氣候變化的響應(yīng) 515
13.3 冰川水文過程及其對氣候變化的時空響應(yīng) 516
13.3.1 冰川水文過程 516
13.3.2 冰川動態(tài)及其對氣候變化的響應(yīng) 517
13.4 青藏高原典型流域水資源的時空動態(tài)及其對氣候變化的響應(yīng) 518
13.4.1 河流徑流動態(tài)及其對氣候變化的響應(yīng) 518
13.4.2 未來氣候情景下的水資源動態(tài) 519
主要參考文獻(xiàn) 521
第14章 海南尖峰嶺熱帶森林生態(tài)水文過程及其對氣候變化的響應(yīng) 523
14.1 研究區(qū)概況 523
14.1.1 地理位置和地質(zhì)地貌 523
14.1.2 氣候 523
14.1.3 土壤 524
14.1.4 植被 526
14.2 尖峰嶺近50年氣候變化特征 528
14.2.1 研究方法 528
14.2.2 氣候變化趨勢 528
14.2.3 氣候突變、異常和變化周期 532
14.3 尖峰嶺熱帶山地雨林水文變化特征 537
14.3.1 森林蒸散 537
14.3.2 徑流 539
14.3.3 熱帶山地雨林的水量平衡 549
14.4 尖峰嶺熱帶雨林凋落物和土壤生態(tài)水文功能 550
14.4.1 研究方法 550
14.4.2 凋落物層的水文特征 552
14.4.3 土壤層的水文特征 554
14.5 尖峰嶺徑流變化對氣候變化的響應(yīng) 557
14.5.1 氣候變化對徑流的影響 557
14.5.2 未來氣候變化對徑流的影響 561
主要參考文獻(xiàn) 564
第15章 東部南北樣帶主要生態(tài)系統(tǒng)水分平衡與植被活動規(guī)律 566
15.1 引言 566
15.2 陸地樣帶研究的發(fā)展 567
15.3 中國東部南北樣帶的概況 568
15.4 資料來源和研究方法 575
15.4.1 氣象數(shù)據(jù)插值 575
15.4.2 植被分類數(shù)據(jù) 575
15.4.3 NDVI數(shù)據(jù)再處理 576
15.4.4 物候期研究方法 577
15.4.5 生長季時間合成 NDVI (TI-NDVI) 579
15.4.6 ET 算法 579
15.4.7 生長季水分虧缺指數(shù)（GWDI) 580
15.4.8 植被NDVI變化與溫度和降水的相關(guān)性 581
15.4.9 變化斜率法和非參數(shù)檢驗(yàn)趨勢法 582
15.5 南北樣帶溫度和降水的空間格局及變化趨勢 584
15.5.1 南北樣帶年均溫度和降水的趨勢變化 584
15.5.2 南北樣帶不同季節(jié)溫度的變化 584
15.5.3 南北樣帶不同季節(jié)降水的變化 587
15.5.4 各植被類型所在區(qū)域溫度的長期變化趨勢分析 589
15.5.5 各植被類型所在區(qū)域降水的長期變化趨勢分析 590
15.5.6 小結(jié) 591
15.6 南北樣帶主要植被類型物候期變化 591
15.6.1 不同植被類型返青起始期的變化情況 591
15.6.2 不同植被類型休眠起始期的變化情況 592
15.6.3 不同植被生長季長度的變化情況 594
15.6.4 不同植被類型物候發(fā)生時間與溫度和降水的關(guān)系 595
15.6.5 小結(jié) 597
15.7 東部南北樣帶植被活動趨勢 599
15.7.1 生長季尺度植被變化趨勢及其分布特征 599
15.7.2 年尺度和月尺度植被的變化特征 604
15.8 東部南北樣帶NDVI與氣候因子的關(guān)系 608
15.8.1 南北樣帶NDVI與氣候因子的空間相關(guān)關(guān)系 608
15.8.2 不同月份NDVI與溫度和降水的關(guān)系 612
15.8.3 南北樣帶上不同植被類型NDVI對溫度和降水的敏感性 617
15.8.4 小結(jié) 618
15.9 基于生長季水分虧缺指數(shù)（GWDI)對東南樣帶植被水分狀況評價(jià) 619
15.9.1 GWDI植被類型時間序列 619
15.9.2 GWDI和氣候、植被的關(guān)系 620
15.9.3 GWDI和生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的敏感性 622
15.10 小結(jié) 623
主要參考文獻(xiàn) 624
第16章 變化環(huán)境下流域的適應(yīng)性管理 630
16.1 全球變化對森林生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生多尺度干擾 630
16.2 適應(yīng)氣候變化的流域植被水文調(diào)節(jié)功能 630
16.3 適應(yīng)性生態(tài)恢復(fù)與植被重建 631
16.4 區(qū)域和景觀水平生態(tài)水文適應(yīng)性評價(jià)平臺 632
16.5 區(qū)域農(nóng)林復(fù)合景觀格局的生態(tài)水文耦合關(guān)系評價(jià) 633
16.5.1 區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全的農(nóng)林景觀格局與發(fā)展模式 633
16.5.2 區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境安全評價(jià) 639
主要參考文獻(xiàn) 649
第17章 森林生態(tài)水文對全球變化的響應(yīng)及其地理格局 651
17.1 全球大流域森林植被變化對徑流變化的影響及地理分異 652
17.2 多空間尺度上森林覆蓋變化與年徑流之間的關(guān)系 655
17.2.1 森林覆蓋率變化與徑流的關(guān)系 656
17.2.2 森林覆蓋變化的水文響應(yīng)與空間尺度 657
17.2.3 氣候梯度和年徑流量對森林覆蓋變化的敏感度 658
17.2.4 森林類型和年徑流量對森林覆蓋變化的敏感度 660
17.3 小結(jié) 662
主要參考文獻(xiàn) 663
附錄變量與單位、含義對照表 668
索引 671
后記 675
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