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科学通报 2023年第11期68卷 1356-1366页

作者：程宏蒋宁张恺笛吴波邹学勇赵晓萌北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875 北京师范大学防沙治沙教育部工程研究中心北京100875 北京师范大学地理科学学部北京100875 中国林业科学研究院荒漠化研究所北京100091

土壤风蚀引起的地表沙尘释放及其输移过程,是干旱半干旱区最为重要的地表过程之一.准确估算地表沙尘释放是揭示沙尘暴发生机制、阐明地表沙尘释放与陆地生态系统耦合作用的基础,也是制定防沙治沙和大气环境治理规划和决策的依据.基于野... 详细信息

土壤风蚀引起的地表沙尘释放及其输移过程,是干旱半干旱区最为重要的地表过程之一.准确估算地表沙尘释放是揭示沙尘暴发生机制、阐明地表沙尘释放与陆地生态系统耦合作用的基础,也是制定防沙治沙和大气环境治理规划和决策的依据.基于野外调查、表层土壤采集及其室内实验、遥感影像以及气象站观测资料,估算了4个不同时期4个粒径组地表沙尘释放,揭示了京津风沙源地表沙尘释放的时空分布及其对粒径的响应,明确了京津风沙源不同区域和土地利用地表沙尘释放的贡献.在此基础上,从控制地表沙尘释放及其对区域大气环境中可吸入颗粒物影响的角度,提出京津风沙源治理的重点区域是农牧交错带、燕山丘陵、荒漠草原、晋北山地丘陵,治理的土地利用核心是耕地,而不是沙地,为京津风沙源治理工程的优化布局提供科学依据.

关键词：地表沙尘释放区域分异京津风沙源土地利用

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青藏高原及横断山区地质灾害易发区空间格局及驱动因子

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地理学报 2022年第5期77卷 1211-1224页

作者：申泽西张强吴文欢宋长青北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875 北京师范大学地理科学学部北京100875 核工业北京地质研究院遥感信息与图像分析技术国家级重点实验室北京100029

青藏高原及横断山区位中国西南部,地貌类型复杂,地质灾害频发,严重威胁到西南地区人民生命财产安全,尤其影响进藏交通线的通达度。系统研究该区地质灾害易发区空间格局及驱动因子,可为青藏高原及横断山区地质灾害风险防范及地质灾害的... 详细信息

青藏高原及横断山区位中国西南部,地貌类型复杂,地质灾害频发,严重威胁到西南地区人民生命财产安全,尤其影响进藏交通线的通达度。系统研究该区地质灾害易发区空间格局及驱动因子,可为青藏高原及横断山区地质灾害风险防范及地质灾害的防灾减灾救灾提供重要理论支撑。研究结果表明,基于随机森林构建的判识模型对于灾害点的判识精度均高于80%,甚至达到91%,可准确模拟与预测研究区各分区的地质灾害点。研究区地质灾害易发点主要分布在横断山区南部与东北部以及青藏高原中南部地区,且以小型及中型规模地质灾害为主(占比为87%)。综合分区Ⅰ~Ⅲ的地质灾害易发区面积分别为17.5万km^(2)、17.4万km^(2)与27.5万km^(2)。各综合分区地质灾害驱动因子研究表明,横断山区南部区域(综合分区Ⅰ内)小型及中型地质灾害的主要驱动力为道路建设导致的沿途坡面稳定性变化(贡献率为20.2%);横断山区东北部区域及青藏高原地区(综合分区Ⅱ~Ⅲ)小型及中型地质灾害的主要驱动力为植被覆盖状况的变化对于坡面稳定性的影响(贡献率分别为23.6%与27.3%)。此外,综合分区Ⅱ~Ⅲ内影响小型及中型地质灾害空间格局的第二个驱动因子为道路建设导致的沿途坡面稳定性的变化(贡献率为15.7%)与河流对于周边坡面的侵蚀作用(贡献率为17%)。

关键词：青藏高原横断山区地质灾害随机森林成因分析

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京津风沙源土壤风蚀时空格局及其演化

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科学通报 2023年第2期68卷 238-253页

作者：赵晓萌程宏蒋宁邹学勇吴波蒋玲梅张恺笛贺伟伟北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875 北京师范大学防沙治沙教育部工程研究中心北京100875 北京师范大学地理科学学部北京100875 中国林业科学研究院荒漠化研究所北京100091

为了控制土壤风蚀及其产生的沙尘释放对京津地区大气环境的影响,中国政府于21世纪初实施了具有重要战略意义的京津风沙源治理工程.通过植树种草、轮牧禁牧、土地利用优化等措施,丰富了区内生物多样性,提高了区内植被盖度,生态环境得到... 详细信息

为了控制土壤风蚀及其产生的沙尘释放对京津地区大气环境的影响,中国政府于21世纪初实施了具有重要战略意义的京津风沙源治理工程.通过植树种草、轮牧禁牧、土地利用优化等措施,丰富了区内生物多样性,提高了区内植被盖度,生态环境得到一定程度的改善.基于野外调查、室内实验、遥感影像反演以及气象数据,本文采用《全国水土流失动态监测规划(2018~2022年)》和《区域水土流失动态监测技术规定(试行)》中指定的土壤风蚀模型,计算了京津风沙源治理以来典型年份、土地利用变化和气候变化共计3种情形下土壤风蚀,揭示了京津风沙源土壤风蚀模数和强度的时空格局及其演化规律,明确了土地利用变化、气候变化对京津风沙源土壤风蚀时空格局的影响,发现气候变化导致风蚀模数和面积的变率,与当年对应的变率相当,大于土地利用变化的影响.此外,土地利用变化情形风蚀面积总体减少,尤其是2010~2015年间减小了4.10%,说明京津风沙源治理工程发挥了重要作用,为京津风沙源治理工程效益评估以及优化布局提供科学依据.

关键词：京津风沙源风蚀时空格局气候变化土地利用变化

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京津风沙源地表释尘到达典型城市沙尘量及其源解析

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科学通报 2023年第7期68卷 801-816页

作者：程宏张恺笛蒋宁邹学勇吴波贺伟伟北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875 北京师范大学防沙治沙教育部工程研究中心北京100875 北京师范大学地理科学学部北京100875 中国林业科学研究院荒漠化研究所北京100091

土壤风蚀引起的地表沙尘释放是大气环境中可吸入颗粒的重要来源.准确估算地表沙尘释放对城市大气环境中可吸入颗粒物的贡献,是国家制定大气环境治理规划和决策的依据.本文结合地面调查、野外观测、遥感影像解译等手段,估算了风力作用下... 详细信息

土壤风蚀引起的地表沙尘释放是大气环境中可吸入颗粒的重要来源.准确估算地表沙尘释放对城市大气环境中可吸入颗粒物的贡献,是国家制定大气环境治理规划和决策的依据.本文结合地面调查、野外观测、遥感影像解译等手段,估算了风力作用下京津风沙源土壤风蚀引起的0~2.5、2.5~5、5~10、10~20μm沙尘输移到北京、张家口、赤峰、大同、呼和浩特、锡林浩特、包头、榆林的量,揭示了到达各城市不同粒径组沙尘量的变化规律,并从区域、土地利用、风向等方面进行了源解析,提出了京津风沙源治理的核心是PM_(10)(尤其是PM_(2.5)),治理区域需优先考虑农牧交错带、荒漠草原、燕山丘陵,治理的地类依次是耕地、沙地(漠)和草(灌)地,为京津风沙源治理宏观战略部署、总体方案优化与调整提供决策依据.

关键词：京津风沙源地表释尘沙尘量源解析城市

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时空Moran散点图及其在中国干旱时空聚集区识别中的应用

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地球信息科学学报 2022年第7期24卷 1301-1311页

作者：王峥程昌秀李畅北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875 北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室北京100875 北京师范大学地理科学学部北京100875 威斯康星大学麦迪逊分校地理系麦迪逊53706-1404

干旱灾害给整个自然灾害体系带来的经济损失最为严重,也是目前检测难度较高的自然灾害之一。SaTScan在灾害时空聚集区的识别中已有应用,但其存在参数设定困难、识别区域不够精确等问题。本文对Moran散点图和局部空间关联指标(Local Indi... 详细信息

干旱灾害给整个自然灾害体系带来的经济损失最为严重,也是目前检测难度较高的自然灾害之一。SaTScan在灾害时空聚集区的识别中已有应用,但其存在参数设定困难、识别区域不够精确等问题。本文对Moran散点图和局部空间关联指标(Local Indicators of Spatial Association, LISA)进行时空扩展,提出了一种时空Moran散点图的方法,根据研究者对关注现象阈值及置信程度的要求,筛选出符合条件的点,并将其绘制在对应的时空坐标系上,从而得到时空聚集区。以2009—2014年中国干旱时空聚集区识别为例,结果表明:(1)时空Moran散点图识别到的干旱时空聚集区与实际基本相符,验证了方法的有效性;同时,与时空扫描法相比,该方法具有识别结果边界清晰、精确,参数设置容易等优点;(2) 2009年和2011年呈现大范围、较强的干旱时空聚集区,2010年和2014年出现局部、较强的干旱时空聚集,而2012年和2013年的干旱时空聚集情况较轻。综合来看,2009—2014年干旱时空聚集区主要出现在云贵川、东北、黄淮地区和长江中下游等地区。

关键词：时空聚集区时空扩展 Moran散点图 LISA SaTScan 干旱干旱识别 NSPEI

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新时代自然灾害态势感知的实践与方法探索

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地理学报 2023年第3期78卷 548-557页

作者：程昌秀裴韬刘瑜杜云艳沈石江净超北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室北京100875 北京师范大学地表过程与生态环境国家重点实验室北京100875 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室北京100101 北京大学遥感与地理信息系统研究所北京100871 杭州电子科技大学自动化学院杭州310018

随着人类世的到来,“常态化”的极端天气与自然灾害成为人类生存面临的首要问题。大数据智能化的技术驱动、大科学(计划)的学科基础、全球化治理与应对的需求牵引,共同构成了新时代自然灾害研究的主旋律。论文提出自然灾害态势感知的概... 详细信息

随着人类世的到来,“常态化”的极端天气与自然灾害成为人类生存面临的首要问题。大数据智能化的技术驱动、大科学(计划)的学科基础、全球化治理与应对的需求牵引,共同构成了新时代自然灾害研究的主旋律。论文提出自然灾害态势感知的概念,并结合新时代背景提出洞悉“态”、预测“势”两个不同层次的感知。在洞悉“态”方面,论文辨析了传统灾害观测与大数据态势感知的区别和联系;并以社交媒体、手机信令、视频监控等为例,梳理了大数据在台风、洪涝、地震、极端高温等灾害态势理解中的研究与实践。在预测“势”方面,论文总结了系列大数据观测—机器学习—机理模型整合的方法,并以城市洪涝事件演进模拟为例进行说明;在区域或全球尺度,提出应在大科学(计划)统一定义的未来情境下开展跨领域综合态势的感知与预测,并服务于区域的可持续发展;特别是利用人地耦合模型,感知灾害对社会经济的级联影响和远程效应,用以消除和解决非传统安全的威胁。最后,建议国家成立相关研究机构推进灾害大数据的共享和应用,开展灾害灾情标准知识库、训练库的建设;建议进一步推进机理模型、大数据、机器学习的整合与应用,推进自然灾害人地系统的耦合,提升中国自然灾害的社会治理与决策支持能力。

关键词：自然灾害态势感知大数据机器学习人地系统耦合

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地表过程与可持续发展研究进展与展望

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北京师范大学学报（自然科学版） 2022年第3期58卷 476-490页

作者：效存德史培军李小雁张光辉何春阳陈晋丑洁明亢力强刘宝元延晓冬杨晓帆于德永赵传峰赵文武张春来张大勇张强张文生北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875

自2007年地表过程与资源生态国家重点实验室批准建设以来,围绕地表多要素、多尺度和多过程及其资源生态效应,开展了基础性和面向国家需求的系统研究.总结实验室15年来的建设和发展,取得的主要成果如下:1)地表过程监测与研究,包括风沙过... 详细信息

自2007年地表过程与资源生态国家重点实验室批准建设以来,围绕地表多要素、多尺度和多过程及其资源生态效应,开展了基础性和面向国家需求的系统研究.总结实验室15年来的建设和发展,取得的主要成果如下:1)地表过程监测与研究,包括风沙过程、土壤侵蚀过程和生态水文过程等的观测系统与大型模拟设施建设,以及理论突破与应用;2)资源生态研究,包括生物多样性维持机制、植被-环境系统互馈及生态参数测量、景观生态与服务等方面的理论与应用实践;3)人-地系统动力学研究,包括环境演变与人类活动、人-地系统动力学模型与模拟2方面的探索;4)区域可持续发展范式,包括土地利用/覆盖变化(LUCC)和综合自然灾害风险2个方面取得的显著成果.面对国家重点实验改革与重组,展望未来,将围绕地表过程与可持续发展,开展更加有组织的、面向系统性解决方案的科学探究,核心目标是研究生态脆弱区和灾害高风险区人-地系统耦合理论与区域高质量发展路径.主要任务:1)通过构建天空地网一体化观测体系,系统开展从“山水林田湖草沙冰”等要素过程到生命共同体的综合研究;2)通过研发实验和模拟装置,揭示水土气生人相互作用的机制与动力学过程,构建多要素、多过程、多尺度的地表动态模型体系,揭示人地系统耦合机制与过程;3)以承接系统性国家级科研任务,解析人与自然系统互馈机制和关联效应,建立区域高质量发展监测、评估和预警体系,服务于制定区域与国家生态文明建设的长远战略.

关键词：地表过程资源生态人地系统动力学综合风险防范区域高质量发展

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垂直与倾斜相机观测对遥感物候参数验证影响的对比研究

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遥感学报 2024年第10期28卷 2565-2581页

作者：许丽娜屈永华孙晨曦万华伟阿斯娅·曼力克刘绍民北京师范大学遥感科学国家重点实验室北京100875 北京师范大学北京市陆表遥感数据产品工程技术研究中心地理科学学部遥感科学与工程研究院北京100875 生态环境部卫星环境应用中心北京100094 新疆畜牧科学院草业研究所新疆畜牧科学院天山北坡草地生态环境野外定位观测研究站乌鲁木齐830057 北京师范大学地理科学学部地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875

基于卫星遥感的大尺度植被物候监测对于农业生产管理、气候变化响应等领域具有重要意义。卫星遥感提取的物候参数真实性检验常以近地面数字相机观测为数据源。以往验证研究大多关注观测尺度的差异造成的影响,忽略了地面相机与卫星观测... 详细信息

基于卫星遥感的大尺度植被物候监测对于农业生产管理、气候变化响应等领域具有重要意义。卫星遥感提取的物候参数真实性检验常以近地面数字相机观测为数据源。以往验证研究大多关注观测尺度的差异造成的影响,忽略了地面相机与卫星观测天顶角的不一致性。本文将获取的垂直(PhotoNet)与倾斜(PhenoCam)物候相机在相近纬度、同种植被类型的观测站点数据,分别与Sentinel-2卫星提取的物候参数进行对比,系统性地评估2种地面相机观测角度对卫星物候期验证结果的影响。结果表明:相机的观测角度是卫星遥感物候验证研究中的不确定性原因之一;在多数情况下,卫星遥感与垂直观测相机提取的物候期表现出更好一致性,平均相差9 d,而与倾斜观测相机平均相差可达19 d,偏差天数受植被类型和生长阶段的影响;在玉米凋落期至休眠期,垂直观测偏差反而高于倾斜观测;植被冠层方向反射特性和相机视场范围内目标组分差异是引起这种现象的主要原因。本研究证实了地面相机观测角度是卫星物候真实性检验中不可忽视的影响因素,相机野外布设时应充分考虑角度效应带来的验证误差,从而为卫星遥感物候监测提供更可靠的验证数据。

关键词：遥感数字相机观测角度卫星物候近地物候植被绿度

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三种PTFs方法获取的侵蚀黑土水分特征曲线的比较

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节水灌溉 2024年第11期 97-102页

作者：高晓飞魏欣高燕北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875 北京师范大学地理科学学部北京100875 松辽水利委员会松辽流域水土保持监测中心站长春130021

采用3种土壤转换方程(PTFs)获取不同侵蚀程度黑土的土壤水分特征曲线(SWCC),并与实测数据进行了比较,以选择适合黑土SWCC间接获取的PTFs方法。以4种不同侵蚀程度的黑土为供试土壤,采用常用的PTFs计算机模型:Rosetta3、CalcPTF和以最大... 详细信息

采用3种土壤转换方程(PTFs)获取不同侵蚀程度黑土的土壤水分特征曲线(SWCC),并与实测数据进行了比较,以选择适合黑土SWCC间接获取的PTFs方法。以4种不同侵蚀程度的黑土为供试土壤,采用常用的PTFs计算机模型:Rosetta3、CalcPTF和以最大吸湿量为残余含水量(θ_(r))发展的PTFs方法(编号:PTFs3),进行了SWCC的van Genuchten (VG)模型参数的预报。Rosetta3模型的输入参数包括土壤机械组成、土壤密度、33 kPa压力下的土壤含水率(θ_(33 kPa))和1 500 kPa压力下土壤含水量(θ_(1 500 kPa));CalcPTF模型的输入参数包括土壤机械组成、土壤密度和有机碳含量;PTFs3的输入参数包括饱和含水量(θ_(0))、最大吸湿量(θ_(97%RH))、θ_(33 kPa)和θ_(1 500 kPa)。将上述3种方法获取的参数带入VG模型,得出供试土壤在不同水吸力下的土壤含水量,并与实测结果进行对比。结果显示,使用3种PTFs模型输出参数的VG模型预报值与实测值都有极显著的相关性,总体计算结果与实测结果也比较接近。PTFs3预报值与实测值的差值在±0.05 cm^(3)/cm^(3)内;CalcPTF-Var模型差值在-0.08~0.05 cm^(3)/cm^(3)之间;而Rosetta3模型的差值在-0.10~0.06 cm^(3)/cm^(3)之间。在土壤含水率压力小于33 kPa情况下时,SWCC差值相对较大。Rosetta3和PTFs3因为有θ_(33 kPa)和θ_(1 500 kPa)两点的水分进行校正,精确性比较可控,效果优于CalcPTF-Var。预报值与实测值差异的百分比也说明了这一点。具体到每个供试土壤样本,3种PTFs对剧烈侵蚀的黑土预报偏差百分比都较大,但PTFs3表现较优于其他两种模型。CalcPTF-Var在微度侵蚀样本S1的模拟上也出现了相对较大的偏差。综上,PTFs3模型是一种比较适合预报黑土SWCC的VG模型参数的PTFs方法。Rosetta3模型误差主要来源于较严重的低估了≤1 kPa SWCC的土壤含水量,而高估了6~33 kPa的土壤含水量。仅输入土壤理化性质的CalcPTF-Var模型需注意在部分黑土样本上的较大偏差。

关键词：土壤转换方程黑土侵蚀程度土壤水分特征曲线 VG模型最大吸湿量 Rosetta3 CalcPTF

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黄土丘陵沟壑区切沟形态特征对放水流量的响应

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中国水土保持科学(中英文) 2024年

作者：杨扬陈薪伊黄烨王健衡刘瑛娜北京师范大学地理科学学部地表过程与资源生态国家重点实验室北京师范大学地理科学学部地理学院

切沟侵蚀是黄土丘陵沟壑区的主要泥沙来源，系统研究不同放水流量条件下的切沟形态特征，对于理解切沟侵蚀机理、构建和完善切沟侵蚀预报模型，以及制定水土保持措施和政策具有重要意义。在黄土丘陵沟壑区选取典型坡面开展野外原位冲刷... 详细信息

切沟侵蚀是黄土丘陵沟壑区的主要泥沙来源，系统研究不同放水流量条件下的切沟形态特征，对于理解切沟侵蚀机理、构建和完善切沟侵蚀预报模型，以及制定水土保持措施和政策具有重要意义。在黄土丘陵沟壑区选取典型坡面开展野外原位冲刷试验，设计5个放水流量水平（0.25、0.50、0.75、1.00、1.50 L/s），利用运动恢复结构（structure from motion，SfM）摄影测量法测量不同放水流量条件下的切沟形态，分析各形态参数与流量的定量关系。结果表明：1)切沟形态趋于稳定所需冲刷时长为69～168 min，且该时长随放水流量总体缩短；2)切沟整体形状因放水流量而异，当流量≤ 0.5 L/s时，小区上坡发育的多条支沟在下坡合并形成1或2条切沟；当流量≥ 0.75 L/s时，切沟呈简单、连贯的长条状；3)不同流量处理发育的切沟平均表面宽度为0.16～0.29 m，面积为1.30～2.49 m2，均随流量呈幂函数增大，幂指数分别为0.406和0.416；切沟周长—面积比为8.42～26.22，随流量呈对数函数减小。研究结果可为当地的切沟侵蚀预报和水土流失综合治理提供参考。

关键词：切沟侵蚀切沟形态特征野外原位冲刷试验 SfM摄影测量法黄土丘陵沟壑区

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