黄河是中华民族的母亲河，是我国重要的生态安全屏障。黄河流域内蒙古段地处黄河*北端，战略地位突出，但当前水资源、生态环境问题复杂严峻。《黄河流域内蒙古段生态水文过程及模型模拟》系统识别黄河流域内蒙古段关键水文与生态过程，揭示其时空演变特征及驱动机制；阐明流域景观格局演变规律及其维持机制；揭示生态水文耦合与互馈关系，识别气候变化与人类活动对流域水文和生态过程的影响机理及驱动机制；构建植被生态模型和水文模型，解析流域生态水文和水资源的系统行为。这为应对气候变化，评估大规模水土保持工程下黄河流域内蒙古段生态水文系统的响应和适应提供了基础支撑。《黄河流域内蒙古段生态水文过程及模型模拟》部分插图附彩图二维码，扫码可见。

目录
第1章 绪论 1
1.1 研究背景与意义 2
1.2 国内外研究现状 3
1.2.1 流域水循环过程研究进展 3
1.2.2 景观格局研究进展 4
1.2.3 径流演变归因定量分析研究进展 5
1.2.4 生态水文过程对干旱的响应研究进展 6
1.3 存在问题与发展趋势 8
1.4 本书的主要内容 8
参考文献 10
第2章 研究区概况 17
2.1 自然地理特征 18
2.1.1 地理位置 18
2.1.2 地形地貌 19
2.2 气象水文条件 19
2.3 水文地质状况 19
2.3.1 地下水赋存条件 20
2.3.2 地下水补给排条件 21
2.4 土壤植被特征 21
2.5 生态环境现状 22
2.6 本章小结 22
参考文献 23
第3章 流域水循环特征与水体转化关系研究 25
3.1 基于水化学的流域水文地球化学过程 26
3.1.1 不同水体水化学参数统计特征 26
3.1.2 水化学类型成因分析 26
3.1.3 流域水文地球化学特征分析 40
3.2 基于同位素的流域水循环过程研究 46
3.2.1 LMWL建立 46
3.2.2 地表水、地下水稳定同位素组成特征 47
3.3 流域不同水体转化关系定量分析 63
3.3.1 地表水、地下水和降水间的转化关系 63
3.3.2 不同片区不同时期水体间的转化关系 64
3.4 本章小结 67
参考文献 68
第4章 流域景观格局变化及生态风险评价 71
4.1 流域景观类型变化 72
4.1.1 景观类型结构变化 72
4.1.2 景观类型速度变化 76
4.1.3 景观类型转移情况 77
4.2 流域景观指数变化 80
4.2.1 类型水平景观指数变化 80
4.2.2 景观水平景观指数变化 84
4.3 流域景观变化驱动力 86
4.3.1 基于因子探测的驱动力分析 86
4.3.2 基于交互探测的驱动力分析 89
4.4 景观生态风险评价的粒度效应分析 95
4.4.1 景观生态风险评价*优粒度选取 95
4.4.2 类型水平景观指数粒度效应分析 98
4.5 流域景观尺度生态风险评价 99
4.5.1 评价小区划分 99
4.5.2 景观生态风险时空变化 100
4.5.3 景观生态风险空间关联分析 106
4.6 景观格局演变驱动机制与生态风险响应探讨 110
4.6.1 景观格局变化 110
4.6.2 景观格局演变驱动力分析 111
4.6.3 景观生态风险评价 113
4.7 本章小结 114
参考文献 115
第5章 气候变化与人类活动对径流变化的影响 117
5.1 研究区典型小流域红河流域概况 118
5.2 VIC模型构建 119
5.2.1 VIC模型简介 119
5.2.2 VIC模型构建数据 121
5.2.3 VIC模型率定和验证 122
5.3 气候变化与人类活动对水文过程的影响 124
5.3.1 径流量变化贡献率分析 124
5.3.2 水文干旱变化贡献率分析 125
5.3.3 蒸散发量变化贡献率分析 128
5.3.4 土壤含水量变化贡献率分析 129
5.4 本章小结 130
参考文献 131
第6章 气候和植被变化情景下关键水文要素的响应 133
6.1 水文过程驱动因子分析 134
6.1.1 水文过程影响因素分析 134
6.1.2 变化情景设置方案 135
6.2 水文要素对变化环境的响应分析 137
6.2.1 水文要素对气候变化的响应 137
6.2.2 水文要素对植被变化的响应 140
6.3 未来情景下的径流预测 141
6.3.1 气象要素变化 141
6.3.2 径流量变化 144
6.4 本章小结 145
参考文献 146
第7章 不同植被类型生态水文要素对干旱的响应 147
7.1 数据来源与预处理 148
7.1.1 MODIS数据 148
7.1.2 AVHRR数据 148
7.1.3 PML_V2数据 149
7.1.4 GOSIF GPP数据 149
7.2 不同GPP与ET产品的精度验证 150
7.2.1 不同种类GPP产品精度验证 150
7.2.2 不同种类ET产品精度验证 151
7.3 不同干旱时间尺度下GPP和ET的响应特征 152
7.3.1 生长季不同干旱时间尺度下GPP和ET的响应特征 152
7.3.2 GPP和ET与干旱的相关性分析 155
7.3.3 GPP和ET与不同干旱时间尺度空间相关性分析 157
7.4 不同植被类型下GPP和ET对干旱的响应 161
7.4.1 不同植被类型GPP和ET的变化趋势 161
7.4.2 不同植被类型GPP和ET对干旱的敏感性分析 162
7.5 本章小结 163
参考文献 164

第1章 绪论
　　1.1 研究背景与意义
　　近几十年来全球地表平均气温呈上升趋势，约每十年增加0.85 ℃，高于1850年以来的任何时期[1]。在以变暖为主要特征的气候变化背景下，全球遭受极端气候事件的频率也逐渐增加，与其他极端气候事件相比，干旱所造成的经济损失占所有气象灾害损失的50%以上，且具有破坏程度大、持续时间长、影响范围广等特点[2-4]。21世纪以后全球干旱的发生频率、程度及持续时间也明显增强，对生态系统产生的*直接的影响就是造成地区水资源的短缺，改变了生态系统的组分和结构，引起了区域或流域生态水文过程和功能的相应变化[5-6]。生态系统是生物和环境的统一整体，研究区域生态水文过程对干旱的响应对维持地区生态系统稳定提供一定的参考价值。
　　陆地生态系统通过水循环和碳循环过程发挥着生态系统的作用和功能，而陆地生态系统总初级生产力（gross primary productivity，GPP）、蒸散发作为全球碳循环、水循环的重要组成部分，表征着流域的固碳和耗水能力，其变化直观反映生态系统受环境条件变化的影响程度，在一定程度上能够反映生态水文过程的变化[7]。因此本书选择植被GPP和植被蒸散发作为衡量流域生态水文功能变化的两大指标。
　　研究表明，全球陆地生态系统总碳储量约为2000Gt。作为地-气气体交换的重要组成，生态系统GPP是全球生态系统碳循环的重要环节，也是全球陆地碳通量的*大组成部分[8-10]。陆地生态系统GPP是植被群落通过吸收大气中的二氧化碳，将无机碳转化为固定在植物体内有机物质的总量，表示生态系统中植被在光合作用过程中吸收碳的总和，是生态系统碳汇的主要驱动力，其大小表征生态系统的固碳能力[11]。陆地生态系统也是水循环的重要环节之一，依据水的状态，自然界中的水可分为液态、固态和气态三种形式。在水文循环的四大过程中，生态系统蒸散发主要包括土壤蒸发、水面蒸发和植被蒸腾三大部分，其融合了土壤、植被、大气之间的水分和能量，因此被认为是水循环的关键过程，同时蒸散发也是生态系统耗水的主要途径，是常被用作衡量生态系统稳定的重要指标[12-13]。干旱事件的发生是影响区域内蒸散发的直接因素，通过改变植被水分的有效性影响区域内植被生长，导致区域内生产力发生变化，因而干旱对生态系统GPP和蒸散发的影响在所有极端气候中*为强烈[14-16]。
　　黄河是我国第二大河流，是中华民族的母亲河，也是我国重要的生态屏障[17-19]。黄河流域内蒙古段地处黄河流域*北端，处于黄河的上游下段，流经的盟市依次为阿拉善、乌海、巴彦淖尔、鄂尔多斯、包头、呼和浩特和乌兰察布。流域内年均降水量约为297.25mm，年均蒸散发量约为2000mm，属于典型的干旱半干旱区。流域内土地沙化严重，植被类型以草本灌木为主，森林覆盖率低，湖泊湿地萎缩，土地盐碱化现象明显，生态环境脆弱，生态系统逐渐退化。在气候变暖的大背景下，由于干旱半干旱区水热条件变化和不合理人类活动的影响，该地区干旱事件发生的频率增加，进而引起流域内生态水文过程的相应变化。近年来，由于干旱导致的水资源短缺及其引起的植被生产力变化研究逐渐成为国内外学者的研究热点，但对干旱条件下流域生态水文变化的研究较为缺乏。因此，本书以黄河流域内蒙古段为研究区域，从植被GPP和蒸散发角度揭示干旱条件下的生态水文变化，对提高生态系统稳定性和抵抗性具有重要意义。
　　1.2 国内外研究现状
　　1.2.1 流域水循环过程研究进展
　　水循环是地球上*重要的物质循环之一，是联系地球水圈、大气圈、岩石圈和生物圈的纽带。水循环的变化深刻影响着全球水资源、能量和化学物质的分布与改变，关系着人类社会的发展和生产活动。世界气象组织、国际科学联盟理事会和联合国环境规划署于1979年联合启动的世界气候计划（World Climate Programme，WCP）表明，水分与能量循环是影响全球或区域尺度气象变化的主要因素[20]。为了研究气候变化条件下海洋-大气-陆面间能量与水分的相互作用和转换及其对气候的反馈，国际科学联盟理事会和世界气象组织于1988年联合组织并实施了全球能量与水循环实验(Global Energy and Water Cycle Experiment，GEWEX)。在另一项重要国际计划——国际地圈生物圈计划(International Geosphere-Biosphere Programme，IGBP)的实施过程中，科学家发现土壤-植被-大气连续体（soil-plant-atmosphere continuum，SPAC）对能量和水汽通量的作用直接影响到全球尺度的水循环过程。
　　水化学和同位素法是理解复杂水文过程的直接手段，近二十年来被广泛应用于地下水补给来源和水文过程研究，特别是在地表水与地下水相互作用的研究中起到了重要作用。Abid等[21]利用水化学和同位素法研究了控制地下水化学成分的过程及含水层系统之间的相互作用。Dor等[22]采用水平衡法和同位素法测定了灌溉系统的水分损失，并确定了不同含水层系统间的水力联系。Bagheri等[23]利用水化学和同位素法确定了不同水体的补给来源。Kshetri mayum和Laishram[24]研究了印度英帕尔河的水文地质、水化学和同位素组成，阐明了水化学演化、地表水和地下水的混合及补给条件，并揭示了地表水和地下水间的相互作用。Yang等[25]测定了西北德令哈降水、河水及地下水中的水化学、稳定同位素（δD-δ1？O）和放射性同位素（222Rn），定量揭示了河水与地下水的补排关系。Qin等[26]利用一些环境示踪剂和氚（3H）确定了张掖盆地地下水补给来源和灌溉对地下水系统的影响。Sun等[27]基于同位素法和水文地球化学分析，研究了太原地区碳酸盐岩含水层的渗流系统。许秀丽等[28]基于山西汾河入黄口湿地的水文节律变化特征，选择2019年旱季（5月）、主汛期（7月）和汛末（9月）作为典型时期，对研究区降雨、土壤水、地下水与河水氢氧同位素组成进行了分析，研究了湿地水分的补给来源，并运用端元混合模型揭示了不同时期地表水与地下水的转化关系。朱红艳等[29]通过采集矿区裂隙积水、井水、沟道水、沉陷区积水、雨水、矿井水等不同水体，分析了不同水体的氢氧稳定同位素，采用直接对比法和贝叶斯混合模型，明确了矿井水的来源及不同水体的贡献比例。雷米等[30]分析了新疆博尔塔拉河流域平原区地表水和地下水的水化学和氢氧同位素特征，揭示了地表水和地下水之间的相互转化关系。张荷惠子等[31]分析了黄土丘陵沟壑区小流域不同水体的氢氧同位素特征，在此基础上，采用端元混合模型量化了不同水体的转化关系。刘鑫等[32]分析了汾河流域浅层地下水的水化学和氢氧同位素特征及其影响因素，阐明了流域水循环和水质的演化过程。
　　1.2.2 景观格局研究进展
　　景观格局是多种自然因素和人为因素在空间上共同作用的结果。它指的是不同土地覆被类型或生态系统结构在一定时间和空间内的组成和分布模式。其包括各类型、数量和配置的景观单元，如斑块等[33]。景观格局变化与区域生态过程之间存在强烈的相互影响，景观要素的结构本身影响景观内部各类生态过程，而生态过程同时也会带来景观格局的发展变化[34]。因此，景观格局变化同时反映了外部自然因素和人为因素的作用及内部自身的生态系统运行情况。对景观格局的研究始于20世纪上半叶的德国、荷兰等国家；20世纪80年代初“斑块-廊道-基底”景观耦合概念的提出是景观格局研究开启的重要标志；20世纪末，国外开始将地理信息系统（geographic information system，GIS）和遥感等空间技术与景观格局研究相结合，开启了景观格局的空间尺度研究领域；1995年，美国俄勒冈州立大学McGarigal和Marks[35]开发了景观格局分析软件Fragstats，为景观格局研究提供了强大的技术支持。国外景观格局研究的方向多为景观格局动态变化及驱动力、景观生态安全、景观格局的尺度效应，以及景观格局演变与某一因子之间的相关性等方面，研究方法与应用手段多样，较常见的有基于Fragstats进行景观指数分析，基于GIS、遥感、全球定位系统等空间信息技术进行空间统计，基于元胞自动机的景观格局未来情景模拟等。例如，Croissant[36]运用GIS空间技术与马尔可夫（Markov）矩阵转移相结合的方法进行了景观格局变化的定量研究。Metzger和Muller[37]将景观指数与GIS空间表达相结合以表征景观斑块的复杂程度，得出斑块形状和丰富度等景观指数可用于景观格局评价的结论。Abdullah和Nakagoshi[38]调查了马来西亚土地利用方式变化对景观格局的影响，探究其背后的驱动机制，发现政策与人类活动是造成景观破碎化的主要原因。Olsson等[39]对土地利用方式和生物多样性与景观格局之间的关系进行了研究，发现适宜的土地利用方式关系到地区的生物多样性及农业的可持续发展。
　　景观生态学的概念于20世纪80年代引入我国[40]。1990年，肖笃宁等[41]*次应用优势度等景观指数和转移矩阵的方法对沈阳西郊的景观格局动态变化进行研究，这标志着景观格局研究在我国的正式开始。我国对于景观格局的研究主要侧重于基于景观指数的定量分析及各景观类型面积转移所反映出的土地利用方式的变化，研究方向多与城市化、生物多样性及重要生态保护区或脆弱区等相关。例如，马克明等[42]将景观格局多样性和亲和度分析应用于景观层次和物种多样性研究，指出亲和度分析不仅能用于景观格局复杂程度的判断，还可测定生物多样性。肖笃宁等[43]通过景观指数与空间统计相结合的方法探究了石羊河下游绿洲的景观格局变化和土地利用转化。傅伯杰[44]通过景观格局-生态过程-生态系统服务的综合研究方法探讨了黄土高原土地利用变化的生态环境效应。申卫军等[45]从真实情景和模拟情景两种研究思路出发，对16种景观指数进行了空间幅度效应分析，得出景观指数具有尺度效应的结论。康萨如拉等[46]通过多种景观指数探究了矿产开发对景观格局和生态系统初级生产力的影响。随着景观格局研究领域理论与方法的不断拓展，当前，该研究趋向于与各类空间信息技术结合，进行景观格局变化背后的驱动力分析及景观格局优化。例如，吴健生等[47]在深圳、香港景观格局演变的基础上应用元胞自动机–马尔可夫（cellular automata-Markov，CA-Markov）模型预测了2030年的景观格局情景，并探讨了深圳、香港两地景观格局变化驱动机制的异同。孙贤斌和刘红玉[48]应用 GIS技术对江苏盐城湿地景观格局与生态系统服务进行定量分析，应用源-汇理论进行了景观格局的优化。徐丽华等[49]应用高分辨率SPOT（地球观测卫星）影像定量分析上海景观指数对尺度的响应机制，发现景观指数对粒度和幅度均有敏感性，而景观格局对尺度的变化响应是一个复杂、不对称的机制。
　　与景观格局相关的土地利用方式变化、景观指数所反映的景观特征和生态过程、景观格局的尺度效应及优化等多种问题是景观生态学中的十大基础性研究论题[50]，其关系到区域景观复杂性与生物多样性研究、景观价值对区域可持续发展的作用，以及生态过程所提供的生态系统服务等与人类密切相关的问题。评估地区景观格局的变化，对于明确其变化原因与机制、进行科学的景观空间开发具有重要意义。
　　1.2.3 径流演变归因定量分析研究进展
　　近些年，随着气候和人类活动双重影响下的环境变化，径流演变规律及其背后的驱动因素已成为水文学领域的热点议题。大量研究表明在气候变化和人类活动为主要驱动力的影响下，流域径流发生显著改变。因此，采用归因定量分析法对径流变化结果深入剖析，以准确识别和量化气候变化和人类活动对径流量变化的贡献率[51]。
　　对径流量变化贡献率的分析，目前主要有两种研究途径备受关注。**种是直接应用统计分析方法研究径流序列，这种途径依赖于长时间的历史