生态气象监测指标体系-荒地(绿洲)生态系统(试行).doc

附件6：生态气象监测指标体系（试行）荒漠（绿洲）生态系统中国气象局二六年三月前 言人口、资源、环境和灾害等是全人类正在且必须面对的重大课题，因为近百年来全球气候正在经历一次以变暖为主要特征的显著变化。这种变化对世界范围内生态、资源、环境的负面效应日益显现，导致了水资源短缺、海平面上升、冰川退缩、干旱化和荒漠化加剧以及各类极端天气气候事件的频繁发生，已经并将继续对经济社会的可持续发展带来深远的影响。我国的气象事业发展正在进入一个崭新的时期，气象与经济社会发展的关系日益紧密，已经深入到政治、经济、社会、国家安全、环境、外交和可持续发展的方方面面。中国气象事业发展战略研究成果提出了“公共气象、安全气象、资源气象”的发展理念，中国气象局业务技术体制按照“多轨道、研究型、集约化、开放式”的总体思路，明确了八条业务轨道和四个功能平台的业务布局与分工，其中生态与农业气象为业务轨道之一。开展生态与农业气象业务，是气象部门“坚持公共气象的发展方向，大力提升气象信息对国家安全的保障能力，大力提升气象资源为可持续发展的支撑能力”的现实需求，是进一步发挥气象专业技术优势，积极拓展气象业务服务领域，改善生态环境，提高资源利用效率的重要基础性工作，是气象部门为实现经济社会全面、协调、可持续发展所做的积极探索和努力。其中，生态气象监测作为一种重要的工作手段，是生态与农业气象业务的核心构成。为了保证全国气象部门生态气象监测工作的深入开展并进一步实现业务化、规范化和制度化，我们组织编制了该项生态气象监测指标体系（试行）。本书依据地面气象观测规范、农业气象观测规范和生态气象观测规范（试行）等，并充分利用卫星遥感监测技术和方法，初步建立了农田生态系统、森林生态系统、草地生态系统、湿地生态系统、湖泊生态系统和荒漠（绿洲）生态系统等6种生态系统下大气、生物、土壤和水以及相关灾害等监测指标体系。生态气象监测是一项正在发展中的业务，其指标的建立尚未完全成熟，科学技术和社会经济的飞速发展，也必将对此项业务提出更新更多的需求。因此，随着今后全国气象部门开展生态与农业气象业务的工作实践，本监测指标体系将不断得到检验，预测减灾司也将适时对本体系进行修改完善，并根据发展需要建立其它生态系统的监测指标体系。中国气象局预测减灾司二六年三月目 录概 述1原 则2荒漠（绿洲）生态系统监测指标总表3气 象4大气成分7生 物8土 壤9水11灾 害12参考文献18附加说明1919概 述生态学是研究生物生存条件、生物及其群体与环境相互作用的过程及其规律的科学，其目的是指导人与自然、资源与环境的协调发展。生态气象是应用气象学、生态学的原理与方法研究天气气候条件与生态系统诸因子间相互关系及其规律的一门科学。生态气象监测，即通过对生态系统的大气、生物、土壤和水以及相关灾害发生的主要特征量的观测、调查和计算，解读气象条件与各生态因子之间的相互关系和作用机理，科学评价生态系统的动态状况，提供保护、改善和合理利用生态系统的信息，同时为气候系统、气候变化研究和预测提供重要的基础数据。生态气象监测指标，指的是在生态气象监测过程中选定的能够反映和指示生态系统状况的特征量，由大气、生物、土壤和水以及相关灾害五类特征量组成，包括应用卫星遥感技术和地面观测方法获取的直接观测值或调查值，以及对直接观测值或调查值加工处理后的计算值。生态气象监测指标体系，是各生态系统生态气象监测指标总集。本指标体系涵盖农田生态系统、森林生态系统、草地生态系统、湿地生态系统、湖泊生态系统和荒漠（绿洲）生态系统等六种生态系统。其中农田生态系统指标47个，森林生态系统指标43个，草地生态系统指标48个，湿地生态系统指标35个，湖泊生态系统指标35个，荒漠（绿洲）生态系统指标40个，总计248个指标。应用本指标体系，可以选择单一或多个指标开展定期或不定期的专题服务或评价；可以定期或不定期地在各生态系统中分别进行大气、生物、土壤和水以及相关灾害发生的变化分析或评价；可以在综合分析大气、生物、土壤和水以及相关灾害总体指标的前提下，定期制作各生态系统质量评价。原 则生态系统是地球上由生物群落及其生存环境共同组成的动态平衡系统。生物群落和（或）生态环境的差别形成不同的生态系统，每个生态系统都有自己的结构以及相应的能量流动和物质循环的方式和途径。因此，各生态系统存有共性，但又有各自的自身特点、面临问题和发展需求。本监测指标体系在充分分析农田生态系统、森林生态系统、草地生态系统、湿地生态系统、湖泊生态系统和荒漠（绿洲）生态系统等六种生态系统的共性与各自独特性的基础上，遵循以下原则选择建立指标体系。（一）代表性原则生态气象监测指标的选择，能够充分体现各种生态系统，包括农田生态系统、森林生态系统、草地生态系统、湿地生态系统、湖泊生态系统和荒漠（绿洲）生态系统等的自身特点，以及各种生态系统下信息服务的针对性、独特性。是为代表性原则。（二）整体性原则生态气象监测指标的选择，能够涵盖各种生态系统中各类信息服务产品的加工、制作和服务的全过程，包括直接观测指标、调查指标和计算指标。是为整体性原则。（三）通用性原则生态气象监测指标的选择，能够整体适用于不同地域范围的同种生态系统，而非部分适用并且不局限于某个特定区域。是为通用性原则。（四）应用性原则生态气象监测指标的选择，能够在信息服务中做到获取方便，加工程序简单，产品服务方向明晰，容易付诸实际应用，总之具有可操作性。是为应用性原则。荒漠（绿洲）生态系统监测指标总表气象大气成分生物土壤水灾害10活动积温降水pH值物候期土壤pH值地下水位干旱25活动积温降尘总量叶面积指数土壤盐分含量水体面积冰雹310活动积温干物质重量土壤养分含量总有机碳（TOC）霜冻4无霜期植物丰富度土壤水分含量化学需氧量（COD）干热风5（日、月、年）平均气温植被覆盖度土壤风蚀、风积生物需氧量（BOD）风灾6（日、月、年）最高气温、最低气温植被长势沙丘移动沙尘暴7气温日较差8降水量9降水距平百分率10蒸发量11干燥度12气候生产潜力13日照时数14光合有效辐射15积雪气 象1.0活动积温积温指一定时期内日平均温度的总和。积温是作物要求热量的指标，因作物种类、品种和生育期的不同而异；积温也是地区热量资源指标。根据作物的积温要求，对照地区的热量资源，便可评价该地热量条件，为作物的生育期预报、合理利用农业气候资源和改革种植制度等提供依据。活动温度则指高于植物生物学下限温度的日平均气温。从每年日平均气温稳定通过0这天起，到稳定结束0这天止，其间逐日平均气温相加之和为0活动积温。0活动积温是研究作物生长、发育对热量的要求和评价热量资源的一种指标。作物发育的起始温度（又称生物学零度）不一定和0相一致，因作物种类、品种而异，而且同一作物，不同发育期也不相同，多数都在0以上，因此0活动积温是热量资源的基本指标。Aa =Ti ( Ti 0)其中Aa 为0活动积温；Ti为时段内某日的平均温度。2.5活动积温从每年日平均气温稳定通过5这天起，到稳定结束5这天止，其间逐日平均气温相加之和为5活动积温。日平均气温稳定通过5的日期，在春季是豆类等秋田杂粮作物播种期和果木发芽期。日平均气温5期间的持续日数，称为耐寒作物和果木的有利生长期。Aa =Ti ( Ti 5)其中Aa为5活动积温；Ti为时段内某日的平均温度。3.10活动积温10是大多数作物生长的下限温度。每年日平均气温稳定通过10这天起，到稳定结束10这天止，其间逐日平均气温相加之和为10活动积温。10是春季喜温作物开始播种与生长，喜凉作物开始迅速生长的温度；在秋季其终日是喜温作物停止生长、喜凉作物光合作用显著降低的日期。开始大于10至开始小于10之间的时段为喜温作物的生长期和喜凉作物活跃生长期。因此，它可以代表当地的热量资源状况，表示各种作物在整个生长期内热量供应的可靠指标。Aa =Ti ( Ti 10)其中Aa为10活动积温；Ti为时段内某日的平均温度。4.无霜期无霜期是指终、初霜之间的持续日数。初霜指后半年第一次出现的霜，此后进入霜期，初霜期多发生于秋季，初霜期出现较早的年份往往使处于生长后期的秋熟作物遭受霜冻危害，降低产量和品质。终霜指前半年最后一次出现的霜，此后进入无霜期，终霜期多发生于春季，终霜期出现较迟的年份，易使小麦、油菜或春播作物幼苗遭受冻害。无霜期越长，对作物生长越有利。由于每年的气候情况不完全相同，出现初霜和终霜的日期有早有晚，无霜期不一致。无霜期=初霜日期终霜日期5.（日、月、年）平均气温日平均气温是一天中不同时间观测的气温值的平均数。月平均气温是一月中各日平均气温值的平均数，是将各日的平均气温相加，除以该月的天数而得。年平均气温是一年中各月平均气温值的平均数，是将12个月的月平均气温累加后除以12而得。6.（日、月、年）最高气温、最低气温日最高气温指一天中气温的最大值，日最高气温一般出现在午后两点钟左右；（月、年）极端最高气温指一月中或一年中气温的最大值。日最低气温指一天中气温的最小值，日最低气温一般出现在清晨日出前后；（月、年）极端最低气温指一月中或一年中气温的最小值。7.气温日较差每昼夜最高气温和最低气温之差，称为气温日较差。它的大小反映了气温日变化的程度。气温日较差的大小与地理纬度、季节、地表性质、天气状况有关，对作物生长发育、产量形成、产品品质有很大影响。气温日较差=日最高气温日最低气温8.降水量降水量是指某一时段内的未经蒸发、渗透、流失的降水，在水平面上积累的深度。以mm为单位，取一位小数。降水量反映当地的农业气候资源，各种降水量条件决定不同生产制度。监测降水量的变化，可研究一定时期降水量大小对作物生长的利弊影响，进行有关作物品种与耕作技术的调整。通常采用雨量器（雨量计）于每日08、20时分别量取前12小时降水量，或采用自动观测方法。9.降水距平百分率指某时段降水量与历年同时段平均降水量差值占历年同时段平均降水量的百分率，降水距平百分率可表示旱涝的程度。降水距平百分率=（某时段降水量-历年同时段平均降水量）/历年同时段平均降水量100%10.蒸发量蒸发是指水由液体或固体（如冰雪）变成气体的过程。蒸发包括水面蒸发（即液态水面不断向大气蒸发水分的过程）；土壤蒸发（土壤中的水分以水汽的状态进入大气中的过程）；植物蒸腾（土壤中的水分经植物根系吸收后，输送到叶面，逸散到大气中去的过程）。气象站测定的蒸发量是水面蒸发量，指一定口径的蒸发器中，在一定时间间隔内因蒸发而失去的水层深度，以mm为单位。每日定时观测。水面蒸发量反映一个地区的蒸发能力，水面蒸发与当地降水量大小关系不大，主要影响因素是气温、湿度、日照、辐射、风速等。因此在地区分布上，一般冷湿地区水面蒸发量小，干燥、气温高的地区水面蒸发量大；高山区水面蒸发量小，平原区水面蒸发量大。农田生态系统中蒸发量监测主要用于研究农田水分供应与支出的关系，进而研究农田水分利用效率、节水措施、生产调控的依据。蒸发量=前一日水面高度降水量（以雨量器观测值为准）测量时水面高度11.干燥度干燥度指有植被地段的最大可能蒸发量与降水量之比值。这是衡量一个地区气候干湿程度的定量指标，也是衡量作物水分供求程度的水分平衡指标，同时也是各地水分资源的区划指标。 式中，K为年干燥度；CT表示蒸发力，其中C为系数，T为0活动积温；R为0期间的降水量。当K=1时，表示水分大体收支平衡；当K 1时，水分支大于收；当K 1时，水分收大于支。一般年干燥度0.500.99为湿润区；1.001.49，为半湿润区；1.51.99，为半干旱区；2.003.99为干旱区。12.气候生产潜力气候生产潜力是指在作物生长期内单位面积上，假设作物品种、土壤性状、耕作技术都适宜，在当地的光照、温度、水分条件下，作物可能获得的最高产量。因此，作物气候生产潜力的阶乘式数学模型，即Yc=Ypf（T）f（W）式中，Yc 为气候生产潜力，Yp 为光合生产潜力，f（T）为温度影响订正系数，f（W）为水分影响订正系数。作物光合生产潜力是指在温度、水分、土壤肥力和农业技术措施等参量处在最适宜的条件下，仅由太阳辐射所确定的作物产量，即在当地气候条件下作物产量的最高值。某地的作物光合潜力可表示为：Yp =（ECHQ）h（1CA）-1 其中 E =(1)(1)(1)(1)(1) 式中，E为理论光能利用率，表示理想情况下，扣除各种损耗后，植物吸收太阳辐射合成干物质的理论效率，分别由以下各项决定：为光合有效辐射占总辐射的比例，取0.49；为作物反射率，平均取0.23；为作物群体对太阳辐射的漏射率，平均为0.06；为光饱和限制率，在自然条件下一般不构成限制，取0；为作物非光合器官对太阳辐射的无效吸收，取0.1；为作物呼吸损耗率，取0.3；为量子转化效率，取0.224。CH为作物经济系数，表示经济产量占生物量的比例。CA为作物灰分含量，取0.08。h为每形成1g干物质所需的热量，等于干物质燃烧热，平均取为17850焦耳/g。Q为作物生长季内太阳总辐射。根据温度对不同种类作物影响的差异，分别进行喜凉作物和喜温作物的温度影响订正：喜凉作物： 0 t 3f（T）= t /32 3 t 32 t 为日平均温度 喜温作物 0 t 6 0.027 t0.162 6 t 21 f（T）=0.086 t1.41 21 t 28 1 28 t 32-0.083t3.67 32 t 440 t 44 t 为日平均温度水分对作物生长的满足程度可由水分的收入和支出之比表示。农作物生长过程中，主要水分收入项是自然降水和人工灌溉，支出项是蒸散。在不考虑人工灌溉情况下，水分影响函数可以表示为：f(W) = P(ETm)-1式中，P为降水量，ETm为作物需水量（农田最大可能蒸散量），由Penman公式计算。13.日照时数日照是指太阳在一地实际照射的时数。在一给定时间，日照时数定义为太阳直接辐照度达到或超过120 Wm-2的那段时间总和，以h为单位，取1位小数。日照时数也称实照时数。日照时间的长短对作物能否正常生长关系很大。一个地方日照时数的多少，如果没有云雾和山脉的影响，太阳可能照射时间就决定于纬度的高低，且随季节的变化而不同。但同纬度地区实际日照时间，由于地形的不同和云量多少而有差异。观测日照的仪器有暗筒式日照计、聚焦式日照计等。14.光合有效辐射植物能正常地生长发育，完成其生理学过程的光谱区，通常称之为辐射的生理有效区。在这个波长范围内，量子的能量能使叶绿素分子处于激发状态，并将自己的能量消耗在形成处于还原形式的有机化合物上，这段光谱称为光合有效辐射，即进行光合作用的那一部分光谱区。光合有效辐射使用光合有效辐射计直接观测获得。15.积雪积雪的初日、终日、深度。地面状况积雪深度为自积雪表面到地面的垂直深度，以cm为单位，取整数。选择一地势平坦，方圆1km2内没有建筑物的区域作为积雪观测地段。在观测地段中确定一中心点，使用GPS定位，编号记录并上报备案。每次观测在中心点附近进行5个重复的积雪深度测定，取其平均值作为积雪深度的观测值。积雪分布为降雪过程后，某区域内积雪的分布状况，在晴空且地面有大于1cm厚度积雪时进行调查。在区域内选择适当路线，使用GPS定位，进行积雪分布情况调查，测定积雪深度。空间状况卫星遥感积雪监测主要利用归一化积雪指数（NDSI）、亮温（T11m）和可见光波段的反射率等多个物理量进行积雪信息的判识提取。在可见光波段，地表和云、雪的反射率差异较大，云和雪高，地表低，以此作为识别晴空地表和雪面的主要依据；在远红外波段，地表和云、雪的亮温有明显差异，地表最高，雪其次，云尤其是中高云最低，以此作为区分积雪和中高云的主要依据；在近红外波段尤其是1.6m附近，积雪的反射率低，云尤其低云高，以此作为识别积雪和低云的主要依据。归一化积雪指数NDSI=(R可见光R近红外)/(R可见光R近红外)其中R可见光和R近红外分别为可见光通道和近红外通道的反射率。亮温Tb = 1/4Tkin式中，为发射率，Tkin为动力学温度。大气成分1.降水pH值pH是评价水质的一个重要参数，是水中氢离子活度倒数的对数值。当温度25、pH等于7时，溶液为中性，即氢离子和氢氧根离子的活度相等，相应各自的近似浓度为10-7mo1L。大气降水中pH值的大小反映了降水的酸碱性。pH值小于7表示呈酸性，pH值大于7表示呈碱性。酸雨是指pH值低于5.6的降水（湿沉降）。煤炭燃烧排放的二氧化硫和机动车排放的氮氧化物是形成酸雨的主要因素；其次气象条件和地形条件也是影响酸雨形成的重要因素。降水酸度pH4.9时，将会对森林、农作物和材料等产生明显损害。一般采用电位计法进行测定。通过配制两种pH标准缓冲溶液，在溶液温度为25土0.1时，对仪器和电极进行定位与校正。仪器经校正定位后，进行样品测定，直接从仪器上读出样品稳定的pH值。2.降尘总量大气降尘是指从大气中靠重力作用自然沉降到地面的颗粒物，其直径一般大于10m。颗粒物在地面上的自然沉降能力主要决定于自身质量及粒度大小，但其它一些自然因素如地形和气象条件（风、雨、雪、雹、雾等）也起着一定作用。大气降尘总量观测采用重量法。即大气中的颗粒物自然降落在集尘缸内，经蒸发、干燥、称重，再根据集尘缸口的面积，计算出大气降尘总量值，单位为t / km2d。大气降尘总量W=（W1WaWb）/( S n) 104 其中W为降尘总量，t / km2d；W1为在105下，降尘总量加蒸发皿质量，g；Wa为在105下，烘干的蒸发皿质量，g；Wb为在105下，2.0ml0.1N硫酸铜溶液蒸发至干后的质量，g；S为集尘缸口面积，cm2；n为采样天数，d。生 物1.物候期物候是指自然环境中植物、动物生命活动的季节现象和在一年中特定时间出现的某些气象、水文现象。它包括植物的发芽、展叶、开花、果实成熟、叶变色、落叶等；侯鸟、昆虫以及其它动物初见、初鸣、绝见、终鸣等；霜、雪、闪电、雷声、结冰等气象、水文现象。作物物候期的观测，是根据其外部形态变化，记载作物从播种到成熟的整个生育过程中发育期出现的日期。以了解发育速度和进程，分析各时期与气象条件的关系，鉴定农作物生长发育的农业气象条件。当观测植株上或茎上出现某一发育期特征时，即为该个体进入了某一发育期。地段作物群体进入发育期，是以观测的总株数中进入发育期的株数所占的百分率确定的。第一次大于或等于10%为发育始期，大于或等于50%为发育普遍期，大于或等于80%为末期。植物（牧草）物候期的观测则选取能代表当地植被（草场）类型的主要植物（草种），发育期的观测一般只记始期、普遍期，当进入发育期的株（丛）10%时为始期，50%时为普遍期。2.叶面积指数单位土地面积上植物绿色面积与土地面积的比值。动态监测叶面积指数，是研究环境气象因子、土壤因子对植株生长影响的基础。叶面积仪法用叶面积仪测定植株上各叶片的叶面积，得出单株叶面积；调查单位面积（1m2）的丛株数；计算单位面积的叶面积；计算叶面积指数。长*宽*校正系数法测量叶片宽度：量取样本植株每片绿色完全展开完整叶片的长度Li和最大宽度Di；计算单株叶面积（S1）：单株上各叶片长宽乘积之和与校正系数之积；S1 = liDik计算1m2叶面积（S2）：单株叶面积与1m2株（m）之积；S2 = S1m计算叶面积指数：单位土地面积（S）上的绿色叶面积的倍数。LAI=S2 /S卫星遥感法LAI=ln (1NDVI/A)/B/C式中，A、B、C均为经验系数。A、B通常接近于1，对于小麦，叶角为球形分布，C通常为0.5。其中，A值是由植物本身的光谱反射确定；B值与叶倾角、观测角有关；C值取决于叶子对辐射的衰减，这种衰减呈非线性的指数函数变化。 3.干物质重量植物植株经过干燥后的重量。植物干物质是光合作用的产物，其重量是植物生长状况的基本特征之一。一般采用烘干法测定。将采集的植物样品分器官，放入恒温干燥箱内烘干至恒重，可获得植株分器官干物质重、植株干物质重。用于分析环境气象因子、土肥因子对植物叶、茎、籽粒（果实）等及植株的影响。4.植物丰富度植物丰富度是物种多样性的一个最重要和最基本的指标，它是指样地群落中所出现的物种数量。采用样方法获取群落中所出现的植物种类数量。一般草原仅需1m2，而稀疏的草原则需4m2或16m2，森林通常采用100m2。5.植被覆盖度植被覆盖度指植被冠层的垂直投影面积（长度）占对应土地面积（长度）的百分比，即植土比。覆盖度是评估地面植被生长状况、生态环境好坏的一个重要参数。地面测定法在荒漠、半荒漠地区，灌木、半灌木或非常稀疏的植被用线段法测定。在灌丛生长状况具有代表性的地方，取长度为50m的两个重复，共100m，将皮尺在植株上方水平拉过，垂直观测皮尺下植株覆盖地面的各段长度，以cm为单位取整数，计算植株覆盖地面的各段长度总和占总长度的百分比。卫星遥感法f =(NDVINDVImin)/(NDVImaxNDVImin)式中，f为覆盖度；NDVI为所求像元的植被指数；NDVImin、NDVImax分别为区域内NDVI的最小、最大值。6.植被长势植被长势是一个综合性定量概念，反映植物的生长状况，它包括植被、盖度、高度、季相、植株含水量和干物质数量。植被长势是预测预报植物生物量的重要依据。主要采用卫星遥感方法。比值植被指数（RVI）由于可见光红波段（R）与近红外波段（NIR）对绿色植物的光谱响应十分不同，因此两者简单的数值比比值植被指数（RVI）能充分表达两反射率之间的差异。比值植被指数可提供植被反射的重要信息，是植被长势、丰度的度量方法之一。比值植被指数与叶面积指数、叶干生物量、叶绿素含量相关性高，被广泛用于估算和监测绿色植物生物量，在植被高密度覆盖情况下，它对植被十分敏感，与生物量的相关性最好，但当植被覆盖度小于50%时，它的分辨能力显著下降。RVI =DNNIR /DNRDNNIR 和D NR分别为近红外、红波段的计数值（灰度值）或RVI =NIR/RNIR和NIR分别是近红外和红波段的反射率归一化植被指数（NDVI）针对浓密植被的红光反射很小，其RVI值将无界增长，因此将简单的比值植被指数RVI，经非线性归一化处理得“归一化差值植被指数”，使其比值，限定在-1，1范围内。其被定义为近红外波段与可见光红外波段数值之差和这两个波段数值之和的比值。NDVI与叶面积指数、绿色生物量、植被覆盖度、光合作用等植被参数有密切关系，是植被生长状态及植被覆盖度的最佳指示因子，在植被遥感中，应用最为广泛。NDVI=(NIRR)/(NIRR)NIR和R分别是近红外通道和红外通道的反射率。土 壤1.土壤pH值土壤pH值说明土壤的酸碱程度，是土壤形成过程和熟化培肥过程的一个指标。土壤中养分存在的形态和有效性，理化性质、微生物活动以及植物生长发育都对其有很大的影响。一般pH值在56.5时呈酸性或强酸性，在7.58.5时土壤呈碱性或强碱性。将钻取的土样取出约30g土样放入50ml烧杯，加入蒸馏水，用玻璃棒充分搅拌，待土粒完全沉淀后用pH计测定其溶液酸碱度作为测定土壤的pH值。 2.土壤盐分含量土壤中的盐类主要为Ca2+、Mg2+、Na+、Cl-、SO42-、CO32-、HCO3-等组成的各类盐类。土壤含盐量是指干土中所含易溶盐的重量百分数，土壤盐分会对植物造成危害，一是由于总含盐量高使渗透压升高，造成植物根系难以从土壤中吸收水分；二是由于土壤中某些特殊离子浓度过高或由于两种或多种离子不平衡，危害植物生长，具有毒害作用；三是由于土壤交换复合体中Na+ 含量过高，土壤中胶体易于分散，因而使土壤结构破坏。全盐量的测定一般采用质量法。首先将土壤中的易溶性盐分提取出来，一般用水来提取，我国常用的土水比为1：5，即1份土5份水；然后将浸出液过滤分离后放置在蒸发皿中，并置于烘箱中烘干（以除去有机质），直至恒重，称量，即可计算土壤含盐量。3.土壤养分含量土壤中的氮、磷、钾元素含量是土壤肥力的重要指标，这三种元素是植物生长发育必需的营养成分，它们的缺少或不平衡可以导致植物生长不良。土壤全氮：土壤中的氮分为有机态氮（如蛋白质）和无机态氮（如铵态氮NH4+N、硝态氮NO3-N、NO2-N）。两者总和为全氮。其中有机态氮含量占土壤全氮量的99左右，无机态氮占1左右，后者是速效养分。土壤水解氮：土壤有机氮中的氨基酸、胺类等简单含氮化合物很容易被微生物水解为有效氮。所以在土壤中，凡在短期内可以矿质化的有机氮化物、铵态氮和硝态氮等都是植物容易吸收利用的形态，通称为水解氮。一般土壤中水解氮每百克干土中含26mg。土壤全磷：土壤中的磷分为有机态磷（如核酸类、植素类）和无机态磷（如磷酸钙镁类、磷酸铁铝类）。两者总和称为全磷。其中有机磷占全磷比重的2550，红壤有机质很少，有机磷多在全磷的10以下，而黑土有机质高，有机磷可达全磷的65以上。土壤有效磷：土壤全磷中仅有一小部分是离子态磷酸根、易溶的无机磷化合物和吸附态磷，它们可以被植物直接吸收和利用，称为有效磷。土壤全钾：土壤原生矿物中的钾（如钾长石、白云母）、固定态钾、水溶性钾和交换性钾之和，称为土壤全钾。我国矿质土壤含全钾量少的只有万分之几，多的可高达45%左右，而一般则均在2.5以下。土壤速效钾：土壤之中的水溶性钾和交换性钾是可以被植物直接吸收利用的，称为速效钾。其中交换性钾约占速效钾的95左右。土壤养分含量（氮、磷、钾）采用化学实验法或用土壤养分计测定。4.土壤水分含量土壤水分是土壤的一个组成部分，对土壤中气体的含量及运动、固体结构和物理性质有一定的影响，制约着土壤中养分的溶解、转移和吸收及土壤微生物的活动，是植物生长需水的主要给源。烘干称重法在烘箱中105土2的环境下烘干土壤中的水分，求算土壤失水重量占烘干土重的重量百分数。W=( g1 g2)/( g2g)100% W为土壤重量含水量；g为铝盒重；g1为铝盒加湿土重；g2为铝盒加干土重。时域反射仪法TDR测定土壤水分是通过测定电磁波沿插入土壤的探针传播时间来确定土壤的介电常数，进而计算出土壤含水量。这一传播时间与土壤的介电常数Ka有关，可表示为：Ka=(ct/2L)2 式中，c为光速，L为波导长度。土壤含水量Q与介电常数Ka间的关系可表示为：Q = -5.310-22.9210-2 Ka 5.510-4 Ka 24.310-6 Ka 35.土壤风蚀、风积风蚀是指裸露半裸露地表面的疏松土壤、沙砾，在风的作用下，沿着地表向风的下游方向移动的自然现象。风积是指在风的作用下，地表面的疏松土壤、沙砾，从它地移入而堆积的自然现象。土壤风蚀风积量是表征地表水土流失，土地退化程度的一项重要指标，风蚀风积又是造成沙尘和沙尘暴天气的主要原因之一。风蚀风积量根据定标刻度尺观测推算获得。以cm为单位。风蚀厚度=风蚀最低点与零定标刻度的距离上一次零定标刻度离地面测量的距离风积厚度=上一次零定标刻度离地面测量的距离风积最高点到零定标刻度的距离6.沙丘移动沙丘移动的观测是表征地区荒（沙）漠化演化发展的动态实况信息，可以为有关部门制定有效防御荒（沙）漠化政策及措施提供决策依据。选择沙丘作为观测对象。以m为单位。式中，CC为沙丘实际移动距离；OAOA为沙丘南北方向移动距离；OBOB为沙丘东西方向移动距离。图6-1 沙丘移动观测示意图水1.地下水位地下水位是指地下水距地表的深度，其变化直接影响到上层土壤水分，特别是在地下水位较高的情况下，对植物根系分布层的土壤水分影响更大。因此，测定地下水位深度对于分析土壤水分变化十分必要。选定能代表当地地下水位的、供灌溉或饮水使用的水井进行测定，一般在早上测定。当水井水位因灌溉等原因发生变化时，应在水井水位恢复到正常时进行补测。可用绳、杆、皮尺（绳、皮尺下端应系一重物），或自动仪器进行测量，以m为单位，取一位小数。2.水体面积主要使用卫星遥感方法。水体、植被、裸土等在可见光和近红外波段的反射光谱特性有着较大的差异。水体在近红外通道有很强的吸收，反射率极低，在可见光通道的反射率较近红外通道高。植被在可见光通道的反射率较近红外通道低。在近红外通道波长范围内，植被的反射率明显高于水体，而在可见光通道波长范围内，水体的反射率高于植被。裸土的反射率在可见光通道波长范围高于植被和水体，在近红外通道高于水体，低于植被。因此，对于近红外通道和可见光通道的反射率比值，在水体部分1，而在植被稀少的裸土地带，处于1左右。利用这一特点可从可见光和近红外通道数据中提取地表水体信息。水体面积计算即为计算等距经纬度投影图像中监测区域内被判识为水体的所有单个像素面积的总和。先求出单个像元面积S：S = NpNl式中，Np为纬度方向距离；Nl为经度方向距离则水体面积即为所有象素面积的总和。式中，i为像素序号，n为水体的总像素数。3.总有机碳（TOC）指溶解于水中的有机物总量，折合成碳计算。总有机碳含量是反映废水中有机物总量，是水体污染程度的重要指标，若相当多的有机污染物存在于水中，将直接影响水体的质量，对生活、生产造成影响。采用高温催化燃烧非分散红外检测法。其原理主要是，当含碳化合物在富氧环境下燃烧时，碳完全转化成CO2，经非散射性红外检测器（NDIR）检测，得到样品中的总碳含量（TC）。然后，样品被酸化，发生化学反应，并经非散射性红外检测器（NDIR）检测，得到样品中的总无机碳含量（TIC）。用总碳含量TC减去总无机碳含量TIC，即得到总有机碳（TOC）的值。4.化学需氧量（COD）化学需氧量（COD）也称耗氧量，是指水样在一定条件下，氧化1L水样中还原性物质所消耗的氧化剂的量，以氧的mg/L表示。化学需氧量反应了水中受还原性物质污染的程度。基于水体被有机物污染是很普遍的现象，该指标也作为有机物相对含量的综合指标之一。用重铬酸钾法进行测定。即在强酸性介质中，用重铬酸钾将水中的还原性物质（主要是有机物）氧化，过量的重铬酸钾以试亚铁灵作指示剂，用硫酸亚铁铵溶液回滴，根据所消耗的重铬酸钾量算出水样中的化学需氧量。以氧的mg/L表示。测定结果一般保留3位有效数字，对COD值小的水样，当计算出COD值小于10mg/L时，应表示为COD10mg/L。5.生物需氧量（BOD）生物需氧量（BOD），指含有机污染物及足够的溶解氧值的水样中，通过微生物的作用，使有机物降解的过程中消耗的氧的量。生物需氧量（BOD）值愈大，水质污染愈严重。生物需氧量测定采用微生物分解有机物的方法进行测定。可采用人工或仪器测定。单位为mg/L。灾 害1.干旱干旱是一种因长期无降水、少降水或降水异常偏少，而造成空气干燥、土壤缺水的气候现象。干旱在气象学上有两种含义：一是干旱气候，一是干旱灾害。前者是指最大可能蒸散量比降水量大得多的一种气候现象，通常干旱气候是指用H.L.彭曼公式计算的最大可能蒸散量与年降水量的比值大于或等于3.5的地区。与干旱气候不同，干旱灾害是指某一具体的年、季或月的降水量比多年平均降水量显著偏少而发生的危害，它的发生区遍及全国。在干旱半干旱地区，由于降水量年际变化大，降水显著偏少的年份比较多，干旱灾害的发生频率往往比较高，而湿润气候区则相反。用于描述气候干旱的指标有很多，诸如降水量、降水距平百分率、Z指数、Palmer指数等。气候干旱导致的干旱灾害使供水水源匮乏，危害作物生长、造成作物减产。干旱是我国农业生产上最严重的一种农业气象灾害。降水量（P）和降水量距平百分率(Pa)定义和计算方法见气象部分。表6-1 根据降水量和降水量距平百分率划分的干旱等级等级类型降水量距平百分率(Pa)%（月尺度）降水量距平百分率(Pa)%（季尺度）1无旱-50 Pa-25 Pa2轻旱-75 Pa -50-50 Pa -253中旱-90 Pa -75-75 Pa -504重旱-99 Pa -90-90 Pa -755特旱Pa -99Pa -90标准化降水指数（SPI或Z）由于不同时间尺度、不同地区降水量变化幅度很大，直接用降水量在时空尺度上很难相互比较，而且降水分布是一种偏态分布，不是正态分布，所以在许多降水分析中，采用分布概率来描述降水量的变化。标准化降水指标（简称SPI）就是先求出降水量分布概率，然后再正态标准化而得。其计算步骤为：a.假设某时段降水量为随机变量x，则其分布的概率密度函数为： (1) (2)其中，0，0分别为尺度和形状参数，和可用极大似然估计方法求得： (3) (4)其中 (5)式中，xi为降水量资料样本，为降水量多年平均值。确定概率密度函数中的参数后，对于某一年的降水量x0，可求出随机变量x小于x0事件的概率为： (6)利用数值积分可以计算用（1）式代入（6）式后的事件概率近似估计值。b.降水量为0时的事件概率由下式估计： (7)式中，m为降水量为0的样本数，n为总样本数。c.对分布概率进行正态标准化处理，即将（6）、（7）式求得的概率值代入标准化正态分布函数，即： (8)对（8）式进行近似求解可得： (9)其中，P为（6）式或（7）式求得的概率，并当P0.5时，P=1.0-P，S=1；当P0.5时，S=-1。，。由（9）式求得的Z值也就是此标准化降水指数SPI。表6-2 根据标准化降水指数SPI划分的干旱等级等级类型SPI值累积频率1无旱-0.5 SPI31%2轻旱-1.0 SPI -0.51631%3中旱-1.5 SPI -1.0716%4重旱-2.0 SPI -1.527%5特旱SPI -2.02%相对湿润度指数(Mi)相对湿润度指数的定义可写成如下形式：式中，P为某时段的降水量，E为某时段的可能蒸散量，用Penman-Monteith或Thornthwaite方法计算。表6-3 根据相对湿润度指数Mi划分的干旱等级等级类型相对湿润度指数Mi（月尺度）相对湿润度指数Mi（季尺度）1无旱-0.50 Mi-0.25 Mi2轻旱-0.75 Mi -0.50-0.50 Mi -0.253中旱-0.90 Mi -0.75-0.75 Mi -0.504重旱-0.99 Mi -0.90-0.90 Mi -0.755特旱Mi -0.99Mi -0.90综合干旱指数Ci表6-4 根据综合干旱指数Ci划分的干旱等级等级类型Ci值干旱影响程度1无旱-0.6 Ci降水正常或较常年偏多，地表湿润，无旱象。2轻旱-1.2 Ci -0.6降水较常年偏少，地表空气干燥，土壤出现水分不足，对农作物有轻微影响。3中旱-1.8 Ci -1.2降水持续较常年偏少，土壤表面干燥，土壤出现水分较严重不足，地表植物叶片白天有萎蔫现象，对农作物和生态环境造成一定影响。4重旱-2.4 Ci -1.8土壤出现水分持续严重不足，土壤出现较厚的干土层，地表植物萎蔫、叶片干枯，果实脱落；对农作物和生态环境造成较严重影响，工业生产、人畜饮水产生一定影响。5特旱Ci -2.4土壤出现水分长时间持续严重不足，地表植物干枯、死亡；对农作物和生态环境造成严重影响、工业生产、人畜饮水产生较大影响。由于发生干旱的原因是多方面的，影响干旱严重程度的因子很多，所以确定干旱的指标是一个复杂的问题。单一干旱指数无法满足要求。气象干旱综合指数Ci是以标准化降水指数、相对湿润指数和降水量为基础建立的一种综合指数：当Ci0时，P10 Pa；P30 1.5Pa，并P10 Pa /3；或Pd Pa /2，则Ci =Ci；否则Ci =0。当Ci0，并P10 E0 时，则Ci =0.5Ci；当Py200mm，Ci =0。Pa =200mm，E0 =E5，当E5 5mm时，则E0 = 5mm。式中，Z3、Z9为近30天和90天标准化降水指数SPI；M3为近30天相对湿润度指数；E5为近5天的可能蒸散量。P10为近10天降水量，P30为近30天降水量，Pd为近10天一日最大降水量，Py为常年年降水量；、为权重系数，分别取0.4、0.8、0.4。土壤墒情干旱指数土壤相对湿度，以重量含水率占田间持水量的百分比表示。式中，w为土壤重量含水率；fc为田间持水量。土壤重量含水率：式中，W为土壤重量含水量，mw为湿土重量，md为干土重量。表6-5 根据土壤相对湿度划分的干旱等级等级类型20cm深度土壤相对湿度对农作物影响程度1无旱R 60%地表湿润，无旱象2轻旱60 R 50%地表蒸发量较小，近地表空气干燥3中旱50 R 40%土壤表面干燥，地表植物叶片白天有萎蔫现象4重旱40 R 30%土壤出现较厚的干土层，地表植物萎蔫、叶片干枯，果实脱落5特旱R 30%基本无土壤蒸发，地表植物干枯、死亡帕默尔干旱指数表6-6 根据帕默尔指数划分的干旱等级级别干旱等级旱度指数（X）范围划分名称危害程度12345无旱轻旱中旱重旱特旱无危害轻微危害中等危害严重危害特重危害X -0.99-1.00 X -1.99-2.00 X -2.99-3.00 X -2.99X -4.00帕默尔干旱指数计算步骤如下：a.统计水文帐，由长期气象资料序列计算出月水分平衡各分量的实际值、可能值及平均值，包括蒸散量、潜在蒸散量、径流量、潜在径流量、补水量、潜在补水量、失水量和潜在失水量；b.计算各气候常数和系数，包括蒸散系数、补水系数、径流系数、失水系数和气候特征值；c.计算出水分平衡各分量的气候适宜值，包括气候适宜蒸散量、气候适宜补水量、气候适宜径流量、气候适宜失水量和气候适宜降水量；d.计算水分盈亏值和水分距平指数；e.建立帕默尔干旱指数计算公式；f.对权重因子K进行修正，计算最后的水分距平指数Z；g.干期（或湿期）结束的度计算。2.冰雹冰雹是一种局地性强、季节性明显、来势急、持续时间短，以砸伤为主的气象灾害，观测中专指直径在5mm以上的固体降水。轻雹：冰雹大小如豆粒，直径5mm左右，降雹会造成植物的叶片被打落或打成麻状，作物茎秆折断或打成秃茬子。中雹：冰雹大小如杏子、核桃，直径2030mm，降雹时可将树木细枝打折，树干皮层打成“遍体鳞伤”，作物茎叶被打断成茬子，甘薯蔓被打烂。重雹：冰雹大小如鸡蛋、拳头，直径约3070mm，各种作物地上部分会被砸光，地下部分也受到一定程度的伤害。 重点是记录分析发生范围、程度、发生频次，与常年比较。采用地面观测调查与卫星遥感相结合的方式进行。地面调查法表6-7 冰雹危害程度评定标准等 级受 害 症 状轻个别植株叶、花序、花蕾、子房、未熟果实受损，植株折断。中部分植株叶、花序、花蕾、子房、未熟果实受损，植株折断。重大部分植株茎杆折断、草倒伏、灌木、半灌木当年生枝条断落。卫星遥感法