本书系统介绍干旱区科学的理论内涵及学科发展。全书分上、下篇，共11章。上篇介绍全球干旱区的地理分布和演化，干旱区生态环境要素的特征和规律，干旱区科学的基本理论、研究方法以及干旱区可持续发展问题。下篇由干旱区气象与气候学、干旱区水文学、干旱区绿洲学、干旱区土壤生态学、干旱区生态学和干旱区风沙地貌学等六章构成。本书是对全球干旱区前沿科学成果的总结，旨在推动和完善干旱区科学的理论体系，促进干旱区科学的学科发展。 本书面向地理学、环境学、大气学、水文水资源学、地质地貌学以及绿洲农业生态学、农业经济学、绿洲园艺学等领域有关科研和管理人员，可供大专院校相关专业师生参考和使用，并为社会经济等管理部门的决策者提供科学参考。

上篇
　　干旱区（Dryland）覆盖了地球陆地约 41%的土地、养育了世界上超过 38％的人口。该区域不仅降水稀少、土壤贫瘠、生态脆弱，而且对气候变化和人类活动极为敏感（Huang et al.，2017）。在气候变化、土地覆被变化和人类活动等多种全球变化因素的影响下，陆地水循环正经历着以水文非稳定性为特征的快速变化（Abbott et al.，2019），这一过程将深刻影响干旱地区的生态系统。干旱区受人类活动的剧烈扰动及自身资源禀赋的不足，水资源短缺、土地退化、净初级生产损失、生物多样性下降和贫穷等问题突出，成为国际上关注的热点地区。然而，干旱区尽管具有生态环境敏感性和脆弱性的特点，以及普遍存在对干旱区生产潜力的负面看法，但干旱区已为人类提供了数百年的支持，成为陆地生态系统中的重要组成部分。
　　1.1 干旱区的分布与特点
　　一般看来，干旱区是指在相对广阔、长期无降水或降水异常偏少的气候背景下，水分供求严重不足的区域（李新周等，2004）。也有研究提出干旱区是指那些作物、牧草、木材和其他生态系统服务的生产受到水分限制的地区（Millennium Ecosystem Assessment，2005）。国内外研究对干旱区的定义莫衷一是，但普遍都认可水分是限制干旱区发展的主要制约因素，其中，*为广泛接受的两个定义来自联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）和《联合国防治荒漠化公约》（United Nations Convention to Combat Desertification，UNCCD）。联合国粮食及农业组织将干旱区定义为生长期长度为 1～179天的地区，其分类包括干旱（arid）区、半干旱（semiarid）区和半湿润干旱（dry subhumid）区（FAO，2000）。《联合国防治荒漠化公约》采用干旱指数（aridity index，AI）来对干旱区进行划分，AI（P/PET）为年降水量（precipitation，P）与潜在蒸散量（potential evapotranspiration，PET）的比值，潜在蒸散量是大气通过蒸发和植物蒸腾作用从土地表层除去水分的“干燥能力”的量度，该指标可以表征在给定气候条件下有充足水源的植被损失的*大水量。当 AI小于 0.65时定义为干旱区，该定义被广泛应用于国内外干旱区的研究中，因此本书干旱区的界定也沿用《联合国防治荒漠化公约》对干旱区的划分标准。
　　1.1.1 干旱区的特征
　　干旱区的环境特征为降水稀少，年平均降水量低于 250mm，有的地区的年平均降水量甚至不足 100mm，气温年较差和日较差都较大，蒸发能力强，全年水分亏缺值可达 1000mm以上；水资源贫乏，地表水为内流河或完全无地表径流；风力作用活跃，夏季风速常达 5～6级，每年风沙日一般为 20～100天；土壤层次不发育，有机质含量较低或完全没有，因盐分含量高常导致盐碱地的形成（郑度，2012）；干旱区的植被具有明显的地带性，主要是旱生或超旱生的小乔木、灌木、半灌木和小半灌木，干旱区的生态系统的脆弱性及生态条件的极端严酷决定了干旱区植被的独特性。
　　1.1.2 干旱区的划分
　　合理的划分全球干旱区，对更深入地认识全球干旱气候分布，准确地把握各干旱区气候成因，准确地做出干旱区气候预测，进而合理开发利用干旱区自然资源具有重要意义。全球干旱区的划分可以使用不同的方式来划分，*直接的划分是使用单一的气候参数或这些气候参数的组合，也可以使用间接标准如通过植被、地貌特征或土壤成分等特征来表征干旱。
　　以下为几种常见的划分干旱区的指标。
　　（1）降水是衡量干旱气候的主要变量之一，根据降水量（P）可以将干旱区细分为干旱和半干旱地区，其划分标准是：0<P<200mm为干旱区，200<P<500 mm为半干旱区。
　　（2）在一些方法中用有效降雨的表达方式代替单一降雨标准，这可以通过以下方式实现：干旱情况需要同时考虑蒸发量（evapotranspiration，ET）和降水量（P）这两个因素，这里用温度表征蒸散发能力，蒸发损失本身由温度（T）反映，并引入气候指数（I）：
　　当 I=P/T时，划分标准为：干旱区（I<5）、半干旱区（5<I<35）、半湿润区（I >35）；当 I=P/1.07T时，划分标准为：极干旱区（I<20）、干旱区（20<I<55）、半干旱区（55<I<180）；
　　当 I=P（/T+10）时，划分标准为：极干旱区（I<3）、干旱区（3<I<8）、半干旱区（8<I<20）。
　　（3）经典的干旱区划分除了考虑降水还应考虑潜在蒸散发，采用年降水量与年潜在蒸散量的比值定义干旱指数，并据此将干旱区分为了四个类型：极端干旱区（hyper-arid，AI<0.05）、干旱区（0.05≤AI<0.2）、半干旱区（0.2≤AI<0.5）、半湿润区（0.5≤AI<0.65）。
　　1.1.3 干旱区的分布
　　干旱区分为极端干旱区、干旱区、半干旱区和半湿润区。图 1.1展示了干旱区在全球的空间分布情况，从图 1.1可见，极端干旱区约占整个干旱区总面积的 16%，集中在撒哈拉沙漠（Sahara desert）的中部和北部、阿拉伯半岛东部的鲁卜哈利沙漠（Rubal-Khali desert）、中国西北部的塔克拉玛干沙漠及南美洲西海岸的阿塔卡马沙漠（Atacama desert）；干旱区约占整个干旱区面积的 26%，主要分布在撒哈拉沙漠南部、非洲南部、阿拉伯半岛西部、中亚、蒙古国和中国北部以及澳大利亚的大部分地区；半干旱区和半湿润区分别约占干旱区面积的 37%和 21%，它们主要位于美国西部、南美洲西海岸、中亚、东亚及澳大利亚中部除沙漠外的大部分地区；湿润区为 AI≥0.65的地区，广泛存在于全球除上述地区外的陆地地区。同时，从半球来看，北半球干旱区集中分布在 0°～45°N的陆地范围内，南半球的干旱区则主要位于 10°～43°S的陆地范围内。
　　图 1.1 世界干旱区及不同干旱类型的分布
　　根据AI将全球陆地区域划分为五种类型：极端干旱区（AI<0.05）、干旱区（0.05≤AI＜0.2）、半干旱区（0.2≤AI＜0.5）、半湿润区（0.5≤AI＜0.65）、湿润区（AI≥0.65）
　　表 1.1为世界干旱区在各大洲的分布情况。从表 1.1可以看出，澳大利亚的干旱区面积占大洋洲总面积的 75%，其次是非洲（66%）和亚洲（46%），在欧洲、北美洲和南美洲干旱区面积则相对较少。但从绝对面积来看，非洲和亚洲干旱区为世界上*大的干旱区。世界干旱区面积约为 61亿 hm2，占世界陆地总面积的 41%。其中，干旱区、半干旱区、半湿润区的面积约为 52亿 hm2，约占陆地面积的 34.4%。这些地区是人类聚居的地区，也是生态环境受到制约*为严重的地区。同时，根据区域分布来看，可以把全球分为八大干旱区，分别为北美干旱区、南美干旱区、北非干旱区、南非干旱区、中蒙干旱区、中亚干旱区、西南亚干旱区、澳大利亚干旱区。
　　表 1.1 世界干旱区在各大洲的分布情况
　　世界八大干旱区的分布和特点如下：
　　（1）北美干旱区或沿海低平原分布（科罗拉多河下游），或分布于科罗拉多谷底和高1000m的墨西哥高原。北美干旱区热量丰富，仅次于撒哈拉，冬季寒冷。同时，白天强烈的日照辐射和夜间辐射的降低，共同构成了北美干旱区昼夜强烈的辐射差异，在夏季十分典型。
　　（2）南美干旱区沿着西部海岸和安第斯山脉之间形成一条很长的狭窄地带。阿塔卡马沙漠（Atacama desert）从秘鲁北部（5°S）延伸到智利北部（26°S），非常干燥，尽管有雾，但几十年来没有降雨。海岸荒漠地表水非常贫乏，土壤发育微弱，在*干旱的区域被原始的风化壳和流沙所替代。
　　（3）北非干旱区分布有世界上*大的沙漠，撒哈拉沙漠，从大西洋岸到尼罗河谷，面积约 906万 km2，该地区气候条件差，蒸发量高达 4200mm以上，年降水量小于 70mm，大部分地区无降水，是世界上*不适合生物生存的地区。撒哈拉中部*干旱，特别是库夫拉绿洲和达赫莱绿洲。
　　（4）南非干旱区从安哥拉到南非西开普省的西海岸，沙漠遍布，包括极为干旱的纳米布沙漠（Namib desert），以及干燥程度较低的卡拉哈里沙漠（Kalahair desert）和卡鲁沙漠（Karroo desert），总面积约 55万 km2。值得一提的是南非共和国约 2/3的地区属于干旱或半干旱气候。
　　（5）中蒙干旱区主要包括中国西北地区、华北中西部、蒙古高原以及中亚部分地区，中国 42％的国土处于东亚干旱半干旱区。由于温度较低、深居亚欧大陆内部以及青藏高原大地形的阻塞作用水汽难以到达，从而使得东亚干旱区大气中水汽含量较低。
　　（6）中亚干旱区位于亚欧大陆的腹地，具有强烈的大陆气候特征，夏季干热，冬季南方相对湿润、北方寒冷，年平均降水量 160～179mm，在阿姆河下游只有 75mm。深居内陆，远离海洋，是全球*大的非地带性干旱区，有世界著名的卡拉库姆沙漠（Karakum desert）、克孜勒库姆沙漠（Kyzylkum desert）、穆云库姆沙漠等。
　　（7）西南亚干旱区从阿拉伯延伸到印度西部，阿拉伯沙漠大部分地区炎热且贫瘠，面积约 250万 km2。降雨少，且不规律，主要集中在冬季。北部是石质或沙质沙漠，中间群山环抱、有冲积的耕作山谷。南部位于这些山脉的雨影区，很少用于农业或放牧。该地区位于北半球亚热带大荒漠带，这一荒漠带分布着一些大沙漠，如鲁卜哈利沙漠（Rub Al Khal desert）、大内夫得沙漠（An Nafud desert）、小内夫得沙漠（代赫纳）、哈萨沙漠，以及面积小的沃希拜沙漠等。
　　（8）澳大利亚干旱区位于热带与亚热带，热量充足，约 40%的国土（约 320万 km2）被中央沙漠占据。沙漠区冬季温暖，*冷月（7月）平均气温为 12～14℃。夏季炎热，*热月（1月）28～30℃。东风携带的水汽被澳大利亚东部大分水岭阻隔，年平均降水量约为 125mm，且集中发生在北部的夏季和南部的冬季。著名的沙漠有维多利亚大沙漠、吉布森沙漠、辛普森沙漠。
　　1.1.4 干燥度与干旱
　　在英文表达中，drought与 arid 代表不同含义；但在汉语中，只有干旱一词与之对应。当我们表达某一时段比较缺水时，我们熟知的表达是“某年某月比较干旱”；当形

目录
序一
序二
前言
上 篇
第1章 地球上的干旱区 3
1.1 干旱区的分布与特点 3
1.1.1 干旱区的特征 3
1.1.2 干旱区的划分 4
1.1.3 干旱区的分布 4
1.1.4 干燥度与干旱 6
1.2 干旱区的面积变化和类型转化 8
1.2.1 干旱区及不同干旱类型的面积变化 8
1.2.2 干旱类型之间的相互转化 8
1.2.3 干旱区的城市人口与水危机 9
1.3 干旱区的成因 12
1.3.1 环流和副热带高压 13
1.3.2 地形作用 13
1.3.3 洋流 14
1.3.4 人类活动与陆气相互作用 14
1.3.5 沙尘气溶胶 14
1.3.6 海气相互作用 15
1.3.7 全球变暖 16
参考文献 16
第2章 干旱区生态环境要素及基本特征 20
2.1 干旱区的主要生态环境要素 20
2.1.1 干旱区气候要素特点 20
2.1.2 干旱区水文要素特征 24
2.1.3 干旱区土壤、植被类型及特点 37
2.2 干旱区生态环境的基本特征 46
2.2.1 水资源短缺 46
2.2.2 生态系统类型多样 47
2.2.3 生态环境脆弱 48
2.2.4 绿洲化与荒漠化 48
2.3 干旱区可持续发展面临的问题与挑战 49
参考文献 52
第3章 干旱区科学的内涵及研究内容 55
3.1 干旱区科学的基本概念及理论框架 55
3.1.1 干旱区科学的定义及内涵 55
3.1.2 干旱区科学的研究框架与主要内容 56
3.1.3 干旱区科学的学科体系 57
3.2 干旱区科学的研究意义 59
3.3 干旱区科学的发展及研究现状 61
3.3.1 干旱区科学的形成与发展 61
3.3.2 中国干旱区的科学考察研究 62
3.4 干旱区地域系统构成 64
3.4.1 山地生态系统 64
3.4.2 绿洲生态系统 64
3.4.3 荒漠生态系统 65
3.4.4 尾闾湖泊生态系统 65
3.5 干旱区科学研究的热点问题及未来发展方向 66
3.5.1 国际重大科学计划中的干旱区科学及热点问题 66
3.5.2 干旱区科学未来发展方向 70
参考文献 71
第4章 干旱区科学与可持续发展 74
4.1 干旱区水循环与水资源利用 74
4.1.1 干旱区内陆河流域的水循环 74
4.1.2 干旱区内陆河流域的生态需水量 75
4.1.3 干旱区水、生态、经济关系的协调与动态关联 76
4.1.4 干旱区地表水、地下水的联合利用 76
4.1.5 干旱区的水资源利用与生态安全 76
4.2 干旱区生物资源保护与利用 77
4.2.1 干旱区植物资源及植物资源学 77
4.2.2 干旱区植物资源特征 78
4.2.3 干旱区植物资源的保育 92
4.2.4 干旱区植物资源的开发应用与产业化发展 93
4.3 干旱区生态保育与可持续管理 95
4.3.1 干旱区生态保育恢复的难点 96
4.3.2 干旱区生态系统可持续管理理念 97
4.3.3 干旱区生态系统保育修复技术 98
4.4 干旱区灾害与风险管理 99
4.4.1 干旱区灾害类型及其分布 99
4.4.2 干旱区干旱与旱灾 102
4.4.3 干旱区灾害风险评估 104
4.4.4 干旱区灾害风险管理 106
参考文献 107
第5章 干旱区科学研究方法及技术 111
5.1 遥感数据采集与处理技术 111
5.1.1 遥感技术简介 111
5.1.2 干旱区遥感数据采集与处理技术 112
5.2 经典统计分析方法 118
5.2.1 相关分析 118
5.2.2 回归分析 119
5.2.3 Mann-Kendall检验 120
5.3 地统计分析方法 123
5.3.1 区域化变量 123
5.3.2 协方差函数 124
5.3.3 变异函数 124
5.3.4 克里金插值 126
5.3.5 应用实例 127
5.4 非线性分析方法 128
5.4.1 集合经验模式分解 128
5.4.2 小波分析 132
5.4.3 分形理论 137
5.5 仿真与模拟方法 142
5.5.1 系统动力学仿真 142
5.5.2 人工神经网络模拟 149
参考文献 155
下篇
第6章 干旱区气象与气候学 161
6.1 干旱区气象与气候学的研究范畴 161
6.1.1 干旱区气象与气候学的研究任务和对象 161
6.1.2 干旱区气候系统 161
6.1.3 干旱区气象与气候学的研究方法 162
6.2 干旱区大气的热能和温度 164
6.2.1 干旱区大气和地表能量收支 164
6.2.2 沙漠大气和地表辐射收支与能量平衡 166
6.2.3 干旱区大气温度的变化 170
6.3 干旱区的大气水分 173
6.3.1 大气中的水相变化 174
6.3.2 干旱区降水 179
6.3.3 干旱区大气水分循环 184
6.3.4 干旱区人工影响云雨 186
6.4 干旱区的天气变化 187
6.4.1 常见的天气系统 188
6.4.2 干旱区灾害性天气 191
6.5 干旱区气候的形成 194
6.5.1 干旱区气候的环流成因 194
6.5.2 地形对干旱区气候的影响 196
6.5.3 下垫面特性对干旱区气候的影响 200
6.5.4 中亚干旱区气候的形成 200
6.6 干旱区气候变化 201
6.6.1 干旱区气候变化事实 201
6.6.2 干旱区气候变化的原因 204
6.6.3 干旱区气候变化预估 206
参考文献 208
第7章 干旱区水文学 212
7.1 干旱区水文学的研究范畴 212
7.1.1 干旱区水文学的研究任务和对象 212
7.1.2 干旱区水文学的研究意义与目的 213
7.1.3 干旱区水文学研究面临的机遇和挑战 213
7.2 干旱区水文要素及特征 214
7.2.1 水循环过程与原理 214
7.2.2 降水和凝结水 216
7.2.3 蒸发、蒸散与升华 219
7.2.4 冰川积雪的消融和积累 222
7.2.5 下渗与产汇流 225
7.3 干旱区河流水文学 227
7.3.1 干旱区河流水文学的研究范畴 227
7.3.2 干旱区河流形成的地貌基础及特点 230
7.3.3 干旱区河流的水文变化特点 232
7.3.4 干旱区河流水文学与可持续发展 234
7.4 干旱区湖泊水文学 235
7.4.1 干旱区湖泊水文学研究的内涵 235
7.4.2 干旱区湖泊的特点 237
7.4.3 干旱区湖泊变化 238
7.5 干旱区生态水文学 241
7.5.1 干旱区生态水文学内涵 241
7.5.2 干旱区生态水文学关注的重要领域和热点问题 247
7.5.3 干旱区生态水文学与区域可持续发展 249
参考文献 250
第8章 干旱区绿洲学 256
8.1 干旱区绿洲生态学 256
8.1.1 干旱区绿洲生态学的研究范畴 256
8.1.2 干旱区绿洲与绿洲生态系统 259
8.1.3 绿洲生态学与可持续发展 261
8.2 干旱区绿洲园艺学 264
8.2.1 干旱区绿洲园艺学的研究范畴 264
8.2.2 干旱区绿洲果树 265
8.2.3 干旱区蔬菜 275
8.2.4 干旱区绿洲瓜类 285
8.3 干旱区绿洲农业经济学 289
8.3.1 绿洲农业经济学的内涵 289
8.3.2 干旱区绿洲农业经济的特点 292
8.3.3 干旱区绿洲农业经济学与可持续发展研究 298
参考文献 301
第9章 干旱区土壤生态学 306
9.1 干旱区土壤生态学的研究范畴 306
9.1.1 土壤生态学的发展历程 306
9.1.2 土壤生态学的研究内容 307
9.1.3 土壤生态学的研究方法 307
9.2 干旱区土壤分布与特性 308
9.2.1 干旱区土壤分布 308
9.2.2 干旱区土壤分类与特性 309
9.3 干旱区盐碱土与盐渍化土壤 312
9.3.1 干旱区盐碱土形成与演变 312
9.3.2 盐碱土的测定与分类 315
9.3.3 盐渍化土壤及其影响 317
9.3.4 盐渍化土壤的改良利用 318
9.4 干旱区土壤生物多样性 320
9.4.1 土壤生物多样性的构成 321
9.4.2 土壤生物的丰富度和活性 323
9.4.3 土壤微生物与生态 324
9.4.4 土壤动物与生态 325
9.4.5 土壤生物多样性与人类生活 326
9.5 干旱区土壤养分管理技术 328
9.5.1 干旱区碳循环 328
9.5.2 干旱区土壤中的氮 330
9.5.3 干旱区土壤中的磷和钾 333
9.5.4 干旱区土壤中的钙、镁与微量元素 336
9.5.5 干旱区土壤养分管理目标 338
9.6 干旱区土壤资源 341
9.6.1 土壤质量与土壤健康 341
9.6.2 干旱区土壤与生态系统服务 343
9.6.3 干旱区土壤资源保护 343
参考文献 344
第10章 干旱区生态学 348
10.1 荒漠系统生态学 348
10.1.1 荒漠系统生态学的研究范畴 349
10.1.2 荒漠气候和土壤 351
10.1.3 荒漠系统斑块——镶嵌体动力学 353
10.1.4 荒漠区动植物生态适应 356
10.1.5 荒漠经济和人类对荒漠的影响 361
10.2 干旱区植物生态学 364
10.2.1 干旱区植物生态学的研究范畴 364
10.2.2 干旱区植物生态学特点 368
10.2.3 干旱区植物生态学研究与可持续发展问题 371
10.3 干旱区恢复生态学 373
10.3.1 干旱区恢复生态学的研究范畴 374
10.3.2 干旱区生态系统的退化诊断与恢复 377
10.3.3 干旱区生态恢复的理论基础与技术方法 382
10.3.4 退化生态系统恢复的监测评估 388
10.3.5 干旱区退化生态系统恢复重建案例 390
参考文献 393
第11章 干旱区风沙地貌学 397
11.1 风沙地貌学的研究范畴 397
11.1.1 研究内容 397
11.1.2 研究进展 398
11.1.3 研究方法 401
11.2 风沙运动及其地貌作用 405
11.2.1 大气边界层中的风 405
11.2.2 风沙运动的过程 407
11.2.3 输沙势与风环境 411
11.2.4 风蚀与风积 413
11.3 风蚀地貌 415
11.3.1 风蚀地貌的类型