2017年实验室在国内外刊物上共发表论文183篇，其中SCI/SSCI索引118篇；在本学科领域1区发表的SCI论文23篇，占总SCI论文数的19%。获得5项发明专利，出版5部专著；获得国家自然科学二等奖1项，省部级科技进步奖一等奖1项、三等奖1项，测绘科技进步奖一等奖1项。

代表性研究工作进展

1、流域径流形成与转化的非线性机理

流域径流形成与转化过程极其复杂，认清其规律对流域防洪和水安全关系重大。传统方法主要基于线性系统理论，导致径流估算较大误差。时变非线性一直是水文科学发展的一个瓶颈，亟待解决。项目组通过大量水文实验与观测资料分析，围绕流域径流形成的非线性机理、水与“土壤-植被-大气”（SPAC）界面过程转化机制、流域空间分异的分布式水文模拟及不确定性等关键问题，系统深入地研究了水文非线性系统理论，取得了国际上认可的成果。主要发现点：

1）.在国际上发现了径流形成的产流量与土壤湿度、降水强度和不同下垫

面特征参数之间的指数规律，揭示了非线性系统响应函数的水文物理机制，创建了水文时变增益非线性系统模型（TVGM），解决了径流非线性精准估算的理论难题。经全球60多个代表性流域的实际应用与检验，径流预报精度平均提高了45%，最大提高了63%。该成果被世界水奖获得者 Biswas 教授评价为“在径流形成的非线性机理方面做出了原创性贡献”；被联合国洪水管理非工程措施计划首席Simonovic 院士评述为“对水管理的非工程措施做出了重要的贡献”；国际水文科学协会(IAHS)主席Savenije评价为“发展的非线性时变系统水文学途径，推动了作为社会经济可持续增长引擎的水资源管理的水文科学基础研究”。

2）.发现了径流形成过程非线性水量转化中关键的 SPAC 系统土壤蒸发与

总蒸腾比例，建立了叶面积指数、表层土壤含水量与土壤蒸发/总蒸腾比例之间的函数关系，揭示了径流形成中 SPAC 系统界面过程水分与能量的非线性交换机制，实现了径流形成过程模拟中水与生态在流域尺度的扩展。该成果被国际知名水文气象学家Dorigo评价为是一项很有价值的工作；该成果在华北农业节水中大面积的推广应用，被国家最高科学技术奖李振声院士评价为“取得了节水100毫米，粮食超 1000公斤(夏、秋两季)的良好结果”，效益显著。

3）.创建了流域分布式时变增益非线性系统模型（DTVGM），解决了单元系

统径流形成向流域空间分异扩展及其与多要素耦合的难题，揭示了流域径流形成过程与流域下垫面、人类活动和气候变化影响的响应机制，提出了量化水文模拟不确定性新的方法。成果被国际IAHS陆气耦合委员会主席Gupta评价为“是理解流域水文过程相互作用关系、评估自然变化和人类活动影响后果的重要途径”。成果应用到我国江河湖库防洪减灾、流域水质水量联合调度以及重大调水工程的水管理，发挥了突出的社会经济效益。2011年获国际水资源管理杰出贡献奖。

项目8篇代表性论文总他引719次，其中SCI他引579次；20篇核心论文SCI他引938次。 2014年获国际水文科学领域的最高奖“国际水文科学奖-Volker奖章”，被评价为“在水文科学做出了杰出的贡献，并且应用他的研究和水文学知识，使得社会受益”。

2、干旱半干旱区土壤侵蚀及其环境效应

风、水营力作用下的土壤侵蚀是土地退化及相应生态环境效应研究的关键环节。为明晰不同侵蚀营力作用下的土壤侵蚀过程及其环境效应，推动学科的发展，以及为生态恢复和土地管理提供科学依据，研究团队在野外考察、风洞实验以及模型模拟等基础上，在土壤侵蚀过程及其环境效应方面开展了深入研究。2017年度在Land Degradation and Development（IF：9.787）发表论文3篇，在Scientific Reports （IF：4.259）发表论文2篇，以及在Global and Planetary Change（IF：3.915）、Catena（IF：3.191）、Soil and Tillage Research（IF：3.401）等TOP期刊上发表论文22篇，出版专著一部，研究成果已被Nature等期刊多次引用。具体进展叙述如下：

1）中亚干旱半干旱区风沙侵蚀过程及沙漠化机制：中亚干旱半干旱区是全球粉尘循环的主要源区，是沙漠化高风险区域。研究发现，中亚干旱半干旱区现代粉尘释放主要源于低强度而并非高强度的沙尘事件，中国境内三个潜在粉尘源区（塔里木盆地、柴达木盆地和阿拉善高原）的PM2.5、PM5、PM10和PM50年释放量分别约为18、36、56和105 Tg，干涸河床对粉尘释放具有重要贡献；风沙活动导致的养分流失对沙漠化过程有重要影响；在青海共和盆地，近30年来农田开垦和放牧造成表层土壤的细颗粒和养分流失，导致了沙漠化的发展，而在毛乌素沙地，本世纪初期以来土壤养分流失强度仅为1970s时期的7%，这是该区域沙漠化逆转的关键驱动机制；中亚干旱区不同区域沙漠化对气候变化存在差异性响应，在东部和西部地区，沙漠化对气候变化较为敏感，而在中部地区，气候变化对沙漠化过程的影响不大，中亚干旱半干旱区的沙漠化防治应采取不同的对策。

2）黄土高原丘陵沟壑区侵蚀产沙尺度无关性及空间不变性研究：一般认为侵蚀产沙具有高度的尺度依赖性和空间变异，但大规模水土流失治理前的黄土高原丘陵沟壑区除外。在无定河黄土区（面积约为14,000km2），多年平均产沙模数（SSY）与空间尺度无关，可视为常量（18,720 t km2 yr-1）。这种空间不变性不仅促使多年平均产沙模数可运用于产沙预报（预报误差~15%），还可应用于流域产沙的尺度外推。根据黄土高原丘陵沟壑区泥沙输移比接近于1的特性，SSY的空间不变性等同于流域侵蚀的空间不变性。这种空间不变性甚至可能存在于河口-龙门区间的整个黄土区（~70,000 km2，为黄河泥沙主要来源区）。这一研究结果对黄土区流域侵蚀产沙预报及我国土壤侵蚀普查的样点布设方案的制定具有重要意义。

3）黑土区侵蚀产沙过程、环境效应与气候和人类活动的响应：在黑土区，率先将核示踪与模型模拟法结合起来，充分利用水库泥沙信息校正和验证模型，解决了目前土壤侵蚀模型模拟中“异参同效”难题。进而，采用模型模拟技术和野外实地调查，揭示了我国黑土区小流域侵蚀产沙的时空变异机制；阐明了小流域侵蚀产沙的主要因素；发现了近60年来黑土区不同泥沙源地、土地利用变化以及库坝建设对小流域产沙的贡献及时间演化特征；明确了未来气候变化对流域侵蚀和产沙的影响；估算了水土流失对土壤有机碳、总氮的影响及其迁移规律；指出了未来黑土区水土保持实施和土地利用规划中需要注意的问题。以上研究一定程度上促进了土壤侵蚀学科的发展，并为防止黑土层流失和保障我国的粮食安全提供科学参考。

3、土壤水分和蒸散发的遥感估算方法研究

土壤含水量和蒸散发，是陆面水量平衡方程和能量平衡方程的基本变量。准确获取两者的时空分布数据是陆面水热过程机理研究的重要基础。基于遥感的地表温度-植被指数特征空间方法，由于可以同时进行土壤水分和蒸散发的遥感估算，因而成为当前陆面水热过程遥感监测的主流方法之一。

特征空间法成功应用的关键在于干湿边界的正确选择。目前干湿边界的确定方法主要有两类：一类是基于地表温度-植被指数空间分布的干湿边界构建方法，简称空间维度特征空间法；另一类是基于地表温度-植被指数时间分布的干湿边界构建方法，简称时间维度特征空间法。上述两种方法只考虑了干湿边界的一维属性，虽然增强了模型的直观性和可操作性，但受其假设前提的限制，在模型的普适性和准确性方面面临诸多挑战。

遥感技术的快速发展使得多种地表参数的遥感反演成为可能，特别是地表能量平衡模型的提出，为像元尺度干湿边界的构建提供了重要的理论基础。在此背景下，研究组以时空二维地表温度-植被指数特征空间的构建及其在陆面水热过程遥感监测中的应用为研究方向，首先通过理论分析和数学推导的方法构建解析模型，将传统的空间维度特征空间法由区域尺度转化为像元尺度，构建具有时空二维属性的特征空间；然后在二维特征空间的框架下，通过土壤湿度指数的提取，结合土壤的物理属性参数进行土壤水分的遥感监测；最后，通过建立土壤湿度与蒸发比之间的定量关系，发展新的既具有较强物理基础又便于参数化实现的遥感蒸散发模型，实现对陆面水热过程的连续监测。主要创新性成果总结如下：

（1）基于MODIS遥感数据发展了全天气条件下空气温度的遥感估算方法，一定程度上解决了有云条件下空气温度难以进行遥感监测的难题，为土壤水分和蒸散发的时空连续监测提供了数据基础；

（2）对传统的地表温度-植被指数特征空间方法进行改进，基于地表能量平衡方程提出了新的土壤湿度指数提取算法，降低了特征空间法对干边的依赖性，增强了地表温度-植被指数特征空间方法的应用性；

（3）对传统地表温度-植被指数特征空间方法的维度进行了拓展，由空间维度发展到时间维度，提出了时空二维特征空间框架下土壤水分和蒸散发的遥感估算方法，实现了对土壤水分和蒸散发的连续遥感估算。

基于上述研究，本年度共发表SCI论文6篇，包括Remote Sensing of Environment期刊两篇（影响因子6.265）、Journal of Geophysical Research: Atmospheres期刊两篇（影响因子3.454）和Remote Sensing期刊两篇（影响因子3.244），均属于JCR分区一区与二区期刊。