西南喀斯特石漠化生态系统土壤有机碳分布特征及其影响因素

喀斯特石漠化已成为制约我国西南地区社会经济可持续发展最严重的生态地质环境问题,其恢复重建已成为我国社会经济建设中一项重要内容。土壤有机碳作为土壤质量评价的重要指标,可以综合反映土地生产力、环境健康功能,另一方面土壤有机碳也间接影响了陆地生物碳库,是陆地生态系统碳平衡的主要因子,它的转化和积累变化直接影响全球碳循环动态,已成为生态科学领域研究的热点之一。系统的总结了西南喀斯特石漠化地区不同土地覆被/土地利用、不同等级石漠化环境土壤有机碳的空间和季节分布特征。结合前人研究成果,进一步分析了影响喀斯特石漠化地区土壤有机碳分布的自然(气候、地形与土壤性质、植被等)和人为(土地覆被/土地利用变化、农业管理措施等)各因素,并提出增加喀斯特石漠化地区土壤有机碳含量的对策。研究结果为喀斯特石漠化退化生态系统恢复重建、石漠化地区土壤综合利用、增加碳截存应对全球碳循环减源增汇等提供了重要的科学参考。     

克里雅河中游土地利用/覆被与景观格局变化研究

干旱内陆河流在维系绿洲形成与发展,连接干旱区绿洲各类生态子系统中具有举足轻重的作用。以克里雅河中游为研究区,基于遥感影像分析了1995年、2005年和2015年3个时期的土地利用/覆被与景观格局变化特征,采用缓冲区分析法,揭示了土地利用/覆被与景观格局的时空变化特征,用土地覆被转移指数模型计算了土地利用转移方向。研究结果表明:1)1995—2015年,克里雅河中游耕地持续增加,草地和水体呈减少趋势,耕地增加和水体减少主要发生在河道附近,草地退化在绿洲边缘较严重。在河道附近,耕地主要由水体和草地转入,水体主要转出到耕地,而在绿洲边缘草地主要转出为其他用地;2)从景观水平看,研究区整体景观具有破碎化趋势,景观多样性降低,分离度变大,整个景观向均匀化发展,此变化在河道附近和绿洲边缘较明显。从类型水平看,耕地斑块数量持续增加,有向连片生成的趋势。草地斑块分离度越来越大,逐渐失去了在绿洲中的优势。水体有破碎化趋势;3)从土地转移指数看,研究区土地覆被总体变差;河道附近土地覆被经历了退化-改善的变化过程,而其他缓冲带则是持续退化,尤其绿洲边缘退化程度最为严重。     

岩溶地区土地利用/覆被变化的水文效应研究进展

随着国家对西南岩溶地区社会经济发展政策的深入推进和石漠化治理等生态修复工程的建设实施, 西南岩溶地区的土地利用和覆被发生了迅速改变, 加之岩溶水文环境自身的敏感性, 土地利用/覆被变化已对区域水文水循环过程产生了重大影响。在对西南岩溶水文环境特性简要分析的基础上, 从西南岩溶地区地表植被变化、农业生产活动、城镇化进程三个主要方面对土地利用/覆被变化的水文效应研究现状进行了简要评述, 总结概括提出了加强岩溶地区土地利用/覆被变化的水文水循环响应监测、评价及其反馈机制研究、岩溶区土地利用/覆被变化对水文水环境影响的定量化模拟和预警、岩溶区土地利用/覆被变化下的水土资源优化配置研究、气候变化背景下土地利用/覆被变化对岩溶地质碳汇的影响研究、极端气候变化叠加影响下的水文效应与调控机制研究等五个主要发展方向, 并探讨了开展未来研究的重点及难点问题。     

典型喀斯特地区石漠化景观格局对土地利用变化的响应

土地利用是人类活动最基本的表现形式,探讨石漠化与土地利用变化之间的响应关系,对于石漠化治理和区域的可持续发展是非常重要的。基于贵州道真县2005年、2015年LANDSAT和石漠化数据,再利用ENVI 5.3进行监督分类,将道真县土地利用分为8种类型。通过景观格局空间分析技术和3S技术,对道真县土地利用时空演变和石漠化景观格局进行综合分析,结果表明:(1) 2005—2015年间,道真县建设用地和灌木林地面积增加,大部分灌木林地由水田和旱地转化而来,其面积增加了7.51%,建设用地增加了1.30%。(2)近10年间,研究区石漠化等级间的转移表现为轻、中、重度转化为潜在石漠化,其斑块转移面积分别为11.26、38.79、2.71 km2,表明研究区石漠化景观得到了恢复,低等级石漠化斑块面积增加,降低了原有高等级石漠化斑块的优势度。(3) 2005—2015年间道真县土地利用和石漠化景观格局,多样性指数分别下降了0.6434和2.4309,均匀度指数各减少了0.0552和0.5436,分维度指数各提高了0.0061和0.0801,蔓延度指数各增加0.1751、25.5396和聚合度指数分别增加1.8688和2.9112,景观形状指数分别减少0.9812和4.536,石漠化景观格局的变化对应土地利用景观格局指数的变化,随着人们土地利用方式的改变,石漠化也发生相应的改变。通过该研究的进行,有助于提高人们对石漠化和土地利用景观格局的认识,基于景观生态学背景对石漠化治理成效进行评估,为之后的石漠化治理工作的进行及研究提供了参考。     

典型喀斯特石漠化生态系统土壤有机碳时空分布格局及其与环境的相关性

选取中国西南3个典型喀斯特石漠化生态系统(贵州毕节鸭池高原山地石漠化区、贵阳红枫湖高原盆地石漠化区和关岭花江高原峡谷石漠化区)为研究区,广泛建立野外样地,开展石漠化生态系统土壤有机碳分布及其与石漠化等级、地形地貌、植被、土壤性质等环境因子的相关性研究。结果表明:1)喀斯特石漠化生态系统土壤有机碳含量较低,毕节鸭池、贵阳红枫湖和关岭花江3个石漠化生态系统平均值分别为23.42、25.78、26.03 g/kg,且3个不同地貌类型石漠化土壤有机碳含量无明显差异。2)土地覆被变化明显影响了土壤有机碳含量,原生森林土壤有机碳平均含量31.32 g/kg,是所有类型中最高的。随着土地覆被由原生森林至石旮旯地退化不断增加的过程,土壤有机碳含量显示先降低后增加的变化趋势。3)土壤有机碳与土壤特性有明显的相关性,与土壤总氮、水解氮、速效钾、总孔隙度、自然含水量、毛管持水量、田间持水量和上层渗透性存在极显著地正相关,与总磷、下层渗透性存在显著地正相关,与容重存在极显著地负相关。4)植物多样性的丰富度指数(R)和多样性指数(H)与土壤有机碳含量有明显的相关性,达到了极显著的水平。5)不同石漠化等级土壤有机碳含量有显著差异,随着石漠化干扰程度的递增,土壤有机碳含量显示了先减小后增加的趋势。研究结果对中国西南喀斯特森林生态保护、石漠化生态系统恢复重建以及应对全球气候变化碳循环的减源增汇具有重要的理论意义和实践指导价值。     

典型岩溶山区土地石漠化过程——以粤北岩溶山区为例

中国南方岩溶区是土地石漠化广为发生发展的脆弱生态区域。运用面上调查、定位观测和模拟试验相结合的方法,以粤北岩溶山区为例,从地表生态过程的角度对土地石漠化过程进行解析、研究。在轻度石漠化向极重度石漠化发展的过程中,仅2-3 a,植被就从灌草混合群落退化为草本群落,物种减少76%,植被盖度降低87.2%;土壤侵蚀量逐渐加大,土壤物质不断流失和丢失,土层变薄,侵蚀模数呈10多倍、数10倍增加。岩溶坡面特殊的水文过程和水循环模式,使石漠化土地上"四水"转化迅速。随着石漠化程度加重,地表水和壤中水流失量加大,石灰岩脉动式"生长"速度加快,使基岩裸露率由30%—50%增至90%以上,最终导致土壤粗化,养分减少,生物生产量减少89%甚至更多。这表明,土地石漠化过程是由植被退化丧失过程、土壤侵蚀过程、地表水流失过程、碳酸盐岩溶蚀侵蚀过程和土地生物生产力退化过程相互联系、组合而成的土地退化过程,也是岩溶山区土地生态系统演变为石质荒漠系统的地表生态过程。     

石漠化地区苔藓结皮对土壤养分及生态化学计量特征的影响

苔藓结皮是石漠化生态系统的重要地表覆被物，但其在土壤养分累积和元素循环过程中的作用尚不明确。以我国贵州典型喀斯特高原峡谷石漠化区-花江大峡谷两岸不同等级石漠化生境下的苔藓结皮及其覆被土壤为研究对象，研究了苔藓结皮覆被对土壤养分及生态化学计量特征的影响。结果表明：（1）苔藓结皮层养分含量显著高于下层土壤，结皮覆被土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）、碱解氮（AN）、速效磷（AP）、速效钾（AK）平均含量分别为25.95、3.05、1.00、5.10 g/kg和189.61、1.59、275.10 mg/kg，较无结皮覆被的裸土分别增加46.08%、26.50%、53.62%、20.25%、25.24%、110.47%和83.76%。（2）苔藓结皮覆被土壤C/N、C/K、P/K显著高于裸土，且随土层加深而递减；N/P显著低于裸土，且随土层加深而升高。（3）苔藓结皮覆被土壤养分恢复指数为33.16%-72.48%，呈现随石漠化等级升高而增加的趋势，中度和强度石漠化阶段较无石漠化阶段分别增加83.26%和118.58。本研究表明苔藓结皮能有效促进土壤养分累积，加速石漠化土壤养分恢复进程，可作为补充手段联合其它生态恢复措施共同推动石漠化地区的生态恢复与重建。     

辽中地区矿业城市土地利用变化

辽中地区矿业城市是我国重要的能源生产和重工业基地,研究其土地利用变化有利于改善环境质量,提高土地利用效率。分析了1985—2000年鞍山、抚顺、本溪土地利用变化指数、土地利用变化程度综合指数、土地利用结构信息熵、土地利用景观指数及其驱动力。结果表明:辽中地区矿业城市土地利用变化整体上呈现耕地、建设用地增加,林地、草地减少的趋势;不同矿业城市变化率最大的土地类型均不相同,鞍山为建设用地,增加5.45%;抚顺为水域,增加3.19%;本溪为草地,减少7.29%。土地利用程度变化综合指数均为正值,且鞍山>本溪>抚顺;土地利用结构信息熵均呈增长趋势,2000年鞍山为0.603,抚顺为0.406,本溪为0.407;景观破碎化程度加大,破碎度为鞍山>本溪>抚顺,景观多样性指数较高,景观结构复杂,景观多样性和均匀性均为鞍山>抚顺>本溪;自然条件的差异是土地利用变化差异的基础,人类社会经济活动和政策法规是土地利用变化的主要驱动力。     

基于高分辨率卫星图的川中丘陵区村级景观格局特征研究

以Erle C.Ellis 建立的村级景观分类和景观制图方法,利用IKONOS高分辨率（1 m）卫星遥感图,进行典型抽样和地形→土地利用→土地覆被→生态立地的景观分类和分层制图,研究了四川盆地中部丘陵地区村级景观的构成和格局特征,并就有关方法作了讨论.结果表明,川中盆地丘陵村级景观类型多样,其多样性指数从地形、土地覆被、土地利用到生态立地变化在1.08～2.26之间,丰富度除土地覆被较高,达到85%以外,其余都较低,在42.22%～58.62%之间.分布普遍的生态立地类型为12.5%,其余88.5%的类型都以较大差异分布在各村级景观内.景观破碎化指数较高,不同村级景观之间为2.93～4.27,地形到生态立地的破碎度为2.86～5.63.村级景观构成中,人口密度、道路面积和农家院落面积与景观格局指数存在较大程度的线性相关关系,但以农家院落面积与景观分形指数、景观破碎度的线性相关显著,分别为0.957*和0.991**.运用景观4级分类和制图方法研究村级景观,多数景观格局指标都表现出显著的统计学差异,表明运用高分辨率卫星遥感图研究村级景观,以多级景观单元分类研究比单一分类的更能够反映相关信息,增加对村级景观格局的认识和理解.     

西南岩溶山地石漠化及生态恢复研究展望

本文总结了 2 0世纪 90年代以来西南岩溶山地脆弱生态理论研究和生态重建实践方面的进展 ,从科学研究动态和生态环境退化以及恢复研究的现实需要两方面论述了西南岩溶山地石漠化与生态恢复研究的若干核心 :植被过程研究、生态水文过程研究、景观过程研究、西南岩溶山地区域环境评估、预测与生态恢复研究。     

贵州喀斯特石漠化地区植物多样性与土壤理化性质

以贵州典型喀斯特石漠化生态系统环境为研究对象,运用野外取样调查和实验室检测分析方法,研究不同等级石漠化环境植物多样性和土壤理化性质特征及其相关性;运用空间替代时间方法,探讨石漠化演替过程中植物多样性和土壤理化性质的响应,旨在为贵州乃至整个中国西南喀斯特森林生态保护和石漠化生态系统恢复重建提供理论支撑。结果表明:1)石漠化环境植物群路组成简单,物种丰富度也很低,且随着石漠化程度增加,植被物种组成呈递减趋势;不同等级石漠化环境植物多样性具有显著差异,均匀度指数变化与石漠化等级演替明显耦合,显示了随石漠化程度增加而减小的变化趋势。2)不同等级石漠化环境土壤理化性质存在显著差异,随着石漠化程度增加,土壤理化性质显示了先退化后改善的响应过程。土壤有机质、氮素、毛管持水量、容重和孔隙度与植物多样性具有明显的相关性,在改善土壤理化性质和促进植物多样性恢复方面起着关键作用。3)主成分分析表明,土壤有机质、氮素、钾素、持水状况、孔隙度和植物多样性均匀度指数等是基于土壤理化性质和植物多样性评价石漠化程度的关键指标。基于上述结果,进一步阐述了石漠化演替过程中植物多样性和土壤理化性质的变化规律和响应机制。研究结果对我国西南喀斯特森林生态保护和石漠化生态系统恢复重建具有一定的理论意义和实践指导价值。     

桂西北喀斯特区域景观结构特征与石漠化的关系

采用典范对应分析方法（CCA）,从景观类型和景观两个层次选取了16个景观格局指数来表征景观结构特征,分析了广西省环江县喀斯特区域的景观结构与石漠化强度的关系.结果表明,平均斑块面积、平均旱地斑块面积、景观形状指数和聚集度指数与CCA排序的前两个排序轴相关性强,对区域石漠化过程具有重要影响.研究区潜在石漠化主要与平均旱地斑块面积、平均旱地斑块分维数和平均灌木林地斑块分维数呈较强的正相关,与旱地斑块数呈负相关;轻度石漠化与分维数、平均未利用地斑块分维数和灌木林地斑块数的正相关性较强;中度石漠化和重度石漠化主要与平均未利用地斑块面积呈正相关、与平均灌木林地斑块分维数呈负相关,说明景观结构特征对土地石漠化程度具有一定的指示意义.排序分析结果较清晰地解释了研究区石漠化程度沿景观结构特征梯度的变化规律.     

中国西南岩溶山地石漠化演变趋势

为揭示20世纪50年代末至今中国西南地区岩溶山地石漠化转型演变的时空分布及其特征,运用文献计量分析方法,对石漠化演变相关文献的总量和主题词进行了分析,并提取文献中石漠化演变的时间、类型、程度、驱动因素等信息,从县(市)域尺度对中国西南岩溶山地石漠化演变趋势及其空间分布进行综合分析,并进行了典型案例研究。研究表明,从20世纪50年代末至今,西南岩溶山地石漠化演变经历了由自然基础及人为破坏相互激发的严重石漠化向多种人为干扰、综合治理下的演变转型,即由高等级石漠化转向低等级石漠化的过程。在此基础上,研究认为石漠化存在由扩张向收缩转型演变的现象,同时对其转型演变的驱动机制和启示意义进行了探讨,以期为乡村振兴时代岩溶山地生态建设提供参考。     

西南喀斯特典型石漠化生态系统土壤养分生态化学计量特征及其影响因素

喀斯特石漠化生态系统土壤养分元素生态化学计量特征及其对环境变异的生态响应是喀斯特退化森林生态系统恢复重建必需明确的关键科学问题。为探明喀斯特石漠化土壤C、N、P、K养分元素生态化学计量特征,探讨其对环境因子的响应,对西南喀斯特3个典型石漠化调查点(贵州毕节鸭池、清镇红枫湖和关岭-贞丰花江) 90个样方土壤及环境因子调查取样,研究了其土壤有机碳(C)、全氮(N)、全磷(P)及全钾(K)的化学计量特征及其影响因素。结果表明:西南喀斯特典型石漠化生态系统土壤C、N、P、K平均含量分别为45.61、2.54、0.79 g/kg和3.33 g/kg,计量比C∶N、C∶P、C∶K、N∶P、N∶K、P∶K平均值分别为19.56、65.07、23.65、3.45、1.32和0.39。4个土壤养分元素中,K元素表现明显高于其他元素的波动性。土壤养分含量及化学计量比在不同调查点、石漠化等级及植被覆盖率环境均有显著差异。无石漠化环境土壤养分C、N、P含量显著大于潜在、轻度、中度和强度石漠化,而强度石漠化环境土壤养分K含量却显著高于其他等级石漠化。土壤养分含量之间及其与化学计量比之间多具有显著的非线性相关关系。降水、温度、岩石裸露率和土地覆被是西南喀斯特石漠化生态系统土壤养分及其化学计量比最主要的影响因素。研究结果对丰富土壤生态化学计量学科学理论和我国西南喀斯特石漠化退化植被科学恢复具有重要意义。     

西南喀斯特高原盆地石漠化环境植物群落结构与物种多样性时空动态

为阐明西南典型喀斯特石漠化类型——喀斯特高原盆地石漠化植物群落结构和物种多样性特征及其演变规律,科学支撑喀斯特石漠化治理,选取了喀斯特高原盆地典型石漠化区贵州清镇簸箩小流域为研究区域,对其植被进行广泛的野外勘察,设置典型样方研究其植物群落结构和物种多样性特征;运用空间替代时间方法,研究石漠化演变过程中植物群落结构和物种多样性变化;基于2013—2015连续3 a的监测数据,研究其年际变化。结果表明:研究区群落结构简单,共记录到的植物分布58种,其中草本层18科24属28种、木本层17科25属30种;单种属的比例很高,为82.86%。不同等级石漠化环境植物群落高度、平均地径、平均冠幅、草本层生物量和灌木层生物量均具有显著差异;植物种群密度在不同等级石漠化环境变化依次为轻度石漠化中度石漠化潜在石漠化无石漠化。不同等级石漠化环境植物多样性指数、均匀度指数、丰富度指数和优势度指数均偏低,而且4种指数均与石漠化等级演替无明显耦合关系。不同年份植物群落高度、平均地径、种群密度和灌木层生物量随着时间的推移均呈增加趋势,但相邻年份增加不显著。研究区生态系统人为干扰逐渐减弱,植被呈现出正向演替的趋势,优势种的重要性趋于降低。该研究结果对我国西南喀斯特盆地生态功能恢复和石漠化植被重建具有一定的理论意义和实践指导价值。     

喀斯特石漠化区不同小生境常见灌木种叶片δ13C值特征

测定了喀斯特石漠化区不同小生境内5种常见灌木（鼠李、火棘、粉枝莓、竹叶椒和烟管荚蒾）的叶片δ¹³C值,探讨喀斯特石漠化对植物水分利用空间异质性的影响.结果表明： 不同小生境植物的δ¹³C均值大小顺序为：石面>石沟>石缝>土面.土面生境中多数灌木种植株叶片δ¹³C值较其他生境偏轻;灌木叶片δ¹³C值大小顺序为：烟管荚蒾＞粉枝莓＞竹叶椒＞火棘＞鼠李.各小生境内灌木叶片δ¹³C均值和主要灌木种叶片δ¹³C值均随着石漠化加深而增大,且不同小生境间差异显著.随着石漠化的加剧,喀斯特生境结构和功能受损,小生境逐渐分异,环境逐渐向着干旱化发展.     

Characteristics of foliar delta13C values of common shrub species in various microhabitats with different karst rocky desertification degrees

By measuring the foliar delta13C values of 5 common shrub species (Rhamnus davurica, Pyracantha fortuneana, Rubus biflorus, Zanthoxylum planispinum, and Viburnum utile) growing in various microhabitats in Wangjiazhai catchment, a typical karst desertification area in Guizhou Province, this paper studied the spatial heterogeneity of plant water use at niche scale and the response of the heterogeneity to different karst rocky desertification degrees. The foliar delta13C values of the shrub species in the microhabitats followed the order of stony surface > stony gully > stony crevice > soil surface, and those of the majority of the species were more negative in the microhabitat soil surface than in the others. The foliar delta13C values decreased in the sequence of V. utile > R. biflorus > Z. planispinum > P. fortuneana > R. davurica, and the mean foliar delta13C value of the shrubs and that of typical species in various microhabitats all increased with increasing karst rocky desertification degree, differed significantly among different microhabitats. It was suggested that with the increasing degree of karst rocky desertification, the structure and functions of karst habitats were impaired, microhabitats differentiated gradually, and drought degree increased.     

喀斯特峰丛洼地不同生态系统的土壤肥力变化特征

基于喀斯特峰丛洼地坡耕地、草丛、灌丛、人工林、次生林、原生林6种典型生态系统的土壤主要养分、矿质养分和微生物这3组变量共计20个指标的调查、取样和分析,运用多重比较分析、主成分分析和典范相关分析探讨了其土壤肥力变化特征、主要影响因子及两两之间的相互关系。结果表明,喀斯特峰丛洼地土壤pH值为6.60—7.75,土壤主要养分、微生物种群数量和微生物生物量明显高于同纬度地区地带性红壤,矿质养分含量相对较低,其中SiO2、Al2O3、Fe2O3占矿质全量的90%以上。土壤肥力的总体趋势为原生林>次生林>灌丛>草丛>坡耕地>人工林。喀斯特石漠化地区实行林草结合的退耕还林还草模式更有利于土壤生态系统的环境改善,坡耕地应多施有机肥和氮肥,人工林应多施氮肥。原生林植物与养分之间达到了良好的平衡状态,主要应加强森林抚育管理,改善森林环境,保障植物、土壤养分及微生物之间的良好协调关系。确保土壤资源的合理利用,促进喀斯特峰丛洼地乃至整个西南喀斯特区域植被的迅速恢复和生态重建。