科尔沁沙地封育恢复过程中植物群落特征变化及影响因素

封育是退化沙地植被恢复与生态重建的重要措施, 理解长期处于封育状态下不同类型沙地植物群落特征变化及其影响因素有利于沙地植被恢复和生态重建。该文基于对科尔沁沙地长期封育的流动沙丘(2005年封育)、固定沙丘(1985年封育)和沙质草地(1997年封育)连续多年(2005-2017年)的植物群落调查, 结合土壤种子库、土壤养分以及气象数据, 分析了植物群落特征变化及其对环境变化的响应。研究结果表明流动沙丘植被盖度显著增加, 群落生物量和物种多样性年际间波动变化, 但无明显趋势; 固定沙丘植物群落存在逆行演替趋势, 具体表现为群落生物量、灌木和半灌木以及豆科优势度显著下降, 而一年生和多年生杂类草优势度显著增加; 沙质草地群落物种丰富度和多年生禾草优势度存在降低趋势, 并且一年生杂类草优势度明显高于其他功能群, 群落存在退化现象。3类沙地土壤种子密度变化不显著, 而种子丰富度在流动沙丘显著增加, 在固定沙丘和沙质草地有下降趋势, 土壤养分仅有有效氮和有效磷含量增加。回归分析结果表明气温和降水是影响年内生物量积累的主要因素, 但对年际间群落生物量和物种丰富度变化影响不大。除趋势对应分析结果显示土壤种子库与植物群落之间存在很高的相似性, 典型相关分析结果表明沙质草地植物群落与土壤养分紧密相关, 而固定沙丘群落主要与土壤水分紧密相关。综合以上结果可知, 封育33年的固定沙丘群落和封育21年的沙质草地群落都存在退化现象, 而封育11年的流动沙丘群落正在缓慢恢复, 因此封育年限的设定对退化沙地植被恢复至关重要, 封育时间过长不仅不利于植物群落恢复, 反而会使群落发生逆行演替, 建议封育年限的设定应综合考虑植被退化程度、土壤养分状况、土壤种子库基础以及气候条件等因素的影响。     

科尔沁沙地封育恢复过程中植物群落特征变化及影响因素

封育是退化沙地植被恢复与生态重建的重要措施,理解长期处于封育状态下不同类型沙地植物群落特征变化及其影响因素有利于沙地植被恢复和生态重建。该文基于对科尔沁沙地长期封育的流动沙丘(2005年封育)、固定沙丘(1985年封育)和沙质草地(1997年封育)连续多年(2005–2017年)的植物群落调查,结合土壤种子库、土壤养分以及气象数据,分析了植物群落特征变化及其对环境变化的响应。研究结果表明流动沙丘植被盖度显著增加,群落生物量和物种多样性年际间波动变化,但无明显趋势;固定沙丘植物群落存在逆行演替趋势,具体表现为群落生物量、灌木和半灌木以及豆科优势度显著下降,而一年生和多年生杂类草优势度显著增加;沙质草地群落物种丰富度和多年生禾草优势度存在降低趋势,并且一年生杂类草优势度明显高于其他功能群,群落存在退化现象。3类沙地土壤种子密度变化不显著,而种子丰富度在流动沙丘显著增加,在固定沙丘和沙质草地有下降趋势,土壤养分仅有有效氮和有效磷含量增加。回归分析结果表明气温和降水是影响年内生物量积累的主要因素,但对年际间群落生物量和物种丰富度变化影响不大。除趋势对应分析结果显示土壤种子库与植物群落之间存在很高的相似性,典型相关分析结果表明沙质草地植物群落与土壤养分紧密相关,而固定沙丘群落主要与土壤水分紧密相关。综合以上结果可知,封育33年的固定沙丘群落和封育21年的沙质草地群落都存在退化现象,而封育11年的流动沙丘群落正在缓慢恢复,因此封育年限的设定对退化沙地植被恢复至关重要,封育时间过长不仅不利于植物群落恢复,反而会使群落发生逆行演替,建议封育年限的设定应综合考虑植被退化程度、土壤养分状况、土壤种子库基础以及气候条件等因素的影响。     

科尔沁沙地沙漠化过程中土壤有机碳和全氮含量变化

通过地面调查,研究了沙漠化对科尔沁沙地农田和草地土壤有机碳和全氮含量的影响.结果表明,随着沙漠化的发展,科尔沁沙地土壤碳、氮含量明显下降.和非沙漠化农田相比,轻度、中度、重度和严重沙漠化农田土壤有机碳和全氮含量分别下降12.3%和15.3%、22.2%和24.7%、39.5%和44.7%、64.4%和63.5%;和非沙漠化草地相比,轻度、中度、重度和严重沙漠化草地土壤有机碳和全氮含量分别下降了56.3%和48.7%、78.4%和74.4%、88.9%和84.6%、91.6%和84.6%.截至2000年,科尔沁沙漠化总面积已经达到50197.5 km2,由于沙漠化而导致的土壤有机碳和全氮损失总量分别为36.39 Mt和7.89 Mt,其中草地分别占91.12%和86.06%,农田分别占8.88%和13.94%.相关分析结果表明,土壤有机碳和全氮的损失主要源于风蚀所引起的土壤粘粉粒的减少.因此,在科尔沁沙地,防治土壤风蚀对于减少农田和草地土壤碳、氮损失极为重要.     

科尔沁沙地不同生境植被凋落物年际及年内动态

凋落物是植被土壤系统之间重要的物质和能量通道之一,在生态脆弱区植被和土壤修复过程中发挥着特殊的功能和作用.以科尔沁沙地流动沙丘、固定沙丘和草地为对象,通过连续测定9个生长季凋落物量,并结合气温与降水量数据,研究沙地生态系统不同生境的凋落物年际和年内动态及其调控因子.结果表明:不同生境植被年凋落物大小依次为:流动沙丘(9.01 g·m^-2)<固定沙丘(67.46 g·m^-2)<草地(119.55 g·m^-2).凋落物总量年际动态波动明显,固定沙丘年际变化呈“双峰”曲线,草地年际变化呈“W”型曲线.凋落物量年内变化均表现为“U”型曲线,在4和9月出现高峰值.降水量和气温对固定沙丘和草地凋落物量月际动态影响显著,而对不同生境条件下凋落物量年际变化影响均不显著.气温是影响该沙地生态系统生长季(4—9月)凋落物量月动态的主要因素.     

科尔沁沙地植物群落研究

科尔沁沙地是我国著名草原之一 ,地位于我国东北西部地区 ,主体部分位于内蒙古赤峰、哲里木盟境内。近几十年来 ,由于自然条件和人类活动的综合影响 ,该草原退化、沙化日趋严重 ,导致生态系统本身的破坏 ,生物资源锐减和环境的进一步恶化[6 ]。而且 ,草原退化程度显现出与某些环境因子有着一定的相关关系 ,针对这些问题本课题首先研究该沙地的植物群落 ,根据实地调查 ,对沙区的植被结构、物种多样性等特征作了科学地分析和论述 ,为深入研究生态环境恶化中的沙地植被演替 ,以及规划、整治、开发利用科尔沁沙地提供一些科学依据。1　研究区自…     

长江源区土地覆盖变化与草地退化格局的时空分异

基于野外调查、遥感影像和统计资料,分析了1987-2007年长江源头地区土地覆盖变化和草地退化格局的时空分异特点,并从海拔、坡度和坡向3方面探讨了导致长江源区草地生态环境变化的主要自然因素.结果表明： 研究期间,长江源头地区土地类型破碎化整体呈增加趋势,自然地理条件和气候变化是导致土地格局变化的主要驱动因素;不同海拔草地退化面积差异显著,研究区草地退化主要发生在海拔4800～5100 m范围内,且退化面积随海拔的升高呈增加趋势,退化面积比重在不同坡度和坡向的差异较大.1987-2007年,长江源头地区气候呈暖干化趋势,区域土地覆盖类型空间结构变化明显;不同坡向、坡度和海拔的草地退化分布格局与高寒环境和人为干扰的格局基本一致,高寒环境和气候演化对草地生态系统格局起决定作用.     

科尔沁沙地的历史生态演变及其教训

科尔沁沙地是东北地区唯一的一条沙带,东西绵亘约400km,西起内蒙古翁牛特旗的巴林桥,东至吉林省的瞻榆和双辽县,南北方向延伸到辽宁省的彰武县和黑龙江省的泰来县等地。沙地面积约为3.4×10~4km~2,主要分布在哲里木盟境内,其次是赤峰市境内,处于科尔沁大草原的腹部,沙漠化发展迅速,给农牧业生产带来严重危害。由于历史上的沧桑巨变,使这里的原始植被在人类的经济活动和政治斗争中演变为固定和流动的沙荒地带。一、千里松林和“八百里”沙海     

藏北那曲地区草地退化动态评价

利用1982—2000年NOAA/AVHRR 第1通道、第2通道和NDVI的旬资料反演得到的藏北那曲地区历年植被覆盖度、年最大牧草鲜质量和6—9月平均改进型土壤调节植被指数,分析了近20年来那曲地区草地荒漠化的动态变化规律.结果表明：以草地荒漠化评价“基准”和5年滑动平均的方法,得到那曲地区近20年平均草地退化面积占土地总面积的43.1%,草地退化面积总体呈减少趋势,其中前10年呈减少趋势,后10年呈增加趋势,西部地区的退化面积大于其它地区.在气温、降水、潜在蒸散、水汽压、风速、日照时数、降水蒸散比和温度降水比8个气候因子中,潜在蒸散量对草地退化面积的影响最显著.     

青藏高原草地退化特征及其与气候因子的关系

了解草地退化的分布、特征、变化趋势及持续性,揭示草地退化机理,可为有效管理和保护草地提供重要的科学依据。本研究选择草地覆盖度作为草地退化的遥感监测指标,建立了草地退化遥感监测和评价指标体系,对青藏高原草地退化现状(2016—2020年)进行了评价,利用线性回归和Hurst指数分析了长时间序列尺度上(1982—2020年)草地覆盖度变化的趋势及持续性,并且基于草地覆盖度与气候因子的偏相关分析,研究了气候因子对草地退化的影响。结果表明: 2016—2020年,平均草地退化面积达24.3%,主要表现为轻度退化和中度退化,主要分布在低海拔和高植被覆盖地区。1982—2020年,草地覆盖度在青藏高原北部、西部和西南部地区呈增加趋势,在东部和中部地区呈减少趋势。98.1%的地区草地覆盖度的Hurst指数小于0.5,草地覆盖度变化表现出反持续性。草地覆盖度与降水量的偏相关系数(0.096)整体高于其与温度的偏相关系数(-0.033),温度占主导地位的面积占比为16.0%,主要分布在青藏高原的中部和东南部,降水量占主导地位的面积占比为12.2%,主要分布在青藏高原东北部和西部。     

藏北那曲地区草地退化动态评价

利用1982—2000年NOAA/AVHRR 第1通道、第2通道和NDVI的旬资料反演得到的藏北那曲地区历年植被覆盖度、年最大牧草鲜质量和6—9月平均改进型土壤调节植被指数,分析了近20年来那曲地区草地荒漠化的动态变化规律.结果表明：以草地荒漠化评价“基准”和5年滑动平均的方法,得到那曲地区近20年平均草地退化面积占土地总面积的43.1%,草地退化面积总体呈减少趋势,其中前10年呈减少趋势,后10年呈增加趋势,西部地区的退化面积大于其它地区.在气温、降水、潜在蒸散、水汽压、风速、日照时数、降水蒸散比和温度降水比8个气候因子中,潜在蒸散量对草地退化面积的影响最显著.     

半干旱草原牧区村庄的农田扩张机制

基于多层线性模型,从田块、单户和村庄3个尺度分析了科尔沁沙地西部半干旱草原牧区村庄的农田扩张机制.结果表明：在选择优质土地用于发展农业上,各住户间没有显著差异;家庭劳动力数量多、户主文化程度高和收入依赖于农牧业的住户更倾向开地种粮,而牲畜数量多的住户开地种粮的愿望较低;玉米的种植主要受限于外部经济因素,而水稻的种植主要受限于当地的自然状况.提高草原牧区的基础教育水平会促进草地向农田的转变,而转移牧区剩余劳动力将会延缓这一过程.     

基于遥感与地理信息数据的科尔沁沙地生态环境状况动态评价

科尔沁沙地处于蒙古、华北与兴安植物区系交汇处,是蒙古高原向东北平原的过渡区,具有丰富的生物多样性,属于典型农牧交错区,亦是东北平原的重要生态屏障。建国以来,受全球气候变化以及城镇化扩张、草原开垦及过度放牧等多重因素影响导致该区生态退化,生态系统服务功能下降。为此,利用遥感和地理信息数据,采用综合评估的方法,对近30年该区重大生态修复工程的实施过程及修复效果进行科学评估,具有重要的理论与实践意义。研究结果表明：1990、2000、2010、2015、2020年该区生态环境指数分别为75.19、70.20、73.51、74.27和74.7,其生态环境的变化可大致分为3个阶段,即退化期(1990—2000年)、恢复期(2000—2010年)和稳定期(2010—2020年)。2000年后,多项国家重点生态工程的实施对生态环境的改善具有明显推动作用,即科尔沁沙地生态环保工程的保护成效显著。城市化进程加快和水资源短缺是该区生态环境改善的主要制约因素,生态保护和地下水资源利用工程的实施仍需加强。研究可为科尔沁沙地生态保护和修复提供科学依据和实践参考。     

科尔沁沙地及其周围地区土地利用的时空动态变化研究

科尔沁沙地及其周围地区是我国北方生存环境演变的敏感地区,也是我国荒漠化防治的重点地区之一,根据1985年和2000年2期土地利用空间图形数据,运用GIS技术和数理统计方法,通过建立土地利用变化转移矩阵和构建土地利用动态变化模型,对该地区近15年土地利用的时空动态变化进行了研究,结果发现,1985～2000年间,科尔沁沙地及其周围地区各土地利用类型总变化的面积大小依次是草地>耕地>林地>未利用地>水域>城乡工矿居民用地,其中,草地向耕地的转化和草地向林地的转化是该地区土地利用变化的主要特征,并且各土地利用及变化类型具有明显的空间变异。     

沙漠化对科尔沁沙质草地生态系统碳氮储量的影响

通过野外调查,研究了沙漠化对科尔沁沙质草地生态系统碳、氮储量的影响.结果表明:沙漠化对草地碳、氮含量和储量具有显著影响,随着草地沙漠化的进程,草地碳、氮含量和储量明显下降.与非沙漠化草地相比,轻度、中度、重度和严重沙漠化草地0～100cm深土壤有机碳和全氮含量分别下降了56.06%和48.72%、78.43%和74.36%、88.95%和84.62%、91.64%和84.62%,植物组分中的碳、氮含量分别下降了8.61%和6.43%、0.05%和25.71%、2.58%和27.14%、8.61%和27.86%;轻度、中度、重度和严重沙漠化草地地上植物组分中的碳、氮储量分别下降了25.08%和27.62%、30.90%和46.55%、73.84%和80.62%、90.89%和87.31%,0～100cm深地下植物组分中碳和全氮储量分别下降了50.95%和43.38%、75.19%和71.04%、86.76%和81.48%、91.17%和83.17%.2000年科尔沁沙地沙漠化草地总面积为30152.7km2,因沙漠化损失的碳、氮总储量高达107.53和9.97Mt.草地碳、氮含量的下降主要源于风蚀过程中土壤细颗粒的损失.土壤的粗化和贫瘠化最终导致了植物和凋落物中碳、氮储量的明显下降.     

科尔沁沙地沙漠化土地恢复面临的挑战

对科尔沁沙地近50年来沙漠化土地面积、水资源可利用性、土地利用与草地植物生产力的变化进行了分析.结果发现：科尔沁沙地的土地沙漠化在经历了20世纪50—80年代中期的快速发展之后,80年代后期发生了逆转.在过去的50年中,西辽河径流量持续减小,1999年在西辽河中游的内蒙古自治区通辽市段断流;近20年来,位于科尔沁沙地腹地的西湖水位下降近10 m, 2001年干涸.科尔沁沙地草场的地上生物量由1937年的520 g·m^-2下降到2005年的197 g·m^-2.产生这种结果的主要原因是土地利用方式的变化,即基于灌溉的沙漠化治理规模的扩大和灌溉农田面积的增加,导致用水量增加.这也是科尔沁沙地实现土地沙漠化持续逆转面临的严峻挑战.     

科尔沁沙地不同土地利用类型土壤化学计量特征

土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量是衡量土壤质量及生态系统元素限制的重要指标,探讨土地利用和土层深度对土壤化学计量特征的影响有利于揭示科尔沁沙地土壤元素循环规律。本研究以科尔沁沙地5种土地利用类型(灌溉农田、旱作农田、沙质草地、固定沙丘、流动沙丘)土壤为对象,分析不同土地利用类型和不同土层土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)含量及其化学计量特征。结果表明: 1)科尔沁沙地0～10 cm SOC(3.23 g·kg^-1)、TN(0.37 g·kg^-1)、TP(0.15 g·kg^-1)含量及化学计量比(C:N、C:P、N:P分别为9.07、25.56、2.97)远低于中国陆地土壤。2)土地利用变化显著改变了SOC、TN、TP含量及其化学计量特征,0～100 cm SOC、TN、TP含量均表现为灌溉农田>沙质草地>旱作农田>固定沙丘>流动沙丘;沙质草地、灌溉农田、旱作农田C:N显著高于固定沙丘和流动沙丘,沙质草地、固定沙丘、灌溉农田、旱作农田C:P显著高于流动沙丘,5种土地利用类型N:P无显著差异。3)随土层深度增加,沙质草地、固定沙丘、灌溉农田、旱作农田SOC和TN含量显著降低,流动沙丘SOC、TN含量和C:P在各土层间无显著差异;总体上,各土地利用类型TP含量和C:N受土层影响较小;沙质草地、固定沙丘、灌溉农田、旱作农田C:P和沙质草地N:P随土层深度增加而降低。4)SOC、TN、TP、C:N与中砂粒、细砂粒、土壤容重呈显著负相关,与黏粉粒和极细砂粒呈显著正相关。沙漠化导致科尔沁沙地SOC和养分流失,加剧土壤N缺乏,水肥投入有助于耕地维持相对较高的土壤养分水平。     

内蒙古阿鲁科尔沁国家级自然保护区景观动态及保护成效

快速评估自然保护区的保护成效,对科学地制定管理决策具有重要意义.本文通过遥感解译进行景观分类和景观动态变化分析,使用保护性景观质量指数、人工景观干扰指数和景观保护成效综合指数等开展内蒙古阿鲁科尔沁国家级自然保护区2004—2014年的保护成效研究.结果表明: 2004—2014年,该自然保护区内自然景观所占比例由92.2%增加到92.8%,天然草地和灌木林面积显著增加,但湖泊、河流快速减少;景观格局变化较大,主要景观类型面积转出率和转入率高,景观转类指数为0.33.自然保护区内各功能区的保护性景观及其占比均明显增加,保护性景观质量指数由24.37增长为25.36,景观质量得到提升.各功能区均存在不同程度的人工干扰,人工干扰景观面积增大;2004和2014年人工景观干扰指数分别为-0.79和-0.96,人工干扰强度变大.研究期间,内蒙古阿鲁科尔沁自然保护区的景观保护成效综合指数为3.5%,其景观保护成效达到“很好”,野生动植物生境趋于好转.     

科尔沁沙地植物群落恢复演替系列种群生态位动态特征

以科尔沁沙地草地植被恢复过程不同阶段和不同演替时间的6个群落类型的取样为对象。研究了植被恢复过程群落演替序列主要种群的生态位动态特征。结果表明：演替过程每一群落类型优势种的作用明显,具有最大的生态位宽度。生态位宽度在演替序列的动态变化较好地对应着种群动态,生态位宽度是种群动态的一个间接测度。是种群在群落中的地位和作用的数量表达。能够较好地解释群落演替过程种群的环境适应性和资源利用能力。沙米、雾冰藜、狗尾草、差巴嘎蒿、猪毛菜、隐子草分别是演替时间为1a、3a、5a、12a、20a和30a群落的优势种群。在群落演替序列较高的生态位重叠是适宜生境斑块化和空间异质性的结果,同时也反映了演替序列群落的过渡性质以及群落结构的不稳定性。     

近40年科尔沁沙地植被时空变化及其驱动力

科尔沁沙地是我国沙漠化土地防治的重点工程区。近些年来,受气候变化、生态工程建设和人类活动的影响,该区的植被生长发生了一定的变化。研究区域植被的动态变化,可为后期沙地的综合治理和工程的合理建设提供科学依据。基于此,以1981-2015年NOAA-NDVI、MODIS-NDVI数据及同期气象和社会经济数据为依托,采用一元线性回归和相关分析的方法,对科尔沁沙地NDVI的时空变化及驱动因素进行了研究。结果表明:(1)1981-2015年NDVI整体呈波动的增长趋势(增速为0.00114 a-1);空间上NDVI呈增长趋势的区域(面积占68.8%)主要位于东南缘及中部部分地区,而研究区的西北缘呈降低趋势。(2)不同程度沙漠化区的NDVI均表现为先降低(1981-2000年)后上升(2001-2015年)的变化过程,说明前期遭受破坏的植被在后期得以恢复。(3)驱动力分析表明,降水和温度是驱动科尔沁沙地部分区域NDVI变化的影响因素;人口变化和生态工程的实施均驱动了区域内植被的时空变化;而经济的发展并不是该区植被变化的主要驱动因素。