生态退耕与植被演替的时空格局

综述了多重尺度上生态退耕的时空格局及其对植被演替时空变异影响的研究进展,提出了生态退耕与植被演替的时空格局研究方向.在自然和人文等因子的驱动下,全球兴起了生态退耕的热潮,生态退耕类型正在由人工恢复为主向自然弃耕为主发展.尽管国内外很多学者开始关注不同尺度上生态退耕的时空格局及其影响因子,但是生态退耕的时空变异性研究仍然比较薄弱,尤其缺乏多重尺度上生态退耕时空格局及其驱动因子的综合研究,在很大程度上限制了研究结果外推.研究表明,受到多因子的综合影响,生态退耕后植被演替呈现出复杂多样的时空变化特征;退耕植被演替研究从植物群落结构特征分析为主向群落功能分析发展,从传统的演替过程规律分析转向退耕植被演替的时空变异性分析;相对来说,生态退耕后植被演替的时空分异、影响因子和机制方面的研究比较薄弱.加强多重尺度上生态退耕时空格局与植被演替时空变异的综合研究是将来的研究重点.     

不同尺度下城市景观综合指数的空间变异特征研究

在GIS与RS技术支持下,采用5 m分辨率的SPOT遥感图像数据,从城市土地利用角度,利用半变异函数对不同尺度的景观多样性、聚集度与分维数的空间变异进行了定量分析.结果表明,不同尺度下3种指数的空间变异具有相似特征,各个尺度上都具有空间依赖性,尺度越小,空间依赖性越大,空间变异的细节更显著,空间自相关性对总体变异的贡献逐渐增加,但尺度过小,有时会破坏景观内部结构.不同指数的半变异函数模型在相同尺度上差异显著,说明不同景观指数在不同尺度下的半变异函数模型不具可比性.就研究上海市内部土地利用结构而言,1 km的幅度是较合适的空间尺度.景观指数空间变异特征是尺度的函数,尺度对景观格局的影响不能忽视.景观综合指数对尺度响应的生态过程揭示了上海城市空间结构的规律性:在小尺度上的复杂无规律性,中尺度上的多中心性和大尺度上的圈层结构性,但各个尺度是相互依赖的,没有绝对界限.     

分形理论及其在土壤空间变异研究中的应用

土壤具有不同程度的空间变异性,土壤空间变异研究对于土壤管理有重要意义.本文简要综述了分形理论及其在土壤空间变异研究中的应用,重点讨论了利用矩方法计算土壤属性分形维,多重分形分析土壤空间变异性及基于多重分形谱参数的土壤属性尺度转换.早期研究验证了分形理论在分析土壤空间变异中的有效性和应用潜力,国内外近期研究则报道了利用分形及多重分形理论分析土壤空间变异的最新进展.分形理论可以成为量化土壤属性空间变异性及尺度转换的重要工具.     

土壤水分时空变异及其与环境因子的关系

土壤水分的时空变异是指在一定的景观内,不同时间、地点和土层的土壤水分特征存在明显的差异性和多样性。土壤水分时空变异是由多重尺度上的土地利用（植被）、气象（降雨）、地形、土壤、人为活动等诸因子综合作用的结果,但就其某一具体地区而言存在着重点尺度和主控因子,土壤水分时空变异的重点尺度与主控因子的时空关系因时间、空间和尺度而异。本文综述了土壤水分（尤其是黄土高原地区）的时空变异与其环境因子时空关系的研究进展,并提出了广眨开展多重时空尺度上土壤水分的时空变异与其诸因素的时空关系,研究土壤水分时空变异性的尺度转换规律,确定重点尺度及其相应的主控因子。     

黄土丘陵小流域土壤侵蚀的时空变异及其影响因子

采用土壤侵蚀模型LISEM(Limburg Soil Erosion Model)模拟黄土丘陵沟壑区大南沟小流域5种土地利用格局下立地尺度上土壤侵蚀量的空间分布,从土壤侵蚀量与环境因子的关系分析入手,研究黄土丘陵小流域立地尺度上土壤侵蚀的时空变异性及其影响因子.研究结果表明,立地尺度上平均土壤侵蚀强度以1975年>1998年>退耕格局,可见优化土地利用格局(陡坡农地退耕)可以有效地降低立地尺度上的土壤侵蚀强度.各种土地利用方案下土壤侵蚀强度的空间变异都很显著,相对来说以1975年<1998年<退耕格局,可见优化土地利用格局可以提高土壤侵蚀的空间变异性,降低土壤侵蚀危险的空间聚集度.土壤侵蚀量与降雨呈现显著正相关性,相关性以LU75>LU98>退耕格局,可见合理的土地利用格局可以有效地削弱降雨对土壤侵蚀强度的影响.土地利用方式对土壤侵蚀空间分布具有显著影响.从1975年、1998年到3种退耕格局,陡坡农地退耕还林还草,植被覆盖度增加,林地/灌木地、果园/经济林地、农地和休闲地的平均土壤侵蚀强度都逐渐降低.相关分析表明,林地/灌木地上土壤侵蚀量最小,荒草地相对最严重;果园、休闲地和农地居中.土壤侵蚀强度还存在显著的地形分异.水平凹凸度和相对海拔对土壤侵蚀空间分布的影响比较显著,而坡向、坡度和垂直凹凸度的影响较小.土壤侵蚀强度以水平凸坡大于水平凹坡、垂直凹坡略大于垂直凸坡、偏南坡大于偏北坡、低海拔大于高海拔.对1975年和1998年土地利用格局来说,土壤侵蚀强度以偏西坡大于偏东坡、陡坡大于缓坡;对3种退耕格局而言则正相反.可见,优化土地利用格局(陡坡农地退耕),可以有效地削弱甚至逆转地形对土壤侵蚀强度的影响.     

城市景观多样性的空间尺度分析——以上海市外环线以内区域为例

景观生态学研究的就是某一空间尺度范围内的景观格局与生态过程。因为景观格局与生态过程中存在的尺度多样性 ,导致尺度成为理解景观格局和生态过程相互作用的关键 ,其已经成为景观生态学的一个重要概念 ,但是由于理论和方法的限制 ,对景观生态学的尺度研究还不够 ,特别是景观格局综合性指标在不同幅度上的变化特征和效应。在 GIS与 RS技术支持下 ,采用基准分辨率为 5 m的 SPOT遥感图像作为数据源 ,对不同幅度下的城市景观多样性的空间分布格局进行了分析 ,并进一步利用半变异函数对其空间异质性进行定量描述。结论揭示 :随着空间尺度的增加 ,景观多样性程度也不断增加 ,另外多样性的空间分布格局也具有显著变化 ,由于受城市发展历史和目前城市扩展方向的影响 ,多样性在总体上是不平衡的 ,尺度越大 ,不平衡越明显 ;不同尺度下景观多样性空间格局的变化 ,与城市景观的特点和城市景观的功能息息相关 ,不过其受经济效益和社会文化效益的影响更大 ;随着尺度增加由于掩盖了更小尺度上的变异 ,导致块金效应增强 ,空间自相关部分对系统总的变异则明显下降 ;景观多样性具有尺度依赖性 ,可以说景观多样性也是尺度的函数 ,在不同的尺度上 ,结果差异显著 ,所以在景观生态学的研究中绝对不能忽略尺度对格局的影响     

基于模式识别的景观格局分析与尺度转换研究框架

景观格局分析和尺度转换是生态学和地理学研究的核心问题之一.尽管多年来投入了大量的精力,然而由于尺度效应的复杂性和尺度转换过程的不确定性,仍然没有找到合适的方法.目前关于尺度转换的研究存在两个误区,其一是过分重视空间尺度的转换,忽略了过程尺度的转换;其二是过分强调了对不同尺度间数量关系的外推与转换,忽略了不同尺度间生态规律的外推与转换.在系统分析了景观格局与尺度转换研究现状、存在问题和难点的基础上,提出了借用模式识别的原理和方法,针对特定的生态过程,开展景观格局分析与尺度转换的思路.认为尺度转换的关键在于通过识别不同尺度上影响生态过程的主导因子,找到各个尺度上“格局（环境因子空间组合）-过程”、尺度间“格局-格局”之间的对应关系,通过建立“环境-格局-过程”模式识别数据库,就能够建立不同尺度之间基于模式识别的尺度转换方法.     

黄河三角洲夏季典型田块土壤盐分的多尺度空间变异

土壤盐渍化严重阻碍黄河三角洲农业经济发展,掌握田间多尺度下土壤盐分的空间变异性特征对于盐渍土改良利用和农业生产有重要意义。选取黄河三角洲垦利区代表性夏季玉米田块,划分为大田、地块、垄间3个尺度,通过实地调查采样获取152 组电导率数据,运用经典统计学、地统计学和克里格插值方法,分析多尺度下田块土壤盐分的空间变异性特征及其尺度效应。结果表明: 试验区土壤为中度盐渍化,土壤盐分在3种尺度下均呈中等强度变异,从大田、地块到垄间,随着采样尺度的减小,土壤盐分的变异性趋强、标准差增大;垄间和地块尺度表现为强空间相关性,最优拟合模型为高斯模型,主要受结构性因素影响,大田尺度为中等空间相关性,最优拟合模型为指数模型,受随机性因素和结构性因素共同影响;不同尺度土壤盐分的空间分布特征有明显差异,小尺度的空间特征在大尺度下被掩盖,存在明显的尺度效应;垄间微域尺度下土壤盐分分布变异明显,土壤含盐量随微地貌由高到低、植被覆盖由疏至密而逐渐降低。     

森林凋落物养分空间变异及其影响因素

凋落物是衡量森林质量的关键特征之一,具有养分归还、水土保持、过滤有毒物质、提供动物和微生物的食物、影响种子萌发和维持地表温湿度等生态功能。凋落物养分空间变异是指在一定的区域内,因空间位置不同凋落物养分特征存在的差异性和多样性,其影响群落分布格局,是森林生态系统中普遍存在但极为重要的特性。本文综述了国内外森林凋落物养分空间变异及其与自然和人为因素关系的研究进展。目前,凋落物养分空间变异研究以经典统计学和地统计学两种定量描述方法为主,涉及森林群落、景观和区域及全球尺度,受到植物、土壤、地形、气候、森林结构和干扰等诸多因子的影响,因研究的方法、对象、目的、区域或尺度不同而存在差异。因此,需进一步加强定量描述凋落物空间变异方法的综合应用和标准化,针对性地选择适宜的方法来描述森林凋落物养分空间变异,广泛开展多重尺度上凋落物养分的空间变异及其与多因素的关系,确定研究尺度及相应的主控因子。     

黄土丘陵区景观格局对水土流失过程的影响——景观水平与多尺度比较

以黄土丘陵沟壑区河口-龙门区间内42个水文站控制流域土地利用和径流泥沙数据为基础,借助GIS和RUSLE,运用景观格局指数分析法,从景观水平和多尺度上探讨景观格局对流域水土流失过程的影响。结果表明:河龙区间流域景观格局和水土流失过程特征存在明显空间分异和相对差异。在斑块类型水平上草地的连结度(COHESION3)和分维数变异度(FRAC_CV3)、耕地和居民建设用地的丛生度(CLUMPY1、CLUMPY5)、居民建设用地边缘密度(ED5)是影响流域水土流失过程的重要指标,其中草地连结度对流域水土流失过程变异的解释度最高。在景观水平上景观连结度(COHESION)、平均斑块面积(AREA_MN)、景观聚集度(AI)、景观丰富度(PR)是影响水土流失过程的主要因子,其中景观聚集度(AI)对流域水土流失过程变异的解释程度最高。斑块类型水平景观格局对水土流失过程空间变异的解释能力要高于景观水平。景观格局具有明显的嵌套特性并强烈影响着流域水土流失过程,在嵌套水平上草地连结度(COHESION3)和耕地丛生度(CLUMPY1)是控制流域侵蚀产沙的主要格局因子,草地分维数变异程度(FRAC_CV3)可以抑制流域泥沙输移过程。景观格局对水土流失过程的影响机制和景观指数与反应变量间的统计学关系随尺度不同而异。     

A Scaling Rule for Landscape Patches and How It Applies to Conserving Soil Resources in Savannas

Scaling issues are complex, yet understanding issues such as scale dependencies in ecological patterns and processes is usually critical if we are to make sense of ecological data and if we want to predict how land management options, for example, are constrained by scale. In this article, we develop the beginnings of a way to approach the complexity of scaling issues. Our approach is rooted in scaling functions, which integrate the scale dependency of patterns and processes in landscapes with the ways that organisms scale their responses to these patterns and processes. We propose that such functions may have sufficient generality that we can develop scaling rules—statements that link scale with consequences for certain phenomena in certain systems. As an example, we propose that in savanna ecosystems, there is a consistent relationship between the size of vegetation patches in the landscape and the degree to which critical resources, such as soil nutrients or water, become concentrated in these patches. In this case, the features of the scaling functions that underlie this rule have to do with physical processes, such as surface water flow and material redistribution, and the ways that patches of plants physically “capture” such runoff and convert it into plant biomass, thereby concentrating resources and increasing patch size. To be operationally useful, such scaling rules must be expressed in ways that can generate predictions. We developed a scaling equation that can be used to evaluate the potential impacts of different disturbances on vegetation patches and on how soils and their nutrients are conserved within Australian savanna landscapes. We illustrate that for a 10-km² paddock, given an equivalent area of impact, the thinning of large tree islands potentially can cause a far greater loss of soil nitrogen (21 metric tons) than grazing out small grass clumps (2 metric tons). Although our example is hypothetical, we believe that addressing scaling problems by first conceptualizing scaling functions, then proposing scaling rules, and then deriving scaling equations is a useful approach. Scaling equations can be used in simulation models, or (as we have done) in simple hypothetical scenarios, to collapse the complexity of scaling issues into a manageable framework. Received 8 December 1998; accepted 17 August 1999.     

Individual size variation reduces spatial variation in abundance of tree community assemblage,not of tree populations

Research on individual trait variation has gained much attention because of its implication for ecosystem functions and community ecology. The effect of individual variation on population and community abundance (number of individuals) variation remains scarcely tested. Using two established ecological scaling laws (Taylor's law and abundance–size relationship), we derived a new scaling relationship between the individual size variation and spatial variation of abundance. Tested against multi‐plot tree data from Diaoluo Mountain tropical forest in Hainan, China, the new scaling relationship showed that individual size variation reduced the spatial variation of community assemblage abundance, but not of taxon‐specific population abundance. The different responses of community and population to individual variation were reflected by the validity of the abundance–size relationship. We tested and confirmed this scaling framework using two measures of individual tree size: aboveground biomass and diameter at breast height. Using delta method and height‐diameter allometry, we derived the analytic relation of scaling exponents estimated under different individual size measures. In addition, we used multiple regression models to analyze the effect of taxon richness on the relationship between individual size variation and spatial variation of population or community abundance, for taxon‐specific and taxon‐mixed data, respectively. This work offers empirical evidence and a scaling framework for the negative effect of individual trait variation on spatial variation of plant community. It has implications for forest ecosystem and management where the role of individual variation in regulating population or community spatial variation is important but understudied.     

干旱半干旱区坡面覆被格局的水土流失效应研究进展

植被恢复与建设是控制水土流失的重要措施.在干旱半干旱地区,植被在空间上的分布呈现离散特征,在坡面上形成的裸地-植被镶嵌和植被条带分布等覆被格局对水土流失过程具有重要影响.覆被格局与水土流失关系研究是景观生态学格局与过程研究的重要内容.从植被斑块、坡面覆被格局对水土流失的影响与耦合覆被格局与水土流失的手段和方法三个方面对国内外相关研究进行总结分析.从中发现,植被类型、层次结构和形态特征是植被斑块尺度上影响径流泥沙的关键因素;不同覆被类型的产流产沙特征与覆被格局的准确描述是研究覆被格局水土流失效应的重要基础;坡面覆被格局对水土流失的影响关键在于其改变了径流泥沙运移和汇集的连续性,应重点关注径流泥沙源汇区的连通性和空间分布在水土流失中的作用;以坡面的精确覆被制图为基础,建立基于水土流失过程的覆被格局指数和耦合格局信息的径流与侵蚀模型是定量研究覆被格局影响的有效手段.今后应加强以下研究:以动态系统的观点研究覆被格局的变化对水土流失的影响,系统理解覆被格局与水土流失之间的相互联系与反馈机制,探讨两者间动态关系随尺度变化的规律性并发展尺度上推方法;构建过程意义明确且简单实用的格局指数,将覆被格局与水土流失过程有机联系起来;发展覆被格局的动态信息与产流产沙过程相结合的水文模型,加强对格局与径流泥沙反馈系统的耦合,建立真正意义上的覆被格局-水土流失过程耦合模型.     

Annual variation in soil respiration and its components in a coppice oak forest in Central Italy

In order to investigate the annual variation of soil respiration and its components in relation to seasonal changes in soil temperature and soil moisture in a Mediterranean mixed oak forest ecosystem, we set up a series of experimental treatments in May 1999 where litter (no litter), roots (no roots, by trenching) or both were excluded from plots of 4 m². Subsequently, we measured soil respiration, soil temperature and soil moisture in each plot over a year after the forest was coppiced. The treatments did not significantly affect soil temperature or soil moisture measured over 0–10 cm depth. Soil respiration varied markedly during the year with high rates in spring and autumn and low rates in summer, coinciding with summer drought, and in winter, with the lowest temperatures. Very high respiration rates, however, were observed during the summer immediately after rainfall events. The mean annual rate of soil respiration was 2.9 µ mol m^?2 s^?1, ranging from 1.35 to 7.03 µmol m^?2 s^?1. Soil respiration was highly correlated with temperature during winter and during spring and autumn whenever volumetric soil water content was above 20%. Below this threshold value, there was no correlation between soil respiration and soil temperature, but soil moisture was a good predictor of soil respiration. A simple empirical model that predicted soil respiration during the year, using both soil temperature and soil moisture accounted for more than 91% of the observed annual variation in soil respiration. All the components of soil respiration followed a similar seasonal trend and were affected by summer drought. The Q₁₀ value for soil respiration was 2.32, which is in agreement with other studies in forest ecosystems. However, we found a Q₁₀ value for root respiration of 2.20, which is lower than recent values reported for forest sites. The fact that the seasonal variation in root growth with temperature in Mediterranean ecosystems differs from that in temperate regions may explain this difference. In temperate regions, increases in size of root populations during the growing season, coinciding with high temperatures, may yield higher apparent Q₁₀ values than in Mediterranean regions where root growth is suppressed by summer drought. The decomposition of organic matter and belowground litter were the major components of soil respiration, accounting for almost 55% of the total soil respiration flux. This proportion is higher than has been reported for mature boreal and temperate forest and is probably the result of a short‐term C loss following recent logging at the site. The relationship proposed for soil respiration with soil temperature and soil moisture is useful for understanding and predicting potential changes in Mediterranean forest ecosystems in response to forest management and climate change.     

塔里木河下游土壤水分与植被时空变化特征

运用变异系数、Pearson相关和回归的方法,分析了塔里木河下游2002-2006年土壤水分的时空变化和植被的分布,以及二者之间的相互关系。结果表明:土壤含水率水平空间分布随离水源地距离增加而降低,垂直分布随土层深度的增加而增加;0-60cm土壤含水率变异性最小,属中等变异性;60cm以下土壤含水量变异性增大,属强变异性;土壤含水率的时间变化受生态输水量和持续时间的制约。土壤含水率与植被的时空分布具有同步性;植被特征指数与80-280cm土壤含水率显著相关,且二者与地下水埋深均呈现极显著负相关,说明60cm以下的土壤含水率显著影响植被的生长和分布,而且地下水位是影响土壤水分和植被时空变异的主要因素。     

降雨对草地土壤呼吸季节变异性的影响

利用土壤碳通量自动观测系统(LI-8150)对呼伦贝尔草原在自然降雨条件下的土壤呼吸作用进行了野外定位连续观测,研究结果表明:降雨对土壤呼吸作用存在激发效应和抑制效应,降雨发生后1-2 h内土壤呼吸速率可增加约1倍,当单次或者连续降雨累积量大于7-8 mm,或土壤含水量大于29%-30%时,降雨对土壤呼吸会产生明显的抑制作用。土壤呼吸的激发效应往往体现在次日,表现为次日平均土壤呼吸速率的显著升高;而抑制效应则在当日即可体现出来,表现为观测当日平均土壤呼吸速率的明显下降。土壤呼吸季节变异性与降雨频率和降雨强度密切相关,在降雨量一定的情况下,较低的降雨频率和较高的降雨强度会增加土壤呼吸的变异性。呼伦贝尔草甸草原而言,在生长季土壤平均含水量为16.5%时,土壤呼吸的温度敏感性值(Q₁₀)为2.12;而平均土壤含水量为26%时,Q₁₀值为2.82,明显高于前者,土壤含水量与Q₁₀之间存在正相关关系。降雨导致土壤呼吸的激发效应和抑制效应交替发生,使草地土壤呼吸的季节变异性增加,降雨格局变化必然会对草地碳循环和碳通量特征产生深刻影响。     

广东山区土壤有机碳空间变异的尺度效应

研究土壤有机碳的尺度效应能够为区域生态环境保护和确定合理的土壤取样间距提供科学依据。采用土壤类型法估算了广东山区表层(0-20 cm)和全剖面(0-100 cm)土壤有机碳密度,选择4条采样带,获取采样间距为250 m的土壤有机碳密度序列,并利用离散小波变换工具对其进行多尺度分解,得到2×250 m、2²×250 m、2³×250 m、2⁴×250 m、2⁵×250 m和2⁶×250 m 6个分解尺度上的小波信息,计算小波信息方差。结果表明:土壤有机碳密度具有较强的空间异质性,其空间异质性的大小受控于不同尺度下土壤有机碳密度分布格局的主导因子影响程度;整体上在大于等于1 km的尺度,其空间异质性较强;各个样带特征尺度的差异与各样带的土壤和植被类型、地貌特征以及土地利用方式、耕作管理方式等人类活动干扰强度有关。     

黄土高原小流域土壤容重及水分空间变异特征

在黄土高原小流域尺度上,地形和土地利用是影响土壤变异的重要因素.在横山县朱家沟小流域采集了82个样点,选取土壤容重和水分作为研究对象,分析比较不同土地利用及不同景观位置下二者的变异及分布特征;分析了土壤容重和水分与地形因素的关系并利用地形与土地利用信息进行了回归分析.结果表明,不同土地利用类型之间,土壤容重变异较小,其大小次序为：灌木林地＞荒草地＞梯田＞坝地＞林地＞坡耕地;土壤水分变化相对较大,大小次序为：坝地＞荒草地＞灌木林地＞坡耕地＞林地＞梯田.在不同景观位置,土壤容重大小变化表现为：坡顶＞沟平地＞坡下＞坡上＞坡中;土壤水分大小变化为：沟平地＞坡中＞坡下＞坡上＞坡顶.基于数字地形分析技术,提取相关地形指数,与土壤容重和水分进行相关分析并进行多元回归分析,结果表明：土壤容重与复合地形指数CTI正相关;土壤水分与高程呈现负相关关系,和剖面曲率正相关.建立了多元线性回归模型,结果发现模型对土壤容重预测结果比较理想,但对于土壤水分的预测存在较大的平滑效应,残差较大,须进一步探讨.     

Physiological variation in insects: large-scale patterns and their implications

In this paper we demonstrate how broad scale comparative physiology has an important role to play in informing a variety of assumptions made in macroecology. We do so by examining large-scale geographic variation in insect development, thermal tolerance and metabolic rate. From these studies, and those from the literature on insect water loss and thermoregulation, we show that there is often a bias to the geographic extent of available empirical data. Studies of cold hardiness are most usually undertaken at high latitudes, while investigations of upper thermal tolerances and water loss are most common in warm arid regions. Likewise, we demonstrate that much variation in insect physiological tolerances is partitioned at higher taxonomic levels, which has important implications for comparative physiology. Intriguingly, data on the full range of variables we review are available for only three species. We also show that, despite its importance, body size is regularly reported in only some kinds of investigations (metabolic rate, water loss rate), whereas in others (upper lethal temperature, cold hardiness, development) this variable is often ignored. In short, although large-scale comparative physiology can contribute considerable understanding to both physiology and ecology, there is much that remains to be done.