1980—2018年祁连山南坡土地利用变化及其驱动力

祁连山是我国第一阶梯和第二阶梯的分界线,生态环境脆弱,对过渡地带土地利用变化及其驱动力研究具有重要的生态意义。本研究以祁连山南坡为研究区,基于1980—2018年遥感影像数据,运用空间自相关分析法、ArcGIS空间分析方法和主成分分析法分析了土地利用的时空变化特征及其驱动力。结果表明: 1980—2018年,草地是研究区土地利用类型的主体,建设用地所占比重最小,水域、草地表现为下降趋势,未利用土地、建设用地和耕地均呈现出增长态势,林地变化较小。不同地类单一土地利用动态度从大到小依次为:建设用地＞水域＞耕地＞未利用土地＞林地＞草地,综合土地利用动态度为0.9%。不同土地利用类型空间分布表现出空间集聚性特征。耕地增加的区域和林地、草地减少的区域主要分布在门源县城所处大通河谷地西北侧,天峻县东北部大通河上游地区存在工矿建设用地占用草地的现象。土地利用变化驱动力主要为人口数量、科技、城市化、经济发展水平和政策。本研究结果可为政府合理规划和利用土地资源提供依据,对祁连山南坡生态环境保护和社会经济可持续发展具有重大意义。     

江西双季稻氮素监测诊断模型的建立与应用

建立基于光谱仪的江西双季稻氮素监测诊断模型,可指导氮肥精确施用,达到双季稻丰产、提质、增效的目的。本研究开展了不同早、晚稻品种与氮素水平的小区试验,采用GreenSeeker光谱仪和作物生长监测诊断仪(CGMD)于分蘖期和拔节期测定了早、晚稻冠层光谱植被指数和植株氮积累量,建立了双季稻植株氮积累量光谱监测模型,并采用独立的田间试验数据对模型进行检验。利用双季稻丰产栽培经验及建立的氮素光谱诊断模型,对双季稻分蘖肥和穗肥施氮量进行定量推荐。结果表明: 双季稻氮肥施用关键期(分蘖期和拔节期)基于两种光谱仪的光谱植被指数与植株氮积累量均呈显著正相关,分蘖期和拔节期的模型预测效果比生长前期模型好。基于GreenSeeker光谱仪的归一化差值植被指数(NDVI_(780,660))的指数方程可较好地预测植株氮积累量,模型决定系数(R²)为0.92～0.94,模型检验的均方根误差(RMSE)、相对均方根误差(RRMSE)和相关系数(r)分别为3.09～5.96 kg·hm^-2、5.8%～18.5%和0.92～0.98;基于CGMD光谱仪的差值植被指数(DVI_(810,720))的线性方程可较好地预测植株氮积累量,R²为0.90～0.93,模型检验的RMSE、RRMSE和r分别为3.71～6.33 kg·hm^-2、11.7%～14.3%和0.93～0.96。基于CGMD光谱仪的模型推荐的施氮量高于基于GreenSeeker光谱仪的模型推荐的施氮量;模型生成的精确施氮方案较传统农户方案减少施氮量5.5 kg·hm^-2,氮肥农学利用率提高0.8%,纯收益提高128元·hm^-2。用双季稻氮素光谱诊断方法指导施肥能在增产的同时,降低成本,增加纯收益,对科学指导双季稻生产具有重要意义。     

松栎林天然更新模拟与不确定性分析

森林天然更新的复杂性和不确定性是森林生态系统动态预测中的关键问题。本研究引入贝叶斯技术和全局敏感性分析,构建基于竞争、气候和地形3类因子的秦岭松栎林天然更新模型。备选模型形式以泊松(Poisson)模型、负二项(negative binomial,NB)模型、零膨胀泊松(zero-inflated Poisson,ZIP)模型和零膨胀负二项(zero-inflated negative binomial,ZINB)模型为基础。同时,根据模型参数传递的不确定性量化分析结果,阐释影响森林更新小概率事件的主导因子。结果表明: ZINB模型在油松和锐齿栎更新模拟中均优于其他模型。林分总断面积、光截留、坡位和生长季最低温是影响松栎林中油松天然更新的最关键因子;而林分总断面积、坡向与海拔的组合、年均温和最热季节降水量则是影响松栎林中锐齿栎天然更新的关键因子。油松更新模拟中,各类因子对模型输出的不确定性贡献率从小到大依次为: 竞争因子(25%)＜气候因子(29%)＜地形因子(46%);锐齿栎更新模拟中为: 气候因子(12%)＜竞争因子(24%)＜地形因子(64%)。油松天然更新数量对生长季最低温和最干季节降水量为正响应,对最干季节均温为负响应;锐齿栎天然更新数量对年均温、生长季最低温和最热季节降水量为正响应,对最干季节均温为负响应。基于贝叶斯技术的ZINB模型可以量化森林更新的影响因子,并解释参数传递的不确定性,是预测森林天然更新的有力工具。     

格网尺度下青海玛多县土地利用及生态系统服务价值空间自相关分析

开展黄河源区土地利用和生态系统服务价值空间量化评估,对于保障黄河流域生态安全具有重要意义。以黄河源区玛多县为例,基于3 km×3 km网格单元,应用空间自相关方法构建生态系统服务价值评价模型,定量评价了2015年玛多县土地利用/覆被空间自相关格局特征,可视化表达了玛多县生态系统服务价值空间信息。结果表明: 在3 km×3 km格网尺度下,不同覆盖度草地覆盖范围广阔;水域网格占总网格数的42.9%,在玛多县西北部分布密集;建设用地呈东北-西南走向的“线条式”分布;未利用土地体现为西南多、东北少的分布格局。在空间上,玛多县土地利用类型网格之间相互影响,表现为正相关性和聚集分布。水域的全局Moran I和局部Moran I值均最大,空间聚集性最强,局部连片度较高。建设用地的全局Moran I和局部Moran I值分别为0.293和0.127,空间自相关性最弱,在小范围内呈聚集特点。2015年,玛多县生态系统服务价值(ESV)为938.87亿元,网格的ESV平均值为3.20×10⁷元,最大值为19.96×10⁷元,水域分布网格是ESV的高值区。玛多县ESV分布格局整体上呈显著的空间正向自相关,ESV在网格之间为聚集分布。不同土地利用类型ESV网格总体呈高高、低低聚集,在局部零星为高低、低高聚集。可采取的国土空间规划与用途管制策略包括:水域、未利用土地采用强调生态溢出价值的“集中连片式”保护模式,高、中、低覆盖度草地采取主次分明、划区管理的“组团式”生态治理模式,建设用地在“廊道式”分布格局中采取小范围集约化开发利用模式。     

外来入侵植物与人工林下层植被结构的关联性

为有效防控外来入侵植物,在广西陆川县人工林区进行植被嵌套样方调查,分析群落物种组成与植被结构和环境因子之间的相关性。Mantel检验表明样方物种组成与样方植被结构的相关性(r=0.208, P=0.002)高于其与环境因子相关性(r=0.084, P=0.051)。MRPP分析表明,有入侵植物阔叶丰花草(Spermacoce alata)、假臭草(Praxelis clematidea)和胜红蓟(Ageratum conyzoides)样方的植被结构与无这3种植物样方的有极显著不同(P 0.01),而有无薇甘菊(Mikainamicrantha)样方的植被结构相似。t检验表明林冠盖度(3.0 m)与这4种植物入侵均无显著相关性(P0.073)。通过增加垂直高度1.5 m以下的植被密度,可以减少阔叶丰花草、假臭草和胜红蓟的入侵,但对抑制薇甘菊入侵无效。因此,植被结构作为过滤器,可能主要作用于植物的种子产生时间、萌发周期和生长习性;以种子方式繁殖的入侵植物能否定植相对更依赖干扰、暴露的裸地;兼具无性和有性繁殖且能攀援和匍匐生长使得薇甘菊能够在不同植被结构的群落中相对随机地定植。     

洮河上游紫果云杉种群结构特征

该研究以洮河上游尕海-则岔自然保护区、卡车林区和冶力关林区的紫果云杉(Picea purpurea)天然种群为研究对象, 通过样地调查和数据统计, 绘制种群结构图, 编制静态生命表, 拟合并分析存活曲线, 运用数量化方法研究种群动态, 揭示种群生存现状, 预测种群发展趋势, 以期为该物种的保护、管理及结构恢复提供理论依据。结果显示: 3个林区紫果云杉种群自然更新能力强, 幼苗、幼树储量丰富, 幼小龄期死亡率普遍偏高; 尕海-则岔种群存活曲线符合Deevey-III型, 种群稳定结构完整, 卡车林区和冶力关林区种群存活曲线均符合Deevey-II型, 且均出现了局部衰退; 3个林区种群动态指数均大于0, 说明种群均属于增长型, 增长潜力为尕海-则岔>卡车>冶力关; 受随机干扰时卡车林区紫果云杉最敏感, 冶力关次之, 尕海-则岔种群最稳定。该研究表明: 竞争和自疏作用是造成紫果云杉幼小龄级个体存活率偏低的普遍因素, 3个林区不同的生存状况反映了紫果云杉种群在不同生境及生活史下生存能力的差异, 保护幼苗生存环境并提高幼苗质量和存活率是种群更新和发展的关键。尕海-则岔紫果云杉生存良好, 种群生存状况主要受自身生物学特性和环境因子的影响; 卡车林区主要受人为影响, 种群结构遭到破坏; 冶力关林区受分布限制, 造成种群结构不稳定, 须采取一定的人工措施来促进种群更新与增长。     

调蓄河湖群菹草(Potamogeton crispus L.)功能性状特征及其与环境因子的关系

调水工程引起的多环境因子关联变化对沉水植物群落的影响机制有待深入探讨。以南水北调东线工程调蓄河湖群中菹草种群为研究对象,分析了京杭运河(YH)、高邮湖(GY)、洪泽湖(HZ)、骆马湖(LM)、南四湖上级湖(NS1)、南四湖下级湖(NS2)和东平湖(DP)7个调蓄河湖中菹草个体功能性状特征及其与环境因子间的关系。结果表明:(1)除高锰酸盐指数(COD_(Mn))、浊度(Tur)和底泥有机质含量(S_o)外,总氮(TN)、硝氮(NO_3-N)、氨氮(NH_4-N)、总磷(TP)、正磷酸盐(PO_4-P)、硅酸盐(SiO_4-Si)、叶绿素a(Chla)、总溶解性固体(TDS)、透明度(SD)、消光系数(K)、水温(T)、电导率(Cond)、酸碱度(pH)、溶解氧(DO)和底泥含水率(S_w)在河湖间差异达到了极显著水平;(2)菹草株高、茎分支数、茎节数、茎节长、茎直径、相对茎长、叶片数、叶厚、叶长、叶宽、叶面积、比叶面积、株重、茎重、叶重、茎叶比、茎干物质比、叶干物质比在河湖间差异极显著;(3)河湖群内菹草种群18个功能性状中,按变异系数从小到大依次为:叶宽、茎直径、叶长、茎干物质比、叶干物质比、叶面积、株高、茎节长、相对茎长、茎叶比、叶厚、茎节数、茎重、叶片数、株重、比叶面积、叶重、茎分支数;7个调蓄河湖间,按照所有性状变异系数平均值从大到小排序依次为:南四湖下级湖、洪泽湖和京杭运河、高邮湖、东平湖、南四湖上级湖、骆马湖;(4)环境因子共解释了功能性状方差变异的49.43%;叶性状主要受营养因子(TN、NO_3-N、SiO_4-Si)影响;茎性状与光照因子(Chla和SD)密切相关;底泥因子(S_o)对茎叶生物量分配起主要作用。     

植被综合生态质量时空变化动态监测评价模型

为了能掌握全国植被综合生态质量的高低及其时空变化,构建了既能反映植被生产力又能反映植被覆盖度的植被综合生态质量指数,建立了植被综合生态质量指数年际对比和多年变化趋势评价模型。利用构建的指数和评价模型,以2017年作为监测评价的当年,以2000—2017年作为评价的多年时段,对全国植被综合生态质量时空变化进行了监测评价。结果表明：（1）2017年全国大部地区植被综合生态质量指数高于2000—2016年多年平均值,生态质量偏好;2017年福建、广西、海南、广东、云南植被综合生态质量位居全国前五位,构建的植被综合生态质量指数及其年际对比模型可以定量反映全国植被综合生态质量的空间差异和年际差异。（2）全国有90.7%的区域2000—2017年植被综合生态质量指数呈提高趋势,东北地区西部、内蒙古东部、华北大部、西北地区东部、西南地区东部、华南西部等地生态质量指数提升明显,构建的植被综合生态质量指数多年变化趋势评价模型可以定量反映植被生态质量的多年变化趋势和幅度。（3）南方大部地区2000—2017年平均年植被综合生态质量指数在50.0以上,北方大部地区在50.0以下;我国中东部大部地区在20.0以上,西部大部地区在20.0以下,表明南方大部地区年植被生态质量好于北方、中东大部好于西部。可见,构建的植被综合生态质量指数及其年际对比和多年变化趋势评价模型,能够监测评价当年和多年全国植被综合生态质量的时空变化,可为掌握全国植被生态质量动态提供模型和方法。     

毛竹和雷竹地下系统结构及生物力学性质

利用植物稳定山体边坡是一种环保、经济、可持续的生物工程措施,符合生态文明建设新理念。以亚热带典型散生竹种毛竹和雷竹地下系统结构为研究对象,描述毛竹和雷竹根系在土壤中的空间分布状况,探究影响毛竹和雷竹地下系统生物力学性质的因素。结果表明:随着土层的深入,3个径级的毛竹和雷竹根系长度和体积所占比重均表现出逐渐减少的趋势,0—40 cm土层中集中了80%以上的根系。毛竹和雷竹径级D≤1 mm根系占全部根系长度的比重均为最大,大小依次为雷竹鞭根(83.62%)雷竹竹根(80.46%)毛竹鞭根(75.70%)毛竹竹根(70.45%),毛竹径级D≥2mm根系体积所占比重最大,分别为竹根78.73%和鞭根70.23%,雷竹径级D≥2mm(43.60%)和D=1—2mm(39.76%)竹根体积比例相当,径级D=1—2mm鞭根体积为最大(50.78%);毛竹和雷竹不同生长阶段竹鞭抗拉强度和弹性模量之间均存在显著差异,中龄竹鞭抗拉强度显著高于幼龄和老龄,而中龄竹鞭的弹性模量显著低于幼龄和老龄,说明生长阶段是影响竹鞭抗拉强度和弹性模量的因素;饱和含水率条件下,毛竹和雷竹根系抗拉强度与直径呈负幂函数关系,12%含水率条件下,毛竹鞭根和雷竹竹根抗拉强度和直径仍然呈负幂函数关系,毛竹竹根和雷竹鞭根抗拉强度和直径关系不显著。毛竹和雷竹地下系统抗剪切强度与干物质量均呈幂函数关系,毛竹抗剪切强度增加趋势高于雷竹。     

2000-2015年祁连山南坡生态系统服务价值时空变化

祁连山是我国西部重要的生态安全屏障和生物多样性保护优先区域,其中南坡地区是水源涵养服务核心区,但目前对该区域生态系统服务时空分布及动态变化仍缺乏深入认识。利用遥感技术和生态系统服务理论,综合多源数据产品,借鉴生态系统服务计算方法,对包括土壤保持等7个生态系统服务类型展开功能及价值核算,对祁连山南坡土壤保持等7个生态系统服务类型2000-2015年间的时空分异及动态展开监测和评估,研究表明：（1）近16年来祁连山南坡生态系统服务平均单位面积价值为76.27万元/km²,总价值为658.74亿元,且调节气候、水源涵养和调节空气质量服务构成了研究区生态系统服务的主体。（2）高寒草甸和高寒草原的生态系统服务总价值最高,而森林和灌丛的单位面积服务价值最高;天峻县和祁连县的生态系统服务总价值最高,而海晏县和刚察县的单位面积服务价值最高。（3）近16年来祁连山南坡生态系统服务价值呈增长趋势,其中调节气候和调节空气质量服务价值的增速最快,且增长区域主要集中在研究区北部祁连县和天峻县境内。（4）研究区东部山区、南部环湖区以及中部湿地区能够提供多项复合生态服务功能,应作为生态保护和管理的重点。研究结果能为祁连山生态红线制定及国家公园建设提供理论依据和技术支撑。