基于CLDAS强迫CLM3.5模式的新疆区域土壤温度陆面过程模拟及验证

利用中国气象局国家气象信息中心研发的中国气象局陆面数据同化系统(China Meteorological Administration Land Data Assimilation System,CLDAS)大气近地面强迫资料,驱动美国国家大气研究中心公用陆面模式(Community Land Model,CLM3.5),对中国新疆地区土壤温度时空分布进行逐小时Off-line模拟(模拟时段为2009—2012年);利用国家土壤温度自动站(新疆区域105站点)数据验证CLDAS驱动场强迫下的CLM3.5模式在中国新疆地区3个土壤层(5cm、20cm和80cm)的土壤温度模拟能力。研究发现:在月变化方面,第1层(5cm)土壤温度模拟与实测值差异最大,在每年7月最大差异达5k左右;第2层(20cm)在每年7月达最大差异(3k左右),而第3层(80cm)在每年7月均模拟的很好。造成这种现象的原因可能因为新疆地区7月前后浅层土壤温度变化剧烈,温度白天最高可达300K以上,昼夜温差大,导致模式不能很好抓住浅层土壤温度的变化趋势。研究还发现,在80cm土壤深度,模式在1月、12月的模拟结果均较前两层差。在日变化方面,研究发现:较浅的两层(5cm和20cm)土壤温度模拟值在夏季和秋季均较差。与月变化模拟结果类似的是,80cm土壤层日变化在1、12月模拟较差,然而在其他时段却模拟的很好。在小时变化方面,分析发现:第1层土壤(5cm)模拟结果在每年的1—4月及9—11月的全天(即24 h),模式也会有不同的偏差:其中,在03UTC—21UTC之间主要表现为模式结果比观测结果偏高,而在日内21UTC—00UTC主要表现为模拟结果偏小。在每年的5—8月,全天模拟值都偏小,其中在09UTC达当日最大值。而距离第2层(20cm)处的土壤温度模拟值在大部分月份都偏差较小(-1K至1k之间),并在日内12UTC偏差达到当日最大值。研究发现,在土壤20cm处,模式模拟的最大值较观测值提前,而第3层(80cm)的土壤温度基本不受日内变化影响,表现较为平稳。造成这种影响的原因可能是因为新疆地区5—8月、9—11月为昼夜温差大,深层土壤温度较浅层土壤温度温差变化小,这也造成了模式对于浅层土壤模拟较深层差的主要原因。总体研究表明:CLDAS驱动场强迫下的CLM3.5模式可较为精确的模拟中国新疆地区多年平均土壤温度时空分布,并较为准确的反映中国新疆地区土壤温度的小时、日、月及年际的变化规律。模式浅温度模拟不好的原因可能与模式参数化方案及地表参数有关,后期将继续修正该问题。     

高寒草甸植物系统发育与AM真菌侵染的关系

测定了高寒草甸生态系统中17种常见植物根内AM真菌的侵染率,并将AM侵染率作为植物的一个功能特征,分析了其系统发育保守性。结果显示AM侵染率均无系统发育信号,其植物进化树中AM真菌侵染率的差异更多被最新分支节点所解释,而不是古老分支节点,说明高寒草甸生态系统中亲缘关系较近的植物,其AM侵染水平并不相同,不存在进化的保守性。系统报道了高寒草甸生态系统中植物系统进化发育与AM侵染间的关系,表明了植物系统进化与AM侵染间无显著关联。     

土壤增温、隔离降水及其交互作用对杉木幼苗细根生产的影响

为了揭示我国最重要的人工林树种杉木对全球变暖和降水格局改变的地下响应及其适应性,在福建省三明市陈大国有林场开展杉木(Cunninghamia lanceolata)幼苗土壤增温和隔离降水双因子试验,包括对照(CK)、土壤增温5℃(W)、隔离降水50%(P)和土壤增温+隔离降水(WP)4个处理,用微根管法探讨试验1a期间土壤增温、隔离降水及其交互作用对杉木幼苗细根生产量(以细根出生数量表征)的影响。双因素方差分析发现,土壤增温和隔离降水对细根总出生数量没有影响,但两者的交互作用则极显著。与CK相比,W细根总出生数量显著增加,而WP处理细根总出生数量则显著低于W处理和P处理。土壤增温、隔离降水与季节的重复测量方差分析发现,土壤增温×季节、隔离降水×季节对细根出生数量均有显著影响;与CK相比,W处理春季细根出生数量显著增加,P处理秋季细根出生数量显著增加,而WP处理夏季和冬季细根出生数量显著下降。土壤增温、隔离降水与径级的三因素方差分析表明,土壤增温×隔离降水×径级存在显著影响;0—1 mm径级细根出生数量W处理显著高于CK,但WP处理则显著低于W处理和P处理。土壤增温、隔离降水与土层的3因素方差分析表明,土壤增温、隔离降水与土层之间不存在显著的交互作用;仅在20—40 cm土层发现P处理细根出生数量显著高于CK。研究结果表明,土壤增温和隔离降水对杉木幼苗细根生产的影响存在显著的交互作用,这种交互作用还因不同的季节和径级而异。     

甘南尕海湿地退化过程中植被生物量变化及其季节动态

为探讨尕海湿地退化过程中植被生物量变化规律,以尕海泥炭沼泽和沼泽化草甸为例,采用定位样地调查方法,研究了不同退化程度湿地植被生物量的时空分布格局。结果表明,1)随着湿地退化演替,两类湿地植被地上生物量逐渐减小,泥炭沼泽未退化(PⅠ)、退化阶段(PⅡ)地上生物量依次为334.19,290.72 g/m~2,沼泽化草甸未退化(SⅠ)、轻度退化(SⅡ)、中度退化(SⅢ)地上生物量依次为378.40,308.07,261.21 g/m~2;地上生物量季节动态规律均为单峰型,8月中下旬达到峰值;同一湿地类型各退化阶段地上生物量绝对增长率(AGR)和相对增长率(RGR)在同一年份变化趋势基本相同,但不同年份间存在差异,而同一湿地类型不同阶段AGR和RGR的大小存在差异。2)地下生物量也随退化程度加剧显著减小(P0.05),PⅠ,PⅡ地上生物量依次为23081.46,12607.72 g/m~2,SⅠ,SⅡ,SⅢ地下生物量依次为4583.16,3008.63,1290.73 g/m~2;地下生物量季节变化均表现出愈接近生长季始末值愈大;地下生物量由土壤表层向深层显著下降(P0.05),总体呈"T"形分布,0—10cm土层,泥炭沼泽、沼泽化草甸地下生物量都最大,分别占各自总地下生物量50%和70%以上。3)尕海2类高寒湿地5—9月平均根冠比均表现未退化高于退化,根冠比季节动态为越接近生长季始末值越大,生长旺盛季值越小。     

水东湾海域浮游植物潮汐分布特征及其与环境因子的关系

2014年秋、冬两季,每个季节在大潮期和小潮期对水东湾海域浮游植物群落结构和环境因子进行了调查,共鉴定出4门57属134种。其中硅藻门42属106种,占浮游植物种类数的79.1%;甲藻门13属26种,占浮游植物种类数的19.4%;蓝藻门1属1种,占浮游植物种类数的0.8%;针胞藻纲1属1种,占浮游植物种类数的0.8%。优势种15种,主要为尖布纹藻Gyrosigma aluminatum、圆海链藻Thalassiosira rotula、中肋骨条藻Skeletonema costatum、丹麦细柱藻Leptocylindrus danicus和舟形鞍链藻Campylosira cymbelliformis等。4个航次共有种类数在18—40种,Jaccard种类相似性指数范围在0.200—0.404,多样性指数和均匀度平均值分别为2.60和0.60。秋季大、小潮期多样性指数差异较显著(P0.05),冬季细胞丰度、多样性指数和均匀度大、小潮期均无明显差异。浮游植物细胞丰度变化范围为0.95×10~4个/L—28.0×10~4个/L,平均为6.86×10~4个/L,平均丰度冬季小潮期(9.46×10~4个/L)秋季小潮期(7.56×10~4个/L)冬季大潮期(5.97×10~4个/L)秋季大潮期(4.44×10~4个/L)。主成分分析(PCA)表明:盐度和营养盐可能是影响水东湾海域生态环境的主导因子。对水东湾海域浮游植物群落结构与主要环境因子进行Spearman相关性分析,细胞丰度与盐度在秋季大、小潮期为负相关,在冬季大、小潮期呈显著正相关;与无机氮和磷酸盐在冬季大、小潮期呈极显著负相关,在秋季大、小潮期均无相关性。冬季小潮期水温与多样性指数、均匀度和细胞丰度均呈正相关;从测定结果来看浮游植物细胞丰度、多样性指数和均匀度与叶绿素a含量均无统计学意义上的相关性。     

城市土壤封闭对有机碳库影响的时空变化模拟

随着全球城市化的迅速发展,城市生态系统的研究日益受到关注。城市化过程引发的大面积土壤封闭,导致土壤功能退化,进而影响城市生态系统。通过构建城市封闭土壤碳循环模型,考虑土壤温度,水分,有效氮含量以及各项理化性质等影响土壤有机碳在封闭条件下分解的影响因素,模拟南京市1980年至2010年城市封闭土壤有机碳含量与土壤有机碳库的时空变化过程,揭示人工封闭对于城市土壤功能的影响。结果表明:南京市1980年至2010年封闭土壤的有机碳含量显著减少,2010年土壤有机碳含量的均值为6.7 g/kg,比开放土壤低54.7%。土壤有机碳含量较低的区域主要分布在快速城市化的地区。由于封闭土壤阻碍了土壤有机碳的来源,造成封闭土壤有机碳含量持续减少,1980年至2010年间城市土壤有机碳库的总量减少约0.32 Tg。城市封闭对土壤有机碳影响的时空变化模拟可为研究城市化过程中的生态环境效应与城市生态建设提供参考。     

紫色土坡耕地土壤属性差异对耕层土壤质量的影响

坡耕地是一个区域最易发生水土流失的土地利用类型,其严重的水土流失、面源污染和耕层退化现象直接威胁着坡耕地持续利用以及当地粮食安全、生态安全;耕层土壤质量对自然因素和人为耕作活动的影响较为敏感。以南方3个地点紫色土坡耕地耕层土壤质量为研究对象,从土壤属性角度,对比分析了重庆合川、江西兴国、云南楚雄不同耕层垂直深度土壤养分特征、土壤物理性质、土壤水库特征、耕作性能差异性及其形成原因。结果表明:(1)坡耕地耕层土壤有机质表现为云南楚雄(28.80g/kg)江西兴国(9.03 g/kg)重庆合川(8.80 g/kg);除全钾含量外,土壤全量养分和速效养分的含量表现为云南楚雄江西兴国重庆合川;坡耕地耕层速效养分垂直分布变化规律基本一致,主要表现为土壤速效养分主要在0—20 cm土层富集,而20—40 cm和40—60 cm土层无显著差异。(2)不同地点紫色土坡耕地耕层土壤物理性质差异明显,以重庆合川坡耕地土壤物理质量最差,表现为土壤砂粒含量60%、土壤容重最大(1.43 g/cm3)、土壤总孔隙度(45.97%)和毛管孔隙度(34.36%)最小;从坡耕地耕层土壤物理性质垂直变化特征看,耕作层(0—20 cm)优于心土层(20—40 cm)和底土层(40—60 cm)。(3)紫色土坡耕地耕层土壤初始入渗率以江西兴国坡耕地耕层最大(0.32 mm/min),而以重庆合川坡耕地耕层最小(0.19 mm/min);土壤稳定入渗率和平均入渗率均表现为云南楚雄重庆合川江西兴国;坡耕地耕层土壤最大有效库容以云南楚雄最好(873.311 t/hm~2),说明云南楚雄紫色土坡耕地耕层土壤具有较好的抵御季节性干旱能力;不同地点坡耕地耕层土壤总库容、死库容、兴利库容、滞洪库容、最大有效库容在垂直方向变化表现为耕作层(0—20 cm)大于心土层(20—40 cm)和底土层(40—60 cm)。(4)不同地点紫色土坡耕地耕层土壤抗剪强度和贯入阻力均呈现出相同变化规律,土壤抗剪强度表现为重庆合川(15.39 kg/cm~2)云南楚雄(14.74 kg/cm~2)江西兴国(10.66 kg/cm~2),而土壤贯入阻力值为重庆合川(424.83 k Pa)云南楚雄(252.50 k Pa)江西兴国(188.87 k Pa),这种土壤力学性能的变化说明重庆合川紫色土坡耕地耕层土壤具有较好抵抗剪切破坏的能力和较大耕作阻力。上述研究结果可为不同地点紫色土坡耕地耕层土壤质量诊断、坡耕地合理耕层评价提供理论依据和数据支持。     

雄安新区地表覆盖变化及其新区规划的生态响应预测

雄安新区是新近设立的国家级新区,如何在新区建设中坚持生态优先、绿色发展,是即将开展的新区规划必须考虑的问题。绿色生态规划离不开对规划区生态本底的清楚认识,离不开对规划结果的准确预判。因此基于2004、2015年的Landsat影像,采用遥感信息反演技术和RSEI遥感生态指数,评估了该区近11年来的地表不透水面、植被和水体三大覆盖类型的变化,并预测新区建设的生态效应及其对热环境的影响。结果表明,雄安新区近11年地表不透水面、植被和水体的面积虽互有增减,但变化强度都小于5%,总体开发强度不大,本底生态质量较好,稳中略升。定量分析表明,在该区的三大地表覆盖类型中,不透水面对区域生态和地表温度的影响最大。根据所获得的关系模型预测,新区的人口规划和面积方案将对区域生态质量和热环境产生影响,如果按新增不透水面面积占新区面积25%的比例来预测,它将使生态质量下降10%,地表温度上升1.1℃;但如果将不透水面比例控制在20%,则新区的生态质量反而上升3.6%,地表温度下降0.3℃。     

基于RS和GIS的干旱区内陆河流域生态系统质量综合评价——以石羊河流域为例

石羊河流域是河西走廊东段重要生态区,也是用水矛盾最突出、生态环境问题最严重的地区之一,对其进行生态系统质量的评价,可为干旱区内陆河流域的生态保护工作提供借鉴.依据生态系统质量概念,以统计数据、遥感数据和土地覆被数据为基础,从生态系统的3方面(生产力、稳定性和承载力)构建评价指数,基于非参数Kruskal-Wallis卡方(χ²)检验和熵值法确定指标权重,结合RS、GIS和SPSS软件对2000、2005、2010和2015年石羊河流域不同生态系统类型的质量及各指数进行综合评价及变化分析.结果表明: 2000—2015年,石羊河流域生态系统质量均值为57.76,呈现显著下降趋势,年降幅为0.72,空间分布呈上游优于中游、中游优于下游的状态;生态系统生产能力、稳定性和承载力均值分别为67.52、45.37、58.53,生产能力和稳定性小幅上升,承载力逐渐下降.就各生态系统类型来看,森林生态系统质量最高,年均值为78.12,年降幅最小,为0.28;其次是草地、农田和城镇生态系统,年均值分别为62.45、58.76、50.29;湿地生态系统质量最低,年降幅最大,达0.98.