黄土高原归一化植被指数与自然环境因子的空间关联性——基于地理探测器

植被对改善黄土高原脆弱的生态环境有着关键作用,系统研究黄土高原归一化植被指数(NDVI)空间分布和环境因子的空间关联性,可为新时代黄土高原植被高质量建设提供科学依据。以黄土高原2000-2017年年均植被NDVI为研究对象,选取气候要素、地形因素、土壤类型和植被类型等自然环境因子,运用GIS和地理探测器技术手段,在剔除土地利用类型发生变化栅格的基础上,研究黄土高原年均NDVI与环境因子的空间关联性,结果表明:2000-2017年黄土高原年均NDVI值在0.016-0.72之间,呈地带性分布,由西北部向东南部逐渐升高,大于0.3的区域占50.23%;2000-2017年黄土高原年均植被NDVI分布具有空间异质性,且在不同植被区、地貌区、土壤区和气候区中,NDVI空间分布的主要环境驱动因子具有差异性。年均降雨量对NDVI空间分布具有强解释力,是黄土高原85.20%的区域植被生长的主要制约因子;约12.01%的区域主要受土壤类型影响,为中等解释力,其余区域的植被生长主要受年均气温,日照时数或海拔影响。建议综合考虑不同环境条件下植被NDVI的空间分布与环境影响因子的空间关联性,明确不同区域中植被NDVI的环境制约因子,以制约因子定植,在防止土壤干燥化、贫瘠化的前提下,提高植被覆盖率和生物多样性,以期促进黄土高原植被建设高质量发展。     

陕北黄土丘陵沟壑区坡沟立地环境下幼苗的存活特征

幼苗是植被恢复演替的基础,在生态系统中具有非常重要的作用。为了探索黄土丘陵沟壑区坡沟立地环境下幼苗的存活特征,在陕西省安塞县宋家沟和纸坊沟流域设置15个固定样地进行定点动态监测,运用单因素方差分析法和系统聚类分析法对不同立地环境下的幼苗密度和幼苗存活率进行了分析。结果表明:1)不同坡沟立地环境下,幼苗存活特征差异明显,整体表现为阳坡幼苗密度较小而存活率较高,阴坡幼苗密度较大但存活率较低。2)细裂叶莲蒿(Artemisia gmelinii)、菊叶委陵菜(Potentilla tanacetifolia)、阿尔泰狗娃花(Heteropappus altaicus)等物种具有较高的幼苗存活率,在生存竞争中幼苗是以"质"取胜;而猪毛蒿(Artemisia scoparia)、中华苦荬菜(Ixeris chinensis)、阴行草(Siphonostegia chinensis)等物种具有较高的幼苗密度,在生存竞争中是以"量"取胜。3)同一物种在坡沟立地环境下表现出不同的存活曲线,不同物种在不同立地环境下也可呈现同一存活曲线;细裂叶莲蒿、菊叶委陵菜、长芒草(Stipa bungeana)、阿尔泰狗娃花、兴安胡枝子(Lespedeza davurica)等物种,幼苗不仅在雨季存活能力强且具有较强的越冬能力;猪毛蒿、香青兰(Dracocephalum moldavica)、臭蒿(Artemisia hedinii)等物种在雨季前幼苗存活能力较强,但冬季存活能力弱。4)坡面不同微环境下幼苗存活特征也存在差异,即微环境的改变在一定程度上影响着幼苗的生长、存活和越冬。因此,在黄土丘陵沟壑区应根据物种幼苗存活特性对幼苗进行适当的抚育管理,这将有利于幼苗的建植和植被更新。     

黄土高原丘陵沟壑区抗侵蚀植物叶表皮的生态适应性

采用叶表皮临时装片法研究了黄土高原丘陵沟壑区不同土壤侵蚀环境沟间地、沟谷地和沟间人工刺槐林地6种抗侵蚀植物叶表皮组成细胞的形态特征.结果表明: 沟间地抗侵蚀植物叶的上表皮气孔开度、气孔密度、气孔指数、气孔器长宽比可塑性、气孔器面积可塑性、表皮毛〖JP2〗密度和表皮细胞密度分别比沟谷地提高93.8%、66.8%、17.9%、36.4%、42.3%、199.4%和46.5%,下表皮分别提高90.4%、76.6%、9.8%、47.1%、43.9%、98.2%和50.1%;沟间人工刺槐林地叶上表皮各形态指标分别比沟谷地提高66.7%、20.5%、11.9%、37.9%、19.8%、113.1%和10.8%,叶下表皮分别提高106.7%、45.8%、11.9%、41.3%、21.2%、52.2%和28.1%.沟间地植物叶上、下叶表皮毛长度分别比沟谷地缩短58.8%和29.7%,表皮细胞面积分别比沟谷地减少40.3%和37.0%.沟间人工刺槐林地叶上、下表皮毛长度分别比沟谷地缩短25.0%和23.6%,表皮细胞面积分别比沟谷地减少22.2%和19.2%.抗侵蚀植物通过增加叶表皮气孔开度、气孔密度、气孔指数、气孔器长宽比可塑性、气孔器面积可塑性、表皮毛密度、表皮细胞密度和减少表皮毛长度、表皮细胞面积来适应较强的土壤侵蚀环境.     

宁南山区不同植被恢复措施的土壤养分效应研究

通过野外考察与室内分析,研究宁南山区不同植被恢复措施的土壤养分效应,结果表明：在宁南山区恢复植被能显著提高土壤有机质和速效氮、钾等营养元素的含量,降低土壤pH,增加土壤保肥性能;随林龄增加,土壤养分状况明显改善。植被对土壤的培肥改良是一种正向持续反馈机制,植被恢复时间越长,效益越显著。     

陕北丘陵沟壑区撂荒地自然恢复植被的组成结构与数量分类

采用样带调查与TWINSPAN分类等方法,对陕北丘陵沟壑区延安、安塞和吴旗174个撂荒地样方的物种组成、出现频率与盖度、及群落类型进行了统计与分类.植被组成结构的统计结果表明:该区自然恢复的植被几乎一半是由禾本科、菊科、豆科和蔷薇科的物种组成,北温带、旧世界温带、世界与泛热带分布成分占到总物种数近75%,且以中旱生、中生和旱生的草本类植物为主,具有典型的温带地面芽植物气候特征.植被的数量分类表明:调查样方基本包括了该区自然恢复的主要植被类型,延安、安塞和吴旗的植被在1年生草本群落到多年生蒿禾类草本群落阶段,依次均以猪毛蒿(Artemisia scoparia)、赖草(Leymus secalinus)、长芒草(Stipa bungeana)、达乌里胡枝子(Lespedeza davurica)、铁杆蒿(Artemisia gmelinii)、茭蒿(Artemisia giraldii)、白羊草(Bothriochloa ischaemun)等为主要优势物种构成的不同组合的植物群落,且这些物种具有较高的盖度和频度;但在植被演替后期,不同植被带及阴阳坡的演替方向却发生了明显的变化.以延安为代表的森林带,阴坡可形成黄刺玫(Rosa xanthina)、三角槭(Acer buergerianum)、辽东栎(Quercus liaotungensis)等为优势种的群落,阳坡可形成狼牙刺(Sophora viciifolia)、侧柏(Platycladus orientalis)等为优势种的群落;以安塞为代表的森林草原带,阴坡可形成黄刺玫、紫丁香(Syringa julianae)、虎榛子(Ostryopsis davidiana)等为优势种的群落,阳坡可形成白羊草(Bothriochloa ischaemun)、狼牙刺等为优势种的群落;而以吴旗为代表的草原带,阴阳坡植被分异不明显,为多年生蒿禾类草本群落.这些演替后期的灌乔优势物种均为高位芽植物,在阴坡为中生,在阳坡为旱生、中旱生,虽具有比较高的盖度,但分布仅仅是零散出现,并不是目前黄土丘陵沟壑区的主要植被类型.     

黄土丘陵区人工小叶杨生长空间差异及其土壤水分效应

小叶杨是黄土高原主要水土保持树种之一,但营造坡位和方式的不同,其生长的空间差异显著。研究表明,坡下部小叶杨平均地径、胸径、枝下高和冠幅等参数都明显优于坡中部和上部,以沟谷地带的小叶杨生长为基点,则坡下部、中部和上部的小叶杨的树高和胸径生长潜力分别为沟谷地带小叶杨的77.53%、34.88%、31.88%和75.59%、39.51%、33.36%;小叶杨(+沙棘)混交林,其林分的平均树高、地径、胸径及冠幅等生长参数都明显高于纯小叶杨林,混交小叶杨林比纯小叶杨林有更好的稳定性。小叶杨林地土壤水分变化规律:坡下>坡中>坡上,随坡位升高,其差值逐步增大;混交比纯林模式对深层土壤水分的消耗更大;在100～500cm土层的小叶杨林地普遍存在低于凋萎湿度的土壤干层,即使通过雨季降水的补充也难以恢复。     

黄土丘陵沟壑区不同植被类型土壤有效水和持水能力

以黄土丘陵沟壑区坊塌流域不同植被类型为研究对象,在野外调查的基础上,利用离心机法测定不同植被类型0—10、10—20 cm土层不同吸力下的土壤含水率,并利用Van Gennuchten模型对土壤水分特征曲线进行拟合,对比分析了不同植被类型不同土层土壤水分特征曲线、土壤水分有效性和持水性。结果表明:随着植被恢复的进行,不同植被类型土壤水分特征曲线出现了明显的差异,但是其斜率基本不变且不同植被类型0—10、10—20 cm土层土壤水分特征曲线都呈近似的"S"型;不同植被类型0—10、10—20 cm土层土壤有效水范围分别为22.65%—26.80%、23.97%—28.13%,除白羊草群落和刺槐林外呈现出多年生蒿禾类群落低于灌木群落而高于一年生草本群落的变化趋势;不同植被类型土壤持水能力在0—10 cm土层没有显著性差异,在10—20 cm呈现出多年生蒿禾类群落低于灌木群落而高于一年生草本群落,其中白羊草群落最大,刺槐林最低。刺槐林有效水分和土壤持水能力都较低,建议适当采取间伐并促进其近自然化恢复来实现土壤水分的可持续利用,尽量避免在阳坡缺水地区种植刺槐。对于研究地区土壤水分的可持续利用、植被恢复和科学合理的进行植被配置具有重要意义。     

黄土高原林草水土保持有效盖度分析

根据黄土高原缓德,延安、安寨和离石等地林、草地径流小区降雨侵蚀资料,对不同降雨和坡度下林、草地水土保持有效盖度进行了分析,建立了林地、草地水保持临界有效盖度与降雨坡度的关系式,在土壤和植被类型相对稳定的条件下,林、草地的有效盖度随着降雨和坡度的增大而增大,当临界有效盖度达到一定程度时,降雨和坡度的影响减弱;在其它条件相同时,同一水土保持作用所需求的有效盖度草地比林地大。并结合降雨频率分析,得出了林     

黄土高原区域生态综合研究:机理深化与方法拓展

黄土高原是我国生态环境最为脆弱的地区之一,同时也是我国大规模生态恢复的重点区域。经过数十年的治理,黄土高原生态环境得到显著改善,但一系列新的环境问题也随之出现,使得该区域大规模生态修复与治理的可持续发展成为当前的研究热点。为了对黄土高原生态系统演变规律和维持机制进行综合分析与探索,根据"十三五"国家重点研发计划《典型脆弱生态修复与保护研究专项指南》的要求,中国科学院生态环境研究中心牵头共10家单位联合申报了"黄土高原区域生态系统演变规律和维持机制研究"项目,通过了专业机构组织的评审,获准立项。对该项目的立项背景、总体目标、主要内容、研究方案等进行介绍。该项目的开展将对黄土高原生态修复的适宜性和可持续发展提供重要政策与决策支持。