基于无人机低空遥感的荒漠植被覆盖度与归一化植被指数验证及其对水热梯度的响应

为了验证在荒漠地区MODIS-NDVI产品的精度以及为在气候变化背景下荒漠草地的科学管理提供依据,本文利用无人机低空遥感研究了干旱荒漠地区植被覆盖度(FVC)和归一化植被指数(NDVI)对水、热梯度的响应规律。在内蒙古阿拉善荒漠地区的100个样点采用GreenSeeker手持光谱仪获得NDVI值(NDVI_R),通过MODIS-NDVI数据产品提取每个样点的NDVI(NDVI_M),借助NDVI_R验证NDVI_M的精确度;通过无人机遥感手段获得每个采样点的FVC(FVC_U),利用像元二分模型反演每个样点的FVC(FVC_M),借助FVC_U验证FVC_M的精确度;并结合气象数据探讨基于无人机低空遥感的荒漠地区FVC和NDVI对水热梯度的响应。结果表明: MODIS-NDVI数据产品能够反映阿拉善地区的NDVI,精确度为84.2%,但比真实值高15.7%;FVC_M能够反映阿拉善地区的FVC状况,精确度为83.1%,但比真实值低14.8%;不同采集方式获得的NDVI受气象因子的影响程度不同,NDVI不仅受气温和降雨的影响,也受地温、蒸发量以及两者相互作用的影响,由于受大气影响程度不同, NDVI_M受地温、蒸发量、降水量的影响比NDVI_R大,NDVI_R受气温的影响比NDVI_M大。在阿拉善地区研究FVC随水热梯度的变化不仅要考虑降水量和气温,还应考虑蒸发量、地温以及气象因子之间相互作用的影响,其中,气温与降雨、蒸发量与地温以及气温与蒸发量之间相互作用对FVC_U的影响较大。     

荒漠土壤微生物量碳、氮变化对降水的响应

以腾格里沙漠东南缘的典型荒漠植被为研究对象,通过遮雨棚和滴灌系统设置5个降水梯度,即极端干旱处理、中度干旱处理、对照、增水处理I和增水处理II,研究了荒漠土壤微生物量碳(MBC)、氮(MBN)和微生物碳氮比(MBC/MBN)对季节、降水和土壤深度的响应规律,以期为极端降水事件影响干旱荒漠区土壤微生物量碳、氮及其循环规律的深入研究提供科学依据。结果表明:(1)MBC、MBN和MBC/MBN对降水处理的响应存在差异,三者的变化范围为:230.14-272.87 mg/kg,13.82-17.58 mg/kg,19.78-36.06。其中,降水处理对MBC、MBN的影响显著,对MBC/MBN的影响不显著,在极端干旱处理下,MBC、MBN均显著高于其他降水处理;(2)两年间的MBC、MBN和MBC/MBN差异显著,2017年较2016年MBC、MNB显著减少,MBC/MBN显著增加;(3)MBC、MBN和MBC/MBN变化均表现季节性差异,变化范围分别为:153.31-337.09 mg/kg,7.89-22.29 mg/kg,14.82-46.04,其中MBC、MBN为春季最高、秋季最低,MBC/MBN为夏季最低、冬季最高;(4)MBC、MBN和MBC/MBN在土壤0-20 cm的变化范围为:232.57-265.15 mg/kg,14.00-17.93 mg/kg,24.37-32.07,其中土壤表层(0-5 cm)MBC、MBN显著高于中层土壤(5-10 cm)和下层土壤(10-20 cm),而不同土壤深度的MBC/MBN差异不显著。因此,在极端降水事件频发的全球气候背景下,极端干旱将影响荒漠生态系统MBC、MBN水平,进而对碳、氮平衡和循环过程产生影响,对这一问题的确切回答尚需长期系统监测研究。     

荒漠人工固沙植被区土壤水分的时空变异性

表层土壤水分具有高度的时间和空间变异性.研究的目的:(1)揭示沙坡头人工固沙植被区浅层土壤水分的时空变异性特征;(2)确定驱动土壤水分变异的主要环境因子.在人工固沙植被区内一个4500m2的网格样地上每隔10m设置取样点,在连续7个月的时间内 (2005年4～10月),每隔15d用时域反射仪测量各样点表层以下15cm和30cm深度的土壤容积含水量.结果表明,该区网格尺度上浅层土壤水分的分布具有明显的空间变异性,其变异性随着土壤水分含量的降低而减小;相对海拔是驱动土壤水分空间变异的主要环境因子,其作用在降雨后尤为显著,且其对土壤下层的影响比上层更明显;植被和土壤水分含量的相关性时间序列与相对海拔一致--降雨使其相关性增加;土壤质地(土壤粒径分布)和土壤水分含量的相关性时间序列特征与植被和相对海拔相反,且其对土壤上层的影响比下层更明显.因此,在沙坡头荒漠人工固沙植被区,降雨后的短暂湿润期,地形和植被是驱动浅层土壤水分变异的主要影响因子,而随着降雨之后土壤逐渐变干,土壤质地的影响变得更加明显.     

民勤荒漠植物枝系构型的分类研究

荒漠植物的枝系构型因素包括各级分枝角度、各级分枝长度、枝径比、逐步分枝率和总体分枝率、分枝分维数和计盒维数等16个指标。采用组内欧式距离法进行聚类,把荒漠植物依构型指标分为4个类型：第一类型包括霸王（Zygophyllum xanthoxylum）、黄刺条（Caragana frutex）等14种荒漠植物;第二类型包括秦晋锦鸡儿（C．purdomii）、荒漠锦鸡儿（C．roborovskyi）等11种荒漠植物;第三类型包括网状沙拐枣（Calligonum cancellatum）、黄花草木樨（Melilotus suaveolens）等9种荒漠植物;第四类型包括扁果木蓼（Atraphaxis replicta）、洋白蜡（Frawinus amerirana）等14种荒漠植物。不同的枝系构型类型反映了不同荒漠植物对于空间资源与环境的长期适应对策。     

石羊河下游白刺灌丛演替过程中群落结构及数量特征

白刺灌丛(Nitraria tangutorum Bobr.)是在石羊河下游存活面积最大的天然植被类型,研究不同演替阶段白刺灌丛群落的结构和数量特征可为该区白刺群落保护与恢复提供科学依据.根据白刺灌丛生长及其生境状况,在石羊河下游选择了初期发育、稳定、衰退、严重衰退的群落,研究了各演替过程中各阶段的群落物种组成、生活型谱,群落盖度、群落物种多样性及各演替阶段群落的相似性特征.结果表明,从初期发育阶段到稳定阶段的群落物种数量明显减少,而从稳定阶段至严重衰退阶段的演替过程中群落物种是逐渐增加的.在整个演替过程中,1年生植物所占比例逐渐增加,至严重衰退阶段时1年生植物所占的比重高达80％.不同演替阶段群落盖度最高、最低值出现的月份也不相同,5-10月群落盖度的平均值为稳定阶段＞初期发育阶段＞衰败阶段＞严重衰败阶段.各演替阶段多样性Simpson、Shannon-Wiener指数以及Pielou均匀度指数5-10月均呈现波动变化特征,Simpson、Shannon-Wiener指数大小顺序均表现为初期发育阶段＞严重衰退阶段＞衰退阶段＞稳定阶段,而均匀度Pielou指数为衰退阶段＞严重衰退阶段＞稳定阶段＞初期发育阶段.各演替阶段群落之间的相似性均较低,演替序列越相近,相似性系数越高.     

降水控制对荒漠植物群落物种多样性和生物量的影响

在全球气候变化背景下,干旱和极端降水事件将对荒漠区植物群落物种多样性和生产力产生深远影响,研究植物群落应对降水变化的响应机制对于荒漠生态系统的科学管理具有重要意义。通过人工增减雨措施利用遮雨棚和滴灌技术对研究区的降水量进行人为调控,探究极端干旱、干旱和降水增加等条件对荒漠植物群落物种多样性和生物量的影响。结果表明:经过一年的降水控制处理,发现灌木和草本层片物种多样性指数在极端干旱、干旱和降水增加等试验处理中差异不显著;灌木的生物量对不同降水控制条件的响应也不显著,而草本层片地上生物量对降水变化的响应最为明显,并随着降水量的增加呈线性增长趋势,极端干旱处理(D1)条件下草本生物量为(10.54±2.36)g/m~2,当降水增加50%(W1)后,草本生物量可达到(105.69±28.60)g/m~2;草本地上生物量与土壤浅表层(40cm)的含水量之间显著相关(P0.05),草本层片生物量与短期(一年)降水波动显著相关。通过定位控制试验进一步探究长时间序列降水变化如何作用于荒漠植物群落特征,研究结果对全球气候变化背景下荒漠生态系统响应机制方面的研究提供数据和理论支撑。     

荒漠生态系统磷循环及其驱动机制研究进展

磷(P)循环在维持荒漠生态系统的生物多样性水平、结构和功能的稳定性、元素的动态平衡,以及荒漠自然资源的可持续利用方面有重要作用。通过查阅国内外有关P循环的文献资料,发现当前国内尚缺乏针对荒漠生态系统P循环的系统研究,特别是P循环的生物和非生物驱动机制。综述了荒漠生态系统P的输入-输出过程,植物对P的吸收转运机制以及对P循环的作用,生物土壤结皮(BSC)有机分泌物对P循环的贡献,以及荒漠生态系统P循环过程对气候变化的响应机制等。文末展望了荒漠生态系统P循环的一些重要研究方向和亟需解决的科学问题,包括(1)P在荒漠生态系统中的存在形态、分配及动态平衡;(2)土壤微生物对荒漠植物获取土壤有效P的驱动作用;(3)入侵植物对P循环的影响与潜在生态风险评估;(4)利用分子生物学和基因组学手段揭示真菌-荒漠植物根系系统P循环的基因调控机制;(5)微生物分泌物、土壤磷酸酶类(包括磷酸单酯酶、磷酸二酯酶和三磷酸单酯水解酶)和作用于含磷酸酐和N—P键的酶对土壤P循环的调控;(6)气候变化(干旱、高温和降水节律变化等)如何影响P的生物和非生物转化过程;(7)基于同位素示踪和生态化学计量学理论解释荒漠生态系统...     

柠条锦鸡儿生物量分配规律与异速生长对氮、磷添加的响应

氮（N）和磷（P）元素在生态系统的结构和功能、稳定性、服务价值和可持续发展中起着关键作用。但自工业革命以来，全球气候变化受人类活动影响愈加剧烈。气候变化不同程度的影响干旱和半干旱区的氮磷循环过程，进而改变植物个体生物量积累以及植被生产力。因此，探究荒漠植物的生物量积累与分配规律对氮、磷添加的响应机制，有助于深入理解干旱区植物应对大气氮磷沉降等气候变化的适应策略。以荒漠植物柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii Kom.，以下简称柠条）为研究对象，通过养分添加控制实验研究柠条地上/地下生物量的积累和分配，揭示其异速生长规律。实验包括3种形态的氮素添加（NH₄⁺、NH₄NO₃、NO₃^-）和1种磷素添加（H₂PO₄^-），分别对应4个浓度梯度（4 g/m²、8 g/m²、16 g/m²和32 g/m²）。结果表明，NO₃^-添加对柠条生物量有显著影响，但不同浓度对柠条生物量的影响无显著差异；单独的NH₄⁺添加对柠条地上/地下部分生长都具有显著抑制作用，且抑制作用与添加浓度呈显著的正相关关系；NH₄NO₃添加初期对柠条地上/地下生物量均具有促进作用，但这种促进作用会随着柠条生长和后期NH₄NO₃添加浓度的增加而消失；高浓度NH₄NO₃添加量（32 g/m²）会抑制柠条的生长。低浓度（4 g/m²、8 g/m²）外源氮添加会使柠条的生物量主要优先配给地下部分；磷添加则会使柠条的生物量分配策略向地上部分倾斜。综上所述，研究结果表明柠条改变地上和地下的生物量分配策略以响应氮或/和磷沉降。这一结论不仅增强了我们对植物生长策略的认识，而且有助于我们揭示全球气候变化条件下干旱地区土壤与植物之间的氮、磷循环和转化。     

白刺器官间非结构性碳水化合与C：N：P计量比的关联性

为了探明荒漠生态系统优势种白刺的生存和生长策略,以便更好地服务于退化生态系统恢复及荒漠化治理。根据空气相对湿度选取阿拉善地区3个典型白刺群落样点,研究白刺根、茎、叶中非结构性碳水化合物（NSCs）的积累及分配和碳：氮：磷（C：N：P）计量比特征的变化,并分析相应区域的土壤有机质、全N、全P含量。结果表明：（1）随干旱程度加剧,白刺根、茎、叶中NSCs绝对含量减小,可溶性糖先增加后降低,淀粉先降低后增加;白刺叶片中N、P含量先增加后降低,C：N和C：P先降低后增加,在最为干旱的Plot3样点叶片N：P>16。（2）在Plot1样点,器官间根系可溶性糖显著高于茎干和叶片,根系淀粉含量显著低于茎干和叶片,在Plot3样点叶片可溶性糖含量显著高于茎干和根系,根系中淀粉含量显著高于叶片和茎干;白刺根、茎全C含量显著高于叶片,叶片N含量显著 > 根系 > 茎干;在Plot1和PLot2样点叶片P含量显著大于根系和茎干,在Plot3样点根系 > 茎干 > 叶片。（3） NSCs及构成与C：N：P计量比间关系表明叶片N、P含量与茎、叶可溶性糖含量正相关和淀粉含量负相关,根中P含量与根中淀粉含量正相关和可溶性糖含量负相关。以上结果表明,随干旱加剧白刺的生长受到水分和P的双重限制,白刺通过调整器官间NSCs积累及分配和提高N、P利用效率的策略来适应干旱生境,P含量的变化影响器官间可溶性糖和淀粉的相互转化,对NSCs构成和含量的波动起着调节作用。     

腾格里沙漠不同组成生物结皮特征及其对土壤酶活性的影响

生物结皮在干旱半干旱地区生态系统中起着重要的作用。目前,有关生物结皮的存在对土壤酶活性的影响已有大量研究,而对生物结皮基本特征对土壤酶活性的研究较少。以流沙为对照,研究了不同组成生物结皮(藻结皮、地衣结皮、地衣-藓结皮、藓结皮)中以结皮厚度、叶绿素a含量、胞外多糖、胞外蛋白质及结皮中养分为特征的变化规律及其对结皮下土壤酶活性的影响。结果表明：(1)不同组成生物结皮的结皮厚度、叶绿素a、胞外多糖、胞外蛋白质、C、N、P、C/N、C/P、N/P的变化范围从藻结皮到藓结皮分别为：2.28—8.29 mm、1.79—8.05μg/cm~2、14.60—20.43 mg/kg、13.16—19.37 mg/kg、5.54—51.42 g/kg、0.44—3.36 g/kg、0.23—0.54 g/kg、9.62—15.32、24.07—94.98、1.92—6.23,且上述结皮特征均沿着藻结皮、地衣结皮、地衣-藓结皮、藓结皮方向显著增加(P<0.001),但胞外多糖和胞外蛋白质在地衣结皮、地衣-藓结皮和藓结皮间无显著差异(P>0.05);(2)相比于C和N,结皮的P含量具有较小的变异...