基于长时间序列landsat数据的科尔沁沙地土地利用演变分析

以科尔沁沙地沙丘-草甸过渡带区域主要土地覆被类型为研究对象，以1987-2017年多时相Landsat TM/OLI遥感影像解译分类为基础，参考生态学植被演替研究方法，系统分析研究区30年来的土地利用/覆被动态演变规律，研究结果表明：（1）决策树法在复杂下垫面不同覆被类型的同步识别效果较好，所有影像分类精度均达到88%以上，分类效果较好，其中2017年分类精度最高为95.24%，达到了分类研究的要求；（2）研究区存在着"半灌丛-草甸地-灌丛"的植被结构特征，且整体表现为"南进北退"的变化趋势。结合土地利用动态度分析结果表明人类活动干涉下，研究区整体上遵循了半干旱区植被条件改善的一般规律，侧面反映该研究区域生态环境的持续不稳定性和脆弱性；（3）研究区覆被类型发生变化的总面积达到2623.59 hm²，总变化强度为63.76%。其中正向演替的比例为52.61%，以半灌丛面积的持续减小与沙地草甸面积的持续扩张为主要变化特征。但同时，半灌丛转为沙地的面积为184.95 hm²，表明以放牧为主的研究区同时发生着局部的逆行演变；（4）质心迁移结果反映了1987-2017年间，除人为影响较大的林地、草地以及耕地向北迁移外，其他植被类型的质心都有很明显的南迁，主要植被类型重心迁移距离依次由大到小为耕地 > 半灌丛 > 灌丛 > 沙地草甸 > 湿地草甸 > 林地。研究通过记录科尔沁沙地连续扩展的时空模式，展示了遥感-生态和时间序列影像在30 m分辨率下跟踪土地利用/覆被变化的潜力，为提高干旱半干旱区土地利用情况的动态监测效率，开展土地利用/覆被动态演变研究提供参考。     

基于SEM解析科尔沁沙地生境条件对植物群落的直接和间接影响

由于生态系统的复杂多样性,量化生境条件对植物群落形成及演替的影响是生态学研究中的难点。本文以位于西辽河流域东南位置的科尔沁沙地为研究对象,收集55个湿草甸斑块样品和278个沙丘斑块样品,在湿草甸-沙丘组合斑块和单一的沙丘斑块两种不同研究尺度下,利用混合型结构方程构建了能反映生境条件对植被群落直接和间接影响关系的模型,并采用偏最小二乘法对结构方程进行分析。结果表明:在湿草甸-沙丘组合斑块中,对于显著影响植被群落的直接因素,影响效果由大到小依次是土壤结构性能、土壤含水量和地下水位埋深,路径系数分别为0.607、0.230和-0.224;在单一的沙丘斑块中,对于显著影响植被群落的直接因素,影响效果由大到小依次是土壤结构性能、土壤含水量和土壤有机质(SOM)含量,路径系数分别为0.399、0.224和0.206;对比两种尺度的模拟结果可看出,当地下水位埋深对植物群落的直接效应显著时,会使SOM含量对植物群的直接影响效应变得不显著,但仍然可以通过影响土壤结构间接影响植物群落;坡度和高程对土壤质量的直接影响效应在两种尺度下是相反的,坡向的影响效果不显著;通过在结构方程模型中构建一个区域植被群落格局的形成型潜变量可以推断该区域植被演替的动态过程。     

基于Shuttleworth-Wallace模型的科尔沁沙地流动半流动沙丘蒸散发模拟

陆面蒸散发在气候调节和维持区域水量平衡中起关键作用.量化蒸散发及其各组分项,对深刻揭示干旱半干旱地区的生态水文过程具有重要意义.本研究基于科尔沁沙地流动半流动沙丘2017年生长季气象监测系统的原位监测数据,利用Shuttleworth-Wallace(S-W)模型对沙丘蒸散发进行模拟,在此基础上,对蒸散各组分进行拆分,并利用涡度相关对模拟蒸散发值进行验证.结果表明: 整个生长季模型模拟蒸散发值为308 mm,涡度相关实测值为296 mm,偏差较小,证明S-W模型适用于该地区的蒸散发模拟.蒸散发整体呈生长旺盛期>生长后期>生长初期,分别为192、71和45 mm,分别占总量的62.3%、23.1%和14.6%.日尺度上模型模拟值与实测蒸散发值一致性较高,模型模拟精度大体表现为: 晴天>阴天>雨天,且阴雨天模型模拟值较涡度相关实测值偏低.经拆分,土壤蒸发和植被蒸腾分别为176和132 mm,分别占总量的57.1%和42.9%,表明沙地水分利用效率较低.持续干旱和降水后,蒸散发规律明显不同,且土壤蒸发对降水的敏感性强于植被蒸腾.     

呼伦湖非冰封期与冰封期水化学特征变化研究

选取呼伦湖为研究对象, 利用Gibbs 图分析其主离子组成变化特征, 确定呼伦湖湖泊水体离子类型; 并对冰封期和非冰封期水化学分布特征进行研究。结果表明: 呼伦湖水化学类型为[C]NaⅠ 型水; 非冰封期内湖泊水体总溶解性固体(TDS)值为831.31 mg·L^–1, 低于冰封期冰下水体TDS 均值976.57 mg·L^–1; 电导率(EC)全年极值为2.120 ms·cm^–1 出现在冰封期内的冰下水体; 冰封期内, 冰下水体阴阳离子浓度是冰层中的10 倍以上; 对9 月份水体进行分层研究发现表层水各离子浓度平均值较下层偏大, 分层无明显规律; Gibbs 图显示湖水离子组成受蒸发作用, 与干旱区湖泊特征相似。     

基于稳定性氧同位素分析不同树龄小叶锦鸡儿用水策略

本研究以科尔沁沙地典型固沙植物小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)为对象,采用氧稳定同位素技术,比较了小叶锦鸡儿群落内3、5和9年生小叶锦鸡儿生长季内土壤水、降雨与植株木质部水的δ18O值关系,并利用多元线性混合模型定量研究了不同树龄小叶锦鸡儿用水来源;结合不同树龄小叶锦鸡儿土壤水分季节特征和根系分布分析用水来源变化原因;通过评价不同树龄小叶锦鸡儿与地区水分条件适应性,分析3种树龄小叶锦鸡儿的水分竞争关系,判断群落稳定性。结果表明:根系的分布决定了不同树龄小叶锦鸡儿对水分利用的范围和选择何种用水策略的可能性,水分的分布也一定程度上影响了小叶锦鸡儿的主要用水来源。生长季内30～80 cm土层是3年生小叶锦鸡儿主要水分利用层位;30～100 cm土层是5年生小叶锦鸡儿主要水分利用层位,其中80～100 cm土层贡献率所占较大; 0～30和100～160 cm土层是9年生小叶锦鸡儿主要水分利用层位。小叶锦鸡儿群落内,不同树龄植株之间不存在强烈的水分竞争,该地区小叶锦鸡儿群落较为稳定。     

基于Budyko假设的渭河径流变化归因识别

定量评价河川径流量变化特征,开展其归因识别研究是制定气候变化应对策略与合理利用水资源的基础。以渭河流域为研究区,采用Mann-Kendall趋势检验法、双累积曲线等方法分析渭河流域1958—2015年的气候、水文要素变化特征,采用基于Budyko水热耦合平衡理论的水量平衡法估算径流变化对各驱动因素的弹性系数,定量评价气候变化和人类活动对径流变化的贡献率。结果表明:渭河流域咸阳、张家山、状头站的年径流量呈显著减少趋势,径流深减少速率分别为:-1.520、-0.501、-0.322 mm/a。3个站控制流域面平均降雨量呈非显著性减少趋势,年潜在蒸散发呈非显著增加趋势。剧烈的人类活动如工农业用水、大规模水土保持措施的实施及退耕还林草等引起的下垫面变化是径流量减少的主要因素,渭河干流和泾河流域下垫面变化对径流减少的贡献率均超过了60%,降雨变化贡献次之,潜在蒸散发的影响最小。     

基于“源-汇”理论的生态型市域景观生态安全格局构建

生态型市域是随着我国生态文明建设不断深入而产生的一批以生态输出为己任,支撑区域乃至全国生态安全的重要生态型区域,该类区域景观生态安全格局的构建是协调域内社会经济与生态环境保护的基础。选取典型生态型市域张家口市,基于"源-汇"理论构建景观生态安全格局,划定不同保护重点的五大生态功能区,识别重点生态保护区、重点生态修复区和廊道系统,以此作为保障城市生态安全的基础,逐步形成"点-线-面"三位一体的立体保护体系,同时提出了生态安全格局构建的优先次序,为张家口市生态安全格局分步骤建设提供依据。研究结果表明,张家口市景观生态安全格局重点保护区缺失严重,缺失区域总面积达1555.77 km~2,占生态保护核心区面积的75.60%,重点生态修复区域比例较大,占全区面积的24.27%,生态廊道存在3个主要缺失区域,针对张家口市生态安全格局建设任务艰巨的现状,提出了分步骤建设的构建思路,即优先进行重点生态修复、重点生态保护缺失区域和生态廊道缺失区域建设,针对重点生态修复区域面积比例较大提出了分步修复的优先次序,即水域修复区林草水修复区林草修复区林水修复区水草修复区林地修复区草地修复区,并提出了优先建设冬奥会场及沿途生态廊道的思路,此外,为实现张家口区域生态系统的支撑作用,需在完成重点区域建设的基础上不断扩大生态保护范围。研究为欠发达生态型市域景观生态安全格局构建及生态环境保护体系建设提供了范例。     

荒漠草原不同雨量带土壤-植物-微生物C、N、P及其化学计量特征

降水作为关键性驱动因子深刻影响着荒漠草原生态系统养分循环过程。采用生态化学计量学方法,调查了荒漠草原不同雨量带土壤-植物-微生物C、N、P及其生态化学计量特征对降水格局的适应性规律。研究区不同雨量带土壤C、N、P随降水梯度的递减亦呈现递减趋势。平均土壤C∶N∶P比例为28.9∶2.7∶1,主要受到P元素控制。不同雨量带平均土壤MBC∶MBN∶MBP比例为108.6∶5.6∶1,表现出明显的C富集现象。不同雨量带平均植物C∶N∶P比例为117.4∶6.7∶1,表现为明显的C、N缺乏或P富集。降水为主的气候原因造成了研究区环境中P含量相对较高,并直接反映在了植物化学计量特征上。研究区土壤C和N之间具有极显著的正相关关系(P0.01),相关系数高达0.98。植物N和P之间具有显著的正相关关系(P0.05),相关系数为0.90。土壤N与植物C、P分别呈显著正相关和显著负相关(P0.05),相关系数分别为0.84和-0.82。降水在塑造荒漠草原生态格局以及驱动生态系统养分循环过程中发挥了关键性作用。     

无水分胁迫下行作物蒸发散与双涌源能量分配和交换关系

以内蒙古浑善达克沙地人工草地种植的行作物——青贮玉米为研究对象,将FAO-56的双作物系数法与双涌源能量平衡模型相结合,计算了太阳入射能量按叶面积指数（LAI）分配到两个涌源（冠层、土壤表面）的有效能量A_c和A_s、潜热通量λE_c和λE_s以及显热通量H_c和H_s.分析两个涌源在有效能量驱使下的潜热和显热通量相互作用.结果表明,1）在无水分胁迫条件下,冠层H_c与λE_c相互作用使冠层吸收微热平流,强化蒸腾作用,加大蒸腾量.蒸腾（以潜热通量表示）超过冠层有效能量的增量(λE_cⁱ-A_cⁱ).最大值出现在生长发育阶段LAI为0.6的7月15日到LAI为2.4 的8月9日之间,其平均值为4.32 MJ·m^-2·d^-1.2）无水分胁迫情况下,λE_s和H_s相互作用,除强湿润过程后的1~2 d外,其他各天土壤均以低于土壤表面有效能量的速率蒸发.蒸发强度取决于土壤表面有效能量消散为土壤潜热通量的百分比,这个百分比最小值出现在生长中期阶段,其平均值为11.5%;最大值出现在生长初始阶段,其平均值为51.9%.3）两个涌源潜热通量是蒸散过程中能量交换的主要成分,在生长发育、中期、后期阶段转换为两个涌源潜热通量的有效能量均占总能量的83%以上.     

内蒙古草原巴拉格尔河流域不同水体转化特征及环境驱动因素

内蒙古高原草原流域是我国内陆重要的生态屏障,水资源演化对该区域社会经济发展和生态环境保护具有重要意义。本研究选取巴拉格尔河流域为对象,于2018—2019年丰、枯水期采集降水、河水、浅层地下水共254份水样,测定其物理化学指标、δD和δ¹⁸O,运用同位素技术、数理统计和反距离权重法分析不同水体中稳定同位素的组成关系、时空变化及其影响因子,并结合氘盈余(d-excess)及同位素混合比公式,揭示不同水体的转换关系,识别其演化的环境驱动因素。结果表明: 研究期间,大气降水、河水、浅层地下水呈现δD、δ¹⁸O丰水期高、枯水期低的特征;草原流域不同水体时空转化的主要环境驱动因素为温度、海拔和地下水埋深,地下水δD、δ¹⁸O、河水δD与海拔均呈显著负相关;浅层地下水埋深小于10 m时,δD、δ¹⁸O变化大,大于10 m时则趋于稳定;大气降水的δ¹⁸O与气温呈正相关;丰水期氘盈余值高于枯水期,分布特征存在局部高值,流域自南向北呈减小趋势;丰水期降水对上游河水的补给率超过50%,河水对地下水的补给均在50%以上,在不同河段地表水与地下水的补排关系不同。