Testing parameter sensitivities and uncertainty analysis of Biome-BGC model in simulating carbon and water fluxes in broadleaved-Korean pine forests

生态过程模型的发展为研究者在长时间序列和区域尺度的研究提供了便利, 但模型模拟的准确性受到模型自身结构、模型参数估计合理性的影响。敏感性分析能够定量或定性筛选出对模型模拟结果影响较大的敏感参数, 是模型参数校准过程中的重要工具, 也是建模和应用的先决条件。该文以阔叶红松林为研究对象, 采用全局敏感性分析方法——傅里叶幅度灵敏度检验扩展法(EFAST)对Biome-BGC模型的生理生态参数进行了敏感性分析, 分别分析了红松(Pinus koraiensis)和阔叶树的净初级生产力(NPP)、蒸散(ET)对参数变化的敏感性。结果表明: (1)模拟红松NPP的不确定性高于阔叶树, 但二者的模拟ET的不确定性均较小。阔叶树的NPP和ET对生理生态参数的敏感性总体上都小于红松。(2)无论是红松、阔叶或其他植被类型, 模拟NPP均表现出对叶片碳氮比、细根碳氮比、比叶面积(SLA)和冠层截留系数的敏感性, 这4个参数的高敏感性主要是由模型自身结构所决定的, 与植被类型和研究地区的关系较小。对模拟ET而言, 细根与叶片碳分配比、新茎与新叶碳分配比和SLA均是影响红松和阔叶树ET的敏感参数, 但红松ET主要受参数与参数间的二阶或多阶交互作用的间接影响, 而阔叶树ET则主要是受到敏感参数直接效应的影响。(3)除了上述影响红松和阔叶树碳水通量的共性参数外, 诸如核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶中叶氮含量、叶片与细根周转率、所有叶面积与投影叶面积之比等也是对模拟结果有影响的重要参数, 但是其敏感程度随物种不同和研究区不同而不同, 所以这类参数可以根据具体情况进行参数本地化, 对于其他不敏感参数则可以采用模型缺省值。     

民勤绿洲边缘积沙带植物群落健康分析

甘肃河西走廊经过60多年的防沙治沙,在绿洲边缘形成了一条积沙带。其中,民勤绿洲边缘积沙带相对最典型、最完整。积沙带上的植被不仅是积沙带的形成因素,更是维持积沙带稳定的重要因素。从一定意义上说,积沙带上植被的健康状况,决定着积沙带的稳定性。为了分析积沙带上的植被状况,在民勤绿洲边缘积沙带上等间距设定了11条样线,通过60多个样方的植被调查,对民勤绿洲边缘积沙带上植物群落进行了健康序列分析。结果表明:民勤绿洲边缘积沙带上的植被普遍是不健康的,民勤绿洲边缘人工固沙林积沙带上的植被健康状况相对好于天然灌丛积沙带上的植被健康状况,乔灌混交林积沙带上的植被健康状况最差。民勤绿洲下游积沙带上的优势种植物柽柳严重枯死,健康状况最差,积沙带潜在风蚀活化的危险。农田弃耕后,沙区农田边缘防护林及其积沙带的保护是一个新的值得考虑的问题。     

城市扩张与耕地保护耦合对陆地生态系统碳储量的影响——以湖北省为例

城市扩张对生态系统的影响可以分为城市扩张对生态用地的直接挤占以及为补充城市扩张占用的耕地对生态用地二次挤占两个连锁的过程。以往的研究大多只关注城市扩张对生态系统的直接影响,忽略了城市扩张与耕地保护耦合的间接影响。针对这一问题,采用GIS空间分析方法和InVEST模型定量评估了2000年至2015年湖北省城市扩张与耕地保护耦合对陆地生态系统碳储量的影响。结果显示:(1)城市扩张与耕地保护耦合导致湖北省陆地生态系统碳储量减少40.90 Tg;(2)由城市扩张与耕地保护耦合导致的陆地生态系统碳储量的减少量中,耕地保护传导作用间接导致的占比31%。结果表明,城市扩张与耕地保护的耦合是导致生态系统碳储量减少的主要原因之一。忽视城市扩张通过耕地保护的传导作用对生态系统碳储量的间接影响,会导致城市扩张对陆地生态系统碳储量的影响被严重低估。     

滇西北高原湿地景观变化与人为、自然因子的相关性

人为活动的干扰与自然因子的变化共同作用于湿地生态系统,但两者对湿地生态系统作用的贡献率存在差异,目前尚缺乏进一步的研究。本研究基于面向对象分割和目视解译相结合的技术方法,研究了滇西北高原典型湿地纳帕海汇水区内28年来(1987—2015年)的湿地类型、分布及其空间格局的变化特征,并探讨其与当地人为活动的干扰(主要社会经济发展指标)、自然因子(主要气候因子)之间的相互关系。结果表明:(1)湿地总面积共计减少2456.46 hm~2,其中,原生沼泽、沼泽化草甸和草甸面积分别减少了1152.07,1257.72,202.74 hm~2,湖泊面积增加了156.07 hm~2;(2)湿地景观多样性发生显著变化,其中,斑块数量(NP)由1987年的221增加到2005年的299,随后减少到2015年的260;香农多样性指数(SHDI)由1987年的1.81增加到1999年的1.84,随后减少到2015年的1.75;聚集度指数(contagion index)由1987年的52.82减少到1999年的52.02,随后增加到2015年的53.49;(3)湿地分布面积和香农多样性指数与第一、二、三产业值,以及年均温度呈负相关,与降水量呈正相关;斑块数量、聚集度指数均与第一、二、三产业值,以及年均温度呈正相关,与降水量呈负相关;(4)社会经济发展主要指标对湿地面积和景观多样性指数变化的解释度为63.50%,气候因子对其的解释度为36.50%。整体上,人为活动的干扰是导致该区域湿地不断萎缩、景观多样性改变的关键驱动力。减缓人为活动对湿地生态系统的过度影响,是当地保护湿地资源、维护湿地生态功能的关键。     

北京市平原区土壤有机碳垂直分布特征

研究土壤有机碳垂直分布特征规律对精确测算土壤有机碳储量具有重要意义。通过野外调查实地挖取北京市平原区40个典型土壤剖面共169个样品数据,研究土壤有机碳垂直分布特征。结果表明:1)北京市平原区0—150 cm土壤平均有机碳含量为(5.98±2.62) g/kg,垂直分布上,随剖面深度增加土壤有机碳含量逐渐降低,且在浅层(≤60 cm)下降速度显著快于深层(60 cm); 2)各发生层次不同土壤质地的有机碳含量差异整体上均表现为粉粒及黏粒含量比例越高,即质地越黏重,土壤有机碳含量越高; 3)不同土体构型的平均土壤有机碳含量大小关系为通体砂通体壤上壤下黏夹黏,通体砂型土壤有机碳含量垂直变化相对平缓,上壤下黏型土壤有机碳含量在垂直方向呈"降-升-降"趋势,通体壤及夹黏型则均呈先快速下降后缓慢下降趋势; 4)耕地和园地土壤平均有机碳含量高于荒草地,耕地在整个剖面中土壤有机碳含量均居于三种土地利用类型之首,耕地和园地的土壤有机碳含量在0—20 cm和40—60 cm之间下降速度高达40.10%和55.92%,剖面深度超过60 cm后下降速度显著放缓,受人类活动直接影响相对较少的荒草地在垂直方向上变化相对平缓。     

青藏铁路西格段沿线不同植被恢复模式的生态效益

在青藏铁路沿线进行植被恢复不仅可以促进沙质土壤理化性质的改善,同时植物的防风固沙功能对铁路的安全运营起到了重要作用,具有显著的生态和经济效益。通过对青藏铁路西格段沿线5种不同类型恢复模式下土壤及植被的调查,分析不同恢复措施对林下植物多样性以及土壤理化性质的影响。结果表明:人工林恢复模式的地上生物量和生产力因林龄和林分配置不同而不同,小叶杨(Populus simonii)-柽柳(Tamatix chinensis)林生产力最高(1.92 t·hm-2·a-1),其次为柽柳纯林(1.87 t·hm-2·a-1);各模式均增加了林下植物的多样性,其中:沙棘(Hippophaer hamnoides)-柠条(Caragana korshinskii)林内有6科8属8种植物,柽柳纯林有7科9属10种,但不同模式下优势种不同。5种恢复模式均提高了土壤水分含量;人工灌木林在改善土壤碱化程度上比乔木林效果更好:沙棘-柠条林和柽柳纯林表层(0～20 cm)土壤pH分别降低了1.05和0.75; 5种恢复模式均提高了土壤有机质含量,并且表现出由表层向深层逐渐减小的"表聚"现象,柽柳纯林土壤有机质增加最为明显:表层含量达12 g·kg-1,比恢复前增加了近1倍。这一研究结果为青藏铁路沿线的沙漠化防治和植被恢复中恢复模式的选择提供了理论依据。     

中国东部森林最大总初级生产力的时空分布特征及其影响因子

生态系统碳循环对温度的响应是全球变化生态学的重要研究内容之一。总初级生产力(GPP)随着温度的升高而升高,在最适温下达到最大值(GPP_(max)),之后随温度的升高而保持不变甚至下降,因此GPP_(max)代表着最适温度下的植被光合潜力。然而,关于森林生态系统GPP_(max)的时空分布和影响因子仍不清楚。本文以中国东部南北森林样带(NSTEC)上的长白山温带针阔混交林、会同亚热带杉木人工林、千烟洲亚热带常绿针叶人工林、鼎湖山亚热带常绿针阔混交林和西双版纳热带季雨林等5种典型生态系统为对象,利用涡度相关技术分析森林GPP_(max)的时空规律及其主要影响因素。结果表明:在所有森林生态系统中,GPP对温度的响应模式均为单峰曲线,最适温下的GPP_(max)表现为长白山温带针阔混交林千烟洲亚热带常绿针叶人工林西双版纳热带季雨林会同亚热带杉木人工林鼎湖山亚热带常绿针阔混交林。在所有的站点中,温度是引起GPP_(max)空间变异的最主要因素,GPP_(max)随温度的增加而减少。此外,太阳辐射、降水和饱和蒸汽压差也显著影响GPP_(max)。在时间尺度上,对每个森林生态系统GPP_(max)年际变异的对比分析发现,温度是长白山温带针阔混交林GPP_(max)年际变化的主要控制因子,5 cm土壤含水量是影响会同、千烟洲和鼎湖山通量观测系统GPP_(max)年际变异的主要因子,未发现影响西双版纳热季雨林年际变异的主要因子。本研究有助于理解未来气候变暖背景下GPP的变化趋势,并为中国碳循环的准确模拟提供实验证据和参数依据。     

黔西北地区不同演替阶段植物群落结构与物种多样性特征

该文采用"空间代替时间"的方法,研究了贵州省威宁县喀斯特地区植被演替过程中的群落结构、物种组成、生活型谱和物种多样性的变化规律。结果表明:(1)该调查共记录到种子植物174种,隶属于52科117属,物种分布较多的有菊科、蔷薇科、禾本科、杜鹃花科、小檗科、唇形科、蓼科。(2)随着植被的正向演替,物种丰富度逐渐增加,群落结构趋于复杂,高位芽植物所占比例逐渐增大。(3)随着植被的恢复,群落层次分化逐渐明显,大径级植株所占比例呈现增加趋势。(4)随着植被的恢复,群落各层次的ShannonWiener多样性指数(H)、Simpson多样性指数(DS)、均匀度指数(J)和Margalef丰富度指数(DM)逐渐增加;不同演替阶段植物群落之间的Srensen相似系数呈现先上升后下降的趋势,Cody指数则表现为逐渐增加的趋势。黔西北地区不同演替阶段植物群落结构和物种多样性不同,建群种和关键种发生了明显变化,不同演替阶段植物群落结构和物种多样性的研究对喀斯特地区植被演替规律的认识和生态恢复具有重要意义。     

利用CRISPR/Cas9系统建立内生链霉菌SAT1的基因簇敲除体系

hyBl(hygB-like)基因簇是内生链霉菌SAT1中的次级代谢基因簇,经分析它与潮霉素B基因簇具有52%的相似性,可能在SAT1抑制栗疫菌(Cryphonectria parasitica)的过程中发挥主要作用。为了深入研究该菌的抑菌机制和hyBl基因簇的功能,以hyBl为目标,利用CRISPR/Cas9技术建立SAT1的基因簇敲除体系。在实验过程中,通过protospacer的筛选、敲除载体的构建、接合转移供体菌、Ca~(2+)和Mg~(2+)的选择以及接合时间等多个条件的探索,建立了SAT1的基因簇敲除体系。最终以E. coli ET12567(pUZ8002/pCRISPomyces2-CB)为供体菌,在MS培养基(含10 mmol Mg~(2+))上接合16-18 h,成功获得突变株SAT1△hyBl(缺失14 kb的hyBl基因簇)。突变株对栗疫菌的抑制带宽较野生株降低了77%,这说明该基因簇指导合成的次级代谢产物在抑制栗疫菌方面具有重要的功能。本研究证明了利用CRISPR/Cas9系统可以对内生链霉菌SAT1进行基因簇编辑,也为深入研究该菌的抑菌机制、基因工程法验证未知基因簇功能提供了良好的技术支撑。     

澳洲杨(大戟科)胚珠及其种子附属结构的个体发育研究

以澳洲杨的胚珠及其种子为材料,运用光学显微镜和电镜扫描的方法对其从胚珠发生直到种子成熟的个体发育过程和结构进行观察,同时与鸭脚西番莲的种子附属结构的发育过程进行对比研究。结果表明:(1)澳洲杨的珠孔类型为外珠孔类型,种子附属结构起源于珠孔而非珠柄,其为种阜,而非假种皮。(2)鸭脚西番莲的珠孔类型为内珠孔类型,种子附属结构起源于珠柄,并且最终将珠孔包被,其为真正的假种皮结构。通过种阜与假种皮的不同个体发育过程,建立了大戟科种阜与假种皮的不同发育模式,并对种子附属结构的生物学功能及其暗示的不同植物进化路径进行了讨论。