中国西北干旱区蒸散发时空动态特征

利用MODIS ET数据集中2000—2014年的地表实际蒸散发量产品,运用变异系数、Theil-Sen median趋势分析与MannKendall检验和Hurst指数法,研究了中国西北干旱区蒸散发的空间格局、不同维度的空间异质性和时间变化特征及未来趋势预测。结果表明:(1)2000—2014年全区蒸散发量总体较小,蒸散发量小于200 mm的区域占总面积的38.329%。在空间上ET自山区向两侧平原减少,不同土地覆盖的ET大小为:林地农用地草地稀疏植被。受降水和土地覆盖的综合影响,ET的高值区(400 mm)主要在降水丰富的山区林地和草地,而低值区(200 mm)主要在降水较少的平原稀疏植被区和草地。(2)近15年全区蒸散发变异程度不明显,以相对较低的波动变化为主。各亚区内波动较低区域的比例为:北疆天山祁连山内蒙西部河西走廊南疆。(3)15年间全区年均蒸散发量呈波动变化,总体有微弱的减小趋势,变化率为-0.9348 mm/a。基于像元尺度的分析也表明全区ET以减小的变化趋势为主,但各亚区的减小程度各异:天山内蒙西部河西走廊北疆祁连山,仅南疆有增加趋势。(4)全区ET的Hurst指数均值为0.689,Hurst指数大于0.5的范围所占比例为80.033%,未来全区蒸散发的变化趋势以持续性减小为主。其中22.003%区域的变化趋势无法确定。未来各亚区ET的减少趋势为:内蒙西部天山河西走廊北疆祁连山南疆。     

影响阜康荒漠-绿洲过渡带荒漠植物数量特征的土壤驱动力分析

荒漠-绿洲过渡带是绿洲向沙漠系统的过渡地带,荒漠植物是绿洲扩展或荒漠化加速的缓冲器,土壤环境是影响植物演变的重要影响因素,土壤环境因素是整个过渡带演化的重要驱动力。通过对阜康荒漠-绿洲过渡带荒漠植物群落实地调查,利用通用植物数量分析软件CANOCO 5.0中冗余度分析(RDA),探讨过渡带影响荒漠植物群落数量特征指标的土壤驱动因子。结果表明:(1)土壤含水量、全N、全P和有机质是影响荒漠植物群落数量特征的主要驱动力因子,环境解释量累计达到69%,而总盐、p H和全K对荒漠植物群落数量特征影响较弱;(2)4个土壤主要驱动力对荒漠植物群落数量特征重要性大小顺序:土壤含水量有机质全N全P;(3)荒漠植物群落数量特征与土壤含水量、有机质和全P呈正相关,但与全N为负相关关系,揭示了土壤含水量、有机质和全P是利于荒漠植物群落稳定的正驱动力,而全N为抑制荒漠植物生长的负驱动力。综上所述,土壤各因子的驱动力作用不尽相同,存在正、负差异,协同维护荒漠植物群落数量特征的稳定和发展。     

基于物候特征的盐渍化信息数据挖掘研究

盐渍化是影响植被和作物长势的重要因素,精确反演盐渍化的时空分布信息至关重要。基于MOD13A1-NDVI数据反演生长季开始日期(SOS)、生长季结束日期(EOS)、生长季长度(LEN)等物候参数和计算出能高精度反演盐渍化空间分布的多种植被指数、盐分指数、地形指数、干旱指数等参数后作为BP-ANN人工神经网络的输入因子来反演盐渍化信息,同时按照植被类型和地貌类型进行分区来反演盐渍化信息,以探讨盐渍化受植被和地貌类型的影响。主要结论如下:(1)盐渍化的形成受多种因素的影响,与物候参数大多呈非线性关系,不能单纯的以某拟合公式来进行表达,需要借助人工神经网络超强的非线性拟合能力来反演盐渍化信息。(2)通过深入挖掘植被物候信息,在融入物候参数后的反演精度显著提高。可决系数R2从0.68(非物候参数)增加到0.79(包括物候参数),但是需要加入地形、影像数据和土壤水分等方面的信息来更加精确的反演盐渍化信息。生物累积量指标LSI(Large seasonal integral)和SSI(Small seasonal integral)能够很好的表征盐渍化的信息。(3)划分植被类型后的盐渍化提取精度进一步提高,可决系数R~2达到了0.88。(4)以地貌特征作为类型分区后,反演结果的R~2达到了0.85,精度较高,比以植被类型作为分区的精度略小。高程较低区域的盐渍化现象普遍较重,盐渍化程度受到地形和地貌因素的影响显著。(5)农用地区域多为非盐渍化和轻度盐渍化地,稀疏植被区多为重盐渍化地。研究区的非盐渍化和轻盐渍化地、中盐渍化地和重度盐渍化地比例分别为53.42%,13.71%,32.87%。以上的研究结果提出了一种融合物候信息和非物候参数来反演盐渍化信息的方法,进行深入的协同植被物候监测盐渍化信息方面的数据挖掘,在融入了物候参数后,盐渍化的预测精度显著提高。     

不同水盐梯度下功能多样性和功能冗余对荒漠植物群落稳定性的影响

功能多样性和功能冗余是物种多样性的两个组成部分,也是影响群落稳定性的两个重要因素。基于不同水盐梯度下植物功能多样性、功能冗余、物种多样性和群落稳定性及其相关关系的计算结果,分析功能多样性和功能冗余对群落稳定性的影响,结果表明:(1)功能多样性、物种多样性和群落稳定性均表现为高水高盐和中水中盐群落显著高于低水低盐群落(P0.05);(2)高水高盐群落,功能多样性与物种多样性的相关系数小于功能冗余与物种多样性的相关系数,且功能多样性与稳定性的相关系数也小于功能冗余与稳定性的相关系数,而中水中盐和低水低盐群落的相关系数则呈现相反的规律;(3)中水中盐和低水低盐群落的功能多样性的标准化偏回归系数均大于功能冗余的标准化偏回归系数;(4)典范对应分析中,土壤含水量可以解释总特征根的22.7%,而土壤含盐量仅可以解释总特征根的1.3%;(5)高水高盐群落的稳定比最接近20/80,稳定性最高;低水低盐群落远离20/80,稳定性最低。改进后的Godron稳定性测定方法与物种种群密度变异系数方法得出的结果相同。综上可知,功能多样性和功能冗余两者中与物种多样性关系更为密切者对群落稳定性的影响也越大,且两者均可提高群落稳定性,也就证明冗余假说在温带干旱荒漠区域的隐域性植物群落中是成立的;群落稳定性、功能多样性、功能冗余及物种多样性主要是受土壤含水量的影响,土壤含盐量对其影响较小。     

塔里木河上游土地利用变化中的生态价值损益分析

利用1990和2000年2期TM影像,对塔里木河上游典型绿洲的土地利用面积变化进行了研究,在土地利用变化背景下,通过货币化生态服务功能,揭示塔里木河上游典型绿洲生态价值的变化。研究表明,1990~2000年研究区土地利用变化显著。农田、居民点、盐碱地大面积增加,草地、林地、水域、湿地都有不同程度的减少;10年间研究区生态价值为负增长,减少了1.055×109元,由于土地利用变化而造成的生态价值损失巨大,而国民生产总值增加了3.652×109元。不顾生态环境的损失,盲目追求经济的增长,最终无法实现经济与社会的最大效益。评估区域生态价值,并将其纳入区域环境与经济综合核算体系意义重大。     

基于盐分梯度的荒漠植物多样性与群落、种间联接响应

土壤盐分是影响干旱区荒漠植物群落动态的决定因素之一。基于样方调查和不同土壤盐分梯度下植物多样性指数及群落与种间关联的计算结果,分析干旱区荒漠群落植物多样性、群落联接性和种间关联对土壤盐分梯度的响应动态。结果表明,在土壤盐含量为0.03%-0.55% (S1)、0.61%-1.24% (S2)和1.41%-1.79% (S3)的盐分梯度上,(1)随土壤盐含量升高,群落生活型结构改变,草本比例减少,乔木比例增加;(2)植物多样性指数随土壤盐分增加而下降,低盐分梯度下,二者极显著正相关(P<0.01),中盐梯度下二者间呈部分显著负相关(P<0.05),高盐梯度下则转为以正相关为主(P>0.05);(3)群落联接性随土壤盐分梯度转变,在0.61%-1.24%的中度盐含量时正联接性最强(VR=1.89),高盐度含量下群落转为不显著的负联接,稳定性降低;(4)沿盐分升高梯度,种间的负相关种对数增加,正相关种对数减少,种间关联(相关)强度提高,正负相关种对比(PNR)与多样性指数呈显著正相关(P<0.05)。综上可知,干旱区荒漠植物多样性在土壤盐含量达到1.41%-1.79%水平时总体显著降低;土壤盐分水平显著影响植物群落和种间联接性,种间互利性随盐分梯度增加下降,物种趋于独立分布,并最终导致荒漠植物多样性降低。     

2008-2014年新疆艾比湖流域土壤水分时空分布特征

传统的土壤水分模拟研究难以从土壤水分变化的时空双向出发表达其连续演变的过程,存在时空尺度效应问题。借助SWAT模型模拟的长时间序列优势,结合高分辨率卫星影像和遥感技术,力图在时空尺度效应问题上取得突破。并利用长时间序列的模拟结果分析流域土壤水分的空间格局和不同维度时空异质性。结果表明：（1）2008-2014年间艾比湖流域土壤水分主要受气温、降水及人类活动影响,呈波动变化,总体偏低且具有逐年减小趋势。（2）受降水、地形及土地覆被影响,土壤水分分布呈现出由山区向两侧平原减少的特点,且林地 > 农用地 > 草地 > 稀疏植被。（3）近10年间土壤水分低值区由原来的北部山区及平原向东部、东南部平原区及南部山区迁移,东部减少最为明显。（4）流域四季土壤水分变化差异显著。其中,春季主要受融雪影响;夏季、秋季主要受降雨量和气温影响;冬季主要受固态降雪和气温影响;且不同年份、相同季节、相同子流域土壤水分变化趋势表现一致。     

天山林区不同类型群落土壤氮素对冻融过程的动态响应

季节性冻融过程对北方温带森林土壤氮素的转化与流失具有重要影响,但不同类型群落对冻融过程响应的差异尚不明确。通过在林地、草地、灌丛上设置系列监测样地,采用原位培养的方法,利用林冠遮挡形成的自然雪被厚度差异,监测分析了冻融期天山林区不同群落表层土壤(0—15 cm)的氮素动态及净氮矿化速率间的差异。结果表明:(1)不同类型群落土壤的铵态氮(NH+4-N)含量、微生物量氮(MBN)含量基本与土壤(5 cm)温度呈正相关,深冻期林地土壤铵态氮含量低于其他群落类型而硝态氮含量高于其他群落类型;(2)硝态氮(NO-3-N)为天山林区季节性冻融期间土壤矿质氮的主体,占比达78.4%。灌丛土壤硝态氮流失风险较大,融化末期较融化初期灌丛土壤硝态氮含量下降了64.6%;(3)冻融时期对整体氮素矿化速率影响显著,群落类型对氨化速率影响显著;(4)天山林区土壤氮素在冻结期主要以氮固持为主。通过揭示不同类型群落土壤氮素对冻融格局的响应,能够助益于对北方林区冬季土壤氮素循环的认识。     

干旱荒漠区植物生态位对水盐的响应

全球气候变化对生态系统功能的影响决定着种群地位和群落演替,由于干旱区的特殊性成为研究生物响应环境变化的热点地区。为探索艾比湖流域荒漠区植物生态位对土壤水盐梯度的响应,在研究水、盐含量和植物生态位特征的基础上,应用变系数模型,分析了土壤水盐梯度下的群落组成和生态位响应趋势。结果显示:(1)随土壤水盐梯度的降低,艾比湖流域群落的物种组成呈倒"V"型分布,说明土壤水盐交互作用影响着植被分布和群落类型。(2)高水盐环境下,胡杨(Populus euphratica)、琵琶柴(Reaumuria soongorica)和梭梭(Haloxylon ammodendron)等生态位宽度值(B_i)较大,柽柳(Tamarix ramosissima)、骆驼刺(Alhagi sparsifolia)和甘草(Glycyrrhiza uralensis)等B_i较小;中水盐环境下,白刺(Nitraria schoberi)和琵琶柴的B_i较大,铃铛刺(Halimodendron halodendron)、甘草和盐节木(Halocnemum strobilaceum)的B_i较小;低水盐环境下,梭梭、花花柴(Karelinia caspica)和琵琶柴等B_i较大,盐节木的B_i较小;说明土壤水盐环境和物种生态学特性是影响B_i的重要因素。(3)物种水平上,B_i较大的种群与其他物种的生态位重叠(O_(ij))一般较大,但B_i较小的物种间的O_(ij)不一定小(例如:高水盐土壤环境下柽柳和骆驼刺的O_(ij)为1);群落水平上,B_i与O_(ij)具有一定的正相关性;说明由于资源纬度的相似性增大了低B_i物种间的O_(ij),并且B_i和O_(ij)由物种向群落尺度转换时,两者之间的关系存在冗余。(4)土壤水盐梯度与群落生态幅呈现一种非线性相关特征,高水盐格局对群落B_i有一定的促进效应,而低水盐模式对B_i具有一定的限制作用,表明土壤水盐的协同效应影响着物种在群落的地位,并在一定程度上决定了群落向正负两极演替的方向。     

荒漠杜加依林冠层水热变化及CO2交换特征

选取新疆艾比湖湿地国家级自然保护区荒漠杜加依林为研究对象,利用通量塔连续观测数据分析新疆艾比湖流域内杜加依林冠层界面水热垂直变化和CO_2交换特征,进一步比较了冠层界面湍流碳通量、植物冠层储存碳通量及净碳交换量,探讨了不同时间和垂直空间序列下杜加依林冠层界面温湿廓线与CO_2交换过程的相互关系。结果表明,新疆艾比湖流域内杜加依林冠层上方大气稳定度生长季的6—9月为中性(z/L=0.009),非生长季为不稳定(z/L=-0.449),全年总体呈不稳定水平(z/L=-0.194);冠层界面上气温垂直变幅小于5℃,随高度呈递增趋势,湿度垂直变幅超过40%;地-气碳通量呈秋冬小春夏大规律,年碳收支高于干旱区平均水平,为-0.026 mg CO_2m~(-2)s~(-1),表现为碳汇;垂直空间尺度上垂直温湿度差与生态系统净碳交换量(NEE,Net Ecosystem Exchange)拟合较好,温度拟合结果为R~2=0.7350(P﹤0.01),湿度拟合结果为R~2=0.3627(P﹤0.01),水热变点分别为5%和1℃,而季节尺度上温度拟合结果较好,温度拟合结果为R~2=0. 5221(P﹤0. 01),湿度拟合结果为R~2=0.1716(P﹤0.01),变点为55%和18℃。生长季较小的冠层垂直温差有利于杜加依林对大气CO_2的吸收,而冠层高湿环境则会抑制杜加依林对CO_2的吸收。