1982-2018年中国植被覆盖变化非线性趋势及其格局分析

探究植被覆盖变化是评估陆地生态系统环境变化的重要手段,但现有研究多采用线性趋势来表达植被覆盖的变化情况而忽略了趋势的非线性。本文使用GLASS FVC数据,利用BFAST方法和格局分析,探讨了1982-2018年我国植被覆盖变化的非线性趋势及其分布格局。结果表明：（1）与线性趋势方法的对比发现,BFAST的检测结果揭示了四川盆地、黄土高原等地的植被覆盖显著增加趋势其实存在中断,青海和东北等地植被覆盖经历了由退化到改善的过程而并非简单的线性增加,而青藏高原中东部等地则由原先的改善趋势变为了退化趋势。（2）将非线性趋势结果进行分类,其中单调型增加类型占比最多,达到33.58%,主要分布在内蒙古、陕西及河南等地;单调型减少占比1.82%,主要分布在东南沿海地区;中断型增加占比22.91%,主要分布在四川盆地东部和华北地区;中断型减少占比2.68%,主要分布在青藏高原东南部;由增到减占比4.20%,主要分布在青海等地;由减到增占比14.62%,主要分布在吉林等地。大范围的植被覆盖增加趋势充分反映了我国过去几十年植被的改善,但同时存在的减少趋势表明潜在的植被退化风险仍不可忽视。（3）不同趋势类型发生改变的时间有所差异,总体上1988-1999年间发生的改变较少,而2000-2011年间发生的改变较多,我国21世纪以来实施的大规模生态保护和恢复工程对植被的改善过程有重要影响。（4）分布格局上,植被覆盖改善趋势类型（单调型增加,中断型增加,由减到增）呈现大聚集,小分散的特点,具有复杂的形状;退化趋势类型（单调型减少,中断型减少,由增到减）的面积均较小,分布也相对离散。全国尺度上趋势空间格局呈现一定规律但分布的异质性较大,区域尺度上植被覆盖经受的干扰显著,变化过程实际也是较为复杂的。本研究表明,使用非线性趋势方法和格局分析,可以更准确地评估植被覆盖的时空变化,从而为生态环境相关工作的开展提供科学的参考。     

人工管理和自然驱动下盐城海滨湿地互花米草沼泽演变及空间差异

将盐城国家级自然保护区核心区划分为人工管理区和自然湿地区两种模式,根据2000年、2006年、2011年3个时相的ETM+影像,运用RS、GIS技术和景观生态学方法,分析不同驱动力下互花米草沼泽景观变化的差异.结果表明:(1)人工管理区,2000-2011年,互花米草沼泽面积由272hm2增加到781hm2;平均分维数呈下降的趋势,聚合度指数呈上升的趋势,表明互花米草沼泽在空间上趋于聚集,在形状上趋于规则;从互花米草沼泽增长速率看,2000-2011年,呈现先快后慢的特征.在景观空间演变上,互花米草沼泽的平均宽度从598.679m增加到1719.002m,表现出向海陆两个方向扩张的特征.(2)自然湿地区,2000-2011年互花米草沼泽面积由2023hm2增加到3974hm2;平均分维数和聚合度指数呈先上升后下降的趋势;米草沼泽增长稳定,年增长约160-180 hm2/a,单位长度岸线年增长面积约为15 hm2· km-1·a-1左右;比较发现,自然湿地区互花米草沼泽的增长速度高于人工管理区的增长速度.在景观空间演变上,互花米草沼泽平均宽度从1625.586m增加到3193.317m,2000-2006年表现出向海洋单方向扩张的特征,2006-2011年表现出向海陆两个方向扩张的性质.(3)在自然条件下互花米草沼泽扩张受到气候、地貌过程、水文过程、植被类型及种间竞争的影响,表现出明显的带状特征.在人工管理下,通过建设拦水堤坝等,阻止了潮汐作用下海水的扩散能力,生态过程发生改变,致使生态系统类型向淡水湿地方向演变,抑制了互花米草沼泽的扩张,表现出一定的镶嵌格局.     

不同类型水生植物群落对蓝绿藻类的抑制作用

选择2种常见水生植物荇菜(Nymphoides peltatum)和黑藻(Hydrilla verticillata),构建了荇菜群落(浮叶植物群落)、黑藻群落(沉水植物群落)和荇菜-黑藻群落(复合群落)等3种不同类型水生植物群落,在模拟富营养化水体环境条件下与自然水体中藻类共培养,研究了不同类型水生植物群落对藻类的抑制作用.结果表明:1)3种群落对水体中藻类的抑制作用顺序为荇菜群落>复合群落>黑藻群落,实验结束时水体叶绿素a分别减少了63.1%、44.7%、3.3%.2)荇菜群落中蓝藻受到了较强抑制作用,其总藻细胞密度比初始减少了99.5%;而绿藻总藻细胞密度则比初始增加了31.6%;黑藻群落中蓝藻仍保持较高生物量,绿藻藻细胞密度一直处于较低水平;复合群落对蓝绿藻均有很好的抑制效果,蓝藻藻细胞密度比初始下降了95.9%,绿藻藻细胞密度始终保持在较低水平.3)3种群落中藻类组成变化不同:荇菜群落中初始以微囊藻、色球藻等蓝藻门植物为优势种,逐渐转变为以小球藻、栅藻、四角藻等绿藻门植物为优势种;黑藻群落中藻类一直以微囊藻为优势种,伴生有少量的小球藻属、栅藻属、隐藻属藻种;复合群落水体中藻类组成与荇菜群落中藻类变化相似,实验期间微囊藻数量逐渐减少,而栅藻数量逐渐升高.4)不同群落中植物生物量增加明显,荇菜和黑藻的鲜重在单种群落和复合群落中均具有较高的增长率,分别为129.8%、63.6%和108.8%、66.5%;植物生长对光照、温度、pH等环境因子具有明显的调节作用,荇菜群落中水下20 cm处光衰减率与水体叶绿素a显著相关,说明荇菜的遮光作用是其产生显著抑藻作用的重要原因.     

水体泥沙对黑藻幼苗生长发育的影响

用粒径小于100μm的泥沙分别配置浊度为30、60NTU和90NTU的浑浊水体,将黑藻(Hydrilla verticillata)幼苗分别种植于上述水体中,水深约60cm,定期统计植株的节间距、株高、分枝数、叶宽、叶长、鲜重和泥沙附着量,利用水下饱和脉冲荧光仪(DIVING-PAM)测定叶片的Fv/Fm,并测定附着泥沙叶片和未附着叶片快速光响应曲线。结果表明,前40d随着水体浊度的增加黑藻植株的节间距、株高呈显著的增加趋势,而分枝数和生物量增长速率呈显著降低趋势。植株生长接近水面后接受的光照强度增加,第60天时株高和叶宽增长受到显著抑制,但植株上层的分枝受到促进,生物量显著增加。同时,随着水体浊度的增加植株上的泥沙附着显著增加,第100天时在30、60NTU和90NTU水体中植株的叶宽分别比对照宽71.4%、57.1%、48.6%,叶长分别为对照的113.0%、85.5%和75.1%,差异极显著(P0.01);在高浊度(60NTU和90NTU)水体中,水体下部生物量显著降低,冠层叶片的Fv/Fm分别仅降低了5.5%(P0.05)、2.9%(P0.05),rETRmax分别降低了2.0%(P0.05)、16.8%(P0.01)。表明在水深较浅的泥沙水体中可以适当引种黑藻幼苗,植株可以正常生长发育。     

小三江平原湿地东方白鹳（Ciconia boyciana）生境丧失的生态后果

采用生境套娃方法反映水禽——东方白鹳生境需求的层级系统基础上,利用GIS技术建立定量化分析模型,深入探讨了小三江平原生境丧失对东方白鹳生境空间分布的影响。结果显示：与初始状态1954年相比,东方白鹳繁殖生境丧失了81.9％,平均斑块面积缩小了88％;同时,生境面积的丧失是伴随生境破碎化过程发生的。1983之后生境破碎化明显加剧,到2005年生境连通度显著降低,生境处于高度破碎化状态。研究表明,生境丧失对东方白鹳繁殖生境的影响不仅取决于关键生境要素的变化,生境空间异质性改变更为重要。     

集合种群动态对生境毁坏空间异质性的响应

首次将分形几何(Fractal geometry)与元胞自动机(Cellular automata)相结合,研究了破碎化生境中集合种群的空间分布格局动态,以及集合种群动态对生境毁坏空间异质性的响应。研究发现:(1)各个物种种群在生境中的分布具有很好的分形特征,物种的计盒维数(Box dimension)不仅可以很好地反映种群的空间分布结构,也能很好地反映种群动态。(2)如果将空间因素考虑进来的话,生境毁坏的灭绝债务(Time debt)将大于空间隐含模式所模拟的结果。(3)物种灭绝同时存在强物种灭绝和弱物种灭绝。并且只有在生境随机毁坏下,才与空间隐含的模拟结果比较接近,即强物种中将是最强物种率先灭绝。而在边缘毁坏这种比较集中成块的开发方式下,将是较强的物种灭绝。(4)边缘毁坏相对随机毁坏有利于物种,尤其是弱物种的长期续存。     

不同栖息地状态下外来种入侵及对本地种生存影响的模拟

外来种入侵引起的生态及经济问题日益严重,人类活动导致大规模栖息地持续变化的背景下,外来种的入侵过程及本地物种多样性的演化更为复杂.在Tilman多物种共存模型基础上,建立了栖息地持续变化条件下的外来种入侵干扰模式,分别模拟了栖息地不变、持续毁坏及持续恢复条件下的外来种入侵及对本地物种多样性的生态影响.模拟结果表明:(1)拓殖率小(入侵性弱)的外来种不能成功定殖,栖息地的持续变化对其没有任何影响.(2)拓殖率增大的外来种入侵过程复杂,栖息地持续毁坏导致其灭绝时间相比于栖息地不变时明显推迟,栖息地持续恢复使其灭绝提前;一定时间内持续增加栖息地可以减小此类外来种入侵危害.(3)拓殖率足够大的外来种能够成功定殖,快速定殖-扩散的入侵过程不会因栖息地毁坏而迅速改变,其响应具有时间滞后性;栖息地持续恢复也有利于其迅速蔓延,占有率呈线性疯狂增长.(4)在具有外来种入侵的本地生态系统中,栖息地持续改变(增加或减少)对本地物种多样性的发展均不利.     

竞争和景观格局相互作用对外来入侵物种传播影响的动态模拟

通过中性景观模型和元胞自动机模型模拟了不同景观格局、不同竞争力和关键种群特征的外来入侵物种的传播动态,模拟结果表明:(1)竞争力强的外来入侵物种,可利用生境面积越大,集聚度越高,越有利于其入侵和传播,而对竞争力弱的外来入侵物种来说,可利用生境面积越小,越分散,越有利于其生存。竞争力强可以有效利用整块的高集聚度的资源,而弱竞争力的外来入侵物种为了逃避土著种的竞争往往趋向于分布在分散的小生境中;(2)可利用生境面积大于50%时,景观格局集聚度越小,竞争力弱的外来入侵物种适应环境的弛豫时间越长;(3)外来入侵物种的传播与种子产量呈正相关关系,与繁殖年龄呈负相关关系,拟合关系因景观格局和竞争而异;(4)平均迁移距离对外来入侵物种传播的影响最大,在管理过程中应根据不同的目标,不同的景观格局、竞争力和种群特征选择合适的管理措施。     

物种灭绝对不同时间尺度栖息地毁坏响应的空间模拟

人类活动所引起的栖息地毁坏已成为当前物种多样性丧失的最主要的原因之一。空间显含模型相对于空间隐含模型来说,更加接近于现实,因此,通过元胞自动机,模拟了物种多样性对万年、千年、百年时间尺度人类活动所引起的栖息地毁坏的响应。研究结果表明：万年时间尺度上,物种是由强到弱的灭绝;而在千年时间尺度上,物种灭绝的序受集合种群结构的影响较大;在百年时间尺度上。物种由于栖息地毁坏过于剧烈和迅速,来不及作出响应。在栖息地完全毁坏时集体灭绝。因此,物种灭绝序不只是受竞争-侵占均衡机制的影响,还受不同时间尺度（不同速率）栖息地毁坏的影响。以及集合种群结构的影响。     

湿地植物根系泌氧及其在自然基质中的扩散效应研究进展

湿地植物根系径向泌氧(ROL)是构造根际氧化-还原异质微生态系统的核心要素,其扩散层为好氧、厌氧微生物提供了良好生境并促进其代谢活动,使湿地植物根际成为有机物降解、物质循环及生命活动最为强烈的场所,已有成果证明湿地植物根系ROL的强弱与污染物的去除效果密切相关。因此,开展湿地植物根系ROL及其在自然基质中的扩散效应研究,对于了解湿地植物根系ROL机理及其根际氧环境特征,进而发挥湿地植物的污染去除功能具有十分重要的意义。基于此,首先归纳了湿地植物根系ROL特征及其受影响机制的研究现状,而后从种属差异、时空分布及对微生物的影响等方面对根系ROL在自然基质中的扩散效应国内外研究成果进行了总结,最终根据研究现状与不足对今后的研究方向进行了简要展望。创新之处在于:1)提出影响根系氧供给及氧输送释放通道的环境、生物等因素,阐述了其对根系ROL的影响机制;2)着重阐述了目前研究较少提及的根系ROL扩散效应测定方法。