西南喀斯特地区石漠化时空演变过程分析

喀斯特地区石漠化对当地社会经济的可持续发展有严重的阻碍作用,因此,研究喀斯特石漠化时空特征及演变规律,对石漠化治理有着重要的意义。以西南八省为研究区,利用归一化差分植被指数（Normalized Difference Vegetation,NDVI）、净初级生产力（Net Primary Productivity,NPP）、地表反照率（Surface Albedo）和坡度（Slope）数据,借助ArcGIS等软件平台,分析石漠化在不同的坡度、土地利用和生态保护区内的变化。结果显示：（1）轻度和中度石漠化是西南主要的石漠化类型。从空间分布来看,石漠化发生分布面积最广的是贵州,其次为云南和广西。（2）从不同土地利用来看,2000-2015年间无石漠化面积最多,潜在石漠化次之。石漠化主要发生在耕地和林地两种土地类型上,其他用地上石漠化发生面积最少,但是极重度石漠化在其他用地上的发生比例很大,平均在11%左右。（3）从不同坡度来看,石漠化严重程度不随坡度的增加而加剧,在坡度6°-25°之间石漠化发生面积最大。（4）从生态保护区来看,2000和2015年西南喀斯特生态保护区是石漠化面积分布最多的区域,分别为27481.86 km²和21738.65 km²。最少的是大别山山地生态功能保护区,从变化量来看,增加最多的是三峡库区,增加1641.22 km²,减少最多的是西南喀斯特生态功能保护区,减少5743.22 km²。（5）利用NPP、NDVI、地表反照率和坡度能较精准的反演石漠化,其反演权重依次为0.33、0.42、0.15和0.1。研究时段内,西南生态环境逐渐得到改善。     

典型喀斯特地区石漠化景观格局对土地利用变化的响应

土地利用是人类活动最基本的表现形式,探讨石漠化与土地利用变化之间的响应关系,对于石漠化治理和区域的可持续发展是非常重要的。基于贵州道真县2005年、2015年LANDSAT和石漠化数据,再利用ENVI 5.3进行监督分类,将道真县土地利用分为8种类型。通过景观格局空间分析技术和3S技术,对道真县土地利用时空演变和石漠化景观格局进行综合分析,结果表明:(1) 2005—2015年间,道真县建设用地和灌木林地面积增加,大部分灌木林地由水田和旱地转化而来,其面积增加了7.51%,建设用地增加了1.30%。(2)近10年间,研究区石漠化等级间的转移表现为轻、中、重度转化为潜在石漠化,其斑块转移面积分别为11.26、38.79、2.71 km2,表明研究区石漠化景观得到了恢复,低等级石漠化斑块面积增加,降低了原有高等级石漠化斑块的优势度。(3) 2005—2015年间道真县土地利用和石漠化景观格局,多样性指数分别下降了0.6434和2.4309,均匀度指数各减少了0.0552和0.5436,分维度指数各提高了0.0061和0.0801,蔓延度指数各增加0.1751、25.5396和聚合度指数分别增加1.8688和2.9112,景观形状指数分别减少0.9812和4.536,石漠化景观格局的变化对应土地利用景观格局指数的变化,随着人们土地利用方式的改变,石漠化也发生相应的改变。通过该研究的进行,有助于提高人们对石漠化和土地利用景观格局的认识,基于景观生态学背景对石漠化治理成效进行评估,为之后的石漠化治理工作的进行及研究提供了参考。     

喀斯特典型坡地旱季表层土壤水分时空变异性

基于网格(10 m×10 m)取样,用地统计学方法研究了桂西北喀斯特地区典型灌丛与草灌两种植被类型坡地(90 m×120 m)旱季(2011年10月至2012年3月)表层(0—16 cm)土壤水分含量的空间变异特征。结果表明:整个采样期灌丛坡地的土壤水分含量明显要高于草灌坡地,两种类型坡地的表层土壤水分含量均属于中等程度的变异(10%Cv100%),且灌丛坡地的变异系数大于草灌坡地。两种植被类型坡地的土壤水分含量与降雨量的波动变化趋势相同,而与土壤水分变异系数的变化趋势整体相反。土壤水分含量均具有明显的空间依赖性和空间结构。两种类型坡地土壤水分的变程与块基比的变化趋势都大致相反,灌丛坡地土壤水分的变程与土壤水分含量均值的变化趋势在采样前期和中期趋势相反,在采样后期趋势相同,而草灌坡地土壤水分的变程与土壤水分含量均值的变化趋势大致相同。两块样地土壤水分的变异系数、变程与块基比均随土壤水分含量的变化有一定的季节变化规律,说明平均土壤水分含量对土壤水分空间格局的主导作用是持续存在的,结合研究目标可以有效指导后续的土壤采样。虽然两块样地表层土壤水分含量整体沿坡面自上而下呈递增趋势,但土壤水分含量最大值均分布在样地下坡位右侧地段,这主要与该地段坡度较缓、土壤厚度较大且碎石含量较低有关。     

西南喀斯特石漠化区域生态系统退化与恢复探讨

中国西南喀斯特石漠化区域生态系统的退化和恢复受到人为干扰的直接影响, 并受到植被、土壤、土壤生物的协同调控。生态环境的脆弱性和持续石漠化, 增加了石漠化治理和退化生态系统恢复的难度。采用持续稳定的生态恢复长效措施, 减少不合理的生产方式, 充分发挥草本植物在生态系统恢复初期的突出优势, 重视凋落物对水土保持和生态恢复的促进作用, 有利于驱动喀斯特退化生态系统的自然恢复。     

西南典型喀斯特地区石漠化时空演变特征——以贵州省普定县为例

为揭示我国西南典型喀斯特地区石漠化时空演变特征,选取贵州省普定县为研究对象,基于Landsat、DEM等影像数据,提取了坡度和4期植被覆盖度、岩石裸露率分布图,并利用地理探测器获得各自的贡献率,反演了1990—2015年4期石漠化空间分布信息,进而讨论了石漠化时空演变特征。结果表明:(1)在1990—2015年间,普定县石漠化演变复杂,经历了由好转到恶化再到好转的阶段,总体趋势在好转,局部恶化,石漠化治理仍需加大力度;(2)中度以上石漠化集中分布在三岔河沿岸附近,轻度以下石漠化则分布较散乱;(3)潜在和轻度石漠化演变方向复杂,潜在石漠化平均变化速率最大(2.75 km2/a),在1997—2006年间更是达到了16.5 km2/a;(4)植被覆盖度与岩石裸露率的变化主要呈负相关,前者的增加主导了石漠化的好转,而后者的增加则控制了石漠化的恶化;(5)石漠化演变存在突变,在三岔河沿岸附近,存在无/潜在石漠化突变为重度以上石漠化的现象;在靠近城乡居民地附近,存在重度以上石漠化突变为无/潜在石漠化的现象;(6)植被覆盖度、岩石裸露率、坡度能较准确反演石漠化,贡献率分别为44%、42%、14%。本文提供的石漠化反演方法快速高效,制作的图件、数据为同行提供了参考,得出的结论为石漠化治理提供了科学支撑。     

喀斯特地区石漠化生态修复对土壤生物多样性的影响

我国西南喀斯特地区是具有土层薄和土被不连续等特征的生态脆弱区,人为过度干扰和土地不当利用导致了生境退化甚至石漠化的发生。从“九五”规划到“十三五”规划,为了有效抑制并逆转石漠化趋势,生态修复措施得到普遍的推广应用。“十四五”规划进一步提出科学推进石漠化综合治理,提高生态系统自我修复能力和稳定性。从土壤微生物、原生动物、线虫、微节肢动物、蚯蚓和线蚓等方面,综述了喀斯特地区生态修复对土壤生物多样性的影响。研究发现：(1)喀斯特生境细菌和真菌的多样性高于非喀斯特生境,原因是喀斯特具有较高的土壤pH和钙含量;(2)与非喀斯特生境相比,喀斯特生境土壤动物类群数相差不大而个体密度较低;(3)石漠化过程伴随着植被退化,降低了土壤微生物种类和功能多样性,土壤动物的个体密度和类群数也呈现降低趋势;(4)生态修复促进植被正向演替,土壤微生物量和酶类活性逐渐上升,真菌/细菌生物量比值增大,土壤动物个体密度和类群数增加,有利于土壤固碳和生态修复。因此,土壤生物多样性是适合指示喀斯特石漠化的生态修复的生物学指标。研究建议：(1)在传统分类鉴定基础上,结合宏基因组学、宏蛋白质组学和同位素标记等技术,完善生态修复的...     

喀斯特峰丛洼地旱季土壤水分的空间变化及主要影响因子

基于动态监测样地(200 m×40 m)的网格(10 m×10 m)取样,用地统计学方法研究了喀斯特峰丛洼地4类典型生态景观类型旱季表层土壤(0—10 cm)水分的空间变化,通过主成分分析和相关分析,探讨了其生态学过程和机制。结果表明,沿严重、重度、中度和轻度的干扰递减梯度,喀斯特峰丛洼地产生了农作物(Ⅰ)→人工林(Ⅱ)→次生林(Ⅲ)→原生林(Ⅳ) 的4类典型生态景观格局变化,土壤水分显著提高,变异系数逐渐增大;4类生态景观类型的土壤水分均具有良好的空间自相关性,正负空间自相关距离反映了性质不同的两大斑块,Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ下半部斑块的半径为50 m,拐点在坡地和洼地的分界处,Ⅱ的下半部斑块的半径为75 m,拐点是土地利用方式的转折点;不同景观类型空间变异特征不同,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的半变异函数分别符合指数模型、高斯模型、指数模型和球状模型,基台值(C0+C)升高,变程缩小,系统的空间总变异增强,其中Ⅰ和Ⅳ的\[C0/(C0+C)\]值分别为48.3%和39.4%,空间相关中等,Ⅱ和Ⅲ的\[C0/(C0+C)\]值≤25%,空间相关强烈;Kriging等值线图清楚表明Ⅰ和Ⅳ土壤水分呈凸型分布,Ⅱ呈单峰分布,Ⅲ呈凹型分布。主成分分析显示除海拔和坡位始终是影响4类生态景观类型土壤水分的主导因子外,不同景观类型的其他主导因子不同,且同一因子在不同景观类型与土壤水分的正负作用关系和相关程度也不同。因此,应根据4类典型生态景观类型土壤水分的空间变化及主要影响因子制定相应的水资源合理利用和管理策略。     

西南岩溶地区石漠化综合治理研究

我国西南岩溶地区石漠化是人地矛盾作用下生态系统退化的过程或结果,石漠化不仅带来水土流失加剧、旱涝灾害频发、生物多样性降低等生态问题,还会带来贫困落后等一系列社会问题。20世纪80年代开始进行的石漠化治理工作已经成为我国西南岩溶地区生态文明建设的重要举措与必由之路,通过近40年来的石漠化治理使得我国西南岩溶地区石漠化问题恶化的趋势开始得到扭转。面向生态文明新时期的建设目标,石漠化脆弱区仍存在人地矛盾难以全面消除、治理成果可持续性亟待提升等问题,石漠化防治需要从多年来石漠化治理研究与实践探索积累中汲取有益于促进人地和谐、提升生态系统可持续性的治理经验与做法。因此,本文以石漠化治理典型区域调研资料与文献资料为数据基础,从石漠化治理目标、技术、措施和模式四个层面梳理石漠化治理经验与做法,归纳总结出石漠化综合治理四点配置原则:(1)以治理目标与预期周期为导向,确立石漠化治理采取的措施;(2)针对解决的关键生态退化问题,结合区域特征遴选石漠化治理技术;(3)针对石漠化退化阶段的差异,确定石漠化治理途径措施;(4)结合石漠化综合治理模式的共性特征,以小流域为基本单元,因地制宜的选择与构建石漠化综合治理模式。以期通过对实践经验的总结为石漠化治理过程中选择具备区位适宜性和机理明晰性的生态技术提供参考。     

喀斯特石漠化地区土壤养分对泡核桃功能性状的影响

为了探究喀斯特石漠化地区植物叶片功能性状及影响因素,以及揭示其对石漠化环境的适应机理,该文以中国南方喀斯特高原峡谷地区的泡核桃(Juglans sigillata)为对象,揭示土壤养分对叶片结构和光合性状的影响效应。结果表明：(1)泡核桃叶功能性状随石漠化等级增加,叶面积减小,比叶面积增大,叶干物质含量和叶组织密度先降后升,蒸腾速率、胞间CO₂浓度、气孔导度和光能利用率先下降后升高,其他性状变化趋势不显著。(2)冗余分析表明土壤养分能够解释37.4%的光合性状变异与53.4%的结构性状变异,其中全磷和溶解性有机碳对光合性状影响最大,而对结构性状影响最显著的是碱解氮和速效磷。(3)比叶面积分别与叶干物质含量极显著负相关,与净光合速率极显著正相关,叶厚度与叶组织密度极显著负相关,蒸腾速率与胞间CO₂浓度、气孔导度极显著正相关,水分利用速率与蒸腾速率、胞间CO₂浓度、气孔导度极显著负相关,光能利用率与净光合速率显著正相关。研究结果表明,泡核桃为适应喀斯特石漠化的特殊生境采取增强生长功能性状,同时提高资源获取能力的开拓型生长策略...     

我国主粮作物的化学农药用量及其温室气体排放估算

现代农业中化学农药在提高作物产量中发挥着重要的作用,但是我国普遍存在过量用药现象,导致环境污染和危害食品安全.基于2012年的全国性农户问卷调查,本研究分析了2011年我国水稻、小麦和玉米使用农药现状,并估算了它们的温室气体排放.结果表明: 这3种作物至少使用了54种杀虫剂、24种杀菌剂和50种除草剂,其中32%的水稻种植农户使用了生物农药.全国3种作物使用了30.8 kt杀虫剂、16.5 kt杀菌剂和58.3 kt除草剂,它们的温室气体排放总量为1.5 Tg Ce,杀虫剂、杀菌剂和除草剂的排放分别占23.8%、16.9%和59.3%.南方区的农药用量占全国用量的51%;全国水稻、小麦和玉米的单位产量农药用量分别是0.22、0.18和0.24 g·kg^-1粮食,3种作物用药总量分别为44.4、21.4和39.7 kt,温室气体排放分别为665.5、250.1和547.5 Gg Ce;在不同农药种类中,有机磷类杀虫剂占我国所用杀虫剂总量的69%,苯丙咪唑类、有机磷类、唑类和有机硫类等杀菌剂占杀菌剂总量的87%,酰胺类、有机杂环类和有机磷类等除草剂占除草剂总量的85%.因此,减少农药用量,对于我国粮食安全和环境安全及减少农业温室气体排放都具有重要意义.     

桂西北喀斯特土壤对生态系统退化的响应

在桂西北喀斯特地区选取玉米 红薯轮作地（KMS）、放牧+冬季火烧草地（KGB）、自然恢复地（KNR）和原生林地（KPF）4种典型生态系统,研究了土壤有机碳、全氮、全磷,微生物生物量碳、氮、磷和土壤结构对生态系统退化的响应.结果表明：KPF土壤有机碳、全氮、全磷和微生物生物量碳、氮、磷均极显著高于其他3种土壤;其他3种土壤中,有机碳和全氮为：KNR > KGB > KMS,但差异不显著;KMS土壤全磷含量（0.87g·kg^-1）分别是KNR和KGB的2.07和9.67倍 (P<0.01);KGB和KNR土壤微生物生物量碳、氮、磷含量均显著大于KMS;KGB中微生物生物量碳显著大于KNR,但二者间微生物生物量氮和磷含量差异不显著.说明减少人为干扰后喀斯特退化生态系统可以缓慢增加土壤有机碳含量,适当放牧和自然恢复都可以作为退化生态系统恢复的方式;土壤微生物生物量对生态系统的变化响应较灵敏,可以作为喀斯特地区土壤养分变化或生态系统退化的一个敏感指标.土壤结构以>0.25 mm水稳性大团聚体为主（>70%）(KMS除外,以2～0.25 mm团聚体为主),并以>2 mm团聚体为主;土壤结构破坏率KMS（51.62%）大于KGB（23.48%）,KNR和KPF较小（分别为9.09%和9.46%）.说明人为干扰或农业耕作破坏了土壤水稳性大团聚体,使其向小粒级转变,土壤结构破坏率增大.对喀斯特地区退化严重的生态系统应减少人为干扰,以自然恢复等保护性措施为主.     

Tree stem bases are sources of CH4 and N2O in a tropical forest on upland soil during the dry to wet season transition

Tropical forests on upland soils are assumed to be a methane (CH₄) sink and a weak source of nitrous oxide (N₂O), but studies of wetland forests have demonstrated that tree stems can be a substantial source of CH₄, and recent evidence from temperate woodlands suggests that tree stems can also emit N₂O. Here, we measured CH₄ and N₂O fluxes from the soil and from tree stems in a semi‐evergreen tropical forest on upland soil. To examine the influence of seasonality, soil abiotic conditions and substrate availability (litter inputs) on trace greenhouse gas (GHG) fluxes, we conducted our study during the transition from the dry to the wet season in a long‐term litter manipulation experiment in Panama, Central America. Trace GHG fluxes were measured from individual stem bases of two common tree species and from soils beneath the same trees. Soil CH₄ fluxes varied from uptake in the dry season to minor emissions in the wet season. Soil N₂O fluxes were negligible during the dry season but increased markedly after the start of the wet season. By contrast, tree stem bases emitted CH₄ and N₂O throughout the study. Although we observed no clear effect of litter manipulation on trace GHG fluxes, tree species and litter treatments interacted to influence CH₄ fluxes from stems and N₂O fluxes from stems and soil, indicating complex relationships between tree species traits and decomposition processes that can influence trace GHG dynamics. Collectively, our results show that tropical trees can act as conduits for trace GHGs that most likely originate from deeper soil horizons, even when they are growing on upland soils. Coupled with the finding that the soils may be a weaker sink for CH₄ than previously thought, our research highlights the need to reappraise trace gas budgets in tropical forests.