陆地生态系统碳水循环的相互作用及其模拟

回顾了近年来陆地生态系统碳循环与水循环相互作用及模拟方面的进展,指出了今后该领域研究的重点和发展方向。陆地生态系统碳水循环是两个相互耦合的生态学过程,二者及其相互作用均受气候、大气成分和人类活动的影响,并对气候系统具有强烈的反馈作用,因而成为当前全球变化研究的热点。近年来,国内外开展了大量观测和模拟研究,分析了碳循环和水循环在不同时空尺度上的相互作用及其对环境因子和土地利用/覆被变化的响应,发现土壤水分条件对陆地生态系统碳循环的主要分量（光合和呼吸）均具有显著作用,但作用的强度在不同的生态系统存在差异。精确模拟土壤水分动态及其对碳循环的影响是陆地生态系统碳收支估算的基础,碳循环和水循环的耦合模拟是生态和水文模型发展的方向。目前,大部分模型在模拟土壤水分动态时,未考虑地形对土壤水分水平移动的影响,土壤水分对土壤异养呼吸影响的模拟也多采用经验性模型,制约了碳收支模拟的精度,需要加以解决。     

基于水量平衡原理的黄土高原林草植被覆盖度恢复潜力评估

为了科学评价黄土高原林草措施的可持续性,基于林草生态系统蒸散发(ET)与降雨补给之间的水量平衡动态关系,开展林草植被覆盖度恢复潜力研究具有一定的现实意义。利用实测水文气象要素数据和PML＿V2 ET、GRACE和MOD13 A1 EVI等遥感产品,阐明了增强型植被指数(EVI)与ET的时空变化特征,构建了ET和EVI的定量响应关系,定量估算了不同降雨情景下黄土高原林草植被覆盖度恢复阈值与恢复潜力。研究结果表明：(1)PML产品基于通量站点观测值与水量平衡公式验证的误差分别为4.5 mm/8d、34.3 mm/a,产品精度优于MOD16 A2 GF。黄土高原2000—2018年多年平均ET为445.36 mm,多年平均EVI为0.17;黄土高原林草植被ET和EVI的增长速率分别为5.08 mm/a和0.0026/a。(2)利用多元逐步回归方法逐像元构建了ET与气象要素和EVI的最优响应关系模型,平均均方根误差(RMSE)为44.5 mm。(3)丰水年、平水年、枯水年不同降雨情景下黄土高原林草植被覆盖度平均恢复阈值为(71.5±37.3)%、(55.6±35.9)%和(22.4±26.0)...     

陇中黄土高原农村经济结构变化对退耕还林(草)的响应

黄土高原退耕还林(草)政策的实施有效改善了区域生态环境,然而其对社会经济的影响存在明显的地域差异。以甘肃省定西市安定区近郊凤翔镇和远郊鲁家沟镇为例,采用重复测定方差分析、主响应曲线分析和相关分析等解析2镇1998—2015年农村经济结构及收入变化对退耕还林(草)政策实施的响应特征,确定退耕还林(草)政策实施驱动的土地利用变化与农村收入之间的关系。研究发现:(1)退耕还林(草)政策实施解释了2镇70.4%的农业收入结构差异,因政策的实施推动了小麦等夏粮作物向玉米、马铃薯等秋粮作物的转变,进而影响了农业收入结构的变化;(2)退耕还林(草)政策对农村经济结构的影响弱于对农业收入结构的影响,它解释了2镇54.1%的农村经济结构差异,近郊凤翔镇农村经济收入明显高于远郊鲁家沟镇。退耕还林(草)政策对以农业为主导产业的远郊鲁家沟镇农村经济结构影响相对较小,近郊凤翔镇工业、服务业和商业餐饮业等非农产业占农村经济总收入的比重随着农业收入比重的降低而有所提高;(3)退耕还林(草)政策的实施带动了该区种植业结构的转变,这在一定程度上缩小了凤翔镇和鲁家沟镇农村集体收入之间的差距;(4)退耕还林(草)政策实施过程中,梯田面积、玉米和马铃薯等秋粮作物种植面积的增加提高了农村居民纯收入。研究认为退耕还林(草)在实施过程中需考虑地域差异,依据区域经济发展状况进行相应调整,在推动种植业发展的同时还应兼顾林业、牧业和一些非农产业发展,最终实现生态环境恢复与农村经济的协调发展。     

基于植被/温度特征的黄土高原地表水分季节变化

地表水分是监测土地退化的一个重要指标,是气候、水文、生态、农业等领域的主要参数。选择陕北黄土高原地区作为研究区域,首先采用基于植被覆盖特征的植被状态指数（Vegetation Condition Index,简称VCI）和基于地表温度特征（Land Surface Temperature,简称Ts）的温度状态指数（Temperature Condition Index,简称TCI）分别评价了区域地表水分状况的季节变化。在此基础上分析了植被指数与地表温度特征线性关系的季节变化规律,计算了基于两者经验关系的地表干燥度指数（Temperature Vegetation Dryness Index,TVDI）。该指数对Ts／NDVI特征空间的生态特征的解释,对土壤和作物的水分含量具有综合的指示意义。文中利用该指数综合评价了研究区域地表水分状况的时空分布差异,进一步对VCI、TCI与TVDI相关关系的季节变化进行比较分析,并结合气候因子进行了相关验证,从而对不同指数的应用范围做出判定。研究结果表明,单独采用TCI或VCI表征地表水分会受到明显的季节影响,而TVDI能在不同季节综合体现植被覆盖和地表温度特征对地表水分的影响,从而能较好的反映区域地表水分状况的时空变化特征。各区域的TVDI值季节分布上皆为4—7月份高于10-翌年1月份,但各区TVDI值的季节变化则存在显著不同,而各流域内部TVDI值的空间变异性也存在季节差异,其中在10月份较为显著。     

陇东黄土高原石鸡的分子系统地理结构

本文运用聚合链式反应和直接测序的方法测定陇东黄土高原 8个石鸡 (Alectorischukar)地理种群 78个样本的mtDNA控制区 4 91bp ,建立其分子系统地理结构。 78个样本共发现 2 4个变异位点 ,2 5种单倍型。 8个地理种群共享单倍型C1 ,6个种群共享单倍型C2 ,种群间有一定的基因交流。 8个地理种群的 2 5种单倍型在NJ树中相互混杂 ,没有形成独立的地理结构 ,但聚成两个分支。单倍型网络图显示 2 5种单倍型聚成两个星状的集群 ,分别以单倍型C1和C2为中心。这两个群间的遗传差异显著。陇东黄土高原石鸡的系统地理结构属于“系统发生连续 ,具有部分空间隔离”的地理格局。这种地理格局是更新世冰川、泥石流和人类活动共同作用的结果     

基于地面观测的陆地生态系统碳储量多源数据整合方法

陆地生态系统有机碳储量通常指一定面积的植被、土壤和凋落物的有机碳存储量总和。准确评估陆地生态系统碳储量现状和变化,对于揭示全球变化对陆地生态系统碳库的影响、指导政府决策者制定气候应对策略和评估现有措施的有效性等具有重要意义。地面观测数据是生态系统碳储量及其变化评估的重要数据源之一,但目前除少数生态站开展了长期地面数据观测外,绝大多数地面观测数据呈现出多源化、相互不匹配、时间不连续等特点;因此,迫切需要发展科学、规范化的多源数据整合方法,将这些多源、分散的地面观测数据整编形成长期系统的地面动态观测数据集,提高数据资源价值。从陆地生态系统碳储量组分及其基本算法着手,系统梳理了植被和土壤碳储量估算中植被不同器官生物量和碳含量、土壤碳含量、土壤容重等关键参数的观测现状,并详细介绍了这些关键参数的科学推导方法。此外,也进一步讨论了多源地面观测碳储量数据整合的方法,并展望了该方法体系未来的发展方向,期待能为后续相关研究提供可借鉴的规范性方法。     

黄土高原石油污染土壤微生物群落结构及其代谢特征

针对污染胁迫下土壤微生物群落变化和代谢变异等问题,基于平板稀释法和Biolog微平板分析方法,研究了陕北黄土高原石油污染土壤微生物群落结构、代谢特征及其功能多样性。结果表明,不同类群的土壤微生物对石油污染胁迫的响应不同,污染土壤细菌和真菌数量高出清洁土壤1个数量级,而污染土壤的放线菌数量极显著减少(P0.01);污染土壤和清洁土壤微生物对糖类和多聚物类碳源较易利用,污染土壤微生物总体上代谢碳源的种类和活性均低于清洁土壤。微生物群落主成分分析(PCA)表明,石油污染土壤和清洁土壤的微生物群落存在显著差异(P0.01),起分异作用的碳源主要为糖类,其次是羧酸类和氨基酸类;随着土壤石油含量增加,典型变量值变异(离散)增大,土壤微生物群落结构稳定性降低。微生物群落多样性分析表明,Shannon丰富度指数(H)、McIntosh均一度指数(U)和Simpson优势度指数(1/D)均达到极显著差异(P0.01),污染土壤微生物群落H和U低于清洁土壤,但是一定浓度的石油污染可以刺激土壤微生物群落中优势种群的生长,1/D增高。研究结果为陕北黄土高原石油污染区土壤微生物修复提供理论基础。     

黄土高原植被景观多尺度变化及其与地形的响应关系

基于RS和GIS技术,利用黄土高原近30年不同分辨率的归一化植被指数(NDVI),采用基于小波分析的多尺度空间统计学方法,研究不同时期黄土高原植被景观的多尺度变化特征及其与地形的响应关系。结果表明:(1)黄土高原植被景观1982—2011年期间发生了周期性变化。其中,1990年以前为植被恢复阶段,1990—2001年为植被退化阶段,2001年以后为植被恢复阶段。(2)植被景观的空间异质性与数据获取的时间、数据分辨率、空间位置和地形均有关。一方面,植被指数和数据分辨率越高,植被景观的空间异质性就越大,而且沿经度方向植被景观的空间差异性大于纬度方向;另一方面,NDVI的多尺度变化特征与地形因子有不同程度的相关性,表现为:高程地形湿度坡度坡向,这对于今后黄土高原植被景观的合理布局,提高生物多样性,控制水土流失,增强景观的连续性具有特别重要的意义,也可为指导生态环境建设提供基础资料。     

陇东黄土高原塬区农业气象要素的变化特征

对1971—2000年陇东塬区气象资料分析表明,该区气温呈现出明显的线性上升趋势,且以冬季和春季增温为主。增温表现为平均气温、最高气温和最低气温同时上升。最高气温以季节转换时升幅最大,最低气温多数时间呈现上升趋势,且升温较最高气温显著。最高气温和最低气温均以12月上升最为显著。在气候变暖的趋势下,蒸发量显著增大,界限温度初日提前、终日推后,气温稳定通过0℃和10℃积温增加,无霜期延长,春秋土壤水分减少等。降水量、日照时数、太阳辐射和空气相对湿度等农业气象要素的整体变化不显著。认为气候变暖引起的多要素变化对农业的影响有利有弊,农业管理部门应根据当地气候变化特征,及时调整种植结构,优化种植模式,趋利避害,充分挖掘气候资源潜力,提高农业经济效益。     

基于ICEEMDAN方法的黄土高原植被覆盖变化及其对气候变化的响应

地理数据和遥感数据的长期序列中包含噪声和周期性波动信息。本研究基于ICEEMDAN方法对黄土高原1982—2015年归一化植被指数(NDVI)、降雨和温度进行逐像元分解,分解后得到的残差项减少了原始数据中的噪声和周期性波动,并利用残差项研究NDVI的变化趋势以及NDVI与气候因子之间的关系。结果表明: 1982—2015年,黄土高原NDVI以上升为主,残差项NDVI变化趋势的显著性(95.9%)大于原始NDVI变化趋势的显著性(72.3%),并且存在一定的空间差异性。温度和降雨的变化可以在很大程度上解释植被覆盖的变化。其中,温度与黄土高原NDVI之间呈极显著正相关的区域占83.7%,极显著负相关区域占13.9%;降雨与黄土高原NDVI之间呈极显著正相关的区域占54.4%,极显著负相关区域占37.2%。黄土高原植被对气候变化的响应存在明显的空间差异性,不同气候因子对不同植被覆盖类型的影响程度不同。总体上,黄土高原生长季不同植被与温度之间的相关性强于降水,温度是影响黄土高原植被覆盖变化的主要因素。     

黄土区深层土壤干燥化与土壤水分循环特征

深层土壤干燥化是黄土高原地区植被建设过程中出现的重大生态环境问题。采用人工和天然降雨试验,研究了黄土高原沟壑区荒草地和裸地的土壤水分循环特征,并分析和探讨了深层土壤干燥化的成因。2002年天然降雨量为459.9mm(多年平均降雨量为584.1mm),属干旱年,土壤水分观测期间(2002年6月13日至11月24日)天然和人工降雨试验小区的天然降雨量分别为305.2mm和236.8mm。人工降雨试验主要在2002年6~8月进行,土壤水分观测期间荒草地和裸地的人工降雨量分别为360.7mm和418.5mm。试验结果表明:干旱年,荒草地和裸地土壤储水量处于负补偿,入渗雨量全为蒸发蒸腾作用所消耗。在强烈的蒸发蒸腾作用下,剖面内(0~200cm)土壤水分的整体移动性能较强,最大蒸发蒸腾作用层深度很快形成。荒草地土壤水分循环强度大于裸地,表现为荒草地最大蒸发蒸腾作用层深度较大,两者分别为200cm和180cm。雨季量少且分散的降雨极易为强烈的蒸发蒸腾作用所消耗,深层土壤由于缺乏降雨入渗的补给而逐渐干燥化。丰水年,荒草地和裸地土壤储水量处于正补偿,但入渗雨量的大部分(80%以上)为强烈的蒸发蒸腾作用所消耗。在相同的降雨量条件下,荒草地土壤水分循环强度高于裸地,表现为荒草地降雨入渗补给深度较小。连续降雨有利于土壤水分向深层的运移,从而部分缓减深层土壤的干燥化进程。近50a来黄土高原地区气候变暖和降雨减少可能是土壤干层形成的直接原因,而植被类型选择失当、群落密度过大和生产力过高则会加剧深层土壤的干燥化进程。     

黄土高原水土保持林对土壤水分的影响

黄土高原植被恢复的限制因素主要是土壤水分,植被与土壤水分关系的研究对黄土高原植被恢复具有重要意义.2008年7月1日至2009年10月31日间采用EnviroSMART土壤水分定位监测系统以每30min监测1次的频度,对晋西黄土区刺槐人工林地、油松人工林地、次生林地的土壤水分变化进行了研究.研究得出:次生林地0-150 cm土层中平均蓄水量为331.95mm,刺槐人工林地为233.85 mm,有整地措施的油松人工林地为314.85mm,刺槐人工林比次生林多消耗的98.10mm土壤水分主要来源于80 cm以下土层.次生林主要消耗0-80 cm土层的水分,而人工林不但对0-80 cm土层水分的消耗量大于次生林,对深层土壤的消耗也较次生林大,这将有可能导致人工林地深层土壤的“干化”.在土壤水分减少期(11-1月)刺槐人工林土壤水分的日均损耗量为0.86mm、油松人工林为0.82 mm、次生林为0.84 mm.土壤水分缓慢恢复期(2-5月)刺槐人工林地土壤水分的恢复速度0.90mm/d,油松人工林地为0.53 mm/d、次生林地为0.79 mm/d.土壤水分剧烈变化期(5-10月)刺槐人工林地土壤水分含量的极差为95.71mm,油松人工林地为179.1mm,次生林地为72.03mm.在干旱少雨的黄土高原进行植被恢复时,应多采取封山育林等方式,依靠自然力量形成能够与当地土壤水资源相协调的次生林,是防止人工植被过度耗水形成“干化层”、保障水土保持植被持续发挥生态服务功能的关键.     

甘肃省黄土高原旱作玉米水分适宜性评估

运用甘肃省天水、西峰农业气象试验站1981—2008年玉米观测资料及两地相应时段的气象资料,利用FAOPenman-Monteith公式及作物系数对玉米各生育阶段的需水量进行估算,建立了玉米水分适宜度计算模型,对1981—2008年玉米全生育期及各生育阶段的水分适宜度进行了计算,分析了玉米产量与水分适宜度的相关性。结果表明,甘肃省黄土高原种植玉米的水分条件比较优越,年平均水分适宜度均在0.50以上。陇西黄土高原(天水)与陇东黄土高原(西峰)水分适宜度相关程度较好,变化趋势比较一致。1995年是水分适宜度的转折年份,1981—1995年陇西黄土高原水分适宜度以0.12/10a的趋势降低,陇东黄土高原以0.11/10a的趋势下降;1995—2008年陇西黄土高原水分适宜度以0.18/10a的趋势升高,陇东黄土高原以0.06/10a的趋势上升。水分适宜程度以成熟期较好,降水量可满足玉米需水的70%以上,旺盛生长阶段水分适宜程度较差,降水量只能满足玉米生理需水的49%—55%,初始生长阶段耗水较少,大气降水对需水的满足程度在50%以上。出苗期—七叶期、拔节期—抽雄期、抽雄期—乳熟期、乳熟期—成熟期的水分适宜度呈20世纪80年代较高,90年代较低,21世纪初较高的趋势变化;七叶期—拔节期水分适宜度从20世纪80年代到21世纪初持续降低。陇东黄土高原各个生长阶段的水分适宜度比陇西黄土高原偏高约0.1。除成熟生长阶段外,陇西黄土高原的需水量均大于陇东黄土高原。水分适宜度与玉米产量相关性最显著的时期为七叶期—拔节期,其次为拔节期—抽雄期,出苗期—七叶期、抽雄期—乳熟期及乳熟期—成熟期的水分适宜度与玉米产量相关性不显著。利用建立的水分适宜度模型可对甘肃省黄土高原旱作玉米的水分适宜性进行评价,为当地玉米种植区划及科学管理提供依据。     

黄土高原刺槐林生长与土壤水分关系研究进展

从林地土壤水分、刺槐生长、土壤水分与刺槐生长关系、土壤水分与根系分布的研究四个方面介绍了近十几年来黄土高原刺槐林生长与土壤水分关系研究的最新进展。     

未来气候变化对黄土高原黑河流域水资源的影响

气候变化对黄土高原的水资源有重要影响,对其影响进行评估可以为区域发展提供重要的决策依据.基于分布式水文模型SWAT和4种全球环流模式的各3种排放情景,评估了2010～2039年黄土高塬沟壑区黑河流域水资源对气候变化的潜在响应.结果表明,黑河流域2010～2039年的年均降水变化-2.3%～7.8%,年均最高和最低温度分别升高0.7～2.2 ℃和1.2～2.8 ℃,年均径流量变化-19.8%～37.0%,1.2 m剖面年均土壤水分含量变化-5.5%～17.2%,年均蒸散量普遍增长0.1%～5.9%;水文气象变量变化趋势复杂,但T检验表明年降水、径流、土壤水分和蒸散增长的概率较大.对于季节变化,降水可能在12～7月份和9月份增长,8月份和10～11月份减少;径流在4～7月份和9～10月份增加,11～3月份和8月份减少;土壤水分在各月都增长;蒸散11～6月份普遍增长,7～10月份减少的可能性较大.未来气候将发生显著变化并对水资源有重要影响,需采取必要的措施来减缓其不利影响.     

黄土高原四种人工植物群落土壤呼吸季节变化及其影响因子

以黄土高原侧柏、柠条、沙棘和油松人工植物群落为对象,土壤呼吸日动态和季节变化及其与环境因子之间的关系,结果表明:4种植物群落土壤呼吸速率具有典型的日变化和季节变化模式, 4种群落中,以侧柏6月土壤呼吸日变幅最大,沙棘6月土壤呼吸日变幅最小,大部分群落不同月份最大土壤呼吸与最小土壤呼吸倍数在1.1～1.6之间.4种群落中,以柠条土壤呼吸季节变幅最大,侧柏最小,最大土壤呼吸与最小土壤呼吸的倍数为1.5～2.2倍之间.同一植物类型土壤呼吸具有明显的季节变化特征,其具体变化趋势因植物类型而异.4种植物群落土壤呼吸速率与土壤和大气温度以及土壤含水量的关系在不同季节表现为不同的关系,其中侧柏和柠条土壤呼吸与土壤温度均呈乘幂关系,与大气温度为指数关系.沙棘土壤呼吸与土壤温度和大气温度均为乘幂关系,油松土壤呼吸与土壤温度和大气温度均为线性关系.这表明土壤呼吸与土壤和大气温度之间的关系及其紧密程度因植被类型而异.综合分析表明,同一气候区相同环境因子对不同植物群落土壤呼吸的影响作用不同,且因其自身具有明显的季节变化,从而导致对土壤呼吸的调控作用也具有明显的季节变异模式.     

黄土区荒草地和裸地土壤水分的循环特征

在人工、天然降雨条件下,研究了黄土高原地区荒草地和裸地土壤水分循环特征.结果表明,干旱年(天然降雨条件),荒草地和裸地剖面内土壤水分变异系数随土层深度的增加而降低,基于标准差和变异系数两个指标,采用聚类分析可以将土壤剖面水分垂直变化划分为4层.丰水年(人工降雨条件),由于持续降雨入渗和强烈的蒸发蒸腾作用,荒草地和裸地剖面内土壤水分变异系数随土层深度的增加呈现“降-升-降”的变化趋势,且表层土壤水分变异程度明显降低.与裸地相比,荒草地土壤水分循环深度和强度加剧,表现为活跃层、次活跃层深度和蒸散量增大.土壤水分的动态变化主要受降雨和蒸散过程的影响,尤其是浅层,而深层具有相对滞后性.土壤水分的动态变化具有明显的季节性,一般可划分为3个主要时期,如春季失墒期、夏秋增失交替期和冬季相对稳定期.干旱年,土壤水分收支负平衡,入渗雨量全为蒸发蒸腾所消耗;丰水年,土壤水分收支正平衡,但入渗雨量的大部分(＞80%)为强烈蒸发蒸腾所消耗.     

黄土高原半干旱草地地表能量通量及闭合率

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(简称SACOL站)2008年的湍流、辐射、土壤温度和通量梯度观测资料,分析了地表能量通量的日变化、季节变化及能量分配特征,讨论了典型黄土高原沟壑区土壤热量储存对地表能量闭合率的影响.结果表明:黄土高原半干旱草地全年获得的净辐射约为2.269×103 MJ/m2,感热、潜热和土壤热通量年总量分别为1.210×103 MJ/m2、1.117×103 MJ/m2和0.069×103 MJ/m2;能量平衡各分量季节变化明显,日变化呈单峰型.从各能量分量占净辐射的比例来看,黄土高原半干旱草地净辐射主要以感热形式加热大气.草原生长期的能量闭合率为86.8％,非生长期的能量闭合率为76.5％.与未考虑0-5cm深度的土壤热量储存相比,草原生长期能量闭合率提高了11.3％,非生长期能量闭合率提高了12.0％.     

基于InVEST模型的黄土高原丘陵区水源涵养功能空间特征分析

水源涵养功能是黄土高原丘陵区生态服务的主导功能,对保障该区域生态与社会经济的可持续发展具有重要作用。以定西市安定区为例,基于InVEST模型评估了2017年的水源涵养功能及其空间分布特征,并利用空间统计方法计算了水源涵养功能的冷热点和重要性分布格局。结果表明,该区2017年在栅格单元的水源涵养量介于0-364.541 mm之间,流域单位面积平均年水源涵养量36.37 m³/hm²,水源涵养总量为11900×10⁴ m³。其中,西河流域单位面积平均年水源涵养量最高,达54.64 m³/hm²,整个区域的水源涵养功能在空间分布上呈由西南向东北逐渐减少的特征。水源涵养功能的热点区域主要集中在南部地区,热点分布呈由西南至东北逐渐降低的分布格局;冷点区面积要高于热点区面积,非显著点面积占总面积的50%以上。水源涵养功能的高度重要区和极重要区面积占总面积的34.39%,主要分布在关川河流域;一般重要区和较重要区面积占总面积的40.59%,主要分布在海拔较低的称钩河和西河流域。通过对定西市安定区水源涵养功能及冷热点和重要性的空间分布特征分析,明确了生态保护与建设的重点区域,为黄土高原丘陵区的生态与社会经济发展提供决策依据。