干旱荒漠区斑块状植被空间格局及其防沙效应研究进展

斑块状植被相对稳定的空间格局是其适应环境的结果,也是干旱区植被存在的主要形式.干旱荒漠区植被对土壤风蚀的防护功能不仅与盖度、高度有关,而且与植被空间格局有关.以往的研究多侧重于植被盖度和高度对防护功能的影响,而对植被格局影响防沙效应的研究相对薄弱.干旱区斑块状格局的植被能否防沙、防沙效应如何一直是防沙治沙工程研究中的焦点问题.综述了干旱区斑块状植被空间格局特征、形成演化及防风固沙效应等方面的研究进展,提出未来应借助3S技术手段和模型模拟方法,加强对斑块状植被空间格局与风蚀风积过程的互馈关系、斑块动态的驱动因素和斑块状植被格局防沙功能的尺度效应研究.     

干旱半干旱区坡面覆被格局的水土流失效应研究进展

植被恢复与建设是控制水土流失的重要措施.在干旱半干旱地区,植被在空间上的分布呈现离散特征,在坡面上形成的裸地-植被镶嵌和植被条带分布等覆被格局对水土流失过程具有重要影响.覆被格局与水土流失关系研究是景观生态学格局与过程研究的重要内容.从植被斑块、坡面覆被格局对水土流失的影响与耦合覆被格局与水土流失的手段和方法三个方面对国内外相关研究进行总结分析.从中发现,植被类型、层次结构和形态特征是植被斑块尺度上影响径流泥沙的关键因素;不同覆被类型的产流产沙特征与覆被格局的准确描述是研究覆被格局水土流失效应的重要基础;坡面覆被格局对水土流失的影响关键在于其改变了径流泥沙运移和汇集的连续性,应重点关注径流泥沙源汇区的连通性和空间分布在水土流失中的作用;以坡面的精确覆被制图为基础,建立基于水土流失过程的覆被格局指数和耦合格局信息的径流与侵蚀模型是定量研究覆被格局影响的有效手段.今后应加强以下研究:以动态系统的观点研究覆被格局的变化对水土流失的影响,系统理解覆被格局与水土流失之间的相互联系与反馈机制,探讨两者间动态关系随尺度变化的规律性并发展尺度上推方法;构建过程意义明确且简单实用的格局指数,将覆被格局与水土流失过程有机联系起来;发展覆被格局的动态信息与产流产沙过程相结合的水文模型,加强对格局与径流泥沙反馈系统的耦合,建立真正意义上的覆被格局-水土流失过程耦合模型.     

干旱半干旱区植被生态需水量计算方法评述

植被是生态系统的重要组成部分,在维持生态系统的平衡和稳定中起着重要的作用。对植被生态需水研究已成为水资源优化配置和生态环境建设研究中的热点问题。在综合分析有关研究文献的基础上,介绍了植被生态需水的概念。对干旱半干旱区植被生态需水量常用的几种计算方法——面积定额法、潜水蒸发法、植物蒸散发量法、水量平衡法、生物量法、基于遥感技术的计算法进行了详细综述,并对这些方法在实际应用中的优缺点予以评析。最后指出在“3S”技术应用、数值模型建立、尺度转换等方面加强研究,应是未来植被生态需水量计算方法完善创新的方向。     

中国干旱半干旱区潜在植被演替

研究中国干旱半干旱区植被背景,成为其生态环境建设方面的基础性和指导性的工作。潜在植被作为一种与所处立地达到平衡的演替终态,反映的是无人类干扰的情况下,立地所能发育形成的最稳定成熟的一种顶极植被类型,是一个地区现状植被的发展趋势,对本地区植被生态的恢复和重建具有重要的指导意义。以综合顺序分类法为基本理论方法,在GIS研究方法支持下,采用中国干旱半干旱区119个气象观测站1961-2005年的年降水数据与115个气象观测站1961-2005的>0℃年积温数据,以15a的年平均数据为时间周期,对中国干旱半干旱区潜在植被的演替进行了分析,得出了以下结论:在中国干旱半干旱区,潜在植被类型之间发生了复杂的演替过程。1961-1975年间,分布在中国干旱半干旱区的潜在植被有10种类型,由于气候变化,到20世纪90年代后期仅剩6种类型。在潜在植被类型之间的转化特征与数量方面,表现出3种特点,稳定减少、稳定增加与波动性变化。在潜在植被类型地理分布格局变化与发展方向方面,演替明显的地区主要有:吐鲁番盆地、锡林郭勒高原北部、呼伦贝尔高原、太平岭地区;在发展方向上,潜在植被的空间变化方向(演替方向)均异。潜在植被类型演替的驱动因素主要是气候变化条件下,影响植被分布的水热条件发生了改变。     

干旱地区斑块状植被格局形成的水分驱动机制及其研究进展

斑块状分布是植被在水分匮乏环境中长期适应的结果,其演替过程可以作为生态系统响应气候变化和人类活动产生突变的"指示器"。本文通过对斑块状植被的起源、生态水文过程及其对干旱区植被恢复的启示等方面进行综述,提出了我国干旱区植被恢复中目前尚存在的主要问题。认为斑块状植被的形成可能受气候变化、人类活动、植物自身的生物学特性及其对环境胁迫的适应等方面的影响,但不是主要因素,植被斑块和裸地斑块之间在不同空间尺度的水分再分配是其在干旱半干旱地区形成并且能够维持稳定的关键。斑块状植被是一个高效的雨水集流系统,裸地斑块是整个系统径流的"源",而植被斑块是整个系统径流的"汇",保护植被斑块的同时维持一定面积的裸地对于整个生态系统的稳定都具有极其重要的意义。斑块状植被也是一个非常脆弱的生态系统,气候的剧烈波动以及人类的过度活动都可能导致生态系统功能丧失,最终产生不可逆转的影响,因此需要加以严格保护。     

中国干旱半干旱区植被降水利用效率时空变化特征及影响因素分析

植被的降水利用效率（Precipitation use efficiency,PUE）是表征植被生产力对降水量时空动态变化响应特征的重要指示器,对了解干旱环境下植被生产力的变化尤为关键。基于中国干旱半干旱区2000-2020年的植被净初级生产力、降水量、气温、土地利用类型和地形等数据,分析了中国干旱半干旱区植被降水利用效率的时空特征及其变化趋势,探究了植被PUE与气候因子的关联以及气候变化下土地利用和地形对植被PUE的影响。研究结果表明：（1）2000-2020年中国干旱半干旱区植被平均PUE为0.41 g C m^-2 mm^-1,不同土地利用类型下植被PUE的大小顺序为：草地<湿地<灌木<耕地<林地。（2）植被PUE年际变化整体呈现波动上升趋势,上升速率为0.004 g C m^-2 mm^-1,其中呈现显著改善趋势的面积占总面积的12.24%。（3）气温升高在不同程度上对大多数植被PUE起到促进作用,而降水增多则会抑制绝大多数区域的植被PUE。植被较少的区域,植被降水利用效率与气温、降水两气候因子基本无关。（4）随着海拔的升高,植被PUE呈现出先减后增再减的趋势。随着海拔的变化,气温依然与植被PUE呈正相关,降水依然与植被PUE呈负相关。研究结果可为中国干旱半干旱区生态系统保护、恢复以及可持续利用提供科学参考。     

环境因素对干旱半干旱区凋落物分解的影响研究进展

凋落物分解是干旱半干旱区重要的生化过程,也是区域内物质周转与能量流动的关键生态环节,主要受气候、凋落物基质质量（简称凋落物质量）和土壤生物群落等因素的综合影响.本文综合评述了非生物因素(温度、降水、光辐射、土壤有机质等)和生物因素(凋落物质量、土壤微生物、种群组成和群落结构等)对干旱半干旱地区凋落物分解的影响的相关研究进展.在诸多影响因素中,降水与光辐射是最重要的限制因素.降水能够在短期内使凋落物分解速率迅速增加,而干旱半干旱区光照强度大、时间长,UV B引起的光矿化效应能较好地解释区域内凋落物分解规律.凋落物质量和群落结构主要受生态系统类型的影响,属于长期效应.今后凋落物生态研究的重点主要为全球气候变化下各环境因素的交互作用,不同尺度下凋落物分解过程与格局的变化,以及多因素交互作用凋落物分解模型的构建等方面.     

干旱半干旱区不同环境因素对土壤呼吸影响研究进展

土壤呼吸是全球陆地生态系统碳循环的重要环节,也是全球气候变化的关键生态过程。阐明和探讨影响土壤呼吸的各类环境因素,对准确评估陆地生态系统碳收支具有重要意义。干旱半干旱区是陆地生态系统的重要组成部分,研究该区域影响土壤呼吸的环境因素有助于深刻了解干旱半干旱区土壤碳循环过程。就土壤温度、土壤水分、降水、土壤有机质等非生物因子及植被类型、地上、地下生物量、土壤凋落物等生物因子两个方面对土壤呼吸的影响进行了综述。以干旱半干旱区的研究进展为主要论述对象,在上述因素中重点阐述了土壤温度、水分及其耦合作用下土壤呼吸的响应,并就土壤呼吸的Q10值及各影响因素间的交互作用进行归纳总结。在此基础上,说明了土壤温度和水分是影响干旱半干旱区土壤呼吸的主要因素。为了更准确的估算干旱半干旱区土壤呼吸速率,综合分析多种因子的交互影响,提出目前土壤呼吸研究存在的问题和今后重点关注的方向:1)不同尺度下干旱半干旱区土壤呼吸的研究;2)荒漠生态系统土壤呼吸研究;3)非生长季土壤呼吸研究;4)多因素协同作用土壤呼吸模型建立;5)测量方法的改进与完善。     

干旱半干旱区生态系统凝结水的影响因素及其作用研究进展

凝结水是干旱半干旱生态系统重要的水分补给来源,对于维持生态系统功能具有重要意义。综述了干旱半干旱生态系统气象条件、地形环境和植被属性等因素对凝结水形成的影响,以及气候和环境变化对凝结水产量的影响机制。在此基础上,进一步从植被生长、生物土壤结皮、小型动物、微生物和地表水热平衡过程等方面,探讨了凝结水产量变化对干旱半干旱生态系统组成和过程的重要作用。最后对未来相关研究提出以下建议：（1）增加长时间序列的凝结水观测数据分析,（2）系统探讨凝结水对干旱半干旱区生态系统功能的综合影响,并（3）完善气候变化背景下凝结水与生态系统关系的相关研究。本文旨在对该领域的未来研究提出综述、建议和展望。     

干旱半干旱区地下水埋深对沙地植物土壤系统演变的驱动作用综述

在干旱半干旱生态脆弱区,地下水是限制植物种类组成、数量和生长发育的关键因素之一。近年来由于气候变化与土地利用强度的增加,我国北方普遍出现以极端气候变化、地表水体萎缩和地下水位下降为特征的生态过程,对区域生态系统安全和可持续发展构成严重威胁。而有关干旱半干旱区地下水埋深变化驱动退化植被恢复和稳定性维持方面的系统研究尚存不足。系统总结了地下水埋深变化分别对植物、土壤产生的影响及其三者间相互作用关系,比较分析了前人的研究成果,归纳总结了地下水埋深变化的驱动作用和影响因素,以及干旱半干旱区地下水埋深变化对植物土壤系统影响的预测模型研究,以期为今后应对地下水埋深变化制定生态保护策略提供理论指导依据。对本研究做了展望。     

Precise vegetation restoration in arid regions based on potential natural vegetation and potential normalized difference vegetation index

Precise vegetation restoration is critical in drylands, as some inappropriate restoration attempts have even increased water scarcity and degradation in afforestation areas. Potential natural vegetation (PNV) is widely used to provide a reference for the appropriate location and vegetation type of restoration programs while the appropriate restored areas remain unknown. Therefore, we proposed a PNV–potential normalized difference vegetation index (PNDVI) coupling framework based on multiple machine learning (ML) algorithms for precise dryland vegetation restoration. Taking the lower Tarim River Basin (LTRB) with a total area of 1,182 km² as a case study, its present suitable restoration locations, area, and appropriate planting species were quantitatively estimated. The results showed that the model developed by incorporating PNDVI into PNV with easily measurable and available data such as temperature and soil properties can accurately identify dryland restoration patterns. In LTRB, the potentially suitable habitats of trees and grass are closer to the riverbank, while shrubby habitats are further away from the course, covering 1.88, 2.96, and 25.12 km², respectively. There is still enormous land potential for further expansion of the current trees and grass in the LTRB, with 2.56 and 1.54% of existing land supposed to be trees and grass, respectively. This study's novel aspect is combining PNV and PNDVI to quantify and estimate precise restoration patterns through multiple ML algorithms. The model developed here can be used to evaluate the suitable reforestation locations, area, and vegetation types in drylands and to provide a basis for precise vegetation restoration.     

干旱区典型盐生植物群落下土壤微生物群落特征

运用Biolog技术,对干旱区玛纳斯河流域扇缘带的6种典型盐生植物群落下土壤微生物群落特征差异性进行了研究,探讨不同植物群落对土壤微生物群落的影响。结果表明:不同盐生植物群落土壤平均颜色变化率(AWCD)随培养时间的延长而逐渐增加,大小顺序依次为:梭梭花花柴白刺绢蒿柽柳雾冰藜,且差异显著。不同植物群落土壤微生物对6类碳源利用差异显著(P0.05),其中梭梭群落利用率最高,雾冰藜群落利用率最低。碳水化合物类和氨基酸类是主要碳源,胺类的利用率最低。主成分分析(PCA)表明,在31种因子中提取的2个主成分因子,分别可以解释所有变量方差的41.51%和25.35%,对PC1和PC2起分异作用的主要碳源分别为碳水化合物类和氨基酸类。土壤微生物群落Shannon指数、Simpson指数上,除雾冰藜群落较低,其他群落之间均差异不显著(P0.05)。植物群落Margalef指数,Shannon指数和Simpson指数上,均为绢蒿,梭梭和柽柳群落较为优势。相关性分析表明,植物群落多样性指数与土壤微生物多样性指数呈显著正相关关系(P0.05),说明了植物多样性越丰富,土壤微生物越丰富。总体来说,干旱区不同盐生植物群落对土壤微生物群落多样性具有重要影响。其中,梭梭群落的土壤微生物群落具有较强的微生物总体活性和功能多样性。     

Nonlinear stability analyses of vegetative pattern formation in an arid environment

The development of spontaneous stationary vegetative patterns in an arid isotropic homogeneous environment is investigated by means of various weakly nonlinear stability analyses applied to the appropriate governing equation for this phenomenon. In particular, that process can be represented by a fourth-order partial differential time-evolution logistic equation for the total plant biomass per unit area divided by the carrying capacity of its territory and defined on an unbounded flat spatial domain. Those patterns that consist of parallel stripes, labyrinth-like mazes, rhombic arrays of rectangular patches, and hexagonal distributions of spots or gaps are generated by the balance between the effects of short-range facilitation and long-range competition. Then those theoretical predictions are compared with both relevant observational evidence and existing numerical simulations as well as placed in the context of the results from some recent nonlinear pattern formation studies.     

干旱半干旱区不同林型人工林水源涵养能力比较研究

通过引入模糊物元模型优化水源涵养能力估算方法,从而为研究区林分结构调整、水源涵养能力提升提供科学依据。运用欧式贴近度,以青海省大通县塔尔沟小流域6种不同林型人工林云杉×白桦混交林（YB）、云杉×青杨混交林（YQ）、云杉×落叶松混交林（YL）、云杉纯林（Y）、落叶松纯林（L）、青杨纯林（Q）作为研究对象,定量评价其水源涵养能力。结果表明：欧式贴近度大小排序为YB （0.794） > YQ （0.723） > YL （0.655） > Y （0.494） > L （0.416） > Q （0.270）,欧式贴近度越大,该林分类型水源涵养能力更强。6种林型中,白桦×青杨混交林水源涵养能力最强,青杨林水源涵养能力最差。     

干旱、半干旱区湖泊周围盐生植物群落的多样性格局及特点

干旱、半干旱地区湖泊周围是盐渍化土壤的主要分布区,盐渍化是荒漠化的主要类型之一。目前,关于盐生植被的分布格局及群落多样性随着盐渍化程度加深的动态变化的研究仍很缺乏, 为阐释这种关系,作者在内蒙古干旱、半干旱地区选择吉兰泰(盐池)、乌梁素海、查干诺尔(碱矿)以及额吉诺尔(盐池)等4个湖泊,研究了其周围盐生植物群落的物种组成、分布特征以及群落结构的差异, 讨论了群落多样性沿盐分梯度的变化特点, 并在此基础上探讨了盐生植物群落对土壤盐分环境的指示意义。为建立群落耐盐值与群落多样性的关系,我们计算了群落耐盐值。结果表明, 盐生植物群落沿盐湖呈明显的环带状分布;随着土壤盐渍化程度的增加, 按照芨芨草群落(Comm. Achnatherum splendens)、盐爪爪群落(Comm. Kalidium foliatum)、盐角草群落(Comm. Salicornia europaea)和碱蓬群落(Comm. Suaeda glauca)的顺序演替, 而且物种种类趋向单一化, 群落结构趋向简单化。群落的物种多样性和群落间物种的替代速率都随土壤盐分的增加而减小, 而群落间物种的相似性则增加。区域性气候特点对盐生植物群落的特征也会产生一定的影响, 特别是在低盐渍化的条件下, 这种影响比较显著, 使得盐生植物群落体现出地带性的特点, 而随着土壤盐渍化程度的提高, 盐生植物群落的隐域性特征更为突出。因此, 这一地区的盐生植被又呈现出非常明显的地带性植被向非地带性植被过渡的特点。