基于物候相机归一化植被指数估算高寒草地植物地上生物量的季节动态

准确评估地上生物量对优化草地资源管理和理解草地碳、水和能量平衡具有重要意义。该文通过近地遥感归一化植被指数(NDVI)构建最优经验模型, 对青藏高原高寒草地地上生物量进行估算。该文利用2018-2019年5-9月野外实测的地上生物量和植物冠层光谱仪(RapidSCAN)测定的NDVI_RS数据, 构建了生长季不同时期地上生物量的估算模型; 并结合2018年NetCam物候相机测定的NDVI_Cam时间序列数据, 实现地上生物量季节动态的模拟。主要结果: (1) NDVI_Cam、NDVI_RS与地上生物量具有相似的单峰型季节变化格局, 但NDVI峰值出现的时间(7月)较地上生物量(8月)更早; (2)基于NDVI的生物量估算最优经验模型在5、7和9月是幂函数, 在6和8月是二次多项式, 估算精度为0.29-0.77; (3)基于NDVI_Cam时间序列数据, 生长季不同时期建模(R² = 0.91)较单一时期(9月)建模(R² = 0.49)对地上生物量季节动态的估算更为准确。这些结果表明, 近地遥感是估算高寒草地植物地上生物量的有效手段, 开展季节性植物生长调查将有助于准确评估草地资源。     

干旱半干旱草地生态系统与土壤水分关系研究进展

研究干旱半干旱草地生态系统与土壤水分关系和相互作用机理对于揭示草地生态系统稳定性及其水土关键要素的变化过程具有重要意义。从不同界面、不同尺度综述了草地生态系统对土壤水分的影响及草地生态系统的响应与适应机制,总结了草地生态系统与土壤水分关系模型研究的相关进展,并分析了气候变化对草地生态系统和土壤水分关系的影响。草地生态系统通过影响水文过程和生态过程来影响土壤水分,土壤水分在植物生长发育、形态、生理生态过程、种间关系、群落组成和结构以及草地生态系统功能等方面对草地生态系统产生影响;充分揭示草地生态系统-土壤水分相互作用机理是模型研究的关键;气候变化对草地生态系统植物与土壤水分关系具有重要影响。今后应加强以下研究:1)开展草地不同优势种和植物功能型与土壤水分关系的研究,找出能反映植物对土壤水分响应的性状指标,阈值响应点及适应机制;2)注重对不同时间和空间尺度上的转换和比较;3)加强个体、群体和生态系统尺度草地植物生长模型的研究及其与土壤-植被-大气水分传输模型的耦合;4)加强草地生态系统与土壤水分关系对气候变化响应的研究。     

松嫩平原碱化草地植物-环境系统的仿真模拟

 本研究以系统仿真的方法对松嫩平原碱化草地植物—环境系统进行模拟。模型的系统变量包括植物种的地上、地下生物量,土壤水分、有机质。可溶性和交换性Na+和Ca++浓度和植物的凋落物生物量。模型所考虑的过程有：不同土壤碱化条件下的植物生长季节动态;土壤水、盐运动;植物的蒸腾作用;土壤表面的蒸发;凋落物的积累和分解;土壤有机质的积累和矿化;地下生物量对土壤持水和导水特性的控制作用,以及收获强度对系统平衡的影响等。模型成功地解释了植物生物量形成过程与环境之间的动态耦合、相关作用。模拟结果说明：与地下生物量密切相关的土壤非毛管孔隙度与土壤的碱化和脱碱过程有极强的相关作用,这种作用是通过改变土壤的饱和持水量来实现的。非毛管孔隙度随地下生物量增加,导致饱和含水量增加和脱碱作用加强。收获强度过大导致地下生物量的减少、非毛管孔隙度的减少和碱化作用的加强。     

松嫩平原碱化草地植物－环境系统的仿真模拟

本研究以系统仿真的方法对松嫩平原碱化草地植物－环境系统进行模拟。模型的系统变量包括植物种的地上、地下生物量,土壤水分、有机质、可溶性和交换性Ｎａ￣＋和Ｃａ￣＋＋浓度和植物的凋落物生物量。模型所考虑的过程有：不同土壤碱化条件下的植物生长季节动态;土壤水、盐运动;植物的蒸腾作用;土壤表面的蒸发;凋落物的积累和分解;土壤有机质的积累和矿化;地下生物量对土壤持水和导水特性的控制作用,以及收获强度对系统平衡的影响等。模型成功地解释了植物生物量形成过程与环境之间的动态耦合、相关作用。模拟结果说明：与地下生物量密切相关的土壤非毛管孔隙度与土壤的碱化和脱碱过程有极强的相关作用,这种作用是通过改变土壤的饱和持水量来实现的。非毛管孔隙度随地下生物量增加．导致饱和含水量增加和脱碱作用加强。收获强度过大导致地下生物量的减少、非毛管孔隙度的减少和碱化作用的加强。     

红松洼自然保护区草地群落物种多样性和土壤肥力与地上生物量的相关性研究

物种多样性与生物量之间的关系已经成为现代生态学研究的重要问题, 而土壤肥力也是影响生物量的重要因素。 文章以红松洼自然保护区为例, 通过对红松洼自然保护区核心区和实验区植物的种类、数量、高度、盖度、物候期的实地采样调查, 以及对两区土壤的含水量、有机质含量、全氮含量、全磷含量的实地采样调查, 系统地分析了红松洼自然保护区植物物种多样性、土壤肥力与草地地上生物量三者之间的相关性。结果表明, 草地群落植物物种多样性与草地地上生物量呈显著正相关(P＜0.05), 植物物种多样性指数、均匀度指数与草地地上生物量也呈显著的正相关(P＜0.05), 土壤肥力中土壤水分、土壤全氮含量与草地地上生物量之间并无显著相关性(P＞0.05), 但是与土壤有机质含量呈显著的正相关性(P＜0.05), 与土壤全磷呈显著的负相关性(r＜0)。揭示可以通过提高植物物种多样性和土壤有机质含量来提高草地地上生物量。     

阔叶红松林下6种早夏草本不同生长期生物量分配及模型构建

早夏草本植物作为阔叶红松林林下的一类优势物种,对整个生长季林下草本物种多样性和生物量具有重要影响,对其不同生长阶段生物量分配特征及生物量模型的研究有助于了解该类植物生存策略和碳汇储量。以吉林省蛟河地区阔叶红松林林下的白花碎米荠(Cardamine leucantha)、北重楼(Paris verticillata)、鹿药(Smilacina japonica)、美汉草(Meehania fargesii)、山茄子(Anisodus acutangulus)和紫花变豆菜(Sanicula rubriflora)6种早夏草本植物为研究对象,从4月初到8月底对其物候期进行观察记录,定期取样,从而对6种植物不同生长时期各组分生物量分配特征,地上与地下生物量相对生长关系进行分析研究,并以株高级为自变量建立5种形式(一元线性模型、一元二次模型、指数模型、幂函数模型、对数模型)的单种和混种生物量模型,选取最优模型进行验证。结果表明,6种早夏草本植物花期一般开始于4月底结束于6月中旬,果期开始于5月底结束于8月中旬,不同植物的花、果期持续时间差异较大。生长期内,随着植物生长,株高、生物量和根冠比(R/S)变化明显,但变化趋势不一致。不同物种各组分生物量分配存在差异,用于繁殖的生物量分配比例较小,通常不超过5%。所有物种AGB和BGB间均具有明显的相对生长关系(P0.0001),且均表现为异速生长(相关生长指数a≠1)。根据R~2和SEE选取最优生物量模型,其中幂函数模型形式最常用,其次是一元二次和指数模型。所有最优模型的R~2均较高且SEE较低,拟合效果较好,其中AGB和TB的最优模型要优于BGB,单种模型优于混种模型;通过验证,除混合模型BGB的RMA(30.679%)稍大于30%外,所有模型的RS、EE和RMA均小于30%,P值均大于80%,说明所建立的最优模型能够用来对该地区阔叶红松林林下早夏草本植物生物量进行估算。     

中国草地生物量地上-地下分配格局: 基于个体水平的研究

生物量的地上-地下分配反映了植物的生长策略, 并且生物量地上-地下分配会影响土壤碳输入进而影响陆地生态系统碳循环. 然而, 根系采样的困难使得作为陆地生态系统碳循环模型中重要参数的地下-地上生物量比(R/S)存在很大不确定性. 2006~2007年, 分别对内蒙温带草地19个样地中的42个优势物种, 以及青藏高寒草地16个样地中53个优势物种的地上生物量与地下生物量进行了调查, 试图揭示个体水平上草地生物量的地上-地下分配格局及其与环境因素的关系, 同时与群落水平的观测结果进行比较. 总体上, 中国草地物种的地下-地上生物量比的中值为0.78, 其中青藏高寒草地植物个体的R/S低于内蒙温带草地, 青藏高寒草地植物个体地上生物量与地下生物量相关生长关系的斜率显著低于内蒙温带草地植物. 中国草地植物个体水平的地下-地上生物分配并不支持等速生长假说. 中国草地植物个体水平的地下-地上生物量比随年均温和年降水没有明显变化趋势. 群落水平与个体水平的R/S存在很大差异, 可能的原因是个体水平根系采样不全而低估了R/S, 而群落采样低估了地上生物量同时高估了地下生物量致使R/S 被高估. 结果表明, 如果用之前报道的R/S可能会高估草地地下生物量.     

高寒山区混播草地燕麦和毛苕子生物量分配格局对组分密度比的响应

密度梯度对植物生物量分配格局的制约影响到混播草地在生态和生产上表现.2010年6-9月采用取代系列实验方法,在石羊河上游建立1年生人工混播草地,按燕麦(Avena sativa L.)与毛苕子(Vicia villosa Roth)的密度比例设置A(8∶2)、B(6∶4)、C(5∶5)、D(4∶6)和E(2∶8)5个处理,研究了密度对燕麦与毛苕子生物量分配格局的影响.结果表明:混播草地中随着燕麦相对密度的减小和毛苕子相对密度的增大,燕麦根系生物量先减小后增大最后再减小的趋势与毛苕子相反,燕麦和毛苕子茎、叶生物量先减小后增大;随着牧草的生长,5种混播草地中燕麦和毛苕子茎生物量分配比例逐渐增加,叶、根生物量分配比例逐渐减少.密度制约下混播牧草资源分配策略发生的调整,证明了植物地上部分对光竞争的不对称性和地下部分对资源竞争的对称性,毛苕子攀援生长及其对燕麦茎秆的压力使植物茎秆生物量分配比例较高,实现了资源利用的最大化.     

科尔沁沙质草地生物量积累过程对降水变化的响应模拟

科尔沁沙地是中国北方严重的沙漠化区域之一,理解其沙质草地生物量积累对降水变化的响应有利于该区域的生态恢复和后续经营管理。在植被-土壤水分耦合模型的基础上结合植被阈值-迟滞响应模式(T-D),在点尺度上模拟科尔沁沙质草地生长季植被生物量积累过程对降水变化的响应。结果表明(1)植被生物量积累对降水量变化表现出明显的非线性响应。降水量增加,促进植被生物量积累,反之则抑制生物量积累,但在同等程度的降水量变化下生物量积累对降水增加的响应远大于对降水量减少的响应。(2)生物量积累对降水频率变化的响应与单次有效降水量变化在干旱年和湿润年都显著正相关,但与累计有效降水量相关性微弱,而与有效降水间隔变化只在干旱年显著相关,表明在不同年份间降水频率变化实际上通过改变单次有效降水量和有效降水间隔来影响生物量的积累。(3)生物量积累过程对降水频率变化存在明显的响应阈值,但该阈值在不同的降水量和降水特征下并不相同。科尔沁沙质草地植被生物量积累过程对降水变化有明显的响应,植被-土壤水分耦合模拟与T-D模型的结合能有效地在日尺度上识别这种响应,这为探究植被和降水关系提供了新工具。     

黄土丘陵区沙打旺草地土壤水分过耗与恢复

研究了黄土丘陵区沙打旺 (Astragalusadsurgens)草地土壤水分的动态规律和恢复过程及人为调控土壤水分的效果。结果表明 :沙打旺在该区生长年限为 6～ 7a,生物量形成的高峰期在第 3～ 4年 ,之后土壤水分大量亏缺 ,生物量逐年下降 ,第 6年生物量和水分均下降到最低点。同时土壤水分的消耗深度与根系的分布相一致 ,土壤干层主要集中在根系分布的密集区 0 .3～0 .8m。随着沙打旺生长年限的延长及根系的下扎 ,土壤干层逐渐加深 ,3～ 6年生沙打旺草地土壤干层平均厚度为 2 .3m;土壤水分要自然恢复到种植前的含水量需要 6～ 7a;通过水平阶和水平沟整地进行人工调控 ,土壤水分比自然恢复可提前 2～ 3a,一般需要 4～ 5 a的时间即可恢复正常     

植被系统中植物与环境因子相互作用的动态模拟

本文在综合考虑现有植被发展动态模型的基础上提出包含植被,环境因子,人类或其它外力干扰三者间相互作用情况下的植被系统一般动态模型,并从控制论的角度阐述了植被与环境因子间的耦合,反馈作用。最后以线性逼近和微分拟合的方法求取模型的局部解,进而作出外延预测。实例分析表明,模型预测对实际观测有较好的跟踪性能。     

浙江东部常绿阔叶林次生演替的随机过程模型

 植物群落次生演替过程的有限序列在一定意义上构成一随机过程。浙江东部常绿阔叶林次生演替的随机过程系统可以近似地看成线性系统,因而可以用马尔可夫过程描述。本文以群落主要乔木优势种作为马尔可夫过程的状态变量。用“空间序列代替时间序列”的研究方法测得自然次生演替过程和干扰次生演替过程群落主要优势乔木种的更新概率,以此建立了马尔可夫过程的一步平稳转移概率矩阵。应用马尔可夫链模型对常绿阔叶林的自然和干扰次生演替过程进行了模拟。模型还给出了次生演替过程群落主要优势乔木种类的数量动态,为深入研究常绿阔叶林次生演替规律以及林业生产和管理等提供了依据。     

Desorption of Nitroaromatic Compounds From Explosive-contaminated Soil by Washing

The soil contaminated by explosive production wastewater was treated by washing using water as solvent. The effect of contact time and temperature, water/soil ratio and washing steps on desorption efficiency was investigated. Six kinetic models—parabolic diffusion model, zero-order equation, pseudo-first-order equation, pseudo-second-order equation, power function equation and Elovich equation—were used to study the desorption kinetics of nitroaromatic compounds from contaminated soil to water. The eluent of contaminated soil before and after washing was characterized by UV–vis analysis. The results showed that the removal rate was fast at the initial stage and then slowed down after 60 min. The desorption of contaminants from soil to water is endothermic. Washing with small quantities of water in high frequency is preferred when water volume is limited. The pseudo-second-order model can be used to describe the desorption process. Soil washing can remove most of the contaminants from the contaminated soil.     

Thermodynamics of water–biopolymer interactions: Irreversible sorption by a single,uniform sorbent phase

Sorption isotherms of water vapor by solid biopolymers are necessary for the determination of thermodynamic quantities for water–biopolymer interactions. Such isotherms are generally irreversible, so equilibrium thermodynamics may not be applicable. General relationships are derived for thermodynamic quantities of sorption when the sorbent is a single uniform phase. In general, use of the Clausius–Clapeyron equation allows correct determination of differential entropies of sorption. However, calorimetric data are also necessary for the correct determination of other thermodynamic quantities. The single uniform phase model appears more useful than a domain model in explaining the hysteresis seen in water–biopolymer sorption isotherms.     

A one-dimensional model of water flow in soil-plant systems based on plant architecture

The estimation of root water uptake and water flow in plants is crucial to quantify transpiration and hence the water exchange between land surface and atmosphere. In particular the soil water extraction by plant roots which provides the water supply of plants is a highly dynamic and non-linear process interacting with soil transport processes that are mainly determined by the natural soil variability at different scales. To better consider this root-soil interaction we extended and further developed a finite element tree hydro-dynamics model based on the one-dimensional (1D) porous media equation. This is achieved by including in addition to the explicit three-dimensional (3D) architectural representation of the tree crown a corresponding 3D characterisation of the root system. This 1D xylem water flow model was then coupled to a soil water flow model derived also from the 1D porous media equation. We apply the new model to conduct sensitivity analysis of root water uptake and transpiration dynamics and compare the results to simulation results obtained by using a 3D model of soil water flow and root water uptake. Based on data from lysimeter experiments with young European beech trees (Fagus silvatica L.) is shown, that the model is able to correctly describe transpiration and soil water flow. In conclusion, compared to a fully 3D model the 1D porous media approach provides a computationally efficient alternative, able to reproduce the main mechanisms of plant hydro-dynamics including root water uptake from soil.     

丘陵红粘土旱地冬小麦根系生长规律的研究

 对豫西丘陵红粘土旱地小麦根系生长规律进行的研究结果表明：初生根、次生根长度和根条数均随生育期后延而增加,根系最大入土深度可达340cm,根系生物量(Y,kg·hm-2的增长为5次曲线方程：Y＝495.195-40.980X+1.3530X2-0.014985X3+0.0000699X4+0.000000116X5,表现出越冬前和冬后至抽穗期两个增长高峰,各生育期根条数和根系生物量在土体中的分布均符合Y=ae-bx的由上到下的负指数递减方程;土壤含水量与根系生长的关系表现为,当土壤含水量低于16％时,根系和地上部分均不能正常生长,根系入土深度(Y,cm)和根尖处土壤含水量(X,％)的函数关系为：Y＝2.009e0.2204X;次生根的发生与主茎叶片数没有明显的对应关系,而与分蘖的发生相对应,根系干物质积累与地上部分干物质积累存在着正向协同关系;初生根条数增加可显著增加成穗数,次生根条数增加则主要对穗粒数和千粒重有促进作用;用叶面宝、磷酸二氢钾等微肥、激素浸种可有效增加根的数量和根系入土深度,促进根系干物质和地上部分干物质的积累,增加成穗数和穗粒数,显著提高小麦产量。     

Effect of temperature on plant elongation and cell wall extensibility

Lockhart equation was derived for explaining plant cell expansion where both cell wall extension and water uptake must occur concomitantly. Its fundamental contribution was to express turgor pressure explicitly in terms of osmosis and wall mechanics. Here we present a new equation in which pressure is determined by temperature. It also accounts for the role of osmosis and consequently the role of water uptake in growing cell. By adopting literature data, we also attempt to report theoretically the close relation between plant elongation and cell wall extensibility. This is accomplished by the modified equation of growth solved for various temperatures in case of two different species. The results enable to interpret empirical data in terms of our model and fully confirm its applicability to the investigation of the problem of plant cell extensibility in function of environmental temperature. Moreover, by separating elastic effects from growth process we specified the characteristic temperature common for both processes which corresponds to the resonance energy of biochemical reactions as well as to the rapid softening of the elastic modes toward the high temperature end where we encountered viscoelastic and/or plastic behavior as dominating. By introducing analytical formulae connected with growth and elastic properties of the cell wall, we conclude with the statement how these both processes contribute quantitatively to the resonance-like shape of the elongation curve. In addition, the tension versus temperature "phase diagram" for a living plant cell is presented.     

Modelling competition for water in intercrops: theory and comparison with field experiments

A knowledge of plant interactions above and below ground with respect to water is essential to understand the performance of intercrop systems. In this study, a physically based framework is proposed to analyse the competition for soil water in the case of intercropped plants. A radiative transfer model, associated with a transpiration-partitioning model based on a modified form of the Penman-Monteith equation, was used to estimate the evaporative demand of maize (Zea mays L.) and sorghum ( Sorghum vulgare R.) intercrops. In order to model soil–root water transport, the root water potential of each species was calculated so as to minimise the difference between the evaporative demand and the amount of water taken up by each species. A characterisation of the micrometeorological conditions (net radiation, photosynthetically active radiation, air temperature and humidity, rain), plant water relations (leaf area index, leaf water potential, stomatal conductance, sap flow measurements), as well as the two-component root systems and water balance (soil–root impacts, soil evaporation) was carried out during a 7-day experiment with densities of about 4.2 plant m-2 for both maize and sorghum. Comparison of the measured and calculated transpiration values shows that the slopes of the measured versus predicted regression lines for hourly transpiration were 0.823 and 0.778 for maize and sorghum, respectively. Overall trends in the variation of volumetric water content profiles are also reasonably well described. This model could be useful for analysing competition where several root systems are present under various environmental conditions.