基于ARIMA-ANN模型的生态安全评价及预测——以河西走廊城市群为例

生态安全是社会经济可持续发展的基本保障,研究区域生态安全时空格局历史演变与发展趋势具有重要意义。本文选取河西走廊地区5个地级市为对象,建立基于PSR-EES模型的生态安全评价指标体系,采用综合指数法计量其2008-2017年期间10年生态安全值,进而采用ARIMA-ANN模型预测未来该区域生态安全变化趋势。结果表明:河西走廊地区生态安全呈波动上升状态,演变特征与区域的生态保护规划与政策措施相吻合;各地级市生态安全等级与理想状态存在不同程度的差距;张掖、金昌、酒泉三市存在一定的生态风险;采用ARIMA单项模型、ARIMA-ANN组合模型对河西走廊区域生态安全变化趋势进行预测的平均相对误差、相关系数分别为2.01%、0.8852(ARIMA)和1.09%、0.9665(ARIMA-ANN);ARIMA-ANN组合模型预测河西走廊地区2020年的生态安全值达0.8107,处于V级。本研究证明,ARIMA-ANN组合模型在区域生态安全演变评价和发展趋势预测中获得较高的准确度和精度,对优化区域生态空间布局和安全管理具有实践价值。     

氮添加与降雨变化对红砂幼苗非结构性碳水化合物的影响

非结构性碳水化合物(NSC)在植物体内的含量及分配对植物生长和存活至关重要。开展氮沉降和降雨变化对幼苗NSC影响的研究,为揭示干旱导致幼苗死亡机理及预测气候变化背景下幼苗自然更新及培育提供依据。本研究以1年生红砂幼苗为对象,测定了不同降雨(降雨减少(W-)、自然降水(W)和降雨增多(W+))和氮添加(N0(0 g N·m^-2·a^-1)、N1(4.6 g N·m^-2·a^-1)、N2(9.2 g N·m^-2·a^-1)、N3(13.8 g N·m^-2·a^-1))条件下红砂幼苗各器官NSC及其组分含量。结果表明:红砂幼苗各器官NSC含量为28.8~71.8mg·g-1,叶片含量最高,茎含量最低。氮添加和降雨变化对红砂幼苗叶片和根系淀粉及总NSC含量有显著影响,而对茎无显著影响。各降雨条件下,氮添加均促进了红砂幼苗叶片淀粉和总NSC累积,在降雨增加30%的条件下氮的促进效应更显著,中高氮(N2和N3)叶片淀粉与总NSC含量显著高于低氮水平(N1和N0);在低氮降雨减少30%(N1W-)处理下,红砂叶片淀粉和NSC含量最小,而根系淀粉和NSC含量最大,即低氮干旱胁迫下红砂可通过NSC在不同器官的重新分配来适应胁迫环境。在自然降雨和降雨增加30%情况下,根系淀粉和NSC的含量随氮添加的增加而减小,且中高氮处理(N2和N3)显著低于对照(N0)。可见,叶片是红砂NSC的源,氮添加会促进红砂幼苗叶片NSC的累积,且这种促进效应与水分紧密相关,在降水增加情况下其效应更显著;而过量的氮添加会抑制根系NSC含量的积累,在低氮干旱胁迫下红砂也可通过叶片NSC向根系转移来适应逆境胁迫。     

物种分布模型在大型真菌红色名录评估及保护中的应用: 以冬虫夏草为例

我国大型真菌资源丰富, 由于受气候变化和人类活动等的影响, 近年来很多物种受到不同程度的威胁, 亟待保护。红色名录评估是物种保护的第一步, 为有效保护我国大型真菌多样性, 2016年生态环境部和中国科学院联合启动中国大型真菌红色名录评估项目。合理的评估依赖于完善的物种地理分布、种群数量规模及其动态变化信息。大型真菌评估信息较少, 需要引入新的方法解决评估信息不足的问题。冬虫夏草(Ophiocordyceps sinensis)是一种重要的食药用菌, 具有较高的经济价值, 受到全世界的广泛关注, 评估信息相对充足, 此次被评为易危物种。利用物种分布模型对冬虫夏草未来分布区变化的预测在评估过程中发挥了重要作用。为了将物种分布模型分析方法引入大型真菌的受威胁等级评估, 本文以此前我们利用物种分布模型预测冬虫夏草的潜在分布区及其对气候变化响应的研究为例, 介绍了应用物种分布模型预测大型真菌的潜在分布区、未来气候变化情景下分布区变化趋势的方法和流程, 以及在应用中可能存在的问题和解决方案。通过本文的分析, 我们认为物种分布模型在大型真菌的红色名录评估和保护中具有重要的应用潜力, 值得推广应用。     

西南旱地油菜田土壤水分和作物光合特征对覆盖材料和垄沟比的响应

为了应对西南地区频发的季节性干旱,提高旱作农田水分利用效率和作物光能利用效率,设置大田试验,研究不同覆盖材料(普通白膜、普通黑膜、生物降解膜和不覆膜)和不同垄沟比(40 cm∶40 cm和40 cm∶80 cm)对土壤贮水量和油菜光合特性、荧光参数、叶绿素相对含量(SPAD)的影响。结果表明: 油菜生育期不同覆盖材料下的土壤贮水量为:普通黑膜垄作(BR)≈普通白膜垄作(WR)≈生物降解膜垄作(BDR)＞不覆膜垄作(NR)＞平作(FP);在同一覆盖材料下,垄沟比对土壤贮水量无显著影响。与平作相比,垄沟集雨处理的净光合速率、气孔导度、最大荧光、可变荧光、PSⅡ最大光化学量子产量、PSⅡ潜在活性、光化学猝灭系数和非光化学猝灭系数均有所提高;与平作相比,WR、BR、BDR和NR处理的SPAD值分别提高6.1%、8.6%、8.5%和3.6%,瞬时水分利用效率分别提高18.3%、11.4%、16.3%和10.4%。相比于平作,BR、WR和BDR处理可显著增加油菜产量,NR处理增产不显著,普通黑膜垄作+垄沟比40 cm∶40 cm处理的经济效益最高。可见,垄沟集雨种植可以改善西南旱地油菜田土壤水分,增强油菜叶片光合能力,提高油菜产量,增加农民收入。     

浙江杭州午潮山亚热带常绿阔叶林群落结构和物种组成

运用数量化的方法对植物群落进行分类和排序,可以客观地揭示植物群落和环境之间的相互关系,为植被恢复和森林经营管理提供理论依据。以浙江杭州午潮山45个20 m×20 m的森林动态监测样地为研究对象,运用聚类和排序等数量化方法,分析亚热带常绿阔叶林的群落类型、生物多样性特征及群落与环境的关系。结果表明: 午潮山亚热带常绿阔叶林样地可划分为3个群落类型: 木荷群落、白栎-薄叶山矾群落和青冈群落。3个群落类型中,树木个体密度和胸高断面积均无显著差异,而物种丰富度差异显著。青冈群落的物种丰富度显著高于木荷群落,但与白栎-薄叶山矾群落无显著差异。冗余分析(RDA)排序表明,群落分布与环境因子有明显的相关性。土壤和地形等解释了群落分布46.4%的变异,土壤全磷、有效磷、速效钾含量,以及海拔、坡度、坡向和透光度对群落的分布有显著影响,而土壤全磷、速效钾含量和海拔可能是影响午潮山亚热带常绿阔叶林群落分布最重要的环境因素。53.6%未能解释的部分可能归因于人为干扰。     

极小种群野生植物坡垒的生境特征及其对幼苗多度的影响

极小种群野生植物坡垒(Hopea hainanensis)曾经是热带低地雨林的优势种, 但由于商业采伐和刀耕火种等严重人类干扰及自然更新困难, 致使其种群数量急剧下降到最小可存活的界限, 急需开展种群的拯救恢复工作。而对于坡垒生境适宜性及更新限制的了解, 是进行种群保护及恢复的基础。本文在对野生坡垒种群及其生境因子调查测定的基础上, 分析了生物与非生物生境特征及其对坡垒种群更新幼苗多度的影响。结果表明: 坡垒种群从幼苗至幼树阶段存在着严重的增补限制。坡度小、土壤含水量和有效磷含量高、母株胸径和冠幅较大、伴生种胸高断面积中等的环境是坡垒幼苗较为适宜的生境, 且坡垒幼苗多度与坡度及土壤pH值显著负相关, 与土壤含水量及土壤全磷含量显著正相关。这些研究结果为极小种群野生植物坡垒的就地保护与种群复壮提供了科学依据。     

罗霄山脉翼手目物种多样性及适生区预测

罗霄山脉位于中国大陆东南部, 是一条南北走向的大型山脉, 面积约6.76万km²。该山脉位于欧亚大陆东部季风区, 生物多样性丰富, 是亚洲东部第三纪冰期动物重要的避难所。为了解罗霄山脉翼手目物种多样性状况, 本研究组于2013-2018年, 使用雾网、手网和竖琴网等工具开展了针对性调查与标本采集, 同时运用形态分类学和分子系统发生学方法鉴定物种。根据调查结果并结合文献记载: 罗霄山脉地区现有翼手目物种4科14属40种, 其中罗霄山脉翼手目新记录种25种, 省级翼手目分布新记录种9种。同时, 本研究基于5年的调查采集位点, 使用生物多样 性与气候变化虚拟实验室(the Biodiversity & Climate Change Virtual Laboratory)在线生境预测平台, 对罗霄山脉翼手目物种当前的适生区, 以及3种不同量温室气体排放情景下(representative concentration pathway, RCP 2.6 / 6.0 / 8.5) 2050年的适生区进行预测, 其中随机森林算法(random forest)的模型解释力较优, 其预测结果显示: 影响该区域翼手目分布的主要环境因子为降水季节性和年平均温度; 山脉中部及南部为翼手目的高适生区, 面积约为罗霄山脉的30%; 与当前适生区相比, RCP 2.6情景下2050年该类群适生区有所扩增, RCP 6.0和RCP 8.5情景下均会导致翼手目适生区急剧缩减, 且分布区将迁移至高海拔区域以响应气候变化。而本项目的开展不仅初步掌握了罗霄山脉翼手目物种多样性本底状况, 也为开展后续的翼手目研究和保护管理提供了参考。