Characteristics of normalized difference vegetation index of biological soil crust during the succession process of artificial sand-fixing vegetation in the Tengger Desert,Northern China

Aims Biological soil crust (hereafter crust) affects normalized difference vegetation index (NDVI) values in arid desert ecosystems. This study aimed to demonstrate the feasibility of combining crust NDVI values with meteorological data to distinguish the crust successional stage at the regional scale. Meanwhile, the characteristics of crust NDVI could provide the basis for the error analysis of NDVI-based surface ecological parameters estimation in desert ecosystems. We also suggested the optimum periods for crust observation based on the multi-temporal remote sensing images.Methods NDVI values of five types of dominant crusts, three typical sand-fixing shrubs and bare sand were collected by spectrometer in the field. Crusts and shrubs were randomly selected in revegetated areas established in 1956, 1964, and 1973 at Shapotou, which is on the southeastern edge of the Tengger Desert. We used the space-for-time method to study the characteristics of crust NDVI values and their responses to precipitation and temperature during the succession process of artificial sand-fixing vegetation. Additionally, we evaluated the contribution of crust NDVI values to the whole ecosystem NDVI values by comparing the NDVI values of crusts, shrubs and bare sand.Important findings 1) With succession process of the artificial sand-fixing vegetation, the crust NDVI values significantly increased. Among different crust types, we found the following order of NDVI values: Didymodon vinealis crust > Bryum argenteum crust > mixed crust > lichen crust > algae crust. 2) Crust NDVI values were significantly affected by precipitation, temperature and their interaction, and the influences showed significant seasonal differences. Furthermore, we found significantly linear correlations between crust NDVI value and precipitation, and between crust NDVI value and the shallow soil moisture content covered by crust. A significantly negative linear correlation between daily mean temperature and crust NDVI value, and a significantly exponential correlation between the surface temperature of crust and its NDVI value. With the succession process of artificial sand-fixing vegetation, the response of crust NDVI value to precipitation and temperature became more sensitive. In addition, the response of crust NDVI value to temperature was more sensitive in spring than in summer, while that to precipitation was less sensitive in spring than in summer. 3) Moss crust NDVI value was significantly higher than that of shrubs and bare sand after the rainfall event in spring, while shrubs NDVI value was significantly higher than that of crust after the rainfall event in summer. Considering the coverage weights of different ground features in sand-fixing areas, crust NDVI values contributed 90.01% and 82.53% in spring and summer, respectively, to the regional NDVI values, which were higher than those of shrubs (9.99% and 17.47% in spring and in summer, respectively). Additionally, with the succession process of artificial sand-fixing vegetation, crust NDVI values contributed more, while shrubs contributed less to regional NDVI values.     

荒漠草原区弃耕地植被演替过程中植物群落生物量及土壤养分变化

采用空间变化代替时间变化的方法,以荒漠草原区不同年限(1、4、9、12和20年)弃耕地为对象,研究弃耕演替过程中植物群落生物量与土壤养分的变化特征.结果表明： 随弃耕年限的增加,弃耕地植物群落地上生物量呈先减少后增加的趋势,0～60 cm土层的土壤全氮、全磷和有机碳含量及碳密度均呈先增大后减小再增大的趋势,4年和20年弃耕地的土壤全氮、全磷含量达到峰值.弃耕演替过程中土壤全氮和有机碳含量对植物群落生物量的影响大于土壤容重和土壤全磷.     

秦岭山地典型次生林木本植物幼苗更新特征

采用样方法调查了秦岭山地5种典型次生林--油松林、锐齿栎林、红桦林、云杉林和华山松林幼苗的更新特征.结果表明: 不同次生林木本植物幼苗物种分化明显,除锐齿栎林和华山松林外,其余次生林幼苗物种相似性系数均较低;油松林和锐齿栎林木本植物幼苗数量、物种丰富度指数、Simpson优势度指数及均匀度指数均较高,红桦林均最低;云杉林和华山松林幼苗数量及物种多样性指数基本一致.不同次生林幼苗和幼树所占比例存在明显差异,除红桦林幼树数量的比例较大外,其余林分幼苗的比例较大,为云杉林＞油松林＞锐齿栎林＞华山松林.不同林分幼苗萌生比例差异明显,为华山松林＞云杉林＞红桦林＞锐齿栎林＞油松林.锐齿栎林和油松林乔木幼苗比例最高,分别占木本幼苗总种数的68%和51.4%,群落处于演替中期,持续更新能力较强;云杉林、华山松林乔木幼苗比例分别为40%和15%,处于演替后期,更新能力较差;而红桦林中幼苗很难发育成幼树,持续更新能力欠缺.     

贵州省普定县不同植被演替阶段的物种组成与群落结构特征

通过对贵州省普定县喀斯特地区不同植被演替阶段群落的调查, 研究了植被演替过程中群落物种组成和群落结构的变化。结果表明, 该地区的植被主要处于5个演替阶段, 即次生乔木林、乔灌过渡林、藤刺灌丛、稀灌草丛以及火烧干扰后的蕨类植物群落。本次调查共记录到植物365种, 隶属89科218属。其中, 蕨类植物31种, 隶属14科23属; 种子植物334种, 隶属75科195属。物种分布较多的科主要有蔷薇科、菊科、禾本科、百合科、忍冬科、唇形科、莎草科、樟科、葡萄科和水龙骨科。随着正向演替的推进, 物种丰富度增加, 群落结构趋于复杂化。藤刺灌丛与乔灌过渡林群落层次不明显, 次生乔木林分层明显。从藤刺灌丛向次生乔木林演替的过程中, 小径级个体所占比例明显降低, 高于1.3 m植物的总密度、乔木密度和藤本密度都先升高后降低, 而灌木密度呈逐渐降低的趋势。对喀斯特地区植被的恢复提出了参考措施。     

滇石林喀斯特植物群落不同演替阶段的溶痕生境中木本植物的更新特征

喀斯特生境与生物多样性的关系及其对人为干扰的响应是喀斯特地区生态恢复的重要内容。该文以云南石林为例对此进行研究。根据喀斯特溶痕与土壤、植物生长发育关系把石林的溶痕生境划分为溶蚀廊道、溶槽、裂隙溶沟、溶坑和溶蚀石堆等5种。依据石林的现有植被与演替特征, 选择了原生林、次生林、灌丛、灌草丛和石漠化草丛5种群落进行调查。在每一个样地中设置10个10 m × 10 m的样方, 采用记名计数样方法分片调查溶痕生境中的木本植物, 并区分更新层的萌生苗与实生苗; 采用Shannon-Wiener指数、Pielou指数、Simpson指数、Margalef指数进行生物多样性计算。调查结果显示: (1)溶痕生境的长度、宽度变化较大。溶痕生境结构比例随群落演替而变化, 其原因可能在于所处演替阶段和干扰程度的差异; (2) 在各种溶痕生境中, 随着群落的退化, 实生更新物种数与实生株数大致表现为递减, 在严重退化阶段部分溶痕生境中没有实生苗的分布, 而萌生更新的物种数则以灌丛为峰值向两极减少, 个体数变化较大。计算结果显示: 在各类溶痕生境(溶蚀石堆除外)中, 实生苗的多样性、丰富度、均匀度大致呈现随群落的退化而降低, 优势度增加; 萌生苗多样性、均匀度、丰富度除溶蚀廊道递减的趋势明显外, 其他类型变化较大。不同演替阶段植物更新策略不同。在喀斯特森林生态系统中, 随着群落的退化, 植物更新逐步趋向于营养繁殖, 其部分原因在于特殊的溶痕生境(除溶蚀廊道)能保存一些植物残体, 而这些残体在反复的干扰下不断萌出茎干(采用营养繁殖)以实现物种的持续生态位, 萌生茎干的成熟为生物多样性维持与生态恢复提供繁殖体来源。     

铅锌矿渣场植被自然演替与基质的交互效应

矿业废弃地生态系统自然恢复的植被演替过程与机理是生态恢复研究的重要内容之一.以空间代替时间的方法,选择立地条件基本一致的4个不同自然恢复年限铅锌矿区为对象,研究黔西北土法炼锌渣场废弃地植被自然演替与矿渣基质理化性质的交互效应.结果表明： 随着堆置时间的增加,矿渣基质的营养条件明显得到改善,全氮、全磷和全钾含量极显著增加, pH上升,电导率下降,容重降低,有效铅和镉显著降低. 同时,随着恢复时间的增长,植物群落的物种丰富度、多样性指数和均匀度也相应提高.植物群落组成以多年生草本植物为主,植物群落演替在前20年较为缓慢,30年后植被群落盖度可达到53%,超过40年盖度可达87%.矿渣理化性质与物种多样性显著相关,典型变量分别是全氮、全磷和全钾;物种多样性指数与有效铅和镉呈显著负相关.土法炼锌渣场废弃地植被自然演替过程在30年后速度加快,植被生长的限制因子是营养供给不足和重金属的有效性高.     

秦岭南坡松栎林群落演替过程中物种组成及多样性动态分析

为揭示秦岭南坡植物群落演替与物种多样性之间的复杂关系,采用空间代替时间的方法在秦岭南坡油松林、松栎混交林和锐齿栎林群落典型分布区域设置45个样地进行了群落学调查,统计分析了油松林→松栎混交林→锐齿栎林这一演替序列过程中草、灌、乔3层的物种组成和α物种多样性动态。结果表明:(1)秦岭南坡油松林、松栎混交林和锐齿栎林3种群落共有维管植物312种,隶属于73科183属,其中草本植物136种,灌木(含木质藤本)98种,乔木78种;油松林群落包含52科117属190种,松栎混交林群落含有60科95属129种,锐齿栎林群落则为50科109属178种。(2)沿油松林→松栎混交林→锐齿栎林群落演替序列,草本层物种均匀度和物种多样性显著降低,物种丰富度呈"V"形变化趋势;灌木层物种丰富度、均匀度以及物种多样性均无显著差异;乔木层物种多样性呈明显的单峰型变化,其中松栎混交林群落物种多样性指数最高。研究表明,秦岭南坡松栎林群落物种多样性随演替进展总体上呈现单峰型变化,与中期物种多样性假说一致;物种多样性可能仅仅是群落稳定的一个基础或前提条件。     

采煤塌陷区不同地貌类型植物群落多样性变化及其与土壤理化性质的关系

通过对神府-东胜矿区2种不同地貌类型下沉陷样地及对照样地地表植被进行调查,研究不同地貌类型、不同沉陷位置的群落多样性变化及其与土壤理化性质的关系。研究结果表明:(1)哈拉沟矿区(黄土丘陵地貌)植物种类较丰富,大柳塔矿区(风沙地貌)植被种类较单一;达乌里胡枝子作为风沙地貌沉陷区指示物种,其演替机制符合忍耐作用理论,紫翅猪毛菜作为黄土丘陵沟壑地貌沉陷区指示物种,其演替机制是促进理论和竞争共同作用的结果。(2)沉陷干扰12a后,2个研究区Shannon-Wiener指数分别增加了54.60%,73.85%,风沙地貌研究区土壤含水量和脲酶活性分别增加了8.64%和57.14%,黄土丘陵沟壑地貌研究区土壤有机质增加了47.73%。(3)采煤塌陷后,风沙地貌矿区坡中位置过氧化氢酶活性下降63.50%,土壤体积含水量降低58.70%,植物群落多样性显著降低;坡底位置土壤含水量、土壤养分、植物群落多样性均显著提高,土壤理化性质和植物群落多样性变化协同一致。(4)风沙地貌区植物群落多样性与土壤含水量存在显著正相关关系,黄土丘陵沟壑地貌区植物群落多样性与土壤有机质含量存在显著负相关关系。     

气候变化对阔叶红松林不同演替阶段红松种群生产力的影响

本文以长白山地区阔叶红松林不同演替阶段(次生杨桦林、次生针阔混交林、原始红松林)内红松种群作为研究对象,采用树轮学与相对生长式相结合,获取红松种群净初级生产力(NPP)连年生长(1921—2006年)数据以及相对增长率的年际变化数据,建立红松种群NPP与年际和季节性气候因子的关系,分析不同气候时期长白山阔叶红松林不同演替阶段内红松种群NPP年际变化特征及其对气候变化的响应差异.结果表明： 研究期间,不同演替阶段红松种群NPP与气候因子响应关系存在差异.随着温度上升,次生杨桦林红松种群NPP与上年生长季和当年生长季低温由显著负相关关系转变为显著正相关关系;次生针阔混交林红松种群NPP由与当年春季最低温度的正相关关系转变为与上年和当年生长季温度的显著正相关关系,气候因素对次生针阔混交林红松种群NPP影响的滞后效应增强;原始红松林红松种群NPP与温度的相关性减弱,与上年生长季降水量的正相关关系增强.研究区气候变化表现为低温和平均温度显著上升,而最高温度和降水没有明显变化.气候变化有利于提高演替初级阶段次生杨桦林和演替中级阶段次生针阔混交林内红松种群生产力,尤其是次生针阔混交林,而对演替顶极阶段红松种群NPP影响不明显.     

C:N:P stoichiometry in forest floor litter of evergreen broad-leaved forests at different successional stages in Tiantong,Zhejiang, eastern China

地表凋落物在森林物质循环中起着重要作用, 但是目前缺乏对其不同分解层次中碳(C)、氮(N)、磷(P)演替动态的研究。该文以浙江天童常绿阔叶林为研究对象, 用空间代替时间序列的方法, 通过测定5个演替阶段地表凋落物不同分解层次的凋落物量、有机碳库和氮磷养分库的储量及C:N:P化学计量特征, 探讨地表凋落物特征的演替动态。结果表明: 1)随着演替的进行, 地表凋落物量和有机碳储量呈现下降的趋势。2)在各演替阶段, 有机碳含量在各分解层表现出未分解层(L) > 半分解层(F) > 已分解层(Y)的趋势; 有机碳储量均表现为Y < F。3)演替前期群落氮含量和储量显著低于演替中后期群落; 不同分解层的氮含量在各演替阶段皆表现为: Y > F > L, 且各层氮含量随着演替的进行均趋于升高。4)磷含量在演替中期群落最低, 各演替阶段不同分解层的磷含量皆表现为Y > F > L。磷储量的演替趋势不明显。L层磷储量随着演替进行趋于降低。5)随着演替进行, 凋落物C:N、C:P和N:P皆趋于下降(p < 0.05)。在各分解层之间, C:N和C:P皆表现为Y < F < L, N:P差异不显著。总之, 随着演替进行, 天童常绿阔叶林地表凋落物量降低, 有机碳库及氮磷养分库的含量趋于升高, 储量趋向降低, C:N:P趋于下降, 体现了生态系统碳和养分循环随着演替进行在不断优化。