基于能值的天山北坡经济带农牧系统可持续性评估

应用能值分析理论和方法,对新疆天山北坡经济带农牧业生态经济系统进行了分析和评价,通过一系列的能值指标定量分析了该地区的农牧业系统的能值流动。结果表明:环境资源对农牧业系统的贡献很大,环境资源能值占总能值利用的79.2%,高于全国农业系统平均值(13%);净能值产出率为4.81,高于我国平均值(0.27),说明该区域农牧系统生产有一定的竞争优势;农牧业产品的宏观经济价值大于市场价值,这是由于农牧业生产中有相当大一部分环境资源无偿投入所致;环境负载率指标为0.373,低于我国农业系统的环境负载率(2.8),环境压力较小;可持续发展指数为12.90,有较好的发展潜力,据此,提出了一系列促进区域农业可持续发展的产业结构调整措施。     

西天山野果林不同居群黑果小檗土壤种子库及幼苗更新研究

通过野外调查及采集土样,对新疆西天山野果林内黑果小檗(Berberis atrocarpa Schneid.)3个自然居群(霍城、新源和特克斯)的土壤种子库及幼苗更新情况进行研究。结果显示,3个居群内黑果小檗土壤种子质量无显著差异,霍城、新源和特克斯居群黑果小檗土壤种子库中完整种子分别占种子总数的51.6%、49.4%和54.1%。霍城、新源和特克斯居群黑果小檗完整种子均聚集在枯枝落叶层,分别为98.4%、97.4%和100%,3个居群5~10 cm土层均未发现黑果小檗种子。土壤种子水平扩散距离随着坡度的增加逐渐增大。霍城、新源和特克斯居群黑果小檗幼苗均为根蘖苗,根蘖繁殖可使幼苗扩散到母株周围100 cm范围或更远处。Ⅱ级苗(20~40 cm)数量最多,占幼苗总数的50%;3个居群黑果小檗的Ⅰ级苗(0~20 cm)向Ⅱ级苗的转化率均为100%;霍城和新源居群Ⅱ级、Ⅲ级(40~60 cm)苗间的转化率较低,分别为29%和32%,特克斯居群Ⅱ级、Ⅲ级苗间的转化率较高,为78%。研究结果表明西天山野果林黑果小檗种子易滞留于地表,难以进入土壤深层且土壤中种子霉变率高,这可能是黑果小檗自然更新困难的原因。     

夏干萨特树轮年表中降水信息的探讨与326年降水重建

夏干萨特位于新疆天山中段乌鲁木齐河山区,在此干旱,半干旱地区的森林下限所采集的天山云杉（Picca schrenkinna var.tianschanica)树轮样本建立的树轮宽度年表具有最大的平均敏感度和最大的标准关蓄意助记词件表可能含有最多的降水信息,利用相关分析的方法计算了年轮宽度指数和气候要素间的相关关系,发现5月份的降水与年表的相关最好,进一步计算了旬降水量与年表的相关关系,发现5月下旬的降水与年表的单相关系灵敏最高,5月下旬的降水是森林下限云杉生长的主要限制因子,这一结果具有明确的树木生理学意义,云杉直径生长主要在5-8月份,其中5-6月份形成大约一半的年轮,5月下旬位于年轮形成关键时段的中部,为轮宽形成的最活跃期,同时5月下旬降水的大变率与夏干萨特年表的高敏感度相一致,从另一角度说明了5月下旬降水作为森林下限天山云杉生长关键限制因子的适当性,重建了大西沟气象站5月下旬326a的降水并分析了其长期变化特征,发现320多年来的5月下旬降水分为8个完整的干湿变化阶段,其中最干期出现在1701-1722年,最湿期出现在1961-1981年,降水序列具有显著的64,32,22,14,5和11a变化周期,其中的22a及11a周期与太阳黑子的活动周期相一致,利用方差分析方法进行了未来干湿变化趋势的预测,发现2001-2007年以降水偏少为主,而2008-2015年以偏多为主,这对于北疆重要粮食作物冬小麦的长期产量预报及种植规划具有重要意义。     

新疆石河子南山地区表土花粉研究

天山作为亚洲大陆最大的山系之一,横贯于新疆的中部,成为分隔南、北疆自然地理区系的山系,它对花粉的传播、保存、搬运与沉积具有重大作用。根据对西北干旱区域新疆石河子南山地区一条沿着海拔高度从2400 m到300 m的样带所采集的23个表土花粉样品的孢粉组合图式和现代植被样方调查资料,探讨了北坡垂直带的植被与表土花粉之间的关系。该区表土孢粉谱可分为4个孢粉组合带,分别对应森林植被带、森林草原植被带、蒿属荒漠带和典型荒漠带。比较特殊的是典型荒漠带被划分为两个亚带,一个亚带是以蒿属、藜科占主要成分的典型荒漠带,另一亚带蒿属、藜科含量较高并含有大量沼泽蕨和芦苇植硅体,兼具典型荒漠和湿地特征。在海拔400 m以上,孢粉组合与现代植被的对应关系较好,带Ⅰ中较高含量的云杉花粉验证了以云杉为主的森林植被带。带Ⅱ中以云杉为主的乔木植物和含量较高的藜科、蒿属和蓼属等草本植物为主的孢粉组合特征与森林-草原植被带的植被特征较为类似。云杉属花粉在海拔低于1350 m的地方即林带下方所占的比例很小,一方面由于距林地的距离较远,另一方面,可能是山风气流对云杉花粉往下搬运的能力较弱所致。带Ⅲ的蒿属花粉含量较高,与该带植被中绢蒿较多有一定的关系,带Ⅳ以藜科为主的花粉组合特征代表了这个植被带的荒漠植被类型。但是在海拔400 m之下,带Ⅳ的亚带Ⅳ₂的高含量的沼泽蕨和芦苇植硅体的孢粉组合在一定程度上还代表了古湿地环境。通过该部分表土花粉组合特征与草滩湖剖面孢粉谱的对比,验证了当地农业种植选址的生态可行性,同时就开垦程度对环境的影响进行了初步探讨。另外,亚带Ⅳ₂的蒿属/藜科(Artemisia/Chenopodiaceae(A/C))比值比亚带Ⅳ₁高,可能与该样点受人为扰动较大有关。     

天山森林植物功能性状与碳库沿海拔梯度的变化

植物功能性状是能够将植物个体特征、群落结构和生态系统功能结合起来的良好载体,但关于在环境梯度上如何通过植物功能性状的连续变化来构建群落、以及植物功能性状如何反映生态系统功能等问题尚有较多疑问。为探讨天山森林植物功能性状与其碳库在海拔梯度上的联系,分析了14个群落尺度上的植物功能性状指标和各组分碳密度沿海拔的变化规律及二者之间的关系。结果表明:(1)受海拔梯度上环境因子的影响,群落尺度上植物功能性状和碳密度的垂直分布并不一致:随海拔升高,叶片碳氮比(C/N)逐渐上升,叶片碳含量(C_(leaf))、比根长(SRL)和植株高度(H)升高后降低,叶绿素含量(Chl)、细根磷含量(P_(root))、叶片氮磷比(N/P)逐渐下降,细根碳含量(C_(root))先升高后趋于平缓,细根氮含量(N_(root))先下降后又有所回升,叶片氮含量(N_(leaf))、木质素含量(LLC)、叶干物质含量(LDMC)、细根干物质含量(RDMC)在各海拔段间无显著差异;(2)比根长(SRL)和植株高度(H)通过影响资源的获取和利用,C与P通过对养分的限制和在器官中的分配,从而影响植被光合作用,与天山森林碳密度显著相关;高木质素含量(LLC)导致植物残体分解速率变慢而与土壤碳密度(SCD)和群落总碳密度(TCD)呈显著负相关关系。随海拔升高,植被碳密度(VCD)先升后降,土壤碳密度(SCD)和总碳密度(TCD)逐渐升高。植物功能性状与环境因子和森林的结构功能相互作用、相互影响,三者之间的关系还需在大尺度上进一步验证。     

天山中段山地植被的生态梯度分析及环境解释

 本文通过对天山中段植物群落的DCA排序和TWINSPAN等级制分类及其与3个土壤变量的CCA典范对应分析,定量地研究了该区域植被分布与环境之间的相互关系。结果表明：天山山脉中段植物群落沿着温度和湿度两个梯度方向呈现以天山中段内部湿润植被为中心向北坡干冷荒漠植被和南坡干热砾石荒漠植被两个极点方向发展的分布格局。进一步研究发现,天山山脉中段南北坡植物群落,从大的宏观尺度上看,其类型与分布主要由降水量和温度所决定,而在中小尺度范围上,植物群落的分布与类型却与土壤湿度和土壤养分密切相关。该结果较好地解释了天山山脉中段内部,在地形地貌基本一致的情况下,植物群落类型分异很大的原因。建立了天山山脉中段植物群落梯度环境解释的数学模型和植物群落地理分布的数学模型。     

天山北坡不同海拔梯度山地草原生态系统地上净初级生产力对气候变化及放牧的响应

以天山北坡三工河流域为例,利用改进后的Biome-BGC模型分别模拟了仅气候变化（Clm）、气候变化与放牧联合作用（ClmGra）下研究区不同海拔梯度3种山地草原生态系统（低山干旱草原,LAG;森林草甸草原,FMG;高寒草甸草原,AMG）1959—2009年地上净初级生产力（Aboveground Net Primary Production,ANPP）的动态,并通过假设27种放牧强度情景（0—8 羊/ha）模拟了其ANPP随放牧强度增加的变化趋势。近50年气候变化致使研究区各海拔梯度草原生态系统ANPP整体均呈上升趋势,但在放牧联合作用下,不同草原类型ANPP变化趋势差异显著;放牧导致FMG和AMG的ANPP呈下降态势,分别减少30.0%和33.2%,对比之下,由于1980前较低放牧强度促进了LAG的ANPP,放牧导致其ANPP整体增加1.3%。随着放牧强度增加,LAG的ANPP呈先增后减趋势,且在干旱年份最为显著;而FMG和AMG的ANPP呈显著非线性递减趋势。这些结果表明,近50年气候波动可能有利于中亚干旱区山地草原生态系统生产力的提高,但日益增强的放牧活动导致其净初级生产力显著降低;放牧对FMG与AMG生产力的负面效应随放牧强度增加而增强,但适度放牧可能促进LAG净初级生产力,尤其在干旱年份。     

2001-2015年天山北坡植被覆盖对干旱的响应——基于土地利用/土地覆盖分析

天山北坡生态系统脆弱,易受干旱影响,全球变暖和不合理的人类活动加剧了干旱的影响,评估植被覆盖对干旱的响应,为改善生态环境和减轻干旱影响提供科学参考。基于MODIS-NDVI遥感数据以及气象数据,计算了2001-2015年天山北坡多尺度标准化降水蒸散发指数（SPEI）和植被覆盖度,总结出植被覆盖度与多尺度SPEI时空动态变化规律,从土地利用/土地覆盖（LUCC）的角度分析了植被覆盖度对气候干旱的响应。结果表明：（1）天山北坡绝大部分区域呈湿润状态,中部（石河子、呼图壁）、西北部（克拉玛依市）呈轻度干旱。3个月、6个月、12个月时间尺度SPEI均表现出干旱化增强的年际变化趋势;（2）天山北坡植被覆盖度整体上属中低覆盖,总体呈南高北低,天山山区、城市绿洲内部高的分布特点。2001-2015年天山北坡植被覆盖度变化总体呈下降趋势;（3）年尺度天山北坡植被覆盖度与SPEI整体呈正相关关系。不同土地利用/土地覆盖的植被覆盖度与12个月时间尺度SPEI（SPEI 12）的相关性不同,大小依次为：草地 > 未利用地 > 城乡用地 > 林地 > 水域 > 耕地;（4）季节尺度夏季和春季干旱对植被覆盖度的影响最明显,不同季节干旱对不同土地利用/土地覆盖植被覆盖度影响程度不同。     

天山林区不同群落土壤水分入渗特性的对比分析与模拟

土壤入渗特性是影响森林生态水文过程的一个重要环节。为了比较不同群落类型土壤水分入渗特性的差异,在天山中段北坡林区利用环刀法测定天然林、人工林、林窗草地、草地、林缘灌木林、山前灌木林六种群落类型的森林土壤入渗过程,对比分析有机质含量、毛管孔隙度、容重、含水率等土壤理化性质对入渗过程的影响,用三种常用模型进行入渗过程模拟,分析比较这/min之间,稳定min之间,不同群落类型土壤平均入渗率从大到小的排序为:天然林林缘灌木林窗草地草地人工林山前灌木;(2)六种群落类型土壤入渗性能均具有初渗速率平均入渗速率稳定入渗速率的相同趋势;(3)Kostiakov模型对试验六种群落类型土壤入渗过程的拟合精度比较高,适用于描述本研究区域水源涵养林地土壤入渗特征;(4)土壤有机质含量与土壤入渗速率呈正相关,且与初始入渗率达到显著水平;土壤的含水率、土壤毛管孔隙度和土壤容重与土壤入渗能力呈现显著的负相关。通过观测与模拟不同群落类型的土壤水分运动过程,本文可为天山林区生态水文长期定位观测提供有益借鉴。     

天山北坡经济带城镇化与资源环境系统的关系研究进展——基于文献计量分析

天山北坡经济带长期面临城镇化进程与资源环境系统的系列问题,区域城镇化与资源环境系统的关系备受关注。运用文献计量分析工具对1995—2022年的相关中英文文献进行全面分析,并对天山北坡经济带城镇化与资源环境系统关系研究的几个重点问题进行评述。研究发现,中文研究整体关注城镇化背景下的生态环境问题与对策探讨,英文研究侧重气候变化背景下城镇化进程中的水土资源利用与驱动因素,而中英文均普遍关注城镇化过程中的水资源问题,且近期不断加强城镇化与资源环境系统的协调关系及影响因素研究。相关研究存在共识,认为天山北坡经济带的城镇化与资源环境系统存在互动互馈关系,资源环境系统对城镇化发展的约束效应具有倒U型趋势,城镇化发展对资源环境系统的影响效应呈现U型趋势,而当下二者的耦合协调水平总体偏低,应坚持走可持续发展、绿色发展与高质量发展的城镇化道路。未来研究可从区域多尺度空间嵌套关系、多源数据库构建、多元化方法创新、格局-过程-机理剖析等方面开展。