森林植被不同尺度的碳水过程及耦合机制研究进展

[目的]陆地生态系统中的碳循环和水循环是陆地生态系统物质和能量循环的核心,也是连接地圈、生物圈和大气层的纽带。森林植被是陆地生态系统的重要组成部分,是表征陆地碳-水循环的重要变量,在维持生物圈和大气圈的动态平衡中发挥着重要作用。目前,对陆地生态系统中碳-水循环的耦合关系和机制缺乏系统的分析和总结。[方法]从森林植被碳与水过程及其相互作用、植被水分利用和耦合机制的角度,综述了森林植被碳与水循环过程及其相互作用的研究与进展,以及不同空间尺度(叶片到区域/全球尺度)碳-水耦合的定义、方法、进展和展望。[结果]新兴的技术和方法实现了不同尺度碳水过程的高频观测,WUE等耦合指标体系推动了碳水耦合机制的研究和发展。[结论]通过系统阐述植被碳水耦合关系的多尺度整合和碳水耦合机理,为系统认识森林碳水耦合机理和水资源管理提供了理论基础,对未来植被经营管理决策具有重要的科学支撑意义。

基于改进遥感生态指数的吐鲁番-哈密地区生态环境质量评价及驱动机制分析

吐鲁番市和哈密市是我国盐渍化危害最严重的地区之一,明晰其生态环境变化趋势和驱动机制对吐鲁番-哈密地区生态文明建设具有重要意义。基于Google earth engine(GEE)平台,筛选2005—2020年6—9月Landsat影像,选取绿度(SVAI)、湿度(Wet)、热度(LST)、干度(NDBSI)和盐度(NDSI)构建改进型遥感生态指数(SRSEI)对吐鲁番-哈密地区生态环境进行评估。结果表明:(1)SRSEI使用SAVI代替NDVI并加入盐度指标(NDSI),与RSEI相比有着更高的第一主成分贡献率,能更全面客观地评价吐鲁番-哈密地区生态环境质量。(2)时间尺度上,2005—2020年吐鲁番-哈密地区SRSEI先下降后上升,均值0.49,并在2020年均值达到0.5575,较差和良的面积占比变化显著,较差占比减少了11.54%,良占比增加了30.15%。且未来生态环境变化趋势还将以改善为主;空间尺度上,北部西山台原和中部莫钦乌拉山生态质量多为优和良,较差区域主要集中在南部噶顺戈壁。(3)年均降水量、年均气温和经济生产总值是驱动SRSEI变化的主要控制因子,q值均大于0.092;与单因子对生态环境影响力相比,双因子交互产生的影响力更强,年均降水量∩经济生产总值是驱动吐鲁番-哈密地区生态环境发生变化的最强交互因子。

基于土地利用变化的黄河上游四川段生态系统服务价值评价

[目的]通过定量研究20年间黄河上游四川段土地利用变化与生态系统服务价值的关系,评估该流域段生态综合治理效果,为健全民族区域空间规划、生态环境保护与管理提供依据,助力黄河流域高质量发展。[方法]利用黄河上游四川段2000年、2010年和2020年土地利用数据,基于土地利用动态度、土地利用矩阵分析土地利用变化,并参考中国陆地生态系统单位面积生态系统服务价值当量,对黄河上游四川段生态系统服务价值当量的经济价值进行修正,定量研究黄河上游四川段2000-2020年间土地利用变化对生态系统服务价值的影响。[结果](1)2000-2020年黄河上游四川段林地、荒漠、湿地和水系土地利用面积呈上升趋势,耕地、灌木、草地和冰川积雪呈下降趋势,2010-2020年土地利用变化比2000-2010年更显著;(2)黄河上游四川段2000年、2010年和2020年生态系统服务价值分别为1.27×1010,2.51×1010,3.92×1010元,呈上升趋势,敏感性分析表明分析结果可靠。各土地利用类型中,对生态系统总价值贡献最为显著的地类是草地,2000-2010年和2010-2020年草地生态服务贡献率分别为93.90%和72.90%,其次为湿地和林地;(3)研究区在20年间各单项生态系统服务价值均呈增加趋势,区域生态服务功能的分项价值大小均为调节服务>支持服务>供给服务>文化服务,11个单项功能中起显著服务价值的为气候调节、水文调节、土壤保持和生物多样性,4项之和占总价值比例超过69.50%。黄河上游四川段土地利用变化影响区域生态系统服务价值的变化,其中草地影响最显著,其次为湿地和林地。[结论]研究结果表明20年间生态治理成果逐渐增强,生态环境不断变好。

基于TCN-BiLSTM与LSTM模型对比预测北洛河径流

【目的】本研究旨在探究TCN-BiLSTM耦合模型与传统LSTM模型在径流模拟预测中的性能,为洪水风险管理和区域水资源规划提供准确有效的径流预测模型。【方法】以北洛河流域为研究区,基于双向长短期记忆网络(BiLSTM)和时域卷积网络(TCN)建立一种新的径流预测耦合模型TCN-BiLSTM。利用相关性分析,筛选预测径流的输入因子,确定4种不同的输入方案应用于TCN-BiLSTM耦合模型和传统LSTM模型,每个模型分别预测1、2、3 d的径流量。采用平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)和拟合优度(R^(2))来评估模型的预测性能。【结果】(1)TCN-BiLSTM耦合模型整体预测性能优于LSTM模型,TCN-BiLSTM模型R^(2)达到0.91,高于LSTM的0.89。相比于LSTM,TCN-BiLSTM对于峰值和突变点的捕捉能力更强,对于波动大的复杂数据预测效果更优;(2)在针对未来1~3 d径流量预测中,随着预见期的延长,4种方案下TCN-BiLSTM和LSTM模型的预测效果均有所下降,相较于预测1 d,预测3 d的TCNBiLSTM和LSTM模型的R^(2)分别平均下降了0.17和0.14,RMSE分别平均增大了4.59和4.40,MAE分别平均增大了1.26和1.31;(3)在4种输入方案里,日累积降水量和日径流量作为输入变量时,模型的预测效果最好。降水数据的加入使得TCN-BiLSTM和LSTM模型相较于单一日径流数据作为输入变量时,1、2、3 d径流量预测的R^(2)分别提高15%、14%、6%和18%、14%和1%。【结论】TCN-BiLSTM耦合模型和LSTM模型R^(2)均能达到0.85以上,TCN-BiLSTM模型R^(2)较LSTM提高了2%。对比来看,TCN-BiLSTM模型在拟合洪水过程中表现更为优异,对于汛期的预测性能优于非汛期。输入变量对模型的影响较大,有效且高质量的气象数据能够提高模型的预测性能。

内蒙古半干旱地区不同人工林土壤因子与林下植物多样性的相关性

以内蒙古半干旱地区生态修复工程营造的人工林为研究对象,探究不同林分类型的林下植物多样性、土壤理化性质差异以及土壤因子与林下植物多样性的相关性,并通过搭建结构方程模型评估林分类型、土壤因子对林下植物多样性的影响。结果表明:不同林分类型的植物多样性、土壤理化性质存在显著差异(P<0.05),混交林的林下植物多样性指数、土壤理化性质指数均高于纯林(P<0.05)。多元回归分析结果表明:林分类型、土壤密度、最大持水量、土壤有机碳质量分数、土壤有机质质量分数、土壤全氮质量分数是影响林下植物多样性的主导因素。结构方程模型结果表明:林分类型、土壤理化性质对林下植物多样性分布均具有决定性作用(P<0.01)。其中,林分类型可通过调节土壤理化性质,间接影响林下植物多样性的分布,土壤化学性质也可通过对土壤物理性质的调节,间接影响林下植物多样性的分布。

冀北山地植被恢复对不同坡位土壤可蚀性与养分的影响

[目的]了解不同坡位和不同土地利用引起的土壤可蚀性和养分差异,讨论各因素对土壤可蚀性和养分情况的影响状况。[方法]通过土壤和根系取样,使用加权求和法计算不同坡位和不同土地利用下的综合土壤可蚀性指数(CSEI)和综合土壤养分指数(CSNI)。[结果](1)不同坡位下的CSEI和CSNI均存在差异,其中CSEI的最大、最小值分别出现在坡上(0.653)和坡下(0.275),CSNI的最大、最小值分别出现在坡顶(0.715)和坡上(0.341);(2)不同土地利用下的CSEI和CSNI均存在差异,其中CSEI的最大、最小值分别出现在撂荒地(0.617)和林地(0.252),CSNI的最大、最小值分别出现在林地(0.793)和撂荒地(0.322);(3)CSEI与黏粒含量、砂粒含量、根长密度和地上生物量呈显著负相关,与粉粒含量和土壤容重呈显著正相关,其中容重的直接影响最大(0.26);CSNI与黏粒含量、砂粒含量、根长密度和地上生物量呈显著正相关,与粉粒含量和土壤容重呈显著负相关,其中黏粒含量的直接影响最大(0.45);CSEI、CSNI二者间呈显著负相关。[结论]坡位对CSEI和CSNI均有显著影响,在植被恢复中应注重坡上和坡中;各地貌部位植被恢复均有效降低CSEI并提升CSNI,其中乔木对水土流失的控制更为有效。

季节性氮添加对内蒙古温带典型草原土壤净氮矿化的影响

【目的】探究季节性氮添加对温带典型草原土壤无机氮库及氮矿化速率的影响,揭示氮矿化月动态、年际变化及环境驱动机制,为理解土壤氮循环与氮沉降的关系提供理论支持。【方法】以内蒙古温带典型草原为研究对象,设置不同季节(秋季、冬季和生长季)氮添加试验,采用顶盖埋管法测定无机氮库和氮矿化速率,探究不同季节施氮对净氮矿化潜力的影响。【结果】与对照相比,氮添加显著增加了土壤无机氮库;但随着试验时间的推移,无机氮库呈下降趋势。与秋、冬季氮添加相比,生长季氮添加显著增加了无机氮库,增加量为226.5%。铵态氮、硝态氮和无机氮对不同季节氮添加的响应表现出明显的季节变化规律。同时,不同季节氮添加也显著提高了氮矿化速率。在生长季末期,净铵化速率在生长季氮添加处理中呈现先下降后上升的趋势。生长季氮添加显著提高了生长季末期的净硝化速率和净氮矿化速率。氮矿化速率对不同季节氮添加表现出显著的月动态和年际变化。矿化速率对不同季节氮添加响应差异主要受到环境因素的影响。本研究发现温度对净硝化速率和净氮矿化速率具有负效应,而降水则表现出正效应。不同季节氮添加是导致氮矿化速率差异性规律的主要因素。【结论】不同季节氮添加显著改变了内蒙古典型草原的无机氮库和氮矿化速率,并呈现一定的季节和年际变化规律。研究为深入理解土壤氮转化过程对大气氮沉降的响应规律和机制提供理论支撑,并有助于全面评估大气氮沉降的季节效应与土壤氮循环的关系。

北京山区典型植被土壤水分对次降雨的响应

为了揭示北京山区不同植被类型土壤水分对不同强度降雨的响应过程,选取北京山区内侧柏、荆条灌丛、荒草地为研究对象,基于2022年6—10月降雨和土壤水分的连续观测数据,分析土壤水分对不同降雨事件的响应特征。结果表明:(1)观测期内研究区降雨事件主要由小雨构成,小雨事件的总降雨量占总降雨量的14.78%,小雨事件对土壤水分的响应深度可达到40—60 cm土层;中雨、大雨、暴雨事件的总降雨量占总降雨量的85.52%,中雨、大雨、暴雨事件对土壤水分的响应深度均可达到60—80 cm土层;大降雨事件对土壤水分的补给作用更明显,降雨量越大,降雨能补给的土层深度越深,土壤水分补给效果越好。(2)三种植被平均土壤水分补给速率大小依次为荒草地>侧柏>荆条灌丛,说明降雨对荒草地的补给效果最好;土层活跃程度对植被土壤水分有影响,土层越活跃,土壤水分波动越大,三种植被平均土壤水分变异系数大小依次为荒草地>荆条灌丛>侧柏,而三种植被平均土壤储水量大小则依次为侧柏>荒草地>荆条灌丛,说明侧柏的土壤水分最为稳定。(3)荒草地、荆条灌丛剖面上各层土壤水分逐渐减少,侧柏则增加,说明土壤水分剖面分布受植被类型影响;侧柏、荆条灌丛、荒草地平均最大补给速率均发生在20—40 cm土层,说明降雨对浅层土壤水分的补给最为明显,对0—40 cm土层土壤水分的补给效果要更好。研究成果进一步解释了北京山区生态系统水分运动规律,为易干旱生态脆弱地带生态环境建设提供依据。

坝上地区退化小叶杨树干液流特征及对环境因子的响应

【目的】探究华北坝上地区退化和未退化小叶杨蒸腾耗水规律,合理配置生态用水,为小叶杨退化林的修复与重建提供理论参考。【方法】选取未退化、退化小叶杨为研究对象,利用热扩散探针(TDP)测定树干液流量,同时监测气象因子,研究两种小叶杨在不同天气下树干液流特征及其对环境因子的响应机制,分析生长旺季(7、8、9月)两种小叶杨树干液流与蒸腾量。【结果】(1)在不同天气条件下,退化和未退化小叶杨晴天树干液流速率大于雨天与阴天,晴天时两者差距最大,且未退化小叶杨树干液流的启动时间总是早于退化小叶杨;(2)生长季内两种小叶杨树干液流速率差异显著,未退化小叶杨蒸腾耗水量是退化小叶杨的3倍;(3)大气温度和光合有效辐射是影响小叶杨树干液流最主要的环境因子,未退化小叶杨对环境因子响应更敏感。【结论】退化小叶杨较低的蒸腾量难以维持正常生理所需,导致生理衰退,对环境因子变化的敏感性增加,进一步削弱了其应对未来干旱事件的能力。建议对已经发生退化的杨树林分进行更新改造。

中国森林生态系统服务功能价值评估

森林作为陆地生态系统的主体,在全球生态系统中发挥举足轻重的作用,其服务功能价值的评估是研究的一个热点.本研究根据全国第5次资源清查资料(1994～1998年)及Costanza等人的计算方法估算了我国森林生态系统八项服务功能的总价值为30601.20×108yuan/a,其中间接价值是直接经济价值的14.94倍;在我国森林生态系统中,单位面积的各种森林生态系统所提供的年平均价值为23095.25 yuan/(hm2·a).在森林涵养水源、固碳释氧、营养物质循环、净化空气和保护土壤五项服务功能中,热带雨林、季雨林单位面积所提供的价值量最大为32417.45 yuan/(hm2·a),温带荒漠单位面积所提供的价值最小为12507.90 yuan/(hm2·a);在森林生态系统各项服务功能价值的贡献之当中,其大小顺序依次为:固碳释氧>净化空气>土壤保持>涵养水源>养分循环>林木、林副产品〉维持生物多样性〉森林游憩.该研究的目的在于尽快将自然资源和环境因素纳入国民经济核算体系而最终为实现绿色GDP提供基础,为我国可持续发展的政策与生态环境保护提供科学依据.

北京山地森林生态系统服务功能及其价值初步研究

从生态系统服务功能的概念入手 ,根据观测和研究资料 ,采用替代工程、市场价值等方法 ,从两个方面评价了北京山地森林生态系统服务功能的价值。结果表明 ,面积为 4 0 5 6 .6 4 km2的北京山地森林生态系统的生态服务功能价值每年为 1 6 7.78亿元 ,其中涵养水源价值为 91 .6 7亿元 ,净化水质价值为 1 5 .3亿元 ,保持土壤价值为 2 80 6 .92万元 ,固碳制氧价值为 2 .2 4亿元 ,净化环境价值为 4 8.6 5亿元 ,游憩价值为 90 74 .98万元 ,林果品价值为 8.73亿元。

基于InVEST模型的北京山区森林水源涵养功能评估

基于北京市第六次森林资源二类调查数据,区划北京山区森林景观类型,并应用InVEST模型评估北京山区森林生态系统的水源涵养功能。结果表明:总面积为479209hm2的北京山区森林可划分为18种类型,其水源涵养总量为16.2万亿m3,平均水源涵养深度为75mm;各森林类型的水源涵养深度差异很大,落叶松人工林最大,为148mm,其他阔叶人工林最小,为47.6mm;在各类森林水源涵养总量方面,天然柞树林最高,为8.25万亿m3,其他阔叶人工林最小,为60.7亿m3。

黄土高原流域土地利用/覆被动态演变及驱动力分析

该文采用土地资源数量变化模型和土地利用/覆被状态指数,研究了甘肃天水罗玉沟流域近20多年来土地利用/覆被的演变及驱动机制。研究结果表明:1986-2004年间,流域内坡耕地急剧减少、梯田迅速增加,林地和果园面积稳步提升。从土地利用类型转移变化看,梯田的转入速度略小于转出速度,为双向高速转换下的平衡状态;而灌木林转入速度小于转出速度,有规模减少的趋势。该地区土地利用类型在前期(1986-1995年)变化程度比后期(1995-2004年)更为剧烈。除特殊的地形地貌和气候因素外,政策、人口增长和经济发展等因素共同驱动土地利用类型的演变,特别实施天然林保护工程和退耕还林工程后,该地区土地利用状况有所好转。

长江上游亚高山暗针叶林土壤水分入渗特征研究

长江上游以峨嵋冷杉为主的亚高山暗针叶林流域土壤质地较粗 ,属于壤质砂土 .随着森林演替的发展 ,林地土壤砂粒含量逐渐降低 ,粉、粘粒含量逐渐增加 ,以过熟龄峨嵋冷杉纯林的粉粘粒含量为最高 .就坡积物而言 ,随土层深度的增加 ,砂粒含量逐渐增加 ,粘粒含量逐渐减小 .随森林演替的进展和土层深度的减小 ,土壤容重逐渐减小 ,土壤孔隙度和土壤贮水力逐渐增大 .研究区土壤非饱和导水率随土层深度的增加和土壤含水量的减小而减小 ,并与土壤含水量呈指数函数关系 .随土层深度的增加 ,土壤饱和导水率呈负指数递减 .不同土层到达稳渗的时间有差异 ,随土层深度的增加 ,稳渗时间增加 ,平均在 110min左右 .该流域暗针叶林带土壤质地上的变化和土壤水分物理性质的分异以及土壤水分的高入渗性是该暗针叶林流域水文循环中森林对水分传输调节的具体体现 ,也可以为该流域很少见到坡面径流或地表径流 ,而大部分以壤中流、回归流和地下渗漏等径流形式出现的机制作出有力的解释 .

黄土区林草植被与降水对坡面径流和侵蚀产沙的影响

在一定地形地貌基础上，林草植被与降水是决定坡面产流产沙量的主要因素，而这些因素各因子之间合作用于坡地产流产沙，增加了影响机制的复杂性。为深入分析降水因子与林分结构因子对坡地降雨产流产沙的影响，为黄土区植被建设提供理论依据，对蔡家川流域典型样地的实验资料进行分析。结果表明，刺槐和油松林场降雨产流、产沙置与降雨量和降雨强度有较好相关性，但相关性随着林分郁闭度的增大而减小；当油松林林分郁闭度〈0．6时，产流、产沙量与I30的相关性要更显著于与I10的相关性，而林分郁闭度在0．6以上时，则相反。在林分结构因子对坡面产流产沙的影响中，当林分覆盖度〉40％时，林分减水减沙效益显著。林地枯落物和草本植物通过截持降水、增加地表糙率来削减坡面产流产沙量，刺槐和油松林地的枯落物年截流量占降雨总量的13．5％～22％。刺槐和油松林的稳渗速率随林分密度的增加而增大，但不与密度的增加幅度成正比，当刺槐、油松林的密度超过3000株/hm^2时，稳渗速率增加缓慢。从防蚀角度考虑，可将其作为林分密度的上限。在林分生物量〉14．51 t／hm^2时，植被具有极好的防护功能。通过对影响坡面产流产沙的影响因子的灰色关联分析，林分郁闭度和草本、枯落物生物量对坡面产流产沙影响显著，关联度值均〉0．6。

黄土地区小流域植被覆盖和降水对侵蚀产沙过程的影响

以1982—2000年吕二沟地区的水文气象观测资料与遥感资料为数据源，进行流域产沙强度与径流指标、降水指标、植被覆盖指标之间的相关与多元回归分析，结果表明，流域产沙强度随径流指标、降雨指标的增加而增大，随植被覆盖指标的增加而减小。为了区分人为因素与自然因素对侵蚀产沙的影响，采用对数据进行标准化处理之后再进行多元回归分析的方法，来确定相对贡献率。结果表明，植被盖度和降水变化对吕二沟流域土壤侵蚀量变化的贡献率分别为45．7％和54．3％，可见土壤侵蚀量受降水的影响要略大于受植被覆盖的影响。

黄土地区防护林生态系统土壤水分条件的分析与评价

从土壤水分变化特征、土壤水分有效性、影响土壤水分的林分因子综合分析等几个方面对黄土地区防护林生态系统土壤水分条件进行了分析与评价。研究表明，黄土地区防护林生态系统土壤水分的垂直变化可分为：土壤水分弱利用层、土壤水分利用层、土壤水分调节层三个作用层次；林地土壤水分的季节变化可分为：土壤水分消耗期、补偿积累期、消退期、稳定期四个时期；根据土壤水分对植物的有效性，将土壤水分划分成易效水、中效水和难效水三种状态。在时间和深度上，阴坡土壤的有效性要好于阳坡，乔木地土壤难效水出现的机率明显高于灌木林地和荒地。通过对影响土壤水分的林分因子的综合分析，得到刺槐和油松林地含水量和难效水的机率与林分因子之间的多元回归方程。

黄土地区森林植被水土保持作用研究

选取黄土地区不同森林植被１）类型的两组４个试验流域为研究对象，通过６年（１９８８～１９９３）近７０场暴雨洪水的实地观测，对次暴雨（是指一场降雨从开始到终止这一时段）产沙量同森林植被的关系进行了定量分析，提出了含森林覆被率的５因子次暴雨产沙模型，进而对森林植被的水土保持效益进行了分析。木家岭小流域和庙沟小流域相比，无林流域的产沙量比森林流域高３３．４倍，森林的拦沙效益达到９６．８０％；木家岭流域和庙沟流域相比，少林流域比多林流域产沙量高４．３倍，森林的相对拦沙效益可达７５．５３％。同时通过黄土地区森林植被减沙作用的分析，提出了森林植被的拦沙量计算公式，据此可以求得不同降雨条件下，对比流域森林植被的拦沙量。

基于地形指数的TOPMODEL研究进展与热点跟踪

TOPMODEL是一种以数学方式表示水文循环过程的基于物理过程的半分布式流域水文模型 .该模型结构明晰 ,参数较少且具有明确的物理意义 ,不但适合于坡地集水区 ,还能用于无资料流域的产汇流估算 .TOPMODEL更大的优点在于非常适用二次开发 .该模型最初是用来模拟英国山区降雨径流的 ,后来被广泛应用于美国东部、新西兰等温湿地区 ,均显示了很好的模拟结果及可信的变源产流贡献模拟 .TOPMODEL是降雨径流模式之一 ,整个水文过程主要用水量平衡和Darcy定律来描述 .它利用变源面积理论原理 ,采用分布式地形指数 (ln(a tan β)来刻划流域或坡面的地形 ,作为决定径流形式的主导因子 ,并假定流域内具有同一地形指数值的区域具有水文相似性 .该文最后对目前TOPMODEL在森林流域水文研究中对产流机制的解释、参数问题以及尺度问题等 3个热点问题进行了跟踪 .

水土保持生态服务功能评价方法

由于生态系统服务功能支撑与维持着地球生命系统的平衡与稳定,因此它已受到当今世界普遍关注。在我国水土流失严重的情况下,运用生态服务功能理论可以正确评价水土保持措施的作用,并为合理的生态建设规划提供依据。本文在总结Costanza等人理论的基础上,分析水土保持各项措施对保护和改良人类赖以生存的自然环境条件的综合效用。认为水土保持生态服务功能包括保护和涵养水源、保护和改良土壤、固碳释氧、净化空气和防风固沙等功能。另外,本文从水土保持工程措施、水土保持农业措施和水土保持林草措施3个方向为上述功能筛选了10个评价指标,且为各个指标分别建立了评价方法。这些指标及方法将有助于对水土保持措施的生态环境效应进行深入的分析与评价。