塔里木河流域水储量变化及绿洲生态安全评估

绿洲是干旱、半干旱地区最具生态敏感性和独特性的景观类型,是维系人类生存和社会经济发展的重要区域。然而,在气候变化与人类活动双重影响下,干旱区水资源及其绿洲生境正发生剧烈变化。基于2000—2020年MODIS、GRACE卫星数据、土地利用数据和气象观测资料,通过计算植被覆盖度,估算植被初级生产力(NPP)和遥感生态指数(RSEI),系统分析了过去20 a塔里木河(简称塔河)流域陆地水储量和绿洲的动态变化并完成了绿洲区生态安全评估。结果表明:(1)2002—2020年塔河流域陆地水储量以0.27 mm·月-1的速率减少,空间上塔河流域陆地水储量在北部和西部区域显著减少,而在南部区域显著增加。(2)2000—2020年塔河流域绿洲面积显著增加,面积增加6.49%(0.42×10^(4)km^(2))。塔河流域整体生态环境呈转好趋势,生态等级由较差级别转为中等级别,生态改善区占总流域面积的69%,而生态退化区面积不足5%。塔河流域归一化植被指数(NDVI)由2000年的0.13增至2020年的0.16,近20 a植被覆盖度增加36.79%,NPP增加31.55%。(3)气温升高和降水增多的同时伴随下游河川径流增加,这进一步加剧了塔河流域陆地水资源储量的时空差异性,但人类活动仍是绿洲显著扩张最根本的原因。

塔里木盆地南缘绿洲-沙漠过渡带8种植物C、N、P生态化学计量特征的季节变化

研究荒漠生态系统中乔木、灌木和草本叶片生态化学计量特征及其随季节变化的规律,旨在阐明不同生活型植物生长发育过程中生态化学计量特征动态平衡及其差异,为荒漠生态系统的保护与管理提供理论依据。选择塔里木盆地南缘绿洲-沙漠过渡带内不同生活型8种植物,在生长季的4—9月连续进行叶片采集,分析叶片C、N、P含量及其计量比在整个生长季的变化。结果表明:(1)整体上,8种植物叶片C含量的季节变化不大,N、P含量在生长初期最高,之后逐步下降,体现了明显的稀释作用,而植物叶片的C∶N、C∶P和N∶P在整个生长季内的变化规律不一致;(2)综合分析8种植物叶片C、N、P含量及其计量比值在整个生长季节内的变异,变异系数由大到小排序为:P(32.39%)>C∶P(25.67%)>N(20.96%)>N∶P(20.42%)>C∶N(19.83%)>C(6.49%);(3)植物叶片C含量的变异主要受物种和生活型的影响,N、P含量及C∶N、C∶P的变异受物种和生长季的影响最大,而N∶P的变异受到生长季与物种的交互影响大于生长季的影响;(4)8种植物叶片N、P含量间存在极显著的正相关关系(P<0.001);P含量则与N∶P间呈现显著负相关(P<0.001),而N含量与N∶P间无显著相关性(P>0.05)。绿洲-沙漠过渡带8种植物叶片碳、氮、磷含量及其化学计量比在生长季因物种而不同,它们在生长季内的变异系数在物种间也存在差异,植物生长更容易受到N元素的限制。

新疆天山1990-2050年生态系统服务功能及安全格局

【研究目的】在全球气候变化和人类活动不断扩展的背景下,自然生态系统及其提供的服务功能面临着日益严重的威胁和衰退。为应对这一挑战,确定并保护对生态可持续性具有重大价值的关键地点变得至关重要。生态安全格局是指一种全面策略和方法,旨在保障区域生态可持续性。【研究方法】本研究基于In−VEST模型、PLUS模型和电路理论等,对西北干旱区天山地区生态系统服务与生态安全格局(ESP)的动态变化进行了评价。【研究结果】1990—2050年土地利用/覆盖变化(LUCC)空间分布上基本稳定。近30年来总转换面积为32.52×10^(3)km^(2),主要是荒地和草地之间的转化。与2020年相比,2050年自然增长(ND)、生态保护(EP)和城市发展(UD)情景下的土地总转换面积分别为21.43×10^(3)km^(2)、23.09×10^(3)km^(2)、22.87×10^(3)km^(2),其中林地面积净增加的最多,主要由草地转化而成。EP情景下林地、草地和水体面积增加。其他两种情景下建设用地和耕地面积大幅扩大。与ND和UD情景相比,EP情景的生态系统服务功能更大。1990—2050年天山地区ESP存在明显的空间差异,较大的生态源和较小的阻力廊道主要分布在天山地区生态系统服务功能较高的中部和北部。相反,破碎的生态源和较大的抗性廊道大多分布在被沙地、裸地或山地阻隔的西部地区。东南部为荒漠地区,没有生态源,缺乏生态廊道。近30年来,生态源区面积减少了1.84×10^(3)km^(2),呈现破碎化趋势,生态网络更加复杂。与2020年相比,2050年EP情景下的生态源面积和夹点面积分别增加10.53×10^(3)km^(2)和0.11×10^(3)km^(2),生态障碍带点面积减少0.38×10^(3)km^(2)。除EP场景外,其余两种情景的生态源面积也有所增加,但低于EP场景。【结论】生态保护情景在塑造LUCC的过程中起到了重要的作用,对维护生态安全和生态系统的完整性具有极大的意义。

基于地理探测器的艾比湖流域生态脆弱性评价及驱动力分析

对艾比湖流域生态脆弱性进行评价,并对其驱动力进行定量分析,为区域生态环境保护与建设、生态资源合理开发利用提供理论支撑。从自然因素和人类因素2个方面选择高程、坡度、坡向、植被覆盖度、年降水、地表温度、河网密度、土壤类型、土地利用类型、人均GDP及人口密度等11个指标,构建艾比湖流域生态脆弱性评价体系,利用主观权重与客观权重相结合的方法确定指标权重,选取2000、2010及2020年3个时间点进行流域生态脆弱性(EVI)研究和驱动力分析。结果表明:近20年来艾比湖流域生态脆弱性以中度脆弱与轻度脆弱为主,占总面积的85.53%,整体上生态脆弱性有所改善。地理探测器分析表明,生态环境的空间分布特征是多种影响因子共同交互作用的结果,植被覆盖度和土地利用类型是影响区域生态脆弱性状况的主要因子。2000年、2010年和2020年生态脆弱性具体解释力的值分别为0.592、0.721和0.711。

近40 a昆仑山北麓典型河流生态基流时空特征

生态基流是河流生态系统健康稳定的关键,对于水资源缺乏的干旱区内陆河流尤为重要。以昆仑山北麓克里雅河、尼雅河与车尔臣河3条典型季节性内陆河为研究对象,选取1978—2014年流域水文数据,利用QP法、Tennant法、近10 a最枯月平均流量法和Texas法4种水文学方法,计算确定河流生态基流并据此分析其时空分异特征与影响因素。结果表明:Tennant法更适合昆仑山北麓河流生态基流计算。从时间变化来看,3条河生态基流年内最大值均出现在7月份,最小值均出现在1月份;年生态基流最大值均出现在2010年左右,最小值在1980年前后,分别以1.378、0.653、3.066 m^(3)/s·(10 a)^(-1)的速度增加。3条河流生态基流空间分布,春季表现为车尔臣河>克里雅河>尼雅河,夏季和秋季均表现为克里雅河>车尔臣河>尼雅河,且同一河流波动变化明显,不同河流之间变化差异不显著(p>0.05)。影响生态基流年内时空差异的主要因素分别是气温、降水和人类活动,其中以车尔臣河流域气温、降水与生态基流的相关性最强,相关系数r分别为0.876、0.917。考虑生态基流时空分布与流域气候变化特征,综合提出3条河流年内各月生态基流管控目标。研究结果可为昆仑山北麓河流生态保护与水资源管理调度提供参考。

放牧对新疆草地生态系统碳源/汇的影响模拟研究

正确评估新疆草地生态系统碳源/汇效应,对区域尺度碳循环研究具有重要意义。放牧是新疆草地生态系统中主要的人类活动,但放牧对草地碳平衡与碳动态的影响还具有很大的不确定性。利用生态系统放牧模型Biome-BGC grazing,通过情景模拟综合评价新疆草地生态系统碳源/汇的动态。结果表明:1)1979—2007年新疆草地生态系统的碳源总量为0.38Pg C,其中由放牧导致的碳释放为0.37Pg C;2)当平均放牧率小于0.24头标准羊/hm^2时,放牧能够促进草地碳固定。研究实现了BiomeBGC grazing模型在区域尺度的应用,研究结果将有助于理解气候变化及放牧对干旱区草地生态系统碳动态变化的驱动机理,对探明干旱区草原生态系统的源/汇特征具有重要意义。

中国对“一带一路”沿线国家玉米产品出口的影响因素及潜力分析

选取43个“一带一路”沿线国家,利用贸易竞争力指数对2015—2021年中国玉米产品的国际竞争力进行衡量,通过扩展的贸易引力模型分析玉米产品出口的影响因素,并对出口潜力进行测量。结果表明,中国玉米产品的国际竞争力总体较弱,处于劣势地位。双方高的经济总量、较高的贸易自由度、加入共同的经济组织等因素显著促进了玉米产品的出口,而地理距离及过多的人口数量会阻碍玉米产品的出口。在43个样本国家中,3个国家是潜力巨大型国家,38个国家是潜力开拓型国家,2个国家是潜力再造型国家。中国应该继续强化积极的贸易因素,弱化消极的因素,培养新的玉米延伸产品,充分释放出口潜能。

中国陆地生态系统净初级生产力时空变化特征及影响因素

为揭示气候变化背景下我国各陆地生态系统净初级生产力(NPP)的时空分布特征与驱动机制,引入重心模型分析2000—2017年我国NPP的空间分布格局变化,并利用相关分析方法结合Thornthwaite Memorial模型定量区分气候变化与人类活动影响NPP的相对作用。结果表明:(1)2000—2017年全国NPP均值为325.86 g C/m^(2),整体呈现出南方高北方低,东南向西北逐渐递减的特点。(2)近18年全国与各陆地生态系统NPP均呈现增长趋势,全国NPP增长速率为4.4597 g C m^(-2)a^(-1),总净增加约0.391 Pg C。空间上全国与森林、草地、荒漠生态系统的NPP重心向东北方向移动,农田与城市生态系统的NPP重心向西北方向移动,表明NPP在该方向上的增速和增量最大。(3)全国NPP在华北、西北地区与四川盆地主要受降水的影响,在青藏高原与云贵高原的东部主要受气温的影响,各陆地生态系统之间城市生态系统NPP对降水响应的敏感度相对最高,荒漠生态系统NPP对温度响应的敏感度相对最高。(4)气候变化和人类活动对全国NPP变化的贡献分别约占56%和44%,各陆地生态系统的NPP也表现为受气候变化的影响大于人类活动的影响。此外气候变化对荒漠生态系统NPP的影响最大,对森林生态系统的影响最小,人类活动对各陆地生态系统NPP的影响大小则相反。研究结果可为我国生态环境保护、资源的合理配置以及制定环境、社会经济发展等战略决策提供科学依据。

面向生态系统服务供需的开都-孔雀河流域生态安全格局研究

构建干旱区生态安全格局有利于促进区域生态系统服务供应与需求之间的动态平衡。以干旱区开都-孔雀河流域为研究区,利用InVEST模型、RWEQ模型和Getis-Ord Gi*模型分析生态供给源地,以土地利用程度、地均GDP、人口密度和夜间灯光指数分析生态需求源地,并基于最小累积阻力模型确定供给源地与需求源地之间的生态廊道,从而构建研究区生态安全格局。研究结果表明:(1)开都-孔雀河流域生态供给源地14个,占研究区面积的21.46%,重点生态需求源地共9个斑块,占流域总面积4.63%;生态廊道126条,重要廊道17条,总长度654.68km;生态节点65个,重点生态节点24个。(2)开都-孔雀河流域生态系统服务供给与需求空间错位明显,高供给区域与高需求区域呈现出以城镇边界为分界线的明显特征。(3)结合研究区自然地理特征和景观生态系统服务流动性,运用阻力面模型,构建“两核心、两片区、三横四纵多节点”的开都-孔雀河流域生态安全格局可为保障区域生态系统服务功能和可持续发展政策的制定提供科学参考。

高山湖泊生态系统气候响应研究进展

作为高山淡水生态系统主要载体,高山湖泊生态系统具有生态环境原始、环境承载力低、自净能力弱以及生物群落结构单一等特点,对于气候与环境变化响应敏感。围绕气候变化背景下高山湖泊生态系统结构与功能变化这一主线,系统分析了山区海拔依赖性增暖对高山湖泊热力特性、溶解氧分层以及生物过程的影响,阐述了辐射增强背景下高山水生生物适应对策及水下辐射特征变化,揭示山区降水变化对高山湖泊跨生态系统物质补贴及生物地球化学循环的影响机制。在今后研究中,需完善多气候因子变化下的湖泊生境综合响应实验,建立对高山湖泊生态系统全要素的系统监测与整合,以加强高山湖泊生态系统对气候变化的响应过程及适应机制的认知。

替代稳态下阜康北部荒漠生态弹性的时空格局

替代稳态下的荒漠生态系统生态弹性反映了系统承受环境干扰后的恢复能力,这对认识荒漠生态系统过程具有重要的理论意义。当前研究主要集中在湖泊和森林生态系统,而有关荒漠生态系统弹性的研究普遍未考虑替代稳态,也鲜有考虑弹性的时间变化。本研究以阜康北部的古尔班通古特沙漠南缘至沙漠腹地样带为例,运用2001年1月至2020年12月的MODIS全球植被指数遥感数据,采用BFAST(Breaks for Additive Season and Trend)和状态空间建模对数据进行处理和提取,通过不同状态的退出时间量化得出不同时段替代稳态条件下的生态弹性,同时根据计算结果分析了该地区生态弹性时空演变特征及其影响机制。研究结果表明:(1)研究区弹性+和弹性-整体呈现先下降后上升的趋势,但沙漠边缘至腹地空间差异显著。(2)生态弹性对降水变化存在滞后响应。(3)降水季节变化的差异会降低降水量与生态弹性之间的相关性。综上所述,生态弹性的空间分布总体受降水格局控制,但立地条件导致的植被空间异质性增加了生态弹性空间分布的复杂性,而生态弹性与降水变化的关系取决于植被群落构成、植物对降水变化响应、降水量变化趋势和季节分布。本研究在认识荒漠生态系统功能稳定性维持机制以及荒漠生态保护和修复方面具有重要的理论与实践意义。

新疆孔雀河流域生态基流与天然植被需水量研究

研究和确定流域生态基流及天然植被需水量是为了遏制因河道断流或流量减少而造成的生态环境退化,以确保流域生态系统健康发展。根据孔雀河流域植被类型分布及多年径流状况,将河道分为A、B两部分,A段为孔雀河上游塔什店至第三分水枢纽常年未断流河道;B段为第三分水枢纽以下天然植被主要分布区。基于塔什店水文站近50 a水文数据,结合Tennant法等4种方法对A段河道生态基流进行估算;选择潜水蒸发法、定额法对B段距河道1 km辐射范围内的天然植被需水量进行计算。结果表明:Tennant法估算的年均生态基流为9.13 m^(3)·s^(-1),对应基本生态水量为2.88×10^(8) m^(3)·a^(-1),满足A段河道2000—2018年多年平均河损,且近10 a(2009—2018年)塔什店实测年均流量均可满足此生态基流标准;B段河道辐射范围内天然植被总面积为4.66×10^(4) hm^(2),生态需水量为0.95×10^(8) m^(3)·a^(-1),以孔雀河生态输水工程为例科学调控水资源,在满足A段基本生态基流的同时兼顾B段天然植被需水量。研究结果对实现孔雀河河道修复和不同水平年下生态供水具有一定的意义。

基于地理探测器的中国陆地生态系统土壤有机碳空间异质性影响因子分析

中国陆地生态系统土壤有机碳库对全球生态系统碳平衡具有显著影响。为揭示土壤碳库空间分布的潜在主控因子并为今后建立碳库空间分布模型提供依据,利用地理探测器对中国陆地生态系统表层土壤(0—20 cm)有机碳密度的影响因子(气温、降水量、DEM、NDVI、陆地生态系统类型、人口密度)进行空间分异性探测和定量归因。结果表明:自然因素是全国和区域尺度陆地生态系统表层土壤有机碳密度的主要因素,而人为因素影响较小。全国尺度各影响因子按解释程度大小排序分别为:温度(0.22)>NDVI(0.16)>DEM(0.12)>陆地生态系统类型(0.09)>降水量(0.06)>人口密度(0.04);自然因素中的气候因素是中国陆地生态系统表层土壤有机碳密度空间分异性的主要影响因子,温度与降水量交互作用的解释程度为0.37,其中温度的作用尤为重要;气温因子与土壤有机碳密度在相对寒冷的地区(均温<15℃)呈负相关,但在更热的地区则呈正相关,意味着生态系统碳平衡对未来气候变暖可能表现出异质性的响应特征;强烈的因子互作效应表明,中国陆地生态系统表层土壤有机碳空间分异性是由多种因子共同作用影响而非单一因素决定;中国六大分区(东北、华北、华东、西北、中南、西南)陆地生态系统表层土壤有机碳密度的各影响因子解释程度存在差异,体现出土壤有机碳密度的主控因子的空间异质性。

新疆孔雀河流域生态退化问题与保护恢复研究

保护孔雀河流域荒漠河岸林对阻挡库木塔格沙漠与塔克拉玛干沙漠合拢、维系塔里木河下游"绿色走廊"具有重要意义。本文对孔雀河流域生态问题进行了诊断分析,提出孔雀河流域的水资源过度开发已经超出了环境的承载能力,耕地面积的不断扩大和农业用水量的不断增加,强烈挤占了生态用水。产生这些问题与流域生态水权管理体制缺失,监管体系不健全有关。针对此,提出要改变以往完全依赖扩大种植面积实现经济增长的发展模式,控制流域灌溉面积;实现地表水、地下水两水统管;以水定地,积极推广节水技术;实施差别水价,建立生产用水的市场调节机制;加快孔雀河沿岸胡杨林区的"退耕、封井、还水"行动,构建孔雀河流域生态管护与合作机制,明晰孔雀河流域胡杨林生态管护的权责。

新疆开都-孔雀河流域天然植被生态需水量研究

本研究以新疆开都-孔雀河流域为研究区,针对流域不同保护目标,采用定额法、阿克苏水平衡站公式和阿维里扬诺夫公式三种方法,分别估算了生态红线区和生态敏感区的生态需水量。研究结果表明开都-孔雀河流域生态红线区平均需水量为13.82×10^8m^3,生态敏感区平均生态需水量为2.06×10^8m^3,且潜水蒸发法中的阿克苏水平衡站公式的计算值与平均值最为接近。由于干旱区降水量稀少,天然植被生长完全依赖地下水,一般采用潜水蒸发法间接计算植被的生态需水量,在植被需水定额不好确定的情况下,更是首选潜水蒸发法进行生态需水量的估算。研究成果可以为孔雀河生态输水工程和塔里木河下游生态输水工程的实施提供科学依据。

绿洲农业对博湖小湖生态需水的影响研究

研究博湖县绿洲农业灌区对博斯腾湖小湖区域的补给水量,提出最优的绿洲农业种植结构。基于MIKE-SHE水文模型及水量平衡公式,以2017年为研究背景,量化不同种植结构情景下的地下水及地表水对博湖小湖补给量的变化情况,核算了区域年补给总量。结果表明:(1)模拟值与观测值的平均相关系数及纳什系数分别为0.89、0.79;(2)种植水稻地下水对博湖小湖补给量10.628×10^6m^3,种植油菜地表水对博湖小湖补给量538.023×10^6m^3,均为最高;(3)地下水对博湖小湖的补给量与灌溉期、灌溉定额、作物种类有着强烈的相关关系,地表水对博湖小湖的年补给量远远大于地下水,且与总补给量高度相关,是博湖小湖总补给量的决定性因素;(4)油菜及小麦的年补给量分别为544.939×10^6m^3、 541.158×10^6m^3,为小湖生态需水要求下区域最佳的种植作物。

基于树木年轮技术的塔里木河下游河岸胡杨林生态需水量研究

生态需水量计算是干旱脆弱生态区恢复重建的一个关键问题。分析了塔里木河下游荒漠河岸林关键种-胡杨树木年轮近90年来的变化特征及对气候水文过程的响应,并基于树木年轮技术提出了维系荒漠河岸林不同恢复状态的生态需水量。研究结果表明,塔里木河下游胡杨树木年轮主要承载的是区域水文历史变化信息,可以作为定量评估生态输水工程的生态恢复效应和定量计算植被生态需水量的新指标;胡杨标准年轮宽度指数与生长年生态输水量呈显著正相关(P<0.05),近15年生态输水对胡杨年轮宽度指数增加的平均贡献率为42.96%;若要维持塔里木河下游英苏段垂直河道300 m范围内的胡杨达到近90年来的平均生长水平,则需在生长年下泄生态需水量0.84×10~8m^3,若要达到断流前(1933—1974年)的平均径向生长,则每个生长年内生态需水量应达到0.91×10~8m^3。

西北干旱荒漠区生态系统可持续管理理念与模式

结合对西北干旱区水资源短缺、资源开发中的生态与经济矛盾突出、气候变暖可能加剧干旱区荒漠化以及生态水权与长效保障机制缺失等问题的分析诊断,探讨了荒漠区生态系统可持续管理面临的问题与难点,分析提出了荒漠生态系统植被保育的生态水位与生态阈值,阐述了荒漠 绿洲过渡带生态融合以及绿洲生态系统安全的生态防护梯度等干旱区生态系统管理理念;结合干旱区极端环境自然条件,在多年现场试验基础上,研发集成了退化群落改造与生态多样性构建技术、植物群落结构优化配置、组装与生态融合技术、生态系统恢复水分利用与生态自维持技术以及胡杨萌蘖更新技术等多种适宜荒漠植被恢复与重建的技术模式,并进行了成功实践和试验示范,为干旱荒漠区生态系统可持续管理提供了重要科技支撑。

科技支撑新疆塔里木河流域生态修复及可持续管理

塔里木河流域地处我国西北新疆,面积约102×10~4km^2,是我国丝绸之路经济带建设的核心区。在过去50 a里,塔里木河流域经历了大规模的水土资源开发,经济社会发展的同时,河道断流,湖泊干涸,沙漠化加剧,生物多样性受损,生态隐忧日益加剧,已威胁塔里木河流域绿洲经济发展和社会稳定,严重影响国家"丝绸之路经济带"建设。荒漠与绿洲生态国家重点实验室针对塔里木河流域的生态环境问题,开展了长期的生态监测与科学研究,基于多年监测调查数据,解析了塔里木河荒漠河岸林植被与地下水的关系,揭示了生态系统退化过程和机理,提出了塔里木河下游合理/胁迫/临界地下水位与流域生态需水量,研发提出的退化生态系统修复重建关键技术得到推广应用;提出的重点生态工程建设方案,被纳入《南疆水利规划》;提出的流域水资源管理建议被国家采纳并实施。科技支撑塔里木河流域生态修复及可持续管理,为丝绸之路经济带生态文明建设提供了重要科学依据和示范样板。

新疆绿洲覆膜滴灌棉田碳通量特征研究

基于涡度相关技术,对新疆典型绿洲棉田进行了连续4年的碳通量观测,并探讨覆膜滴灌棉田生育期内碳通量的构成和特征。结果表明:生长盛期(6—9月),棉田的总初级生产力(GPP)和净生态系统碳交换(NEE)日变化明显,峰值约出现在14:00。生态系统呼吸(Res)日变化稳定,与膜下土壤温度日变化稳定有关。日间GPP随太阳净辐射(Rnet)增加而增大,可用直角双曲线方程描述;且最大光合速率的峰值出现在7月。各碳通量的季节变化不同:GPP和NEE与LAI的季节变化一致,峰值出现在7月;而Res的峰值出现在6月。月累积GPP在6—9月间主要分配给NEE;而其余月份则分配给Res。整个生育期内(5—10月),总GPP平均为816.2 g C/m2,其中NEE占58.6%,这表明生育期内覆膜滴灌棉田表现为碳汇。