植物种群空间分布格局测定的新方法:摄影定位法

在种群空间分布格局研究中,取样方法至关重要。受点格局分析方法及地理信息系统原理与方法的启示,该文论述了一种新的测定方法:摄影定位法,即在典型草原恢复样地中选取10m×10m的群落片段,用竹签将其分成400个50cm×50cm的亚样方,应用摄影技术将这400个亚样方内所有的物体按一定的顺序拍摄下来,借助地理信息系统技术准确地确定每株(丛)植物的着生点位置,实现种群格局的测定,并通过威尔柯克森符号秩检验,表明该种方法可行。在使用此方法进行种群格局测定时,工作效率大幅度提高,且在典型草原群落种群格局测定中得到很好的效果。应用该测定方法对种群格局进行动态监测,不仅可以测定每个种群的格局动态变化过程,而且可以监测每株植物的生死过程以及种间的相互关系,进而从种群格局角度去认识演替过程,从而把演替的群落、种群尺度监测细化到个体水平。

典型草原退化群落不同恢复演替阶段羊草种群空间格局的比较

羊草(Leymus chinensis)为典型草原群落的主要建群种之一,在群落中扮演着重要角色。应用摄影定位法测定处于不同恢复演替阶段的羊草种群空间格局,通过点格局、种群空斑、种群领地及种群领地密度等方法分析发现,羊草种群在恢复演替过程中经历了种群增长和种群衰退的过程。在此过程中,羊草种群数量出现最高点,此点之前,种群拓殖大于自疏,种群整体增长;此点之后,种间竞争及种内竞争致使种群衰退,而种间竞争占主导地位,种内竞争相对较弱。羊草种群的增衰导致种群空斑发生变化,从而引起种群格局类型发生相应的变化,表现为在恢复21a的群落中,羊草种群在10m×10m的取样范围内表现出两种格局分布类型:在0～4.85m之间呈现聚集分布,当尺度大于4.85m时,则表现为随机分布;在恢复8a的群落中,羊草种群在10m×10m的取样范围内出现3种格局分布类型:在0～3.01m之间呈聚集分布,在3.01～3.37m之间为随机分布,当尺度大于3.37m时则表现为均匀分布;在严重退化群落中,羊草种群在整个10m×10m测定尺度上呈现聚集分布。由此可见,羊草种群格局在恢复演替过程中是变化的,这种变化主要由群落剩余资源驱动下的种群拓殖及种内种间竞争所致。

基于GEE的典型草原城市建筑用地与植被的热岛强度研究--以锡林浩特市为例

为研究中等尺度典型草原城市的热岛强度时空特征,以锡林浩特市城区和郊区的热岛情况为研究对象,基于谷歌地球引擎云平台,利用2013-2020年锡林浩特市的Landsat 8遥感影像,进行地表温度反演,并采用随机森林法进行城郊区的土地利用分类,计算城市的热岛强度。研究结果表明:建筑用地与植被的地表温度年际变化趋势总体相似,郊区地表温度升温幅度较城区大;锡林浩特市的城市热岛强度在2013-2020年为负值(冷岛效应);城郊区建筑用地热岛强度对城市整体热岛强度影响不显著,城郊区植被热岛强度会对城市整体热岛强度产生显著的正向影响关系;2013-2020年植被热岛强度高于建筑热岛强度。

基于大涡模拟的风力机尾流湍流特征的研究

采用大涡模拟法(LES)对自行开发设计的100 W小型水平轴风力机在来流风速为8 m/s、湍流强度为0.4%时的尾流进行数值模拟计算,计算中提取流场稳定后的x、y、z 3个方向的瞬间速度、压力等参数的600个数据样本,计算得到尾流(1≤y/d≤20)内轴向速度和湍流强度的均方根值,分析风力机尾流内时间平均轴向速度、湍流强度及涡结构等的特征。结果表明:在y/d=5风轮下游位置,轴向速度亏损仍很严重,仅约为来流风速的50%。且在y/d≤5的范围内尾流宽度均略大于风轮直径,尾流膨胀现象不明显。一直到y/d>17以后的位置,尾流效应才开始变得不明显;与来流的低湍流特性相比,尾流内的湍流强度大幅提高,在y/d=5位置,湍流强度达到最大,最大湍流强度值为来流湍流强度的30倍,且在近尾流区域存在的4个湍流峰值分别对应叶片的叶尖和叶根位置。

风切变对风力机尾流湍流特征影响的研究

采用LES方法,对自行开发设计的100 W小型水平轴风力机在有、无风切变两种入流情况下的尾流特征进行了模拟计算,计算中提取了流场稳定后的x、y、z三个方向的瞬间速度、压力等参数的600个数据样本,计算得到了尾流内轴向速度和湍流强度的方均根值,分析了有、无风切变两种入流情况下风力机尾流内的时间平均轴向速度、湍流强度及涡结构等流动特征。结果表明:无风切变入流情况下,尾流内的叶尖涡、中心涡及轴向速度都呈现对称性;而风切变入流情况下,尾流内叶尖涡螺旋轨迹上面部分的螺距明显大于下面部分的螺距,呈现出了非对称性,而中心涡和轴向速度也都呈现出一定的非对称性,且风切变入流情况下尾流内的涡传播距离更远;在y/d<6的近尾流区域内,无论入流是否存在风切变,风力机尾流膨胀现象都不很明显;在相同入流湍流强度条件下,有、无风切变入流情况下尾流内湍流强度的变化规律相似,入流风切变对尾流内湍流强度的影响较小。

平顶建筑物顶面风力机安装位置和高度的研究

采用CFD方法,对放置于某风场的长方形平顶建筑物(长×宽×高=12.4 m×2.4 m×3.1 m)顶面的风资源特征进行模拟计算,计算中同时考虑中性大气边界层和地表粗糙度的影响,分析4个不同风向条件下建筑物顶面15个参考位置的风速增大系数和湍流强度随高度的变化规律,确定屋顶风力机的适合安装位置和高度。结果表明:平顶建筑物顶面安装风力机时其安装高度至少要达到1.3H(H为建筑物高度),以避开强湍流区域;在高于建筑物顶面0.5H高度后,建筑物顶面各位置出现风速增大现象,而当高于建筑物顶面2.0H后,风速增大系数趋于定值;当风力机安装高度高于建筑物顶面0.5H^2.0H时,长方形平顶建筑物顶面15个参考位置均可安装风力机。

内蒙古自治区鄂尔多斯高原茭蒿种子萌发特性研究

通过对内蒙古自治区鄂尔多斯高原的茭蒿与其他2种蒿属植物种子萌发特性的对比研究。结果表明,茭蒿种子质量很小,千粒重仅为(0.090 1±0.005 1)g,这种特性有利于其种子的传播;茭蒿种子质量虽然很小,但在相同条件下,与其他植物种子发芽率并没有表现出显著差异,即种子质量的大小没有对茭蒿种子的萌发造成影响。茭蒿在拥有小种子的同时又具有高的种子萌发率,是其对黄土丘陵沟谷的有效适应途径。

建筑顶面风力机微观选址数值分析方法的研究

为确定建筑物顶面屋顶风力机微观选址的有效方法,分别采用SKE、RKE、RNG、SST k-ε及LES共5种湍流模型对日本建筑物学会在风洞实验中所用建筑物的顶面及周围流场进行数值模拟,将各湍流模型的预测值与AIJ风洞实验的测量值进行对比分析,并采用3种统计参数对各湍流模型的预测精度进行评估,结果表明：LES模型对建筑物顶面风场湍流特性的预测是最准确的,而SKE、RKE、RNG这3种湍流模型的预测精度均略低于LES模型的,且这3种湍流模型对建筑物顶面三维风速的预测精度基本一致,但对湍动能的预测略有差别,其中SKE湍流模型最差,RKE湍流模型居中,RNG湍流模型最好。考虑到计算成本及实际建筑物的大尺寸,采用数值模拟方法进行建筑物顶面屋顶风力机微观选址时,SKE、RKE、RNG这3种湍流模型的计算精度完全可达到要求,其中RNG湍流模型的预测精度最好。

环境科学专业认识实习的教学实践研究

环境部门对专业人才的实践能力提出更高要求,而中国高校的实践教学又相对薄弱,因此急需系统性研究环境科学专业实践教学体系。通过分析环境科学专业实践教学中存在的问题,并就改进专业实践教学体系进行了有益的探索,即建立稳定的实习地点、丰富实习教学的内容、改进实践教学管理的方法和提高学生的实际工作能力等方面进行了经验交流。

建筑密度对建筑物群内风能利用的影响

针对建筑物群内风能应用问题,采用CFD方法,对建筑密度分别为26%、20%、18%、16%、14%的5种建筑物群周围风速和湍流强度特征开展研究,分析建筑密度对建筑物群内风力机合理安装位置的影响方式。结果表明:在低于1.5H高度范围内,建筑物群的建筑密度越大,同一安装高度上适合于安装风力机的区域就越大,即越有利于建筑物群内风能的应用;在高度高于1.5H后,建筑密度对建筑物群内风力机安装位置的影响消失;无论建筑密度大小,在低于1.2H的高度范围内,建筑物群内不适合安装风力机;在高度高于1.45H后,可优先考虑将风力机安装于建筑物群内中间一排建筑物顶面,在建筑物顶面可优先将风力机安装于拐角位置;5种建筑密度的建筑物群内只考虑风速要求即可确定风力机的合理安装位置。

呼和浩特城市绿地土壤水分的累积与变异性

针对城市绿地土壤水分累积与变异的相关性问题,以呼和浩特绿地土壤含水量为研究对象,于2019年4-5月实测21个样地63个样点共756个数据,运用多元统计学方法(单因素方差、多重比较)和地统计学方法(反距离权重空间插值、半方差函数),进行植物生活型和功能区的土壤含水量的多尺度分析.研究结果表明:1)植物生活型对土壤含水量累积值不存在显著影响,但对土壤含水量变异系数存在显著性影响,乔灌草、灌草和乔草3种植物生活型中,灌草生活型的绿地最有利于保持土壤水分;2)功能区对土壤含水量累积值和变异系数均存在显著性影响,其中浇灌规律的教学区土壤含水量的累积值最高,且变异系数和变异幅度最小;3)地统计分析结果显示城市绿地土壤含水量累积值具有较大的空间变异性,以结构性变异为主,平均变程为900.7 m.研究结果将有利于深入研究土壤含水量的时空结构及变化规律.

锡林浩特典型草原地区牧草优势种类的品质研究

针对典型草原区优势牧草是否具有较高品质的问题,于2018年调查了锡林浩特典型草原地区11个采样点生长季的34种植物共177个牧草样本,运用主成分分析、相关分析等统计方法,系统性分析表征牧草品质的6个指标(叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素、蛋白质、淀粉、可溶性糖)在生长季的含量变化趋势,综合评估牧草的品质,研究牧草相对优势度与其综合品质间的相关性。结果表明:(1)整个生长季,优势种牧草的平均优势度最大,亚优势种牧草次之,一二年生伴生种牧草再次,多年生伴生种牧草最小;(2)整个生长季,叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和淀粉含量呈现先上升再下降的趋势,蛋白质含量呈现上升趋势,可溶性糖含量呈现先下降再上升的趋势;(3)利用主成分分析法评估牧草品质,整个生长季牧草品质最好的为优势种牧草,亚优势种牧草次之,多年生伴生种牧草再次,一二年生伴生种牧草最差:(4)牧草优势度与综合品质得分的相关性存在季节差异,返青期呈显著正相关(R^2=0.640,P<0.001),盛草期无明显相关性(R^2=0.081,P>0.05),枯黄期呈显著负相关(R^2=0.534,P<0.001)。牧草的品质研究将为优质牧草的开发与推广奠定理论基础。

以科研支撑教学的实践探索——以恢复生态学课程为例

大学在知识方面肩负着两个基本功能:传授知识和创造知识。大学教师在本科教学过程中,需要从事相关的科学研究,以科学研究支撑本科教学。本文作者把自己多年从事草原生态系统退化与恢复的科研成果融入到恢复生态学本科教学实践,实现以科研支撑教学的实践探索,为广大同仁在本科教学过程中实现以科研支撑本科教学提供借鉴和参考。

米氏冰草种群在恢复演替进程中的点格局分析

植物种群空间格局是植物生态学研究的基本内容之一。过度放牧引起典型草原生态系统发生退化,而探讨典型草原退化群落在恢复演替过程中种群空间格局具有重要意义。米氏冰草为典型草原群落主要优势种之一,在恢复演替过程中,群落会经历冷蒿+米氏冰草群落阶段和米氏冰草群落阶段。选择米氏冰草种群作为研究对象,应用O-Ring函数结合不同零模型分析米氏冰草种群在恢复演替过程中的格局变化。研究结果表明:在严重退化群落中,米氏冰草种群在精细尺度上存在高密度的小聚块,种群格局表现为大聚块中出现高密度的小聚块;而在恢复8年群落和恢复21年群落中,大聚块中并未出现高密度的小聚块。这样的格局特征说明米氏冰草种群在恢复演替过程中经历了精细尺度上高密度小聚块消失的过程,是退化群落在恢复过程中种群个体间正相互作用向竞争转化所致。

羊草＋大针茅草原退化群落优势种群空间点格局分析

草原退化的特征主要表现为群落生产力的大幅下降和植物个体的小型化,同时,退化的草原生态系统与一定强度的放牧压力保持平衡而相对稳定。该文应用摄影定位法测定了羊草+大针茅草原退化群落中4个优势种群羊草(Leymus chinen-sis)、米氏冰草(Agropyron michnoi)、大针茅(Stipa grandis)、糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)的空间格局。点格局分析结果表明:在空间分布格局上,4个优势种群均偏离完全随机模型和泊松聚块模型,而符合嵌套双聚块模型,也就是说,其空间格局表现为聚集分布,且在大聚块中分布着较高密度的小聚块。严重退化的草原群落中优势种群的嵌套双聚块空间分布格局当属一种集体行为,是种群适应过度放牧压力的一种表现形式,为过度放牧导致的退化草原群落的主要特征之一。这种生态学现象同植物个体小型化一样,是种群易化(正相互作用)的结果。在过度放牧的胁迫下,种群通过改变个体性状及个体在空间的分布状况实现自我帮助,以抵御外界的放牧压力达到自我保护,从而维持退化草原生态系统与放牧压力间的相对平衡。

基于不同零模型的点格局分析

在种群空间格局研究中,定量分析格局及其形成过程已成为生态学家的主要目标。在量化分析的众多方法中,点格局分析是最常用的方法,而在选择零模型时,完全空间随机模型以外的复杂零模型很少使用,实际上,这些零模型可能有助于认识格局的内在特征。为此,我们在研究实例中,选择完全空间随机模型(complete spatial randomness)、泊松聚块模型(Poisson cluster process)和嵌套双聚块模型(nested double-cluster process)对典型草原处于不同恢复演替阶段的羊草(Leymus chinensis)种群空间格局进行了分析。结果发现:完全空间随机模型仅能检测种群在不同尺度下的格局类型;而通过泊松聚块模型和嵌套双聚块模型检验表明,在恢复演替的初期阶段,羊草种群在小尺度范围内偏离泊松聚块模型,而在整个取样范围内完全符合嵌套双聚块模型;随着恢复演替时间的推移,在恢复演替的后期,在整个取样尺度上,羊草种群与泊松聚块模型相吻合。这是很有意义的生态学现象。这一实例表明在应用点格局分析种群空间格局时,仅通过完全空间随机模型的检验来分析格局特征,或许很难论证复杂的生态过程,而选择一些完全空间随机模型以外的较复杂的零模型,可能发现一些有价值的生态学现象,对揭示格局掩盖下的内在机制有所裨益。

不同恢复演替阶段糙隐子草种群的点格局分析

采用摄影定位法测定了羊草+大针茅草原不同恢复演替群落中糙隐子草种群的空间格局,并应用完全空间随机模型、泊松聚块模型和嵌套双聚块模型对其格局进行分析.结果表明:在严重退化的群落中,糙隐子草种群格局表现为嵌套双聚块结构,即在大聚块中分布着较高密度的小聚块;在恢复5年、8年和21年的群落中,则为以母体为中心的泊松聚块结构,即在糙隐子草种群空间格局的聚块中不存在较高密度的小聚块.这说明在严重退化的群落中正相互作用居主导,而在恢复演替群落中负相互作用居主导.糙隐子草种群在恢复演替过程中的格局变化主要是由于伴随放牧胁迫的消失,种群正相互作用(易化)向负相互作用(竞争)转化所致.

典型草原大针茅种群空间格局及对长期过度放牧的响应

种群空间格局是生态学研究的基本问题之一。典型草原带由于过度放牧退化严重,原生群落罕见,探讨原生群落的种群空间格局具有重要生态学意义。大针茅(Stipagrandis)草原是典型草原区广泛分布的主要群落类型,1979年围封的大针茅样地,是目前保存完整的大针茅草原原生群落。本文选择大针茅草原原生群落和长期过度放牧群落,应用O-Ring函数结合不同零假设模型分析了大针茅种群的空间格局。结果表明:在原生群落中大针茅种群在小尺度范围内呈均匀分布,而在长期过度放牧群落中则表现为聚集分布。这说明在大针茅草原原生群落中竞争是主要的相互作用,而在长期过度放牧群落中正相互作用居主导,验证了胁迫梯度假说;同时证明长期过度放牧改变了种群空间格局。

从正相互作用角度诠释过度放牧引起的草原退化

过度放牧引起的草原退化已是不争的事实,为生态学领域重大的科学问题.不同学者从不同角度进行探讨,但尚未回答"过度放牧为什么会引起草原退化?"这一本质问题.近年来,以胁迫梯度假说为核心的正相互作用成为生态学家关注的焦点,是驱动群落结构和功能的基本动力.正相互作用对于草原退化意味着什么?本文尝试从正相互作用的角度解读过度放牧引发的草原退化,回答"过度放牧为什么会引起草原退化?",从新的视角认识过度放牧导致的草原退化.

重复取样条件下的点格局分析

种群空间格局是生态学研究的基本内容,点格局是研究种群格局最常用的方法。重复取样是生态学研究过程中所遵循的基本原则。但是,在应用点格局分析种群格局的研究实例中,重复取样的案例非常少见。鉴于重复取样对于点格局研究的重要性,该文引入了重复取样条件下点格局的统计学分析方法,并计算分析了典型草原带过度放牧引起的严重退化群落在恢复演替8年阶段羊草(Leymus chinensis)与大针茅(Stipa grandis)两个优势种群在单一取样与重复取样条件下的格局特征。研究结果表明,各个重复之间格局特征存在差异,这种差异说明由单一取样得到的种群格局特征属于特例而不具有代表性,因此得到的结论值得推敲。整合多个重复取样条件下的点格局是多个重复条件下的种群格局的平均状态,这种状态更能体现格局的整体特征而具代表性。