晚第四纪科尔沁沙地干湿变化的黄土记录

利用光释光(OSL)定年技术对科尔沁沙地南缘的典型黄土剖面进行了测年,结合两个剖面的磁化率、粒度、有机质含量等气候替代性指标,对沙地古气候及环境变化过程进行了分析。结果表明,晚第四纪科尔沁沙地的古气候经历了万年-千年时间尺度的多次干湿变化,特别是在146.96 ka BP前后、141.98 ka BP左右和107.06 kaBP前后发生过重大转变;相应地,沙地地表植被也经历了干冷多风条件下的干草原、荒漠草原和温暖湿润或温凉稍湿气候条件下的森林草原、疏林草原的多次变化。科尔沁沙地古气候的干湿变化可能是晚第四纪东亚冬、夏季风强弱变化的反映。

沙地樟子松边材液流速率的方位差异特征

【目的】针对树干边材液流速率(Js)在树干不同方位间的差异及其对估算个体蒸腾量时的影响,本研究兼顾精度与节约成本的估算单株平均液流速率的方法,为单株蒸腾量的估算提供可靠方法和依据。【方法】利用热扩散技术(TDP)在科尔沁沙地樟子松整个生长季期间树干4个垂直方位的Js进行了监测,并对降水、土壤水分等进行了连续、同步的监测。【结果】沙地樟子松大树树干边材相对液流速率(液流速率除以该方位观测期间的最大值,Js/max)具有显著的方位差异(P<0.01),其中以南侧边材的Js/max最高。各方位间Js/max值的相对大小具有个体间差异。土壤水分亏缺能引起各方位Js/max的同步显著降低(P<0.05)。通过对不同方位整树平均液流速率(4个垂直方位的平均值)代表性的比较,确定以树干北侧Js值估算樟子松整树平均液流速率的简化模型(slope=1.015,R2=0.99,P<0.01)。经独立样本的检验,模型精度为0.99。【结论】沙地樟子松不同方位液流速率具有显著差异,且方位间的相对大小存在个体间差异。各方位液流速率间具有高度相关性。以北侧1个方位液流速率的测定就能较可靠地估算科尔沁沙地樟子松大树的平均液流速率。

科尔沁沙地4种生境少花蒺藜草表型特征和生物量分配

少花蒺藜草(Cenchrus pauciflorus)是我国北方主要的入侵物种之一,内蒙古西辽河平原的科尔沁沙地是其入侵的重灾区,近年来呈逐步扩散趋势,对当地农牧业生产的发展具有深远的影响。本研究以科尔沁沙地沙丘、草地、林地和农田4种生境中的少花蒺藜草为研究对象,通过对少花蒺藜草表型性状分析比较,探讨了其表型特征和生物量分配对生境的响应,有助于全面认识少花蒺藜草的形态学和生物学特征,对揭示科尔沁沙地少花蒺藜草的入侵机制具有一定的科学意义,同时亦能为其相关生态防控技术的研发提供一定的理论依据。结果表明:1)生境对少花蒺藜草表型性状有显著影响,其表型可塑性较高,4种生境所有表型从大到小依次为农田>沙丘>林地>草地。2)同一表型的变异系数在不同生境中无显著差异(P>0.05),但相同生境不同表型间差异显著(P<0.05)。3)生境对生物量分配有显著影响(P<0.05),4种生境中,农田生境的茎叶比最高,而根冠比和刺苞比最低。4)生境对根冠比的变异系数没有影响(P>0.05),但对茎叶比和刺苞比有显著影响(P<0.05)。少花蒺藜草通过调整表型和生物量分配策略适应不同的生境条件,其营养性状、克隆性状、生殖性状和生物量分配都具有一定的可塑性。胁迫、干扰和繁殖体质量的差异很可能是不同生境少花蒺藜草表型差异和变异的重要因素。

1982—2015年科尔沁沙地植被时空变化及气候响应

基于1982—2015年GIMMS NDVI3g.v1数据,结合站点气象数据,采用趋势分析、变异系数、Hurst指数及偏相关分析等方法,探讨了科尔沁沙地植被覆盖的时空特征、气候响应及未来趋势。结果表明:(1)科尔沁沙地34 a植被覆盖呈缓慢增加趋势,每10 a增速为0.23%。植被覆盖变化整体上可分为“三升”(1982—1999年、2000—2004年、2008—2012年)和“三降”(1999—2000年、2004—2007年、2012—2015年)的趋势,其中最大值出现在1999年,最小值出现在2009年。(2)科尔沁沙地植被覆盖格局呈“南北高,中间低”的分布特征。以“西拉木伦河—新开河”为界线,北部地区植被变化趋势以退化为主,南部地区以改善为主。(3)科尔沁沙地变异系数西高东低,地域性差异明显。低波动变化区域主要分布在北部海拔较高地区(占5.52%),其植被类型主要为针阔混交林。(4)科尔沁沙地植被变化的同向特征强于反向特征,持续退化和持续改善区域分别占61.48%和37.03%。降水是影响研究区植被变化的主要因素。

干旱年份沙质草地生态系统净CO_2通量年变化特征

草地生态系统是干旱半干旱区生态系统类型的重要组成部分,在区域生态系统碳平衡中起着极为重要的作用。采用涡度相关法对科尔沁沙质草地生态系统进行连续两年(2015和2016年)的碳通量观测,此两年恰逢研究区的相对干旱之年,年降水量约为历史平均值的60%。研究结果表明:1)年最大日均CO2吸收速率分别为-6.68和-9.58g·m^(-2)·d-1,年最大日均释放速率分别为5.69和5.21g·m^(-2)·d-1。2)生长季(5-9月)碳吸收量分别为-120.54和-139.83g·m^(-2),非生长季碳释放量分别为230.33和212.82g·m^(-2)。3)全年尺度上沙质草地生态系统表现为碳源,2015年净碳释放量(109.79g·m^(-2)·年-1)稍高于2016年(72.99g·m^(-2)·年-1)。4)生态系统净CO2交换量(NEE)与空气温度、土壤温度及土壤湿度存在显著相关关系,但不同年份同期NEE对环境温度和湿度的响应程度不尽一致。

科尔沁沙地降雨特征分析——以奈曼旗为例

了解降水的当前特征及未来的变化趋势对理解气候变化对区域生态系统的影响具有重要的意义。科尔沁沙地是中国北方农牧交错带的典型区域,年降雨量300~500mm,对气候变化（特别是降水的变化）非常敏感。对科尔沁沙地沙漠化较为严重的奈曼旗1971—2013年的降水资料进行了分析研究。结果表明：（1）该地区多年平均降水量为338.8mm,5—9月降雨量占全年降水量的（85.32±7.71）%,5—9月降雨量、年降水量1971—2000年经历了先增加后减少的趋势,2001—2013年有缓慢增加的趋势;同时降水量的年际变异性近10年也呈增加的趋势。（2）5—9月降雨量呈先增大后减小的趋势,在7月最大,为104.2 mm,5月和9月最小（分别为32.7 mm和32.8mm）,月降雨量的年际变率均大于49%;生长季内降雨主要以〈10mm的事件为主,占总降雨事件的64.41%,却仅占总降雨量的16.95%;≥30mm的降雨事件占总降雨事件的10.96%,占到总降雨量的45.93%,且对总降雨量具有决定性的影响。（3）≥5mm降雨的平均间隔为9.4d,以1~10d为主,占到69.5%,10~20d（19.5%）的次之;≥30d的发生频率最小,为3.81%,降雨间隔的年际变异性均呈增加的趋势。（4）生长季降雨日数呈减少的趋势,降雨事件降雨量的变异性与生长季降雨量的变化具有相似性,从2001年开始呈增加的趋势。该地区的降雨量年际变异性强,降雨日数的减少和降雨事件降雨量变异性的增加将提高极端干旱事件发生的频率,可能对该地区的生态系统产生严重影响,加剧该地区的沙漠化发展方向。因此,加强气候变化对生态系统影响的研究,可为合理利用土地资源及调整土地管理方式提供理论依据。

科尔沁沙地坨甸交错区土壤水分的空间变异规律

科尔沁沙地沙丘—草甸相间地区,地貌形态多样、土地利用类型众多,从而导致土壤水分空间分布的复杂性。通过对科尔沁沙地典型沙丘—草甸相间地区的调查取样与试验分析,运用统计学理论和方法,研究土壤水分的空间变异性及其空间分布规律。结果表明:水平方向上,土壤水分总体表现为草甸地大于沙丘地,过渡带介于两者之间。就草甸地而言,植物生长越好,其土壤水分越高,保水持水性能也越好;沙丘地则与之相反,植被最稀疏的流动沙丘,其土壤含水量大于半流动半固定沙丘与固定沙丘,且有良好的储水条件。垂向上,高覆盖草甸、低覆盖草甸和农田(草甸)土壤含水量在地表下0～40 cm波动最大,40～160 cm随深度增加而递增;流动沙丘、半流动沙丘和固定沙丘土壤含水量随深度增加呈微弱加大趋势。林地、撂荒地、农田(沙丘)变化程度居中。从空间分布看,研究区中东部土壤水分偏大,且向南北两侧区域递减。

1951—2012年科尔沁沙地气温、降水变化特征

科尔沁沙地是中国沙漠化典型区域,生态与环境问题突出,研究其驱动力之一的气候变化特征十分必要。利用1951—2012年62 a气温和降水资料,对科尔沁沙地空间和区域平均气温、降水变化特征进行了分析。结果表明:空间多年平均气温以开鲁、通辽为中心向东西方向递减,自北向南逐渐升高,且各站点均呈显著增加趋势;空间多年平均降水量以开鲁、阿鲁科尔沁旗为中心向四周逐渐增加,除库伦站降水量显著减少外,各站点降水量变化均不显著。区域平均气温上升速率为〔0.319℃·(10a)-1〕,区域平均最高气温的上升速率〔0.223℃·(10a)-1〕低于区域平均最低气温〔0.525℃·(10a)-1〕,春季气温增幅最大,冬季次之。最低气温的升高可能是导致总体气温上升的主要动力之一。区域平均降水量年际间波动较大,但总体无明显变化趋势;各季节区域平均降水量均无显著变化。年区域平均降水量与年区域平均气温、夏季区域平均降水量与夏季区域平均气温呈显著负相关,整体呈阶段性对称变化。

科尔沁城镇化过程对沙地景观的影响

城镇空间扩展所表征的城镇化过程及其对区域景观的影响,是景观生态学研究中的重要方向之一,也是景观生态学中格局-过程研究的重要组成部分。以1985—2013年遥感数据为基础,GIS技术与景观格局分析方法为手段,采用主要指标构建的城镇化指数定量分析了城镇化过程对科尔沁沙地景观的影响。结果表明:近28 a来,区域城镇化发展较快,年均提高0.64%,并呈现阶段性特征,研究区景观变化明显。在斑块水平上,农田、固定沙丘、林地、居工地的面积增加,其余景观类型的面积减少;农田、居工地与林地的破碎化程度增加;农田、固定沙丘最大斑块面积增加最显著,在区域中的优势作用增强。在景观水平上,区域景观破碎化程度减轻,空间集聚程度增加,景观类型组成趋于简单。区域内城镇化过程对不同类型景观的影响存在差异性,其特征表现为城镇化对农田、居工地的影响最大,对其他类型景观的影响较小。城镇化指数与斑块数量、散布与并列指数、香农多样性指数之间存在显著的负相关关系,城镇化指数与蔓延度指数为显著的正相关关系,表现为研究区景观破碎化程度、空间散布程度、异质性均随城镇化水平提高而减小,反映出城镇化与景观变化存在一定的内在联系,选取的景观指数能够反映城镇化过程对区域景观的影响。

近40年科尔沁沙地植被时空变化及其驱动力

科尔沁沙地是我国沙漠化土地防治的重点工程区。近些年来,受气候变化、生态工程建设和人类活动的影响,该区的植被生长发生了一定的变化。研究区域植被的动态变化,可为后期沙地的综合治理和工程的合理建设提供科学依据。基于此,以1981-2015年NOAA-NDVI、MODIS-NDVI数据及同期气象和社会经济数据为依托,采用一元线性回归和相关分析的方法,对科尔沁沙地NDVI的时空变化及驱动因素进行了研究。结果表明:(1)1981-2015年NDVI整体呈波动的增长趋势(增速为0.00114 a-1);空间上NDVI呈增长趋势的区域(面积占68.8%)主要位于东南缘及中部部分地区,而研究区的西北缘呈降低趋势。(2)不同程度沙漠化区的NDVI均表现为先降低(1981-2000年)后上升(2001-2015年)的变化过程,说明前期遭受破坏的植被在后期得以恢复。(3)驱动力分析表明,降水和温度是驱动科尔沁沙地部分区域NDVI变化的影响因素;人口变化和生态工程的实施均驱动了区域内植被的时空变化;而经济的发展并不是该区植被变化的主要驱动因素。

近38年科尔沁沙地NDVI时空演化

为揭示中国东北典型沙地植被时空动态特征和定量识别相关驱动因子及其影响力,基于1982—2020年AVHRR GIMMS NDVI和MODIS NDVI数据集,利用GIS空间分析及数理统计等方法,研究了科尔沁沙地近38年NDVI时空变化特征及其驱动因素.结果表明:近38年科尔沁沙地NDVI呈增加趋势,增幅为32.78%;NDVI增加区域多位于农田分布区,其增幅较小,且具有空间差异性,沙地整体呈现由荒漠化向绿洲化方向发展.科尔沁沙地植被覆盖增加受控于区域气候变化的影响,其中年均降水量是主控因素.