基于大气-土壤-植被系统干旱发生发展过程的综合干旱指标构建与应用

适宜的干旱指标和高分辨率数据是准确监测干旱的基础。本研究从气象干旱和土壤干旱以及植被对干旱的响应出发,整合中国国家气象观测站、中国气象局陆面数据同化系统(CLDAS)土壤湿度(0.0625°×0.0625°)和MODIS叶面积指数(500 m×500 m)等多源数据信息,构建了基于气象干旱指数(标准化降水蒸散指数)、土壤干旱指数(土壤湿度百分位)和植被干旱指数(叶面积指数百分位)的综合干旱指数,并在中国东北地区开展了典型站点和区域10 km×10 km空间分辨率干旱监测试验。结果表明,综合干旱指数克服了单一气象干旱指数不能准确反映农业旱情及单一植被长势指数会将其他灾害引起的植被长势变差误判为干旱的不足,能够反映灌溉对干旱的影响,实现对大气-土壤-植被系统干旱发生、发展及其影响的监测。

太行山坡地不同管理措施植被-土壤系统耦合关系

植被和土壤的耦合协调关系可以用来衡量生态系统的一致性和协调性程度。研究以河北省临城县太行山东麓丘陵坡地为研究区,以原生灌草地、不管理的人工核桃林、人工核桃林下清除灌草、人工核桃林下清除灌草并施肥等4种不同管理措施的植被-土壤系统为研究对象,建立由4个植被因子(Shannon-Wiener、Simpson、Margalef、Pielou等指数)和7个土壤因子(土壤有机碳、全氮、全磷、全钾、pH、电导率、含水率等)组成的评价指标体系,采用层次分析法和熵权法确定各因子权重,以耦合协调度模型评价二者的协调程度。结果表明:(1)不同管理措施下,除植被因子Pielou指数外,其余植被和土壤因子均存在显著差异性(P<0.05)。(2)土壤有机碳与Simpson指数呈显著正相关(P<0.05),与Shannon-Wiener、Pielou、Margalef指数呈显著负相关(P<0.05),土壤全氮与Shannon-Wiener和Margalef指数呈显著负相关(P<0.05)。(3)不同管理措施下植被-土壤系统耦合协调程度总体处于失调发展状态,原生灌草地为严重失调发展模式的植被-土壤同步发展型,不管理的人工核桃林和林下清除灌草并施肥均属于中度失调发展模式的土壤滞后发展型,林下清除灌草属于轻度失调发展模式的植被滞后发展型。综上,种植人工核桃林并清除林下灌草有利于提升植被-土壤系统耦合协调度,但尚未达到最佳的协调状态。

流沙固定过程中土壤-植被系统演变对水环境的影响

横穿腾格里沙漠的防风固沙体系始建于 1 95 6年 ,确保了包兰铁路近半个世纪的畅通无阻。在几十年的土壤 -植被系统演变中 ,花棒 +柠条 +油蒿 -干旱砂质新成土的人工系统演变为油蒿 +雾冰藜 +小画眉草 -简育正常干旱土的半天然、天然系统 ;生物结皮发育、结皮层形成改变了降水的再分配过程 ;在 2 0～ 5 0 0cm深度的干旱层因灌木的排水作用而形成 ,低等植物也开始与草本和灌木竞争水分 ,深根系的灌木很难得到降水的补给 ,逐渐退出了防护体系 ;土壤 -植被系统趋于更薄的活动层。

流沙固定过程中土壤-植被系统演变

包兰铁路横穿腾格里沙漠沙坡头段,全长45km,年降水量186mm;流动沙丘相对高度20m,以每年4m的速度向东南方向移动。无灌溉条件下、工程措施与生物措施相结合的防沙固沙工程体系始建于1956年,近半个世纪以来该体系确保了包兰铁路畅通无阻。几十年的土壤植被系统演变正影响着整个防护体系。植被在从人工系统向自然系统的演变中经历了覆盖度从增加到减少的自疏过程、从灌木到半灌木到草本的变化;土壤从流动风沙土向钙积旱成土发育,地表生物结皮发育;降水在生态系统中的再分配过程已经彻底改变,新的水分平衡格局明显影响现有防沙固沙体系。

土壤-植物系统中抗生素抗性的传播过程与影响机制

土壤是抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes,ARGs)的重要储存库,土壤-植物系统是ARGs从土壤向人体传播的主要渠道。因此,关注土壤-植物系统中抗生素抗性的传播过程与影响机制有助于系统性地了解抗生素抗性细菌(antibiotic resistant bacteria,ARB)、ARGs在土壤-植物中的迁移途径、传播规律和影响因素,可以为阻控抗生素抗性传播提供思路。本文总结了土壤中抗生素抗性的来源与演变机制,着重强调了抗生素抗性从土壤向植物的传播过程与影响因素,最后讨论了阻断ARGs在土壤-植物系统中传递的物理化学和生物控制技术,并提出了未来的研究方向,对遏制抗生素抗性传播、保障蔬菜作物安全与人体健康具有重要现实意义。

土壤-植被-大气系统水和热传输机理及区域蒸散模型(英文)

在不同空间和时间尺度上建立了估算土壤 植被 大气系统水、热传输的模型 ,并且在华北平原中国科学院两个农业生态试验站设计了 3个试验 ,验证模型的精度和有效性 .第一个模型是基于瞬时通量观测基础上建立的植被冠层光合 导度 蒸散耦合模型 ,它模拟的结果与涡度相关系统测定结果比较一致 ;第二个模型为一维 3层的土壤水量平衡模型 ,此模型成功用于模拟 1 998— 2 0 0 3年度太行山山前平原不同灌溉条件下的土壤水分深层入渗和蒸散过程 ;第三个模型为区域能量通量和日蒸散模型 ,它基于卫星遥感数据和地面同步观测而建立 ,本模型可以监测区域地表的干旱状况 ,用于估算区域能量通量和日蒸散 .

土壤-植物-大气系统水分运行的界面过程研究

本文从水文循环的微观角度出发，针对大田土壤－植物－大气系统（ＳＰＡＣ）中的水分运行与转化，研究了ＳＰＡＣ各界面上水分与能量的交换过程，旨在通过各界面上水分运行与生态环境因子相互作用关系，探索各界面水分、能量通量的计算与人工调控的可能途径，为农业节水提供理论依据。本项研究属国家自然科学基金重大项目（１９９３年～１９９７年），所述内容主要根据近３年来在河北栾城与山东禹城两个台站取得的实测资料进行分析与概括。

土壤-植被-大气系统水分能量传输模拟和验证

本文建立了包括地下水的土壤－植被－大气系统水分能量传输综合模型，并对模型中冠层动量湍流交换反梯度传输现象的描述进行了改进。在此基础上，依据冠层内动量和热量的交换以及辐射传输过程，同时求解地表、冠层能量平衡方程，进而模拟饱和－非饱和土壤的水热传输。用浅地下水地区冬小麦田间试验资料对模型进行验证，结果表明，系统能量平衡各分量和土壤含水量的模拟与观测结果相当一致。模型敏感性分析发现，叶面积指数对总蒸散量的影响随叶面积指数的增加而逐渐减弱；叶片最小气孔阻力对总蒸散量的影响，在该阻力较小时更显著；地下水位对蒸散量的影响在它小于１．５ｍ时不显著，而在１．５～１．７５ｍ之间时，蒸散减小较快，主要由于土壤蒸发减小显著，冠层蒸腾稍有增加。

王屋山不同海拔植被-土壤耦合协调度研究

【目的】探究不同海拔对植被与土壤耦合协调度的影响,为植被-土壤系统改善和山地生态系统管理提供依据。【方法】通过对王屋山5个海拔梯度(800、1000、1100、1200和1500 m)植被与土壤的全面调查与采样分析,建立植被-土壤耦合关系评价指标体系,运用层次分析法确定各评价指标的权重,构建不同海拔梯度下植被-土壤耦合协调度模型。【结果】不同海拔梯度下植物的物种重要值、多样性指标和土壤因子均存在显著差异,壳斗科栎属(Quercus fagaceae)在各个海拔均占据优势地位。1100 m处土壤综合评价指数最高,1500 m处植被综合评价指数最高,800 m处植被和土壤综合评价指数均最低。不同海拔梯度下植被-土壤耦合协调度依次为1500 m最大,1100 m次之,1000和800 m最小,其中1500和1100 m分别表现为初级协调土壤滞后型和初级协调植被滞后型,1200 m为勉强协调土壤滞后型,800和1000 m分别为严重失调共损衰退型和中度失调植被损益型。【结论】王屋山地区不同海拔植物-土壤耦合协调关系较复杂,高海拔植被演替和土壤发育协调一致性较好,低海拔耦合协调度较差。

土壤-植被系统及其对土壤健康的影响

在总结分析土壤健康概念与内涵、土壤-植被系统的组成与边界的基础上,着重从植被类型与特征对土壤生态系统的物理健康、化学健康和生物健康3方面的影响进行了综述。

土壤-植物-大气界面中水分迁移过程及模拟研究进展

介绍了水循环过程中界面水分迁移转化理论,及SPAC连续体的概念及其发展过程,阐明了一些国内外SPAC理论研究的主要成果;对国内外各种典型土壤-植物-大气界面模型的基本结构、适用范围、主要研究对象、优势以及局限性做了系统介绍和对比;在此基础上对土壤-植物-大气系统的相互作用过程以及系统模拟中存在的问题提出了展望。分析得出如何解决下垫面与土壤-植物-大气系统复杂的关系,以及尺度转化问题将是面临的主要挑战。认为借助于水分和能量交换过程中的模型参数优化,来实现界面中水分迁移过程的精确化和简化模拟是未来的重要研究方向。

羊草草地植被-土壤系统氮循环研究

研究表明 ,0～ 30cm土层 7月氮 (N)总储量为 479.2g·m-2 ,其中主要为有机N ,占总N量的 98.5 % ,土壤中的无机N年度变化很大 ,在 2 .55～ 1 1 .3g·m-2 之间 ,7月无机N储量为 7.3g·m-2 ,与其它类型草地不同 ,该类型草地土壤铵态N与硝态N含量有些季节相差不大 ,有些季节硝态N的含量超过铵态N的含量 ,铵态N的峰值出现的时间早于硝态N。植物根系吸收利用的无机N约为 3 .48g·m-2 ·a-1 ,植物根系向地上每年输送的N量为 2 .97g·m-2 ·a-1 ,地上活体向地下转移的N量为 1 .54g·m-2 ·a-1 ,植物地上部分每年转为立枯凋落物的N量为 1 .43gm-2·a-1 ,由立枯凋落物转为土壤有机N的量大于 1 .0 8g·m-2 ·a-1 ,植物根系每年转为土壤有机N的量为 1 .51g·m-2 ·a-1 。

岩石-土壤-植被信息系统建立探讨

岩石 -土壤 -植被信息系统是地球表面分布范围最广的系统之一 ,通过计算机软硬件的支持 ,运用系统工程、信息科学的理论具有空间内涵的岩石、土壤、植被信息对进行了科学管理和综合分析 ,采用遥感、地理信息系统和多学科的交叉与综合等手段 ,利用面向对象的信息提取 ,采集气候信息、地形地貌信息、水资源信息、地质背景信息、土壤信息、植被信息、地面热场信息和水土流失信息等 ,建立空间信息数据库 ,研究岩石、土壤、植被信息之间的信息流关系 ,以供规划、管理、决策和研究所需信息的技术系统。

大气和植被生态及土壤系统水文过程相互作用的一些研究

综述近年来作者对单变量土壤水分演变模式和由作者提出的几种大气和植被生态及土壤系统水文过程相互作用模式 (给定植被冠层的三层相互作用模式、土壤和植被生态水文相互作用的三变量模式和五变量模式 )所作的理论分析和数值模拟的结果 ,鲜明和简洁地显示出这些模式能抓住这个复杂的系统最本质最基本的特征。在给定的大气状态情况下 ,这个复杂系统具有鲜明的多时间尺度现象、对输入响应的频率“红移”现象、多平衡态和极限环、分叉、突变、自组织过程、再生现象、“沙漠化”和混沌现象 ,这些都在实际中得到验证。特别是作者提出的植被 (尤其是枯落物 )“遮蔽机制”的减弱可能是过度放牧导致沙漠化在短期内就显效的主要原因 ,而在很长期间或气候变迁所导致的沙漠化过程中 ,则它和Charney提出的“反照率机制”可能同时起作用 ,建议作进一步的数值模拟加以验证。作者还提出了对响应特征时间尺度第一近似进行修正的方法。

酸沉降地区大气汞对土壤-植物系统汞累积影响的调查研究

按酸沉降危害程度的差异及不同功能区，进行了大气、植物、土壤汞的同步调查采样分析。结果表明，大气汞对土壤－植物系统汞累积的影响非常明显，土壤、植物含汞量均随大气汞浓度的升高而升高，土壤－植物系统汞累积与大气汞浓度有显著的相关（相关系数分别为ｒ植＝０．８８２＊＊，ｎ＝５３；ｒ土＝０．７４１＊＊，ｎ＝５２）。调查还发现，当大气汞浓度大于３０ｎｇ／ｍ３时，土壤－植物系统汞累积较为明显。

绿洲-荒漠交错带潜水-土壤-植被-大气连续体水热传输模型研究

该文以干旱区绿洲-荒漠交错带为研究对象,以质量守恒原理与能量平衡原理为基础,建立了潜水-土壤-植被-大气系统中水分与热量传输模式,并提出了求解潜水-土壤-植被-大气系统的数值模拟分解-协调新方法,用天山北麓三工河流域绿洲-荒漠交错带的实测资料验证了水热传输模型的可靠性.结果表明,植被冠层蒸腾量模拟值与实测值比较接近,其最大误差为11.3%,土壤含水率的模拟值与实测值的最大误差仅为5.9%,土壤温度模拟值与实测值的最大误差为8.3%,用该模型模拟绿洲-荒漠交错带潜水-土壤-植被-大气连续体水热动态传输过程、植被蒸腾量、地表蒸发量和植被的根系吸水率具有较高的精度.

CO_2体积分数升高对土壤-植物系统碳过程的影响

从土壤和植物2个方面,综述了大气二氧化碳体积分数升高对生态系统碳过程的影响。大气CO2体积分数升高,提高了植物的光合速率,促进了生物量的累积,,改变了植物的碳结构。高CO2体积分数导致植物基质(C/N)的变化将直接影响枯落物的分解速率。大气CO2体积分数升高通过影响植物生长而间接地对土壤生态过程产生影响。由于高CO2体积分数下碳输入和输出的关系还存在很多不确定性,因此还不能推断高CO2体积分数下土壤碳库是增加还是减少。不同的生态系统类型,对高CO2体积分数的响应状况也不一致。今后应定量研究CO2体积分数升高条件下生态系统各分室碳库的动态,明确土壤、植物和大气碳库储量变化及其之间的碳通量,以便定量化生态系统碳收支对高CO2体积分数升高的响应。另外,还应加强CO2体积分数升高与其他全球变化因子的耦合作用研究,探讨其相互作用的机制,将有助于全面了解全球变化条件下生态系统的碳循环过程。

土壤-植被-大气连续体中的尺度转换问题

土壤-植被-大气间的相互作用强度高度地依赖于时空尺度。其中,反馈机制贯穿于土壤-植被-大气相互作用的始终。在各个时空尺度中,多因子交互作用,尺度不同起主导作用的过程和控制因子可能有所不同,从而增加了土壤-植被-大气连续体尺度转换研究的难度。从空间和时间尺度上总结了近年来有关学者对尺度转换及反馈机制在模拟中如何应用的研究结果,并在该基础上指出了当前合理描述土壤-植被-大气连续体区域尺度系统行为需要关注的问题和挑战。

甘肃敦煌西湖荒漠-湿地生态系统土壤水分含量对植被特征的影响

【目的】土壤水分含量是内陆荒漠区湿地生态系统中重要的限制因子,对植被生态特征起着至关重要的作用,研究土壤水分含量和植被特征的关系,揭示土壤水分含量对植物多样性分布的影响规律,以期为该区域生态系统植物多样性保育、恢复和管理提供理论依据。【方法】基于甘肃敦煌西湖国家级自然保护区土壤水分含量、植被高度、植物种类和盖度等的调查,对植被特征与土壤特性等资料进行分析,开展该生态系统土壤水分含量对植物多样性分布格局影响的研究。【结果】研究区植物群落物种多样性指数均相对较小,Margalef物种丰富度指数（Ma）、Simpson多样性指数（D）和Shannon-Wiener多样性指数（H＇）的最大值分别为0.72,0.72和1.38;植被平均盖度、多度、高度和密度分别为39.26%-70.19%、15.50-180.11株·m-2、49.65-124.63 cm和0.039-7.204株·m-2;垂直方向上,各群落各样点土壤水分含量均随土层加深而增大,同一样点相邻土层土壤水分含量变化不大,变幅为3.87%-41.23%,浅层（0-60 cm）含水量、深层（60-200 cm）含水量与0-2 m土层贮水量平均值分别为4.67%-14.59%,6.45%-25.33%和65.6-248.2 mm;深层土壤水分含量对乔（灌）木物种多样性的影响显著高于对草本植物种的影响,对乔（灌）木物种丰富度和多度均有一定影响,但对多度影响远大于对物种丰富度的影响,且与物种的多度显著正相关,而草本物种多样性更多地依赖于浅层土壤水分含量,且正相关;各层土壤水分含量之间及各层土壤水分含量与0-2 m土层贮水量、植被盖度之间均正相关,0-80 cm内各土层水分含量与植被高度和植被密度之间均负相关,80-200 cm内各土层土壤水分含量与植被高度之间均正相关,0-2 m土层贮水量与植被盖度、植被高度和植被密度之间均显著正相关,植被盖度与植被高度和植被密度之间均极显著正相关（P〈0.01）,而植被高度与植被密度之间负相关。【结论】研究区植物群落物种多样性指数均相对较小,土壤水分含量相对较低;乔（灌）木物种多样性依赖于深层土壤水分含量,而草本物种多样性更多地依赖于浅层土壤水分含量;深层土壤水分含量和0-2 m土层贮水量是影响研究区植被特征的主要因子;植被各种属性之间既相互制约、密切联系,又存在一定的独立性。

土壤—植被—大气系统水分散失机理的数值模拟

以Deardorff(1978)提出的陆面参数化方案和Noilhan等人(1989)土壤水分参数化方案为基础,对陆面物理过程参数化方案进行了改进,在模式中较详细地考虑了植被和地面的各种物理参量如地面和叶面的反射率和发射率,净叶面面积指数,植被的物理阻抗等,并与大气边界层模式耦合。应用该模式模拟了沙漠及绿洲地区不同植被覆盖率情况下的蒸散量、土壤含水量和表面温度的日变化和连续变化特征;对不同植被覆盖率的热量平衡特征进行了比较。结果表明该模式较好地反映了地表蒸散3阶段的变化趋势特征,揭示出下垫面热量平衡分量间的相互转换过程。该模式可以用于中尺度的气象和区域气候模式,模拟和预测不同植被覆盖情况下近地层的热量输送和水分散失情况。