天山北坡前山带12种植物对干旱胁迫和复水的生理响应及抗旱性评价

【目的】前山带是天山北坡山地-绿洲-荒漠生态系统的重要组成部分,探讨植物对干旱胁迫的动态生理适应性和抗旱性评价方法,筛选植被恢复的适宜树种,对该区域植被生态恢复具有重要意义。【方法】以新疆天山北坡前山带种植的12种植物为研究对象,观测灌水后土壤水分时空变化,分析干旱和复水对植物光合和抗逆生理指标的影响,采用主成分分析评价12种植物的抗旱能力。【结果】(1)干旱胁迫后,土壤水分散失在0-20 cm层最快,20-40 cm层次之,40-60 cm层最慢,不同植物采用不同策略改变生长情况来适应干旱;(2)干旱胁迫后,叶片净光合速率(P_(n))、气孔导度(G_(s))、蒸腾速率(T_(r))、胞间CO_(2)浓度(C_(i))、PSⅡ潜在活性(F_(v)/F_(o))、PSⅡ最大光化学效率(F_(v)/F_(m))、电子传递速率(ETR)和叶绿素含量降低,而抗逆生理指标超氧化物歧化酶(SOD)活性、脯氨酸含量、丙二醛(MDA)含量及非光化学淬灭系数(qN)升高,复水后各指标都有一定程度的恢复,但均未达到初始水平;(3)主成分分析结果显示,Pn、叶绿素含量、ETR和MDA含量等指标贡献率较大,梭梭、柽柳、刺蔷薇和柠条锦鸡儿抗旱性较强,‘中亚沙棘’、‘新棘5号’、‘新棘1号’和山杏次之,而‘新棘4号’、‘新棘3号’、文冠果和‘新棘2号’较弱。【结论】Pn、叶绿素含量、ETR和MDA含量可作为评价植物适应干旱的重要指标;新疆天山北坡前山带植被生态恢复应优先选择梭梭、柽柳、刺蔷薇及柠条锦鸡儿进行建植。

天山北坡西部雪岭云杉海拔梯度生态弹性变化

基于天山北坡西部温泉哈夏林区间隔100 m海拔高度采集的雪岭云杉梯度样本的断面积生长量资料,分析树木生态弹性变化。干旱事件是区域生态弹性最主要的干扰因子,高温事件也是干扰因子之一。干扰因子的强度会造成生态弹性梯度特征的变化。在极端干旱年份,哈夏林区梯度生态弹性特征最显著,即中高海拔为强抵抗力和弱恢复力,而低海拔则呈相反态势,并出现生长衰退现象。中旱事件时不同海拔均为强抵抗力和较强的恢复力,高温年份低海拔呈现弱抵抗力和弱恢复力。在发生持续干旱时,不同海拔高度的树木生长均受到遏制,但低海拔衰退强度大于高海拔区域,高海拔区域树木对干旱的适应能力要强于中低海拔。

不同牧压对天山北坡中段山地草甸植物群落特征及植物生活型的影响

【目的】研究天山北坡中段山地草甸植物群落特征在不同牧压条件下的变化,为建立合理放牧利用制度提供理论依据。【方法】通过对庙尔沟乡索尔巴斯陶夏、冬牧场的实际放牧强度和草场植被状况进行调查,选择重度(HG)、中度(MG)、轻度(LG)且具代表性地段的放牧场,设置3个不同牧压监测点,每个监测点设置3个重复。【结果】在不同牧压条件下,植物群落优势种略有差异,群落物种数随着放牧强度的增大而减少。随着牧压增大,禾本科、豆科等优良牧草的重要值下降,而杂类草及醉马草的重要值增大;不同牧压对植被生物量的影响最大,其次是植被的盖度和高度,对频度的影响较小,呈现出植被平均高度、总盖度和生物量随放牧强度增大而降低的趋势;不同放牧时期对山地草甸植被优势种和植物生活型有明显影响,在夏季放牧场中植株矮小、重要值很低的金露梅在冬季放牧场中却株型高大,重要值也极高。【结论】在不同牧压条件下,群落物种组成不同,HG、MG、LG物种数分别为26、22和33种,物种间数目相差明显。重度放牧降低了植物群落的高度、盖度和地上生物量,并增大了杂类草和醉马草的优势。随着放牧强度增大,植物的生活型和重要值发生了改变,这也是植物生长过程中适应环境变化的一种策略。

天山北坡经济带城乡聚落格局变化与影响因素分析

以天山北坡经济带城乡聚落为研究对象,采用景观格局指数、地理信息系统(GIS)空间分析、位序-规模法等分析1980-2020年间城乡聚落格局的变化,结合地理探测器从自然、区位及社会经济因素探究城乡聚落格局的影响因素。结果表明:1980-2020年间,城乡聚落数量、规模持续扩张且趋于集聚,前20 a扩张以耕地、草地为主,后20 a以未利用地为主;城乡聚落密度变化显著,高密度区主要集中在各绿洲呈现“多核集中分布”特征,中密度区沿高密度区周围扩张,低密度区沿绿洲边缘分布并在非绿洲区有扩张;首位聚落规模发展较好,趋于位序-规模曲线,中型聚落略微发育,小型聚落数量持续减少;交通等区位因素是天山北坡城乡聚落格局的首位影响因素,社会经济因素次之,自然地理因素影响较小,各影响因素差异显著。

新疆中天山北坡断裂带不同海拔高度土壤温度分布特征

研究中天山断裂带从高山带到准噶尔盆地边缘整个过渡带的土壤温度分布特征有助于理解干旱区土壤环境特征,从而为土地利用、农业生产提供依据。本文选取新疆中天山断裂带海拔高度呈梯度分布的6个气象站2005年至2020年各层土壤温度的日观测数据,利用统计方法分析了不同地形、不同深度土壤温度随海拔高度的变化特征以及不同海拔高度土壤温度随深度的变化特征。分析表明:中天山北坡土壤温度变幅随海拔高度的降低而升高。不同地形的土壤最高温和最低温的年温差浅层大于深层,由浅至深年最高温度和年最低温度出现的时间逐渐推迟;年内中天山北坡不同海拔高度0~20 cm的土壤日平均温度曲线大致呈余弦函数曲线,320 cm深度的土壤温度基本呈正弦函数分布,较0~20 cm地温的最高和最低晚3个月左右。研究区土壤温度随海拔高度降低呈现先升高后降低的趋势。在海拔为3539~600 m高度范围,土壤温度随着海拔的升高而降低。在600~441 m高度范围,土壤温度随着海拔的下降而下降;0~20 cm为土壤温度变化的活跃层,40 cm深度的土壤温度可称之为过渡层,320 cm深度称为土壤温度的稳定层,80~160 cm称为土壤温度的次稳定层。

近30年天山北坡改进型遥感生态指数时空变化及其驱动因素

天山北坡是西北地区重要的生态功能区和重要经济带,受气候变化和人类活动的影响,脆弱的生态环境面临着巨大挑战,但目前对该地区生态环境质量时空变化、特征及驱动力的认识较少。为此,本文利用改进型遥感生态指数(ERSEI)、空间自相关分析、多元线性回归分析和地理加权分析方法揭示天山北坡1990、2000、2010和2020年4个时期生态环境质量时空变化、特征及其驱动因素。结果表明:(1)1990-2020年天山北坡ERSEI先大幅下降后逐渐恢复并持续上升,生态环境质量逐渐改善并趋于稳定,总体呈“东优西劣”的空间格局;(2)天山北坡生态环境对气候变化较为敏感,温度是ERSEI变化的最重要驱动因子;(3)不同驱动因素对ERSEI的影响存在显著的空间异质性,自然因素对局部ERSEI空间分异起主导作用,人为因素则对年际ERSEI变化产生重要影响。这表明气候变化和人类活动显著影响ERSEI变化,未来应科学规划各类经济活动,减缓气候变化效应,提升天山北坡生态安全和环境可持续性。

天山北坡经济带植被覆盖度动态变化研究

为探明天山北坡经济带植被覆盖度时空变化及其原因,本研究基于MODIS13Q1NDVI数据、气象数据、地形数据、人文数据,基于Google Earth Engine(GEE)平台,利用Theil-Sen Median趋势分析、Mann-Kendall显著性检验和稳定性分析方法,探究2000-2020年天山北坡经济带植被覆盖度(FVC)时空变化特征及其影响因子.结果表明:天山北坡经济带的FVC表现为两条平行的高覆盖度带.其中中部地区具有较高的植被覆盖度,而边缘地区的植被覆盖度相对较低.2000~2020年间,天山北坡经济带的FVC在时空上呈轻度变化,约占总变化的70%.植被改善区域主要呈现带状分布,集中在研究区的中部,而植被减少区域主要分布在研究区的南缘.整体上,天山北坡的植被覆盖度呈现出西北至东南的相间分布趋势,并且有逐渐上升的趋势.与东部地区相比,西部地区的植被改善更为明显.2000~2020年间,天山北坡经济带的FVC整体上表现出较高的稳定性和较小的波动,其变异程度介于弱变异和中等变异之间.但是,在克拉玛依市北部、乌鲁木齐市西南部以及研究区南缘的零星地区,FVC存在较强的变异.通过地理探测器模型对天山北坡经济带FVC影响因素的研究表明,人类活动(人口密度、夜间灯光和土地利用类型)是FVC空间分异的主要解释因素.从驱动因素来看,人口密度P值为0.283,对FVC影响最大,夜间灯光P值为0.125,土地利用类型P值为0.179.

1990—2022年天山北坡地区不同开垦年限耕层土壤盐分变化

近年来,随着频繁的土地利用变化和大量耕地的开垦,土壤盐渍化已成为导致天山北坡耕地质量退化、阻碍绿洲农业发展的环境因素。本研究基于翔实的调查数据资料、土壤实测数据和中国土地覆盖数据集(CLCD),比较传统插值模型和随机森林插值模型对耕层土壤(0~30 cm)含盐量插值的优缺点;选取精度最高的定量预测模型对天山北坡地区耕层土壤含盐量定量预测,得到耕层土壤含盐量分布变化特征;以空间换时间,将近30 a新开垦耕地耕层土壤含盐量进行比较,分析开垦年限对土壤含盐量的影响。结果表明:(1)与传统的插值方法相比,随机森林算法能够更准确地预测盐渍化土地的土壤盐分分布情况。(2)天山北坡地区,耕层土壤含盐量存在较大空间异质性,即高海拔地区土体中的盐分会随着径流的淋溶,在低海拔的河流下游尾闾或低洼区靠近沙漠一侧积聚。(3)随着开垦年限的延长,天山北坡地区耕层土壤含盐量总体呈现下降的趋势,且土壤盐渍化程度倾向于聚集在一个中等的水平上,趋向于平衡或“中心化”。本研究增进了对当前耕地盐渍化状况及从原始荒地开垦到耕地后耕层土壤盐分变化历程的理解。这为干旱区备用土地资源的开发、管理和有效利用提供了理论支撑,并为农业的持续发展提供了科学依据。

近60a天山北坡经济带天然径流量时空变化及归因识别

天山北坡经济带地处干旱的亚洲腹地,厘清天然径流量(NR)时空变化及成因对统筹区域发展、维持生态安全至关重要。为此,采用Sen’s斜率估计法、Mann-Kendall趋势检验等分析径流量时空变化,基于Budyko假设的水热耦合平衡方程定量评价降水、潜在蒸散发及下垫面对NR变化的贡献。结果表明:(1)近60a天山北坡经济带NR总体呈显著增加趋势,年变化率0.68mm·a-1。1961—1986年波动较大,1987—2012年波动变小且NR增加明显,2013年后NR显著减少。(2)NR大小与海拔变化在空间上高度叠合,天山北坡经济带西部和南部NR较大,西南部与西北部增长幅度大。(3)NR突变点为1980年与2013年,降水一直是NR变化的主导因素,但下垫面影响不断加大,近60a贡献率从31.5%增至45.5%。(4)2012年前天然径流量主要受降水主导,但不同区域影响不同。2013年,西部、东部与中南部下垫面对径流量的影响已超过降水成为主导因素。研究成果深化了天山北坡经济带NR变化的认识,为天山北坡经济带高质量发展提供科学支撑。

天山北坡中段草地生态系统多功能性对放牧的响应

生态系统多功能性(EMF)是指生态系统能够提供多种服务和功能的能力。放牧是草地资源实现开发和利用的主要途径之一,但草地EMF对放牧干扰的响应尚不明确,且其驱动因子仍不清楚。以天山北坡中段草地生态系统为研究对象,基于野外植物群落调查和室内土壤理化性质分析以及微生物高通量测序,探讨轻度放牧、重度放牧和未放牧处理下草地EMF的变化规律。结果表明,(1)相较于重度放牧,轻度放牧显著提高草地生产力、土壤碳养分、土壤氮养分、土壤磷养分、土壤钾养分等生态系统单一功能以及多功能性(P<0.05)。(2)线性拟合结果表明,草地生态系统单功能和多功能性与植物Shannon⁃Wiener指数、土壤细菌Shannon⁃Wiener指数、土壤真菌Shannon⁃Wiener指数、土壤含水量之间呈显著正相关关系(P<0.05),与土壤容重呈显著负相关关系(P<0.05)。(3)通过结构方程模型总体来看,放牧能够直接对EMF产生负向效应,也可通过植物多样性和土壤细菌多样性及其二者之间的相互作用间接地对EMF产生负向效应,并且同时考虑多个生态系统功能对放牧的响应可以更好的反映整个生态系统的变化。研究强调了植物群落多样性和土壤微生物群落多样性对维持草地生态系统功能及多功能性的重要性,轻度放牧处理是更好地保护生物多样性及维持草地EMF的可行策略,该结果揭为合理制定天山北坡中段草地生态系统的可持续经营和管理提供了理论参考。

天山北坡城市群国土空间格局识别与时空变化分析

气候变化和人类活动大环境下,探索国土空间格局演化特征及其规律对进一步缓和绿洲地区人地矛盾有着重要的意义。以天山北坡城市群为例,选取2000、2010年和2020年3期土地利用数据及DEM数据,基于“三生”空间理论对天山北坡城市群国土空间结构数量与空间分布进行分析。结果表明:(1)20 a间天山北坡城市群“三生”空间类型面积呈不同程度的增减,其中水域和林地生态空间的转出量最多,牧草和其他生态空间两者间相互的转换数量最大;(2)研究区除阜康市、木垒哈萨克自治县、奇台县、石河子市及乌鲁木齐市的国土空间利用程度综合指数呈小幅度增加和递减外,其他县域呈逐年提高趋势;(3)生产空间的核密度高值区呈东南-西北条带状,连片分布于研究区的中部,而生态空间的核密度高值区则分布于研究区外围;生活空间的核密度高值区以乌鲁木齐市为中心呈点状分布,周围衍生出许多零碎的中值点,总体分布较为破碎,空间连接性较低。

天山北坡城市群人居环境适宜性评价

基于人居环境自然和人文综合要素,构建了人居环境综合适宜性指数(HSCI),以天山北坡城市群为研究区,分析其2022年的空间分异规律。结果表明:(1)天山北坡城市群自然环境的空间适宜性受地形起伏度和温湿指数影响显著,整体为一般适宜区集中连片分布、高度适宜区零星分布在天山北坡山麓地带的绿洲。其中胡杨河市和乌鲁木齐县的自然环境适宜性最好;(2)人文环境的空间适宜性受夜间灯光指数和基础服务指数的影响较大,整体形成以乌鲁木齐市和石河子市为中心的“双核”空间特征,并有向周围递减的趋势;(3)天山北坡城市群人居环境综合适宜性指数最好的地方人口分布最多,充分体现了乌鲁木齐市作为区域极核的地位;(4)人居环境适宜性指数与天山北坡城市群的人口、经济和土地匹配程度不足。高质量和较高质量区土地面积仅占总量的2.62%,经济则占总量的54.69%,人口高达总量的59.06%。说明天山北坡城市群地区人口与经济在适宜性方面具有高度匹配性,但人居适宜性指数较高的土地存在过度集中和利用的情况。

天山北坡典型草地施肥阈值及不确定性分析

在全球气候变化的背景下,干旱半干旱区草地作为陆地生态系统中重要且非常脆弱的组分之一,显现出一系列生态问题。探究气候变化及人类活动对于该区草地生态系统净初级生产力(NPP)的影响,对于合理利用自然资源,保持农牧业可持续发展具有重要的意义。施肥作为促进作物生长的一种方式,合理施肥也可以提高退化草地的NPP。基于此,本研究拟以天山北坡沿海拔梯度分布的4种草地类型:高山草甸(AM)、中山森林草甸(MMFM)、低山干草原(LMDG)和平原荒漠草原(PDG)为研究对象,基于反硝化-分解模型(DNDC)分析该区典型草地生态系统净初级生产力对施加不同氮肥的响应,并揭示施肥阈值及最优施肥方式。结果表明:1)适度氮肥添加促进了各个类型草地生态系统NPP的增长,但草地NPP对施肥量的响应存在阈值,且不存在适用于4种草地类型的统一最优施肥方式。LMDG草地生态系统对施氮肥的响应最敏感。2)PDG草地NPP达到最大的施肥方式为一年分两次施加100 kg·hm^(-2)硝酸盐,NPP的最大值为68.72 g C·m^(-2)·a^(-1)。LMDG草地NPP最大的施肥方式为一年分两次施加尿素260 kg·hm^(-2),NPP的最大值为263.28 g C·m^(-2)·a^(-1)。MMFM草地生态系统达到NPP最大的施肥方式为一年一次施尿素80 kg·hm^(-2),NPP的最大值为171.22 g C·m^(-2)·a^(-1)。无水氨作为在AM草地中反应最好的氮肥,以最小的施肥量(60 kg·hm^(-2))达到了NPP的最大值(114.62 g C·m^(-2)·a^(-1))。3)通过蒙特卡洛不确定分析的结果显示,施肥时间对PDG和LMDG的影响更为明显,施肥量波动对LMDG和MMFM的影响较其他两种草地更为明显。

基于MS-PT的天山北坡农业灌溉用水时空格局估算及影响因素分析

基于土壤水分平衡方程和遥感数据,利用改进后基于卫星的Priestley-Taylor算法(MS-PT),估算了2018—2020年天山北坡0.1°×0.1°空间分辨率下的农业灌溉用水量,通过与定额法所得到的估算结果进行对比,并采用通量塔数据对关键结果——蒸散发量进行了验证.结果表明:研究区内灌溉时间主要为每年的4—9月,其中7月份灌溉用水达到峰值,3年平均年灌溉用水量为98.90亿m^(3)/a,与定额法估算的结果(94.58亿m^(3)/a)相近.同时,在乌苏市、沙湾县、玛纳斯县以及呼图壁县等农业较为发达的地区,农业灌溉用水量相对较大.此外,农作物的种植结构及种植面积是影响天山北坡农业灌溉用水量的主要因素.

天山北坡城市群高质量测度与障碍因子诊断研究

通过熵权TOPSIS方法,测度2020年天山北坡城市群高质量发展水平,并采用障碍因子模型和耦合协调模型,判定影响高质量发展的障碍因子和城市内部协调度。结果表明:高质量综合得分排名为乌鲁木齐市>克拉玛依市>石河子市>吐鲁番市>五家渠市>昌吉市>阜康市;影响乌鲁木齐市主要障碍因子是建成区绿化覆盖率、每万人图书馆数量、人均城市道路面积、建成区排水管道密度;其余城市的主要障碍因子是进出口贸易额、城市GDP、每万人专利授予量、参加基本养老保险的人数;乌鲁木齐市属于轻度失调,石河子市、克拉玛依市和昌吉市属于严重失调,吐鲁番市、五家渠市和阜康市属于极度失调。天山北坡城市群高质量发展水平与内部耦合协调水平低且呈非均衡的空间分布格局,未来应充分发挥各市的区位、资源和产业优势,着力补齐短板,注重全方位协调发展,提升发展质量。

天山北坡前山带蒙古沙棘不同集水造林技术的效果评价

【目的】探讨天山北坡前山带蒙古沙棘(Hippophae rhamnoides subsp.mongolica)不同集水造林技术对土壤含水率、造林成活率和保存率及株高的影响,结合造林成本进行效果评价,筛选出最佳的蒙古沙棘造林技术,为该地区的人工造林提供技术参考。【方法】以蒙古沙棘优良品种‘新棘1号’(H.rhamnoides‘xinji1’)为研究对象,通过双因素试验设计,设4个水平沟深度:H0(0 cm)、H1(20 cm)、H2(40 cm)、H3(60 cm)和4个保水措施:W0(裸地)、W1(膨润土)、W2(防草布)、W3(膨润土+防草布)。【结果】水平沟深度、保水措施及二者的交互作用均对土壤含水率、造林成活率和保存率及株高有显著影响;在同一保水措施下,随着水平沟深度增加,各指标越优,但造林成本随之增加;在同一水平沟深度下,整体以W3处理最佳,但造林成本也最高;结合造林成本,通过隶属函数评价法综合评价各集水造林技术的效果,H2W3处理得分最高,H0W0得分最低。【结论】本研究筛选出最佳的蒙古沙棘的造林技术为H2W3(40 cm深度+膨润土+覆防草布)处理。

天山北坡地区硅基企业大气污染物排放及治理对策综述

天山北坡经济带作为我国工业硅产量最大的省份之一,工业硅生产过程是硅石与石油焦、洗精煤和木炭等碳质原料反应,通过电热法在矿热炉中熔炼制得。由于石油焦、洗精煤等原料含硫,高温焙烧时,会产生大量二氧化硫外排。矿热炉中还原性的碳质原料高温下与空气接触发生燃烧反应,产生氮氧化物。生产过程中对固体物料的加工处理,不可避免产生并排放颗粒物。因此,工业硅产业给当地带来显著经济效益的同时,也伴随着大量颗粒物、二氧化硫和氮氧化物等有害物质的排放,导致天山北坡地区大气污染严重,为此解决大气污染问题刻不容缓。本文通过现场调研、,结合目前工业硅生产工艺,明确污染物产生的源头,了解相应治理措施。结合国家和地区环保方针政策、空气质量评价方法及国内外污染物排放限值标准,指出目前新疆天山北坡工业硅生产过程中污染物排放存在的问题,并提供了可行的大气污染治理建议和技术。

基于资源约束的新疆天山北坡乡村建设发展模式探究

新疆地理环境特殊、生态脆弱、气候干旱、经济滞后、人文环境独特。该区域乡村的发展在自然资源的约束下面临更大的局限性和挑战性。基于上述背景,新疆乡村走出自己的发展路径、提高自然环境适应能力迫在眉睫。文章对天山北坡的区域资源进行梳理和归纳,根据区域现状调研和分析,将其分为农牧业资源、区位资源、人文生态资源,总结出3种大类资源下的7种乡村建设模式。为自然资源匮乏的乡村建设发展提供参考与借鉴。

天山北坡绿洲乡村聚落空间基因解析及影响机制研究

空间基因蕴含着聚落与环境互动形成的空间信息,在空间特色传承上有着重要作用。由于新疆天山北坡地区聚落在独特的自然环境中形成了互动演化的聚落空间形态,因此以其为研究对象,通过卫星影像图和三维数据采集其中的12个典型聚落样本,在从自然环境、空间片段形态、聚落形态、路网形态和拓扑连接五方面提取空间基因的基础上,构建聚落空间基因图谱,运用因子分析与聚类分析方法,对聚落进行分类,阐释其背后蕴含的环境-空间互动影响模式,并提出保护与改造建议,以期为不同地区乡村聚落空间基因研究提供借鉴,为聚落类型划分、乡村特色保护与发展提供研究思路。

基于PLUS-InVEST模型的天山北坡生态系统碳储量时空变化与预测

土地利用变化作为影响陆地生态系统碳储量的重要因素,研究两者间的关系对维持区域碳平衡和实现双碳目标具有重要意义。基于第三次新疆综合科学考察背景,分析天山北坡1990年、2000年、2010年、2020年土地利用变化与碳储量的定量关系,结合PLUS和InVEST模型,模拟在历史趋势、水资源保护和经济发展3种情景下2030年区域碳储量的空间格局。结果表明:(1)草地和裸地是天山北坡主要土地覆被类型,1990—2020年耕地、林地、水域、建设用地和湿地面积增加,耕地面积增加最多,其余土地利用类型面积减少,草地减少最多。(2)1990—2020年天山北坡碳储量呈“先升后降”趋势,草地、裸地、耕地和林地间的转化是总碳储量变化的主要成因。(3)3种情景下碳储量均低于2020年水平,经济发展情景减幅最为显著,草地减少、裸地增加是碳损失的主要原因。