干旱半干旱区斑块状植被格局形成模拟研究进展

斑块状植被格局是世界上干旱半干旱区常见的景观类型,它们的形成、组成结构和演替过程研究,对于揭示区域生态系统变化的关键过程具有重要意义。鉴于基于地面调查和遥感技术的方法难以全面刻画斑块状植被格局的形成过程及机制,借助于模型模拟成为解决这一问题的有效方法。自20世纪90年代初至今,斑块状植被格局形成的连续和离散模拟研究不断涌现,然而,连续模拟侧重于植被格局形成的一般机理,缺乏与现实格局的对比和验证,离散模拟单元选择与规则制定等仍需不断研究。在简要回顾斑块状格局形成的反馈机制基础上,重点综述了斑块状植被格局形成的连续和离散模拟的最新研究进展,并指出了现有研究的不足。干旱半干旱区小尺度上植物和水的反馈作用决定了大尺度的斑块状植被格局,充分揭示植被-土壤水分相互作用机理是模型模拟研究的关键,放牧强度和降水格局等外部环境对干旱半干旱区斑块状植被格局特征具有重要影响。在未来研究中,应加强模型模拟结果与实际观测的植被格局比较和验证,重视局域环境条件、生态系统功能在模型中的表达,构建综合连续和离散模型各自优点的混合模型,注重斑块状植被格局形成过程中的标准子模型及模型开发和集成平台的研发,同时强调面向格局模拟和构建空间显式的斑块状植被格局形成模型。

黑河中游荒漠-绿洲过渡带斑块状植被区土壤水分变异特征分析

土壤水分是荒漠-绿洲过渡带斑块状植被生长发育和维持稳定的主要环境因子.基于甘肃临泽县荒漠-绿洲过渡带斑块状植被区2014年雨季前、雨季后72个采样点0～100cm土壤层含水量的实测数据,并结合中国生态系统研究网络临泽内陆河流域研究站的野外气象观测资料,利用经典统计学和变异函数理论,分析了荒漠-绿洲过渡带斑块状植被区土壤水分的时空变异特征.研究表明：1）雨季前、雨季后土壤水分在垂直分布上随着土层深度的增加而增大,而对于同一土层的土壤含水量均值,雨季后分别小于雨季前;2）雨季前、雨季后0～20cm土壤水分的变异分别为强变异、中等变异,而其余各层土壤水分的变异均为强变异;3）雨季前、雨季后土壤水分的变异函数理论模型为球状或指数模型,虽然雨季前、后同一土层的土壤水分模型大多不一致,但是其模型都能较好地反映土壤水分的空间结构特征;4）雨季前、雨季后由随机因素引起土壤水分的空间变异较小,而土壤质地、植被斑块格局等结构性因素是引起土壤水分空间变异的主要因素.其中,雨季前,在64.2～145.3m尺度范围内,土壤水分75.6%～99.7%的空间变异由空间自相关引起;雨季后,在79.9～154.2m的尺度范围内,土壤水分76.9%～92.9%的空间变异也由空间自相关引起.

干旱地区斑块状植被格局形成的水分驱动机制及其研究进展

斑块状分布是植被在水分匮乏环境中长期适应的结果,其演替过程可以作为生态系统响应气候变化和人类活动产生突变的"指示器"。本文通过对斑块状植被的起源、生态水文过程及其对干旱区植被恢复的启示等方面进行综述,提出了我国干旱区植被恢复中目前尚存在的主要问题。认为斑块状植被的形成可能受气候变化、人类活动、植物自身的生物学特性及其对环境胁迫的适应等方面的影响,但不是主要因素,植被斑块和裸地斑块之间在不同空间尺度的水分再分配是其在干旱半干旱地区形成并且能够维持稳定的关键。斑块状植被是一个高效的雨水集流系统,裸地斑块是整个系统径流的"源",而植被斑块是整个系统径流的"汇",保护植被斑块的同时维持一定面积的裸地对于整个生态系统的稳定都具有极其重要的意义。斑块状植被也是一个非常脆弱的生态系统,气候的剧烈波动以及人类的过度活动都可能导致生态系统功能丧失,最终产生不可逆转的影响,因此需要加以严格保护。

斑块状植被遥感检测研究进展

斑块状植被是世界上干旱—半干旱区常见的景观类型,对于它们的形成、结构和演替研究能够提高人们对干旱—半干旱地区生态系统动态及其重要的生态水文过程的理解,具有重要的理论研究意义和应用价值。传统的基于地面调查和长期定位观测的方法观测范围有限,已无法满足目前区域斑块状植被分布及其空间格局特征研究的需要。利用遥感技术快速重复获取大面积对地观测数据,已成为斑块状植被检测的主要发展方向。通过对近20 a斑块状植被遥感检测相关文献的综述,阐述了现有研究中使用的航空和高分辨率卫星遥感数据、基于像元的检测方法、基于对象的检测方法和基于形态学的检测方法,以及各自的局限性和优势。在此基础上,对今后斑块状植被遥感检测的研究方向进行了展望,应加强高空间高光谱分辨率卫星遥感数据和低空无人机高光谱和激光雷达图像的应用,重视面向粘连斑块的新型图像分割算法研发,以期进一步提高斑块状植被检测的精度。

黄土丘陵区典型植被群落坡面土壤优先流特征及其影响因素

以黄土丘陵区3种典型植被群落(白羊草、铁杆蒿和杠柳)为研究对象,并以退耕1年的撂荒地作为对照(CK),采用原位染色示踪和实验室分析相结合,对比分析不同植被群落斑块格局下的土壤优先流特征,探究植物根系、土壤理化性质对优先流的影响。结果表明:相较CK,植被恢复提高了优先流发育程度;对于各植被斑块,铁杆蒿植被斑块具有最高的染色面积比(45.62%)、最大染色深度(30.30 cm)、优先流比(39.76%)和长度指数(475.90%),杠柳次之,白羊草最小;而对于同一植被群落,除白羊草群落外,其他群落优先流发育程度表现为植被斑块大于裸地斑块;通过结构方程模型发现,优先流染色面积比主要受到土壤总孔隙度、团聚体稳定性、根系生物量密度和有机质含量的直接影响,解释方差可达70%。因此,植被的自然恢复通过其根系发育影响土壤性质,进而改善土壤优先流发育程度,提高土壤入渗能力。

黄土丘陵区植物间正相互作用对幼苗更新的影响

幼苗阶段是植物生活史中最脆弱与关键的阶段,在土壤侵蚀强烈的黄土坡面,现有优势物种能否作为保育物种发挥植物间正相互作用促进幼苗更新与存活还缺乏研究。以黄土丘陵区的3种典型植物群落(白羊草群落、狼牙刺群落、铁杆蒿群落)为研究对象,采用样方调查法研究了植物斑块和裸地斑块下幼苗的密度、物种组成、物种多样性以及与地上植物物种相似性的变化规律,对不同植物间的正相互作用的强度进行分析。结果表明:1)在研究区共记录到幼苗52种,分属22科,主要由禾本科、豆科和菊科植物构成,且以多年生草本植物为主;2)不同斑块下幼苗的物种数量、密度、多样性和相似性指数大体表现为植物斑块>裸地斑块;同为植物斑块,不同植物群落幼苗物种数量是铁杆蒿群落>白羊草群落>狼牙刺群落,密度为铁杆蒿群落>狼牙刺群落>白羊草群落,多样性指数为铁杆蒿群落>白羊草群落>狼牙刺群落;而裸地斑块的幼苗密度与多样性指数均为铁杆蒿群落>狼牙刺群落>白羊草群落。3种群落两种斑块幼苗与地上植物的相似性系数均低于0.5,属于极不相似或中等不相似水平;3)植物斑块中的成年植株对其周围的幼苗存在积极的正相互作用,但在侵蚀干扰更加强烈,环境更加恶劣的阳坡白羊草群落、狼牙刺群落不同斑块间物种组成差异更大,植物改善微生境,促进更多类型幼苗更新的作用更加明显。总之,3种植物作为保育植物均能促进幼苗存活,但随着植株个体生长,可能存在物种间相互作用的转变,使得幼苗和地上植物的相似性不高。