沉水植被斑块尾流多尺度紊流结构研究

探究斑块尾流中多尺度紊流结构对理解植被群落影响下的泥沙输移规律和河床演化过程有着重要意义。通过室内水槽试验,分析不同高径比及植被体积分数影响下的斑块后水流特性,得到时均流速及雷诺应力分布规律;通过谱本征正交分解对其脉动场进行分析,探究不同尺度涡的空间模态及能量分布规律。研究结果表明:①冠层垂向剪切层内剪切强度及其最大量纲一剪切层垂向厚度随着植被体积分数增大而增大,随着高径比增大而减小。②斑块尾流中,大尺度涡旋对应频率集中在0.15~0.29 Hz,对应斯特劳哈尔数为0.16~0.32,垂向分布介于0.2~1.3倍植被高度,纵向分布介于2~6倍斑块直径,横向关于植被中心线呈现出非对称分布。③纵向出流流速及剪切层内紊动强度是影响稳定尾流区长度的重要因素。剪切层纵向输运速度随着纵向出流流速增大而增大,剪切层垂向扩散速度随着紊动强度的增大而增大。

祁连山典型流域谷地植被斑块演变与土壤性状

植物群落演变与土壤性状变化之间的相互作用和过程研究对于认识生态系统结构和功能演变有着重要的意义。对祁连山谷地灌丛草甸退化演变过程中植物群落物种组成、土壤物理和化学性状特征、及土壤与植被的相互作用进行了研究，结果表明，在祁连山谷地阴坡林线以下较小的空间范围，植被斑块由金露梅群落向金露梅-马蔺群落斑块和马蔺群落斑块演变，植被盖度降低，但物种多样性增加。不同植被斑块之间土壤水分有显著的梯度变化，土壤水分的变化导致植被的退化演替。植被斑块的演变导致土壤性状的明显分异，从金露梅灌丛斑块向金露梅-马蔺群落斑块和马蔺群落斑块演变，土壤容重显著增加，土壤团聚体组成由大粒级的大团聚体（〉1mm）破碎为小粒级的大团聚体（1～0．25mm）和微团聚体（〈0．25mm），团聚体稳定性降低，表明土壤结构的退化；土壤有机碳含量下降了31．2％和55．9％，干筛各粒级土壤团聚体中有机碳含量金露梅-马蔺群落斑块和马蔺群落斑块显著低于金露梅斑块，土壤团聚体平均重量粒径与有机碳含量存在显著相关，植被退化演变中土壤有机碳的损失部分地由于团聚体的破碎引起；土壤全氮和有效氮不同斑块之间也有显著的差异，植被斑块退化演变使氮的有效性降低；但磷、钾养分对植被变化的响应不敏感。植被的退化演变使土壤团聚体破碎、土壤结构退化，有机碳和全氮含量下降，使其抗侵蚀能力和水源涵养功能显著降低，又进一步加速植被的退化演替。在气候变暖的趋势下，马蔺斑块将进一步向林线逼近，灌丛草甸植被将会进一步退化和萎缩。

基于电磁感应成像植被斑块土壤水盐效应研究

土壤水盐过程在植被斑块的形成与演变中起着十分关键的作用,但其与植被斑块间的相互作用关系因研究工具的限制而缺乏深入认识。以青海湖流域芨芨草斑块群落为研究对象,通过采用电磁感应(EMI)产生的表观电导率(ECa)成像解译土壤水分与盐分的时空动态变化,建立芨芨草斑块分布格局与土壤水盐变化过程之间的联系。结果表明:ECa分别与土壤水分、盐分间存在显著相关关系(P<0.01),多元回归模型指出,ECa变化的81%可由土壤水分与盐分变化来解释,因此可用ECa变化表征土壤水分与盐分的变化;此外,强降雨事件前后ECa动态变化图指出,芨芨草斑块处土壤水分增加量高于基质区,说明芨芨草斑块能够快速聚集水分;而不论干湿状态或不同季节,芨芨草斑块处土壤水盐含量总是高于基质区,表现出时间稳定性,说明芨芨草斑块是土壤水盐的聚集区。因此,EMI成像可揭示芨芨草斑块土壤水盐空间分布及动态变化过程,为植被斑块的水文过程研究提供快速可靠的方法。

准噶尔盆地南缘绿洲-荒漠过渡带植被斑块格局土壤水盐及养分分布特征的分析

土壤水盐与养分是荒漠-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。本文通过准噶尔盆地南缘荒漠-绿洲过渡带斑块状格局土壤水分、盐分和养分的分析测定及对比分析,得出准噶尔盆地南缘荒漠-绿洲过渡带植被斑块格局土壤水盐及养分分布特征。结果表明:(1)由于植被覆盖降低太阳辐射植被斑块土壤温度小于裸地斑块土壤温度,形成以植被斑块为中心的“冷岛”;植被斑块土壤水分呈反“S”型曲线分布并形成以荒漠植物梭梭植株为中心的“湿岛”;不同斑块土壤总盐含量均呈“正S型”曲线分布,植被斑块形成以梭梭植株为中心的“低盐区”。(2)土壤中盐分以硫酸钙、硫酸钠和氯化钠为主,土壤八大离子中阳离子以Ca2+和Na+为主,阴离子以SO42-和Cl-为主,大部分离子浅集表聚,少部分向土土壤深处迁移。

东南沿海平原的河道变迁和植被斑块

河道变迁是美国东南沿海平原低地植被斑块的主要决定因素。河道的测移运动通过尖坝沉积和废弃河道的填充创造了新的地表。这个新地表迅速地为高耐洪水、适应性强的植物种类所占据。在此后连续几年的洪水之中，沉积物沉淀养育了年轻的地表，使得它们不易被此后的洪水淹没，因而更适合耐水性低的植物种类进入并最终取代早期成员。新森林群落的持续出现主要依赖河道变迁和浅泥沼发育形成的新地表。当河道溃缺使得水进入相邻低地，毁坏森林台地，早期植物演替得以建立时，浅泥沼就开始发育了。东南沿海平原的许多河流已被渠道化。稳定的河道限制了浅泥沼的发育并杜绝了尖坝和牛轭湖的形成。因此，大尺度的自然紊乱机制和控制低地空间多样性最主要的因素被去除了。渠道化将很可能导致冲积平原同质化，后来的演替高台植物将占据渠道化之前的外部冲积平原。

植被斑块格局对砒砂岩坡面土壤侵蚀强度的影响

选取水力侵蚀极其剧烈的砒砂岩区为研究对象,基于野外径流小区的连续监测试验,采用三维激光扫描、无人机航拍与方差均值比率法相结合,对比分析砒砂岩坡面3种典型自然植被格局(聚集分布、均匀分布、随机分布)下的产流产沙特征与坡面微地形的演变规律。结果表明:(1)均匀分布格局对减缓水力侵蚀条件下砒砂岩坡面土壤侵蚀强度的效果最明显,与裸坡相比,减流率达到64%,减沙率达到72%,土壤流失量最少,为0.05 kg/m^(2)。径流泥沙量之间存在多项式曲线关系,拟合函数为y=-0.0462X^(2)+0.5355X-0.865,R^(2)=0.736。(2)均匀分布格局的侵蚀区面积最小,为12.28 m^(2);沉积区面积最大,为3.44 m^(2),土壤侵蚀强度较其他坡面弱,以轻度侵蚀为主。(3)均匀分布格局的径流泥沙量与平均沉积深度之间的相关性较强,与径流量呈显著正相关(p<0.05),相关系数为0.603;与泥沙量呈极显著正相关(p<0.01),相关系数为0.771。

祁连山区典型坡面植被斑块间水文连通性及水分传输过程研究

国家自然科学基金项目“祁连山区典型坡面植被斑块间水文连通性及水分传输过程研究”(批准号:41901050)由杨军军副教授主持。本项目以祁连山区典型坡面为研究单元,针对植被斑块间水文连通性和水分传输规律,量化坡面不同植被斑块间水分拦截和再分配过程,从而在坡面尺度上识别植被斑块间水文连通性及其水分传输规律,深化水文过程与植被空间格局的作用机理。为干旱区山地植被建设和布局提供科学依据,也为流域尺度生态水文过程模拟提供关键参数和数据支撑。

盐地碱蓬、柽柳和芦苇生长的水盐阈值对类圆形植被斑块形成机制的解释

山东省黄河三角洲离海向陆25 km左右的区域内分布着不同类型的类圆形植被斑块,其演替速度快、生物多样性高,是研究黄河三角洲水盐交互作用和植被演替的理想对象,揭示其形成过程和机制对于黄河三角洲盐碱滩地植被恢复有着重要的实践意义。基于类圆形植被斑块的盐地碱蓬(Suaeda salsa)、柽柳(Tamarix chinensis)、芦苇(Phragmites australis)生长发育的水盐阈值和生活习性,以及黄河三角洲缓平低地盐生植物群落的分布规律,对类圆形植被斑块形成过程和机制进行了解析。结果表明:缓平低地的积水地形导致的局部水盐再分配是类圆形植被斑块形成的基础。盐地碱蓬分布在类圆形植被斑块的最外缘,为局部高盐分(1.0%~2.1%)、湿润地带;向斑块中心,分布着矮小的芦苇,为局部中高盐分(0.12%~0.79%)、低水深地带;再向斑块中心,柽柳散落分布在积水线附近,为局部低水深、中等盐分(0.16%~0.70%)地带;斑块中心区分布着芦苇和白茅,为局部高水深、低盐分(0.1%~0.32%)区域。春季和冬季,灰白色的高含盐量盐斑出现在盐地碱蓬外侧,为局部高盐分(1.6%~3.4%)、干燥地带,由蒸发引起的盐分迁移积累所致。由此,形成面积相对稳定的圈层结构的类圆形植被斑块。依据该规律,可构建微地貌营造结合水盐控制的生态修复模式,促进植被的正向演替,为黄河三角洲盐碱滩地植被恢复提供一种基于自然的解决方案。

现代黄河三角洲类圆形植被斑块时空动态遥感分析

斑状植被在世界范围内的干旱半干旱区、海岸滩涂均有分布。近年来,有关斑状植被形成、时空格局演替的研究受到了越来越多的关注。斑状植被分布及其时空动态是其中重要的研究方向之一,它是植被演替机制研究的基础,也是表征生态系统中植被长期变化的关键指标之一。以现代黄河三角洲类圆形植被斑块为研究对象,将其分为裸斑区、明显类圆形植被斑块区和隐性类圆形植被斑块区等三大类,通过1996、2005、2007、2010和2012年5个时相多源遥感影像的人机交互目视解译,首次给出了现代黄河三角洲这三大类区域的分布范围,在此基础上分析了其时空动态。结果表明：现代黄河三角洲类圆形植被斑块在空间分布上存在明显的梯度分布和动态演替规律,具有海域—光滩—裸斑区—明显类圆形植被斑块区—隐性类圆形植被斑块区高程梯度分布的普遍特征;类圆形植被斑块的直径、植被覆盖度、植被平均高度以及土壤全盐量可作为判别新老斑块的直观标志;10m、5～6m分辨率的多光谱图像能够较好划分3种类圆形植被斑块区,但对于斑块面积变化的测量精度仍显不足,1m甚至更高分辨率图像的运用将会弥补这一缺陷。研究结果可为将来现代黄河三角洲斑状植被格局及演替机制的深入研究提供参考。

斑块状植被覆盖下坡面流水动力学特性

为阐明斑块状植被随机覆盖下坡面流水动力学特性,通过5个覆盖度、6个坡度和7个流量组合条件下的室内放水冲刷试验,系统研究了斑块状植被覆盖下坡面流的流型流态及阻力机制。研究结果表明:1)该试验工况下,坡面水流位于虚拟层流区和过渡流区,水流流态发育受覆盖度和坡度相互制约。2)在虚拟层流区,综合阻力系数与雷诺数呈负相关,而在过渡流区,二者关系在临界覆盖度处发生转捩,随覆盖度的增加,二者关系逐步由负相关变为正相关。3)综合阻力系数与覆盖度呈幂指函数相关,而随淹没度变化趋势则受制于覆盖度。低于临界覆盖度时,二者整体上为负相关;高于临界覆盖度时,综合阻力系数随着淹没度增大先减后增。此外,基于水流阻力等效原则,综合考虑水力坡度、覆盖度、雷诺数、淹没度的影响,建立了坡面流阻力计算模型。

干旱荒漠区斑块状植被空间格局及其防沙效应研究进展

斑块状植被相对稳定的空间格局是其适应环境的结果,也是干旱区植被存在的主要形式。干旱荒漠区植被对土壤风蚀的防护功能不仅与盖度、高度有关,而且与植被空间格局有关。以往的研究多侧重于植被盖度和高度对防护功能的影响,而对植被格局影响防沙效应的研究相对薄弱。干旱区斑块状格局的植被能否防沙、防沙效应如何一直是防沙治沙工程研究中的焦点问题。综述了干旱区斑块状植被空间格局特征、形成演化及防风固沙效应等方面的研究进展,提出未来应借助3S技术手段和模型模拟方法,加强对斑块状植被空间格局与风蚀风积过程的互馈关系、斑块动态的驱动因素和斑块状植被格局防沙功能的尺度效应研究。

荒漠-绿洲过渡带斑块植被表层土壤颗粒的空间异质性

以河西走廊荒漠-绿洲过渡带为研究区域,采用土壤分析筛和地统计学的方法,对研究区典型样地斑块植被表层土壤颗粒的组成特征及其空间异质性进行了研究,结果表明:1)不同粒径范围的土壤颗粒质量含量不同,其中细砂(0.25~0.075mm)占总土粒质量的75.135 9%,中砂(0.5~0.25mm)占13.273 0%,而粗砂(d>0.5mm)和粉砂(d<0.075mm)的含量相对较少,分别只占5.189 5%和6.401 6%;2)不同粒径范围的土壤颗粒空间异质性不同,其中粒径1mm≥d>0.1mm的土壤颗粒空间异质性的99.6%~88.8%是由空间自相关因素引起的,随机因素起的作用较小,其它粒径范围的土壤颗粒空间异质性的95.1%~100%是由随机因素引起的,而空间自相关因素的作用很小;3)粒径1mm≥d>0.1mm的土壤颗粒含量的最优拟合理论模型为曲线模型,空间异质性尺度在24~36.3m之间,其它粒径范围的土壤颗粒含量的最优拟合模型为线状模型或块金模型,空间异质性尺度较大,均为146.36m.研究结果为进一步探讨荒漠-绿洲过渡带土壤空间异质性与植被空间格局的关系提供依据.

荒漠化草原植被斑块分布对地表径流、侵蚀及养分流失的影响

地表径流是干旱区水、养分和土壤物质迁移和再分配的主要途径之一,它在很大程度上受植被格局的影响。研究了腾格里沙漠东南缘生物土壤结皮斑块和灌丛斑块镶嵌分布的植被格局对地表径流、侵蚀及其驱动下的资源再分配的影响。结果表明,植被斑块对地表径流和侵蚀产物起着拦截作用,能显著减少资源的流失。生物土壤结皮斑块和植被斑块之间存在资源(径流、侵蚀产物及养分等)再分配的源-汇关系。模拟降雨条件下,含有灌丛斑块和生物土壤结皮斑块的样方出现表面积水和径流需要的时间均显著大于只含生物土壤结皮斑块的样方;含两类斑块的样方出现径流需要的降雨量显著大于只含生物土壤结皮斑块的样方。在模拟降水和自然降水条件下,生物土壤结皮斑块产生的径流、侵蚀产物、有机质、氮及溶解养分中均大量被位于下坡向的灌丛斑块截获;灌丛斑块土壤水分入渗深度显著大于结皮斑块。灌丛斑块对生物土壤结皮斑块产生的地表径流、侵蚀产物及其携带的资源的捕获能显著减少资源流失,有效地防止荒漠化的进一步发生发展。

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.

基于水动力的植被消长模型及河道植被演替模拟

针对植被斑块在河道中的演替规律,建立了概化河道下的植被斑块消长模型。该模型以二维浅水方程组为控制方程,采用有限体积法离散求解水动力参数,利用等效曼宁系数法概化植被影响,定义床面剪切力小于阈值区域为新植被生长区,大于阈值区域为植被消亡区。考虑植被阻力对水流的影响以及床面切力对植被消长的影响,建立了植被消长与水动力过程相耦合的数学模型,模拟了不同条件下的植被区演替过程,模拟过程中重点考虑了两个床面剪切力阈值和两个初始植被密度工况。计算结果表明:植被斑块在河道内的演变通常是由块状向条带状发展,较高的剪切力阈值将产生更大的最终植被面积;当剪切力阈值系数为0.5时,最终植被面积占河道总面积的比值为47%~49%;当剪切力阈值系数为0.7时,最终植被面积占比为58%~60%;不同的初始植被分布并不会对最终植被面积产生显著影响,但较大的初始植被密度会加快植被的初始生长速率,使植被面积更快达到基本稳定水平。

洞庭湖区植被景观格局数字化图的编绘

为探讨洞庭湖地区的植被景观类型分布特征,采用手持GPS测绘了洞庭湖纯湖区湿地植被景观斑块边界与属性,用分解森林资源分布图上图斑的方法转换周边丘陵低山区植被景观格局的斑块边界与属性,根据景观生态学原理和景观制图要求,采用M apG is软体编绘了洞庭湖区3 965 957.201 hm2的1∶25万植被景观格局数字化图,建立了属性数据库.根据图和数据库分析,洞庭湖地区植被景观具有聚集分布特点:北中部以作物植被和湿地植被景观为主;东南部以油茶林景观为主;西南以楠竹林为主;西面以杉木林景观为主;其他植被景观呈镶嵌状分布.在植被类型景观不同分布区,斑块和底质异质互换.植被景观格局数字化图具有可视、联动、精度高、使用方便等特点.

青海湖流域芨芨草斑块对地表水分再分配过程的影响

[目的]研究芨芨草斑块对降雨再分配和地表径流过程的影响,为揭示植被斑块的形成与水分调控机理提供依据。[方法]以青海湖流域芨芨草斑块为例,通过对芨芨草斑块冠层降雨再分配和地表径流进行试验观测,计算水平方向芨芨草斑块水分补偿比例。[结果](1)芨芨草斑块穿透雨占降雨量比例为70.58%,穿透雨主要受降雨量、降雨强度和降雨历时的影响,芨芨草斑块冠层对降雨再分配过程的影响和多数干旱区灌木相似;(2)芨芨草斑块平均径流系数为0.45%±0.33%,明显低于基质区(2.08%±1.46%),且随着降雨量增加而呈增大趋势;(3)芨芨草斑块水分补偿比例为1.13%±1.34%,且随着降雨量和降雨强度增加而增大,最高可达到4.94%。[结论]在生态系统尺度,芨芨草斑块会受到来自基质区的径流补偿,这是斑块植被一种适应干旱的水分调控策略。

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。

OpenFOAM在植被水流模拟中的应用

鉴于水生植被广泛存在于长江口河道滩地,其对滩地水动力特性和泥沙沉积等有重要影响,采用Open FOAM模型模拟了斑块植被对水动力特性的影响,对比分析了不同密度斑块植被对水流结构影响。结果表明,不同密度植被尾流结构差别明显,植被较密时,下游侧植株周围流速明显减小,尾流结构不明显。