草地系统认知理论与光谱融合量化策略

研究目的:面对全球气候变化、社会经济发展以及粮食结构转型,运用先进的遥感技术探索草地系统规范的认知理论和遥感解译框架。研究方法:通过文献分析发现标准光谱端元空间或是突破传统遥感技术壁垒实现草地系统认知规范的关键;基于光谱混合分解模型构建多光谱—高光谱两个尺度的标准光谱端元空间,并开展草原类型多级嵌套分类实验。研究结果:提出草地系统认知理论框架和基于标准光谱端元空间的光谱融合量化策略,并在中国—内蒙古—科尔沁左翼后旗三个尺度的草地类型多级嵌套遥感分类实验中取得较好的结果。研究结论:基于标准光谱端元空间的光谱融合量化策略有利于构建稳定、具有专业概念支撑的解译框架,配合多级嵌套的分类结构能够实现草地系统认知框架下光谱数据的规范,从而支撑不同等级的应用和管理需求。

2005-2020年中国干旱半干旱区典型草地和荒漠生态系统植被地上生物量数据集

植被生物量是全球碳循环的重要组成部分,是陆地生态系统与大气之间碳交换的重要环节,是定量研究全球气候变化与草地、荒漠生态系统之间的反馈调节作用等的基础。中国干旱半干旱区的草地、荒漠生态系统是重要的碳库类型,本文选取中国生态系统研究网络(Chinese Ecosystem Research Network,CERN)中位于中国干旱半干旱区的2个草地生态系统观测研究站(海北站、内蒙古站)和5个荒漠生态系统类型观测研究站(鄂尔多斯站、阜康站、临泽站、奈曼站、沙坡头站)的典型生态系统,对其按照CERN生态系统长期观测规范开展长期观测获取的植被地上生物量的2005–2020年间生长季的月动态实测数据进行了收集整理与质量控制,并开展了样方原始调查数据到样地尺度观测数据的统计计算,生成了植被地上生物量数据集,可为中国干旱半干旱区草地和荒漠生态系统对全球气候变化响应及植被保育与可持续发展等研究提供地面观测数据支撑。

中国北方草地生态系统服务评估

北方草地是我国天然草地主体部分,其生态功能对提升生态系统稳定性、保障国家生态安全具有重要的作用。在北方草地生态功能分区基础上,开展2011—2015年不同功能区内防风固沙、土壤保持、水源涵养等生态功能评估,探明其现状和空间格局,为北方草地生态功能分区研究提供评估数据,也为推进草地生态系统保护与修复工作提供科技支撑。结果表明:(1)北方草地防风固沙能力为32.44 t hm^(-2) a^(-1),防风固沙量为89.22亿t/a。半干旱草原区防风固沙能力和固沙量最大,分别为68.76 t hm^(-2) a^(-1)和29.16亿t/a,其固沙量占北方草地固沙总量的32.68%。(2)北方草地土壤保持能力为124.5 t hm^(-2) a^(-1),土壤保持量为243.59亿t/a。土壤保持功能的空间异质性较大,暖性灌草丛区土壤保持能力最大,为431.52 t hm^(-2) a^(-1);高寒草甸区土壤保持量最多,为105.36亿t/a,占北方草地土壤保持总量的43.19%。(3)北方草地水源涵养能力为93.03 m^(3) hm^(-2) a^(-1),水源涵养量为288.98亿m^(3)/a。高寒草甸区和高寒草原区水源涵养能力较大,分别为211.09 m^(3) hm^(-2) a^(-1)和118.04 m^(3) hm^(-2) a^(-1)。两个区域的水源涵养量也较多,分别为125.36亿m^(3)/a和72.13亿m^(3)/a,合占北方草地水源涵养总量的68.34%。整体上,北方半干旱草原区、暖性灌草丛区、高寒草甸区和高寒草原区对发挥我国草地防风固沙、土壤保持、水源涵养等生态多功能效益、提升生态系统服务和稳定性具有极其重要的作用。

青藏高原高寒草地生态系统碳平衡对放牧强度的响应

青藏高原拥有世界上最广阔的高寒草地,以及长达数千年的悠久放牧历史。独特的高寒环境条件使这里对外界干扰更加敏感。尽管已经进行了很多青藏高原高寒草地生态系统碳平衡的相关研究,但放牧,尤其是放牧强度如何影响高寒草地碳平衡仍待进一步研究与明确。论文以围栏禁牧、轻度放牧、中度放牧、重度放牧4种放牧强度为基础,综述了青藏高原高寒草地生态系统碳平衡对不同放牧强度的响应。放牧强度变化通过干扰植物-土壤界面从而对碳输入和输出过程产生间接作用,最终影响高寒草地生态系统碳平衡。由于受到放牧历史、气候条件、草地类型等其他条件的干扰,高寒草地生态系统碳平衡对放牧强度的响应是复杂多样的,因此需要对放牧管理采取更加灵活、具体、有针对性的措施,这对于制定合理的草地管理决策、稳定青藏高原高寒草地生态系统碳平衡具有重要意义。

祁连山草地生态系统优势物种生长季的生态化学计量特征

植物生态化学计量是许多过程模型的重要参数,为了解高海拔地区优势物种的生态化学计量特征及其与土壤养分的关系,本文测定祁连山高寒草地生态系统5种优势物种叶片和根系的生态化学计量,分析了其与根际土壤养分的关系。结果表明:随着生长季推移,优势物种叶片总有机碳(Total organic carbon, TOC)含量相对稳定,全氮(Total nitrogen, TN)含量下降,而C∶N和C∶P则增加;大部分物候期下,青藏大戟(Euphorbia altotibetica Paulsen)的TN和全磷(Total phosphorus, TP)含量高于其他优势物种,且C∶N和C∶P低于其他优势物种,而垂穗披碱草(Elymus nutans Griseb.)的TN含量低于其他优势物种,且N∶P和C∶P高于其他优势物种;祁连山地区植物生态化学计量受到土壤化学计量的影响,植物生长主要受到N元素的限制。研究结果为相关植被模型和陆面过程模型的参数化提供了重要的基础数据。

草地生态系统土壤与植被对极端干旱的响应研究进展

全球气候变化背景下,极端干旱已被证实会对生态系统的结构和功能产生重要影响,特别是土壤与植被特征,但极端干旱对生态系统的影响程度因生态系统类型不同而存在较大差异。草地生态系统是我国最大的陆地生态系统,承载着牧区经济和生态可持续发展的重任,对降水格局变化高度敏感,因此,研究草原土壤与植被特征对极端干旱的响应,对认知自然生态系统的演变规律,预防和降低未来极端气候事件对生态环境和经济发展造成的损失具有重要意义。对草地生态系统土壤湿度、温度、养分、矿化、微生物,以及植被群落特征、植被物候、功能性状对极端干旱响应方面的研究进展进行综述,以期为研究全球气候变化条件下草地生态系统应对极端干旱气候的选择与适应提供参考。

草地农业生态系统生产层理论对川西北高寒草地生产利用的启示

四川具有丰富的草地资源,主要分布在川西北高寒生态环境脆弱区。本文通过分析草地农业生态系统的四个生产层对川西北高寒草地生产利用的指导作用,兼顾川西北高寒草地生态系统的现实情况和农牧业生产经济的要求,分别阐述了川西北高寒草地的科学利用方式和草地农业生态系统四个生产层对应的高质量发展途径,从而有利于四川传统的畜牧业生产结构向现代集约化的畜牧业、新兴产业转型,以实现川西北高寒草地生产利用的可持续发展。

拉萨河流域湿地植物群落多样性对草地生态系统功能的影响

湿地植物群落多样性能够反映湿地生态系统的健康状况和生态功能。因此,研究湿地植物群落多样性对草地生态系统功能的影响,对于保护湿地植物资源、促进草地生态系统健康发展具有重要意义。本文通过对拉萨河流域湿地植物群落多样性进行剖析,分析不同植物群落结构对草地生态系统功能的影响,提出维护湿地植物群落多样性的措施,为保护拉萨河流域湿地植物资源、促进草地生态系统的健康发展提供科学依据。

草地生态系统服务经济价值评估研究

草地是我国面积第二大的陆地生态系统,生态系统服务功能突出,但蕴含的经济价值和相应实现机制有待深入研究。本文基于现有文献,系统评估了全球和中国的草地生态系统服务经济价值与时空变动规律,完成了部分主要生态价值的实证研究。结果表明,全球草地生态服务价值年均为2.19×10^(13)美元,相当于2020年全球国内生产总值(GDP)的16.4%;中国草地年均生态服务价值为6.22×10^(12)元(相当于2020年GDP的6.13%或农业GDP的80%),其中草地生态调节功能占比为84%,集中在西藏、内蒙、新疆、青海等省份;生态服务经济价值随着经济发展而不断提高。研究发现,草地生态系统在旅游文化、防沙固沙等方面的潜在经济价值相比已有文献结果更高,但实现相应价值面临诸多挑战。文章提出了提升和实现草地生态服务经济价值的发展战略、试点示范工程、保障措施等建议,以期为该领域发展及实践研究提供参考。

草地生态系统土壤碳矿化研究进展

草地生态系统在全球陆地碳循环中占有非常重要的地位。土壤碳矿化是连接全球碳循环和陆地生态系统功能的最重要的环节之一。近年来,学者们开展了大量有关草地生态系统土壤碳矿化的研究。本文从草地生态系统土壤碳矿化的影响因素、研究方法等方面进行综述,提出了未来草地生态系统土壤碳矿化的研究趋势。土壤碳矿化作用受土壤微生物和土壤有机碳质量的直接影响,同时受气候、植物、土壤、人类干扰等因素的间接影响;多数草地土壤有机碳矿化研究采用室内土壤需氧培养法进行测定,培养产生的土壤碳矿化CO_(2)的测定方法有碱液吸收法、气相色谱法、CO_(2)红外气体分析仪法,其中碱液吸收法是应用最早、使用最为普遍的一种方法。未来的研究中,土壤碳矿化可以作为评价退化草地恢复、放牧地管理、合理配置草地等措施实施效果的指标之一,并且需要加强土壤活性有机碳和惰性有机碳矿化过程的土壤微生物学调控机制的研究。

青海草地生态系统水分利用效率特征及其影响因素分析

水分利用效率(Water use efficiency, WUE)是深入理解生态系统碳水耦合的重要指标。本研究基于卫星遥感数据及青海草地系统分类数据,分析2000—2018年青海草地生态系统WUE变化特征,探讨净初级生产力(Net primary production, NPP)、蒸散(Evapotranspiration, ET)和气候因子对WUE年际和年内的变化影响。结果显示:2000—2018年,青海草地WUE均值为0.48 g·kg^(-1),其中,62.0%的区域WUE显著减小(P<0.05)。年际尺度上,WUE受ET、降水量、风速和地表温度的影响,其中与ET呈显著负相关关系(P<0.1,R^(2)=0.45)。月尺度上,WUE受ET,NPP、水热等气象条件影响,其中WUE与ET和NPP呈极显著正相关关系(P<0.01),其相关系数R^(2)分别为0.90和0.49;月WUE与气温、降水量、地表温度、水汽压、空气相对湿度极显著正相关(P<0.01),其相关系数R^(2)均大于0.55。本研究将为青海草地生态系统碳水耦合过程及其对气候变化的响应研究提供一定的数据支撑。

人工混播草地土壤丛枝菌根真菌对轮牧的响应

为探究轮牧对人工混播草地生态系统中植被群落及土壤丛枝菌根(arbuscular mycorrhiza,AM)真菌群落的影响机制,以宁夏盐池县人工混播草地为试验对象,采用单因素随机区组设计,设置T1(无芒雀麦+新麦草+紫羊茅+苜蓿+菊苣)、T2(垂穗披碱草+新麦草+早熟禾+苜蓿+鹰嘴紫云英)、T3(扁穗冰草+新麦草+蒙古冰草+苜蓿)3种混播组合模式,并通过Illumina高通量测序和生物信息学分析,开展轮牧影响下3种人工混播草地土壤AM真菌群落差异性研究,分析人工混播草地生态系统中植被-土壤-AM真菌群落的相互作用关系。结果表明:连续2年轮牧对植被群落生物量产生了显著影响,与轮牧第1年相比,豆科植被群落的相对重要值降低,但禾本科植被群落的相对重要值分别增加了51.16%、81.25%和33.33%。土壤AM真菌中球囊霉属和类球囊霉属为优势属;与轮牧第1年相比,连续轮牧2年后,T1处理的土壤AM真菌群落Chao 1指数较第1年显著降低了12.35%,T3处理的土壤AM真菌群落Chao 1指数、香农-维纳指数、均匀度指数和物种数较第1年分别提升了20.73%、12.80%、7.69%和31.16%(P<0.05),说明T3处理的土壤AM真菌群落对轮牧的响应更加敏感。随轮牧年限增加,T1与T2处理的土壤AM真菌群落组成相似性增加,T1与T3处理的土壤AM真菌群落组成相似性差异较大。连续轮牧2年后,土壤养分对AM真菌群落丰富度的作用强度减弱,但植被群落多样性和植被群落生物量对AM真菌群落丰富度及其组成的作用强度增强;驱动AM真菌群落变化的环境因子由土壤有效磷(p=0.006)和碱解氮(p=0.016)转变为植被群落生物量(p=0.036)。综上所述,不同类型人工混播草地植被群落和土壤AM真菌群落对轮牧表现出不同的响应特征,其中以T3混播组合处理的效果较好。

乌鲁木齐市城市周边荒漠草地演变分析及生态系统服务价值评估

城市周边的荒漠草地承担着减少地表径流、抗风蚀、固碳等生态功能,加之受自身脆弱性和城市化的影响,其价值更易发生改变,评价其生态系统服务价值,对科学利用、规划和保护该类资源具有重要意义。因此,本研究选取乌鲁木齐市城市外围10 km范围内1990-2020年的荒漠草地作为研究区域,用生物量修订生态系统服务单价,实现生态服务价值在Landsat影像像元(30 m×30 m)上的空间异质性表达,在掌握草地面积、生物量变化规律的基础上,定量评价周边荒漠草地生态系统服务价值。结果表明:(1)31年内,城市周边荒漠草地面积整体呈减少趋势,减少了193.49 km^(2),动态度为−3.27%,主要转向建设用地。(2)草地生物量整体呈现波动式上升,到2020年生物量为198.06 g∙m^(-2)。(3)草地生态系统服务价值总体呈现波动式增加趋势,且2015年最高,为29.35亿元,2020年生态系统服务总价值为20.01亿元;距城市周边1~10 km范围内,草地生态系统服务价值表现出距离城市越近,服务价值越低。因此,31年来城市周边荒漠草地面积变化幅度较大,呈减少趋势,而生物量虽受到城市扩张的作用,但整体呈增加趋势,生态系统服务价值受本身草地面积和生物量的影响较小,主要受社会经济的影响。

2010–2020年塔里木盆地南部荒漠草地凋落物回收量月动态数据集

中国科学院新疆策勒荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站(以下简称“策勒站”)地处塔里木盆地南缘,南依昆仑山,北临我国最大的塔克拉玛干沙漠。具有植被群落简单,土壤有机质积累缓慢等特点。凋落物是该区域重要的养分来源。基于对策勒站荒漠植物群落的长期定位观测,通过对不同植物凋落物器官(枝、叶、果)分组,本文整理统计得到2010–2020年塔里木盆地南部荒漠草地凋落物的回收量月动态数据,同时记载了观测场群落以及土壤养分的年度变化情况。数据的产生严格遵照CERN生物观测规范执行,数据的审核及质量控制由台站与分中心质控人员共同完成。本数据集以期为深入研究塔里木盆地南部荒漠草地凋落物动态变化提供基础数据,为了解和评估极端干旱荒漠生态系统养分循环过程提供理论支撑。

草地和荒漠生态系统生物土壤结皮对土壤养分及酶活性的影响

为探讨在草地和荒漠生态系统中生物土壤结皮(Biological soli crusts,BSCs)对土壤养分及酶活性的影响,本研究选取国内外30篇中英文文献当中11个指标进行Meta分析,通过亚组分析对草地与荒漠两种生态系统下不同类型BSCs对土壤养分及酶活性的影响,并通过土壤养分恢复指数(NRI)和随机森林分析对其影响程度做出统一评价。结果表明:在荒漠生态系统中BSCs对NRI的作用大于在草地生态系统中;地衣结皮>混合结皮>苔藓结皮>藻结皮。并且通过随机森林分析和对年平均降雨量(MAP)与年平均温度(MAT)的拟合回归分析发现磷酸酶、脲酶和蔗糖酶对NRI贡献显著高于其余所选指标,其中磷酸酶与MAP、蔗糖酶与MAT均呈极显著正相关关系,而脲酶与MAP,磷酸酶与MAT均呈显著负相关关系。在今后的研究中,可以考虑将不同生态系统与BSCs类型匹配,从而更有效的利用BSCs进行土地退化和荒漠化的治理。

未来不同气候情景下全球草地生态系统及净初级生产力时空动态分析

为揭示未来气候变化对草地生态系统的影响及其响应,本研究基于4种未来气候情景(包括SSP126,SSP245,SSP370和SSP585)数据,利用改进的综合顺序分类法和分段模型评估了2020—2100年全球草地生态系统及其净初级生产力(Net primary productivity,NPP)的时空格局及动态演变趋势。结果表明,在4个气候情景中,全球年均温和年降水量均将呈现整体上升的趋势。在SSP126和SSP245情景中,全球草地面积将下降,预计到2090 s将分别下降194.10和178.43万km^(2),主要原因在于冻原与高山草地面积的减少。相比之下,在SSP370和SSP585情景中,全球草地面积将呈现上升的趋势,预计到2090 s将分别上升67.59和136.72万km^(2),热带萨王纳面积增加最多。全球草地NPP在SSP126,SSP245,SSP370和SSP585情景中均将呈现上升趋势,预计到2090将分别上升0.25,1.96,5.78和7.52 Pg DW,其中,热带萨王纳NPP的贡献最大。在全球暖湿化背景下,冻原与高山草地和热带萨王纳更易受气候变化的影响。

多情景模拟下内蒙古草地生态系统服务价值时空演变

探索多情景下草地利用变化引起的生态系统服务价值时空演变机制,对于提升草地生态系统服务价值和维护区域生态安全具有重要意义。本研究基于草地综合顺序分类法(CSCS)及生态系统服务价值(ESV)估算方法,测算和分析了2010-2020年内蒙古不同类型草地利用及草地生态系统服务价值变化;利用PLUS模型分别模拟延续发展、草地保护和均衡发展情景下的各类型草地利用情况,并估算其草地生态系统服务价值;通过热点分析法及空间网格工具对比分析3种情景下的草地生态系统服务价值聚集情况。研究结果表明:1)2010-2020年内蒙古草地生态系统服务价值呈增长趋势,共增加101.36亿元,主要贡献来自丘陵荒漠草原草地和丘陵草甸草地;2)相较于2020年,延续发展、草地保护和均衡发展模拟情景下的草地生态系统服务价值均有不同程度的增加,且以草地保护情景下的西部草地生态系统服务价值增加最为显著。3)3种模拟情景下草地生态系统服务价值的热点和冷点均具有分布范围广且聚集的特点,热点区域出现以小区域带动周围呈分散化聚集。研究结果可为研究区草地生态系统平衡恢复和生态安全保障提供科学依据。

增温与凋落物去除对人工草地土壤呼吸的影响

人工草地是重要的碳汇,但其土壤呼吸及其温度敏感性(Q10)对气候变化和干扰的响应尚不清楚。本研究在大陆性季风气候区的紫苜蓿(Medicago sativa)和无芒雀麦(Bromus inermis)2种人工草地开展了增温和凋落物处理试验,测量了土壤呼吸速率和Q10,并分析了不同草地对这些影响的响应差异。结果表明:增温使年均土壤温度显著增加约2℃(P<0.05);同时,使年均土壤湿度和电导率显著降低(P<0.05)。增温使年平均土壤呼吸速率降低8.81%;凋落物去除使年平均土壤呼吸速率降低9.33%。增温和凋落物去除均使Q10降低。不同草地对增温和凋落物处理有不同的响应,其中紫苜蓿草地对增温的响应大于无芒雀麦草地,而无芒雀麦草地对凋落物处理的响应大于紫苜蓿草地。本研究表明,试验区无芒雀麦群落相较于紫苜蓿群落更能抵抗气候变化和干扰的影响,有利于减少碳排放,是更好的建植人工草地的物种。

草地植物生殖分配研究进展

植物生殖分配调控着植物营养生长与生殖生长的平衡,从而影响种群的更新速度,最终改变群落结构及演替方向。因此,研究植物生殖分配对草地生态系统稳定和可持续发展至关重要。本文通过文献综述方法,系统地梳理了草地生态系统植物生殖分配的相关研究理论及影响因素,学者们先后基于最优控制理论、生活史理论和生物量分配理论提出光合补偿机制、养分循环假说、时间限制假说、r/k策略、资源可用性假说等,以解释自然环境因素、植物自身因素和人为干扰因素等调控植物生殖分配的机制。然而,草地植物对诸多因素(植株形态性状、自然灾害、放牧、刈割、外源养分添加等)的生殖分配响应仍存在争议,且复杂因素(气候变化、生境条件、植物间竞争等)及多因素协作的过程和驱动机制不清晰。基于此,建议从多维度解析草地植物生殖分配策略及驱动机制,以期为促进草地生态系统更新及正向演替、提高草地资源利用率的研究提供理论依据。

2000—2015年盐池县禁牧草地生态系统服务空间格局

以宁夏盐池县为研究区,基于InVEST模型对禁牧前后(2000、2004、2007、2010和2015年)草地生态系统碳储存、水源涵养、土壤保持3项服务进行估算,利用空间统计方法对不同年份各项服务的冷热点、空间分异、综合热点区进行识别。结果显示:草地碳储存、水源涵养和土壤保持量在禁牧前后都有显著提升,呈“N”型波动上升态势,且南部增幅大于北部;草地碳储量变化幅度较小,而水源涵养和土壤保持量变化幅度较大;生态系统服务在水平较高或增幅较大的年份冷热点显著区分布范围较大,且界线明确,在较低或下降的年份,冷热点分布不显著范围增大,且界线模糊;草地的各项生态系统服务空间分异特征以高-低类型和高-高类型为主,各项服务高值区重叠比例非常低,且呈现出明显的区域分布差异。分析盐池县草地生态系统服务空间格局,为摸清草地生态系统服务时空发展变化提供数据和方法,可促进草地生态系统保护与建设。