作物水分生产函数研究进展

作物水分生产函数(cropwaterproductionfunctions,CWPF)一般指作物产量(cropyield,Y)与蒸散发(evapotranspiration, ET)之间的函数关系,是作物模型中联系水分和生产力的关键。本文系统地梳理了近半个世纪以来CWPF的相关研究,发现CWPF受多种因素影响,不同地区获得的田间试验结果往往差异较大;常用的CWPF模型多是基于统计信息,缺少坚实的物理基础和可靠的理论支撑,在跨地区、跨物种应用时存在一定缺点。同时基于碳同化过程的机制模型和更为复杂的作物模型也因为参数过多而不易在实际中应用。在以往研究的基础上,从公开发表的41篇文献中筛选出592组田间试验数据,发现小麦产量与ET基本呈线性关系,但数据分布相对离散,而玉米、棉花、水稻因数据量较少其产量与ET关系不明显。利用生长季降水量和累计蒸发皿蒸发数据对不同地区获得的小麦水分生产函数进行了修正,发现改进后的小麦水分生产函数表现出较好的跨地区应用潜力(r2从0.36提高到0.75),并提出了进一步的CWPF修正思路。指出通过改进函数关系虽然能提高统计模型的可移植性,但发展机制模型仍是未来CWPF研究的根本出路。

稳定同位素在干旱区水分传输过程的研究进展

景观内部地下水-土壤-植物-大气界面的水分传输和不同景观界面间的水力联系是干旱区生态水文学研究的理论基础,对提高认识不同景观格局水文连通性具有重要意义。鉴于干旱区水分循环的复杂性,稳定同位素(δ2H、δ18O)在干旱区生态系统水分传输研究中广泛应用。综述了稳定同位素在干旱区植物/土壤-大气界面水分转换、植物根系-土壤界面水力联系与根系吸水过程和土壤水-地下水相互作用方面的研究。提出未来研究发展方向:加强对干旱区非稳态条件蒸散发同位素量化;优化不同生境植物根系吸水的同位素模型;基于区域地下水-土壤-植被长时间序列同位素观测,阐明干旱区不同景观界面间的水力连通性机制。

黑河下游额济纳绿洲近二十年生态输水的生态水文恢复效应

为了解黑河流域输水工程的生态水文效应,以额济纳绿洲为例,利用长期监测数据和遥感数据,采用空间分析、趋势分析、回归分析和结构方程模型等方法,识别了生态输水工程实施以来(2000—2020年)额济纳绿洲地下水埋深、地表水体及NDVI时空变化,分析了绿洲水文-生态指标对生态输水量的响应,明晰了绿洲植被恢复驱动因素的结构与强度。结果表明:2000—2020年,狼心山径流量呈显著增加趋势,年均增加2.7×10^(7)m^(3),额济纳绿洲平均地下水埋深上升了0.41 m,地表水体面积增加了130.62 km^(2);NDVI显著增加,增加区域占42.34%,主要集中在西河中游和东河下游;西河地区NDVI对径流量的响应较东河地区更敏感;当狼心山年径流量>6×10~8 m^(3)、平均地下水埋深<2.8 m时,绿洲植被面积及NDVI维持在较高水平;径流量、地下水埋深及耕地面积等因素对绿洲植被有着不同程度的直接和间接影响;黑河下游径流量保证与地下水稳定是额济纳绿洲恢复与可持续发展的关键。

2000—2020年祁连山植被净初级生产力时空变化及其驱动因素

植被净初级生产力(NPP)是评价植被生长的重要参数,也是评估陆地生态系统质量与功能的重要指标。基于MODIS NPP、数字高程模型(DEM)、气象水文及人类活动数据,采用空间分析、趋势分析,分别从像元尺度和县域尺度识别了2000—2020年以来祁连山NPP时空变化特征,采用偏相关分析研究了NPP对年均温和年降水的响应,并借助地理探测器模型揭示了NPP变化的驱动因素,最后采用Hurst指数预测了NPP未来变化趋势。结果表明:2000—2020年祁连山平均NPP呈波动增加趋势,年均增加2.38 g C/m^(2),其中栽培植被和阔叶林增长最为明显。近20年,像元尺度上有75.37%的区域NPP增加,主要位于东南部;县域尺度上,古浪、平安、化隆和永登县NPP增速较快,而祁连、海西、德令哈和门源县增速较慢。祁连山NPP空间分布具有明显的集聚性,高值集聚区主要位于东南部,而低值集聚区主要位于西北部。年均温和降水量的增加均促进了NPP的增加,但不同区域NPP对气温和降水的响应有明显差异。降水量、饱和水气压差和蒸散发是NPP变化的主要驱动因子,驱动因子之间对植被NPP变化存在交互作用,分为双因子增强和非线性增强效应。未来祁连山NPP变化以增加非持续性为主,说明植被变化面临较大不确定性。研究结果有助于揭示全球气候变化背景下区域植被NPP对气候变化及人类活动的非线性响应机制,亦可为祁连山生态保护与可持续发展提供理论依据。

基于无人机和MODIS数据的巴丹吉林沙漠植被分布特征与动态变化研究

荒漠植被在减缓沙漠扩张、阻挡风沙入侵绿洲、维护绿洲稳定性方面具有重要意义。通过无人机搭载多光谱相机获取地面样地高分辨率NDVI数据以计算植被覆盖度,结合MODIS-NDVI数据,分析了MODIS-NDVI与无人机获取NDVI数据之间的一致性,进而建立MODIS-NDVI数据与样方植被覆盖度的空间反演模型,以研究巴丹吉林沙漠植被分布特征、动态变化及其对气温、降水的响应规律。结果表明:(1)基于无人机多光谱数据大样方植被覆盖度和MODIS-NDVI数据构建的植被覆盖度反演模型具有较高的模拟精度。(2)研究区总体植被覆盖度较低,空间上呈由东南向西北递减的趋势。(3)植被覆盖度总体呈现上升趋势,沙漠边缘的增速较沙漠内部更为明显,其中沙漠边缘增长率达1.53%/10a,而沙漠内部为0.84%/10a。沙漠边缘57.12%植被出现改善,而沙漠内部植被改善的面积约为21.26%。(4)植被生长主要受制于生长季降水量并呈现出明显的季节变化,此外植被对降水和气温的响应存在一定的滞后效应。

河西走廊酒泉绿洲农田防护林格局与结构

绿洲农田防护林可以有效保护绿洲免遭风沙危害,但规格过高的防护林体系不仅消耗水资源,而且有胁地和减产等负面作用,因此在景观尺度上研究农田防护林空间格局、带斑比及其结构是建立节水型绿洲的基础。酒泉绿洲位于讨赖河流域中游、河西走廊西段,是典型的干旱区绿洲。本文选择酒泉绿洲为研究对象,围绕基于遥感数据提取绿洲防护体系的数据源选择与提取方法、绿洲农田防护林体系格局及其尺度依赖性、农田防护林结构等科学问题,探讨了利用遥感数据提取农田防护林属性的方法、分析讨赖河中游农田防护林的空间格局和结构。研究表明:(1)使用哨兵-2A遥感影像,利用防护林与农作物生长的物候差异,选择合适时间的遥感数据,可以有效提取农田防护林信息,能够真实全面地反映绿洲农田防护林网的带斑比及其分布状况,计算结果与实地调查相符;(2)讨赖河中游酒泉绿洲农田防护林以新疆杨为主,农田中超过80%的林网带斑比为2.50%~7.50%,具有明显的随尺度变化特征,表现为0.1~10 km内尺度效应明显,10~20 km内随幅度增加尺度效应减弱,当幅度大于20 km时尺度效应逐渐消失;(3)农田防护林平均树高17.5 m,平均胸径25.7 cm,整体以通风结构为主,林网完整度指数普遍小于0.40,缺网断带现象明显,林网完整度较低。

两种荒漠生境条件下泡泡刺水分来源及其对降水的响应

泡泡刺通常以灌丛沙堆的形式存在,具有很强的生态适应性,在防风固沙、抗旱耐盐等方面具有独特的功能,但是水分条件仍然是限制其生存和发展的关键因素.为了明确泡泡刺在不同荒漠生境条件下的水分利用策略,研究了河西走廊临泽绿洲边缘沙质和砾质生境下泡泡刺的水分来源季节动态特征以及对不同降雨事件的响应程度.测定了两种生境下泡泡刺茎水和不同水源(降水、土壤水和地下水)的氧稳定同位素(δ^(18)O)值,结合Iso Source模型计算了不同水源对泡泡刺水分来源的贡献比例.结果表明:两种生境下泡泡刺茎水δ^(18)O值及其水分来源都存在显著的季节变化特征,沙质生境下泡泡刺在降水较少的春季和秋季主要利用地下水,其贡献率可达50%以上;而砾质生境下的泡泡刺无法利用深达11.5 m地下水,其水分来源受降水控制,具有较大的季节变异性.两种生境下的泡泡刺对降水响应显著,但是降水过后,随着土壤含水量的快速减小,沙质生境下的泡泡刺转而以丰富的地下水为主要水分来源,而砾质生境下的泡泡刺只能利用降水入渗至较深层土壤的较少水分.因此,两种生境下泡泡刺不同的水分利用策略是导致其生长特征差异的主要原因,同时也表明泡泡刺具有较强的自我调节和适应能力.

河西走廊典型荒漠区土壤水分对降水脉动响应的稳定同位素分析

基于稳定同位素技术研究了河西走廊中部典型荒漠区土壤水分对降水脉动的响应。结果表明:降水分布及其δ18 O值都存在显著的季节变化特征,降水事件多发生在夏季,且有较高的δ18 O值,而冬季降水稀少,且δ18 O值偏低。降水以脉动方式输入土壤中,不同量级的降水事件会导致土壤含水量和δ18 O值不同程度的响应。降水入渗后不同深度的土壤含水量和δ18 O值的响应程度和响应时间不同,土壤深度越大,响应程度越小且响应时间越滞后。对比降水δ18 O值和降水后不同深度的土壤水δ18 O值的变化发现,表层土壤能够迅速的对降水做出响应,下层土壤的响应具有滞后性。即这种自上而下的活塞式下渗是该区主要的降水入渗方式。荒漠区土壤水分受降水的调节和控制,但是深层土壤水受小降水事件的影响较小,大降水事件虽然发生频率较小,但是能够对深层土壤水形成有效的补给,对整个荒漠生态系统的可持续发展都具有十分重要的意义。

荒漠区包气带土壤物理特征及其对地下水毛管上升影响的模拟

以巴丹吉林沙漠边缘荒漠区域为研究对象,选取两种典型的沙丘土壤剖面(沙壤土和砂土混合,均一砂土)进行土壤物理特征分析,并在此基础上模拟了不同土壤因素对毛管水上升过程的影响,探讨毛管水上升变化与土壤物理性质的关系,试图揭示地下水-毛管水-土壤水之间的相互作用过程.结果表明:研究区地下水毛管上升主要受土壤容重和土壤黏粒含量的影响,并且毛管水上升高度在地下潜水层以上为沙壤土的剖面中能够达到152 cm;地下潜水层以上为砂土的剖面中为120 cm.砂土中毛管水补给区域各土层水分分布更为均匀,并且从潜水面至地面方向土壤含水量呈递减趋势,沙壤土中毛管水补给区域土壤水分变异较大.借助Hydrus-3D模型能够较好模拟多因子影响下的土壤毛管水运动过程.潜水面以上土壤结构变化显著影响毛管水上升和剖面水分分布状况,但毛管水上升是否受季节性蒸发变化的影响以及毛管水与植物需水的关系有待进一步探究.

基于V__Hegyi竞争指数的绿洲边缘人工固沙植被梭梭(Haloxylon ammodendron)的种群竞争

种群动态与种内竞争是植物生态学经典研究核心,特别是对于植被组成相对简单的荒漠,对种内竞争机制的研究有助于深入理解荒漠植被的稳定机制与自组织过程。以河西走廊绿洲边缘最主要的人工固沙植物梭梭(Haloxylon ammodendron)为对象,采用空间代替时间的方法,研究梭梭种群的演变过程及种群竞争强度随建植年龄的变化。选择5个(5~10、10~20、20~30、30~40、>40a)生长阶段的受人为干扰较小的梭梭种群样地,分别设置5个50m×60m样方。选用V__Hegyi竞争指数分析梭梭种群的种内竞争在时间维度上的变化规律。结果表明:研究区梭梭人工林从定植到生长20a左右,梭梭林密度减小了60%左右,生长30~40a左右的梭梭样地出现大量的更新幼苗,导致密度增加,由于梭梭幼苗和部分成年树的死亡,密度再次下降;梭梭基径越大,竞争指数越小,不同径级梭梭竞争指数大小依次为幼苗、幼年树和成年树;梭梭种群竞争强度由大到小依次为30~40、5~10、>40、20~30、10~20a。

荒漠绿洲湿地土壤水热盐动态过程及其影响机制

以甘肃临泽荒漠绿洲湿地为研究对象,通过对土壤温度、含水量、电导率及蒸散量的野外观测,在植物生长期和冻融期分别深入分析水热盐耦合运移过程及其影响因素,探讨水热梯度对盐分运移及其分布格局的控制作用。结果表明:土壤温度整体呈现出春夏季逐渐升高、秋冬季降低趋势。在冻结期,土壤表现为脱盐状态,表层电导率由2.8 mS·cm^(-1)降到1.2 mS·cm^(-1);而在消融期为积盐状态,表层电导率由1.2 mS·cm^(-1)升到3.7 mS·cm^(-1)。在生长期,土壤含水量和电导率波动较为剧烈,表层含水量27%～43%,表层电导率3～5.5 mS·cm^(-1),土壤脱盐、积盐反复出现。全年蒸散量总体呈单峰变化趋势,年蒸散量507 mm;土壤电导率与蒸散量呈正比关系,与地下水位呈负相关关系;蒸散发作用是土壤表层积盐的主要驱动力,而地下水波动影响着湿地脱盐、洗盐过程。因此,荒漠绿洲湿地土壤盐分累积过程是水分运移和热量传输过程发生变化的结果。

黑河下游尾闾区植物群落物种多样性与稳定性格局

黑河下游尾闾区作为西北干旱区典型的脆弱生态系统,其植物群落物种多样性与稳定性对维持该地区生态安全和可持续发展具有重要意义。以黑河下游尾闾区荒漠植被为研究对象,采用K-Means聚类,基于距河道距离及其对应的土壤含水量数据,将黑河下游尾闾区垂直于河道0-4 km区域可分为距河0-0.3 km(T_(0-0.3))、0.3-1.7km(T_(0.3-1.7))和1.7-4.0 km(T_(1.7-4.0))3个距离梯度,研究不同距离梯度下植物群落物种组成、多样性和稳定性特征,并进一步探讨了黑河下游尾闾区主要植物最适宜土壤水分需求。结果表明:(1)近河0-0.3 km区域以耐湿耐盐碱的草本为主,优势种为芦苇(Phragmites communis)、盐爪爪(Kalidium foliatum)、苦豆子(Sophora alopecuroides)和冰草(Agropyron cristatum);距河道0.3-1.7 km区域出现的植物种类数目最多,以乔木为主,兼有灌木和草本,优势种为柽柳和胡杨;距河道1.7-4.0 km区域出现的植物种类数目最少,以极耐旱的灌木和亚灌木等荒漠植被为主,优势种为红砂(Reaumuria songarica)和梭梭(Haloxylon ammodendron)。(2)3个距离梯度下Simpson指数、Pielou指数、Shannon-Wiener指数和丰富度指数R均表现为距河0.3-1.7 km>0-0.3 km>1.7-4.0 km,而植物群落稳定性与物种多样性间呈现出相反的变化趋势,即群落稳定性表现为距河1.7-4.0 km>0-0.3 km>0.3-1.7 km。(3)当黑河下游尾闾区距河0-0.3、0.3-1.7 km和1.7-4.0 km区域植被最适宜土壤含水量分别为27%-31%、15%-22%和4%-7%,有利于维持该区域植物群落物种多样性与稳定性。