基于生态系统服务和PSO-SOFM神经网络的中亚水土热资源匹配分区

水土热资源匹配度分区研究对于区域农业规划具有重要意义。中亚地区长期以来缺乏合理的水土热资源管理,已引发了一系列资源环境问题,严重威胁该地区农业生产。目前的研究也较少关注中亚水土热资源匹配分区模式。本研究利用遥感数据,通过量化4种主要生态系统服务(植被固碳、土壤保持、水源供给与涵养及生物多样性保护)的时空分布特征,结合PSO-SOFM(particle swarm optimization,PSO;self-organizing feature map,SOFM)神经网络模型实现中亚水土热资源匹配度分区,并利用Spearman秩相关分析探索不同匹配度分区与生态环境因子的关系,应用偏相关分析确定气温和降水量对中亚地区生态系统服务的影响。结果表明,中亚生态系统服务总体呈东南高、西北低的空间格局,沿山地—绿洲—荒漠方向递减。在2000—2015年间,各类生态系统服务均有不同程度变化,其中植被固碳和土壤保持呈显著下降的面积占整个中亚的84.81%和84.82%;水源供给与涵养以及生物多样性保护服务呈显著下降的面积较少,占比分别为69.48%和19.8%,且这两种生态系统服务在个别地区有增加趋势。PSO-SOFM神经网络模型在中亚水土热资源匹配度分区中表现良好,根据生态系统服务值空间模式,中亚水土热资源匹配度可被划为5大类21个子类分区。在空间尺度,各类匹配度分区之间生态系统服务值有显著差异,降水是影响生态系统服务和匹配度高低的重要限制因子,而气温和土壤因素影响较弱;在时间尺度,降水和各生态系统服务值间呈显著正相关关系的范围更广,而气温对生态系统服务值有显著影响的区域主要集中在哈萨克斯坦北部草地—半荒漠生态敏感区、中亚荒漠生态脆弱区、中亚中部半荒漠生态敏感区以及巴特赫兹—卡拉比尔半荒漠生态敏感区等地。而在其他区域,气温和降水量并非决定生态系统服务值高低的主要因素,生态系统服务值的变化可能与土地开发利用模式有关。结合不同匹配度分区的生态地理条件,本研究可为中亚地区水土资源开发利用、农牧业发展以及生态环境保护提供有用信息。

盐生荒漠净生态系统碳交换的涡度相关法和箱式法对比

将叶面积指数的季节动态,与箱式法同步观测得到的同化枝净光合(呼吸)速率和土壤呼吸速率相结合,对群落碳交换进行估算,并以此验证盐生荒漠涡度相关数据的可靠性。结果表明:盐生荒漠生态系统年叶片生物量为51.30±5.56 g·m^(-2),其中90.45%以上来源于多枝柽柳的贡献;而整个生长季,群落叶面积指数(LAI)呈单峰形式变化,从5月30日—9月30日,LAI介于0.18~0.30,并在第197天达到最大值。涡度相关法和箱式法对群落碳交换的测定结果表明,群落碳交换存在显著的季节变化,并于7月中旬达到碳同化峰值,与LAI有显著的相关性(P<0.001)。对比发现,两种测量方法对群落碳交换日过程的测定结果有很好的一致性,但对夜间生态系统呼吸的测定,涡度相关法较箱式法存在略微的低估,引起这种低估的原因可能是夜间湍流较弱。

施用脱硫石膏对荒漠碱土剖面土壤有机碳分布的影响

石膏类钙源物对于盐碱土改良具有显著作用。为了探究施加钙源物对荒漠碱土土壤有机碳(SOC)的影响,设置以钙源物脱硫石膏施用量0、10、20、30、40 t/hm^(2)共5个处理水平,对荒漠碱土0~20 cm土层进行改良,分析改良后SOC在0~100 cm剖面上的分布、改良土层SOC的变化趋势以及影响因素。结果表明:脱硫石膏施用量为30 t/hm^(2)时,改良土层改碱效果最好,pH下降为8.24(初始值为9.97),电导率(EC)为0.98 mS/cm。脱硫石膏土壤改良对SOC的影响深度为0~40 cm,下层SOC含量无明显变化(P>0.05)。随着改良时间的增加,在15 d后SOC含量无显著变化。随着施加量的增加,当施用量为40 t/hm^(2)时,改良土层SOC含量和土壤有机碳密度(SOCD)均减少(P<0.05)。降水量和相对湿度对改良土层SOC含量减少有促进作用,作用大小:降水量>相对湿度;太阳总辐射和温度对改良土层SOC含量减少则有抑制作用,作用大小:太阳总辐射>温度。改良土层在获得最佳的碱性改良效果的同时,并不会造成SOC含量的下降。

新疆生产建设兵团2001—2015年生态足迹及其驱动力因子分析

基于生态足迹模型对新疆生产建设兵团2001—2015年生态足迹进行计算,并运用偏最小二乘回归以及Pearson相关分析两种方法分析生态足迹的经济社会驱动力因子。结果显示:2001—2015年,兵团人均生态足迹从2.765 hm^2·cap^(-1)增加到14.329 hm^2·cap^(-1),人均生态承载力保持较低稳定状态,人均生态赤字从0.355 hm^2·cap^(-1)增加到11.670 hm^2·cap^(-1)。表明兵团经济快速增长过程中,生态压力持续增加,可持续发展面临挑战。人均GDP、第二产业增加值、城镇居民人均可支配收入、社会消费品零售总额、城镇化水平、第一产业增加值对兵团人均生态足迹变化有显著正向驱动作用,而万元GDP生态足迹、第三产业增加值比重则表现出对人均生态足迹相对较弱的逆向驱动作用。调整产业结构以及保证生态用水是降低生态足迹,提高生态承载力,实现兵团可持续发展的有效途径。

天山不同海拔雪岭云杉生长季水分来源

森林生态系统在全球陆地水循环过程中扮演重要的角色,在保护水资源方面有关键作用。雪岭云杉(Picea schrenkiana)是我国天山森林生态系统的建群种,雪岭云杉的水分来源研究有助于理解植物对干旱区山地环境的适应。采用氧稳定同位素和IsoSource混合模型估算2200 m、1800 m和1450 m 3个海拔雪岭云杉生长季(4—9月)的水分来源并分析其动态变化。结果表明:(1)3个海拔土壤水的^(18)O在4月贫化,5—9月富集,1450 m海拔茎秆水δ^(18)O值在月份之间变化幅度最大,6—9月3个海拔雪岭云杉茎秆水^(18)O逐渐富集;(2)整个生长季0~0.2 m土壤水为3个海拔雪岭云杉贡献一半以上的水源,表层土壤水平均贡献率从高海拔到低海拔依次为61.37%、51.35%和58.42%,在5—6月雪岭云杉倾向平均利用各层土壤水,雪岭云杉生长季的水分吸收层没有明显地转移。雪岭云杉主要吸收0~0.2 m土壤水,在发生降雨时可以快速吸收水分,改善水文状况,减小极端降雨的危害,因此,加强雪岭云杉林的保护与抚育管理,可以有效提高了森林水源涵养能力,充分发挥其生态效益。

开垦年限对干旱区土壤理化性质及剖面无机碳的影响

为阐明开垦年限对土壤理化性质及无机碳的影响,进一步了解干旱区土地开垦进程中的土壤质量变化规律和碳吸收与存储过程,以开垦年限分明的典型区—新疆三工河流域阜北农场为研究区,调查、分析了不同开垦年限(已开垦0,1,3,5,15,30,50a)剖面土壤的pH值、盐分、无机碳含量与储量的分布特征、变化规律及开垦年限对它们的影响。结果表明:(1)已开垦土地的土壤pH值随土层深度的增加而升高;随开垦年限的延长,0—60cm(耕作层)的土壤pH值显著降低(P<0.05),60—140,140—200cm土壤pH值则升高。不同开垦年限的土壤盐分在剖面上呈"S"型分布,研究区土壤盐分为表聚型;随着开垦年限的延长,土壤盐分聚集层逐渐下移,各剖面平均含盐量减少。开垦历史的延长,有助于排盐排碱。(2)不同开垦年限的土壤无机碳含量与储量:0—60cm显著低于60—140cm,60—140cm显著低于140—200cm(P<0.05)。随着土层深度的增加,土壤无机碳储量占全碳的比例增大。随着开垦年限的延长,0—60cm耕作层土壤无机碳含量、储量呈"减少—增加—减少"的变化趋势,无机碳储量占全碳的比例减少。与原始荒地相比,开垦50a时,0—60cm耕作层的土壤无机碳储量减少了55%;0—200cm土壤无机碳储量增加了11.74kg/m^2,无机碳储量所占全碳的比例降低了1.28%。(3)开垦年限的延长对土壤pH、盐分及无机碳的显著影响深度不同,分别集中于0—60cm耕作层,0—140cm及整个研究深度范围内。

非生物过程对盐碱土土壤CO_2通量的影响

从原位土壤CO2通量的观测数据出发,分析了盐生荒漠土壤CO2通量的日、季节变化特征,并针对夜晚负通量的发生,结合灭菌控制实验,定量拆分土壤CO2通量中生物与非生物组分的贡献。结果表明:多枝柽柳冠下土壤CO2通量在整个生长季均显著的高于灌间空地通量(P<0.05),而受双峰日过程影响,冠下和灌间空地土壤CO2通量的季节变化均不明显。但灌间空地土壤CO2通量在夜间表现为负值(CO2由大气进入土壤),原因就在于土壤非生物过程的存在。当土壤含水量为10%时,非生物通量对总通量的贡献介于18.6%～49.2%之间,并随着土壤pH的增加呈线性上升的趋势;相比之下,在风干土中,非生物通量与总通量没有显著的差异,说明土壤越干,非生物过程的影响越大。因此,土壤pH和水分含量是土壤非生物通量的重要影响因子,而非生物过程对土壤CO2通量的影响不容忽视。

灌溉淋溶对土壤有机碳和无机碳及理化性质的影响

为探讨土地灌溉对土壤碳及理化性质的影响,通过土柱法定位模拟研究灌溉灰漠土和原生灰漠土分别种植春小麦和水稻下土壤有机碳和无机碳及理化性质的分层变化特征。结果表明：一个生长季后土体随深度的增加,灌溉灰漠土有机碳的含量表现为先减少后增加,变化范围为-1.80∽1.56g/kg,而原生灰漠土有机碳变化表现为：减少-增加-减少,变化范围为-0.39∽0.40g/kg;灌溉灰漠土和原生灰漠土土体无机碳的含量表现为整体减少部分土层增加,各土层变化范围分别为-1.10∽0.45g/kg,-1.3∽1.02g/kg;灌溉灰漠土pH值变化范围为-0.70∽0.49,呈“M”型,原生灰漠土pH变化规律不明显;电导率值均降低,原生灰漠土变化强烈,而灌溉灰漠土相对稳定。

不同淋洗模式下干旱区盐渍土改良效果分析

通过开展室外土柱模拟淋洗试验,选择间歇淋洗与连续淋洗两种淋洗模式,分析不同灌水总量和不同灌水频次相互组合条件下盐渍土的改良效果。结果表明:(1)灌水量相同情况下,间歇淋洗滤出液的电导率高于连续淋洗,间歇淋洗的淋洗效果好于连续淋洗;(2)灌水量不同条件下,滤出液体积随灌水量的增加而增多,灌水量越大盐分淋洗效果越好;(3)淋洗结束后,土壤pH值较淋洗前均有下降,与土壤盐分有相同的变化趋势;灌水量越大,脱碱效果越好。在本试验条件下,盐分淋洗效果以15L分3次给水的间歇淋洗方式最优,淋洗效率为11.58g/L,土壤pH值均由8.42下降到8.07。可供制定维持农田水盐平衡的节水灌溉制度以及盐碱地改良参考。

盐生荒漠土壤CO_2通量及其环境影响因素

以古尔班通古特沙漠南缘原始盐生荒漠为对象,利用LI-8150多通道土壤CO_2通量系统对原始盐生荒漠多枝柽柳群落地表CO_2通量进行连续观测,探讨土壤CO_2通量的日、季变化及其环境影响因素。结果表明:1)在整个生长季内,盐生荒漠土壤CO_2通量呈现2种不同的日变化过程,一种为单峰型,另一种为双峰型,推断引起土壤CO_2通量日过程差异的主要原因是高温抑制了微生物的活性;2)土壤CO_2通量的季节变化不明显,尤其是当日过程为双峰型时,土壤CO_2通量基本在一个较稳定的区间(0.13~0.3 g C·m^(-2)·d^(-1))波动,伴随降雨事件的发生,土壤CO_2通量呈"脉冲式"增加;3)在整个降雨周期,土壤呼吸的日过程也呈现出双峰-单峰-双峰的变化过程。本研究表明,水分是盐生荒漠土壤CO_2通量的主要限制因子。

施加脱硫石膏对盐碱土改良和固碳的影响

【目的】探究脱硫石膏施用对盐碱土改良效果和固碳作用。【方法】以新疆塔里木河流域下游荒漠盐碱土为研究对象,分析脱硫石膏不同施用量(0、10、20、30、40、50 t/hm^(2))对土层厚度为0~40 cm的土壤理化性质及土壤固碳的影响。【结果】与对照组相比,施用脱硫石膏显著降低0~20 cm土层土壤pH,增加土壤盐分含量;施用脱硫石膏量为40 t/hm^(2)的土壤有机碳储量达到最高,比对照组增加0.029 kg/m^(2);与对照组相比,脱硫石膏施用量分别为10、40 t/hm^(2)时,处理土壤的无机碳储量分别增加0.21、0.18 kg/m^(2);从改良时间来看,施用脱硫石膏改良土壤固碳效应的持续时间为0~7 d,其中施用量为40 t/hm^(2)时的效果最好;土壤碳储量受土壤pH、土壤盐分、降水量和蒸散发的影响较大。【结论】从盐碱土的改良效果及固碳作用来看,脱硫石膏施用量为40 t/hm^(2)时能显著降低土壤pH,且过程中具有显著的固碳作用。

气候变化和人类活动对干旱区垂直自然带NPP的影响

厘清气候变化和人类活动对净初级生产力(NPP)的影响,对区域环境管理和可持续发展具有重要意义。本研究以阜康市为对象,基于NPP、土地利用和气象数据,分析阜康市2001—2019年实际NPP(NPPA)的时空变化,进一步区分气候变化和人类活动对垂直自然带NPPA的影响。结果表明:阜康市NPPA多年均值为100.56 g C·m^(-2)·a^(-1),年际变化呈显著上升趋势(P<0.05)。NPPA的高值区域和快速上升区域均位于农田和林地。不同土地利用类型NPPA的多年均值差别显著(P<0.05),其中林地最高(335.77 g C·m^(-2)·a^(-1)),沙漠最低(19.27 g C·m^(-2)·a^(-1))。林地、草地和建设用地的NPPA均呈显著上升趋势(P<0.05)。将NPPA细分为潜在NPP(NPPP)和人类活动导致的NPP(NPPH)后发现,阜康市的NPPP多年均值为284.06 g C·m^(-2)·a^(-1),年际变化不显著(P>0.05)。而NPPH多年均值为183.50 g C·m^(-2)·a^(-1),存在显著的下降(P<0.05)。气候变化和人类活动对不同自然带的影响存在差异,草原带内气候变化对NPPA的贡献最大(NPPP=353.05 g C·m^(-2)·a^(-1)),而荒漠带内的NPPA受人类活动的影响最大(NPPH=201.94 g C·m^(-2)·a^(-1))。对于NPPA的影响因素来说,降水量和温度的增加使NPPP上升,并间接促进NPPA上升;而有利的人类活动强度的增加使NPPH下降,并间接促进NPPA上升。

梭梭群落碳交换的尺度转换研究:从叶片到群落

以古尔班通古特沙漠南缘梭梭群落为研究对象,利用LI-COR 6400光合仪、大型同化箱及涡度相关系统,从叶片、个体及群落尺度,于2013年4—9月对不同生长阶段的梭梭净光合速率与呼吸速率进行测定。根据个体生物量与叶面积指数(LAI)进行叶片尺度向个体尺度以及个体尺度向群落尺度的转换。结果表明:1从叶片尺度向个体尺度转换。采用个体尺度的碳交换量推导值,与同化箱测量的个体碳交换量进行对比,二者的变化趋势基本一致,包括数量级和峰值出现的时间,二者差异不显著(P<0.05),相关系数为0.934。2从个体尺度向群落尺度转换。通过累加得到群落尺度碳交换量的累加值,与涡度相关系统观测的碳交换量进行比较。二者的变化趋势基本相同,量级也相同,相关系数为0.849。3由叶片尺度向个体尺度转换及个体尺度向群落尺度转换时,夜间推导值与实测值的差异显著,二者相关性较低。其原因可能是夜间温度低,造成细胞内酶活性降低;夜间CO2浓度增加抑制叶片呼吸,及涡度相关系统呼吸数据有效性低等因素,具体原因还需进一步加以证明。

干旱区典型绿洲水库库周土壤盐分空间分异及盐岛效应

绿洲水库作为干旱区内陆河流域的典型水系节点,在区域农业发展中占有重要地位。为了认识农区水库对土壤盐分空间分布特征的影响,本文以三工河流域的冰湖水库和柳城子水库为例,运用经典统计分析、地统计分析和GIS相结合的方法,对比分析不同景观背景下,以水库为中心的区域土壤剖面(0~60 cm)盐分的空间变异特征。结果表明:(1)以自然景观为背景的柳城子水库各土层盐分含量(0~20 cm:20.77 g·kg-1,20~40 cm:14.96g·kg-1,40~60 cm:16.9 g·kg-1)高于灌溉景观为主导背景的冰湖水库各土层盐分含量(0~20 cm:7.81 g·kg-1,20~40 cm:5.66 g·kg-1,40~60 cm:5.24 g·kg-1)。在土壤盐分变异性上,冰湖水库各土层盐分的变异系数CV>100%,均呈现强变异性,而柳城子水库呈现出中等变异性(10%<CV≤100%);(2)两个水库区域各层土壤盐分,均呈现中等强度空间自相关性(0.25<C0/(C0+C)<0.75),冰湖水库表层土壤盐分空间变异主要受人为活动产生的随机因素影响,但随着土层深度的增加结构性因素的影响逐渐增强,而柳城子水库土壤盐分空间变异主要受结构性因素主导;(3)农业水库区域呈现出"盐岛"效应,冰湖水库各土层非盐化土面积占主导地位,随土层深度增加,非盐化土面积逐渐增大;而柳城子水库各土层盐土面积占主导地位,随土层深度增加,盐土面积也逐渐增大。

干旱区灌溉过程中碳淋溶试验研究

水循环过程中的碳传输是当前应对气候变化的热点问题之一。为探讨干旱区土地开发利用农田灌溉过程中可溶性碳传输的特征,通过土柱淋溶法定位模拟绿洲农田灌溉灰漠土（已开发23 a）和毗邻自然状态下未被开发的原生灰漠土,分别种植春小麦（旱田）和水稻（水田）,研究了土壤碳淋溶特征。结果表明：灌溉灰漠土和灰漠土春小麦总淋溶碳量分别为5.71 g·m-2·a-1、14.1 g·m-2·a-1,水稻分别为121.3 g·m-2·a-1、63.9 g·m-2·a-1;原生灰漠土有机碳淋溶量占总淋溶碳的54%-63.1%,而灌溉灰漠土却相反,有机碳淋溶量仅占16.3%-31.4%;随着季节的变化及农作物生长,有机碳和无机碳淋溶量逐渐减少,春小麦种植有机碳和无机碳淋溶量小于对照,水稻种植与对照无明显差异。土地开发和作物种植方式对灌溉淋溶有机碳和无机碳数量有显著影响。

气候变化背景下哈萨克斯坦气候生产潜力时空特征分析

[目的]研究全球气候变化背景下气候生产潜力的时空分布特征,对于合理利用农业气候资源,促进农业生产力的提高具有重要意义。[方法]选择1901—2000年哈萨克斯坦24个代表气象站点的月平均气温和降水资料,采用Thortwaite Memorial、Miami模型估算气候生产潜力,并运用气候倾向率、M-K检验以及ArcGIS空间插值等方法对气候生产潜力时空分布特征进行分析。[结果](1)1901—2000年哈萨克斯坦气候生产潜力总体表现为增长趋势,不同时段气候生产潜力差异明显,相对于其他研究时段(T1,T3),T2(1936—1970年)时段气候生产潜力及增长速率最大,并且水热匹配状况最好;(2)哈萨克斯坦气候生产潜力空间分布地域性明显。YP(降水生产潜力)和Y E(蒸散生产潜力)总体表现为自东南向西北递减的趋势,YT(气温生产潜力)表现为自西南向东北递减的趋势,气候生产潜力高值区主要位于天山北麓及东部山区的河谷地带,低值区位于西部和南部荒漠区;(3)气候生产潜力对降水更为敏感,当气温保持不变,降水量增加(减少)10%、20%,YE将增加(减少)9.6%、19.94%。[结论]哈萨克斯坦东部气候生产潜力大于西部,天山北麓及河谷地区气候生产潜力大于平原地区,哈萨克斯坦气候生产潜力主要受降水量的制约,未来“暖干型”变化将会使研究区气候生产潜力下降。为提高农业生产潜力,必须加强对农业基础设施的建设和提高水资源的调配能力。