基于SD模型的晋北退耕还林工程与社会经济互馈关系研究

生态恢复与社会经济发展密切相关,退耕还林工程的实施影响社会经济状况,统筹耕地与造林之间的矛盾成为亟待解决的问题。阐明退耕还林工程与社会经济之间的互馈关系,是实现生态保护与社会经济协同发展的前提和基础。通过构建山西省晋北地区退耕还林工程与社会经济之间的系统动力学模型,揭示二者间的互馈关系。以耕地、造林用地间的矛盾作为参数变换的前提,通过改变耕地面积变化率、造林面积、植树造林投资系数,设置持续退耕还林型、低速退耕还林型、保护耕地型、间断退耕还林型四种仿真情景,并阐明了不同退耕还林情景对社会经济的影响。结果表明:(1)退耕还林对社会经济有积极影响,各情景下社会经济变量均呈现不同速度上升态势。(2)尽管持续退耕还林型的林业产值增长最快,但却抑制了未来社会经济发展,在此情景下各社会经济变量较低;低速退耕还林型更有利于退耕还林工程与社会经济的和谐发展,地区生产总值(GDP)、粮食总产量等社会经济变量在此情景下较高;保护耕地型在模拟初期对粮食总产量有明显提升作用,后期则会对归一化植被指数(NDVI)、植被固碳量产生更加积极的影响。(3)在低速退耕还林型下,2035年山西省晋北地区GDP达18412.90亿元,年均增长率为9.34%,粮食总产量达829万t。比较四种情景,低速退耕还林型在协调耕地与造林矛盾的同时,还可以有效平衡社会经济发展与森林生态建设之间的关系。

黄土丘陵沟壑区典型人工林植物-凋落物-土壤化学计量特征及互作关系

人工造林是黄土丘陵沟壑区治理水土流失和恢复退化土地的重要措施,而人工林植物-凋落物-土壤化学计量特征是影响植被重建的关键限制因素。以山西省静乐县退耕还林示范区油松纯林、油松+柠条锦鸡儿混交林、华北落叶松纯林和华北落叶松+柠条锦鸡儿混交林为研究对象,分析乔木层各器官(叶、枝、干、根)、凋落物和土壤(土层深度0~30 cm)碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量特征及其相互关系,为黄土高原植被重建模式提供科学支撑。结果表明:1)4种人工林乔木C、N、P质量分数变化均呈叶>枝>干>根,华北落叶松+柠条锦鸡儿混交林叶片N质量分数显著增加3.18 g/kg,叶片C∶N和C∶P降低,且区域乔木生长表现出P限制。2)华北落叶松+柠条锦鸡儿混交林凋落物N质量分数显著增加1.35 g/kg,同时凋落物C∶N降低,油松+柠条锦鸡儿混交林凋落物化学计量无显著变化。3)4种人工林土壤C、P质量分数随土层深度增加而减少,其中0~10 cm土层C、P质量分数显著高于其他土层,分别是8.92和0.31 g/kg。华北落叶松+柠条锦鸡儿各土层C质量分数升高,其中0~10 cm土层增加最明显,显著增加49.15%。4)Pearson分析和结构方程模型表明,凋落物层N质量分数直接对土壤层C∶N产生影响,进而影响乔木层养分特征,而乔木层C∶N又正向影响凋落物层。混交可有效改善研究区人工林养分状况,且华北落叶松+柠条锦鸡儿混交林最优,研究结果可为该区植被恢复提供理论依据。

晋北典型针叶人工林叶功能性状特征及其与土壤因子的关系

为了解释植物叶片的资源分配特征及其与土壤因子间的适应策略,该研究以黄土高原东北缘山西省大同市新荣区油松、樟子松人工纯林及其柠条混交林为对象,采用样方法采集样木树冠中部生长良好的轮生枝中东西南北4个方向的枝条,并在每个枝条上选择里、中、外3处有代表性的当年生叶和多年生叶;采用“S”形采样法在每个样方内选取9个取样点,用土钻采集各样点0~20 cm土壤样品;测定分析不同造林模式下油松、樟子松异龄叶功能性状特征、土壤理化性质以及二者的关系,为人工林培育及经营提供理论支撑。结果表明:(1)不同造林模式下油松及樟子松叶功能性状的差异集中在化学计量之间;随着叶龄增长,油松、樟子松均表现出干物质含量上升,氮磷含量下降的特征。(2)土壤全磷、全氮含量分别是油松当年及多年生叶的主要解释因子,土壤全磷与当年生叶碳氮比、有机碳、碳磷比均呈显著正相关关系,与全氮、叶面积及叶干物质含量呈显著负相关关系,土壤全氮与多年生叶全磷含量呈正相关关系,与叶有机碳、碳磷比、碳氮比则呈显著负相关关系。(3)樟子松当年生叶功能性状的关键土壤因子是土壤容重、全磷含量,其与叶碳氮磷的比值、干物质含量、碳含量呈正相关关系,而与氮磷含量呈负相关关系;多年生叶功能性状的关键土壤因子是土壤容重、含水量、pH,其与叶氮磷含量呈正相关关系,与碳含量、干物质含量、比叶面积等呈负相关关系。(4)油松及樟子松纯林的叶功能性状更易向关键土壤因子含量更高的方向偏移,说明与柠条混交可有效分异叶片生长对主要土壤因子的集中需求,但混交造林模式下林木长势有所衰弱;结合研究区资源匮乏现状,林木种植密度较大,竞争加剧了生存压力导致林木生长受限。

黄土高原地区4种常见树种适宜区对气候变化响应

【目的】分析黄土高原地区4个常见树种(樟子松、油松、柠条、华北落叶松)在当前和未来的潜在分布,揭示气候变化对植物空间分布格局的影响。【方法】基于19个气候因子结合来自Ho1dridge生命地带模型和Kira指标体系的5个指标:年生物温度(ABT)、潜在蒸散率(PER)、温暖指数(WI)、寒冷指数(CI)、干燥指数(HI),运用Maxent模型,模拟预测了4个树种在当前、未来(2041-2060年、2061-2080年)ssp126、ssp245、ssp585气候情景下的潜在地理分布。运用刀切图分析影响其分布的主要环境因子,并采用受试者工作特征曲线(ROC)下的面积(AUC)对预测结果进行检验。【结果】(1)Maxent模型可以较好地模拟黄土高原4个主要常见种的地理分布范围,各物种的10次平均AUC结果均大于0.8;(2)对于樟子松、油松、柠条来说,温度和水分共同限制其分布,而对于华北落叶松来说,影响其分布的主导因子是降水。温度季节性变化标准差、潜在蒸散率、最湿润季节降雨量、最干燥月降水都影响樟子松分布。年均温变化范围、温度季节性变化标准差、最冷月最低温度,最暖季度降水量、潜在蒸散率是影响油松分布的主导因子。影响柠条适宜区分布的主导因子为最暖月最高温度、温暖指数、等温性和潜在蒸散率、最冷季度降水量。影响华北落叶松分布的主导因子主要与降水有关,分别是最湿润月降雨量、最湿润季节降雨量、降水量变异系数和潜在蒸散率。(3)油松、柠条和华北落叶松的潜在适生区将向西北方向迁移,樟子松的潜在适生区向西南方向迁移。油松和华北落叶松的潜在适宜区面积呈现先扩大后缩小的趋势,而柠条和樟子松的潜在适生区将持续扩张,尤其是樟子松的高适生区占比将在2070s扩大至50.97%。【结论】气候变化将使油松和华北落叶松丧失一部分的高适生区,但同时会使柠条和樟子松的高适生区扩张明显。在黄土高原退耕还林建设中,可优先考虑种植柠条和樟子松。

晋北黄土丘陵沟壑区柠条锦鸡儿叶功能性状特征及环境响应

叶功能性状能够反映植物对外界环境的适应策略。本研究以晋北黄土丘陵沟壑区不同种植方式柠条锦鸡儿人工林(柠条锦鸡儿纯林、柠条锦鸡儿-油松混交林、柠条锦鸡儿-樟子松混交林)为对象,调查了柠条锦鸡儿叶片主要功能性状特征及环境因子,并采用单因素方差分析、简单效应分析、冗余分析探讨了柠条锦鸡儿叶功能性状特征及其对环境因子的响应。结果表明:(1)不同种植方式下柠条锦鸡儿叶功能性状存在显著差异,纯林中柠条锦鸡儿叶厚度、叶干物质含量显著高于混交林,比叶面积、叶磷含量显著小于混交林,其余性状在纯林与混交林间无明显变化规律。(2)柠条锦鸡儿叶功能性状变异系数为1.9%~43.7%,各功能性状种内变异程度不同,总体来看,比叶面积(40.2%)、叶面积(39.8%)变异程度较大,叶干物质含量(7.9%)变异程度最低,其余功能性状较稳定。(3)环境因子和种植方式均对柠条锦鸡儿叶功能性状有显著影响,种植方式通过改变林冠结构间接对叶功能性状产生影响,林冠开度(15.7%)对柠条锦鸡儿叶功能性状变异解释最高,其次为土壤容重(13.6%)、全氮(10.7%)、土壤含水量(10.7%)、林下总辐射(9.2%),是影响柠条锦鸡儿叶功能性状的关键环境因子;控制柠条锦鸡儿各叶功能性状变异的主要环境因子不同。研究表明,柠条锦鸡儿通过调整比叶面积、叶干物质含量、叶厚度及磷含量适应不同种植方式下的群落环境;并通过减小比叶面积,增大叶干物质含量、叶厚度来增强自身防御与养分存储能力,增强对该区域贫瘠干旱环境的适应性。植物叶功能性状会随种植方式影响的群落内环境因子变化而变化,因此进行植被恢复筛选树种时,应考虑区域环境及种植方式的影响。