土壤碳氮特征沿干旱梯度时空格局及对气候变化的响应——基于中国生态系统研究网络(CERN)长期定位监测数据

土壤碳氮含量及其化学计量特征是表征生态系统碳汇能力和土壤质量的重要指标,在支撑生态系统结构功能以及缓解气候变化中起着关键作用。利用中国生态系统研究网络(CERN)长期定位监测数据,分析了土壤碳氮特征沿干旱梯度的时空规律及其对气候变化的响应。结果表明:空间上,典型荒漠草原生态系统随着干旱加剧,土壤有机碳和全氮含量减少,土壤有机碳对干旱响应的敏感性降低,而土壤全氮对干旱响应的敏感性增加,土壤有机碳随土壤全氮含量的增加而增加。时间上,2005—2018年,荒漠草原生态系统土壤有机碳和全氮含量变化速率沿干旱梯度表现出由负转正的增加趋势,其中,干旱区呈减少趋势,半干旱和半湿润地区呈增加趋势,鄂尔多斯站和沙坡头站呈显著增加趋势。从影响因素来看,土壤碳氮特征对降水量增加的敏感性沿干旱梯度呈现出先增强后减弱的“上凸”抛物线趋势,温度变化对土壤碳氮特征的调控没有表现出明显的干旱梯度效应。土壤碳氮比、土壤有机碳含量、土壤全氮含量对降水量和平均温度变化响应的敏感性均依次降低。不同干旱梯度土壤碳氮特征的变化规律为未来气候变化下生态系统结构与功能预测提供科学依据。

新疆策勒沙漠-荒漠-绿洲典型下垫面小气候空间变化分析

利用从2010年8月1日至2011年6月30日新疆策勒绿洲-荒漠过渡带及绿洲内部4个观测点的风速、大气相对湿度(RH)、温度、太阳辐射能、光合有效辐射(PAR)同步观测资料,分析了小气候差异并初步探讨产生差异的原因。结果表明:不同空间的下垫面性质对小气候影响明显不同。在8月,半固定沙地、固定沙地和绿洲内部与流沙地前沿相比,日平均风速在2 m高处分别依次降低了42.69%、50.71%和94.32%,日平均风速在10 m高处分别依次降低了7.94%、13.66%和59.59%,这表明植被覆盖度越大,防风阻沙效果越好。夏季植被能够降温增湿,冬季12月份,绿洲内部在0.5 m高处日平均温度依次高于流沙地、半固定沙地、固定沙地1.47℃、1.20℃、2.74℃。4个下垫面的PAR与太阳辐射能变化趋势基本一致,绿洲内部的PAR值相对最小,太阳辐射能在6月达到最高值。夏季晴天在20:00~09:00左右近地表层会出现逆温现象。冬季晴天白天午后易出现大于起沙风的阵风,从流沙前沿到绿洲内部气温逐渐升高,大气相对湿度先逐渐降低后增大。

基于NDVI的新疆荒漠地区植被覆盖度遥感估算经验模型研究

新疆荒漠地区植被覆盖度遥感估算模型十分缺乏,给荒漠化监测等相关工作带来很大不便,开展植被覆盖度遥感估算经验模型研究,对于促进和完善相关地区的生态监测及研究工作具有积极的现实意义。通过对阜康市北部沙漠南缘和克拉玛依市中部平原荒漠进行无人机航拍,利用无人机遥感提取(光合)植被信息,并将无人机航拍影像的植被覆盖度统计单元与高分辨率卫星影像像元在空间上直接相对应,获取在高分辨率卫星影像像元尺度上的植被盖度,然后通过植被覆盖度和空间上与其相对应的源自高分辨率卫星影像的NDVI数据的拟合关系,建立基于源自高分二号影像的NDVI的阜康北部沙漠植被覆盖度遥感估算线性模型以及基于源自ZY1-02C影像的NDVI的克拉玛依平原荒漠植被覆盖度遥感估算二次多项式模型。研究中所采用的无人机遥感与卫星遥感相结合、植被覆盖度统计单元与卫星像元在空间上直接对应的方法,可避免以往相关工作中常以点位测量数据代表卫星像元数据所带来的不确定性。由于所用卫星影像的NDVI数据稳定性相对不足等原因,所建立的遥感估算模型的估算精度尚相对偏低,有待于今后进一步的工作加以改进。

自然光照和荫蔽条件下两种荒漠植物叶片凋落物分解特征研究

塔克拉玛干沙漠南缘环境条件恶劣,土壤养分含量匮乏,植物群落结构和组成较简单,不同环境要素对凋落物分解的影响都存在复杂性和特殊性。为探究极端干旱区凋落物的分解特征,以塔克拉玛干沙漠南缘优势植物种骆驼刺(Alhagi sparsifolia)和花花柴(Karelinia caspia)的叶片凋落物为研究对象,利用凋落物分解袋法,研究在自然光照和遮光处理下两种荒漠植物叶片凋落物质量分解和碳(C)、氮(N)元素含量释放特征。结果表明:(1)两种植物叶片凋落物的质量损失过程均符合指数衰减模型。(2)经过9个月的分解,自然光照下骆驼刺和花花柴凋落物的失重率分别为39.81%和45.43%;遮光处理下两种凋落物的失重率分别为22.22%和20.06%,光照条件下凋落物的分解速率显著高于遮光条件(P<0.05)。(3)在整个分解过程中,两种植物叶凋落物C含量呈释放状态,而其N含量呈现不同的释放状态,骆驼刺叶凋落物N含量呈现富集-释放-富集的状态,花花柴叶凋落物N含量呈现富集状态。综上所述,在极端干旱区,光辐射是影响凋落物分解的主要驱动因素。

昆仑山北坡两种优势荒漠灌木的生物量预测模型

构建数学模型是估算灌木生物量的重要方法之一。本研究以中昆仑山北坡山前荒漠带常见的两种荒漠灌木红砂(Reaumuria soongarica)和合头草(Sympegma regelii)为研究对象。采用全株收获法采集植株,分别以株高(H)、冠幅面积(S)、植株体积(V)为自变量,植株地上生物量(W_(1))、地下生物量(W_(2))、全株生物量(W_(3))为因变量,建立函数模型,选取决定系数(R^(2))、估计标准差(SEE)、回归检验显著水平(P值)为评价指标,以P<0.001为前提,选取R^(2)尽量大、SEE尽量小的模型为红砂和合头草生物量最优预测模型。结果显示:红砂和合头草的生物量最优预测模型均为二次函数模型,合头草全株最优预测模型为一次函数模型除外。红砂植株体积(V)与生物量的相关性最高,生物量最优预测模型R^(2)为0.820~0.920。合头草冠幅面积(S)与生物量相关性最高,生物量最优预测模型R^(2)为0.935~0.973。红砂和合头草生物量最优预测模型均通过(P<0.001)显著性检验,拟合率在84.1%~95.6%之间,可用于生物量估算,本研究为预测荒漠生态系统碳储量和评价碳汇潜力提供科学依据。

新疆策勒绿洲—沙漠过渡带风沙运动沙尘物质粒径分形特征

新疆策勒绿洲—沙漠过渡带风沙活动频繁,对其近地表风沙运动规律的研究具有重要意义。采用实验测定分析、线性回归分析、相关统计分析等研究方法,对策勒绿洲—沙漠过渡带不同地貌部位表面及近地表输沙和降尘物质粒度及粒径分形特征进行了研究。结果表明:策勒不同风沙运动形式沙尘物质组成主要为极粗粉砂和极细砂,大气降尘物的粗粉砂含量偏高,分形维数介于0.25~2.25;五种沙尘物质平均分维值介于1.03~1.67,灌丛沙堆表面沙物质粒径分形维数平均值最大,其次依次为大气降尘、裸平沙地、地表输沙物质和流动沙丘的沙尘物质,标准偏差值大小变化趋势与之相反。灌丛沙堆表面沙物质的粒径分形维数与沙物质平均粒径、分选系数等指标呈显著线性相关性,流动沙丘表面沙物质平均粒径的分形维数与粒度参数之间线性相关性不显著。灌丛沙堆、流动沙丘、地表输沙物质的黏粒含量与分形维数均呈极显著正相关性(p<0.01),灌丛沙堆与地表输沙物质的砂粒级含量与分形维数呈显著负相关,大气降尘物的粉砂含量与分形维数呈显著负相关(p<0.05)。流动沙丘表面沙物质的粉砂和砂百分含量与分维值无显著相关性。沙物质的粒级组成、运动形式、植被覆盖度、风力及地形等均是导致绿洲—沙漠过渡带沙尘粒度及分形特征差异的主要原因。

中昆仑山北坡策勒河流域生态因素对植物群落的影响

为探讨干旱区山地生境对植被格局的影响,以中昆仑山北坡策勒河流域为研究对象,在对海拔1960～4100m范围内63块样方进行植被学调查的基础上,采用18个环境指标描述群落的空间位置、地形和土壤特征。利用双向指示种分析、无偏对应分析和无偏典范对应分析,从植物种、群落与环境的生态关系方面探讨研究区的植被分布格局,并给予合理的环境解释。为消除环境因子中存在的冗余变量,采用前向选择法及MonteCarlo检验,筛选出对植物群落产生显著影响(P<0.05)的环境因子参加分析。结果表明,1)采用TWINSAN数量分类方法,将植被划分为4个群落类型;2)对于特定的研究区域策勒河流域,制约群落类型、植物种分布格局的主要因素是海拔,即水、热2个环境因子,同时物种丰富度随着海拔增加呈单调递增趋势;3)对群落产生显著影响的环境因子主要有海拔、pH等6个变量。DCCA排序图明显反映出排序轴的生态意义,第1轴突出反应了群落所在环境的海拔,沿第1轴从左到右海拔逐渐升高,各群落也沿着海拔依次分布。相比于其他区域,干旱区山地物种稀少,植被格局分异明显,其中海拔是环境因子中对植被群落分布起决定性作用的因子,利用数量生态学方法可以有效的揭示其植被群落同环境之间的关系。

绿洲-荒漠过渡带四种植物光合及生理特征的研究

绿洲-荒漠过渡带植被的恢复和更新在过渡带生态环境建设中具有重要意义。通过对多枝柽柳,梭梭,头状沙拐枣和沙枣的光合特性、水势(ψ)以及生理指标的研究,结果表明,1)4种植物光响应曲线变化趋势基本一致,均表现为净光合速率(A)随着光合有效辐射(PAR)的增大迅速增大,当PAR达到了植物的光饱和点之后,A出现下降的趋势;作为C4植物的头状沙拐枣和梭梭都具有较高的光饱和点(LSP)和光补偿点(LCP),体现出了C4植物特有的高光合的优势,而其他一些光合参数K,Amax,Rday的变化规律并不完全一致;2)4种植物中,梭梭具有较低的清晨和正午水势,说明梭梭主要依靠夜间水分恢复能力来应对干旱环境;清晨水势除头状沙拐枣和沙枣之间差异不显著外,其他植物种之间的差异均达到了极显著水平(P<0.01),正午水势除多枝柽柳和沙枣之间差异不显著,其他植物种之间的差异也都达到了极显著水平(P<0.01);3)4种植物中脯氨酸和可溶性糖的变化较为一致,头状沙拐枣均显著高于其他3种植物(P<0.05);而丙二醛含量最高的是沙枣,最低的为头状沙拐枣和梭梭,除头状沙拐枣和梭梭之间差异不显著之外,其他植物种之间的差异均达到显著水平(P<0.05);4)在相关分析的基础上运用平均隶属函数法对这4种植物进行抗旱性排序,结果表明,4种植物的抗旱性强弱顺序依次是梭梭>多枝柽柳>沙枣>头状沙拐枣。

新疆维吾尔自治区策勒县绿洲一沙漠过渡带小气候特征

利用HOBO小气候观测仪,在2010年7月23日至8月24日对新疆策勒绿洲—沙漠过渡带的柽柳群落、柽柳—骆驼刺—花花柴群落、骆驼刺群落3个典型天然植物群落的风速、气温、空气相对湿度、光合有效辐射进行了同步观测,分析了它们的小气候特征的差异,初步探讨了产生这些差异的原因。结果表明,策勒绿洲—沙漠过渡带的植被具有独特的小气候作用,植被覆盖度越大,风速越小,气温越低,相对湿度越高。相比植被覆盖度仅3%的柽柳群落,柽柳—骆驼刺—花花柴群落(覆盖度27%)和骆驼刺群落(覆盖度67%)在观测期内0.5,1,2,4,8和10m处风速平均减小了32%,47%,近地表0.5m风速减少的最多,分别为57%,87%;2m处气温的平均值分别减少了0.32,1.02℃;2m处空气相对湿度的平均值分别增加2.33%,7.67%;策勒绿洲—沙漠过渡带柽柳群落、柽柳—骆驼刺—花花柴群落和骆驼刺群落的光合有效辐射差异不明显;阴天和沙尘暴天气光合有效辐射比晴天分别减少40%,60%。

新疆策勒县沙漠-绿洲过渡带风沙流结构及输沙粒度特征

[目的]为了分析3个不同下垫面近地表风沙流结构差异及输沙粒度特征,为输沙模型的建立提供理论依据。[方法]对策勒绿洲—沙漠过渡带风速梯度和输沙率进行野外观测,采用拟合函数回归方法分析。[结果]在0—200cm高度范围内,流沙地近地表输沙率或输沙通量与高度服从指数函数或对数函数关系,且拟合程度较高;半固定沙地近地表输沙率或输沙通量随高度服从指数函数关系,拟合程度中上等,稍差于流沙地;固定沙地输沙率随高度变化服从多项式函数关系,拟合程度中等—差。[结论]平均风速较大时,流沙地、半固定沙地地表输沙率或输沙通量随高度变化多服从指数关系,且拟合程度好于平均风速较小的输沙阶段;近地表跃移、蠕移沙粒无论在垂向还是在水平方向上,离地表越高或离绿洲越近其各高度输沙率和沙粒平均粒径都有变小和变细趋势,在水平方向上流沙地输沙沙粒分选性依次好于半固定沙地、固定沙地,分选性多属于中等或中等偏上;所有输沙沙粒的偏度值分布在-0.06~0.05之间,越靠近绿洲输沙沙粒越细;所有跃移、蠕移沙粒峰态值分布在0.92~1.05之间,属于中等峰态。

新疆策勒不同类型流动和半流动沙丘运移规律

通过对新疆策勒流动沙丘地、半流动沙丘地、砾质戈壁不同类型流动沙丘进行观测,研究了不同下垫面不同类型流动沙丘年运移速度、方向及其规律,为沙丘运移规律及保护绿洲生态安全提供理论依据。结果表明：沙漠—绿洲过渡带流动和半流动沙丘年平均前移距离为4.76-12.92m,半流动沙丘比流动沙丘前移速度明显减小,沙丘移动方向为东南东（99.82°—115.48°）。砾质戈壁2 m高新月形流动沙丘年移动距离为9.37 m,年移动方向为东南东（105.1°）。0.9m高盾状沙丘年运移距离19.15m,移动方向为东南东（93.77°）,流动沙丘移动方向与年合成输沙势方向东南东（108°）基本一致,沙丘高度与运移速度呈二次函数反比关系。如果不采取有效的防沙措施,流动沙丘将会对策勒绿洲产生潜在的入侵威胁。

塔里木南缘策勒绿洲地下水空间变异性与土地覆盖关系研究

基于策勒绿洲78个取样点的地下水埋深、矿化度和pH值的观测资料,应用遥感、地理信息系统、空间插值和地质统计学分析的方法对所取数据进行空间变异性分析.结果表明:1)地下水埋深和pH值服从正态分布,矿化度服从对数正态分布;2)地下水埋深、矿化度和pH值都具有强烈的空间相关性,在步长为8km范围之内,地下水特征的空间变异是各向同性的,当步长>8km时,四个方向上的半变异函数发生了不同的变化;3)受盆地地形影响,地下水埋深从南到北变浅,东部区域埋深最浅,最小为1.56m;矿化度分布趋势则是从南到北逐渐增大;pH值高值区发生在绿洲东南部和中北部,pH值高的区域矿化度较低,而pH值低的区域矿化度较高;4)绿洲耕地主要分布于地下水位埋深为5～25m,且矿化度<2.0g·L-1的区域;林地和草地分布于绿洲边缘区,该区域地下水埋深浅,平均水位<10m,而地下水矿化度较高,>2.0g·L-1.

塔克拉玛干沙漠南缘策勒流沙前缘与绿洲内部近地面逆温逆湿特征研究

利用新疆策勒流沙前缘及绿洲内部的野外气象观测数据,运用同步对比与统计分析方法,分析塔克拉玛干沙漠流沙前缘及绿洲内部近地表0.5 m和2m高度之间逆温逆湿特征,揭示不同时期、典型天气状况下的逆温逆湿特征,为沙漠与绿洲内部的热量和水汽运移交换提供理论依据。结果表明:流沙前缘月平均相对湿度最大值出现在10月,最小值出现在4月,气温最高出现在8月,最低出现在1月。2011年7月逆温逆湿强度最大,逆湿日数占总逆湿日数的38.71%,逆温日数占总逆温日数的3.76%。逆温时间集中在傍晚19:00至上午10:00之间,逆湿出现在上午10:00至晚上21:00之间。绿洲内部月最低气温出现在2011年1月,最高气温出现在2011年7月,相对湿度最小值出现在2011年4月,最大值(74.91%)出现在2010年9月。最强逆温逆湿现象出现在2010年的11月,平均日温差3.48℃,垂直高度湿差达2.27%。总体上,在流沙前缘与绿洲内部,冬季的相对湿度整体上大于夏季的相对湿度,而气温整体上表现为夏季高冬季低,同一高度的温度与湿度呈现较好的负相关性。在4种典型天气情况下,流沙前缘与绿洲内部出现的温湿度变化和逆温逆湿特征变化趋势基本一样,但出现的时间上基本存在绿洲内部提前流沙前缘滞后的现象,但在晴天和扬沙天气下,逆湿在流沙地出现的时间提前而流沙前缘滞后。绿洲内部出现的逆温逆湿持续时间一般比流沙地持续的时间较长。

新疆策勒县新开垦农田地表蚀积变化

用插钎法结合气象数据对新疆维吾尔自治区策勒县开垦年限分别为2和1a农田地表进行风蚀风积观测,结果表明,沿主风向,防护林带前后0—3H(树高)内表现为风积,林前风积量明显大于林后风积量,防护林带之间中部主要以风蚀为主。红枣幼苗旁种植的冬小麦在一定程度上能有效地抵御红枣根部风蚀。未开垦的植被盖度3个不同的下垫面内,植被盖度和高度越大,其阻沙积沙能力越强。由于新开垦未种植裸荒地地表疏松无植被覆盖,表现出同阶段内最大的地表风蚀量。新开垦农田地表蚀积变化不仅与植被覆盖度、防护林结构、风速大小与风向紧密相关外,还与地表的微地形有关。

新疆策勒县固定沙地骆驼刺带状平茬对地表蚀积变化的影响

[目的]在对新疆策勒绿洲—沙漠过渡带绿洲边缘的固定沙地风蚀风积变化研究基础上,结合地表风速变化分析,探讨骆驼刺带状平茬和地形等对地表蚀积变化影响及其规律。[方法]采用插钎法、地形测量法、风速野外观测等方法。[结果]春季骆驼刺平茬初期,由于地表植被覆盖度大量减少,平茬带和保留带内地表主要以风蚀为主。夏季随着植被覆盖度的增加,地表主要以风积为主,地势较低、植被稀疏地表以轻微风蚀为主,秋季地表植被盖度基本保持最大和稳定,同时风力的减弱明显地减少了地表的风蚀量和风积量,地表主要以风积为主。[结论]春季骆驼刺带状平茬4m保留3m宽度利用方式不能有效地抵御地表风蚀危害,而夏秋季具有较好的防护效益。

风沙对策勒开花期棉花光合特性的影响研究

为评估风沙灾害对策勒棉区开花期棉花生长的影响,以‘新陆中21号’为供试品种,2011—2012年在新疆策勒荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站农民常规栽培模式田内进行风沙对比观测试验,研究经纱网保护、水洗处理与自然状态下开花期棉花单叶的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、胞间CO2浓度等光合特性日变化的差异。结果表明:风沙对棉花生长的危害不仅仅是降尘附着在棉花叶片上降低了叶片接受光合有效辐射的效率,减少叶片对二氧化碳的吸收,减缓叶片上水分的蒸腾速率,而引起叶片光合速率下降。而且还有风沙流在长期吹袭叶片时,其所含沙粒直接打击棉花植株,使其生理结构受到损伤,阻遏其碳同化能力,降低了棉花的物质积累,进而使棉花生长受到影响。

基于GIS技术的拉萨市城关区荒漠分类研究

[目的]尝试在青藏高原县级尺度上对荒漠化区域进行划分,并分析不同荒漠类型的分布特征,为荒漠区划及荒漠化防治工作提供科学依据。[方法]以西藏自治区拉萨市城关区为例,利用2018年的TM遥感影像,2000—2018年的MODIS影像数据,结合GIS制图技术,通过长期野外调查,探讨高寒区荒漠分类系统。[结果]在分析荒漠形成主要影响因素的基础上,提出荒漠分类的主要原则和划分指标。利用气候区划、地表物质组成、地貌形态及成因、植被盖度等指标,将拉萨市城关区荒漠划分为2个Ⅰ级类型,7个Ⅱ级类型,18个Ⅲ级类型,31个Ⅳ级类型,并确定各级各类荒漠的面积及空间分布范围。[结论]确定了高寒区荒漠分类的指标,对城关区的荒漠区域进行分级分类。初步建立了西藏高寒地区的荒漠分类体系,奠定了青藏高原高寒区荒漠分类研究的基础。

排序方法在土壤粒径分布研究中的应用——以策勒河流域为例

基于土壤结构的自相似性,分形理论目前被广泛用于土壤粒径分布（particle size distribution,简称PSD）研究中,即以相对较多的土壤粒级数据,利用单重或多重分形技术获取参数（分形维）形式揭示PSD特征。量化得出的分维值,能较全面反映土壤PSD特征及其之间的差异性,但会受限于PSD差异性与影响因素之间的进一步分析。

策勒绿洲—沙漠过渡带风沙前沿风沙流结构研究

通过对2010年5—11月策勒绿洲—沙漠过渡带流沙前沿50 cm高积沙方口和全方位跃移及全方位蠕移、BNSE集沙系统13个阶段积沙数据进行分析,结合大气象站2 m高同步积沙阶段的平均风速进行分析对比,发现策勒流沙前沿方口积沙仪各高度积沙量随高度分布大部分符合对数、指数和多项式函数分布规律,且拟合程度较好,10 cm和30 cm高度范围的积沙量占总输沙量的百分比分别在23.43%～50.40%和64.30%～83.13%,且分别多集中在40%～50%和80%左右。随着每阶段大于起沙风的平均风速的增大或减小,各积沙仪总输沙率也会总体上呈现相应的增大或减小,二者大致呈正相关关系,积沙仪不同高度不同阶段输沙量的变化除了与风速、地形有很大关系外,通过研究发现每次积沙阶段大于10 mm以上的较大的降雨量将会对积沙仪输沙量和风沙流结构产生一定影响。

新疆主要农作物生产水足迹研究

农业是新疆水资源消耗最大的产业。本研究应用水足迹理论对新疆83个县市主要农作物的生产水足迹进行研究分析,比较不同作物之间生产水足迹的差异,探讨新疆农业生产水足迹在空间上的变化规律。研究结果表明,全疆2014年主要农作物生产水足迹总量为355.47×108m3,其中主要为蓝水足迹,所占比例高达91.31%;绿水足迹极低,所占比例仅为8.69%。7种主要作物生产水足迹由高到低分别是棉花,向日葵,小麦,水稻,玉米,苜蓿以及甜菜。水足迹空间分布在不同区域差异显著,南疆以及伊犁地区的生产水足迹总量相对较高,二者总量为243.46×108m3,东疆和北疆地区水足迹总量相对较低,二者总量为112.01×108m3,总体呈现出西南高东北低的分布趋势。