2000—2020年蒙古高原生态系统服务及其对气候因子的响应

客观理解蒙古高原生态系统服务及其对气候因子的响应对于气候变化背景下制定科学的生态系统保护和利用策略具有重要意义。基于土地利用/覆盖和气象观测等数据,综合运用模型模拟、空间分析和统计分析等方法,探究蒙古高原主要生态系统服务的时空格局及其与气候因子的关系。结果表明:(1)蒙古高原生态系统生境质量、产水量、碳储量、绿地休闲服务均呈现出东高西低、北高南低的分布格局,空气净化服务呈现西高东低、中部高四周低的空间分布格局。(2)2000—2020年,除空气净化服务总体呈降低趋势外,生境质量、产水量、碳储量、绿地休闲服务表现出不同程度的增加趋势,增长率分别为9.76%、36.02%、7.96%、7.37%,各类生态系统服务的变化幅度具有明显的空间异质性。(3)年均降水量、温度和风速等气候因子与不同生态系统服务均呈现出显著相关性,总体上来看,降水量对生境质量、产水量、碳储量、绿地休闲等服务变化的影响贡献最大,风速对空气净化服务变化产生的贡献最大;不同亚区内,各类因子的贡献也存在一定差异。研究从生态系统服务的角度较全面地评估了蒙古高原生态系统状况,结果能够为中蒙合作开展适应气候变化的生态系统管理提供科学参考。

毛乌素沙地油蒿灌丛生态系统的土壤呼吸特征

【目的】探究毛乌素沙地半干旱区典型油蒿灌丛生态系统土壤呼吸速率特征,揭示土壤温湿度对土壤呼吸速率的影响,以期为预估半干旱区土壤碳排放提供科学依据。【方法】在宁夏盐池选取典型油蒿群落,采用切根法剖分土壤呼吸组分,于2014年4—10月利用自动气室法对切根处理与对照样地的土壤呼吸速率进行连续观测,采用指数方程拟合土壤呼吸组分对土壤温度的响应,并运用线性回归分析温度响应函数残差(观测值/预测值)与土壤含水率间的关系。【结果】在日尺度、自养呼吸速率最大值出现时间(11:00)早于土壤温度最大值出现时间(15:00),而异养呼吸速率最大值出现时间基本与土壤温度最大值出现时间一致;在生长季中期(6—8月),土壤总呼吸速率,自养呼吸速率和异养呼吸速率的温度敏感性(Q10)分别为1.51,1.40和1.88;自养呼吸速率对温度的响应受水分的影响,当土壤含水率小于8%时,土壤温度仅能解释自养呼吸速率季节变异的36%(Q10=1.10),自养呼吸速率的温度响应函数残差随土壤含水率升高而增加(R2=0.59,P<0.05);当土壤含水率大于8%时,自养呼吸速率随土壤温度升高呈指数增加(R2=0.75,Q10=1.88),自养呼吸速率的温度响应函数残差与土壤含水率无显著关系;与自养呼吸速率不同,异养呼吸速率对温度的响应受水分的影响较小,在不同土壤水分条件下均随土壤温度升高呈指数增加(R2>0.65);自养呼吸贡献率(自养呼吸速率/土壤总呼吸速率)在日尺度上存在中午降低的现象;在季节尺度,RA/RT呈现出明显的季节性波动,在5—8月平均为54%,9—10月平均为69%。【结论】在日尺度,自养呼吸速率受土壤温度的影响较小,而异养呼吸速率主要受土壤温度调节;在季节尺度,异养呼吸速率主要受土壤温度调节,其Q10高于自养呼吸速率;而自养呼吸速率对温度的响应受水分的调节,其Q10随土壤含水率升高而增大;自养呼吸贡献率在日尺度与季节尺度的动态变化很可能来源于呼吸组分对环境因子的差异响应。

毛乌素沙地包气带气态水同位素特征及其运移规律

为揭示包气带气态水在大气、土壤和地下水之间交换对内部水与能量传递的响应,该研究应用原位监测、同位素示踪与数值分析相结合的方法,对毛乌素沙地包气带气态水时空变化特征与运移规律进行分析。结果表明,受大气水汽来源和局地循环影响,降水δD_(L)和δ^(18)OL值均表现出春夏富集、秋冬贫化。各深度土壤气态水δ^(18)O_(a)与液态水δ^(18)OL值呈显著正相关(P<0.01),但在季节上,春夏季为极显著线性正相关(P<0.01),而秋冬季则无显著相关性(P=0.12)。表层水汽通量的增大伴随δ^(18)O_(a)富集,而水汽密度夏季的增大和冬季的减小均表现出表层δ^(18)O_(a)富集,夏季蒸发比冬季冻结更能引起表层土壤δ^(18)O_(a)富集。受包气带温度梯度驱动影响,夏季土壤深部气态水接受浅层水汽补给,冬季浅层接受中深层水汽的补给,而春、秋季剖面分别存在温度聚合和发散零通量面,使得补给关系复杂。该研究明确了土壤δ^(18)O_(a)的变化受水汽迁移模式、大气蒸发能力和土壤冻融的共同控制,表层δ^(18)O_(a)的富集在冬季受蒸发与向上的水汽传输共同影响,而夏季主要受土壤水的昼夜蒸发与凝结循环作用所致,该结果为厘清土壤水汽迁移机制以及进一步阐明包气带水循环过程提供科学依据。

毛乌素沙地黑沙蒿与赖草凋落物混合分解对增温的短期响应

植物凋落物分解过程受环境和生物因素共同调控,而气候变暖如何改变凋落物分解的物种混合效应仍存较大不确定性。采用开顶式增温箱和分解袋相结合的方法,研究增温对毛乌素沙地黑沙蒿、赖草以及两者的混合凋落物分解前150d质量损失和养分释放的影响。结果表明:增温导致赖草凋落物质量、C、N、P、纤维素和木质素残留率分别下降7%,7.6%、12%、8.8%、20%和10%,黑沙蒿凋落物质量、P和木质素残留率分别上升2.2%、2.2%和0.8%,C、N和纤维素残留率分别下降1.1%、2%和2.5%。与单独分解相比,混合凋落物质量、C、P、纤维素和木质素残留率分别上升7.7%、8.2%、4.1%、3.9%和5.9%,N元素残留率下降4.1%,增温导致混合凋落物质量、C、N、P、纤维素和木质素残留率分别上升16.9%、18.8%、11.4%、18.5%、21.5%和21.1%。黑沙蒿和赖草凋落物混合在前期分解过程中产生了拮抗效应,即相比于单种凋落物分解具有更低的质量损失;此外,增温处理下拮抗效应更强。本研究表明,在气候变化和植被恢复背景下,预测毛乌素沙地灌丛生态系统的生物地球化学循环时,应该考虑气候变暖和物种混合的交互因子对凋落物分解的影响。

毛乌素沙地黑沙蒿群落多尺度呼吸的季节动态和影响因素

【目的】比较不同观测尺度呼吸对环境因素的响应,特别是对温度和水分的响应,理解多尺度呼吸作用的影响机制,以期提升跨观测尺度呼吸模型模拟精度。【方法】在宁夏盐池选取典型黑沙蒿群落,于2022年5—10月,在固定样地原位连续监测黑沙蒿叶片、土壤与生态系统呼吸速率(即Rl、Rs与Re),拟合呼吸与温度、水分之间的关系,了解多尺度呼吸的季节动态特征及其环境影响因素。【结果】(1)观测期内,Rl主要受温度调控(R^(2)为63.5%),温度敏感性(Q10)为1.48,Rl日均值最大为5.96μmol/(m^(2)·s),出现在7月;Rs和Re季节变化均受水分调控(R2分别为44.4%和50.9%),Q10分别为1.23和1.08,Rs和Re最大日均值均出现在8月,分别为2.94μmol/(m^(2)·s)和4.07μmol/(m^(2)·s)。(2)温度–水分双变量经验模型对Rl、Rs和Re的解释能力相较于单变量模型提升程度有限,平均R2分别增加了0.09、0.05和0.02。(3)水分条件是不同观测尺度呼吸温度敏感性是否趋于一致的关键因素。当土壤水分条件较差时(相对土壤含水量WRE<0.4时),Rl、Rs和Re对温度的响应有显著差异,Q10分别为1.34、0.63和0.84;当土壤水分条件较好时(WRE≥0.4),Rl、Rs和Re对温度的响应趋于一致,Q10约1.8。【结论】不同观测尺度呼吸季节变化的调控因素存在差异,而双变量模型对提升不同观测尺度呼吸模拟的精确性作用有限,充分考虑不同观测尺度以及同尺度水分条件的差异是未来准确模拟干旱或半干旱地区呼吸作用的关键。

毛乌素沙地土壤解磷菌的分离筛选及其解磷机制

为探究毛乌素沙地土壤中可培养解磷细菌的种类、解磷能力和作用机制,该研究利用磷酸三钙为磷源的培养基,从黑沙蒿(Artemisia ordosica)林地土壤中分离出61株解磷细菌,其中变形菌门(Pseudomonadota)假单胞菌属(Pseudomonas)为优势类群。最终筛选出4株高效解磷菌(命名为R1、R4、NR1和NR3),磷增量分别为501.24、67.78、55.48和800.28 mg/L。基于形态特征、生理生化特性和系统发育分析,鉴定R4和NR1为假单胞菌属,R1和NR3分别为拟无枝酸菌属(Amycolatopsis)和泛菌属(Pantoea)。这些菌株的解磷能力与其分泌的草酸、乙酸、酒石酸量及pH值显著相关。结果表明,具有较强耐盐碱性的4株高效解磷菌,通过分泌有机酸和调节pH值显著提升了有效磷含量,显示出其作为微生物菌剂在干旱地区土壤改良和植被恢复中的潜在应用价值。

毛乌素沙地植被净初级生产力时空变化及其驱动因素

净初级生产力(Net primary productivity,NPP)及其对全球气候变化的响应是全球变化研究的热点之一。本研究基于MODIS遥感数据、DEM数据和气象数据等,采用Sen趋势分析、MK显著性检验、CV稳定性分析、偏相关与多元回归分析等方法,分析毛乌素沙地植被NPP的时空变化规律,并定量分析气候变化对植被NPP的影响机制。结果表明:2001—2022年毛乌素沙地植被NPP年均值变化范围介于102.75~210.62 g·m^(-2)之间。整体上,植被NPP呈现波动上升趋势,但是存在明显差异。空间上,毛乌素沙地植被NPP年平均值为164.43 g·m^(-2),植被NPP呈增加趋势的区域分布在北部,呈减少的区域位于南部。在毛乌素沙地东部对植被NPP的影响中,辐射是主导因素之一;在西部与中部,温度和降水是主导因素之一。研究表明气候因素对毛乌素沙地植被NPP的变化有显著作用,其结果也为研究区的生态绿色建设与资源的开发提供科学依据。

基于层次分析法的毛乌素榆林沙区防护林健康评价体系研究

研究和建立防护林健康质量标准和评价体系,掌握毛乌素榆林沙区防护林健康状况,合理评价防护林健康状态对科学保护防护林资源和制定防护林可持续经营管理措施具有指导意义。以毛乌素榆林沙区防护林不同立地类型为研究对象,采用层次分析法,构建毛乌素榆林沙区防护林健康状况评价体系。结果表明:1)毛乌素榆林沙区防护林健康等级划分为5个,分别为健康(0.70~1.00)、微度退化(0.60~<0.70)、轻度退化(0.50~<0.60)、中度退化(0.40~<0.50)、重度退化(0~<0.40);2)毛乌素榆林沙区防护林健康状态总体偏低,属于轻度退化到中度退化,与实际调查结果基本相符。应加强毛乌素榆林沙区防护林的人为管护,减少人畜对防护林的破坏,以实现毛乌素榆林沙区防护林可持续发展与利用。

京津风沙源治理工程区土地利用/覆盖变化对生态系统水源涵养服务的影响

【目的】水源涵养服务是与人类关系最为密切的生态系统服务之一,也是评估区域生态环境效益的重要指标。本研究以水源涵养量为指标,探究京津风沙源治理工程实施的生态效益。【方法】采用区域土地利用/覆盖和气象数据,量化了2000−2018年土地利用/覆盖变化和同期水源涵养量动态,进而评估了土地利用/覆盖变化对水源涵养服务的影响。【结果】(1)京津风沙源治理工程区自西北向东南依次以草地、耕地、林地覆盖为主,水源涵养量自西北向东南递增;(2)2000−2018年,林地总体增加了14.22%,区域水源涵养量总体也呈现增加趋势,晋北山地丘陵区、燕山丘陵山地水源保护区、科尔沁沙地、鄂尔多斯高原和大兴安岭南部区等增幅相对较大;(3)区域生态系统水源涵养服务随不同时期、亚区分布和地类转换而存在差异,林地水源涵养服务量最高,且在各亚区均占主导地位;(4)2000−2010年,全区内草地向林地转移对水源涵养量增加的贡献最大,达49.32×10^(8) m^(3),大面积草地转为林地使大兴安岭南部区水源涵养量增加最为显著,达16.11×10^(8) m^(3);(5)2010−2018年,全区内仍是草地向林地转移对水源涵养量增加的贡献最大,达3.87×10^(8) m^(3),荒地开垦、造林、种草对涵养水源的贡献集中作用于鄂尔多斯高原南部区,增加了1.31×10^(8) m^(3),退耕还林和草地向林地转移对燕山丘陵山地水源保护区贡献最大,达1.84×10^(8) m^(3)。【结论】京津风沙源治理工程实施以来,退耕还林、荒地造林、草地治理等措施使研究区水源涵养服务有效提高,引起水源涵养量增加的土地利用/覆盖转移类型主要为未利用土地向林、草地转移和草、耕地向林地转移,地类转移对水源涵养量增加贡献最大的区域主要为大兴安岭南部区、燕山丘陵山地水源保护区和晋北山地丘陵区等东南部区域。区域土地利用/覆盖格局有待进一步优化,下一阶段的工程实施应当根据各区生态特点分区施策,因地制宜,对耕地水源涵养服务能力较弱区域实施退耕还林还草工程,对有必要保留的耕地改进水土保持耕作栽培措施,未利用土地面积较大区域根据水资源承载能力科学实施封沙育林育草或进行人工造林,并加强管护,使研究区高生态效益区持续稳步发展,低生态效益区重点治理,高效发展。

毛乌素沙地黑沙蒿水分利用效率环境调控:从叶片到生态系统

水分利用效率(WUE)是预测气候变化对生态系统碳、水循环过程的关键指标。以往研究多从单一观测尺度对WUE响应环境的变化进行探究,鲜有研究对不同观测尺度WUE如何响应环境进行论述,这限制了对跨尺度碳水循环的深入理解。本研究选取毛乌素沙地优势种黑沙蒿群落,于2022年6—10月,利用固定样地测定与原位连续监测方法对黑沙蒿的光合与蒸腾特征进行观测,分析黑沙蒿叶片、冠层和生态系统水分利用效率季节特征及其环境影响因素。结果表明:叶片水分利用效率(WUE_(L))与冠层水分利用效率(WUE_(T))和生态系统水分利用效率(WUE_(E))的季节变化差异明显。WUE_(L)在6月较大,在8、9月较小,波动范围为0.73~2.98μmol·mmol^(-1);WUE_(T)和WUE_(E)在6月最小,在7、8月最大,波动范围分别为0.10~7.00和0.06~6.25μmol·mmol^(-1)。WUE_(L)与气孔导度呈显著负相关;WUE_(T)与冠层导度和土壤含水量呈显著正相关,与饱和水汽压差呈显著负相关;WUE_(E)与10 cm土层土壤含水量(SWC_(10))呈显著正相关。结构方程模型表明,SWC_(10)和空气温度通过调节气孔导度影响净光合速率和蒸腾速率进而影响WUE_(L);饱和蒸气压差和SWC_(10)通过调节蒸腾速率对WUE_(T)产生影响;土壤含水量、空气温度和饱和蒸气压差通过调节生态系统总初级生产力对WUE_(E)产生影响。未来碳水循环的模型拟合应充分考虑环境因子对不同观测尺度WUE的影响路径与强度。

毛乌素沙地不同覆被类型土壤水分动态及其对降水的响应

[目的]分析不同覆被类型下土壤水分时空变化特征及对降雨的响应,探讨覆被类型对土壤水文的重塑过程,为优化毛乌素沙地植物覆盖类型和提高土壤水分的植被承载力提供科学依据。[方法]以陕西榆林市毛乌素沙地典型覆被类型草地、沙柳地和裸地为研究对象,通过全年原位试验监测和经典统计学分析相结合的方法,分析0—150 cm土壤水分动态及其对降水的响应。[结果](1)在全年尺度,受植被根系分布和耗水差异的影响,典型覆被类型土壤水分可分为稳定期(12月至次年2月)、积累期(3—5月)、消耗期(6—8月)和恢复期(9—11月),降水补给土壤水分主要发生在积累期和恢复期。土壤剖面水分表现出明显的空间分异,草地在20 cm较高,沙柳地在50 cm和150 cm处较高。草地主要利用深度0—50 cm的土壤水,沙柳主要利用50—100 cm的土壤水。(2)沙柳地和草地的土壤水分在浅层(0—50 cm)对降水的响应比裸地慢,深层(50—150 cm)则比裸地快。(3)降水补给深度与降水量呈显著正相关,而响应滞后时间与降水历时呈显著正相关(p<0.05)。[结论]植被类型、降水历时、降水强度、冻融过程影响着土壤剖面水分再分配,主导植被类型在降水格局变化下的演替。

毛乌素沙地生物土壤结皮对油蒿水分吸收的影响模拟

植物可利用水分是决定沙生灌木生长的主要因子,生物土壤结皮(简称生物结皮)在降雨期影响降水入渗,而在干旱期改变土壤蒸发,从而影响土壤水分分布,最终可能影响灌木水分吸收。然而,关于不同降水条件下生物结皮对灌木水分吸收和水分胁迫的影响机制认识不清。以油蒿为研究对象,基于试验数据和1990—2019年气象数据,采用数学模拟,定量研究了毛乌素沙地不同降水条件下生物结皮对土壤水分分布和油蒿水分吸收的影响,评价干旱期生物结皮对油蒿水分胁迫的影响。结果表明:与无结皮处理相比,生物结皮处理的土壤蒸发降低了5.1%;生物结皮改善了干旱期的土壤水分条件;生物结皮降低了植物水分胁迫的比例,平均降低比例为8.1%;生物结皮提高了植物水分吸收,平均增加比例为12.8%;生物结皮和对照植物水分吸收的比值随季节降水量的增加而降低,均值为1.13。综上,生物结皮的出现并未消极地影响沙生灌木的水分吸收。研究结果有助于理解生物结皮与灌木的共生或竞争关系。

典型沙生灌木生态系统凝结水量估算

当前对干旱半干旱过渡带生态系统凝结水量的估算及其年际变化的认识仍十分有限。本研究以宁夏盐池沙生灌木生态系统为对象,运用微型蒸渗仪、涡度相关(eddy covariance,EC)法和Penman-Monteith公式对凝结水进行测定和估算,以求探索涡度相关法和Penman-Monteith公式估算凝结水的准确性,并且分析凝结水季节和年际变化、其对生态系统水量平衡的贡献及降雨对凝结水的影响。结果表明:1)以微型蒸渗仪观测结果为对照标准,涡度相关法因在夜间存在严重的能量不闭合会造成凝结水严重低估,而Penman-Monteith公式可以较准确地估算凝结水量(R2=0.94,P<0.05);2)采用Penman-Monteith公式估算2012—2014年凝结水,日平均凝结水量为0.14±0.08mm,年平均凝结水发生天数为259 d/a,估算2012—2014年凝结水年总量分别为46、33和29 mm。凝结水多发生在夏秋季。2012—2014年降雨年平均量为301 mm。凝结水年均总量是平均降雨总量的12%。3)降雨时与降雨后一天凝结水成显著正相关关系(R2=0.81,P<0.05)。2012—2014年≥20 mm的降雨次数占全年总降雨次数百分比分别为10%、5%和3%,≥20 mm的降雨能够为空气提供较多水分,增加凝结水量。因此≥20 mm降雨次数占全年总降雨次数的百分比将显著影响当年凝结水总量。结果证实,虽然凝结水总量年际差异较大且占降雨的百分比较小,凝结水是维持荒漠生态系统功能的重要稳定水源。

毛乌素沙地樟子松人工林根内真菌网络动态特征及其对气候因子的响应

为揭示樟子松人工林根内真菌群落相互关系的动态特征,以毛乌素沙地樟子松人工林为研究对象,采用生态网络分析法,分析不同林龄(中龄、近熟和成熟)及其年内生长阶段(生长季初期、旺盛期和末期)樟子松根内真菌群落共现网络动态特征及其对气候因子的响应,得到如下结果。1)在不同林龄阶段,樟子松人工林根内真菌共现网络差异不明显;在不同生长季阶段,根内真菌共现网络差异明显,生长季旺盛期,根内真菌共现网络较为复杂。2)在不同林龄和不同生长季阶段,樟子松人工林根内真菌关键类群差异明显,主要包括地孔菌属(Geopora)、棉革菌属(Tomentella)、暗球腔菌属(Phaeosphaeria)、Neocucurbitaria和被孢霉属(Mortierella)等。生长季初期和末期关键类群为外生菌根真菌和腐生真菌,旺盛期为腐生真菌和病原真菌。中龄林关键类群为腐生真菌和病原真菌,成熟林为外生菌根真菌和腐生真菌。3)外生菌根真菌网络的主要影响因子为相对湿度(P<0.05),腐生真菌和病原真菌网络的主要影响因子为平均降水量和相对湿度。因此,毛乌素沙地樟子松人工林根内真菌网络在不同生长季阶段的动态变化强于不同林龄阶段,且生长季旺盛期共现网络的结构较复杂;根内真菌网络主要受平均降水量和相对湿度影响。腐生真菌对维持不同林龄和不同生长季阶段真菌网络的稳定性均有重要作用,在较大降水量和湿度的生长季旺盛期,关键类群为腐生真菌和病原真菌,对樟子松的生长和健康状况有着潜在的影响。

我国荒漠生态系统动物物种多样性保护价值估算

生物多样性保护作为生态系统的支持性基础功能,其价值评估受到普遍关注,但评价方法一直是困扰学界的主要问题。基于能值理论对我国荒漠生态系统动物物种多样性保护价值进行核算,并参考世界自然保护联盟(IUCN)物种濒危等级分级标准,计算引入濒危指数对动物物种由于其稀缺性得到的价值增值。结果显示,我国荒漠生态系统动物物种多样性保护总价值为35万1 000亿元,其中稀缺性价值为3万6 400亿元,哺乳动物保护价值占总价值的52.41%,鸟类保护价值占42.04%。结果表明,我国荒漠生态系统具有巨大的动物物种多样性保护价值,其价值分布趋势由东向西、由南向北递增。从研究范围内各省区的情况来看,新疆的动物物种多样性保护价值最高,为21万1 000亿元,青海、西藏、内蒙古、甘肃价值数接近,陕西、山西、河北、吉林、黑龙江、辽宁价值较低。

毛乌素沙地降水格局变化对油蒿木质部解剖特征的影响

探究不同降水处理对荒漠植物木质部解剖特征的影响,可以为理解未来降水格局变化下荒漠植物适应性和预测荒漠植被演替趋势提供理论依据。以毛乌素油蒿灌丛植被为对象,通过野外人工控制降水的方法,模拟半干旱气候区降水格局变化趋势,设置3个降水量梯度(减水30%、自然降水、增水30%)以及2个降水间隔梯度(降水间隔5d、降水间隔15d)开展双因素完全随机试验,监测油蒿木质部各个解剖特征参数对不同降水处理的响应。结果表明:(1)随着降水量减少,油蒿的导管数量显著增多,导管密度、导管壁厚度显著增大(P<0.05)。降水间隔时间延长将显著增加油蒿的导管数量、导管密度和平均导管直径(P<0.05)。降水量与降水间隔期对油蒿木质部解剖学特征影响的交互效应不显著。(2)降水量减少和降水间隔时间延长弱化了油蒿潜在最大导水率对导管直径的响应敏感度。(3)在降水量减少和延长降水间隔时间的背景下,油蒿可以通过调整木质部导管参数兼顾水分运输的安全与效率。本研究表明,通过改变木质部解剖学特征参数来适应降水格局改变是油蒿的重要耐旱策略,未来气候变化的大背景下,荒漠植物的水力特征变化需要综合考量降水量和降水间隔的双重影响。

2012–2016年宁夏盐池毛乌素沙地黑沙蒿灌丛生态系统通量观测数据集

干旱、半干旱区分布广泛,是陆地生态系统的重要组成部分,半干旱生态系统对全球碳水循环的长期趋势和年际变异具有重要的调控作用。已有关于陆地生态系统碳水循环的机理研究和数据产品研制大多关注森林、草原和农田等生态系统类型,针对沙地灌丛的研究仍相对较少,数据可利用性较低,制约着区域生态功能的准确评估和预测。自2011年起,采用涡度协方差法对黑沙蒿(Artemisia ordosica)灌丛生态系统碳水热通量开展了长期连续观测。该研究通过对2012–2016年原始数据进行通量计算、质量控制、缺失值插补和碳通量拆分等处理步骤,生成各时间尺度(半小时、日、月、年)生态系统碳水热通量观测数据集,同时整理并生成相对应的微气象数据集。数据集包括生态系统净CO_(2)交换(NEE)、总初级生产力(GPP)、生态系统呼吸(Re)、潜热通量(LE)和显热通量(Hs)以及相关微气象观测指标。数据集的有效数据占比和能量闭合程度分析表明:(1)质量控制后的有效NEE、LE和Hs半小时数据全年占比分别为56.23%–62.19%、79.40%–94.12%和77.56%–91.27%;(2)在年尺度和月尺度的能量平衡比率变化范围分别为0.78–0.83和0.59–1.19;(3)基于逐日数据,采用最小二乘回归(LE+Hs vs.Rn–G;Rn为净辐射,G为土壤热通量)分析能量闭合程度,不同年份间和不同季节间的回归斜率变化范围分别为0.73–0.79和0.73–0.92。上述结果表明,本数据集有效数据占比高,能量闭合程度处于合理范围,能够为不同时空尺度生态系统过程与功能研究提供较好的数据支撑。

毛乌素沙地油蒿叶性状对光能利用效率动态的影响

目前对于荒漠灌木光能利用效率(LUE)的季节变异及其调控因素,尤其是其生物调控因素的认识非常有限,导致了荒漠生态系统生产力模型的不确定性。拟验证假设:长期干旱环境下,典型荒漠灌木油蒿光能利用效率日均值(LUEday)的动态变化与叶片性状的季节性调整有关。试验采用Li-6400便携式光合仪定期测量了油蒿生长季叶片LUEday的季节动态及相关叶性状指标,探究叶性状对LUEday的影响。结果表明:LUEday的季节波动范围为0.003—0.017 mol/mol,整体变异系数(CV)为38.75%。完全展叶期LUEday均值相比生长季平均值降低17.37%,相比展叶期和落叶期时降低30%;8个叶性状的季节变异幅度差异较大,其中总叶绿素含量(Chl)、类胡萝卜素含量(Car)和叶氮含量(LNC)均表现出较大的季节变异性(CV≥20%),叶碳含量(LCC)和叶片相对含水量(LRWC)的变异程度最低(CV<7%)。LRWC与所有叶片化学性状(Chl、Chl a/b、Car、LNC和LCC)均存在显著相关,表明其变化与叶片的养分吸收、光合色素合成以及碳同化的运输过程密切相关;油蒿LUEday的相对变化与LRWC、Chl a/b和LNC显著正相关,而LRWC和LNC的季节动态受空气温度(Ta)和土壤含水量(VWC)的共同调节,Chl a/b的季节波动主要由浅层土壤含水量(10 cm VWC)控制。以上研究结果强调,在未来预计极端的气候事件(如极端干旱和持续热浪事件)发生更频繁的旱地场景中,时间尺度植物叶性状对于土壤干旱和高温的适应性调整应当被充分考虑到旱地生态系统的通量建模方案中。该结果将为构建叶片尺度的光合生理模型与厘清LUE的生物调控机制提供理论依据。

毛乌素沙地植被物候变化及其对气候的响应

【目的】探讨毛乌素沙地植被物候长期趋势特征和年际波动及其与气象因素的关系。【方法】本研究利用2001-2020年的MODIS MOD13Q1归一化植被指数(NDVI),在TIMESAT3.3软件中利用动态阈值法提取毛乌素沙地植被物候指标,包括生长季开始日期(SOS)、生长季结束日期(EOS)和生长季长度(LOS),分析SOS与EOS的长期趋势与年际波动的时间特征和空间分布特征,并利用偏相关性分析法探究其与气温和降水量的关系。【结果】(1)物候指标的多年均值表现出显著的空间变异:SOS平均在第(140±15)天(儒略日),从西到东以及从北向南逐渐提前;EOS平均在第(291±6)天,从北向南逐渐推迟;LOS平均在(151±18)d,从西到东以及从北向南长度逐渐延长。(2)物候指标在研究期内整体趋势:SOS呈现提前趋势(0.58 d/a);EOS呈现推迟趋势(-0.25 d/a);LOS呈现显著延长趋势(0.83 d/a)。物候长期趋势也表现出显著的空间变异,总体上由西向东逐渐变慢。(3)毛乌素沙地植被物候(SOS、EOS)的长期趋势与年际波动都受同样的气象因子影响。毛乌素沙地SOS的长期趋势与年际波动都与季前第一个月的温度与降水呈负相关,EOS的长期趋势与年际波动都与季前第一个月的温度与季前累计降水呈正相关。【结论】随经度和纬度的增加,毛乌素沙地SOS与LOS分别呈现提前和延长的趋势。SOS的提前和EOS的推迟导致LOS呈现延长的趋势,且西部区域LOS延长的速率高于东部区域;SOS与EOS的长期趋势与年际波动在降水较多的中东部地区主要受温度影响而分别提前和推迟,而在降水偏少的西部地区,SOS和EOS的长期趋势与年际波动主要受降水影响而分别提前和推迟。

湟水流域生态系统服务供需匹配关系

生态系统服务供需可以反映出区域生态经济发展协调水平,在空间上量化生态系统服务的供给和需求,识别生态系统服务的供需匹配关系,对区域生态系统可持续管理具有重要意义。湟水流域是西北生态屏障建设的重要组成部分,其生态系统服务供需平衡直接关系到青海东部地区的生态安全,为了识别流域生态系统服务供需匹配状况,综合集成多源数据,运用多种生物物理模型定量评估湟水流域食物生产、产水、土壤保持和碳固定服务,刻画流域内生态系统服务供需格局的空间特征,揭示各项生态系统服务供需的空间聚集模式,生成具有高度连通性的区域,为生态优先保护区划分提供参考。研究表明:(1)湟水流域生态系统服务供给和需求在空间分布上具有高度异质性,除去产水服务,其他三项生态系统服务整体上能够满足流域内部需求,但局部区域仍然呈现明显的赤字特征;(2)不同生态系统服务的供需比差异明显,由高到低依次为是碳固存(0.188)、食物生产(0.114)、土壤保持(0.026)和产水服务(-0.021),各项服务的供需比都具有显著的空间差异;(3)流域内生态系统服务供需的空间错配现象突出,除产水服务外,各项生态系统服务都有“高供给低需求”地区和“低供给高需求”地区,“高供给低需求”区主要分布在流域上游生态基底条件好的区域,“低供给高需求”区集中在流域中下游的河湟谷地;(4)土地利用类型影响生态系统服务供需平衡,流域实现供需平衡需要适度增加林草地比例,控制耕地和城市用地的扩张。研究系统分析了湟水流域生态系统服务供需盈亏状况,可为流域生态系统可持续管理与土地资源配置决策提供科学支撑。