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2021年 第32卷 第7期    刊出日期：2021-07-15

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2021, 32(7):  2274-2274. 

摘要 ( 113 )   PDF (488KB) ( 35 )  

主编观点

陆地生态系统环境控制实验的研究方法及技术体系

于贵瑞, 牛书丽, 李发东, 张雷明, 陈卫楠

2021, 32(7):  2275-2289.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.036

摘要 ( 787 )   PDF (5051KB) ( 192 )  

生物及生态系统与环境变化间的反馈关系及其过程机制是生态学研究的重要内容。不同类型的生物环境因素控制实验以及大尺度的联网野外控制实验被认为是认识生态系统响应和适应环境变化过程机制、精细定量表达的有效手段及认知过程的加速器。近年来发展了大型野外物理模拟实验装置网络(如ECOTRON)、生态系统分析与实验平台(AnaEE)、国际干旱实验研究网络(Drought Network)、氮沉降联合实验网络(Nutrient Network),以及基于各区域性生态观测实验站的联网控制实验(如USA-ILTER)。发展大陆尺度联网实验研究平台事业正日益受到学术界的重视,将会在认知生态系统环境响应过程机制方面发挥更重要的作用。基于以上背景,本文综述了生态系统环境控制实验的研究方法和实验体系的发展,明确指出各种类型的生物环境控制实验需要形成联合协作体系,共同解决生态系统对环境变化的响应及适应的基本科学问题。目前的控制实验包括: 1) 实验室封闭装置内的生物生理生态学控制实验;2) 野外实验场的半开放部分环境要素控制实验;3) 近自然状态的野外环境控制实验;以及4) 基于野外生态站的联网控制实验。进而,本文还深入讨论了陆地生态系统的环境响应及适应过程机制实验系统设计的发展趋势,分析了基于大尺度自然环境梯度实验及生态站尺度的要素控制实验的优势,提出了整合两种实验技术、发展新一代的野外联网实验体系的科学设想,讨论了基于野外联网控制实验的研究体系,论证了研究生态系统对环境变化短期响应和长期适应的规律和机制、生态系统环境响应定量表达的技术途径。若本文提出的控制实验体系设计方案能够得以实施,必将大大促进我国乃至全球生态系统和环境变化科学的研究水平,对我国应对气候变化和生态环境建设具有重要的科学意义。

研究论文

西南地区壳斗科物种丰富度和特有性分布格局模拟及其环境解释

张凤英, 廖梓延, 潘开文, 张萌, 赵玉林, 张林

2021, 32(7):  2290-2300.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.012

摘要 ( 574 )   PDF (3508KB) ( 56 )  

如何准确地模拟物种宏观丰富度格局和特有性中心是生物多样性保护工作的重点,也是生物地理学的热点话题。西南地区是我国壳斗科植物最丰富的地区之一,但物种多样性格局及环境驱动机制尚不清楚。本研究基于西南地区161种壳斗科植物7258个分布点位数据,利用点格局法和物种分布模型两种方式构建了物种丰富度、加权特有性指数和校正加权特有性指数的分布格局,并采用空间自回归模型(SAR)分析上述3个多样性指数与环境因子间的关系。总体上看,物种分布模型模拟的3个指数在空间上比点格局法更为连续,但数值高低分布情况具有相似性: 两种方式模拟的物种丰富度高值区主要分布在滇南边缘、桂北部和桂西南部地区(62～89种);加权特有性指数最大值集中在滇南和桂西地区(1.77～5.02);藏东南、秦岭-大巴山、桂西南部和滇东南地区具有最高的校正加权特有性指数(0.07～0.17)。SAR模型结果显示:最干月降雨量、温度季节性变化标准差、海拔变幅和土壤有机碳含量对物种丰富度的影响均显著,最干月降雨量、温度季节性变化标准差、潜在蒸散量和海拔变幅对加权特有性有着显著影响,温度季节性变化标准差、最干月降雨量、历史温度变化、增强型植被指数变异系数和海拔变幅对校正加权特有性的影响显著;SAR模型对物种丰富度、特有性指数和加权特有性指数的拟合效果(R²=0.857、0.733、0.593)分别优于普通线性模型(R²=0.689、0.425、0.422)。综上,水分可获得性、气候季节性、生境异质性、历史气候变化和土壤状况是制约西南地区壳斗科丰富度和特有性分布的最重要因素。滇南、滇东南、桂西南、桂西、秦岭-大巴山以及藏东南地区是壳斗科物种丰富度中心或特有性中心,应受到重点关注和保护。

喀斯特退化天坑阴坡阳坡壳斗科植物的功能性状特征

冯洁, 江聪, 税伟, 朱粟锋, 郭平平, 孙祥, 张永永, 刘橼锰

2021, 32(7):  2301-2308.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.021

摘要 ( 418 )   PDF (1018KB) ( 44 )  

喀斯特退化天坑的负地形生境中阴坡和阳坡的局域环境具有显著差异,导致植物群落类型差异明显。本研究以云南沾益退化天坑深陷塘为例,探究退化天坑阴坡与阳坡壳斗科植物功能性状特征,有助于揭示天坑的物种多样性保护库价值。结果表明: 阴坡土壤营养物质含量高于阳坡,阴坡壳斗科植物的叶面积、比叶面积和叶干重显著大于阳坡,叶厚度显著小于阳坡,叶干物质含量小于阳坡;阴坡壳斗科植物功能性状的主要环境影响因子是土壤全钾和土壤含水量,全磷是阳坡的主要环境影响因子。阴坡的叶功能性状变异程度小于阳坡,主要是以改变叶干重增加植物体内光合速率和碳积累能力的方式适应阴坡生境;阳坡通过保持较小比叶面积,增加叶面积变异程度来获得更多的资源。退化天坑深陷塘阴坡植物群落演替速度明显快于阳坡,壳斗科植物优势在阴坡逐渐减小,在阳坡仍是优势建群种。

基于几何形态分析的栎属白栎组叶片形态特征

苏蔚, 宋以刚, 祁敏, 杜芳

2021, 32(7):  2309-2315.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.001

摘要 ( 346 )   PDF (1325KB) ( 42 )  

以壳斗科栎属白栎组的5个种作为研究对象进行叶片几何形态学分析(GMMs)。选取了20个天然种群,共采集182个个体,887张叶片,对每张叶片采用几何形态学的标点法,数字化叶形态特征,使5个种的叶形态差异可视化。结果表明: 广义普氏分析可以有效地排除叶片位置和大小对叶片形状的影响。基于个体水平的主成分分析表明,槲树分别与槲栎和枹栎2个种的叶片形态差异明显,基于个体水平的典型变量分析表明,叶片的对称组分可以将槲栎与其他4个种准确区分。叶片非对称组分的多变量分析表明,5个种彼此间区别不明显。基于叶片水平的分析表明: 区分度较高的两组是槲栎vs.槲树(99.5% vs. 100%)和槲树vs.枹栎(99.0% vs. 100%),可以通过叶形准确区分;区分度略低的两组是白栎vs.枹栎(90.5% vs. 86.8%)和槲树vs.蒙古栎(85.1% vs. 82.9%)。本研究为存在频繁杂交渐渗的物种间叶型鉴定提供了新思路。

内蒙古大兴安岭森林可燃物燃烧释放PM_2.5中水溶性离子排放特性

张恒, 杨雨, 王柏杰, 萨如拉, 铁牛, 张秋良

2021, 32(7):  2316-2324.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.003

摘要 ( 273 )   PDF (1406KB) ( 24 )  

研究森林可燃物燃烧释放的细颗粒物(PM_2.5)的排放因子对于揭示森林火灾对大气和生态系统的影响至关重要,而水溶性离子是细颗粒物的重要化学成分,对颗粒物的形成具有重要意义。利用自主设计的生物质燃烧系统,模拟内蒙古大兴安岭5种典型乔木(蒙古栎、白桦、兴安落叶松、黑桦、山杨)的3种组成部分(树干、树枝、树皮)及其地表死可燃物(凋落物层、半腐殖质层、腐殖质层)以及3种典型灌木(平榛、二色胡枝子、兴安杜鹃)树枝燃烧,采用ISC1100离子色谱分析仪测定2种燃烧状态(阴燃和明燃)下PM_2.5中水溶性离子(Na⁺、NH₄⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、F^-、Cl^-、NO₃^-、NO₂^-、SO₄^2-)的排放因子。结果表明:乔木所有组成部分及其地表死可燃物和灌木树枝燃烧所排放PM_2.5中检测到的水溶性离子,阴燃以K⁺、Cl^-和Na⁺为主要组分,明燃以K⁺、Cl^-和SO₄^2-为主要组分。不同燃烧状态下相同乔木树种及其地表死可燃物和相同灌木排放PM_2.5中检测到的水溶性离子总量均存在显著差异。灌木树枝在阴燃期间PM_2.5中水溶性无机离子的排放因子比明燃更高。乔木释放的PM_2.5中阳离子与阴离子的比率为1.26,地表死可燃物为1.12,灌木为2.0,表明颗粒物呈碱性。内蒙古大兴安岭的森林大火不会通过释放水溶性离子导致生态系统的酸化。

不同烈度林火干扰下呼中国家级自然保护区森林各碳库储量的动态变化

贾钰宸, 常禹, 平晓莹, 常畅

2021, 32(7):  2325-2334.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.014

摘要 ( 323 )   PDF (2480KB) ( 40 )  

本研究通过FireBGCv2模型,模拟不同烈度林火干扰下未来100年呼中自然保护区森林各碳库的动态变化特征,以探究森林不同碳库对火干扰的响应规律,为保护区森林可燃物的管理提供科学依据。结果表明: 林火干扰显著降低了保护区森林碳储量,且林火烈度越大,碳储量降低越多。火干扰影响森林各碳库储量的变化,也改变了森林总碳库的分配特征。林火干扰对各碳库碳储量的影响表现为:林火干扰使活立木、半腐殖质层碳储量降低,使粗木质残体碳储量在模拟前、中期增加,在模拟后期降低,灌草碳库碳储量在模拟后期增加。林火烈度越大,活立木、灌草碳库碳储量越低,枯立木和粗木质残体碳库碳储量越高。林火干扰对总碳库分配的影响表现为:林火干扰后,灌草、枯立木、粗木质残体和土壤碳库占比增加,活立木、半腐殖层碳库在总碳库中的占比减小。林火烈度越大,灌草碳库占比越小,粗木质残体碳库占比越大,烈度对其他碳库占比影响较小。枯落物的周期性变化规律为: 20年达到高值,然后10年内降到低值,这一发现为确定森林可燃物处理的时间间隔提供了有力的依据,建议在大兴安岭地区每隔20年进行一次计划火烧,以合理保护该地区的森林资源。

透光抚育强度对小兴安岭“栽针保阔”红松林凋落物水文效应的影响

刘珽, 牟长城, 王亚辉, 杨智慧, 李轩男

2021, 32(7):  2335-2346.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.029

摘要 ( 293 )   PDF (1205KB) ( 97 )  

为了揭示“栽针保阔”及透光抚育在恢复东北温带地带性顶极植被阔叶红松林过程中对凋落物层水文效应的影响规律,采用样地调查法和室内浸泡法,同步测定小兴安岭山杨-红松林、白桦-红松林和蒙古栎-红松林(冠下栽植红松25～35年)在不同透光抚育强度(对照,轻、中、强度透光抚育)下的凋落物量、凋落物持水过程、最大持水量、最大拦蓄量和有效拦蓄量。结果表明: 透光抚育对3种林型凋落物蓄积量(7.32～15.58 t·hm^-2)影响不同,使蒙古栎-红松林(各强度)、山杨-红松林(轻、中度)及白桦-红松林(强度)分别显著提高24.3%～34.6%、15.3%～19.3%和27.1%。凋落物未分解、半分解层的持水量(W)、吸水速率(V)随浸泡时间(t)变化符合W=alnt+b(R²＞0.908)、V=ktⁿ(R²≥0.999)函数关系。各透光抚育(除强度透光抚育山杨-红松林外)使3种林型凋落物层最大持水量(17.86～45.12 t·hm^-2)、最大拦蓄量(16.10～34.19 t·hm^-2)和有效拦蓄量(13.42～27.42 t·hm^-2)分别显著提高30.1%～74.8%、27.4%～83.6%和26.7%～86.0%,且改变了各林型间凋落物层有效拦蓄量的差异。透光抚育显著增强了中期“栽针保阔”红松林凋落物层的水文生态功能,蒙古栎-红松林、山杨-红松林和白桦-红松林依次采取轻、中和强度透光抚育的效果最佳。

间伐强度对坝上樟子松林下持水能力的影响

吴雪铭, 余新晓, 陈丽华, 贾国栋, 邱云霄, 彭修文

2021, 32(7):  2347-2354.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.023

摘要 ( 220 )   PDF (1638KB) ( 40 )  

河北坝上地区地势复杂、气候条件较差,导致了水土流失和地质灾害的发生,使华北地区生态安全受到严重威胁。为了改善当地生态环境,樟子松、落叶松等耐贫瘠速生树种被大面积种植,然而不合理的植被密度会导致降雨的低效率利用。本研究以5种间伐强度(0、20%、40%、60%、80%)的樟子松林为对象,分析间伐强度对林下草本、枯落物、土壤各层以及整体持水能力的影响。结果表明: 草本层持水率变化幅度为47.7%～90.7%,且随着间伐强度增加持水能力整体呈减小趋势,间伐强度小于40%时减速较缓,之后迅速减小。随间伐强度的增大,枯落物未分解层、半分解层自然含水率和最大持水率均逐渐减小,而有效持水能力大小依次为60%>40%>20%>80%>0,且半分解层持水能力均优于未分解层。土壤持水能力随间伐强度的增强逐渐降低,间伐强度小于40%时对持水能力起促进作用。不同间伐强度下,林下总持水率是8.3%～14.3%,依次为20%>0>40%>60%>80%。 鉴于林下各层及整体变化,研究区内选择强度为20%的间伐措施能有效提高林下持水能力,实现更好的生态效益。

林分密度对马尾松林下植物与土壤种子库多样性的影响

张洋洋, 周清慧, 许骄阳, 陈继豪, 魏鸣, 何伟, 王鹏程, 晏召贵

2021, 32(7):  2355-2362.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.004

摘要 ( 362 )   PDF (956KB) ( 45 )  

林分密度是影响林下植物多样性的重要因子。本研究以马尾松人工林为对象,设置低密度(1575株·hm^-2,D₁)、中密度(2474株·hm^-2,D₂)和高密度(3550株·hm^-2,D₃)3个林分密度,分析林下植物和土壤种子库多样性及二者的关系,为马尾松人工林实现多目标可持续发展提供科学依据。结果表明: 3种林分密度林下草本与灌木植物共有42科62属70种,D₁密度以喜光植物种类分布较多,而D₂、D₃密度以耐阴植物为主;3种林分密度间的草本、灌木的Margalef (M)、Shannon (H)、Simpson (D)、Pielou (J_sw)、Alatalo (Al)指数均随林分密度增加而呈下降趋势,且在草本与灌木层中对密度的响应不同。在草本层中,D₁与D₃的H、D、J_sw、Al指数均存在显著差异;在灌木层中,不同林分密度J_sw和Al指数存在显著差异,H和D指数差异不显著。土壤种子库H、D、J_sw和Al指数均随林分密度增加呈先下降后升高趋势,D₁密度的物种丰富度及多样性最高;不同林分密度下土壤种子库Jaccard与Sorensen相似性系数均较低。草本层M与J_sw指数呈显著正相关;灌木层林分密度与H、D、J_sw、Al指数的相关性大于草本层,而草本、灌木层的林分密度与J_sw指数均呈显著负相关。林分密度1575株·hm^-2是马尾松林下植被生长发育较为合适的密度,能够维持林下植物多样性,有利于马尾松人工林的可持续经营。

关帝山云杉次生林树木更新与土壤养分的空间关联性

李璟, 周朵朵, 陈颂, 闫海冰, 杨秀清

2021, 32(7):  2363-2370.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.006

摘要 ( 309 )   PDF (2358KB) ( 27 )  

参照CTFS(Center for Tropical Forest Science)技术规范在山西关帝山4 hm²样地(GDS 样地)190个采样点进行调查,研究样地更新苗的分布,以及土壤有机质、有效氮、有效磷、有效钾等养分及pH值等14个土壤指标的空间格局,分析树木更新与土壤养分分布的空间关联性,探究云杉次生林树木更新格局的形成机制。结果表明: 土壤有效氮、有效钾、有效铜、有效铁、有效锰、有效镍及有效锌含量低的斑块中更新苗存活数量较多,且除有效钾外其他6个土壤养分因子与地径(GD)相对较大的Ⅱ(2.5 cm<GD≤4 cm)、Ⅲ(4 cm<GD≤5 cm)径级更新苗数量的负相关性高于Ⅰ级(0 cm<GD≤2.5 cm)更新苗,表明这些土壤养分对较大径级的更新苗分布影响更大,更新苗在存活过程中表现出对土壤更强的依赖性。GDS样地土壤呈偏弱酸性(5.5<pH<6.8),pH值的增大伴随着有效铝含量的降低,有利于树木的更新和存活。土壤有效氮、有效钾、有效铜、有效铁、有效锰、有效镍、有效锌、有效铝及pH值9个土壤因子对GDS样地树种更新分布影响的总解释量为19.7%。

中国成熟天然林土壤有机碳垂直分异特征

王深华, 江军, 刘丰彩, 俞梦笑, 陈洋, 许萍萍, 常中兵, 王应平

2021, 32(7):  2371-2377.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.007

摘要 ( 334 )   PDF (1989KB) ( 162 )  

以分布在中国不同气候区的131个成熟天然林土壤为研究对象,测定不同土层(0～10、10～20、20～30、30～50和50～100 cm)土壤有机碳(SOC)密度,分析其与气象因子、土壤性质的关系,研究天然林SOC垂直分布特征及其影响机理。结果表明: 温带针叶林、温带落叶阔叶林、亚热带落叶阔叶林和亚热带常绿阔叶林0～30 cm土层SOC密度均随土壤深度增加而降低。在0～100 cm土层,SOC密度地带性分异明显,温带针叶林SOC密度显著高于温带落叶阔叶林,亚热带常绿阔叶林SOC密度显著高于亚热带落叶阔叶林。SOC密度与土壤黏粒、年降水量以及地上净初级生产力呈显著正相关,与土壤pH和年均温呈显著负相关。年降水量与年均温调节天然林SOC输入与输出,土壤pH与黏粒影响天然林SOC积累,对成熟的天然针叶林与常绿阔叶林进行有效保护,有利于增加我国森林土壤碳库。

轮牧时间对荒漠草原土壤种子库特性的影响

刘进娣, 马红彬, 周瑶, 马菁, 沈艳, 李建平, 崔鸿娇, 彭文栋

2021, 32(7):  2378-2388.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.022

摘要 ( 208 )   PDF (1238KB) ( 54 )  

探讨季节性放牧下土壤种子库的特性对荒漠草原合理利用具有重要作用。以宁夏荒漠草原为对象,通过封育(FY)、传统时间轮牧(FG)、延迟开始轮牧(YG)、提前结束轮牧(TG)、延迟开始并提前结束轮牧(YT)和自由放牧(ZY)处理,研究了0～5、5～10、10～15 cm土层土壤种子库物种组成、种子库密度、垂直分布、多样性及其与地上植被的关系,探讨了种子库与土壤环境因子的关系。结果表明: 研究区土壤种子库物种组成共有9个科21个种。土壤种子库物种组成以TG种子库种类最多,达13种,而FY和ZY土壤种子库种类最少,各8种。ZY土壤种子库密度显著高于FY、YG、TG、YT;FY的土壤种子库中多年生植物种子数量最多,达32.0%;ZY种子库中多年生植物种子数最少,仅为12.4%,主要以有性繁殖的一年生杂类草种子为主;土壤种子库主要集中于0～5 cm表层土壤,随着土层深度的增加,土壤种子库大小降低。土壤种子库的优势度和多样性均以FY最高,优势度、多样性和均匀度均以ZY最低。土壤种子库与地上植被的相似性总体较低,相比之下FG及ZY种子库与地上植被相似性较高,FY最低。土壤水分、有机质、全氮、全磷、土壤容重是影响土壤种子库的主要土壤因子。与传统全年自由放牧相比,季节性四区轮牧能使荒漠草原土壤种子库多年生植物种类、密度以及种子库物种丰富度、多样性和均匀度增加,虽作用不及长期封育草地,但对荒漠草原的利用与保护具有重要意义。

降水变化与氮添加对晋北盐碱化草地土壤净氮矿化的影响

王岩, 刁华杰, 董宽虎, 王常慧, 赵威

2021, 32(7):  2389-2396.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.009

摘要 ( 265 )   PDF (1640KB) ( 73 )  

于2018年在晋北典型农牧交错带盐碱化草地设置增减降水和氮添加处理试验, 2019年生长季(5—9月)采用原位顶盖PVC埋管法测定不同水、氮处理下土壤净氮矿化速率,研究盐碱化草地土壤净氮矿化速率对降水格局变化和氮沉降的响应。结果表明: 土壤净氮矿化速率表现出明显的季节动态。单独增减降水(±50%)和氮添加(10 g·m^-2·a^-1)以及氮添加+增加50%降水处理对土壤净氮矿化速率影响不显著,氮添加+减少50%降水处理显著提高土壤净硝化速率和净氮矿化速率,分别提高10.8和8.6倍。土壤净氮矿化速率与土壤含水量呈显著正相关,与土壤pH值呈显著负相关。氮添加在不同降水条件下对晋北盐碱化草地土壤氮矿化速率的影响存在差异,土壤含水量与pH值是晋北盐碱化草地土壤净氮矿化速率的主要影响因素。因此,全面评估草地土壤氮矿化过程对全球变化的响应模式,需要考虑降水格局变化与氮沉降增加的交互作用,以及盐碱化草地土壤理化性质的特殊性。

干湿交替对红河干旱河谷区土壤优先流形成特征的影响

万艳萍, 赵洋毅, 段旭, 王克勤, 朱梦雪, 卢华兴, 涂晓云, 杜云祥

2021, 32(7):  2397-2406.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.011

摘要 ( 257 )   PDF (2027KB) ( 21 )  

为明确干旱河谷气候区干湿交替作用对土壤优先流形成的影响,本研究以红河干旱河谷区的荒草地为对象,通过模拟干湿交替的方法,基于染色示踪和水分穿透曲线试验并利用图像处理技术,对比分析模拟前后土壤优先流特征的差异性规律。结果表明: 模拟干湿交替条件下基质流发生区在0~10 cm土层,染色深度高达35 cm,其优先路径的水平宽度仅为3～10 cm,且染色面积曲线波动小。模拟干湿交替条件导致土壤稳定出流速率、大孔隙数量和大孔隙率明显增加,在0~20 cm土层,实施干湿交替后的土壤稳定出流速率较非干湿交替条件高约0.27 cm³·s^-1,染色区的大孔隙数量增加约1.4倍,大孔隙率则高13.4%。大孔隙数量与稳定出流速率呈极显著正相关,模拟干湿交替后大孔隙数量从大到小依次为: 0.6～0.8 mm＞0.8～1.0 mm＞1.0～1.5 mm＞1.5～2.0 mm＞2.0～3.7 mm,非干湿交替条件下为: 0.8～1.0 mm＞0.6～0.8 mm＞1.0～1.5 mm＞2.0～3.7 mm＞1.5～2.0 mm。各孔径范围的大孔隙数量与染色面积比呈极显著相关关系,经过模拟干湿交替处理后,其相关性增大,且影响优先流发生的主导因素由孔径1.5～2.0 mm的大孔隙数量变为孔径0.8～1.0 mm的大孔隙数量。干湿交替作用会通过影响大孔隙特征进而导致土壤更易发生优先流且程度增强。

毛乌素沙地油蒿-杨柴灌丛生态系统蒸散组分分配及其影响因子

魏宁宁, 母艳梅, 姜晓燕, 贾昕, 高圣杰, 蒋燕, 靳川, 韩聪, 查天山

2021, 32(7):  2407-2414.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.015

摘要 ( 220 )   PDF (2260KB) ( 104 )  

蒸散发(ET)是生态系统水分循环和能量流动的重要组成部分,准确估算ET及其各组分,对认识生态生理过程对水分平衡和植物水分利用策略的影响具有重要意义。本研究于2019年5月20日至9月15日,利用涡度相关技术和微型蒸渗仪对毛乌素沙地油蒿-杨柴灌丛生态系统ET、蒸发(E)和蒸腾(T)进行测定和估算,量化了油蒿-杨柴灌丛生态系统ET组分,并分析ET及其组分的季节特征及影响因素。结果表明: T为毛乌素沙地油蒿-杨柴灌丛生态系统生长季ET的主要组分,T/ET为53.1%。T/ET值随降水减少而升高,E/ET值随降水减少而减少,蒸散组分分配主要受降水调控。在季节尺度上,E与10 cm深处土壤含水量(SWC₁₀)和太阳净辐射(R_n)呈显著正相关,其中,SWC₁₀是E的主要影响因素;T随R_n和叶面积指数(LAI)的升高而升高,随30 cm处土壤含水量(SWC₃₀)的升高呈先升高后降低的单峰趋势,受到SWC₃₀、R_n和LAI的共同影响;水分是ET的主要影响因素。生长季蒸散/降水量(ET/P)为109.2%,5月ET/P为250.5%,表明生长季初期ET耗水部分来自非生长季降水。

青藏高原草地产量与草畜平衡变化

莫兴国, 刘文, 孟铖铖, 胡实, 刘苏峡, 林忠辉

2021, 32(7):  2415-2425.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.002

摘要 ( 391 )   PDF (5482KB) ( 84 )  

深入了解青藏高原草地生产力与草畜平衡状态的变化,是青藏高原生态屏障建设和生态环境保护的基础。利用遥感植被指数和叶面积指数产品,基于VIP生态水文过程模型,模拟分析了青藏高原2000—2018年间草地生产力的时空格局,并结合同期农牧业统计资料,分析了青藏高原县域尺度草畜平衡状态的变化。结果表明:青藏高原草地多年平均净初级生产力(NPP)为158.4 g C·m^-2·a^-1;近20年来草地生产力上升趋势明显,显著上升面积的比例为44.7%。气候变暖、降水量增加、草本植物生长期延长和大气CO₂浓度升高是青藏高原草地生产力提高的主要驱动因素。基于草场产量估算的青藏高原平均理论载畜量为1.17 SU·hm^-2,年增长率为0.011 SU·hm^-2。2000年以来青藏高原草地超载情况总体趋于好转,严重超载县的面积比例已降至20%以下,其中超载程度较严重的地区,畜牧业的维持和发展主要依靠作物秸秆补饲。研究结果可为区域农牧业结构调整和生态环境保护提供科学依据。

若尔盖高寒草本沼泽木里薹草叶片碳氮磷化学计量特征对水位下降的响应

赵丽, 马骁, 刘宏强, 熊银洪, 郭雪莲, 李丽萍, 董李勤, 张昆

2021, 32(7):  2426-2432.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.005

摘要 ( 245 )   PDF (1314KB) ( 41 )  

2020年6—9月,以若尔盖高原纳勒乔沼泽水位下降模拟控制实验平台为依托,在若尔盖县纳勒乔沼泽原位切割1 m×1 m原状土块,原位抬升20 cm,原位模拟水位下降20 cm,研究湿地植物木里薹草碳氮磷化学计量特征对水位下降的响应。结果表明: 在整个生长季,木里薹草叶片C含量没有显著变化,N、P含量随着生长季的推移逐渐下降。水位下降后,叶片C含量在生长季的变化并不一致,在生长初期、中期水位下降导致C含量增加,生长旺期无显著变化;叶片N含量对水位下降的响应为显著升高,叶片P含量则显著降低。叶片C∶N、C∶P、N∶P在整个生长季内均表现为随季节变化而上升,木里薹草的相对生长速率与叶片C∶N呈显著正相关,与C∶P和N∶P呈显著负相关。水位下降后,叶片C∶N显著降低,C∶P和N∶P显著上升,导致木里薹草的相对生长速率显著降低。水位下降后,叶片P含量降低是木里薹草单叶质量和比叶重下降的主要调控因子。

放牧强度对华北农牧交错带典型草地土壤化学计量特征的短期影响

郑慧, 薛江博, 桂建华, 秦加敏, 郝杰, 陈晓鹏, 王常慧, 董宽虎

2021, 32(7):  2433-2439.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.008

摘要 ( 410 )   PDF (1849KB) ( 64 )  

放牧是天然草地的主要利用方式之一,不同放牧强度可能通过影响家畜的选择性采食、凋落物输入和微生物的组成及结构等影响草地土壤化学计量特征。本研究通过在华北农牧交错带典型草地一个连续3年(2017—2019年)的生长季放牧试验,测定了土壤全碳(TC)、全氮(TN)、可溶性有机碳(DOC)和可溶性氮(DN)含量,以及土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN),分析这些参数间的化学计量特征,研究放牧强度对该地区草地土壤计量化学特征的影响。结果表明: 连续3年不同强度的放牧(1、2、4 sheep·0.2 hm^-2)对土壤TC含量没有显著影响,2019年中度放牧显著降低了10～20 cm土层中TN含量,轻度、中度和重度放牧显著提高10～20 cm层土壤的C/N。连续3年不同强度的放牧对土壤DOC、DN含量以及DOC/DN均没有显著影响,而DOC和DN含量在2019年呈现出随放牧强度增加而减少的趋势,表明持续高强度的放牧可能会引起土壤可溶性养分减少。随着放牧年限的增长,轻度放牧显著增加了土壤MBC,重度放牧显著降低了土壤MBC,而土壤MBN及MBC/MBN在不同放牧强度下变化不显著。

粤北低山林地改建梯田对土壤碳、氮、磷及其化学计量特征的影响

王超, 董玉清, 卢瑛, 李博, 唐贤, 邱竞驰, 胡家帅

2021, 32(7):  2440-2448.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.024

摘要 ( 310 )   PDF (1623KB) ( 36 )  

为了阐明土地利用方式转变对土壤碳、氮、磷及其化学计量特征的影响,以粤北低山区4种土地利用方式:自然林地、坡地果园、旱作梯田和稻作梯田为研究对象,探索20年生林地向梯田转变后土壤有机碳(OC)、全氮(TN)和全磷(TP)的含量、储量及化学计量变化特征。结果表明: 土地利用转变明显改变了土壤碳、氮、磷含量和化学计量特征,随着土壤深度增加,旱作梯田和稻作梯田OC、TN含量呈显著下降趋势,自然林地和坡地果园呈“V”字型变化趋势,4种土地利用方式TP变化趋势不明显。土壤剖面OC含量以稻作梯田最高,均值为12.36 g·kg^-1,其次为林地(10.32 g·kg^-1)和旱作梯田(8.80 g·kg^-1),坡地果园最低(5.96 g·kg^-1);TN含量表现为稻作梯田(1.01 g·kg^-1)>旱作梯田(0.78 g·kg^-1)>林地(0.66 g·kg^-1)>坡地果园(0.33 g·kg^-1);TP含量以旱作梯田(0.71 g·kg^-1)最高,坡地果园(0.22 g·kg^-1)最低。4种土地利用方式土壤C∶N为8.87～22.94,以坡地果园土壤最高;C∶P为8.73～81.74,N∶P为0.77～5.13,均以林地土壤最高。土地利用方式、土壤深度及两者交互作用显著影响土壤碳、氮、磷及其化学计量特征,而土壤容重、pH值和黏粒含量也是重要的影响因素。研究结果可为粤北低山林地的土地利用和梯田生态系统的合理施肥提供科学依据。

基于多尺度标记优化分水岭方法的油茶冠幅提取

吴炅, 彭邵锋, 蒋馥根, 唐杰, 孙华

2021, 32(7):  2449-2457.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.010

摘要 ( 239 )   PDF (5227KB) ( 52 )  

针对尺度对地物空间结构的限制以及传统分水岭分割易产生树冠过分割等问题,选择长沙县明月村油茶基地为研究区,提出一种基于多尺度标记优化分水岭分割油茶树冠的方法。首先使用高分辨率无人机影像采集图像,分析影像特征,构建油茶分类体系,提取油茶林分布区域。其次,运用多尺度区域迭代增长方法提取树冠标记,将标记应用于多阈值尺度的分水岭变换,并结合Johnson指数选取树冠标记增长和分水岭阈值的最优尺度,实现油茶单木的准确识别。结果表明:多尺度标记优化分水岭方法在分离油茶单木时,树冠面积提取值与目视解译参考值的相对误差为9.4%;单木总体识别精度为89.4%,相对于传统的分水岭分割方法精度提高了34.8%;通过Johnson指数确定的最优迭代增长尺度为20,分水岭分割阈值尺度为85,对比不同尺度组合下的油茶冠幅提取结果,最优尺度下的油茶冠幅提取精度最高(R²=0.75)。多尺度标记优化分水岭方法能较准确地分离油茶树冠,将该方法应用于无人机影像树冠分割,可有效提高经济林调查的效率。

果树树冠遮阴对间作冬小麦籽粒灌浆的影响

张雯, 韩守安, 王敏, 阿力木江·奥布力, 潘明启, 艾尔麦克·才卡斯木, 张平, 谢辉

2021, 32(7):  2458-2468.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.028

摘要 ( 323 )   PDF (2374KB) ( 28 )  

果树-小麦间作模式是新疆南疆地区的主要农业种植模式。试验以扁桃-冬小麦(新冬20)间作模式为对象,通过主干分层形(DC)、小冠形(SC)、开心形(OC)和高干形(HS)4个树形和3个间作距离(分别距树干距离1.5、2.5和3.5 m)共同营造不同果树树冠遮光处理,以单作小麦为对照,对不同处理下冬小麦灌浆期环境因子、籽粒灌浆特性进行测定,对灌浆特征参数与千粒重和环境因子的相关关系进行分析,旨在为新疆南疆果粮间作树形的选择和优化提供理论依据。结果表明:树冠遮光导致小麦冠层上方光合有效辐射强度(PAR)、红光/远红光(R/FR)和温度显著降低,湿度显著提高,变化程度受树形和间作距离的共同影响,4个树形对应间作区域PAR降幅均为DC＞OC/HS＞SC,除HS外,同一树形不同间作距离PAR降幅均表现为1.5 m＞2.5 m＞3.5 m,PAR降幅分布范围为35.5%～86.6%。采用三次多项式方程拟合籽粒灌浆过程,对籽粒灌浆参数与籽粒重量的相关性分析表明,小麦千粒重的降低与平均灌浆速率(V)、最大灌浆速率(V_max)、有效灌浆持续期(S_e)和有效灌浆持续期平均灌浆速率(V_s)的下降密切相关。灌浆特征参数与环境因子的相关性分析表明,S_e缩短、V降低主要是由小麦冠层入射PAR强度的下降导致的。果粮间作模式下,树冠遮阴使PAR强度降低,干物质积累量减少、S_e下降,最终导致间作小麦千粒重降低,当间作距离大于75%树高、遮阴强度≤自然光强的35.5%时,间作可以通过延长有效灌浆持续期,提高小麦千粒重。

长期施磷对玉米-小麦轮作系统作物产量和磷素吸收及土壤磷积累的影响

吉庆凯, 王栋, 杨文宝, 韩彦茹, 马文奇, 魏静

2021, 32(7):  2469-2476.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.026

摘要 ( 241 )   PDF (1378KB) ( 31 )  

本研究利用位于河北省保定市的7年田间定位试验,探讨了4个磷水平(不施磷、70%优化施磷、优化施磷、130%优化施磷)对玉米-小麦轮作系统作物产量的影响,分析了作物磷素吸收和磷肥利用效率以及土壤磷盈亏的变化。结果表明: 长期(7年)施磷能够显著提高玉米和小麦产量及磷素吸收量,且玉米和小麦产量与磷素吸收量随着施磷量的增加均呈现先上升后下降的抛物线变化趋势。各施磷水平下玉米季磷肥利用率高于小麦季,小麦季磷肥累积利用率呈现下降趋势,下降速率表现为优化施磷>70%优化施磷>130%优化施磷;玉米季磷肥累积利用率均呈现上升趋势,上升速率表现为优化施磷>70%优化施磷>130%优化施磷。长期不施磷条件下土壤表观磷盈亏量和累积磷盈亏量都表现为亏缺状态,施磷条件下土壤磷表现为盈余,且施磷量越高,累积年限越长,土壤磷盈余量越高。河北潮土在秸秆还田条件下小麦施磷量在105～150 kg·hm^-2,玉米施磷量在63～90 kg·hm^-2时,既能保证作物高产,又能使磷肥利用率保持在较高水平,减少磷素在土壤中的累积,降低环境风险。

炭疽病对山西晋北饲用燕麦地上部碳氮磷化学计量学特征的影响

高鹏, 刘琳, 李瑶, 张丽红, 魏江铭, 赵祥, 杜利霞, 韩伟

2021, 32(7):  2477-2484.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.027

摘要 ( 247 )   PDF (1092KB) ( 27 )  

C、N、P化学计量学特征有助于了解植物生长过程中的碳同化能力和养分元素的利用效率,并诊断限制性元素,但病害对植物化学计量特征影响的研究尚缺乏报道。本研究以山西晋北罹患炭疽病的饲用燕麦为对象,测定了不同发病程度植株地上部C、N、P含量及化学计量值,并初步探讨了其与病害发生持续时间、品种和种植模式之间的关系。结果表明: 随着发病程度增加,C、N、P含量呈下降趋势,其中重度发病植株的C、N、P含量分别较健康植株显著降低了5.4%、20.0%、24.2%;C∶N和C∶P呈升高趋势,其中重度发病植株的C∶N、C∶P较健康植株显著增加了18.5%和22.2%。不同采样点的发病程度对C含量均未造成影响,表明3种饲用燕麦品种具有一定的耐病保产能力;但N、P的化学计量值存在地点间变异,采样点病害持续时间越长,N、P的损失越严重。与单播燕麦相比,炭疽病降低了混播燕麦对P的利用优势。总之,炭疽病对晋北饲用燕麦碳同化能力造成一定程度的负面影响,加重了植株地上部受N、P养分限制的程度,但显著提高了N、P的利用效率。生产实践中需采取必要的防治措施,减轻病害对饲用燕麦经济收益和生态功能的不利影响。

不同技术迭代对太子参连作障碍的消减效果及作用机制

焦艳阳, 林煜, 蔡昭莹, 吴蕙明, 杨娟, 吴红淼, 林生, 林文雄

2021, 32(7):  2485-2495.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.037

摘要 ( 302 )   PDF (3901KB) ( 42 )  

太子参是一种以根部入药的传统中药材,其在人工单一集约化种植过程中表现出严重的连作障碍现象。为了探索有效克服这一问题的技术方法,本研究以太子参为材料,通过种植太子参后采用休耕(RP-F-RP)、休耕配施专用微生物菌肥(RP-F-BF)、淹水(RP-WF)、淹水落干后配施专用微生物菌肥(RP-WF-BF)4种技术迭代处理组合,并以新植太子参(正茬)为对照,研究不同技术迭代处理方式对连作下太子参土壤环境修复和太子参光合生理和产量形成的影响及其作用机制。结果表明: 4种模式中,只有淹水配施微生物菌肥模式能够分别恢复重茬一年和重茬两年太子参产量至正茬的90%和70%以上,其他模式未能显著提升重茬太子参的产量。淹水配施微生物菌肥(RP-WF-BF)处理的太子参多糖和总皂苷含量分别比正茬显著提升15.3%和16.5%,且根际有益微生物丰度普遍升高而病原菌丰度显著降低,根际土壤氮循环过程得到改善,相较于休耕模式(RP-F-RP),RP-WF-BF技术处理后的太子参根际土壤中氮循环相关基因AOB、nosZ和nirK含量分别提高9.31、1.24和1.00倍,土壤酸化程度得到缓解,太子参抗氧化酶系统稳定性增强,苗期及膨大前期叶片的生长发育改善,叶绿素含量、叶面积指数和光合作用速率显著提升,最终使产量及品质得到明显提升。研究发现,单独淹水(RP-WF)和单独微生物菌肥(RP-F-BF)处理未能显著消减太子参的连作障碍,但两者叠加(RP-WF-BF)能产生“1+1>2”的强化效应,表明合理的技术迭代组合可以更好地消减连作障碍。

外源褪黑素对高温胁迫下菊花光合和生理特性的影响

齐晓媛, 王文莉, 胡少卿, 刘梦雨, 郑成淑, 孙宪芝

2021, 32(7):  2496-2504.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.025

摘要 ( 349 )   PDF (4352KB) ( 108 )  

以切花菊品种‘神马'为试材,研究外源褪黑素(MT)对菊花抗高温胁迫的影响。将供试菊花叶面喷施200 μmol·L^-1的MT后,进行40 ℃(昼)/35 ℃(夜)高温胁迫,观察菊花叶片叶绿体和内囊体超微结构,测定光合和生理指标。结果表明:与常温对照(CK)相比,高温胁迫下菊花叶片叶绿体和类囊体受损,叶绿素含量和最大荧光(F_m)显著降低,OJIP曲线发生变化,K点和J点荧光升高,净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)、气孔导度(g_s)均显著降低,胞间CO₂浓度(C_i)均显著增加;相对电导率(REC)、丙二醛(MDA)、活性氧(ROS)、渗透调节物质含量和抗氧化酶活性显著增加。外源喷施MT可维持高温胁迫下植株叶绿体和类囊体结构的完整性,明显降低OJIP曲线中K点和J点上升的幅度,F_m、P_n、g_s、T_r和光合色素含量显著提高,C_i显著下降,缓解了高温胁迫对菊花光合和荧光作用的抑制。同时,外源喷施MT处理显著降低了高温胁迫下菊花REC、MDA和ROS含量,增强了菊花叶片中渗透调节物质含量和抗氧化酶活性。可见,外源MT可通过保护菊花叶片叶绿体结构的完整性,增强光合作用,抑制高温胁迫下菊花植株体内ROS的过度产生,提高抗氧化酶系统的活性,降低膜质过氧化水平和保护脂膜的完整性,从而提高菊花植株抗高温胁迫能力。

基于地基激光雷达的落叶松人工林枝条因子提取和建模

张颖, 贾炜玮

2021, 32(7):  2505-2513.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.034

摘要 ( 258 )   PDF (1085KB) ( 43 )  

地基激光雷达(TLS)可以实现从森林中无破坏收集数据。本文基于地基激光雷达数据通过点云处理软件以人机交互的方式获取了26株落叶松样木的1266组枝条信息,包括着枝高度、弦长、枝长、着枝角度、基径和弓高。枝条可提取的最大相对着枝高度的平均值为0.83。在所提取的枝条因子中,提取精度依次为着枝高度＞弦长＞枝长＞基径(基径大于20 mm的枝条)＞弓高,将树冠分为4部分后分析发现,随着冠层高度的增加,枝条密度呈升高趋势,枝条提取率和提取精度呈下降趋势。此外,由于枝条基径提取精度较低,以弦长、着枝高度、胸径和树高为自变量构建基径预测模型。对不同基径的实测值、提取值与模型预测值对比分析发现,枝条基径的预测精度大于提取精度。对于造材来说,最有价值的部分是树木中下部,本方法能够较准确地提取树木胸径树高和相对着枝高度0.8以下的枝条属性信息,提供构建木材质量模型所需要的参数。

气候变化情景下祁连圆柏在青海省的适宜分布区预测

张伟萍, 胡云云, 李智华, 冯雪萍, 李登武

2021, 32(7):  2514-2524.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.030

摘要 ( 312 )   PDF (1919KB) ( 93 )  

祁连圆柏具有良好的水土保持功能,是青海省高寒干旱地区造林绿化的优良乡土树种之一,预测未来气候变化情景下祁连圆柏在青海省的潜在地理分布将为祁连圆柏的经营管理和引种栽培提供理论指导。本研究基于实地调查和资料搜集获得88个有效地理分布样点,利用Maxent模型和ArcGIS空间分析技术对当前气候条件下祁连圆柏在青海省的潜在地理分布进行模拟,综合Jackknife检验和相关系数,分析影响祁连圆柏潜在分布的主导限制因子,同时结合第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)的气候模式数据,预测祁连圆柏在3种(SSP126、SSP245、SSP585)气候变化情景下2061—2080年潜在适生区的变化。结果表明:Maxent模型受试者工作特征曲线下面积(AUC)都大于0.92,具有较好的预测能力。在当前气候条件下,祁连圆柏的适宜分布区主要位于青海省东部,总适宜区面积占比为11.2%,影响其地理分布的主导因子是海拔、年均降水量、极端最低温和坡度,累计贡献率为85.9%。未来3种气候情景对祁连圆柏适宜区的影响存在差异,SSP245气候情景的适宜区面积将会缩减,SSP126和SSP585气候情景下则会不同程度地扩张,SSP126气候情景的扩张最明显,其扩张区域主要位于泽库县、河南蒙古族自治县中北部和祁连县东南部地区。在未来3种气候情景下,祁连圆柏适宜分布区逐渐向高海拔地区迁移,但在经纬度方向分布变化较小,适宜区总体稳定。

基于MaxEnt模型的川西高原松茸气候生态适宜性与潜在分布

王庆莉, 王茹琳, 张利平, 韩玉江, 王明田, 陈慧, 陈娟, 郭斌

2021, 32(7):  2525-2533.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.013

摘要 ( 321 )   PDF (3519KB) ( 111 )  

通过野外实地调查,结合文献中松茸分布数据,采用生态位因子分析和最大熵模型对川西高原松茸的分布规律及适生区范围进行模拟和验证,分析气候因子与动态分布之间的关系,预测未来松茸适生区的变化。结果表明: 模型训练集和验证集曲线下面积(AUC)值均＞0.90,模型预测结果极准确。影响松茸潜在分布的环境变量主要有最冷月最低温度、最冷季雨量、气温年温差等气候因子和土壤类型,累计贡献率达90.3%。松茸适宜分布区的生态位参数为: 最冷月最低温度-18.5～-5.4 ℃、最冷季雨量15.7 mm以下、气温年温差39.5～45 ℃、土壤类型为半淋溶土(包括燥红土、褐土、灰褐土、黑土和灰色森林土)。川西高原松茸的适生区分布在高原西南部、南部、中部、东部的海拔1900～3600 m地区。雅江、乡城、康定、九龙、稻城、理塘、巴塘、丹巴、马尔康、小金、金川、理县、茂县等县(市)的部分乡镇松茸适生指数较高,得荣、道孚、新龙、炉霍、白玉、泸定、壤塘、汶川、黑水、九寨沟等县(市)的部分乡镇有松茸中、低适生区存在。适生区破碎分散,依河流和山脉走向呈片状或枝状不连续分布,中适生区与高适生区相连,低适生区是高、中适生区的延伸。未来气候变化对川西高原松茸生长有利,气候适生区总体呈增加趋势,低海拔岷江流域受影响程度高于高海拔地区。

温度植被干旱指数在蒙古高原干旱监测中的应用

康尧, 郭恩亮, 王永芳, 包玉龙, 包玉海, 那仁满都拉

2021, 32(7):  2534-2544.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.018

摘要 ( 294 )   PDF (4692KB) ( 40 )  

以蒙古高原为研究区,选择2000—2019年植物生长季的MODIS归一化植被指数(NDVI)和陆地表面温度(LST)构建NDVI-LST特征空间,由该特征空间计算蒙古高原温度植被干旱指数(TVDI);利用Theil-Sen Median趋势分析、Mann-Kendall检验及Hurst指数方法分析蒙古高原TVDI的时空变化特征和未来的变化趋势,利用偏相关分析法探究气象因子与蒙古高原TVDI之间的关系。结果表明: 2000—2019年,蒙古高原TVDI以0.0001·a^-1呈增大趋势,期间,蒙古高原的干旱情况小幅加重,其中,草甸草原和典型草原干旱情况逐渐减轻,而荒漠草原和高山草地干旱情况加重。蒙古高原TVDI的Hurst指数均值为0.45,小于0.5的地区面积占比为71.5%,说明大部分地区2000—2019年的TVDI变化趋势与过去相反。中部的荒漠草原地区和东部的草甸草原地区未来干旱情况可能加重;典型草原的大部分地区以及内蒙古境内的荒漠草原未来干旱可能减轻;高山草地地区的干旱变化无法确定。蒙古高原有33.6%的地区TVDI与气温呈显著正相关,34.8%的地区TVDI与降水量呈显著负相关,其中,典型草原受气象因子的影响最显著。

赣江中上游地区土地利用变化空间分异与驱动因素

刘光旭, 王小军, 相爱存, 王雪然, 王炳香, 肖书妹

2021, 32(7):  2545-2554.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.016

摘要 ( 294 )   PDF (2097KB) ( 61 )  

赣江中上游地区是东南丘陵重要的水土保持功能区,分析不同时空尺度下该区域土地利用变化及其驱动力,对维持与优化本地生态功能具有重要意义。本研究基于1 km空间分辨率的土地利用数据,分析1980—2018年赣江中上游地区的土地利用结构与土地利用动态度;并利用主成分分析法(PCA)、普通最小二乘法(OLS)和地理加权回归(GWR)分析土地利用变化的空间分异驱动力。结果表明: 1980—2018年,研究区主要土地利用类型是林地(面积占比69.4%～71%)和耕地(占比20.8%～20.9%);建设用地、未利用地的土地利用动态度较大,研究区综合土地利用动态度逐渐增加,尤其是2010—2018年明显增加。GWR模型对研究区土地利用变化驱动因素分析的拟合效果更好,在98.6%的区域内都比较理想。在土地利用变化空间分异的影响因素中,自然环境因素对研究区土地利用变化空间分异的影响最明显,起制约作用;社会经济因素的影响居次位,主要起促进作用;自然-社会因素综合影响较弱且复杂。

基于电路理论的城市景观生态安全格局构建——以湖南省衡阳市为例

李涛, 巩雅博, 戈健宅, 齐增湘, 谢水波

2021, 32(7):  2555-2564.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.020

摘要 ( 456 )   PDF (2659KB) ( 110 )  

生态源地与廊道识别是生态安全格局构建的重要环节,以往研究较多关注物种迁移和扩散最优路径的选择,忽略了物种对路径选择的随机性,致使其结论未能客观地反映物种迁移和扩散过程。以衡阳市主城区为研究对象,利用InVEST模型生境质量分析模块结合Circuitscape 4.0筛选生态源地、生态廊道,继而通过Linkage Mapper评估相关生态要素重要性及连通性,构建生态安全格局并划定生态修复优先区域。结果表明: 研究区生态源地共有85处,以林地和草地为主,少量为坑塘和滩地,主要分布在蒸湘区西南部、雁峰区西部、珠晖区东北部和中南部,总面积为11.8 km²,其中,中心度大于100的生态源地有60处,占比70.6%。生态廊道有217条,潜在生态廊道有5条,主要由林地组成,其中,灌木林和疏林地比例最高,重要性较高的廊道主要分布在研究区西部,清除障碍点后,区域连通性得到明显改善,幅度最高为54.9%。根据累计电流值的提升程度,将生态修复优先区域分为3级:高级区主要涵盖4.3 km²的障碍点区域,主要分布在蒸湘区西南部、珠晖区东北部和中南部;中级区以夹点区域和中心度小于100的生态源地为主,面积为12.9 km²,主要分布在蒸湘区中部、珠晖区东北部和中南部;低级区包括51.8 km²的剩余生态源地,主要分布在珠晖区中南部。本研究通过耦合InVEST模型生境质量分析模块和电路理论构建了面向生物保护的生态安全格局,可为生物保护实践提供科学参考。

“21世纪海上丝绸之路”沿线典型城市气溶胶光学厚度时空分布特征与成因

李紫微, 白林燕, 冯建中, 刘帅, 段晨阳, 张宇杰

2021, 32(7):  2565-2577.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.017

摘要 ( 184 )   PDF (3351KB) ( 25 )  

气溶胶作为悬浮分散在大气中的固态或液态微小颗粒物,对人体健康具有巨大影响,探索区域大气气溶胶变化特征和规律,对监测评估大气环境质量(尤其是人口聚集的城市地区)具有重要意义。本研究以东南亚、南亚和西亚“21世纪海上丝绸之路”沿线9个典型支点城市为例,基于MCD19A2 550 nm AOD产品,结合气象因素、土地利用数据和夜间灯光数据等,探讨亚洲发达城市区域带气溶胶的时空分布、变化特征、影响因素和成因驱动。结果表明: 2013—2018年间,9个城市气溶胶光学厚度(AOD)年平均值从高到低依次为卡拉奇、多哈、吉大港、曼谷、科伦坡、胡志明市、新加坡、瓜达尔和仰光。受区域气候系统和气溶胶类型的影响,各地区年、季和月AOD时序特征差异显著。大多数城市AOD高值区主要分布在城市中心区域或社会经济(如工农业)快速发展的地区。不同气象因素对各地区AOD的影响略有差异:降雨量、相对湿度和风速对东南亚4个城市(胡志明市、曼谷、新加坡和仰光)的影响较大,温度、相对湿度和风速与南亚4个城市(吉大港、科伦坡、卡拉奇和瓜达尔)和西亚多哈的AOD相关性较大。城市区域AOD受社会经济、城市化发展以及气象因素耦合协同作用的综合影响,其中,卡拉奇表现得最显著。

三级串联垂直潜流人工湿地的脱氮性能及微生物学特征

武威, 柴文云, 范珍, 李金虎, 鲁璐, 徐湛禹, 王振

2021, 32(7):  2578-2588.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.031

摘要 ( 201 )   PDF (3038KB) ( 18 )  

探究了3种水力负荷(HLR)下三级串联垂直潜流人工湿地(T-VFCWs)对农村生活污水的处理效果,并解析了系统中的氮素转化机制。结果表明: 当系统HLR由0.10增至0.20 m³·m^-2·d^-1时,T-VFCWs始终保持着对农村生活污水高效的处理效果,系统出水水质满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。T-VFCWs中顺次连接的3个VFCW单元(标记为V-1、V-2和V-3)在限氧环境下因其进水水质的差异可形成各自不同的氮素转化途径,并通过协同作用实现系统的高效脱氮。当T-VFCWs在试验期间连续运行时,V-1、V-2和V-3中主要的脱氮途径分别为短程硝化/反硝化作用、基于亚硝化的全程自养脱氮(CANON)作用和反硝化作用,上述3单元对进水中总氮(TN)和NH₄⁺-N去除的贡献率分别为(51.3±4.4)%和(63.7±2.6)%、(30.9±4.8)%和(35.5±4.5)%、(17.8±5.0)%和(0.8±0.1)%。该研究可为组合式人工湿地的研发及工程化应用提供科学依据和技术支撑。

秦岭火地塘真菌群落海拔分布格局

周煜杰, 贾夏, 赵永华, 陈南南, 闫瑾, 汤剑秋, 王茜, 刘黎

2021, 32(7):  2589-2596.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.033

摘要 ( 343 )   PDF (1218KB) ( 48 )  

土壤真菌在自然生态系统的养分循环和土壤碳储存方面起重要作用。秦岭火地塘林区在不同海拔分布着不同的优势树种,但其相应的土壤特征及微生物群落的海拔分布格局仍不明晰。本研究分析了5个海拔处(1500、1700、1900、2100和2300 m)的土壤特征变化趋势,并在高通量测序基础上研究了真菌群落格局。结果表明: 土壤有效磷含量、pH值随海拔的增加而显著增加,土壤水分则呈下降趋势。土壤真菌Shannon多样性指数随海拔升高呈下降趋势,而ACE丰度指数相反;真菌优势门为担子菌门(68.2%)、子囊菌门(19.8%)和球囊菌门(1.7%),且随海拔升高整体呈现出“U”型或“单峰”变化格局;真菌优势纲为伞菌纲(64.2%)、粪壳菌纲(5.8%)和锤舌菌纲(4.1%)。冗余分析(RDA)表明,土壤特性解释了土壤真菌群落总变异的89.1%,其中土壤有效磷含量、pH和海拔是土壤真菌群落海拔梯度变化的主要驱动因子。在秦岭火地塘林区,土壤特征在海拔梯度上的差异性影响了土壤真菌群落组成。

开封市城市水系微生境特征对两栖动物多样性的影响

彭莉, 梁国付, 求朋威

2021, 32(7):  2597-2603.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.038

摘要 ( 282 )   PDF (806KB) ( 46 )  

两栖类生物生活史独特对环境变化极其敏感,是环境变化的重要指示物种。开封城市水系的建设直接影响两栖类生物栖息地与两栖类生物多样性。本研究通过设置样线,采用目视遇测法对开封市水系中的两栖类生物进行调查,并采集相应的生境因子变量。采用Shannon多样性指数、Pielou均匀度指数、Simpson优势度指数研究了不同生境类型下两栖类生物多样性特征,运用聚类分析与冗余分析探究了无尾两栖类对微生境因子的响应特征。结果表明: 在开封水系中,自然驳岸两栖类生物的多样性、均匀度以及优势度均大于两种人工硬化驳岸,表明两栖动物种群在自然生境中稳定性较好,自然驳岸两栖类生物的优势度指数大于两种人工硬化驳岸,两栖类生物生境选择偏向于自然生境;黑斑侧褶蛙与中华蟾蜍的丰富度和夜间光照强度呈显著正相关,金线侧褶蛙与总磷呈显著正相关,泽陆蛙与水体pH值呈显著正相关。开封城市水系建设考虑两栖类生物保护,河渠建设中增加自然驳岸,对提升开封市两栖类生物多样性具有重要意义。

浙江披山海域主要虾蟹类时空生态位及种间联结性

蒋巧丽, 许永久, 郑基, 俞存根

2021, 32(7):  2604-2614.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.035

摘要 ( 244 )   PDF (1278KB) ( 36 )  

根据2015年11月(秋季)、2016年2月(冬季)、5月(春季)、8月(夏季)在浙江披山附近海域进行的渔业资源调查数据,运用生态位测定、方差比率、χ²检验、Spearman检验和冗余分析等方法,研究了该海域主要虾蟹类的时空生态位特征和种间联结关系。该海域共鉴定出虾蟹类34种,隶属于14科20属,4个季节均出现的有10种,优势种为哈氏仿对虾、脊尾白虾和三疣梭子蟹。主要虾蟹类时间、空间和时空生态位宽度范围分别为0.03～1.34,2.07～3.63和0.08～4.64。生态位宽度聚类分析显示,在90%的相似性水平下,主要虾蟹类可分为窄、中、宽3个生态位宽度种组。此外,披山海域主要虾蟹类时空生态位重叠程度以低等级为主(68.9%的种对Q_ik值＜0.3),物种间对资源利用竞争不大。方差比率分析表明,主要虾蟹类总体以正联结性为主,其中11.1%的种对正联结关系显著。JI指数、OI指数和Spearman检验均显示,披山海域主要虾蟹类种间联结性在整体上趋于正相关。冗余分析表明,表温、底温和表盐是影响披山海域主要虾蟹类分布的主要环境因素。

综合评述

定量稳定性同位素探针技术及其在微生物生态学研究中的应用

邹文萱, 沈菊培, 张丽梅, 胡盎, 王建军, 贺纪正

2021, 32(7):  2615-2622.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.032

摘要 ( 955 )   PDF (1235KB) ( 252 )  

定量稳定性同位素探针技术(qSIP)是将生态系统中微生物分类性状与代谢功能联系起来的有效工具,能够定量测定特定环境中单个微生物类群暴露于同位素示踪剂后微生物代谢活动或生长速率。qSIP技术采用定量PCR与高通量测序技术并结合稳定同位素探针技术(SIP),通过向环境样品添加标记底物进行培养,提取微生物生物标记物,利用超高速等密度梯度离心将被同位素标记的重链核酸与未被标记的轻链核酸进行分离,并对所有组分微生物类群进行绝对定量和测序分析,基于GC含量和未标记处理DNA密度曲线量化参与吸收转化的DNA同位素丰度。本文重点阐述qSIP的技术原理、数据分析流程及其在微生物生态学研究中的应用进展,并对该技术存在的问题进行了分析和展望。

植物根系分泌物在污染及沙化土壤修复中的应用现状与前景

杨富玲, 石杨, 李斌, 杜志烨, 汪梦婷, 廖恒毅, 陈稷, 黄进

2021, 32(7):  2623-2632.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.039

摘要 ( 276 )   PDF (1686KB) ( 58 )  

近年来重金属污染等生态环境问题日益受到重视,而物理、化学修复方法存在的诸如成本高、二次污染等问题,使得利用植物、微生物等进行联合治理成为环境修复的重要手段。植物根系分泌物作为植物与土壤进行营养和信息交流的重要媒介,不但对植物的生长具有重要作用,其在污染及沙化土壤修复中作用的研究也得以广泛开展。本文对根系分泌物的组成、分泌机制进行了阐述,并对其在植物吸收重金属、化感作用、植物根系与根际微生物互作、改变土壤理化性质等过程中的作用及机理进行了总结。此外,本文还对利用根系分泌物和根际微生物在生态环境治理中的应用现状、面临的难题及未来的发展等进行了讨论。希望本文可为基于植物与微生物进行的环境修复技术的实际应用提供理论支撑。

微塑料污染对浮游生物影响研究进展

惠进, 龙遥跃, 李紫莹, 潘瑛, 陈礼强

2021, 32(7):  2633-2643.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.040

摘要 ( 421 )   PDF (594KB) ( 88 )  

微塑料作为一种新型的环境污染物,大量存在于水环境中,给水生生物带来了极大的危害。浮游生物是水生食物链的基础,是水生生态系统物质循环和能量流动的重要环节;同时,浮游生物也是对各种环境污染物最敏感的类群。了解微塑料对浮游生物的影响是评价其生态风险的重要依据。本文介绍了环境中微塑料来源、特征及水生态系统微塑料污染现状,阐述了微塑料对水生生物的直接和间接危害,并重点聚焦于浮游植物和浮游动物,从个体、种群和群落的层次详细总结了微塑料的影响及其作用机制。最后,本文指出当前针对浮游生物微观基因和蛋白质组学,以及宏观种群和群落响应等方面的研究还非常缺乏,为今后开展微塑料危害研究提供参考。

面向低碳城市建设的建筑运行能耗驱动机理研究进展

叶红, 严寒, 张芮铭, 赵卓群, 吝涛, 张国钦

2021, 32(7):  2644-2652.  doi:10.13287/j.1001-9332.202107.019

摘要 ( 317 )   PDF (539KB) ( 34 )  

城市快速扩张的同时,不断增大的建筑存量、建筑运行能耗及相应的碳排放成为制约城市可持续发展的重要因素。为实现节能降耗,有必要对建筑能耗碳排放的驱动机理进行深入探究。已有研究从不同角度对建筑运行能耗碳排放的影响要素和驱动机理进行了分析论证,但仍缺乏系统综述从而难以为建筑节能降耗提供全面指导。本文基于“社会-经济-自然”复合生态系统理论,对驱动建筑能耗碳排放的复合机理进行综合论述;在此基础上,从社会经济、建筑体特征、区域气候/微气候等视角,整合并剖析了不同单源要素的建筑能耗碳排放驱动机理;最后,总结了当前城市建筑能耗驱动机理研究领域存在的不足,并对未来发展进行了展望。本文对建筑能耗碳排放驱动机理的系统梳理和总结,对相关研究具有重要的参考价值,对低碳城市建设亦具有重要的科技支撑作用。