黄土高原小流域退耕还林还草的生态水文效应与可持续性

黄土高原实施退耕还林还草工程20余年,区域生态环境发生巨大变化,过度植被恢复产生的负效应也逐步显现,有关黄土高原高强度植被恢复的可持续性问题引起讨论。当前,黄土高原植被恢复已进入一个节点性时期,但植被重建的终极目标并不十分明确。未来50—100 a,黄土高原退耕还林还草工程的环境效应与可持续性如何,目前缺乏前瞻性的科学认识。鉴于这一问题,本文对黄土高原近20 a大规模植被恢复和重建产生的生态、水文、侵蚀和气候效应进行了回顾,并对在甘肃庆阳南小河沟长期退耕还林和还草小流域持续开展近10 a的观测研究成果进行了总结分析,探讨长期自然和人为植被恢复背景下小流域的生态水文效应,最后从小流域视角对黄土高原退耕还林还草的可持续性进行了探讨。针对当前黄土高原退耕还林还草工程取得的成绩和面临的挑战,提出了退耕还林还草的两阶段论。第一阶段为退耕还林还草实施至今20 a,主要目标是增绿、控蚀、减泥沙,目前这一目标已基本实现;第二阶段为未来20—30 a,目标是稳绿、增水、促发展,当前工作的重点是需要针对第二阶段的目标开展规划和研究工作,提高黄土高原生态质量的持久性和区域人地关系的协调。     

不同配置绿色屋顶径流水质特征及综合评价

绿色屋顶是海绵城市建设的重要措施之一,但植被和基质等配置因素对其径流水质的综合影响尚不清楚,这限制了绿色屋顶的推广.通过在北京市区搭建3种植被类型［佛甲草（Sedum lineare）、大花马齿苋（Portulaca grandiflora,马齿苋）和无植被（对照）］、3种基质类型［田园土、改良土和轻质生长基质（轻质基）］和2种基质厚度（15 cm和10 cm）的12个绿色屋顶,基于2019年雨季降雨特征、各绿色屋顶径流量以及径流中营养盐和重金属浓度的监测,构建绿色屋顶径流水质指数（RQI）定量分析不同绿色屋顶配置对径流水质的综合影响.结果表明,植被可提高绿色屋顶径流削减率和有效降低径流中NO₃^--N的浓度,佛甲草和马齿苋绿色屋顶的RQI接近,径流水质均优于对照绿色屋顶;基质材料显著影响绿色屋顶径流削减率和径流中污染物浓度,轻质基绿色屋顶的径流削减率最低且径流中NH₄⁺-N、DFe、DMn和DZn的浓度均值最高,其径流水质劣于改良土和田园土绿色屋顶;基质厚度为15 cm的绿色屋顶径流削减率更高,其径流水质优于10 cm的绿色屋顶.研究结果可为绿色屋顶设计及径流水质综合评价提供科学依据.     

北运河流域植被覆盖度变化及其生态环境质量评估

北运河流域作为北京城市副中心建设涉及的重要自然地理单元,流域内人类活动剧烈,生态问题突出,植被覆盖率下降.基于植被覆盖度快速实现流域内生态环境质量的全面评价,是打造生态和谐宜居示范区的重要支撑,也是实现新时期首都生态文明建设的关键.本文选取1990年、2004年、2018年时相相近的3期Landsat TM/OLI数据,首先采用线性光谱混合模型进行植被覆盖度(FVC)的计算,再利用主成分分析法构建遥感生态指数(RSEI),并对二者时空变化规律及相关性进行探究.结果表明,1990—2018年,研究区平均植被覆盖度与遥感生态指数均呈现先增后减的趋势,植被覆盖度由0.36增长至0.43再降至0.41,遥感生态指数由0.545增加为0.584后又降至0.545.1990—2004年生态质量下降的区域集中分布在北京市主城区四周,环境质量改善的区域集中分布在北运河流域北部、中心城区及东南部,而2004—2018年生态质量下降的重点区域则向东南部流域下游转移,环境质量改善的区域则大面积减少.流域内生态质量保持稳定的区域大幅增加,生态质量差与较差区域占比连续降低,表明研究区大部分区域生态系统状况趋于稳...     

半干旱区人工封育草场植被群落生态位研究——以宁夏盐池县长期定位监测点为例

人工封育是草场恢复和重建的一种主要措施。为研究半干旱区人工封育草地植物种群生态位,以宁夏盐池县人工封育区3种不同处理方式（长期完全封育、短期完全封育、短期不完全封育）为研究对象,将封育区分为封育核心区（E区）、封育边缘区（E1区）和封育外围区（E2区）,通过分析在该地区出现的27种植物种群的Levins生态位宽度指数和Pianka生态位重叠指数,揭示植物种群生态位在干旱荒漠环境下的变化规律,为进一步分析该地区群落稳定性提供依据。研究结果表明：1）核心区和外围区生态位宽度最大的都是刺沙蓬Salsola ruthenica lljin,分别为0.832和0.810,而边缘区生态位宽度最大的是丝叶山苦荬Lxeris chinensis var.graminifolia,为0.742,这2种植物的生物学特性决定了它们能够很好的适应封育区的环境,并很好的利用封育区的资源,结果是它们的生态位宽度明显高于其他物种。2）对三区内不同植物种群的生态位宽度分析结果显示,三区的群落稳定性表现为E1区〉E2区〉E区;长期的完全封育并不利于封育区内植物群落的稳定;而短期的完全封育措施比不完全封育措施更有利于植被群落的稳定。3）通过分析三区内不同植物种之间的生态位重叠得出,E区生态位重叠最大值出现在草地风毛菊Saussurea amara、苦豆子Sophora alopecuroides L、沙芦草Agropyron mongolicum Keng与臭蒿Artemisia hedinii之间,都是0.98。E1区生态位重叠最大值是达乌里胡枝子Lespedeza davurica和草木樨状黄芪Astragalus melilotoides之间（0.82）。E2区生态位重叠最大的一对是草木樨状黄芪和冰草Agropyron cristatum（0.99）。相关分析表明：生态位宽度与生态位重叠之间并没有明确的线性关系。生态位宽度窄的物种之间可能有较高的生态位重叠,反之,则较低,但并不是完全如此。     

Estimation and validation of biomass of a mountainous agroecosystem by means of sampling,spectral data and QuickBird satellite image

Biomass estimation in agroecosystems (AESs) is important to understand their role in carbon exchange for a sustainable environment. We used field spectra and sampled biomass of an AES including cultivated and abandoned croplands to develop a simple biomass estimation model. The digital number (DN) of a QuickBird (QB) satellite image was converted to a reflectance factor using the dark object subtraction method and the spectral reflectance of asphalt. The relationship between the reflectance factor of field-based spectra and the QB image obtained in early July 2007 was insignificant in the blue (R ² = 0.15) and green (R ² = 0.18) bands but was significant (p < 0.05) in the red (R ² = 0.57) and near-infrared (NIR, R ² = 0.45) bands in the AES. Better correlations were obtained between field-based and QB-based vegetation indices (VIs). The best correlations were obtained with the normalized difference vegetation index (NDVI) (R ² = 0.97, p < 0.001) and the ratio vegetation index (RVI) (R ² = 0.99, p < 0.001). Biomass was significantly correlated with both field-based NDVI and RVI (R ² = 0.79 and 0.72, respectively, p < 0.001). Although RVI saturated at higher biomass densities (>600 g m^?2), NDVI showed a linear relationship. Other field-based VIs showed poorer correlations with biomass. The model was evaluated by incorporating it into high-resolution QB images to obtain the observed biomass. The relationship between field-estimated and QB-observed biomass appeared to be a one-to-one linear relationship (R ² = 0.79). Thus, models using field spectra and sampled biomass can be applied to QB images for remote estimation of biomass in an AES.     

1982—2006年京津冀地区植被时空变化及其与降水和地面气温的联系

利用NOAA/AVHRR归一化植被指数（Normalized difference vegetation index,NDVI）,分析过去25年（1982—2006年）京津冀地区生长季（4—10月）植被覆盖时空变化、趋势及其与降水和地面气温的联系。经验正交函数展开（EOF）、奇异值分解（SVD）及相关分析,结果表明：过去25年京津冀地区植被总体呈增加趋势,其中,河北中部地区增长速率超过3%/10 a。植被覆盖年际变化与气温变化呈正相关,但与降水变化的正相关更加显著。1989年和1999—2002年的干旱导致当年NDVI显著减少,而1990、1998年和2003—2005年降水增加使得研究区NDVI明显增加。     

沙地退化植被恢复过程中植被的空间异质性

通过野外取样和室内分析,应用地统计学分析方法研究了科尔沁沙地退化植被恢复过程中不同封育年限（0、11和20年）的流动沙丘的植被盖度和丰富度特征及其空间异质性规律。结果表明,随着流动沙丘的固定和封育年限的增加,植被盖度和丰富度逐渐增加。在流动沙丘植被恢复过程中,植被盖度和丰富度具有明显的空间自相关性,其空间自相关范围从封育0年的流动沙丘（46.05m和33.63m）、封育11的流动沙丘（21.63m和17.25m）到封育20年的流动沙丘（26.12m和24.18m）先减小后增加,但均未超出我们的研究尺度50m,表现出不同大小的斑块形式分布的小尺度分布格局。由半方差函数及其参数和空间分布格局图分析得出,随着沙丘植被的恢复,植被特征的空间异质性在所研究的尺度上表现出先增大（封育0年到封育11年）后减小（封育11年到封育20年）的变化特点。     

石油污染对土壤-植物系统的生态效应

伴随着石油的工业化生产和利用,石油污染已经成为一个严重的环境问题.本文从土壤、植物个体、植物群落与生态系统等层次对石油污染的生态效应进行了系统总结.含有多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)、苯系物(Benzene、toluene、ethylbenzene和xylene,BTEX)等多种有毒物质的石油及其化工产品进入土壤-植物系统后会发生迁移.这不仅对土壤-植物系统的组成、结构、功能和服务产生影响,也会通过食物链危害人类健康.石油污染影响土壤水分状况、孔隙度等物理性质,土壤碳含量、养分含量等化学性质,以及土壤微生物群落组成和多样性、土壤酶活性等生物学性质.通常,石油污染会对大多数植物形成氧化胁迫,影响细胞膜透性,影响光合作用等生理活动,抑制植物生长,影响植物萌发、开花和结实.由于石油污染对植物个体的不同效应以及植物个体对石油污染的不同响应,石油污染对植物群落的影响存在3种基本模式,并最终导致植物群落生物量下降,物种多样性降低,植被盖度降低.进一步影响生态系统的生产力、稳定性和健康,最终危及生态系统的功能和服务.利用微生物、植物及其联合体菌根可以对石油污染物进行生物修复和降解,添加外源营养物质和通气等措施可以强化生物修复过程.应用植被指数和红边效应等遥感方法进行石油污染的生态效应监测具有较大的潜力.总之,如何把土壤-植物系统各水平上不同指标对石油污染物的响应与石油污染的生态效应联系起来,是目前石油污染生态效应研究的重点和难点之一.因此,亟需开展多尺度的系统研究,把室内控制实验、野外控制实验和野外调查有机地结合起来,构建多层次的石油污染标志物体系,全面认识石油污染对土壤-植物系统的生态效应,为石油污染的生态风险评价、治理和控制提供理论基础和实践指导.     

不同退化程度喀斯特生态系统根际土壤的养分分布特征

以贵州中部喀斯特地区由乔木林、灌木林和灌草丛等不同退化程度生态系统中的优势物种根际土壤为研究对象,测定其C、N、P全量及有效态质量分数,分析各优势物种根际土壤的养分变化。结果表明：3个生态系统中不同优势物种根际各类土壤养分质量分数变化较大,其中,土壤C、N、P养分为乔木林中园果化香根际土壤质量分数最高,白枥根际养分质量分数最低。可溶性有机碳质量分数为乔木林中最低,其平均水平不超过10 mg·kg-1。土壤磷素的供给能力为乔木林的园果化香和刺秋相对较强,其中园果化香中达到1.5%。而且优势树种间根际土壤有效态养分质量分数的差异明显高于全量养分,说明喀斯特地区根际土壤养分差异性主要受植被因素的影响,土壤有效态养分较全量养分对植被群落演替的响应更为灵敏,而且根际土壤养分质量分数和形态的变化与土壤有机碳质量分数有显著的正相关关系,这进一步说明喀斯特地区植被类型的变化对土壤养分的循环利用具有重要的影响作用。     

青海省那棱格勒河下游绿洲区生态环境现状评价

采用归一化植被指数、景观多样性指数、景观均匀度指数等技术指标,评价那棱格勒河下游绿洲的生态环境现状。结果表明:那棱格勒河下游绿洲区主要为中植被覆盖(覆盖度30%~60%)区域,占绿洲区总面积的42.83%;低植被覆盖类型(覆盖度10%~30%)和高植被覆盖类型(覆盖度60%)次之。极低植被覆盖(覆盖度10%)区域最少,占绿洲区总面积的3.96%。稀疏草地和荒漠为该区域的优势景观,自然生产力等级低,生态系统受外界干扰后难以恢复,极易发生退化与沙化,系统的恢复稳定性与阻抗稳定性都较弱。