Institutional Repository of Xinjiang Institute of Ecology and Geography, CAS
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基于遥感-生态模型的中亚草地生态系统净初级生产力对气候变化和放牧的响应研究
No full text亚洲中部干旱区（包括中亚五国地区（以哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、吉尔吉斯斯坦、土库曼斯坦以及塔吉克斯坦）以及我国新疆等地区， 本研究中简称“中亚干旱区”）是中纬度最具代表性的干旱区之一，作为新丝绸之路核心区，对全球气候暖化、降水格局（强度和周期）变化、 以及大气成份变化极其敏感。过去几千年， 放牧一直是干旱半干旱区主要的人类活动。近 50 年来，中亚干旱区放牧强度持续增加，过度放牧已成为草地生态系统普遍存在的现象， 这使得原本脆弱的草地生态系统退化日益加剧，在气候变化背景下尤为脆弱。草地净初级生产力是食草动物的主要消费来源， 对干旱区草地净初级生产力（NetPrimary Production， NPP） 进行量化， 揭示放牧过程对干旱草地生态系统 NPP的影响程度，提出合理的干旱区草地放牧制度，促进草地生态系统的可持续发展具有重要的理论与现实意义。基于植被指数的遥感模型已广泛运用于区域尺度模拟草地净初级生产力的模拟，在干旱区的运用充分发挥了其高时空分辨率的优势。 然而， 遥感模型是基于动物啃食后的草地残余植被信息模拟的草地净初级生产力，忽略了人类干扰诸如放牧活动消耗的部分， 并非真实状态下的草地净初级生产力。鉴于此，针对其独特的生理生态机制和以放牧为主的人类活动干扰，本研究将GLOPEM-CEVAS 遥感模型应用于中亚干旱区，在模型本地参数化的基础上，通过多种模型对比和实测数据来评估其适用性和可靠性， 同时通过加入落叶方程模型， 考虑放牧过程消耗的 NPP 后，评价放牧对于亚洲中部干旱区草地生态系统 NPP 的影响。 获得的主要结论如下：（1） 对中亚干旱区草地生态系统 NPP 模拟结果表明， 与生态模型结果的对比，GLOPEM-CEVAS 模型由于忽略了放牧过程，其结果相对生态模型较低。。（2） 在放牧条件下 GLOPEM-CEVAS 模型模拟的 36 个放牧样点草地 NPP 与实测数据显著相关（AdjR2 = 0.80, p 0.05)，其年际波动方式和年均降水较为相似（AdjR2 = 0.24, p < 0.01），与气温相关性不明显； 考虑放牧过程加入落叶方程模型后，模型模拟的新疆草地年均真实 NPP 为 179.41 gC m-2 yr-1，草地 NPP 持续增加显著（slope = 1.18 gC m-2yr-1,AdjR2 = 0.63, p < 0.01)，其年际 NPP 和年均气温显著相关（AdjR2 = 0.42, p < 0.01），与降水相关性不明显， 放牧消耗的平均 NPP 占草地 NPP 的 29.06%；新疆草地实际 NPP 逐年增加且由温度主导，其增加部分被放牧活动所消耗，忽略放牧活动会掩盖这一事实，这会对气候变化对新疆草地的影响带来错误的理解。（4） 忽略放牧过程的影响下， GLOPEM-CEVAS 模型模拟的中亚干旱区草地年均 NPP 为121.05 gC m-2 yr-1，草地 NPP 波动增加显著(slope = 1.02 gC m-2 yr-1,AdjR2 = 0.43, p < 0.01)，最大值和最小值分布是 1996 年的 167 gC m-2 和 1984 的121 gC m-2，与年际降水的相关性不显著 (AdjR2 = 0.12, p = 0.03)， 与年际气温相关性显著(AdjR2 = 0.44, p < 0.01)；考虑放牧活动后，中亚草地 NPP 持续增加(slope= 2.7 gC m-2 yr-1, AdjR2 = 0.86, p < 0.01)， 2000 以后的增加趋势尤为明显，放牧活动对中亚干旱区草地 NPP 的消耗极为显著，与年际气温同样相关(AdjR2 = 0.49, p< 0.01)，与年际降水不相关。（5） 在空间上，考虑放牧活动后中亚草地 NPP 空间分布从大到小依次为：哈萨克斯坦北部草原（257 gC m-2yr-1）、天山地区（208 gC m-2yr-1） 、中部荒漠草原带（105 gC m-2yr-1） 。从区域上比较，哈萨克斯坦北部草原 NPP 最大，中部荒漠草原 NPP 最小，哈萨克斯坦北部草原是放牧消耗 NPP 的主要区域，放牧使得草地 NPP 平均减少了 99 gC m-2yr-1， 占 NPP 的 20%-25%
干旱区深根植物疏叶骆驼刺养分利用对潜水埋深的响应
No full text水分与养分是维持干旱区荒漠生态系统生产力最重要的两大限制因子。水分直接决定着干旱区绿洲的生存和发展。由于受到气候变化（降水格局变化、山区来水减少）和人类活动（大规模开发土地、大量开发利用地下水资源）的双重影响，致使塔克拉玛干沙漠南缘区域深根植物赖以生存和维持的地下水埋深逐年下降，荒漠-绿洲过渡带大幅消失、自然植被出现严重退化，绿洲生态安全遭受巨大威胁。因此，加快荒漠自然植被修复、保护绿洲生态安全刻不容缓。充分了解和系统掌握区域优势荒漠深根植物生长、养分吸收/利用等与潜水埋深的关系，将为区域植被的修复、保护和利用提供科学数据与理论依据。本研究以塔克拉玛干沙漠南缘荒漠-绿洲过渡带多年生优势深根植物疏叶骆驼刺（Alhagi sparsifoliaShap.，简称骆驼刺） 为研究对象， 在 2015–2016 年通过人工模拟试验（潜水埋深分别为 0.4 m、 0.8 m、 1.2 m、 1.8 m 和 2.2 m）和自然环境试验（潜水埋深分别为 2.5 m、 4.5 m 和 11.0 m）相结合的方法，系统研究了不同潜水埋深条件下骆驼刺地上生物量积累及分配特征、植物叶/茎/刺中碳、氮、磷和钾的生态化学计量学特征以及植株内养分（氮、磷、钾）的吸收和回收效率，得到如下研究结论：（1） 潜水埋深对植物生物量积累及分配的影响：模拟试验中骆驼刺的地上生物量及叶茎比、叶刺比在 1.2 m 潜水埋深显著（p<0.05）高于其它潜水埋深处理。野外试验中骆驼刺的地上生物量及叶刺比在 4.5 m 潜水埋深显著（p<0.05）高于 2.5 m 和 4.5 m 潜水埋深。这表明骆驼刺在模拟试验中 1.2 m 和野外试验中4.5 m 潜水埋深时，积累了较多的地上生物量，并将更多的地上生物量分配在叶片中，减少了刺和茎的生物量分配。（2） 潜水埋深对土壤养分的影响：在两年模拟试验中，潜水埋深从 0.4 m增加到 1.2 m 时，土壤硝态氮、无机氮和土壤有效钾含量随之增加，在 1.2 m 潜水埋深达到最大，然后在 1.8 m 潜水埋深开始下降。在野外试验中，土壤硝态氮、无机氮、有效钾、有机碳和有效磷含量在 11.0 m 潜水埋深显著（p<0.05）大于2.5 m 和 4.5 m 潜水埋深。 2015–2016 年， 潜水埋深在模拟试验中对土壤养分变化的贡献率分别为 38.8%和 8.0%，在野外试验中的贡献率分别为 39.0%和 9.8%。（3） 潜水埋深对植物生态化学计量学特征的影响：模拟试验中 1–2 年生中幼龄骆驼刺叶、茎、刺中氮和磷含量均在潜水埋深 1.8 m 时达到最大，然后开始下降；钾含量在 2.2 m 潜水埋深最高；碳含量不受潜水埋深的影响。在野外试验中，多年生骆驼刺叶、茎、刺中的磷含量在 4.5 m 潜水埋深时均显著（p<0.05）低于 2.5 m 和 11.0 m 潜水埋深，钾含量在 4.5 m 潜水埋深显著（p<0.05）高于 2.5m 和 11.0 m 潜水埋深；多年生骆驼刺碳和氮的含量受潜水埋深变化的影响较小。2016 年模拟试验中潜水埋深对骆驼刺叶片养分含量变化的贡献率达 21.4%；在两年的野外试验中潜水埋深的贡献率分别为 12.1%和 7.0%。（4） 不同潜水埋深条件下土壤与植物养分含量的相互关系：模拟实验结果表明，在潜水埋深为 0.4–2.2 m 时， 1–2 年生中幼龄骆驼刺叶片碳、氮和磷含量与土壤碳、氮和磷含量显著（p<0.05）负相关。野外试验结果表明，在潜水埋深为2.5–11.0 m 时， 多年生骆驼刺叶片磷含量与土壤氮含量显著（p<0.05）正相关；叶片钾含量与土壤氮和磷含量显著（p<0.05）负相关。这表明在不同潜水埋深条件下中幼龄骆驼刺更容易受土壤碳、氮和磷含量的影响，多年生骆驼刺主要受土壤氮、磷和钾含量的影响。（5） 潜水埋深对植物养分吸收和回收的影响：不同潜水埋深条件下，中幼龄及多年生骆驼刺植株氮回收效率在 18.5%–55.1%之间， 磷回收效率在29.1%–81.0%之间， 钾回收效率在 7.2%–44.3%。模拟试验中幼龄骆驼刺氮利用效率和回收度在 1.8 m 潜水埋深时显著（p<0.05）大于其它潜水埋深处理；磷生产力和利用效率在 1.8 m 潜水埋深时显著（p<0.05）大于其它潜水埋深处理。骆驼刺钾的回收效率在 2.2 m 潜水埋深时显著（p<0.05）大于其它潜水埋深处理。野外试验骆驼刺磷回收效率和回收度在 4.5 m 潜水埋深时显著（p<0.05）高于 2.5 m和 11.0 m 潜水埋深；钾回收度在 11.0 m 潜水埋深时显著（p<0.05）大于 2.5 m 和11.0 m 潜水埋深；多年生骆驼刺植株内氮、磷、钾生产力、滞留时间和利用效率不受潜水埋深的影响。综上所述，潜水埋深显著影响骆驼刺的生长、生物量分配及土壤养分。骆驼刺中的磷和钾的含量受潜水埋深的影响较为明显，碳和氮含量受潜水埋深的影响较小。不同生长年限的骆驼刺对潜水埋深变化的响应机制不同。 1–2 年生中幼龄骆驼刺通过全面调整氮、 磷、 钾等养分利用和回收过程来适应潜水埋深变化，多年生成株仅通过调整磷和钾的养分回收过程来适应潜水埋深变化。本研究有助于深刻理解潜水埋深变化条件下荒漠深根植物的养分吸收和利用策略，对于荒漠深根植物的保护和人工恢复具有重要的科学意义和应用价值
火烧对古尔班通古特沙漠土壤养分及植物群落特征的影响
No full text本研究对单次过火对古尔班通古特沙漠土壤养分和植物群落特征的生态效应进行了研究，探查了植物（草本层）的密度及多样性组成变化，阐明了土壤养分及微生物生物量的变化。 通过以上研究，弥补火烧干扰对古尔班通古特沙漠影响研究的空白， 为古尔班通古特沙漠荒漠生态系统的保育与管理提供理论参考。火烧干扰对古尔班通古特沙漠土壤养分的影响具有滞后效应。火烧当年速效氮含量发生显著改变， 尤其是硝态氮含量在 0-5cm 土壤层增加 49.42%， 与未火烧区达到显著性差异。 一年后土壤养分含量整体低于未过火区， 尤其是 5-10cm土壤层速效养分含量均显著低于未过火区。火烧当年土壤水解酶（蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶、 β-葡萄糖苷酶） 活性极显著降低， 0-5cm 土壤层降幅最为明显。过氧化氢酶活性对火烧无明显响应。火烧一年后，土壤水解酶活性仍低于对照区，降幅减小，但仍未恢复至火前水平。水解酶和氧化酶对火烧干扰响应不一，过火后，氧化酶（过氧化物酶、多酚氧化酶） 活性不受影响。火烧干扰对古尔班通古特沙漠草本层植物群落更新具有促进作用。过火后，草本层物种多样性降低，物种分布均匀度降低。火烧改变了各物种密度分布格局。条叶庭荠（Alyssum linifolium）在过火后种群密度增加 3.97 倍。囊果(Carexphysodes)密度增加 2.44 倍。角果藜（Ceratocarpus arenarius）、琉苞菊（Hyaleapulchella） 在过火后种群密度分别降低 0.75、 1.15 倍。 尖喙牻牛儿苗（Erodiumoxyrrhynchum）、 齿稃草(Schismus arabicus)在过火之后，其种群密度未发生显著改变。 物种密度的更新与物种生活型无关。火烧对草本层各植物的种群密度、株高、冠幅、生物量具有不同的影响。优势物种尖喙牻牛儿苗在过火后种群密度不变， 单株水平上， 个体株高、冠幅、生物量显著增加。 条叶庭荠在过火后种群密度显著增加， 个体株高、冠幅、生物量显著降低。综上所述，火烧干扰对古尔班通古特沙漠地上植被及地下土壤系统影响显著。该研究结果，为火烧干扰对该地区生态影响提供有力参考依据，为该荒漠生态系统的保育提供理论支持
古尔班通古特沙漠梭梭对冠下草本植物“保护效应” 的研究
No full text竞争、抑制等种间负相互作用被认为是群落结构与功能的决定性因素， 但近期的实验生态学表明，胁迫环境下种间正相互作用对群落同样具有重要意义。 在干旱、 半干旱地区， 灌木对草本植物的“保护效应”正是种间正相互作用的典型,即灌木可通过改善生境有利于冠下植物的存活与定居。本项研究以古尔班通古特沙漠南缘为研究区域，以梭梭(Haloxylon ammodendron)对冠下草本植物的“保护效应”为切入点， 通过野外对不同生活型植物分布的调查、 不同微生境草本植物在不同生活史阶段的观测、梭梭“保护效应”发生过程的分解， 研究梭梭与不同生活型植物的空间关联性， 不同生活史阶段冠下与灌丛间地草本植物的特征，及梭梭“保护效应”作用机理， 研究结果对促进理解胁迫环境下种间关系对群落结构与动态的意义。具体结果如下：梭梭群落内不同生活型物种空间分布类型在总体上呈现出： 小尺度范围内的聚集分布，随着尺度的增大， 空间分布趋向于随机分布, 在更大尺度上表现为均匀分布。梭梭与不同生活型植物在小尺度上呈现一定的相关性：梭梭与一年生草本呈现出正相关；小梭梭与灌木状草本呈现负相关，但随着梭梭形态的增大，与灌木状草本呈现出正相关；梭梭与短命植物在任何尺度上无相关性或相关性较弱。梭梭与不同生活型植物的空间关联性表明梭梭对冠下植物的“保护效应”主要作用在小尺度范围内， “保护效应”强度与植物生活型有关，受不同大小梭梭的影响。梭梭“保护效应”可因环境变化而迅速改变， 在植物不同生活史阶段作用效果不同。 土壤种子库和地上幼苗库中均以一年生草本植物和短命植物占绝对优势。土壤种子库密度从梭梭冠下经冠缘至灌丛间地逐渐减小，梭梭灌丛对植物种子具有明显的聚集效应（P < 0.05），但这种聚集效应在沙丘顶部不明显。梭梭冠缘处自然条件下相对萌发率最高，冠下和灌丛间地则差异不明显， 表明灌丛覆盖对种子萌发的影响在灌丛中心至灌丛间地这一小尺度上具有分异， 冠缘处植物从梭梭“保护效应”中获益最大。 土壤种子库和幼苗库的空间格局表明梭梭通过对种子的聚集效应及对种子库萌发成苗的促进作用，对其冠下植物在萌发期这一生活史早期阶段具有明显的“保护效应”。 在草本植物生长期， 灌丛间地沙漠绢蒿（Seriphidiam santolinum） 和刺毛碱蓬（Suaeda acuminate）对光强的可利用范围显著大于冠下（P < 0.05），表明灌丛间地沙漠绢蒿和刺毛碱蓬可通过降低光补偿点、增大光饱和点来提高对弱光和强光的利用能力。 沙漠绢蒿和刺毛碱蓬冠下光和速率显著小于灌丛间地（P < 0.05），表明梭梭对冠下草本植物的“保护效应”表现为中性或者负相互作用。在草本植物生长末期， 冠下生物量随形态增加增大，大梭梭冠下生物量最大，与中梭梭无显著差异，但显著高于小梭梭（P < 0.05），且所有梭梭冠下草本生物量均显著高于灌丛间地（P < 0.05）。较高的生物量可能与冠下较多植物成活定居有关。梭梭”保护效应”可通过多种机制同时作用于冠下草本植物， 不同作用机理会导致不同的作用结果： “肥岛效应”可对冠下一年生草本生长产生正效应。而遮阴效应对冠下一年生草本密度、生物量以及个体生物量的影响是中性的。 “灌木”下一年生草本密度显著高于其他样地（P < 0.05），表明所有机制协同作用对一年生草本成活定居影响显著。较高的密度使地上草本层生长受到空间限制，相互竞争资源，因此“灌木”下个体生物量较小。</p
古尔班通古特沙漠南缘梭梭群落蒸散量测算方法与蒸散规律研究
No full text梭梭作为古尔班通古特沙漠的主要建群种，研究其蒸散规律对维持和恢复生态环境具有主要意义。本文选择新疆古尔班通古特沙漠南缘典型梭梭群落作为试验对象，采用水量平衡法、波文比—能量平衡法和互补相关法对梭梭群落蒸散量进行了测定和估算。 结果表明：（1） 2016 年梭梭群落生长季降水量为多年平均降水量的 160.60 %，降水丰富，降水以小事件(< 5 mm）为主，但大于 5 mm 的降水为降水主要贡献量。试验区生长季内降水量分布不均，梭梭萌发期，降水量最多；梭梭生长旺盛期，月降水量逐月减少；梭梭枯落期，降水量最少。（2） 2016 年梭梭生长季蒸散量变化特征为多峰曲线，峰值主要出现在降雨集中期，最低值出现在土壤贮水量亏损期。梭梭萌发期，蒸散量逐月增大并达到峰值；梭梭生长旺盛期，蒸散逐月减小；梭梭枯落期蒸散回升。（3） 2016 年梭梭群落生长季内的蒸散量为 280.6 mm，其中降水满足率为73.66 %，土壤发挥水库效应，依靠生长季前土壤蓄水来弥补梭梭群落生长季需水缺额。 4 月和 10 月的降水满足率为 128.89 %和 104.03 %，土壤开始储水； 5 月到9 月的降水满足率不足 100 %，土壤水分亏损。（4）在沙漠生态系统中， 梭梭生长内太阳净辐射、土壤热通量、潜热通量和感热通量的日变化均呈单峰状分布，且土壤热通量的峰值比太阳净辐射推迟 2 小时；由于梭梭萌发期平均降水量最大，下垫面水分充足，使梭梭萌发期潜热通量峰值大于梭梭生长旺盛期和梭梭枯落期；而在梭梭生长旺盛期， 古尔班通古特沙漠的能量主要用于大气运动引起的感热通量，用于水蒸发相变的能量较少。（5）在古尔班通古特沙漠，由于温湿探头精度不足与平流介入的影响，使波文比—能量平衡法估算的蒸散量平均偏大 17.05 %， 但它在国际测试蒸散精度水平的 ITCE 实验所测精度内， 因此波文比—能量平衡法能够适用于古尔班通古特沙漠。（6） 与水量平衡法相比， 互补相关法和波文比—能量平衡法所估算的梭梭月蒸散量平均相对误差均低于 20%，因此互补相关法和波文比—能量平衡法均能够估算古尔班通古特沙漠梭梭蒸散量。 且互补相关法和波文比—能量平衡法所估算的梭梭月蒸散量误差最小月出现在梭梭萌发期。</p
放牧对干旱区草地蒸散发和生物量的影响研究
No full text草地生态系统具有重要的经济和生态价值，诸如畜牧业生产、防风固沙、保持水土、改良土壤和生物基因保持等。干旱区草地广泛分布，同时因水资源短缺而生态脆弱，对气候变化和人类活动非常敏感。放牧是几千年来人类对其最主要的干扰活动。近几十年来干旱区放牧强度日益提高，过度放牧引起的草地退化现象日益严重。畜牧业是干旱区重要的经济支柱产业，研究放牧对草地生态系统的影响对干旱区经济与生态环境的健康发展至关重要。草地生态系统对放牧的响应机理也一直是草地生态学研究的热点和难点。草地蒸散发和生物量是草地建设的两个关键分量，放牧对草地蒸散发和生物量的影响研究是目前草地生态学领域的重要科学问题。目前站点研究表明放牧会降低草地蒸散发，但缺乏区域尺度的放牧与不放牧情景的蒸散发对比分析，这非常不利于全面深入的认识草地蒸散发对放牧的响应机理。另外，有关草地生物量动态对放牧响应机理的研究，因不同草地的具体情况或采用研究方法的差异会有不同结论。目前国内外专家学者对“适度放牧是否促进牧草生长”存在争议。天山北坡、新疆、中亚属于不同尺度的干旱区，草地生态系统分布广泛，且不同区域地形、气候、草地类型和放牧强度与制度差异显著，是研究不同放牧管理对干旱区不同类型草地影响的理想代表区域。本研究选择天山北坡、新疆、中亚三个不同空间尺度的草地生态系统为研究对象，首先基于不同草地的野外观测数据对已有的 Biome-BGC grazing 放牧模型进行校验，然后针对不同区域、不同草地类型和不同程度的放牧干扰，基于校验后的 Biome-BGC grazing 放牧模型，通过情景模拟综合评价放牧对干旱区草地生态系统蒸散发和生物量动态的影响。具体方法步骤包括：1）基于野外试验观测，揭示研究区主要草地生态系统生理生态指标、结构与功能特征；2）基于野外观测数据，对 Biome-BGC grazing 放牧模型进行校验，并基于野外观测数据，验证“适度放牧有助于提高受水分胁迫的草地生态系统的初级生产力”的假设是否成立；3）基于校验后的 Biome-BGCgrazing 放牧模型，通过情景模拟分析放牧对干旱区草地生态系统蒸散发与生物量的影响。结果表明：1) 利用 BIOME-BGC grazing 模型模拟放牧对干旱区草地生态系统蒸散发与生物量动态影响的研究是可行的。2) 利用 2013-2017 年乌鲁木齐永丰乡低山丘陵典型草原刈割模拟放牧的实验观测数据，验证了“适度放牧可提高受水分胁迫草地的初级生产力”的观点。利用乌鲁木齐菊花台中山草甸刈割模拟放牧的实验观测得出初步结论：在放牧情景下，不受水分胁迫的草地地上生物量往往是降低的。3) 总体上，放牧降低了草地净初级生产力，且随着放牧强度的增大，放牧情景与不放牧情景的草地净初级生产力差异是呈增加趋势的。在不放牧情景下，NPP 呈增加趋势，在放牧情景下 NPP 呈降低趋势。同时放牧情景与不放牧情景的草地净初级生产力存在显著的空间异质性。放牧情景下，NPP 显著降低的区域主要分布在放牧强度较大的区域，少部分区域因适度放牧出现了 NPP 的增加。4) 总体上，放牧降低了草地蒸散发，且随着放牧强度的增大，放牧情景与不放牧情景的草地蒸散发的差异是呈增加趋势的。放牧与不放牧情景下蒸散发均呈增加趋势，但放牧情景下蒸散较不放牧情景缓慢。同时放牧情景与不放牧情景草地蒸散发的差异存在显著的空间异质性。总体上，放牧情景下，在放牧强度较大的山地区域蒸散发降低较为显著。5) 总体上，放牧降低了草地水分利用效率，且随着放牧强度的增大，放牧情景与不放牧情景的草地水分利用效率的差异是呈增加趋势的。在放牧情景下水分利用效率是呈下降趋势的，而在不放牧情景下，水分利用效率没有明显的下降趋势。同时放牧情景与不放牧情景的草地水分利用效率的差异存在显著的空间异质性。放牧情景下，草地水分利用效率显著降低的区域主要分布在放牧强度较大的区域。6）中亚草地人类占用净初级生产力（HANPP）为 47.08 g C/m2/yr，占整个中亚草地潜在净初级生产力的 34.08%，中亚草地人类占用净初级生产力效率（HANPP efficiency）为 70.34%。 HANPP 及 HANPP 占潜在 NPP的比重 (HANPP%NPPo)的年际变化均与放牧强度的年际变化显著正相关(P < 0.01)。HANPP efficiency 的年际变化与放牧强度的年际变化负相关 (P < 0.1)。中亚草地 HANPP 区域差异显著。高 HANPP 值主要分布在温带草原和部分森林草甸。低 HANPP 值主要分布在荒漠草原和部分森林草甸。中亚草地 HANPP%NPPo的空间格局与 HANPP 的空间格局相似。中亚草地 HANPP 的年际变化主要受人口变化和经济发展两大因素的影响。中亚草地 HANPP 空间格局主要受放牧强度和放牧制度决定。本研究基于 Biome-BGC grazing 模型，通过区域尺度放牧情景与不放牧情景的模拟对比分析了放牧管理对干旱区不同草地类型的蒸散发及生物量等的影响。研究结果将有助于理解放牧管理对干旱区草地生态系统水碳动态变化的驱动机理，同时对干旱区草地生态系统的放牧管理具有重要现实意义。但是，论文还存在几方面的问题：1）放牧模型中对放牧过程进行了简化，许多关于放牧过程理想条件的假设可能与实际情况不符。例如在放牧模型中，我们未对植被物种的可食性进行区分、未考虑放牧的践踏效应等；2）由于相应实验研究也比较少，较难精确化模型中涉及群落的一些生理生态参数；3）未考虑土地开垦等其它人类活动引起的草地范围的变化。鉴于以上问题，该研究未来的工作重心可以放在以下几个方面：（1）深化 Biome-BGC grazing 草地生态系统放牧模型的放牧过程，如考虑牲畜践踏的影响；（2）加强野外实验，建立长期定位观测站，更多的搜集中亚植被的生理生态参数，为进一步研究提供坚实的数据支撑
基于 WRF 气候模式的天山北坡山地 - 绿洲 - 荒漠系统水热格局与局地气候研究
No full text天山北坡是亚洲中部干旱区气候与地形的缩影。该区域孕育了欧亚大陆腹地典型的山地 - 绿洲 - 荒漠复合生态系统（Mountain - Oasis - Desert System， MODS），地形复杂， 气候变化敏感， 近 60 年气温与降水呈现显著增长的趋势， 并且较其它亚洲干旱区域变化幅度更加剧烈。具体来说， 天山北坡降水呈现 11.3% 的增长趋势，增加幅度为 22% - 33%； 且温度以 0.8 ° C /10 年速率变暖， 而亚洲干旱区和全球陆地的变暖速率分别为 0.39 ° C/10 年和 0.27 - 0.31 °C/10 年。这个区域的人类活动主要表现为绿洲大规模的灌溉和快速的扩张。绿洲是这个区域的精华， 决定着这个区域人类生存与发展的命脉。这种发展于有限水土资源下和复杂山盆之间的灌溉绿洲及其扩张对区域气候的影响是怎样的还不清楚。从绿洲 - 荒漠交互和山盆之间交互的角度分析、 认识这个问题对干旱区人类活动与气候变化的相互作用机理具有重要的科学意义， 也对发展于有限水土资源下的绿洲稳定与可持续发展有着现实的指导意义。基于 Land Use/Cover Change（LUCC） 与气候变化关系的大科学问题背景， 本毕业设计通过使用区域气候模式 Weather Research and Forcasting（WRF） ， 从能量、温度、湿度、降水、大气结构、风速与风向等要素分析复杂的天山北坡 MODS 的水热格局与局地气候特征， 重点从绿洲与荒漠交互作用， 山盆交互作用方面探讨灌溉绿洲对整个 MODS 的水热格局的影响及机制。研究内容主要包括以下几个方面：WRF 对陆面地理 - 生态参数的敏感性：由于 WRF 内嵌的基础地理数据集陈旧过时， 且在这种复杂缺资料区域利用真实遥感陆面参数替换所有内嵌地理数据耗时、耗力、不具操作性的问题， 我们探讨了 WRF 对于 Land Use（LU）， Albedo， Leaf AreaIndex（LAI） 和 Green Vegetation Fraction（GVF） 的敏感性， 旨在寻找决定 WRF模拟局地/区域气候研究的关键参数。结果表明， WRF 对于真实的 GVF 陆面地理数据最为敏感， GVF 对模式模拟温度、湿度和潜热误差校正贡献率分别为 62%， 87%和 92%。 LU 数据作为模式一级参数对二级参数有决定作用， 在模拟过程中也不可忽视。耦合滴灌过程：针对 WRF 缺乏对干旱区典型的绿洲滴灌过程的有效表征， 限制了模式数值模拟客观反映绿洲的水热状态， 我们在前人研究基础上， 新发展一个符合干旱区灌溉模式的滴灌框架， 并将其与 WRF 耦合， 以提高模型对区域水热格局和局地气候的数值模拟精度。结果表明：改进的 WRF 现实地模拟了灌溉绿洲的水热状态， 模拟的灌溉量与区域灌溉定额和气候预测一致；并且结果表明： 灌溉不仅加强了灌溉季绿洲的冷湿岛效应和绿洲 - 荒漠局地环流， 也增加了上游山区高程大约为 1000 - 2000 米的降水量。绿洲效应， 与山盆交互作用的关系： MODS 的气温总体上呈现从山地到绿洲到荒漠条带性增长的格局， 而比湿在 1 km - 2 km 高程左右区域显著的高于同高度盆地区域， 10 - m 环流在盛行西风控制下， 展示了典型的区域山谷风格局。在这种水热格局特征下， 我们观测到北部绿洲 - 荒漠边界一条明显温湿梯度及白天绿洲上空气温（比湿）显著低于（高于）同高程的外围荒漠区域， 这是典型的绿洲冷湿岛效应特征， 这种效应强度在近地面可以达到−0.61 ° C（1.56 g kg−1） ， 可以影响到绿洲上空大约 1.5 km 的高度。由于强劲山谷风的存在隐匿了由绿洲荒漠水热差异产生的绿洲 - 荒漠局地环流， 使得前人提出的理论―绿洲自我维持机制‖对天山北坡的绿洲的生态稳定不能发挥有效作用。而且， 白天谷风使得绿洲的冷湿气团向山区移动，在高程大约 1000 - 2000 米山区成云致雨；晚上， 山风将绿洲上空的冷湿气团携带进入部分荒漠区域， 有益于绿洲 - 荒漠过渡带的植被生长；但山谷风破坏了绿洲的自我维持机制， 使得其不能在当前 MODS 中发挥作用，并且加速了天山北坡内陆流域水文循环过程
塔里木河下游胡杨地上生物量估算
No full text胡杨生物量是评价荒漠河岸林生态系统服务功能的重要指标。受水分条件的影响，塔里木河下游胡杨个体形态差异大，而己有的生物量估算研究未将树形差异考虑在内。为解决树形差异给生物量的准确估算带来的难题，在无破坏性采样的前提下，本文利用胡杨径向生长量、树干三维信息和枝轴分布数据，借助树木年轮方法和三维点云数据处理算法，充分考虑胡杨的树形差异，分析了不同高度树干年生物量的相关性，提出了树干体积计算算法，构建了基于三维扫描技术的树干体积估算模型，揭示了胡杨生物量分配规律。研究结果表明: 1)胡杨树干不同部位的径向生长量存在显著的相关性(Pearson相关系数为0.878 )。结合树干密度和树干不同高度处的径向生长量，构建出可以精确估算树干不同部位年生物量的模型; 2)使用三维扫描仪获取了91株胡杨树干三维信息，提出了树干点云数据的体积算法，构建了胡杨树干体积估算模型;此方法无需破坏性采样，并且可以克服个体树形差异，有效地提高了树干生物量估算的准确性; 3)利用335株胡杨的树高和胸径调查统计信息，157株胡杨的一级枝、二级枝的基径和枝长、数量信息(包括79株树统计了三级枝的基径和数量)，30株树胡杨的三级枝枝长信息，构建了典型胡杨的枝轴组合模型，估算出单株胡杨树干一树枝的生物量分配比例，典型胡杨的树干、一、二、三级枝生物量的比值为27.75: 3.25: 1.99: 1 。本研究首次综合运用树木年轮技术、三维扫描技术及点云数据算法，创建了胡杨单株生物量计算模型，破解了以往胡杨生物量研究中采样毁坏性大(多为砍伐)，模拟精度偏低(个体树形变异明显)的瓶颈问题，为其他珍稀树种生物量估算提供科学参考
新疆生产建设兵团农业用水效益评价
No full text新疆生产建设兵团大规模的水土资源开发，促进新疆经济社会巨大发展的同时， 也产生了一些生态环境问题。 开展兵团农业水资源利用效益综合评价，对于兵团水资源高效利用以及农垦经济-生态可持续发展具有重要意义。 本文利用2001-2015 年兵团统计资料， 在整体把握兵团农业水资源利用和经济发展现状的基础上， 采用综合评价法和生态足迹模型等方法对农业水资源的经济和生态效益进行了综合评价，结合典型团场农业用水研究，提出了农业水资源合理利用对策建议。 主要结果如下：（1） 研究期内， 兵团水资源开发利用效益和经济社会效益呈增加趋势， 生态环境效益呈下降趋势，总体来说，水资源的综合效益呈总体增加趋势。 水资源开发利用效益指数从 2002 年 0.022 增加到 2015 年 0.214， 经济社会效益指数从0.011 增加到 0.496， 生态环境效益指数从 0.140 下降到 0.025，综合效益指数从0.173 增加到 0.736。兵团各地农业水资源利用的综合效益存在不均衡现象， 北疆各师平均综合效益好于南疆各师。2011 年，北疆各师平均综合效益指数为 0.460，南疆各师平均综合效益指数为 0.379，十师综合效益指数最高为 0.572， 十四师综合效益指数最低为 0.247。（2）兵团人均生态赤字呈持续扩大趋势，从 2001 年 0.355 hm2/人增加到 2015年 11.670 hm2/人，说明兵团经济发展对区域资源的消耗已经超过了区域可承受能力范围， 可持续发展面临挑战。 兵团人均水资源生态足迹从 2002 年的 7.568 hm2/人下降到 2015 年的 6.583 hm2/人，而人均水资源生态承载力从 0.788 hm2/人下降到 0.554 hm2/人， 人均水资源生态足迹显著高于人均水资源生态承载力。可见，现有的水资源利用模式是以牺牲生态为代价、不可持续的。（3） 典型团场的农业用水研究表明， 目前， 222 团存在生态用水得不到保证，地下水水位持续下降危及农田防护林和自然荒漠植被生存等问题。 团场为追求农业经济发展，过度开发水资源，导致垦区生态安全隐患增加。 222 团的农田冬灌水量在 2006 年为 615.44×104 m³，而 2013 年以后则减小到 0； 林业灌溉缺水量达到 325.50×104 m³；地下水埋深从 2002 年的 2.06 m 增加到 2015 年 7.10 m。总之，进入 21 世纪以来，虽然兵团水资源的综合效益总体上呈增加趋势，但生态赤字不断扩大，兵团农垦经济的可持续发展面临巨大的挑战，需要通过优化产业结构， 降低农业用水，保障生态用水等措施，实现兵团经济-生态的协调发展
基于树轮数据的不同去趋势方法下天山干湿状况反演研究
No full text近半个世纪以来，在全球气温不断升高的背景下，全球极端干旱区域的面积扩大了两倍以上，部分地区干湿状况严重失衡，严重影响了地区经济和社会发展。天山山脉作为我国重要的地理单元，其自然地理变化对区域生态环境有重要的影响，因此研究其干湿变化具有重要的意义。本文采用树木年代学、相关性分析、功率谱分析、周期分析、线性回归分析等方法研究了天山东中西部地区雪岭云杉（Schrenk Spruce）在不同去趋势方法下记录的天山东中西部的干湿状况变化及与大尺度气候因子之间的关系。主要结论如下：（1）天山西中东部地区不同去趋势方法建立的年表的相关系数（R1、 R2、R3）值、第一主成分（PC1）均较高，说明年表质量较好，含有较多的环境信息，样本对总体的信号解释量（EPS）分别达到 0.992-0.993、 0.968-0.972 和0.977-0.981 均超过了 0.85 的最低阈值，说明此次研究所建立的不同去趋势的年表都是研究气候响应的可信资料，数据采样较成功，采样点树轮资料中含有可靠的气候信号，可进一步用于树轮气候学的分析。（2） 不同年表保留不同频率信息的能力存在较大的差别。 天山东中西部轮宽指数功率谱分析表明 10 年步长的样条函数（SPL10）去趋势方法建立的年表在揭示低频信息变化上优势明显，负指数函数（NEP）、区域曲线法（RCS）、 300年步长的样条函数（SPL300）和 120 年步长的样条函数（SPL120）去趋势方法建立的年表在揭示高频信息变化上更有优势。天山东中西部都存在 50a 的长周期，以及 2a-6a 的短周期。（3）天山西部除了 SPL10 年表和 SPL300 年表，剩下的五种去趋势方法得到的年表对降水的响应差异不大，表现为与前一年 11 月、当年 4 月和当年 5 月降水显著正相关（P<0.05），与当年 9 月降水显著负相关；天山中部地区不同去趋势方法建立年表与气候因子的关系主要表现在与上一年 9 月、当年 5、 6、 7 月降水显著正相关，与当年 5、 6、 7 月均温和高温显著负相关；天山东部地区在NEP 和 RCS 去趋势方法下得到的轮宽指数与上一年 10 月份和 11 月份的降水显著正相关，气温对树木生长的影响以负相关为主，达到显著性水平的年表有NEP、 RCS 和 SPL300 去趋势方法建立的年表。（4）天山西部 SPL300 去趋势方法建立的标准化年表（STD）与标准化降水蒸发指数/标准化降水指数（SPEI/SPI）的显著相关发生在 8-13 个月尺度上的 5-8 月份；天山中部雪岭云杉利用 RCS 建立的年表对不同时间尺度 SPEI/SPI 的响应更显著，与 SPEI 相关性极显著发生在 6-16 个月时间尺度，从 5 月份开始SPEI 的影响一直持续到 12 月份。在 5-24 个月尺度上 SPI 在全年的范围内与轮宽指数均达到极显著正相关。天山东部地区雪岭云杉轮宽指数在短时间尺度（2-7 个月）上 8-12 月份的 SPEI 与轮宽指数均达到了极显著负相关水平，而在长时间尺度（20-24 个月）上 1-7 月份的 SPEI 与轮宽指数达到了显著负相关的水平。在长时间尺度（20-24 个月）上与 1-7 月份的 SPI 的负相关更显著，说明降水对雪岭云杉轮宽指数的负影响在长时间尺度上更明显。天山中西部轮宽指数与 PDSI 均达到显著相关水平，东部地区未达到显著相关水平。（5） 在 天 山 西 中 东 部 地 区 分 别 选 择 了 5-8 月 份 平 均 SPEI11/SPI11、SPEI13/SPI13 和 SPEI24/SPI24 用于干湿状况的重建和分析。重建结果显示天山西部地区在 1870-1880 年、 1960-1985 年 SPEI11/SPI11 值较低，处于干旱期，在1870 年、 1885 年附近、 1930-1940 年以及 1990-2002 年处于湿润期；天山中部地区 1915-1940 年、 1965-1980 年处于干旱期， 1940-1963 年、 1980-2000 年处于湿润期；天山东部地区在 1810-1820 年、 1830-1840 年、 1880-1890 年、 1960-1978 年处于干旱期，其中 1830-1840 年和 1965-1978 年处于较干旱时期， 1800-1803 年、 1850-1880 年、 1920-1940 年和 2010-2015 年天山东部处于湿润期，较显著的湿润期发生在 1855-1863 年和 1925-1935 年。太平洋十年涛动指数（PDO）、北极涛动指数（AO）和北大西洋涛动指数（NAO）均对天山地区干湿变化产生影响。</p