灌丛化草原已成为我国干旱、半干旱地区一种重要的植被类型, 但目前有关灌丛化草原灌木和草本植物光谱特征以及灌木盖度的遥感反演研究鲜有报道。相比传统的野外调查方法, 基于遥感影像的灌木盖度反演为实现长时间、大范围灌丛化草原灌木盖度监测提供了可能。该研究综合利用灌木和草本植物光谱特征差异以及季相差异, 以内蒙古镶黄旗灌丛化草原区为例, 通过线性模型和多端元混合光谱分解模型, 实现了利用中分辨率Landsat卫星影像的灌木盖度反演。对镶黄旗优势灌木和草本植物群落的光谱特征分析表明, 小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)灌木群落的红边斜率、归一化植被指数和改进红边归一化植被指数值均高于以羊草(Leymus chinensis)、克氏针茅(Stipa krylovii)为优势种的草本植物群落, 并且其红边位置有“红移”趋势。两种模型反演所得镶黄旗灌丛化草原区灌木盖度平均值均为13%, 绝大多数区域灌木盖度低于25%。相比基于盛夏时节影像的多端元混合光谱分解模型, 利用灌木和草本植物季相特征差异建立的基于初秋时节影像的线性模型更适合灌丛化草原灌木盖度的遥感反演。

不合理的土地利用方式以及气候变化导致我国草原生态系统普遍退化, 主要表现在土壤养分降低、植被覆盖度减少、生产力下降。外源氮素添加是促进退化草原尽快恢复的一项重要措施, 尤其是对那些退化较为严重的草原。该研究选取内蒙古东乌珠穆沁旗不同退化程度(轻度、中度和重度)的草原群落, 于2014-2015年开展连续两年的氮素添加实验, 设置对照(不添加)、低水平(5.0 g N·m^-2·a^-1)、中水平(10.0 g N·m^-2·a^-1)和高水平(20.0 g N·m^-2·a^-1) 4种氮素添加处理, 探讨退化草原群落生产力在恢复过程中对不同水平氮素添加的响应。结果显示: (1)高、中水平氮素添加显著提高了轻度退化群落的地上生物量, 分别比对照增加了53.1%、51.6%, 氮素各水平添加对中度、重度群落地上生物量无显著影响; (2)高、中水平氮素添加显著提高了轻度退化群落中多年生根茎型禾草地上生物量, 分别比对照增加了45.1%、47.7%, 而多年生杂类草地上生物量分别比对照减少了37.4%、42.1%, 但中度和重度退化群落各功能群生物量的响应不显著; (3)三种水平氮素添加对轻、中、重度退化群落物种丰富度在试验期间均没有显著影响。研究结果表明氮素添加有助于提高轻度退化草原中多年生根茎型禾草的生物量, 进而提高群落的生物量, 但多年生杂类草会被逐渐替代, 导致生物量降低, 可见施氮对草原恢复的影响取决于草原退化 程度。

深入认识植物功能性状的生态学含义, 对于阐明不同自然与人为干扰环境下的群落构建途径, 进一步揭示生态系统服务维持机制具有重要的理论意义。该文以内蒙古锡林河流域羊草(Leymus chinensis)草原不同退化演替阶段的群落为研究对象, 分析了土壤养分与植物功能性状的变化特征及两者之间的关系。结果表明: (1)退化导致土壤养分含量逐渐减少, 全氮和全磷在未退化的羊草+杂类草群落与严重退化的羊草+冷蒿(Artemisia frigida)群落之间差异显著; (2)随着退化演替的进程, 群落最大高度和叶片碳氮比减小, 群落最大高度在未退化的羊草+杂类草群落与轻度退化的羊草+针茅(Stipa sp.)群落之间差异显著, 碳氮比在未退化的羊草+杂类草群落与严重退化的羊草+冷蒿群落之间差异显著; (3)不同退化演替阶段的群落, 其土壤养分对植物功能性状的影响有所差异。在羊草+针茅群落, 速效氮与群落最大高度、叶片木质素含量和叶片碳氮比均呈显著负相关关系。而在羊草+糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)群落中, 上述3种植物功能性状则表现为均与全磷含量显著正相关; (4)群落植物功能性状之间的关系也因退化阶段不同而有所不同。在轻度退化的羊草+针茅群落中, 叶片木质素含量与其他4个功能性状显著正相关, 叶片碳氮比与群落最大高度、叶干物质含量、木质素含量呈显著正相关关系。在严重退化的羊草+冷蒿群落中, 所有性状均呈极显著正相关关系。表明植物通过功能性状的协调或组合, 以适应贫瘠的土壤环境。上述结果深化了对典型草原退化演替的认识, 对退化草地的恢复与保护具有一定的指导意义。

以内蒙古短花针茅(Stipa breviflora)草原为研究对象, 在放牧11年的样地布设BSNE集沙仪, 通过2013年4月到2015年4月4个采样期对短花针茅草原放牧强度与风沙通量的定量关系及风蚀物粒度特征进行了研究。结果表明: (1)放牧强度对风沙通量有显著影响(p < 0.05)。随着放牧强度增强, 风沙通量逐渐增加; 风沙通量对放牧强度的响应存在季节差异, 生长季的日平均风沙通量小于非生长季, 且生长季不同放牧强度间风沙通量差异较大, 其中重度放牧区风沙通量是对照区的5倍, 而非生长季不同放牧强度间风沙通量差异较小, 重度放牧区是对照区的1.7倍; (2)生长季不同高度风沙通量的自然对数和垂直高度之间存在较好的二项式拟合结果, 而非生长季风沙通量的垂直分布没有明显规律; 放牧强度间通量的垂直分布差异主要表现在0-50 cm高度; 在同样高度, 放牧强度大, 垂直通量也大; (3)风蚀沉积物中粒径≤250 μm颗粒富集度随垂直高度变化而变化; 风沙沉积物中, ≤250 μm的颗粒占沉积物总量的85%以上, 沉积物中粒径≤50 μm的颗粒有明显的富集作用, 且随垂直高度增加富集比逐渐增加; 粒径为125-250 μm和50-125 μm的颗粒表现为随垂直高度增加富集比降低的趋势, 且125-250 μm粒径的富集比显著小于50-125 μm颗粒的富集比; 荒漠草原放牧强度对风沙通量有不同程度的影响, 放牧强度越大, 风蚀越重, 风蚀作用强化了重度放牧对草地退化的影响作用。

植物群落生物量反映了植被的初级生产能力, 是陆地生态系统碳(C)输入的最主要来源, 往往受到自然界中氮(N)、磷(P)元素供应的限制。该试验以青藏高原环青海湖地区的高寒草原为研究对象, 探讨了天然草地和退耕恢复草地植被群落生物量对N (10 g·m^-2)、P (5 g·m^-2)养分添加的响应。N、P添加显著增加了天然草地禾草的生物量, 进而促使地上总生物量显著提高。退耕恢复草地禾草和杂类草的生物量对N添加均有一致的正响应, 从而促使地上总生物量显著增加174%, 群落地上和地下总生物量显著增加34%; 而P添加对恢复草地生物量各项参数均无显著影响。回归分析显示: 天然草地植物群落地上生物量随土壤中NO₃^--N含量的增加而增加(p < 0.05), 退耕恢复草地植被地上、地下和总生物量均与土壤NO₃^--N含量显著正相关(p < 0.01), 说明环湖地区高寒草原植物生长主要受N供应的限制, P的限制作用随土地利用方式的转变和群落演替阶段的不同而变化; 相比天然草地, 恢复草地在现阶段植被初级生产力受N的限制作用更强烈, 土壤中可利用N含量是限制其植被自然恢复和重建的关键因子。

全球气候变暖对高寒和极地地区的植物物候产生强烈的影响。该研究主要关注增温条件下藏北高寒草甸不同功能型植物繁殖时间(生殖物候)的改变。实验采用开顶箱式增温方法, 对3个主要功能群浅根-早花、浅根-中花和深根-晚花植物的现蕾、开花、结实时间进行观测。研究结果表明: (1)增温导致了土壤水分胁迫, 显著推迟了浅根-早花植物高山嵩草(Kobresia pygmaea)的繁殖时间; (2)增温显著提前了浅根-中花植物钉柱委陵菜(Potentilla saundersiana)和深根晚花植物紫花针茅(Stipa purpurea)和矮羊茅(Festuca coelestis)的繁殖时间; (3)增温没有显著影响浅根-中花植物楔叶委陵菜(Potentilla cuneata)和深根-晚花植物无茎黄鹌菜(Youngia simulatrix)的繁殖时间; (4)增温缩短了3种类型植物的开花持续时间。这些结果显示增温改变了藏北高寒草甸群落中多数物种的繁殖时间, 这预示着在未来更热更干的生长季, 青藏高原高寒草甸系统的植物物候格局可能会被重塑。

森林生态系统的产水量与固碳效益之间存在着一种可交易的平衡关系。基于WaSSI-C水碳耦合模型和趋势分析, 研究了1982-2006年川西杂古脑河上游22个子流域内不同植被类型空间分布对水碳平衡的影响并分析了其水碳耦合关系, 发现: 1)针叶林主导的流域在生长季增加土壤水分入渗的功能明显高于其他植被类型, 但不足以补偿其高蒸散带来的水分消耗, 因而其年平均土壤含水量明显低于高山草甸和混交林类型; 且森林土壤含水量随着森林覆盖率的升高而降低。2) 25年的土壤水分蓄变量的平均值, 高山草甸流域为-44 mm, 混交林为-18 mm, 针叶林为-5 mm, 说明川西亚高山植被的整体维持稳定产水量及其潜力在下降, 其中高山草甸流域下降趋势尤为显著。3)流域产流量和净生态系统生产力具有显著负相关性, 且不同植被组成对固碳和产水效益的转化具有重要影响: 高山草甸主导的子流域具有较高的产水量和较低的固碳能力, 常绿针叶林主导的子流域具有较高固碳能力和较低产水量, 且森林覆盖率越高, 产水量越低。三种植被类型的净生态系统生产力在研究期间均呈现上升趋势, 且高山草甸的上升趋势显著。

弄清土地利用和降水变化对林地土壤主要温室气体(CO₂、CH₄和N₂O)排放通量变化的影响, 是准确评估森林土壤温室气体排放能力的重要基础。该研究以常绿落叶阔叶混交林原始林、桦木(Betula luminifera)次生林和马尾松(Pinus massoniana)人工林为对象, 采用静态箱-气相色谱法研究了3种土地利用方式(常绿落叶阔叶混交林原始林、桦木次生林和马尾松人工林)和降水减少处理状况下森林土壤CO₂、CH₄和N₂O通量排放特征, 并探讨了其环境驱动机制。研究结果表明: 原始林土壤CH₄吸收通量显著高于次生林和人工林, 次生林CH₄吸收通量显著高于人工林土壤。人工林土壤CO₂排放通量显著高于原始林和次生林土壤。次生林土壤N₂O排放通量高于原始林和人工林, 但三者间差异不显著。降水减半显著抑制了3种不同土地利用方式下林地土壤CH₄吸收通量; 降水减半处理对原始林和次生林土壤CO₂排放通量均具有显著的促进作用, 而对人工林土壤CO₂排放通量具有显著的抑制作用; 降水减半处理促进了原始林和人工林林地土壤N₂O排放而抑制了次生林林地土壤N₂O排放。原始林和次生林林地土壤CH₄吸收通量随土壤温度升高显著增加, CH₄吸收通量与土壤温度均呈显著相关关系; 原始林、次生林和人工林土壤CO₂和N₂O排放通量与土壤温度均呈显著正相关关系; 土壤湿度抑制了次生林和人工林土壤CH₄吸收通量, 其CH₄吸收通量随土壤湿度增加显著减少; 原始林土壤CO₂排放通量与土壤湿度呈显著正相关关系。自然状态下, 原始林土壤N₂O排放通量与土壤湿度呈显著正相关关系, 原始林和次生林土壤N₂O排放通量与硝态氮含量呈显著相关关系。研究结果表明全球气候变化(如降水变化)和土地利用方式的转变将对北亚热带森林林地土壤温室气体排放通量产生显著的影响。

2011年12月至2012年9月, 在湘中丘陵区杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林、马尾松(Pinus massoniana)-石栎(Lithocarpus glaber)针阔混交林、南酸枣(Choerospondias axillaries)落叶阔叶林、石栎(Lithocarpus glaber)-青冈(Cyclobalanopsis glauca)常绿阔叶林1 hm²的长期定位观测样地, 采集0-15 cm、15-30 cm土层土壤样品, 测定土壤微生物生物量碳(MBC)、可矿化有机碳(MOC)、易氧化有机碳(ROC)、水溶性有机碳(DOC)含量, 分析4种森林土壤MBC、MOC、ROC、DOC含量的季节变化特征, 为揭示天然林保护与恢复对土壤有机碳(SOC)库的影响机理过程提供基础数据。结果表明: 森林土壤MBC、MOC、ROC、DOC含量具有明显的季节动态, 且不同森林同一土壤活性有机碳组分的季节变化节律基本一致, MBC、MOC、ROC含量表现为夏、秋季较高, 春、冬季较低; DOC含量表现为春、夏、冬季较高, 秋季最低; 同一森林不同土壤活性有机碳组分含量的季节变化节律不同; 土壤MBC、MOC、ROC、DOC含量与土壤自然含水率、SOC、全N、水解N、全P (除杉木人工林土壤MBC、MOC、ROC外)、速效P含量显著或极显著正相关, 与土壤pH值、全K、速效K含量相关性不显著, 表明不同森林类型外源碳库投入和土壤理化性质的差异是导致不同森林类型土壤活性有机碳含量差异显著的主要原因, 该区域森林土壤活性有机碳各组分含量的季节变化与各森林类型组成树种生长节律及其土壤水分含量和SOC、N、P的可利用性, 以及土壤活性有机碳各组分的来源有关, 森林土壤MBC、MOC、ROC、DOC含量可作为衡量森林土壤C、N、P动态变化的敏感性指标。

光能利用率(LUE)是陆地生态系统总初级生产力(GPP)估算的一个重要参数。LUE的准确估算对于在区域甚至全球尺度上使用LUE模型估算GPP是非常重要的。一个基于通量塔的观测视场与通量观测足迹在时空上相匹配的自动多角度遥感平台为LUE在站点尺度上的准确估算提供了一个好方法。该文基于通量塔涡度相关(EC)和自动多角度高光谱连续观测获取的连续30 min的数据, 在站点空间尺度和0.5 h与日时间尺度上, 探讨了城市绿地生态系统秋季光化学反射植被指数(PRI)与LUE之间的关系。研究发现, 反映植被叶面积和色素变化的植被绿度指数在秋季呈现逐渐下降的趋势, 表征了植被冠层的状态与结构变化, 叶片从绿色逐渐变黄凋落, 植被冠层叶片的叶绿素逐渐减少, 裸露的枝干增多; 用空气温度和代表物候过程的绝对绿度指数(2G_RB)做线性回归分析, 得到回归系数(R²)为0.60 (p < 0.001)。说明在城市绿地生态系统中, 空气温度是决定植被物候过程的主要驱动因素, 随着植被物候变化, 叶片的凋落导致的裸露土壤的增多以及随时间变化的色素含量和其比例的变化将影响PRI和LUE的关系; 采用植被生长模型(logistic曲线), 拟合时间与2G_RB, 得到曲率变化最快的点, 确定为秋季植被落叶期的初日, 即第290天。在0.5 h和日时间尺度上, PRI都可以捕捉LUE的变化。但是日尺度上不同物候期, PRI和LUE的关系发生了急剧的变化。在秋季植被正常生长期, PRI和LUE之间的关系最密切(R² = 0.70, p < 0.001)。当土壤温度大于15 ℃、光合有效辐射(PAR)大于300 μmol·m^-2·s^-1以及饱和水汽压差(VPD)大于700 Pa的情况下, PRI能够更好地预测LUE。基于通 量塔尺度上时空尺度相匹配, 利用半经验的核驱动二向反射分布函数模型得到的高光谱PRI和通量观测得到的LUE在不同环境条件下的关系以及考虑到在植被的不同物候期对PRI和LUE的关系的优化, 将会更加准确地估算城市绿地生态系统的LUE。

为明确内蒙古山杏(Armeniaca sibirica)种群间和种群内的表型变异程度和变异规律, 以内蒙古山杏自然分布区的13个种群的23个表型性状为研究对象, 采用巢式方差分析、多重比较、变异分析、相关性分析和主成分分析等多种分析方法, 对种群间和种群内的表型多样性及其与地理生态因子的相关性进行了讨论。研究结果表明: 内蒙古山杏的表型性状在种群间和种群内均存在丰富的变异, 种群间的变异大于种群内的变异, 表型性状的平均分化系数为73.03%, 种群间变异是山杏表型变异的主要变异来源。各性状的平均变异系数为14.28%, 变异幅度为7.01%-27.23%, 其中核的变异系数最大, 果的变异系数最小。土默特左旗万家沟种群表型多样性最丰富, 科尔沁右翼前旗察尔森种群表型多样性最小。表型性状主要受经度、年降水量以及年日照时间3个主要地理生态因子影响。通过主成分分析可以把13个种源区划为四大类, 其中乌拉山种群的叶性状和阿鲁科尔沁旗种群的核性状受地理生态因子影响最大。

生态系统格局和过程往往受到多个因子的共同影响, 故此反映两个生态学变量相互关系的散点图常常会表现为有边界的散点云。基于数据均值或中值分析的传统统计方法不适用于散点云数据的分析。散点云所表征的不是两变量之间的相关关系, 而是限制作用关系。约束线(包络)方法为提取散点云边界、理解限制变量对响应变量的作用, 以及预测响应变量的潜在最大值提供了有效手段。该文对应用约束线方法研究生态学问题所取得的成果进行总结与归纳, 介绍了约束线概念的发展历程、提取方法, 从物种分布、种群行为及作物产量优化三个方面总结了约束线方法的优点及适用性, 概述了当前约束线方法应用研究面临的问题与挑战, 指出约束线方法应结合其他统计方法, 实现对生态过程的准确理解, 此外, 还应重视约束线方法的尺度依赖性。最后, 该文展望了约束线方法在研究生态系统服务关系和土地系统优化等方面的应用前景。