柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)是晋西北丘陵风沙区主要的退耕还林植物,在维持群落物种多样性、生态系统稳定和土壤环境恢复等方面发挥着非常重要的作用.为探究不同林龄柠条锦鸡儿人工林生态系统碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量特征与叶片光合作用和土壤环境因子之间的相互关系,该研究以晋西北丘陵风沙区不同林龄(0、6、12、18、40和50年)柠条锦鸡儿人工林植物叶片和土壤为研究对象,分析了柠条锦鸡儿叶片和土壤C、N、P化学计量的变化特征及其相互关系.结果表明:1)随着林龄的增加,柠条锦鸡儿叶片C、N含量显著增加,P含量呈先增加后减少的趋势,叶片的C、N、P含量分别在434.14-452.26、15.72-28.11、1.32-1.95 g·kg-1之间,其中叶片C、N含量均在林龄50年达到最大值,而叶片P含量在林龄18年达到最大值;叶片C∶N呈先增加后减少的趋势,林龄18年达到最大值,N∶P呈显著增加趋势,林龄50年达到最大值.叶片的光合色素(叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和总叶绿素含量)随着林龄增加呈显著下降的趋势,叶片的C、N含量对光合色素含量变化具有显著的影响.2)土壤含水量在0-20 cm土层呈先增加后减少趋势,尤其在林龄18年之后显著下降;0-20 cm土层中的土壤有机碳(SOC)和全氮(STN)含量随着林龄的增加而增加,土壤全磷(STP)含量无显著变化.土壤C∶N、C∶P和N∶P随着林龄的增加呈增加的趋势.3)柠条锦鸡儿人工林土壤含水量与SOC和STN含量具有显著正相关关系,SOC和STN含量之间也呈显著的正相关关系;柠条锦鸡儿叶片N和P含量具有显著正相关关系;叶片C、N含量与土壤SOC、STN、STP含量之间均呈显著正相关关系,与土壤含水量呈负相关关系,叶片化学计量比与土壤化学计量比之间呈显著正相关关系.随着林龄的增加,柠条锦鸡儿人工林主要受P含量及土壤含水量的影响.该研究结果对系统了解柠条锦鸡儿人工林生态系统的养分变化,养分调控和抚育管理具有指导意义.

分析了无定河流域干流与其支流(黄土丘陵区的大理河和风沙区的海流兔河)的年径流变化(1960-2012)及其成因,并预测了其径流的变化趋势.结果 表明:无定河及其不同地貌区支流海流兔河和大理河流域1960-2012年径流量均显著下降,但年降水量未发生显著变化;无定河和海流兔河流域年蒸散量未发生显著变化,仅大理河流域年蒸散量在1990s年代后期显著增加.无定河流域径流变化突变点发生在1979年和1996年,海流兔河流域径流变化突变点在1971年和1990年,而大理河流域径流突变点发生在1971年.人类活动对大理河流域1972-2012年径流减少的贡献大约占50％,对海流兔河流域1972-1990年和1991-2012年两个时期径流减少的贡献率分别为44.4％和82.4％.未来,无定河及其支流年径流量均呈持续下降趋势.归因分析表明大规模的水土保持治理措施减少了大理河流域侵蚀产沙量的同时,也在一定程度上减少了大理河流域的径流量,而过度的农田灌溉引水是海流兔河径流量下降的主要原因.因此,未来在大理河流域要优化现有植被建设布局,减少流域蒸散发,减缓径流下降;在海流兔河流域要进一步退耕还林(草),适当控制农田灌溉面积,提高灌溉用水效率,在减少灌溉用水的同时提高流域水源涵养能力.

1999年起,陕西省实施了大规模的退耕还林、封山禁牧等生态建设和保护工程,使植被覆盖得到迅速恢复和增加.为了进一步跟踪评估植被覆盖变化,为生态建设和规划提供依据,本文基于2000-2017年MOD13Q1数据、气象数据,利用像元二分法估算陕西省18年间的植被覆盖度,通过空间插值方法、空间相关分析、统计学方法分区对其时空变化特征和对气候变化的响应进行了分析.结果 表明:2000-2017年陕西省植被覆盖度呈现波动增加趋势,但增速逐年减少,2012年达到最大值后在高位波动;全省植被覆盖度增加区域面积占国土面积的82.4％,降低的区域仅占17.6％;陕北地区植被覆盖度显著增加,部分地区植被覆盖度达到最大值后出现下降趋势;植被覆盖度变异系数大的区域主要分布陕北长城沿线风沙区和丘陵沟壑区以及城市周边;陕西省植被覆盖度与降水量、气温在年尺度上相关系数均呈不显著的正相关;占全省98.4％的区域植覆盖度与降水、气温的复相关空间也未通过0.05显著水平检验;说明退耕还林等生态建设工程的实施,对植被恢复和生长具有重要的促进作用,一定程度上降低了植被生长对气候因子的敏感性;未来陕西省随着退耕还林等生态建设工程的环境资源的限制、土地利用程度的提高和城市用地的扩展,陕西省植被覆盖度将出现下降趋势.如何减缓这种下降趋势,是未来陕西省生态建设和保护的重大问题.

晋西北丘陵风沙区生态环境脆弱,是我国风沙活动危害最为严重的地区之一.本文以晋西北典型丘陵风沙区0(撂荒地)、6、12、18、40和50年生人工柠条为研究对象,分析了不同林龄柠条的土壤含水量、地上和地下生物量、个体形态特征、生长繁殖及光合生理特征,研究0～50年长时间序列人工柠条的生长和繁殖动态特征.结果 表明:人工柠条林土壤水分变化与柠条林龄密切相关.6年生柠条的土壤水分较低,6～18年生柠条由于冠幅增加,降低了近地表的风速和太阳辐射,减少了土壤水分的蒸发,土壤水分呈上升趋势,18 ～ 50年生柠条的生物量快速积累,植物蒸腾量和根系对水分的吸收量大幅度增加,土壤水分不断降低,到50年则下降至最低水平(11.1％);6～18年生人工柠条以地下根系生长为主,18 ～40年生柠条以地上部生长为主,40年生柠条的生物量维持在较高水平,冠幅和株高达到最高,生长状态达到最佳,40～50年生柠条的冠幅和株高显著降低,生长进入衰退期;柠条的光合能力(叶绿素a、b,类胡萝卜、素和总叶绿素含量)随着种植年限的增加逐渐下降,尤其在18年后显著下降;柠条种子的数量和质量从6年生到40年生不断上升,40年生达到最大;与6～12年生柠条相比,30～40年生柠条能产生更多个体质量小的种子.萌发试验表明,在相同年限,柠条的小种子比大种子的萌发速率更高,表明柠条繁殖策略有从前期(6～12年生)K策略向后期(30 ～ 40年生)r策略转化的趋势,而从50年生开始,柠条种子数量和质量显著下降,人工柠条的生长和繁殖出现退化.

植被是地表生态系统的重要"指示器",在能量交换、水循环、碳循环、生物地球化学循环和维持中发挥着重要作用,降水是影响植被变化的主要气候因子,研究两者之间的作用关系具有重要的意义和价值.利用Mann-Kendall趋势检验法和Hust指数分析了黄土高原地区归一化植被指数(NDVI)的变化趋势,使用相对发展率(RDR)指数和重心转移模型分析了NDVI变化的时空差异,并构建了基于耦合协调度理论和Pettitt检验方法的NDVI与降水关系的变异诊断方法,识别了黄土高原地区NDVI与降水关系的突变点,探讨了降水对NDVI变化的影响以及造成NDVI与降水关系变化的原因.结果 表明:(1)黄土高原地区73.49％面积的NDVI在1998-2017年有呈现显著增加趋势(P＜0.05),大部分地区NDVI在未来依旧呈现增加趋势;(2)黄土高原地区丘陵沟壑区与高原沟壑区的NDVI增加幅度大于黄土高原地区整体的增加幅度,而北部风沙区和农灌区以及黄土高原地区边界区域的NDVI增加滞后于区域整体变化;(3)NDVI与降水耦合协调程度逐年增强,两者关系在2006年发生显著突变(P＜0.05);(4)NDVI呈现显著增加区域降水明显高于不显著变化区域(P＜0.05),降水对NDVI变化存在一定影响,在丘陵沟壑区、高原沟壑区北部和东部河谷及土石山区北部NDVI和降水存在显著正相关关系(P＜0.05),然而黄土高原地区大部分区域的降水并不存在显著变化趋势(P＞0.05),因此造成黄土高原地区NDVI与降水关系在2006年发生显著突变的主要原因应该是人类活动(P＜0.05).研究成果有助于进一步理解黄土高原植被变化与降水的相互作用,为黄土高原生态建设和水土流失治理提供一定的科学支撑.

地表植被作为生态环境变化的敏感因子,对维持区域生态稳定性具有重要作用.基于退耕还林(草)生态工程实施过程中2000-2019年陕北地区的MODIS NDVI数据,结合地形、地貌、气候、土壤和植被等环境因子,探究NDVI时空变异特征,并运用地理探测器模型对植被NDVI影响因子及其影响程度进行探测,最终确定主要环境因子对NDVI的驱动机制.结果表明:(1)2000-2019年陕北地区中高和高植被覆盖区面积分别增加了25.64％和11.74％,植被覆盖状况整体良好;NDVI空间分布差异显著,其中,东南丘陵沟壑区植被覆盖度较高,西北风沙区以及城镇建设用地区域植被覆盖度较低;(2)陕北地区植被NDVI主要受年降水量和干燥度指数的影响,其解释力均大于45％;植被类型、≥10℃积温、地貌类型和坡度的解释力在15％-35％之间;土壤类型、年均温、高程和坡向的解释力均小于10％;(3)各环境因子对陕北地区NDVI变化的影响存在相互增强和非线性增强的协同交互关系.结果揭示的中高和高植被覆盖区面积的显著增加、影响NDVI的主要驱动因子年降水量和干燥度指数的适宜阈值以及它们之间交互增强的驱动机制,能够为陕北地区生态脆弱区生态环境修复提供理论支撑和辅助决策.

人工固沙植被群落的稳定是评价干旱半干旱风沙区植被恢复成功的重要标准.该研究运用模糊综合评判理论,对晋西北丘陵风沙区坡面尺度下(坡上、坡中、坡下)7种人工固沙优势植物的稳定性进行分析,选取优势植物生长状况、土壤质量、林下植物生物量和多样性以及Godron指数4项指标,通过计算其隶属度平均值来评价植物的稳定性.结果表明:(1)乔木油松枝叶生物量最大(1 457.1 g),灌木柠条枝叶生物量最大(1 429.1 g),各优势植物坡下枝叶生物量最大.(2)灌木表层(0～20 cm)土壤水分优于各乔木表层土壤水分,同时不同植物林均表现出坡下土壤水分最大;各植物表层土壤有机质、解碱氮、速效钾、速效磷基本都远高于撂荒地,其中乔木油松和灌木柠条各土壤养分指标显著高于其他植物,且不同植物林下养分也表现为坡下最优.(3)林下植物生物量乔木青杨最大(87.2 g),灌木柠条最大(50.4 g),坡下生物量最大;林下植物丰富度指数乔木青杨最高,林下植物多样性指数和均匀度指数乔木樟子松和油松最高,灌木中林下植物各多样性指数基本相近.(4)Godron指数:乔木中刺槐的交点坐标离群落稳定点最近,灌木中柠条交点坐标离群落稳定点最近.综合各指标的隶属度平均值得到乔木稳定性指数排序为:油松(0.69)＞刺槐(0.67)＞青杨(0.66)＞樟子松(0.39)＞旱柳(0.28),灌木稳定性排序为:柠条(0.82)＞紫穗槐(0.64),乔灌木植物稳定性均远高于撂荒地(0.20).研究认为乔木油松和灌木柠条稳定性最高,是西北丘陵风沙区适宜的造林树种,而坡下则是更优的种植坡位选择.该研究结果可为晋西北丘陵风沙区域以至于黄土高原人工固沙植被恢复和科学管理提供依据.

陕北黄土高原自然环境严峻,是我国农村生活最贫困的地区之一,不同地理地貌村庄的贫困农户生计策略对生计资本的敏感性还缺乏相关的实证检验.基于佳县的调研数据,将样本划分为风沙区、丘陵沟壑区和土石山区三类村庄,在贫困户和非贫困户生计资本与生计策略对比分析基础上,结合二元logistic模型对贫困农户生计策略由纯农型向非农型转变的关键因素进行分析,研究发现:人力资本、金融资本和社会资本的增加对贫困农户非农型生计策略的选择有正向作用,而自然资本、物质资本的增加对非农型生计策略的选择有负向作用.风沙区和丘陵沟壑区的结果与总样本相似,土石山区贫困农户自然资本越丰富反而越倾向于选择非农型生计策略.不同类型村庄生计策略存在显著差异,不调整生计策略的贫困农户未来仍有70％选择扩大农业、林业生产.在进行可持续生计策略调整时,个体经营和外地打工是他们主要选择的方式,自然灾害和红枣市场不景气是他们未来愿意选择生计多元化的主因.

以晋西北丘陵风沙区不同种植年限(6、12、18、40和50年)人工柠条的3种大小类型种子为对象,分析不同年限柠条种子形态特征,从繁殖策略的角度探讨人工植被恢复潜力.结果表明:人工柠条的结实量随着种植年限的增加总体呈上升趋势,在种植50年达到最大值(584粒·株-1);种子长度、种子宽度、种子形状指数随着种植年限的增加总体呈下降趋势,在种植50年达到最小值(5.09 mm、2.76 mm、0.05);种子萌发率随种植年限的增加呈上升-下降-上升的波动变化趋势,在种植12年达到最大值(97.2％).结实量与种子重量呈显著负相关.种子萌发率与种子重量密切相关,重量小的种子萌发率低,更易于形成持久种子库.相关分析表明,结实量与株高、地上生物量和地下生物量呈显著正相关;种子形状与新枝数呈显著负相关.这表明随着种植年限的增加,柠条繁殖对策由种植前期(6～12年)大种子较多的K策略向种植后期(18～50年)小种子逐渐为主的r策略转变,即柠条既要保证繁殖体数量,又要保证繁殖体的持久性,从而产生了数量更多的小而圆的种子.

晋西北丘陵风沙区生态环境脆弱,是我国风沙活动危害最为严重的地区之一.为探究晋西北丘陵风沙区人工柠条林林下草本植物群落组成和种群生态位变化规律,以不同种植年限(撂荒地CK、6、12、18、40、50 a)人工柠条林林下天然草本植物群落作为研究对象,对其群落组成、重要值及种群生态位变化特征进行分析.研究结果表明:(1)不同年限柠条林下天然草本植物组成共记录到22科41属52种,其中,种植前期(0—6 a)林下草本植物以一年生草本植物为优势类群,伴有少数多年生草本植物(3种);种植中期(12—18 a)林下草本植物主要由多年生草本植物(12种)为主,伴生有一年生草本植物(6种)及天然灌木(2种)组成;在种植后期(40—50 a),林下草本植物依然以多年生草本植物(12种)为主.(2)在不同年限柠条林下,草本植物生态位宽度和生态位重叠发生明显变化,种植前期(0—12 a)的优势类群为一年生先锋物种(米蒿和野燕麦),其生态位宽度最宽(9.46、9.34),且与其他物种的生态位重叠程度最大(0.3、0.29);而种植中后期(18—50 a)优势类群变为多年生草本植物,优势种披碱草与其他物种的生态位重叠程度最大(0.42),说明其为林下植物群落主要的优势种和泛化种.(3)柠条林种植后期(50 a),多数草本植物主要集中分布在生态位重叠系数DCA排序图的中心位置,说明在种植后期草本植物对相同环境的资源竞争激烈,林下草本植物群落处于演替过渡阶段.综上,人工种植柠条林相较于天然恢复(CK),更有利于增加草本植物群落的多样性,但林下植物群落对资源的竞争更为激烈.这些研究结果对干旱半干旱地区风沙区植被恢复和生态重建具有重要的参考价值,对人工林生态恢复具有重要意义.