生态系统突变是指生态系统在受到超过临界值的干扰后,系统由一种状态急剧变为另一种状态的过程.尽管寒旱区常见的土地沙漠化、草地退化属于渐变过程,但当干扰持续时间或干扰强度超过一定阈值时也可能发生突变.研究生态系统突变对寒旱区生态系统管理具有重要意义.本文综述了生态系统突变的内涵演变及预警研究的进展,分析了寒旱区常见的土地沙漠化和草地退化的问题,阐明了系统状态对不同胁迫的多种响应方式,提出了针对干旱荒漠区雨养人工固沙系统和高寒草甸演变过程及突变特点的研究框架.最后指出,未来需要甄别生态系统突变不同阶段的关键驱动因素,并确定相应阈值;重视极端气候事件诱发的水分限制型突变的发生机制和预警;推动突变研究成果在寒旱区生态系统管理中的应用.

为了阐明固沙过程中蚂蚁群落结构分布特征及其对土壤性质的影响,在腾格里沙漠固沙植被区选取流动沙地以及 5a、8 a、34 a和 57a固沙植被区为研究样地,对不同样地蚂蚁群落的个体数、类群数以及蚁丘内外土壤理化性质进行测定,进而分析了不同样地蚂蚁群落分布特征及其与土壤因子间的关系.结果表明:(1)固沙植被区蚂蚁群落中的优势类群为掘穴蚁(Formica cunicularia),个体数占比为 78.87%.(2)57 a固沙植被区蚂蚁密度显著低于 8a和 34a固沙植被区(P＜0.05);5 a固沙植被区蚂蚁类群数显著低于其他植被区(P＜0.05).(3)57 a固沙植被区蚁丘中土壤含水量、土壤黏粒和土壤全钾显著高于非蚁丘,而土壤电导率和土壤粉粒显著低于非蚁丘(P＜0.05).8 a和57a固沙植被区蚁丘中土壤pH显著高于非蚁丘,8 a固沙植被区蚁丘中土壤有机碳显著高于非蚁丘,8 a和34a固沙植被区蚁丘中土壤全氮显著高于非蚁丘(P＜0.05).(4)蚂蚁群落组成与土壤粒径、电导率、pH、有机碳、全氮、全磷和有效磷含量的相关关系显著;偏RDA 结果表明,蚂蚁类群数是影响固沙区土壤理化性质的主要限制因子.综合表明,腾格里沙漠不同固沙年限植被区蚂蚁群落组成差异较大,更丰富的蚂蚁群落有利于改善土壤质地,促进土壤理化性质向良好的方向发展,对实现荒漠生态系统恢复起到推进作用.

当前,城市群是推动我国区域发展的增长极,但其快速的扩张模式对区域生态系统安全的胁迫影响越来越大,已经成为制约城市可持续发展的重要问题,科学地预测城市群未来扩张对区域生态安全格局的影响对区域协同发展的战略实施具有指导意义.以我国最具影响力的京津冀城市群为例,结合空间模型模拟方法及生态系统服务功能评估方法,预测了基于当前京津冀城市群的扩张模式对区域生物多样性保护、防风固沙功能、土壤保持功能与水源涵养等重要生态服务功能的胁迫影响.结果表明:(1)京津冀城市群发展速度较快,但存在区域发展不均衡,呈两极化的发展特征;(2)京津冀城市群具有重要级以上的生态服务功能占区域总面积的三分之一,其中同时包含两种及以上服务功能的地区将近一半,且其空间分布也很不均衡;(3)应用CLUE-S模型可以较好地模拟京津冀城市群未来的扩张格局,模型的Kappa指数为0.84.至2020年,预测京津冀城市群将增加3630.24km2建设用地面积,而其中约六分之一的新增人工表面侵占具有重要及以上生态服务功能的区域,防风固沙和水源涵养为主要被侵占功能,这些区域集中分布在北京、天津与唐山等核心发展城市;(4)京津冀城市群不均衡的区域扩展模式不仅会进一步加剧不同地区间城市化水平的差距,对区域重要生态系统服务功能的潜在胁迫影响也将会增加.本研究结果可为京津冀城市群协同发展规划与区域生态安全格局保障方案的制定提供科学支撑.

随着经济的发展,我国逐渐认识到自然环境保护工作的重要性,实施了“退耕还林(草)”、“天然林保护”等系列重大生态工程,建设了各类保护地,自然环境得到恢复.Chen等(2019)发现,近30年来全球的植被叶面积在增加,中国植被仅占全球植被面积的6.6％,却为全球植被叶面积净增长贡献了25％,且中国的植被叶面积增长的42％来自森林.这一结果与我国八次森林资源清查的结果一致,我国森林覆盖率已经由1976年的12.8％提高到2013年的21.63％,人工林蓄积量提高了15倍(许传德,2014).在天然植被保护方面,到2016年底我国各类自然保护地已达1.15万处之多,占国土面积18％以上(彭杨靖等,2018).但是,我国的自然保护地体系对珍稀濒危的哺乳动物和鸟类的栖息地覆盖程度比较高,而对珍稀濒危植物、两栖和爬行动物的生境,以及水源涵养、土壤保持、防风固沙与碳固定等主要生态服务功能的关键区域覆盖比例较低(Xu et al,2017b).这些没有被保护地覆盖的生物多样性或生态系统服务功能的关键地区往往是原生或干扰较少的生态系统,它们所提供的服务功能远高于次生或人工生态系统(Watson et al,2018),因此我国保护地体系需要进一步完善项层设计.另一方面,我国10类保护地之间存在着管理交叉重叠、生态系统碎片化等问题,影响生态系统的完整性(唐小平,2014;钟林生等,2016).

为研究半干旱区进一步干旱化对森林生态系统氮磷循环的影响,以科尔沁沙地樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)人工固沙林为对象,分析了3种不同降雨量条件下(天然降雨、降雨量减少30％、降雨量减少50％)氮磷养分在一个生长季内的吸收、归还和分解释放3组流通量及其对应的流通率.结果 发现,降雨减少30％处理下,樟子松对氮的归还量与归还率显著下降27.3％和37.3％,其余流通量与流通率变化不显著.降雨减少50％处理下,氮的吸收、归还与分解释放量显著下降59.9％、36.0％和50.3％,磷的归还量显著下降38.1％,氮归还与分解释放率显著下降39.9％和32.7％,而地表枯落物层中的磷含量则显著上升27.4％,磷的吸收量和氮磷吸收率变化不显著.降雨减少引起氮磷归还与分解释放率的下降,预示着干旱化导致沙地樟子松固沙林存在养分循环失衡的风险.

绿洲-荒漠过渡带是荒漠与绿洲之间的生态缓冲区,在维持绿洲能量流动、物质循环和景观稳定方面具有重要作用.过渡带宽度和属性直接影响到了其在整个绿洲系统中的功能发挥.以河西走廊中部张掖绿洲的Landsat (OLI) NDVI(归一化植被指数,Normalized Difference Vegetation Index)数据为基础,结合野外调查将过渡带类型划分为绿洲与石质裸山、砾质荒漠、沙质荒漠和人工固沙区4类.采用缓冲分析、分段线性趋势分析和尺度分别为30 m、90m、210m、330m焦点分析等方法研究了不同类型过渡带宽度和尺度依赖特征.结果 表明,在不同尺度上绿洲外缘NDVI变化存在二种线性回归趋势,趋势线交点至绿洲边界距离可确定为过渡带宽度.不同尺度分析表明,绿洲-石质裸山过渡带宽度为165-220m,在其内NDVI线性变化趋势显著(P＜0.05).绿洲-砾质荒漠过渡带宽度保持在330m,在其内NDVI变化趋势极显著(P＜0.001).绿洲-沙质荒漠过渡带宽度变化在230-290 m,NDVI变化趋势也为极显著(P＜0.001).绿洲-人工固沙区过渡带宽度变化在570-580m,与其它类型不同地是在过渡带内存在二种变化趋势,在210-240m范围内变化趋势极显著(P＜0.001),超出此范围线性回归趋势不显著(P＞0.05).

防风固沙服务功能是干旱和半干旱地区生态系统提供的重要防护性功能,探索其时空演化及其驱动机制对于区域生态治理具有重要意义;但目前研究对其空间格局形成及演化过程中自然和人为因子的贡献及交互作用仍缺乏准确认知.以锡林郭勒盟为研究区,采用修正风蚀模型评估其2000-2015年防风固沙服务功能时空变化,应用地理探测器模型分析自然和人为因子对该区域防风固沙服务功能空间格局形成及演变过程中的贡献及交互作用.结果表明:①防风固沙服务功能空间分布差异显著,呈现为东南部温带落叶阔叶林、灌丛区域高,东北部草原草甸地区较高,西部荒漠区域低的分布格局;防风固沙服务功能转移以低功能区向中低功能区转移为主;防风固沙量总体上呈增加趋势,增加区域面积为115104 km2,减少区域面积为84756 km2.②土壤类型在锡林郭勒盟防风固沙服务功能空间分布格局中发挥最重要的作用,其PD,SF值最高且与其它因子具有显著性差异,植被类型、人工造林面积、牲畜数量、年均风速等因子对防风固沙量空间分布影响较强.③防风固沙服务功能变化区域的2000-2015年动态地理探测结果显示土壤类型、植被类型均具有较高的解释力且相对稳定,功能增强区域年均风速、降水量等气候因子的PD,SF值呈现出减少区域,人为因子表现先增加后减少趋势,功能减弱区域变化趋势大体与之相反,探测因子之间交互作用显著.

微型生物结皮在干旱、半干旱荒漠地区广泛分布,对维持荒漠生态系统的稳定性具有重要作用.地衣结皮是微型生物结皮的重要组成部分及主要类型之一,在固沙、固碳和固氮能力方面独具优势.本文从区域尺度和局部尺度综述了国内外荒漠地衣分布、群落组成及其影响因素,从微尺度探讨了荒漠地衣在形成过程中可能相关的生物因子的作用与功能.虽已有研究发现气候类型、降水量、土壤理化性质、微地形和温度会对荒漠地衣生长型、种类、丰度及盖度产生影响,来自地衣体、地衣结皮和地衣结皮土壤中的生物因素与维持地衣正常生命活动及分布之间存在相关关系,但上述结论尚具有一定的局限性,主要表现在区域尺度仍缺乏专门对荒漠地衣的研究,微尺度缺乏对地衣相关生物功能的实验性探索及验证.上述局限在一定程度上限制了通过人工手段大规模应用荒漠地衣结皮的研究.本文基于国内外研究进展及存在问题,对荒漠地衣结皮应用进行了展望,以期为人工构建荒漠地衣结皮和干旱、半干旱荒漠治理及生态恢复提供新的思路和参考.

辨识生态修复空间是进行生态恢复与重建的重要前提.在流域尺度,以长江源区为研究对象,构建了青藏高原生态修复空间辨识框架,以定量方法为主、定性方法为辅,依次开展了区域主导生态系统服务评估、生态风险评估、植被退化评价,识别了生态修复优先区,提出了系统保护与修复建议.结果表明:①2000年、2015年长江源区生态系统服务呈现从西北部向东南部增加的趋势,单位面积水源涵养量、土壤保持量分别下降18.06％、22.9％,单位面积防风固沙量增加8.84％,NPP未发生显著变化.②生态风险以1、2、3级中低风险为主,面积占比共计74.41％;4级区面积占比19.35％;5级区面积占比仅6.24％,集中分布于称多、玉树和唐古拉山.不同风险等级呈圈层递减的分布格局.③2000-2015年NDVI增长率为0.013％/a.绝大部分草地未发生退化,轻度退化草地面积占比0.82％;中重度退化草地面积占比1.09％;④严格施行划区轮牧和草畜平衡管理,坚持以自然修复为主、辅以人工修复,治理黑土滩、沙化土地、水土流失.对于昂日曲、麻多乡北、加巧曲等9个地块(393.75 km2),严格封禁,针对性地实施沙化地修复、黑土滩修复、草原有害生物防控工程等人工干预和保护措施.研究结果能为青藏高原生态系统服务功能维护和提升、退化生态系统的修复治理提供理论依据和技术支撑.

土壤水分时空动态特征对于干旱地区人工林的可持续经营与管理起着至关重要的作用.以位于科尔沁沙地南缘的樟子松和柠条固沙人工林为对象,于2018年11月-2019年11月连续观测了林地0-200 cm土壤剖面的含水量、温度及微气象因子,系统分析了土壤水分的时空变化特征及其对环境因子的响应.研究期内,两种林地土壤水分的季节变化可分为冻结期、补充期、消耗期和稳定期;依据土壤剖面的水分特征可分为易变层、活跃层和稳定层,但两种林地的分层深度有一定差异.在生长季内(5-10月),土壤含水量对大气降雨的响应随着土层深度的增加而减弱;降雨对樟子松人工林0-20 cm层土壤水分的影响极显著(P＜0.01),对柠条人工林0-10 cm层的影响极显著(P＜0.01)、20-60 cm层显著(P＜0.05).在土壤冻融周期内(2018年11月-2019年4月),两种林地的土壤均表现为"单向冻结"和"双向融化"的特点;土壤温度是影响冻融期内土壤含水量的关键因素,两者呈极显著的指数函数关系;樟子松和柠条人工林土壤的最大冻结深度分别为170 cm和190 cm,前者10 cm土层解冻时间要比后者晚11d,可能与乔木树冠的遮阴作用有关.潜在蒸散与柠条林0-60 cm层、樟子松林0-20 cm和200 cm层的土壤水分呈极显著相关(P＜0.01),而与樟子松林60 cm和160 cm层呈显著相关(P＜0.05),这与树木蒸腾和土壤蒸发等综合作用有关.研究表明,由于两种人工林的树种组成、树冠大小、郁闭程度和根系分布等结构特征不同会导致林地土壤水分时空特征的异质性及其对环境因素响应的差异.