基于中国生态系统研究网络(CERN)长期监测数据,选取新疆维吾尔自治区代表暖温带干旱区的绿洲农田生态系统(阿克苏站)、代表暖温带荒漠区(策勒站)以及温带荒漠区(阜康站)的绿洲农田和荒漠生态系统综合观测场、辅助观测场和农户调查点2005-2020年0-100 cm 土层的土壤有机碳(SOC)储量数据,分析新疆农田和荒漠生态系统SOC储量的影响因素.研究结果表明,2005-2020年0-100 cm 土层SOC总储量平均值为阿克苏站(5.17 kg/m2)＞阜康站(4.20 kg/m2)＞策勒站(2.96 kg/m2).0-20 cm、20-40 cm、40-60 cm 土层的 SOC 分别约占 0-100 cm 土层储量的 27.3％—35.3％、23.1％—24.6％和15.8％—17.5％.在阿克苏站,施肥量最高、灌溉量最低的农户调查点SOC储量最高;而在策勒站和阜康站,农户调查点和辅助观测场的施肥和灌溉措施分别最有利于提高SOC储量.总体来看,土壤含水量、地上生物量与SOC储量呈正相关关系;年平均气温与0-40 cm 土层的SOC储量呈负相关关系.在单一生态站的生态系统尺度,年平均气温与SOC储量相关性不显著;地上生物量与策勒站和阜康站的SOC储量呈正相关关系,但是与阿克苏站0-40 cm 土层的SOC储量呈负相关关系;施纯钾量与策勒站0-60 cm 土层的SOC储量呈正相关关系,但与阜康站40-100 cm 土层的SOC储量呈负相关关系.总之,与自然状态下的荒漠和农田不施肥相比,灌溉和施肥的农田管理措施有利于增加干旱区SOC储量.不同生态站要根据自身区域特点制定合理的农田管理模式,以维持较高的SOC储量.

为揭示国家级自然保护区生态系统格局构成及变化状况,基于2000年和2010年319个国家级自然保护区生态系统类型与分布数据,根据生态系统类型转化及其转化幅度,考虑自然保护区各功能区的重要性,构建生态系统格局变化指数,分析国家级自然保护区生态系统格局动态变化.结果表明,国家级自然保护区草地生态系统面积最大,2000年和2010年分别占全国国家级自然保护区总面积的57.88％和57.74％,其次为荒漠生态系统,两期占比约17％,其他依次是湿地、森林、灌丛、农田、冰川/永久积雪、海洋、城镇等生态系统类型.2000-2010年,国家级自然保护区内森林、湿地面积明显增加,城镇有一定程度扩张,冰川/永久积雪略微减少.总体上,国家级自然保护区生态系统格局基本保持稳定,基本维持的保护区数量219个,占国家级自然保护区总数的68.65％,生态系统格局改善的保护区数量略多于退化的数量,10年来国家级自然保护区生态系统格局保护取得一定效果.国家级自然保护区生态系统格局在基本维持的基础上,表现出一定的地域不平衡性.生态系统改善的保护区多分布在秦岭、大巴山、大娄山、南岭一带,而东部省份、内蒙古高原、东北平原一带生态系统退化的保护区数量较多,主要是荒漠、内陆湿地和水域、野生动物、自然遗迹等类型自然保护区.最后,提出3点建议为提高国家级自然保护区管理水平提供参考.

气候变化已明显影响到陆地植被的活动,但在不同生态系统间存在差异,研究不同陆地生态系统归一化植被指数(NDVI)的时空变化特征,不仅可揭示各生态系统植被活动对气候变化的响应规律,而且可为我国不同生态区制定应对气候变化的策略和生态文明建设提供科学依据.基于1982-2012年GIMMS NDVI3g和中国陆地生态系统类型数据,利用一元线性回归、集合经验模态分解和相关分析等方法,研究了近30年中国各陆地生态系统NDVI的时空变化特征,分析了其与气候事件的关系.结果表明,近30年中国植被活动显著上升,年平均归一化植被指数(ANDVI)的上升幅度为0.0029/10a(P＜0.05),年最大归一化植被指数(MNDVI)的上升幅度为0.0076/10a(P＜0.01);植被活动显著增强的区域主要是分布在东部季风区的农田和森林生态系统,显著下降的区域主要是分布于西北的荒漠生态系统和东北的森林生态系统;尽管ANDVI和MNDVI线性趋势的显著性有所差异,但农田、森林、草地和水体与湿地生态系统的NDVI总体呈非稳定的上升趋势,上升过程中伴随着较大波动,荒漠生态系统的NDVI呈下降趋势,植被退化显著;与线性趋势不同,各生态系统植被活动的残差趋势包含“上升—下降”两个阶段,并相继于20世纪90年代到21世纪初发生转折;上述5类生态系统的植被活动存在不同尺度的周期特征,年际周期波动特征(1.9—7.6a)比较显著,而年代际周期(10.7a和22.2a)的显著性相对较差;各生态系统的空间异质性在趋强过程中存在2.1-7.1a的年际周期节律;海洋与大气环流的短周期脉动与各生态系统植被活动的周期性节律有着明显关联,ENSO事件和太阳活动是推动植被活动周期性振荡的重要因素.

水分利用效率(WUE)既是衡量植被生长适应性的重要指标,也是连接生态系统水碳循环的纽带.认识不同类型植被WUE的时间变化特征及驱动机制有助于增进对生态系统水碳循环过程的理解.已有研究表明,在不同时间尺度下,WUE呈现不同的时间变化特征,但现有研究多是集中在单一的时间尺度下开展的,对不同植被类型在不同时间尺度下的动态变化及影响因子分析开展得较少.该研究选用中国北方地区9个定位观测台站的通量与气象数据,分析了WUE的曰内变化和季节变化特征,并在0.5h、ld、8d以及月尺度下,分别分析了气温(Ta)、相对湿度(RH)、饱和水汽压差(VPD)以及光合有效辐射(PAR)等非生物因子对WUE的影响.同时,该研究也分析了植被叶面积指数(LAI)和降水(P)对WUE的影响.研究发现:(1)WUE的日变化呈现不对称的“U”型特征,日出时的WUE普遍高于日落时.荒漠地区WUE的季节变化呈“U”型,而其他站点呈现单峰型.不同站点WUE的季节变化可以分为总初级生产力(GPP)主导型和蒸发散(ET)主导型,并随着时间尺度的扩大,GPP或ET的主导作用逐渐增强.(2)在较短的时间尺度(0.5 h、1d)上,Ta、RH、VPD和PAR是影响WUE变化的主要因子,但随着时间尺度的扩大,Ta和RH成为影响WUE变化的主要因子,并且与WUE的相关关系受GPP或ET对WUE主导作用的影响,随着时间尺度增大,Ta和RH与WUE的线性关系更加显著.(3) WUE大体上随LAI的增加而增加,但当LAI超过一定值时,在长白山、海北和张掖站,WUE对LAI的敏感性降低.降水与WUE的关系在研究区域内并不显著.(4)不同植被类型的WUE由大到小依次为森林、农田、草地、湿地和荒漠.

生态系统变化是生态问题产生的主要驱动力之一,研究生态系统格局与质量变化对于认识人类活动与生态系统关系具有重要意义.鄂尔多斯市能源资源丰富,但生态环境脆弱,2000年以来,鄂尔多斯市在大规模开发能源的同时,也在不断加强生态环境的保护,而研究鄂尔多斯市生态系统格局与质量演变过程,对认识生态脆弱区发展与保护的关系有重要价值.应用遥感数据和GIS技术,评估了鄂尔多斯市生态系统类型与格局、生态系统质量的特征,以及2000年以来的时空变化趋势,分析了导致鄂尔多斯市生态系统格局与质量变化的驱动力因素.结果表明:(1)鄂尔多斯市的草地、荒漠裸地和农田为主要生态系统类型,分别占2010年市域面积的64.46％、21.34％与5.93％.(2)鄂尔多斯市城镇、灌丛、森林面积有所增加,草地、湿地、农田、荒漠裸地面积有所下降.城镇面积增幅最大,相对变化率增加33.37％,草地面积降幅最大,相对变化率减少0.78％,变化主要集中在中部、东北部.(3)鄂尔多斯市生态系统质量整体偏低,低等级与差等级的生态系统面积比例高达98.91％.全市的生态系统质量没有明显改善,其中生态系统质量有不同程度改善的面积为15.84％,质量降低的面积比例为15.29％.(4)生态系统格局与质量变化的主要驱动力有城市扩张、农田开垦、退耕还林(草湿)、生态保护、矿山开采等,鄂尔多斯市生态系统质量与降水、退耕还草工程、道路密度、温度、GDP1、放牧因子相关性显著.

荒漠绿洲过渡带在维护绿洲生态安全和绿洲稳定上具有重要作用.垦荒等土地利用的增强使得荒漠绿洲过渡带的健康稳定受到了巨大的挑战.以塔克拉玛干沙漠南缘典型荒漠绿洲过渡带为研究对象,系统分析了不同土地利用方式(桑田、半自然柽柳林、瓜地、棉花-玉米地)对土壤养分化学计量特征的影响.土壤取样沿农田到荒漠方向进行,分5层进行.研究发现,土壤各养分指标均受土地利用方式(4种)、土层(5层)和与农田边缘垂直距离(4梯度)的显著影响,且存在一定的交互作用.土地利用方式显著影响土壤各养分元素含量.随土层由浅到深,有机碳(C)、有效氮(N)和有效磷(P)基本呈下降趋势,全N具有波动变化,而全P变化不显著.随与农田边缘垂直距离的增加,各养分含量基本呈递减趋势.对同一土层(共选择三层)不同土地利用方式下土壤养分具体分析表明,棉花-玉米地这一利用方式在农田内部具有最高的土壤有机C和全N含量,其次为桑田.随着与农田边缘垂直距离的增加,土壤C、N含量优势减弱.除农田内部样地(0 m)外,三层土壤全P含量基本呈桑田＞柽柳林＞棉花-玉米地趋势.表层有效N含量在农田内部样地(0 m)瓜地最高,其他距离处(大于等于20 m)棉花-玉米地高,下层土壤有效氮含量在农田内部各土地利用方式间无差异.在各距离样点处不同土地利用类型间土壤有效P含量的变化无明显规律,在农田内部以瓜地有效P含量最高.棉花-玉米地土壤全量N/P在农田内部和与农田边缘垂直距离20 m处含量最高.三土层土壤有效N/P在农田内部以柽柳林最高,随着与农田边缘垂直距离增加,土壤有效N/P显著改变.综合来看,土地利用对荒漠绿洲过渡带土壤营养含量的增加具有正向作用,由土壤养分变化带来的生态效应值得关注.

生态系统水分利用效率(Water Use Efficiency,WUE)是表征生态系统碳水耦合程度的重要指标,能反映生态系统碳水循环规律及其相互作用关系.基于MODIS数据以及宁夏生态系统类型数据,分析2000-2017年宁夏不同生态系统WUE的变化特征,探讨了NPP和ET两种因子对WUE年际与年内变化的影响.结果 表明:(1)全区陆地生态系统的年均WUE为1.03 g·C/kg· H2O,值域在0.55-2.98 g·C/kg·H2O之间,总体上呈现南北高、中部低的特征.(2)不同生态系统的WUE差异较大,由高到低为水体及湿地、森林、农田、草地、聚落、荒漠和其他生态系统,在同类生态系统中,植被生物量和盖度越高的亚类生态系统,其WUE也越高.(3)宁夏陆地生态系统WUE存在着每年0.0141 g·C/kg·H2O的下降趋势,年内WUE呈典型的单峰形态,变化范围在0.02-2.16 g·C/kg· H2O之间.(4)年际尺度上,宁夏陆地生态系统WUE与年蒸散(Evapotranspiration,ET)有极显著负相关性(P＜0.01),而与净初级生产力(Net Primary Production,NPP)没有相关性;年内尺度上,WUE变化与ET呈显著正相关(P＜0.05),与NPP呈极显著正相关(P＜0.01),这与植被的年内季节性生长过程有关.(5)根据ET强弱和WUE高低,可将宁夏陆地生态系统水分利用效率特征划分为4类,即低ET低WUE区、低ET高WUE区、高ET低WUE区和高ET高WUE区.宁夏的生态恢复工程在增强植被生产力的同时,也增强了区域水分消耗,致使陆地生态系统整体水分利用效率下降,这为宁夏未来水资源调控和生态重建提供了科学依据.

植被水分利用效率(WUE)是衡量植被生态系统碳水耦合关系的重要指标,研究其时空分异特征对区域水资源合理利用及配置有重要意义.基于改进的光能利用率模型CASA,模拟估算了黑河流域2000-2013年植被净初级生产力(NPP),结合ETWatch模型估算的黑河流域2000-2013年蒸散数据ET,进一步估算了黑河流域植被水分利用效率WUE.分析了黑河流域NPP、ET和WUE空间格局和时间变化特征,探讨了WUE变化对降水和气温的相关性.结果 表明:1)黑河流域空间上植被NPP在2000-2013年多年平均值为81.05 gC m-2 a-1,ET平均值为133.38 mm,植被WUE平均值为0.448 gC mm-1 m-2.植被NPP、ET与WUE的空间格局基本上类似,均呈现出自上游至下游逐渐减少的分布格局.2)黑河流域2000-2013年间植被平均NPP与平均WUE均呈现显著上升趋势(P＜0.05),而ET平均值变化不显著.WUE年际变化斜率与其平均值在空间分布上存在一定的对应关系,空间上植被WUE的高值区同时是其呈增长趋势的主要区域,植被WUE平均值较低的区域其年际变化也趋于稳定.3)不同植被类型的WUE差异较为显著,植被自身受环境影响形成的生理生态参数是其WUE差异的主要原因,不同植被类型WUE平均值关系为:灌丛＞草地＞森林＞农田＞沼泽＞荒漠.中游绿洲区栽培植被平均WUE仅为0.90 gC mm-1 m-2,因此应当重视提高其对水资源的利用效率.4)整体上黑河流域植被WUE年际变化主要受降水的影响,植被WUE与降水呈负相关的区域主要分布在中游绿洲灌溉区,表明人为活动干扰会削弱气候因素对植被WUE的影响.

新疆是我国西部生态环境问题比较突出的区域,开展生态状况调查评估、及时掌握生态质量状况及其变化特征是环境保护的一个研究重点.以遥感数据为基础,根据构建垂直干旱指数(Perpendicular Drought Index,PDI)的思想,改变土壤基线所经过的原点,提出表征土壤湿度的垂直湿度指数(Perpendicular Moisture Index,PMI).基于代表绿度的垂直植被指数(Perpendicular Vegetation Index,PVI)、代表湿度的垂直湿度指数PMI和代表热度的地表温度(Land Surface Temperature,LST),利用空间几何原理创建了植被-湿度-温度生态指数(Vegetation-Moisture-Temperature Ecological Index,VMTEI).利用MODIS数据计算了新疆2000-2018年的VMTEI,并进行趋势分析.结果 表明:VMTEI集成了植被、湿度和热度的信息,能很好地反映新疆生态质量的空间分布和时间变化趋势.新疆生态质量状况总体空间分布格局变化不大,与植被分布特征比较一致,呈现出纬向伸展的变化,不同生态系统VMTEI均值差异明显,湿地生态系统生态质量状态最好,VMTEI均值为0.43左右,其次为森林生态系统;最差的是荒漠生态系统,VMTEI仅为0.28.近20年来,新疆生态状况总体上得到改善,其中,生态状况明显改善的区域占2.332％,主要集中在塔里木河干流、伊犁河、额敏河和天山北坡绿洲经济带,以农田、聚落生态系统为主,主要原因为三北防护林建设、风沙治理、城市绿地面积增加造成的生态质量状况改善;生态状况严重退化的区域占0.430％,主要集中在塔克拉玛干沙漠外围、博斯腾湖、艾比湖以及零星分布于新疆的不同地区,以湿地生态系统为主,主要由于人为因素和气候变化造成平原湖泊以及部分水库的生态退化.

植物化感作用是植物之间相互影响的现象,广泛存在于自然界中.化感作用对自然植被演替和人类生产活动等具有重要的意义,因而是研究农田、草地、森林和荒漠等生态系统的热点问题.总结了近些年来国内外学者对化感作用的研究成果,从化感作用的发展历史、化感物质的分类与释放途径进行了介绍,详细总结了化感物质的作用机理,并分别从农业活动、植被演替以及草地生产3面阐明了化感作用的研究意义及其实践应用.在此基础上对该领域存在的问题进行了讨论,并对未来的研究方向做了展望.