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.

土地沙漠化是当今世界最为严峻的生态环境问题之一.沙漠化逆转作为其反向转化过程,存在一定的脆弱性和不稳定性,即沙漠化逆转趋势减弱或反向发展的倾向.社会-生态系统理念是当今世界生态系统分析的新思路,从该视角界定沙漠化逆转过程的脆弱性概念,选取Driving-Pressure-Status-Impact-Response (DPSIR)分析框架,以农牧交错带典型沙漠化逆转区宁夏盐池县为案例,针对沙漠化逆转的因果联系和过程特点,构建一套涵盖气候湿润指数、生态治理指数、沙地所占比例在内的4层、5要素、41指标的评价体系,进而探讨驱动力、压力、状态、影响、响应5项要素间的逻辑因果关系及其脆弱性定量化计算方法,以期科学评估沙漠化逆转过程的脆弱性,为该类型区沙漠化问题的进一步治理和调控提供科学依据.

生态空间识别是有效维护生态环境和减缓生态退化的有效方法之一,也是生态学目前研究的重要领域.京津冀地区自然禀赋先天不足,由于持续高强度的开发活动,水资源和土地资源的生态压力增大,脆弱的自然生态本底与经济社会发展的矛盾冲突激烈.为了探索基于可持续发展目标的生态空间管控有效方法,依据生态系统服务功能重要性和敏感性评价,以及重点生态功能区、重要生态功能区和生物多样性保护优先区等生态保护重要区域识别,确定了京津冀地区的生态空间.浑善达克沙漠化防治生态功能区、冀北燕山山区和冀西太行山山区,这些重要的区域关系到京津冀地区水资源和生态安全,是京津冀生态安全的重要屏障.生态空间识别将为京津冀地区社会经济可持续发展提供相应的科学依据.

土壤氮素形态的转换主要由相关微生物驱动完成,其中由氨氧化细菌(AOB)主导的氨氧化过程是硝化作用的限速步骤.在土地沙漠化正逆过程中,植被和土壤条件的变化也会对土壤微生物群落产生显著影响.本研究在科尔沁沙地典型地区选择小叶锦鸡儿天然群落、30年生小叶锦鸡儿人工固沙群落和流动沙丘为对象,以amoA基因为标记,采用克隆文库和Q-PCR技术,研究了沙地小叶锦鸡儿群落土壤氨氧化细菌多样性和菌群结构及其变化特征.结果表明:小叶锦鸡儿群落土壤氨氧化细菌多样性较低,均为亚硝化螺菌属(Nitrosospira);在土地沙化正逆过程中,土壤氨氧化菌群结构的变化主要体现在数量上,而基本组分变化不大;流动沙丘上重建小叶锦鸡儿植被可恢复土壤氨氧化菌群结构;土壤全氮和全磷是影响AOB群落结构的主要环境因子.

输沙( 尘) 量观测是沙漠化监测、沙尘暴和风沙流研究以及土地风蚀沙化研究的主要内容之一,也是干旱沙漠化地区生态环境观测研究的重要手段之一.集沙仪是其监测必不可少的重要工具之一.目前,开发研制的集沙仪不少,但至今没有统一的观测标准和准确有效的观测仪器.国外用光学颗粒流传感器和等动力方法检验集沙仪的集沙效率,结果表明,集沙仪的集沙效率低于70％.中国多采用风洞测验集沙仪的集沙效率,检验结果为 72％～89％.集沙仪开发的难点是难以使得集沙仪管内气流速度等于外界风速,突破点是研制出管内气流流速等于外界风速的集沙仪.主动式集沙仪可解决这一问题.然而,由于需要动力等原因,而未真正进入应用.需要制订统一的观测标准,提高集沙仪开发研制质量和观测质量.这样,才能揭示沙尘暴、风沙流的真实情况,也便于纵向和横向对比分析,有效推进沙漠化和沙尘暴研究的进程.

土地退化已成为威胁32亿人口福祉的全球性重大环境问题之一,近年来受到UN、IPBES、IPCC等组织的广泛关注.然而,当前的土地退化研究中,还存在概念不清、过程和机理不明、影响认识不彻底等问题,因此,厘清土地退化的概念、过程和机制是防止土地退化和恢复退化土地的关键.以生物多样性和生态系统服务政府间科学-政策平台(IPBES)土地退化与恢复专题评估报告为基础,剖析了土地退化的概念、过程、机制及影响:土地退化过程受自然环境和人类活动两大因素驱动,退化过程包括疑似退化、历史退化、敏感退化、弹性退化、持续退化和永久退化6种状态;土地退化类型可根据土地利用类型分为城市土地退化、农田退化、森林与草地退化、湿地退化等;土地退化具有多重影响,包括威胁食物和水安全,影响生物多样性及生态系统服务,引发地区冲突、大规模人口迁徙和疾病传播,加剧贫困及全球气候变化.土地退化过程、机制及影响的审视将为我国沙漠化、石漠化等土地退化的进一步研究提供理论指导,并为我国“山水林田湖草”土地系统的统筹治理和“美丽中国”、“生态文明”建设提供决策支持.

面对土地的沙化和草地退化问题,可以在土地表面种植灌木丛.灌木丛的出现一方面会有效抑制沙漠化,同时,也会影响土壤中有机碳的含量以及组分.本研究主要是研究沙漠化后种植柠条锦鸡儿(20年)的退化牧场以及沙地的土壤有机碳、轻组分有机碳、重组分有机碳含量变化.结果 表明,种植灌木可导致沙地土壤有机碳含量增加,而使退化草地土壤有机碳含量下降.沙地土壤有机碳含量的增加主要是基于轻组分有机碳的累积.退化草地土壤有机碳的流失是由于重组分有机碳浓度的降低造成的,这可能与深层土壤中草本细根生物量和土壤含水量的减少有关.因此,控制荒漠化的灌木种植并不总能提高西北地区土壤有机碳的数量和稳定性.

科尔沁沙地是我国沙漠化土地防治的重点工程区.近些年来,受气候变化、生态工程建设和人类活动的影响,该区的植被生长发生了一定的变化.研究区域植被的动态变化,可为后期沙地的综合治理和工程的合理建设提供科学依据.基于此,以1981-2015年NOAA-NDVI、MODIS-NDVI数据及同期气象和社会经济数据为依托,采用一元线性回归和相关分析的方法,对科尔沁沙地NDVI的时空变化及驱动因素进行了研究.结果 表明:(1)1981-2015年NDVI整体呈波动的增长趋势(增速为0.00114 a-1);空间上NDVI呈增长趋势的区域(面积占68.8％)主要位于东南缘及中部部分地区,而研究区的西北缘呈降低趋势.(2)不同程度沙漠化区的NDVI均表现为先降低(1981-2000年)后上升(2001-2015年)的变化过程,说明前期遭受破坏的植被在后期得以恢复.(3)驱动力分析表明,降水和温度是驱动科尔沁沙地部分区域NDVI变化的影响因素;人口变化和生态工程的实施均驱动了区域内植被的时空变化;而经济的发展并不是该区植被变化的主要驱动因素.

引水工程是缓解沙漠化、减轻凌汛、促进植被生长的有效措施.为了探究引水工程对库布齐沙漠北缘植被的影响,本文基于Landsat-7/8、GF-1/2、工程引水量和气温、降水量数据,利用Sen斜率、残差分析和双样本T检验等方法对有、无引水工程措施下的库布齐沙漠北缘土地覆被类型、植被时空变化特征进行分析,并探讨气温、降水和引水工程对ND-VI变化的贡献大小.结果 表明:近10年NDVI年最大值呈增加趋势,2015年前55％像元的NDVI值呈上升趋势,2015年后呈上升趋势的像元增加至73％;引水工程后草地面积由25 km2上升到41.31 km2,沙地面积由65.95 km2,缩减到17.73 km2;残差方法得到人类活动对NDVI产生促进作用的区域占52.92％;双样本T检验法计算出人类活动后NDVI产生显著性变化的区域占78.00％;2015年前降水是NDVI变化的主要驱动力,2015年后人类活动,即引水工程为NDVI变化的主导因素.

沙漠化是河西走廊荒漠绿洲过渡带土地退化的主要原因,科学合理的治沙措施能够有效控制风沙侵害,有助于植被-土壤系统的重建与恢复.多年来,治沙措施的研究主要集中在不同时间梯度下某种给定措施对植物群落及土壤的影响方面,对于同一时间段内不同类型措施产生的生态惠益尚缺乏足够认识.鉴于此,以流动沙地丘间地为对照,选取围栏封育+麦草沙障(Ge+Ws)、麦草沙障+人工梭梭(Ws+H)和尼龙沙障+人工梭梭(Nn+H)3种不同的治沙措施区为研究对象,通过群落学调查与土壤因子测定,研究了不同治沙措施影响下植物群落数量特征和土壤因子的变化规律与相互关系,并对各措施的生态效益进行了评价.结果表明:(1)植被方面,3种治沙措施影响下草本层和灌木层群落数量特征均呈增加趋势,其中Ge+Ws草本层恢复效果较佳,Ws+H和Nn+H灌木层恢复程度更明显;土壤方面,伴随植物群落的恢复,3种治沙措施均能大幅改善土壤全碳、全氮、有机质等主要养分,但同时对土壤水分带来负面效应,Ge+Ws、Ws+H及Nn+H的表层土壤含水量依次减少了 37.99％、31.37％和35.94％0(2)结构方程模型显示,治沙措施通过直接影响灌木和草本群落间接改变土壤因子.灌木群落数量特征增加将显著降低土壤水分(P＜0.001),但草本群落对土壤水分的负面影响在Nn+H中不显著,类似的,灌木群落是土壤养分增加的主要驱动力,而草本群落对土壤养分的积极效应仅在Ge+Ws中达到显著水平(P＜0.05).治沙措施影响下,灌木层和草本层间能够产生协同关系,这种关系在种植梭梭的Ws+H(P＜0.05)及Nn+H(P＜0.01)区域达到显著水平.(3)围栏封育+麦草沙障的优势在于草本群落物种多样性和生产力方面,适宜于流动沙丘中定植有原生灌木的区域;麦草沙障+人工梭梭与尼龙沙障+人工梭梭能够构建更为稳定的高生产力灌木群落,特别是尼龙沙障+人工梭梭,产生的生态效益更佳,应给予优先考虑.