生物结皮是黄土高原常见的地表覆被物,在灌草群落下方及植被间空地上广泛发育,深刻影响着灌草植物种子的二次扩散和定居,但目前针对生物结皮对种子二次扩散影响的研究较少,且种子二次扩散的主导因素尚不明确.该研究以风沙土和黄绵土上的生物结皮(藻结皮和藓结皮)为对象,以无结皮为对照,利用倾斜摄影测量法测定了地表粗糙度,并通过风力扩散实验测定地表粗糙度对6种不同形态灌草植物种子的移位率、损失率和扩散距离的影响,继而结合Spearman相关性分析,研究灌草种子在生物结皮表面扩散的主导因素.研究结果表明:(1)与无结皮相比,风沙土藻结皮和藓结皮的地表粗糙度分别增加了6.69倍和6.13倍,黄绵土上分别增加了2.52倍和1.45倍.(2)风沙土上,干燥条件下的地表粗糙度比湿润条件下增加了26.56%,而在黄绵土上则降低了9.42%.(3)在干燥条件下,风沙土生物结皮的地表粗糙度比黄绵土上增加了16.84%,湿润条件下则降低了16.38%.(4)风沙土上,种子在生物结皮表面的移位率、损失率和扩散距离分别比无结皮降低了77.1%、95.4%和72.2%,在黄绵土上则分别降低了76.5%、93.8%和66.8%.土壤类型和干湿条件对生物结皮上种子扩散特征的影响不显著.(5)种子移位率、损失率和扩散距离与地表粗糙度极显著负相关,种子移位率和损失率与土壤含水量显著负相关,种子损失率和扩散距离均与种子密度显著负相关.综上,黄土高原生物结皮主要通过增加地表粗糙度阻碍种子扩散,增强种子聚集,进而影响黄土高原灌草植被的空间分布特征与群落动态.

研究城市景观格局的大气环境影响必须建立在科学、实用的景观分类系统基础上,目前尚没有普适性的景观分类体系,针对大气环境影响的景观分类的详细探讨更是缺乏.本文借鉴景观分类理论和气象学下垫面分类方法,从城市景观的自然属性和物理结构特点出发,提出一种面向大气环境影响的景观分类系统,即采用景观类、景观亚类和景观型三级分类体系,以土地利用和城市地表参数为划分指标依据的分类系统.在此基础上,以城市化发展对大气环境影响较为明显的北京为例,采用3S技术进行景观制图,并以此为基础分析北京市景观格局对区域大气环境的潜在影响.结果 表明:1级景观类中,受人为干扰的景观类型面积处于较高水平;2级景观亚类中,林地景观面积最大,占比54.73％,城镇景观面积占比15.09％;3级景观型中,C7类景观是城镇景观亚类的“基质”,C3、C2和C6类景观在城镇景观亚类中占比均不足0.1％,说明高地表粗糙度类型的景观在北京主城区域尚分布稀少,对大气的流通性有利.该分类系统能够反映实际存在的对大气环境产生影响的各种景观类型的特点,有助于深化对城市景观格局的大气环境效应规律的认识,可为城市规划和大气环境治理提供参考.

增加地表粗糙度是生物结皮影响干旱和半干旱地区地表水文与土壤侵蚀过程的重要途径.本文针对黄土高原水蚀风蚀交错区典型小流域,使用链条法测定了裸沙、物理结皮以及不同发育阶段生物结皮(藻、藻-藓混生、藓)的地表粗糙度,比较了不同地形(坡度和坡向)和土壤条件(土壤类型和含水量)下生物结皮地表粗糙度的差异,分析了生物结皮对地表粗糙度特征的影响及其与地形因素和土壤属性的相关关系.结果 表明:与裸沙相比,随着物理结皮、藻结皮以及藻-藓混生结皮的相继发育,地表粗糙度由0.67持续增加至16.76(F=194.31,P＜0.01);各发育阶段中,藻-藓混生结皮的地表粗糙度最高,为无结皮土壤的25倍,但由藻-藓混生结皮发育至藓结皮后地表粗糙度骤减了52.7％(仍大于裸沙和物理结皮);生物结皮的地表粗糙度在10°～30°坡度范围内差异不显著,但在30°～40°坡度下其地表粗糙度显著增加(F=10.05,P＜0.01),增加幅度达25.5％;且阳坡藓结皮的地表粗糙度显著高于阴坡(t=-5.70,P＜0.01),为阴坡的1.3倍;生物结皮的地表粗糙度随含水量变化波动较为剧烈,任意含水量下黄绵土上发育的藓结皮的地表粗糙度均高于风沙土上发育的藓结皮(F=187.16,P＜0.01),前者平均为后者的2.1倍;黄绵土上藓结皮的地表粗糙度与有机质含量呈显著负相关(r=-0.998,P=0.04),而与其他土壤属性的相关性不显著.综上,黄土高原水蚀风蚀交错区生物结皮的发育显著增加了地表粗糙度,其关键影响因素是生物结皮的发育阶段以及坡度和坡向.

作为地表植被恢复的先锋种群和景观的重要组成部分,生物土壤结皮(BSCs)对地表过程具有重要影响.为探明喀斯特地区BSCs发育特征及其对土壤水分入渗的影响,本研究选取喀斯特代表性坡面开展了BSCs实地调查和人工模拟降雨试验,探究了BSCs覆盖土壤的水分入渗过程,试验设计了5个BSCs盖度水平(0、28％、40％、70％、97％)和2个雨强(42和132mm· h-1).结果 表明:在不同土地利用条件下,BSCs发育水平存在显著差异,但在同一土地利用条件下,BSCs发育水平沿坡面的空间变化规律不明显.与裸地相比,地表发育BSCs可使地表粗糙度增大,显著延长初始产流时间,促进土壤水分入渗.在小雨(42 mm·h-1)和强降雨(132mm·h-1)下,BSCs覆盖小区初渗速率分别为裸地小区的1.7～1.9和1.2～ 1.9倍,平均入渗速率分别为裸地小区的2.5～3.0和1.4～3.3倍.在试验雨强下,BSCs盖度与初始产流时间均呈显著正相关,BSCs促进水分入渗的临界盖度为65％ ～70％,在强降雨条件下,BSCs对地表径流的阻滞作用有所削弱.Horton模型对喀斯特坡面BSCs覆盖下土壤水分入渗过程模拟结果最优,其次为Kostiakov模型和Philip模型.综上,喀斯特坡面BSCs发育的空间变异程度高,对水分入渗过程影响显著.

针对东北黑土区长缓坡地形条件下坡面产汇流集中易加剧土壤侵蚀的问题,本研究基于GIS和SIMWE(SIMulated Water Erosion)模型,引入连通性指数和水深空间分布作为水文连通性与径流路径的衡量指标.通过量化不同典型水土保持措施对土壤入渗速率和地表曼宁糙率的影响,构建梯田数字高程模型(DEM)模拟表征地表微地形变化,以水文连通性和径流路径的空间响应为依据,分析不同典型水土保持措施的侵蚀阻控能力.结果表明:1)梯田措施能够有效降低坡面水文连通性并阻控径流路径;不同田坎形态下,水文连通性与径流路径的响应存在明显差异,径流路径的变化将改变坡面侵蚀-沉积空间分布特征,并导致局部侵蚀加剧;2)植物缓冲带与等高耕作等措施对坡面径流路径的阻控作用有限,植物缓冲带措施的水土保持效益更多体现在对泥沙输移的调控上;3)保护性耕作措施通过增大地表粗糙度,降低坡面水文连通性,从而改善坡面滞蓄径流的能力.本研究通过量化不同水土保持措施对水文连通性、径流路径及侵蚀-沉积空间分布的影响,可为黑土区水土保持措施优化配置提供理论参考.

了解高寒地区不同土地利用类型下土壤养分化学计量特征及其影响因素可为评估脆弱生态系统土壤质量和功能提供参数.通过测定青海省东部24个样点0-30 cm 土壤基本理化性质(pH、容重BD、孔隙度Ps、黏粒含量Cy、土壤含水量SWC、有机碳SOC、全氮TN、全磷TP、速效氮AN和速效磷AP),并提取各样点环境因子数据(年均温MAT、年均降雨量MAP、年均蒸发量Ea、植被归一化指数NDVI、海拔ALT、坡度SG、地表粗糙度SR、经度LON和纬度LAT),分析了农、林、草三种土地利用类型下土壤养分化学计量比分布特征及其影响因素.结果表明,农地土壤有机碳SOC和全氮TN含量显著低于林地和草地(P＜0.05),而全磷TP和速效磷AP含量则相反,农、林、草地速效氮AN含量无显著差异(P＞0.05).农、林、草地不同深度土壤C∶N(平均值19.93,变异系数＜16％)和AN:AP(平均值2.73,变异系数＜71％)较为稳定且无显著差异(P＞0.05),而农地C:P和N:P(平均值分别为19.27和0.99)却显著低于林地(平均值分别为84.88和4.12)和草地(平均值分别为75.26和3.87)(P＜0.05),表明农地可能存在一定程度的缺氮现象.冗余分析表明不同土壤性质与环境因子对土壤养分化学计量比的影响和贡献率不同,对土壤养分化学计量比影响显著的环境因子按贡献率由大到小依次为:年均温度MAT(38.3％)、年均蒸发量Ea(34.9％)、海拔ALT(32.6％)、年均降水量MAP(30.2％)、纬度LAT(24.2％)及植被指数NDVI(17.9％);土壤性质的贡献率由大到小依次为:全氮TN(60.3％)、总有机碳 SOC(59.2％)、容重 BD(56.4％)、总孔隙度 Ps(55.6％)、粘粒含量 Cy(39.3％)、土壤含水量 SWC(36.3％)、速效磷AP(23.6％)、Ph(22.8％)、全磷TP(12.0％)和速效氮AN(9.9％).通过提高限制元素的肥料施用量及引种固氮植物等方式,可缓解高寒山区农地缺氮现象.

水分是黄土高原地区植被恢复的关键影响因子,该区广泛分布的生物结皮显著影响土壤水分入渗.干扰影响生物结皮土壤水分入渗,但目前不同强度的干扰对生物结皮土壤水分入渗的影响仍不明确.本研究以黄土丘陵区吴起县合沟小流域的生物结皮坡面为对象,模拟羊蹄踩踏干扰,研究10％、20％、30％和40％干扰强度(以生物结皮破损度表征)对生物结皮坡面地表覆被的影响,采用线源入流入渗法观测了不同强度干扰后土壤水分入渗特征,通过结构方程模型和相关性分析,探索了干扰对生物结皮坡面土壤水分入渗的影响机制.结果表明:与对照(不干扰)相比,10％干扰强度下藻结皮盖度显著增加33.6％,20％干扰强度对藻结皮盖度无显著影响,30％和40％干扰强度下藻结皮盖度分别显著降低了 36.1％和75.0％;40％干扰强度显著增加了枯落物盖度(34.3％),其他处理无显著影响;10％、20％和30％干扰强度下地表粗糙度分别显著降低了 22.3％、11.1％和5.6％,40％干扰强度下增加了 8.2％;40％干扰强度下初始入渗率显著增加了 77.1％,其他干扰强度无显著影响;不同干扰对土壤稳定入渗率和平均入渗率无显著影响.可见,干扰主要通过降低藻结皮盖度,增加枯落物盖度和改变地表粗糙度,进而促进了 土壤水分初始入渗.本研究可为黄土高原退耕地生物结皮管理提供科学依据.

林冠截留是森林生态水文的重要环节,SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型对其模拟过程还较为粗糙,为了在流域水文模拟中更精细的刻画林冠截留过程从而得到更佳的模拟结果,以SWAT模型为基础,使用半理论林冠截留模型(Gash模型)与SWAT模型进行耦合,以天山林区为研究区对SWAT模型林冠截留模块进行优化改进.通过对改进前后的模拟结果进行对比分析,结果表明:1)SWAT模型和SWAT-Gash模型的R2分别为0.59-0.83和0.65-0.86,NSE值分别为0.58-0.82和0.63-0.85,两种模型PBIAS为7.2％-17.1％,证明SWAT-Gash模型具有更好的适用性;2)相较于出山口径流数据,SWAT模型和SWAT-Gash模型的RMSD值分别为3.49-7.80 m3/s和3.22-4.68 m3/s,SWAT-Gash模型在校准期和验证期的皮尔逊相关系数分别为0.93和0.81,高于SWAT模型的0.91和0.77;3)基于分位数回归(QR)的不确定性分析表明,SWAT模型和SWAT-Gash模型验证期的P因子分别为0.93和0.96,R因子为1.26和1.19,95％不确定性置信区间平均宽度分别为13.50 m3/s和12.86 m3/s;4)SWAT模型与SWAT-Gash模型在验证期的月平均地表径流量分别为6.55 m3/s和8.50 m3/s,表明在该流域内原始SWAT模型会高估林冠截留量.以天山北坡中段林区为例对云杉森林的林冠截留进行精细化模拟,虽然对模型输入数据要求提高,林冠截留数据的收集增加了模型模拟的不确定性,但对本研究区基于物理过程的水文模拟精度提升明显,改进后模型与出山口实测径流数据一致性更强,可以为天山林区小流域水资源管理提供更可靠的依据.

干旱区尤其沙漠边缘地区的风沙与植被相互作用对塑造地表景观具有重要意义.选择库布齐沙漠南缘的油蒿灌丛地为研究区,开展了植被调查、风沙流观测和表层沉积物粒度采样测试,分析了顺风向植被盖度、风沙流结构与沉积物特征的沿程变化,探讨了风沙-植被相互作用及其对地表景观格局的影响.结果表明,风沙流与植被相互作用方式的改变使植物生长状况与地表蚀积模式发生变化,进而导致顺风向景观表现出明显的空间异质性.自上风向裸地过渡到均匀分布的新生油蒿和油蒿灌丛再至斑块状分布的灌丛沙堆,植被盖度与覆沙厚度先增大后减小,空气动力学粗糙度沿程不断增加且在过渡时其增幅最大,输沙率与沉积物粒度呈先减小后增大趋势,并在植被盖度与覆沙厚度最大处出现最小值.在沙漠边缘剥蚀高原上,起初适量风沙堆积促进油蒿定植与生长,均匀分布的油蒿灌丛进一步促进沙物质堆积,但当堆积厚度超过油蒿耐沙埋深度时发生退化,灌丛出现斑块状分布且风沙流在丘间地处侵蚀.据此,可理解为剥蚀高原风沙区景观异质性是风沙与植被相互协同与抑制作用的结果.

为探讨城市遗存山体植物多样性的斑块效应,以贵阳市建成区城市遗存山体为研究对象,采用单因素方差分析和最小显著性差异法(LSD),比较不同山体以及坡向、坡位的植物多样性差异,通过Spearman相关分析法,分析城市遗存山体植物多样性指数与城市遗存山体斑块指数之间的关系.结果表明:除地表粗糙度(SR)和分维数(Fd)指数外,23个城市遗存山体的斑块特征指标斑块面积(Pa)、表面积(Sa)、斑块形状指数(PSI)、破碎度(F)、相对高度(Rh)、平均坡度(As)、平面曲率(Hc)和剖面曲率(Pc)等指数差异比较大;不同城市遗存山体的植物群落整体植物、乔木层、灌木层和草本层的多样性指数均有显著差异.植物多样性各指数均与城市遗存山体的斑块特征指数F、Hc、Pc、Hc、Pa和Sa有相关性,与Rh、Fd、SR、PSI和As指数相关性不显著;不同坡位植物多样性各指数与城市遗存山体斑块指数响应强度由高到低顺序为山顶>山脚>山腰.不同坡向的植物多样性指数与城市遗存山体斑块指数响应强度由高到低顺序为西坡>北坡>南坡>东坡.总体而言,城市遗存山体的植物群落物种多样性存在斑块效应,城市遗存山体斑块的F、Hc和Pc指数对其植物多样性的影响显著.研究结果能对多山城市遗存山体生境保护和城市绿地生态系统规划与管理提供理论基础和科学依据.