本研究依托国家林草局六盘山森林生态定位站,于2019年生长季(5月17日—10月12日)对香水河小流域华北落叶松人工林树干液流进行连续观测,并同步监测气象条件与土壤环境(土壤温度和土壤水分),分析不同天气下华北落叶松树干液流的综合环境响应.结果表明:在日尺度上,华北落叶松树干液流速率呈先升后降的变化趋势,液流速率大小表现为:晴天＞阴天＞雨天;树干液流速率在晴天呈单峰变化趋势,在阴、雨天均呈多峰变化趋势.晴天的液流启动时间和峰值时间早于阴、雨天,持续时间多于阴、雨天.不同天气树干液流的主导因子存在明显差异,饱和水汽压差是晴天和阴天树干液流的主导因子,其贡献率分别为31.1％和27.4％,而雨天液流的主导因子为太阳辐射,贡献率为40.1％.主成分分析表明,晴天树干液流的综合影响因子为水热复合因子(大气温度、土壤温度、土壤体积含水量)、水汽蒸腾因子(相对湿度、饱和水汽压差)和辐射因子(太阳辐射);阴、雨天树干液流的综合影响因子为蒸腾驱动因子(相对湿度、太阳辐射、饱和水汽压差)、综合热量因子(大气温度、土壤温度)和土壤水分因子(土壤体积含水量).晴天液流分别滞后于水热复合因子、水汽蒸腾因子和辐射因子110、80和70 min到达峰值;阴天和雨天液流分别提前于蒸腾驱动因子、综合热量因子和土壤水分因子10、20、30 min和140、60、150 min到达峰值.

本文以新疆天山西部伊犁河流域优势树种雪岭云杉为对象,采用树轮指数(TRI)和生长变化百分率(GC)的方法研究不同海拔(1800、2300和2800 m)雪岭云杉的衰退特征,分析不同海拔雪岭云杉生长对干旱事件的响应差异,揭示该地区海拔对树木生长衰退的影响.结果表明:低海拔(1800 m)雪岭云杉呈现多次衰退,但树轮指数法和生长变化百分率法判定的衰退时间存在差异.树轮指数表明,低海拔雪岭云杉在1927-1933、2007-2014年期间出现了 2次的持续大规模衰退;生长变化百分率表明,低海拔雪岭云杉在1891-1893、1924-1926、1973-1975、2004-2009年期间出现了 4次生长衰退.上一年生长季帕尔默干旱指数(PDSI)显著影响不同海拔雪岭云杉径向生长.随着海拔上升,当年生长季PDSI对雪岭云杉径向生长的作用呈现先显著增强再减弱的趋势.在极端干旱年份(1917年),雪岭云杉生长衰退程度随海拔增加呈现增强趋势,低海拔处(1800 m)树轮指数为0.65,比平均水平低35％,而中(2300 m)、高(2800 m)海拔则分别为0.56和0.54,显著低于平均水平40％.1917年的干旱事件对不同海拔雪岭云杉生长均存在2年的遗产效应,1920年树轮指数达到0.9以上,接近正常水平.海拔因素对干旱导致的森林衰退具有重要影响,分布在水热条件相对较差的低海拔处的树木生长更易受到干旱事件的抑制作用,进而引发了次数多、规模大的衰退事件.但在面对极端干旱时,水热条件较好的中、高海拔处的树木也会出现更大程度的衰退事件.

精确评估地-气之间物质和能量交换对于有效管理水资源和促进农业可持续发展至关重要.为揭示黄河故道区玉米农田生态系统的能量分配特征和水热分量动态变化过程及其对气象因子的变化响应,本研究基于涡度相关系统和全要素自动气象站,对2019-2020年黄河故道区典型夏玉米农田生态系统的能量通量以及常规气象要素进行不间断观测,分析夏玉米农田各能量通量的变化特征以及与气温、降水、风速等环境因子的相关关系,并计算夏玉米生育时期的能量闭合率和能量分配比率.结果表明:研究区夏玉米净辐射、显热通量和潜热通量的峰值出现在11:00-14:00,土壤热通量的峰值发生在14:00-15:00.在能量分配上,夏玉米农田全生育期的能量分配以潜热通量和显热通量为主,播种-出苗期能量主要被显热通量消耗,占净辐射的37.1％,其余生育周期的能量均以潜热通量消耗为主.全生育期能量闭合率较好,决定系数为0.83,其中,白天闭合率较高,晚上较低.降水对潜热通量和显热通量都有明显影响,潜热通量对降水的反应更敏感,生育后期潜热通量在降雨后与降雨前的增幅比生育前期低.在夏玉米全生育期内,太阳辐射是水热通量最主要的气象因子,其次为饱和水汽压差.温度和饱和水汽压差对潜热通量的贡献度明显高于显热通量,风速、相对湿度和太阳辐射对潜热通量的解释率低于显热通量,叶面积指数和植被覆盖度与潜热通量呈显著正相关、与显热通量呈显著负相关.本研究的定量化结果可以深化对黄河故道区夏玉米农田水热传输规律的认识,为作物高效用水提供理论依据.

使用淮河流域1981年至2020年的149个气象站点的气温和相对湿度数据,分析了流域暖季极端高温干旱复合事件(Compound Drought and Heat Events,CDHEs)的时空演变特征,并通过趋势分析和相关分析法探讨了 CDHEs与气候和植被的关系.结果表明:①CDHEs的发生日数在年代际尺度上呈现明显的增加趋势,并且范围扩大,频发区逐渐向淮河流域中西部移动;②在年际尺度上,CDHEs随时间序列呈显著的波动上升趋势,空间分布上以西北部为中心向四周递减.连续CDHEs事件呈年际变化,最大2至4天的连续事件存在波动,2019年达到高峰,并且在流域内零散或成片出现;③在月际尺度上,CDHEs的发生日数在6月最多,其次是5月、7月、9月和8月.淮河流域入汛前的旱情和入汛后的旱涝急转都容易导致CDHEs发生,而且随着月际变化向南移动;④CDHEs对水热条件和大气环流具有特别的敏感性.在850hPa反气旋和500hPa显著高压异常的控制下,高温、低湿、高蒸发和降水少的气候背景有利于淮河地区CDHEs的形成,尤其是在淮河中西部地区.因此,CDHEs的发生与气候变化密切相关;⑤CDHEs与植被生长也存在显著关系.CDHEs与GPP呈显著的负相关,而与NDVI呈显著的正相关,显著地区的土地类型以耕地和城乡、工矿、居民用地为主.GPP和NDVI的不同步可能是因为多种因素的非线性相互作用,而不仅仅是单一因素的影响.此外,对于GPP和NDVI来说,土壤含水量至关重要.总之,本文对淮河流域CDHEs的时空分布特征进行了深入研究,并探讨了其与气候和植被的关系.研究结果可以为该地区的气象灾害防御和生态环境保护提供科学依据和参考.

20世纪80年代后期青藏高原进入暖湿时期,为探明青藏高原东缘气候暖湿化对高寒草甸土壤线虫群落的影响,2020年5月作者在四川西北阿坝藏族羌族自治州红原县境内设置了对照(CK)、增水50％(P50)、增温2℃(T2)、增水50％增温2℃(P50+T2)4种处理.2022年9月,对各处理样地的线虫群落组成、密度、多样性和营养类群,以及植物群落盖度、物种数、土壤理化性质进行调查.采用单因素方差分析和t-检验比较不同处理对土壤线虫群落的影响,并用冗余分析和相关性分析探索线虫群落与土壤理化性质和植物群落特征之间的关系.结果表明:(1)与对照相比,P50处理中线虫群落密度和多样性增加,但不显著;T2处理中螺旋属(Helicotylenchus)、类双胃属(Diplogsteroides)等37个属消失,群落密度、类群数和Shannon多样性显著降低,优势度显著增加;P50+T2处理中0-10 cm和10-20 cm土层的线虫密度分别显著增加和降低;(2)P50处理使0-10 cm土层的食真菌线虫、植物寄生线虫和捕食-杂食线虫密度增加,食细菌线虫密度下降;T2处理使0-10 cm土层各营养类群密度均下降,但植物寄生线虫和捕食-杂食线虫下降幅度大于食细菌线虫和食真菌线虫,使食细菌线虫和食真菌线虫的相对密度增加;P50+T2处理使0-10 cm土层食真菌线虫密度显著提高,10-20 cm土层食细菌线虫和植物寄生线虫密度显著降低;(3)线虫群落密度和多样性均与土壤湿度和植物盖度呈正相关,与硝态氮呈负相关.以上研究结果表明,不同类群线虫对水热变化的响应存在差异,增温对高寒草甸表层土壤线虫群落密度和多样性不利,而增水及水热同步增加有利于提高线虫群落密度.

植被、凋落物、地形以及土壤属性都是土壤有机碳(SOC)变化的驱动因素,而多个驱动因素如何同时作用于SOC的研究较少.本文以云冷杉阔叶混交林为对象,通过样地调查、采样以及实验测定获得200组数据,包括不同土层土壤、植被以及不同分解层凋落物的数据,并通过遥感技术获得了地形数据.采用相关分析以及结构方程模型量化这些因子对SOC的影响.基于相关分析结果构建了 5个潜变量,包含植被、地形、凋落物归还特征、土壤属性以及SOC含量和土壤有机碳密度(SOCD),选取了 15个观测变量进行建模.结构方程模型的各项检验系数基本通过,且多元平方系数值为0.94,表明方程构建合理且效果较好,模型的收敛效度达标.4个预测潜变量对SOC含量和SOCD均有显著正效应,总效应从大到小表现为土壤属性(0.938)＞地形(0.383)＞植被(0.131)＞凋落物归还特征(0.099),可解释部分效应贡献占比分别为60.5％、24.7％、8.4％和 6.4％,其中高程、20～40 cm 土壤全磷、20～40 cm 土壤全氮、0～20 cm 土壤全氮、20～40 cm 土壤含水率为效应贡献前五位,对SOC含量和SOCD有较大的正效应.地形(高程与坡向)与植被(Shannon多样性指数、物种数、郁闭度)对SOC含量和SOCD具有间接正效应,地形通过土壤属性和凋落物归还特征两个路径影响SOC,且均达到极显著水平(P＜0.001);植被仅通过土壤属性路径在0.1水平达到显著.综上所述,SOC驱动因素的关系非常复杂,植被通过影响氮磷以及深层土壤属性影响SOC,凋落物通过直接输入对SOC产生正效应,地形通过水热分配影响其他土壤属性间接影响SOC.本研究构建的结构方程阐明了云冷杉阔叶混交林各类驱动因素的作用关系,为SOC保护以及天然林土壤养分管理提供理论依据.

坡向和海拔作为重要的地形因子决定着林木立地条件的水热分配,为揭示川西地区升温突变前后制约岷江冷杉(Abies fargesii var.faxoniana)径向生长的气候因子变化及其在坡向和海拔上的响应格局,通过树木年轮学方法构建了 4个坡向(NE、N、NW和W)的3个海拔梯度(≥3650 m)共12个岷江冷杉的标准年表,采用皮尔逊相关分析和回归分析的方法分析了升温突变前后(1980年)限制岷江冷杉径向生长主要气候因子的变化及径向生长的变化趋势.结果表明:升温前,生长季(7月)低温和降水、前一年冬季(10-11月)最高温和平均温制约岷江冷杉的生长,而当年春季(3月)温度的升高和生长季前(5月)较多的降水不利于其生长.升温后,4个坡向的林线、东北坡中海拔,西坡中、低海拔岷江冷杉的径向生长与大部分月温度表现为正相关关系,且上述样点树木径向生长明显加速.1980年升温前,制约不同样点岷江冷杉径向生长的气候因子具有一致性——坡向和海拔对其径向生长与温度相关关系的干扰和影响较小.增温促进了各坡向林线岷江冷杉的径向生长,且偏阳坡在更大的海拔范围内对增温表现出正反馈.研究对未来气候变化背景下川西不同坡向岷江冷杉生长和分布的预测具有重要意义.

系统掌握青藏高原植被覆盖度时空特征变化及驱动因素的影响,为生态可持续发展提供科学依据.本文利用2001-2020年MODIS-NDVI数据、地表温度数据、气象数据,采用像元二分模型、趋势分析、偏相关分析以及残差分析等方法,分析了青藏高原地区植被覆盖度时空变化特征及其与水热因子和人类活动的关系.结果表明:2001-2020年,青藏高原地区植被覆盖度总体呈波动上升趋势,空间上呈现由西北向东南阶梯状递增;植被覆盖度与气候因子呈一定程度的正相关性,降水与气温的作用呈现良好的互补性;植被覆盖与地表温度呈一定程度的负相关性,地表温度的升降幅度高于气温,热量因子中的气温更易成为限制植被生长的因素;人类活动对植被覆盖起到改善作用的区域主要分布于青海中北部地区、阿里地区北部,退化区域主要分布于玉树中东部地区的草地区域、那曲和拉萨等的部分地区.

叶片温度是植物能量交换和生理过程发生的重要微环境参数.叶片热力性状能够在一定程度上调控叶片温度,避免极端温度对叶片的伤害.但目前针对叶片热力性状的研究还很少.该研究选择云南省从热带到温带具有明显水热梯度的4种典型植被类型:干热河谷植被、热带雨林、亚热带常绿阔叶林、温带针阔混交林,对其冠层优势树种的叶片热力性状进行了系统地研究.这些性状包括了可能影响叶片温度的形态、光学、材料特性、解剖和生理的23个性状.研究结果表明:干热河谷植被的植物主要依靠蒸腾降温,叶片薄,叶寿命短,主要为"快速投资-收益"型植物;热带雨林植物叶片大,蒸腾速率不高,不利于降温,较厚的叶片、较高的含水量能在一定程度上缓解高温,采取"慢速投资-收益"策略;亚热带常绿阔叶林很少发生极端温度,叶片没有明显的热适应性状,叶片厚,叶寿命长,采取"慢速投资-收益"策略;温带针阔混交林植被的叶片小而厚,多成簇状生长,有一定保温作用.温带针阔混交林的冠层常绿植物光合速率较低,偏"慢速投资-收益"型;而落叶植物的光合速率较高,偏"快速投资-收益"型.该研究系统地研究了热力性状与植物适应策略沿水热梯度的变化,为深入认识植物对环境适应策略提供了理论基础.

以云南省高黎贡山国家级自然保护区中山湿性常绿阔叶林为研究对象,以200 m × 200 m动态监测样地的地形数据和群落学调查数据为基础,采用扩散系数、方差分析及多重比较等方法分析了不同取样面积、生长阶段下树种分布格局的变化特征,探讨了地形因素对树种分布格局的影响.结果表明:群落中多数树种呈聚集分布,少数树种呈随机分布.多数树种的分布格局与取样面积无关,其中大部分在各取样面积下都呈聚集分布;少数树种的分布格局受取样面积的影响,取样面积较小时多呈随机分布,取样面积较大时多呈聚集分布.群落中约有一半树种的分布格局与其生长阶段无关,其中大部分在各生长阶段都呈聚集分布.另有一半树种的分布格局受其生长阶段的影响,其中大部分在幼树阶段表现为聚集分布,在中树、大树阶段表现为随机分布.方差分析结果表明,地形异质性对多数树种的聚集分布有重要影响,其中树种在资源生态位上的分化是控制因素,而地形对水热资源的再分配是重要因素.