基于2000-2020年Landsat影像和数字高程模型等数据,采用面向对象的方法进行绿洲分类,使用趋势分析、重心迁移及地理探测器等方法对西北干旱区绿洲时空特征及其驱动力进行研究.结果表明:2000-2020年,西北干旱区绿洲面积呈线性增加趋势,绿洲面积年均增速为1079.66 km2·a-1.绿洲面积增长率由高到低依次为阿拉善、南疆、河西走廊和北疆地区.西北干旱区绿洲主要呈带状或点状分布在天山南北麓、昆仑山、祁连山北麓和阿拉善高原,北疆绿洲面积变化表现为北部增加、南部减少;南疆绿洲主要沿河流扩张,但部分绿洲边缘出现退缩;河西走廊绿洲的扩张与退缩均发生在西北部河流沿岸;阿拉善绿洲呈散点状扩张,无明显退缩区域.北疆和南疆绿洲的重心大体上向东北方向移动,河西走廊绿洲重心沿西北方向迁移,阿拉善绿洲重心呈南北向波动迁移.农田生产潜力对北疆绿洲和河西走廊绿洲空间分异的解释能力最强,分别为43.6％和45.3％;影响阿拉善绿洲分布变化最敏感的因子是降水(解释能力为27.6％);南疆绿洲分布响应最敏感的环境因子是土壤类型(解释能力为44.9％).西北干旱区绿洲中,人类活动因子之间的交互作用以双因子增强为主,自然因子之间的交互作用为双因子增强和非线性增强.

基于2000、2010和2018年3期Landsat遥感影像,借助建设用地扩张年增量和年增长率,明确了干旱区绿洲城市乌鲁木齐城市建设用地扩张强度和速度,并分析了飞地式、边缘式和填充式三种扩张模式特征及其带来的热力环境影响.研究结果能为绿洲城市未来土地利用结构优化和生态效益提高,预防土地利用冲突的发生,促进区域和谐稳定、建设人与自然和谐共生提供例证和科学支撑.结果表明:(1)2000-2018年间城市建设用地面积持续地增长,其扩张速度呈先增后减趋势,城市扩张方向主要是东北、南和西南;(2)2000-2018年城市扩张模式是以填充式和飞地式为主,18a间三种扩张模式均是以草地和耕地转入为主;(3)在建设用地扩张背景下,2000-2018年热力场环境分布与建设用地在空间上具有一致性,热力现象在此期间局部有所下降但总体呈上升趋势.

夹粘沙丘是指剖面中分布有一层红褐色粘化层的沙丘,其夹粘层埋藏深度常在120-500cm左右,厚度在40-100cm之间,粘粉粒含量达到90％以上.夹粘沙丘人工梭梭固沙植被郁闭度在0.5以上,明显高于相同水热条件下的植被生产力,这可能与夹粘层通过改变土壤持水性及水分状况,从而提高了土壤水分承载力有关.以河西走廊绿洲边缘夹粘沙丘为研究对象,在测定0-8.0m剖面土壤物理性质和土壤水分特征曲线的基础上,计算了土壤孔隙分布和持水特性,研究了剖面中土壤持水性的变化规律及其影响因素.结果表明:(1)夹粘层土壤含水量最高,上覆沙土土壤含水量最少且随深度增加而增加,下伏沙土受地下水毛管作用影响水分含量较高;(2)土壤机械组成决定了不同土层的持水特性,土壤中粘粉粒含量越高,田间持水量和饱和含水量就越大,夹粘层的土壤持水性远高于沙土层;(3)夹粘层是沙丘土壤水分暂时贮存的重要土层,可以为植被提供深层土壤水分,这对绿洲边缘人工固沙植被的生存和繁衍有重要影响,而土壤持水性和毛管作用的强弱决定了夹粘层对沙丘水分调节能力的强弱.本研究为深入理解绿洲边缘雨养固沙植被斑块状分布的机理提供了一定的理论依据.

生态系统服务价值(ESV)研究是改善土地利用方式,对促进地区生态系统保护和修复具有重要指导意义.选择生态环境较为脆弱的渭库绿洲为研究区域,以1994和2016年遥感影像为基础数据进行生态服务价值评估,应用格网、敏感性分析、空间自相关等空间统计学方法来进一步揭示研究区域生态系统服务价值(ESV)动态变化特征.结果表明:(1) 1994-2016年间渭库绿洲土地利用变化/土地覆被变化较为显著,耕地,建设用地面积呈增长趋势,水域、草地和未利用地面积呈递减趋势,耕地和草地面积变化最为剧烈.(2) 1994-2016年,渭库绿洲的生态系统服务总价值呈减少趋势,由4895.67×106元减少到3864.78×106元,减少了1030.89×106元,年均减少0.96％;空间上表现为生态服务价值增值区及减值区呈包围态势,生态系统服务高值区域在不断缩小;同时生态系统单项服务价值呈现有增有减的趋势,废物处理、水源涵养、生物多样性保护、娱乐文化等四项单项服务价值呈现下降趋势,而食物生产、气候调节、气体调节和原材料、土壤形成与保护等其他五项单项服务价值出现上升趋势.(3)敏感性分析表明,所有土地利用类型生态系统服务价值系数的敏感性指数(CS)均小于1,说明生态价值系数(VC)对生态系统服务价值的变化影响较小,模型能够合理评估该区域生态服务价值波动.(4)研究区生态系统服务价值表现出明显的空间自相关与空间聚集现象,生态服务价值高值聚集区主要分布在渭干河上游“克孜尔水库”周围和塔里木河北岸,并呈减少趋势,注意保护高值区的空间稳定性;低值聚集区主要集中在绿洲南部靠近塔克拉玛干沙漠边缘和北部靠近天山中部的山区以及库车河下游荒漠区域,这类区域在空间范围上呈连片连绵趋势,空间分布格局上基本保持稳定.(5)受气候变化和人类活动的双重影响下,草地和水域面积的大幅度下降,耕地和建设用地面积的增加,导致生态服务价值系数较高的土地越来越少,使得研究区的生态服务价值趋于减弱.

2017年4和5月,在位于新疆塔克拉玛干沙漠南缘的和田地区民丰县对白尾地鸦(Podoces bidduphi)的巢址选择进行研究.共记录白尾地鸦巢12个,测量了巢参数,用Mann-WhitneyU检验分析巢样方与对照样方的差异,用主成分法分析影响白尾地鸦巢址选择的主要因子.结果显示:1)白尾地鸦巢多筑于绿洲边缘的柽柳(Tamarix)灌丛,巢距地面高(109.1±13.2)cm,巢深(8.5±0.5) cm,巢厚(3.8±0.4)cm,内径(13.9±0.9)cm,外径(21.6±1.3)cm;2)巢样方的植被物种数和植被盖度远高于对照样方;3)影响白尾地鸦巢址选择的主要因素为植被物种数及干扰,其中干扰主要指距道路以及距居民点的距离.综上所述,白尾地鸦的巢址选择受食物等生存需求和躲避干扰等安全因素的双重影响,是生存与繁殖权衡的结果.

为了探明民勤绿洲边缘梭梭林衰败过程中土壤种子库演变特征及其与地上植被的关系,以民勤西沙窝——民勤治沙综合试验站1987年建植的未衰败(ND)、轻度衰败(SLD)、中度衰败(MD)以及重度衰败(SD)梭梭林为对象,通过野外调查及室内萌发的方法对林地土壤种子库物种组成、密度、物种多样性及其与地上植被的关系进行了研究.结果表明:1)梭梭林由未衰败向重度衰败演变过程中,种子库草本植物物种数先急剧增大再缓慢减小(峰值在SLD阶段),木本植物物种数先急剧减小再保持恒定;种子库优势种呈现出由沙生植物向沙旱生植物演替的趋势;大部分林地种子库与地上植被物种间存在较高的相似性.2)梭梭林衰败过程中,草本植物种子库密度呈现出急剧增大后缓慢减小趋势,SLD、MD及SD的密度分别是ND的2.57、2.32、2.28倍;木本植物种子库密度处于持续增大状态,SLD、MD、SD的密度分别是ND的5.25、11.38、14.74倍;种子库与地上植株密度间存在正相关关系,其中,草本植物为对数曲线,木本植物为二次函曲线.3)梭梭林从衰败初期(SLD)演变到后期(SD),种子库中草本植物物种多样性指数Dma、Dsim、H'、Jsw均呈现出先稳定后变化的状态,而木本植物的4种指数一直呈现出减小的趋势;种子库草本植物物种多样性指数变化趋势与其地上植被存在差异,但其变化幅度基本一致;种子库木本植物与地上植被的物种多样性指数变化趋势完全一致,其种子库的变化幅度小于地上植被.基于以上结果得出,民勤梭梭林衰败过程中林地植物群落发生了由沙生植物向沙旱生植物的演替,林地植被与土壤种子库间存在很强的依赖性,衰败梭梭林林地土壤种子库具有较高的植被恢复能力.

内陆干旱区人口数量急剧增加驱动了绿洲快速扩张,扩张方式主要包括:灌木地、林地和农地扩张,尚缺乏绿洲扩张方式对土壤生物多样性和生态系统服务功能影响的研究.本文以河西走廊黑河中游张掖绿洲为研究区域,选择绿洲边缘天然草地及其转变的人工梭梭(Haloxylon ammodendron)灌木地(无灌溉)、人工杨树(Populus gansuensis)林地(灌溉)、玉米(Zea mays)地(灌溉+施肥)为研究对象,测定了4种生境土壤食物网中9种优势功能类群的密度以及反映土壤生态系统功能特征的有机碳储量、氮储量、磷储量与土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶活性.主要结果如下:(1)灌木地扩张显著降低了甲螨、植食性昆虫密度,增加了跳虫、捕食性螨密度和真菌的OTUs,对其余类群无显著影响;林地扩张增加了捕食性节肢动物、植食性昆虫、捕食性螨、跳虫、甲螨的密度及细菌和真菌OTUs,对其余类群无显著影响;农地扩张增加了蚓类、捕食性节肢动物、捕食性螨、跳虫、甲螨的密度及细菌和真菌的OTUs,对其余类群无显著影响.(2)林地和灌木地扩张显著提高了土壤有机碳储量和氮储量,而农地扩张显著提高了土壤有机碳储量、氮储量和磷储量.(3)3种扩张方式显著提高了土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶活性,玉米地和杨树林地土壤酶活性的增幅高于灌木地.人工绿洲扩张方式显著和有差异地改变了土壤食物网结构及其生态功能水平,该结果对建立基于土地利用结构优化调控的人工绿洲生物多样性保护管理新方法具有重要意义,并为人工绿洲生态系统功能稳定性评价研究提供了基础资料.

甘肃河西走廊经过60多年的防沙治沙,在绿洲边缘形成了一条积沙带.其中,民勤绿洲边缘积沙带相对最典型、最完整.积沙带上的植被不仅是积沙带的形成因素,更是维持积沙带稳定的重要因素.从一定意义上说,积沙带上植被的健康状况,决定着积沙带的稳定性.为了分析积沙带上的植被状况,在民勤绿洲边缘积沙带上等间距设定了11条样线,通过60多个样方的植被调查,对民勤绿洲边缘积沙带上植物群落进行了健康序列分析.结果表明:民勤绿洲边缘积沙带上的植被普遍是不健康的,民勤绿洲边缘人工固沙林积沙带上的植被健康状况相对好于天然灌丛积沙带上的植被健康状况,乔灌混交林积沙带上的植被健康状况最差.民勤绿洲下游积沙带上的优势种植物柽柳严重枯死,健康状况最差,积沙带潜在风蚀活化的危险.农田弃耕后,沙区农田边缘防护林及其积沙带的保护是一个新的值得考虑的问题.

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.

干旱内陆河流在维系绿洲形成与发展,连接干旱区绿洲各类生态子系统中具有举足轻重的作用.以克里雅河中游为研究区,基于遥感影像分析了1995年、2005年和2015年3个时期的土地利用/覆被与景观格局变化特征,采用缓冲区分析法,揭示了土地利用/覆被与景观格局的时空变化特征,用土地覆被转移指数模型计算了土地利用转移方向.研究结果表明:1)1995-2015年,克里雅河中游耕地持续增加,草地和水体呈减少趋势,耕地增加和水体减少主要发生在河道附近,草地退化在绿洲边缘较严重.在河道附近,耕地主要由水体和草地转入,水体主要转出到耕地,而在绿洲边缘草地主要转出为其他用地;2)从景观水平看,研究区整体景观具有破碎化趋势,景观多样性降低,分离度变大,整个景观向均匀化发展,此变化在河道附近和绿洲边缘较明显.从类型水平看,耕地斑块数量持续增加,有向连片生成的趋势.草地斑块分离度越来越大,逐渐失去了在绿洲中的优势.水体有破碎化趋势;3)从土地转移指数看,研究区土地覆被总体变差;河道附近土地覆被经历了退化-改善的变化过程,而其他缓冲带则是持续退化,尤其绿洲边缘退化程度最为严重.