植被固碳能力是陆地生态系统碳汇的基础,可通过净生态系统生产力(NEP)这一重要指标来反映.估算植被固碳能力是生态学和地表生态系统研究领域的共同科学问题,揭示其变化特征及其因素影响对于区域生态系统具有重要意义.以京津风沙源治理区为研究区,估算了 2000-2020年京津风沙源治理区NEP,并利用趋势分析法和稳定性分析法等方法分析其时空变化特征,并利用地理探测器探究了影响NEP的自然因素与人类活动因素.结果显示:(1)2020年,京津风沙源治理区的NEP均值为110.09 gC m-2a-1,碳汇区面积约为3.591×105 km2,占总面积的78.80％;(2)2000-2020年,京津风沙源治理区多年平均NEP为77.54 gC m-2a-1,年际变化率为4.118 gCm-2a-1,总体上呈上升趋势,研究区以NEP明显增加区为主,占比55.16％,主要分布在研究区南部,NEP呈下降趋势地区仅占比0.15％,主要分布在北部干旱草原沙地治理区,呈斑块状分布;(3)不同生态系统NEP从高到低依次为林地、农田和草地,林地固碳作用较强,未来林地固碳潜力较大,草地面积占研究区的70％,其总固碳量远超其他类型且呈增加趋势;(4)影响京津风沙源治理区NEP的主导因素为年降水量,其次,生态工程的实施也是NEP变化的重要影响因素,不同因素对京津风沙源治理区NEP的影响表现为双因子增强或非线性增强.围绕京津风沙源植被固碳能力估算以及影响因素的空间分异性,研究也在一定程度上提出了空间恢复的建议,以期为京津风沙源加强植被固碳能力以及生态修复等决策提供科学依据.

揭示中国北方退化荒漠草地土壤有机碳分布积累对草地恢复的响应规律和驱动机制,可为科学治理退化草地、阐明草地恢复的土壤碳汇效应提供科学依据.以鄂尔多斯高原不同恢复阶段(流动沙地、恢复前期、恢复中期和恢复后期)的退化草地为研究对象,分析了 0-10 cm,10-20 cm和20-40 cm的土壤有机碳对草地恢复的响应,并采用多种统计方法分析土壤有机碳的驱动因素.结果表明:(1)草地恢复显著增加了不同深度的土壤有机碳(P＜0.05),恢复后期可使0-10 cm、10-20cm和20-40 cm 土壤有机碳分别增加8.28倍、6.44倍和9.46倍.(2)不同深度土壤有机碳的驱动因素不同:植被盖度和植物多样性共同控制0-10cm 土壤有机碳的积累,而下层土壤(10-20 cm和20-40 cm)有机碳积累受到养分限制(土壤氮素)的影响,并且这种影响会随着土壤深度的增加而加强.研究结果可为合理恢复退化草地提供理论依据,同时还为通过草地恢复促进土壤碳循环以实现双碳目标提供了证据.

中国西南亚高山地区的植被景观恢复动态一直缺乏深入研究,以四川省茂县的大沟流域为研究对象,基于航片、地面调查、QuickBird和Pleiades遥感影像数据源,采用人工目视解译的方法,建立了大沟流域景观格局分布信息数据库,开展了大沟流域1978-2020年景观格局恢复动态及其特征的研究.结果表明:(1)研究期间,流域内的优势景观为落叶杂灌、草地和油松林,由于封山育林政策的实施,在未来较长的一段时间内优势景观类型将得以保持.(2)1978-2020年间大沟流域的植被覆盖度维持在较高水平,森林面积逐渐增加,农业主要转变为果园经济,整体景观的动态度在逐渐减小.(3)随着植被的恢复,大沟流域景观的物种丰富度、优势景观优势度和景观的连通性都在增加,但景观的破碎化程度依旧较高.首次对大沟流域的植被演变进行了探究,为西南亚高山及岷江流域地区的森林恢复提供了一定的科学依据.未来相关领域还需加强景观格局演变驱动机制的研究,并制定更加合理的生态环境管理政策.

围封是修复退化草原生态系统的主要措施之一,科学与优化围封方式是目前草地资源管理中急需解决的科学问题.以内蒙古围栏封育10年和未围封的荒漠草原为研究对象,分析围封和未围封对内蒙古荒漠草原群落物种多样性和优势种空间分布格局的影响,旨在为荒漠草原的恢复与重建提供科学依据.结果显示:(1)围封10年显著提高了荒漠草原的植被盖度、密度、高度和地上生物量;(2)围封10年对Margalef多样性指数、Shannon-Wiener多样性指数、Simpson丰富度指数和Pielou均匀度指数无显著影响,但围封均低于未围封样地;(3)围封10年对优势种短花针茅(Stipa breviflora)及糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)的空间分布格局有较为显著的影响,与未围封相比围封后糙隐子草的分布格局变得单一,短花针茅分布格局变得多样.总体看来,围封10年后,荒漠草原群落物种组成、物种优势度和优势种的空间分布格局均发生一定程度变化,反映出围封后草地生态系统中植物适应其生存环境的策略,围封方式应根据立地条件,科学制定围封年限以达到较好的生态恢复效果.

土地利用变化是自然演变与人类活动共同作用的结果,大量的人口流动一定程度上将影响土地利用方式,进而对区域生态环境质量产生影响作用.因此,研究人口流动对土地利用变化的影响及生态效应,能为合理调控区域人地关系,促进区域生态环境与经济的平衡发展提供理论支持.基于长时序高空间分辨率土地利用数据,以具有典型移民现象的四川省凉山州为研究区,针对移民驱动下的土地利用时空变化特征及其诱发的生态效应进行研究分析.结果表明:(1)2000-2020年间,受人口迁移影响,凉山州土地资源的利用结构和程度都发生了相应改变,以耕地、草地、林地及不透水面的面积变化最为显著.在人口迁入较多的西昌、冕宁和德昌等县市内,供人类生活、生存所需要的耕地和建筑用地的数量显著增加;相反,对于大量人口迁出的喜德、昭觉和美姑等地区,人类活动强度的降低为生态用地的恢复和重建提供了条件,生态用地面积不断上涨.(2)受土地利用类型、地形条件、人口分布等因素的影响,凉山州整体生态环境质量呈西高东低、北高南低的空间分布格局.2000-2020年,整体生态环境质量仅下降了 0.36％,总体较为稳定.(3)生态环境质量改善区域集中于东部的越西、美姑及昭觉等县市,而生态环境质量降低的区域主要位于盐源、会里、西昌和德昌等县市.生态环境质量的改变与区域移民活动存在紧密联系,其中由移民迁入引发的耕地和不透水面对生态用地的挤占,对生态环境质量退化贡献比重达87.97％,而随着移民迁出为生态工程的实施提供条件,凉山州内生态用地面积共增加775.84 km2.

三江源区高寒草甸的退化正威胁着区域生态安全,如何恢复其土壤有机碳水平是治理该区域退化高寒草甸的关键.本研究以三江源区典型的退化高寒草甸及经其改建而来的人工草地(3年和7年)为对象,运用酸水解法将土壤有机碳库分为活性碳组分Ⅰ、活性碳组分Ⅱ和惰性碳组分,定量评估人工草地建植后土壤有机碳组分及其生物化学稳定性的变化特征.结果表明:各类样地土壤有机碳组分含量按照惰性碳组分、活性碳组分Ⅰ和活性碳组分Ⅱ的顺序依次递减,表明惰性碳组分是土壤有机碳库的主要构成部分;在建植人工草地3年后,0～30 cm 土层的总有机碳、活性碳组分Ⅰ和惰性碳组分含量均未发生显著变化,而活性碳组分Ⅱ含量出现显著下降(P＜0.05);相比之下,建植人工草地7年后,除土壤活性碳组分Ⅱ含量未发生显著变化外,总有机碳和其他碳组分含量均呈现出增加的变化趋势;退化高寒草甸、建植3年和建植7年人工草地的土壤有机碳惰性指数分别为43.7％～48.4％、42.3％～48.9％和42.3％～53.4％,尽管建植7年人工草地的土壤有机碳惰性指数要高于其他两类样地,但仅在10～20 cm 土层表现为显著差异(P＜0.05).综上表明,长时间的人工植被恢复有助于提升三江源区退化高寒草甸土壤有机碳含量及其生物化学稳定性,促进土壤碳汇功能的恢复.

植被碳水利用效率是表征生态系统碳水循环的重要指标.采用MODIS数据,利用Google Earth Engine平台计算植被碳利用效率(Carbon Use Efficiency,CUE)与水利用效率(Water Use Efficiency,WUE).采用趋势分析、变异系数、R/S分析及偏相关分析等方法,对2000-2020年黄河流域植被CUE与WUE的时空动态进行分析,并探究水热条件对碳水利用效率的影响.结果表明:(1)2000-2020年黄河流域植被碳水利用效率年均值分别为0.61和0.68 gC m-2 mm-1;研究时限内,植被CUE呈波动下降趋势,而WUE呈波动上升趋势.(2)空间上,植被CUE呈西高东低分布,WUE相反.不同土地覆被类型的CUE表现为草地＞农田＞灌丛＞森林;WUE表现为:农田＞森林＞草地＞灌丛.(3)总体上,黄河流域植被CUE与温度呈负相关,与降水呈正相关;黄河流域北部植被WUE与温度和降水均呈正相关关系,黄河流域西南部植被WUE与降水负相关;(4)不同土地利用类型中,草地、森林、农田CUE与温度主要呈负相关响应,灌丛CUE主要呈正相关响应;黄土高原西北部地区草地CUE与降水呈正相关关系,而在黄河源区草地CUE与降水呈负相关关系,农田CUE对降水呈现正向反馈.(5)植被WUE与温度和降水的关系存在较强的空间异质性.降水是影响干旱,半干旱地区的草地WUE的主导因素,而高海拔地区草地WUE与温度、降水均呈负相关关系;灌丛WUE与温度成负相关关系,与降水呈正相关关系;受人类活动影响,农田WUE与温度有正相关关系.研究结果对于深入理解黄河流域植被恢复与气候变化双重背景下区域的植被碳水耦合机理有重要意义.

定量探讨影响因子对景观格局的驱动机理,有助于厘清山区景观格局演变过程以及发展方向.基于地貌差异的景观格局转型研究框架,从"全域-典型地貌区"的视角探究1990-2020年三峡库区腹地奉节县不同地貌下景观格局的时空演变规律,归纳其转型模式.利用二元Logistic回归模型探讨不同地貌区影响因子与景观格局的相关性,以阐释其驱动机理.结果表明:①近30年间耕地与草地缩减,林地、果园以及撂荒地增长,景观破碎度增加.其中,河谷丘陵区耕地大幅缩减,果园迅速扩张;低山区耕地缩减速度减缓,耕地撂荒现象明显;中山区林地恢复性增长.河谷丘陵区趋于经济导向性,而低山区与中山区趋于生态导向性.②研究区景观格局表现为传统农业型、农业主导型以及生态主导型Ⅰ向生态经济型、生态主导型Ⅱ以及生态型转变.根据不同地貌景观格局转型特点,归纳总结为"河谷丘陵-生态经济型"、"低山-生态主导型Ⅱ"、"中山-生态型"3种转型模式.③影响因子对研究区景观格局的解释作用具有差异性.从全域来看,农业型与生态型景观格局主要受人为干扰因素的影响,生态经济型景观格局主要受地形因素的影响,自然景观格局主要受水热条件的影响;从不同地貌区来看,地形是影响河谷丘陵区景观格局的主导因素,随着地貌梯度的增加,地形对低山区与中山区景观格局的解释作用减弱,人为干扰对其解释作用增强,山地景观格局受到人为干扰与地形的共同影响.研究结果揭示了基于地貌差异的景观格局演变的独特性规律,对三峡库区生态经济建设以及山区土地资源的合理规划具有重要意义.

团聚体作为土壤基本结构单元,其各粒级全氮(TN)含量对土壤TN储量的贡献各不相同,而草地恢复过程中地上植被会影响土壤团聚体组成与各粒级TN的分布,这必然会对团聚体稳定性和土壤氮素累积产生影响.因此,以恢复10a、20a、30a、40a和50a草地和对照农田(CK)为研究对象,探究草地恢复过程中土壤团聚体氮素累积规律.结果表明:1)50年恢复过程中草地群落经历了茵陈蒿(Artemisia capillaries)茵陈蒿+铁杆蒿(Artemisia stechmanniana)铁杆蒿+兴安胡枝子(Lespedeza davurica)→铁杆蒿+本氏针茅(Stipa bungeanaTrin)→铁杆蒿+白羊草(Bothriochloa ischaemum)的演替过程,且草地群落物种多样性指数随恢复年限的增加呈先升后降的趋势,地上植物、细根和凋落物的碳和氮含量呈先上升后下降趋势.2)草地恢复过程中土壤pH和容重呈下降趋势,而土壤含水量呈先降后增趋势,土壤有机碳含量在恢复过程中显著增加(P＜0.05),土壤TN含量随恢复年限呈先增后降的趋势,而TN储量呈逐年增加趋势,恢复10-50a草地与CK相比增加了 8.10％-118.92％.3)不同恢复年限草地群落土壤微团聚体(0.053-0.25 mm)占比最大,但随恢复年限增加呈下降趋势,而大团聚体(＞2 mm)和中团聚体(0.25-2 mm)占比以及平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)呈上升趋势.4)不同恢复年限草地群落中团聚体TN含量最高,且各粒级团聚体TN含量随恢复年限呈先下降后上升趋势;草地群落微团聚体TN储量最高,大、中团聚体TN储量随恢复年限增加呈上升趋势,微、粘粉粒团聚体(＜0.053 mm)TN储量随恢复年限增加出现波动;各粒级团聚体TN储量与地上植物、细根和凋落物生物量以及碳氮含量显著相关(P＜0.05).5)草地恢复过程中大团聚体对土壤TN储量的贡献率达70％,且大团聚体占比增加是大团聚体贡献率高的主要原因.总之,草地恢复有利于土壤稳定以及氮素累积.

土壤有机碳(SOC)固存效应与影响因素识别是当前研究的焦点和前沿议题.然而,在退耕还林后,SOC的固存效应以及各影响因素之间的协同变化规律尚不明确.对于基于气候、植被、土壤等多重因素综合作用的定量归因,仍需加强研究.搜集了 1999到2022年黄土高原地区有关退耕还林后植被恢复对SOC储量影响的117篇文献,共获得了 1140组SOC数据.通过对不同条件下(气候因素、植被因素、土壤因素)植被恢复对SoC储量的影响程度的分析,揭示植被恢复类型对SOC储量的影响.同时,采用地理探测器模型探讨不同植被恢复类型SOC储量增加效应的主要驱动因素及其交互作用.研究结果表明,植被恢复显著提高了该地区的SOC储量.林地的固碳效应优于灌木地和草地,分别显著提高了 36.21％,32.41％和15.57％.植被恢复对SOC储量的增加效应随着植被恢复年限和植被覆盖率的增加而增强,特别是在低土壤容重(＜1 g/cm-3)条件下,植被恢复对SOC储量的增加效应更为显著,但随着土壤深度增加植被恢复对SOC储量的增加效应减弱.在年平均气温(MAT)为7-10℃、年平均降雨量(MAP)为450-550 mm条件下,林地恢复有助于促进SOC储量的增加效应.在MAT＜7℃、MAP为450-550 mm条件下,灌木地的SOC储量增加效应更明显,但受植被覆盖率的限制.在MAT＜7℃、MAP＞550 mm条件下,草地的SoC储量增加效应更为显著.地理探测器模型分析表明,植被恢复年限、植被覆盖率和MAP分别是影响林地、灌木地和草地SOC固存的主要驱动因素.因素间交互作用通常比单一因素对SOC储量的影响更为显著.具体而言,MAP与植被恢复年限的交互作用对林地SOC储量的增加效应最高,达到了 33.46％;MAT与土壤容重的交互作用对灌木地SOC储量的增加效应最高,达到了86.77％;MAP与植被覆盖率的交互作用对草地SOC储量的增加效应最高,达到了 60.59％.研究结果可为不同恢复条件下选择合理的植被配置方式提供参考.