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.

中国北方农牧交错带生态系统敏感脆弱、不稳定,其健康状况受多种因素影响,其中以放牧为代表的人类经济活动影响显著.高强度放牧是造成草地退化的重要原因,草地退化又是影响草原生态系统健康的关键因素.利用归一化植被指数和牲畜量量化放牧压力,并选取合理的模型探究放牧对于中国北方农牧交错带生态健康的影响,确定合理的放牧强度和策略,以实现草畜平衡和区域可持续发展.基于"活力-组织力-弹性-生态服务"(VORS)模型,构建起包括自然、社会等多方面的指标体系,评估了 2000-2015年北方农牧交错带的生态健康系统水平,并采用Moran's I探讨放牧压力和生态系统健康指数的空间相关性,并从普通最小二乘法、地理加权回归模型、时间加权回归模型和时空地理加权回归模型选择最优回归模型,揭示放牧压力对于生态系统健康的影响机制.结果表明:(1)2000-2015年放牧强度格局高值区域主要为内蒙古草原地区,低值区域主要为陕西高原地区.(2)2000-2015年中国北方农牧交错带的生态系统健康指数呈现上升趋势,区域整体处于亚健康状态和一般健康状态.(3)全局双变量Moran's I结果显示在2000-2015年呈现负相关影响关系,但影响力度在变小.(4)多种回归模型相比较,GTWR模型表现最优.2000-2015年,正向驱动空间集中在内蒙古、辽宁以及山西省区县;负向驱动空间集中在陕西省、甘肃等区域,同时影响强度持续增强.研究通过不同区县、不同的草原的反应状况,提出放牧政策的不同实施建议,致力于实现草原资源的可持续利用和生态系统的持续健康.

植被光合作用是维持区域生态平衡和气候稳定的关键过程之一,对了解区域生态系统的健康状况和应对气候变化具有重要意义.基于GOSIF数据,对2001-2021年黄河流域植被光合的时空变化规律及原因进行了分析.结果表明:(1)黄河流域植被光合总体呈上升趋势,在空间上表现为西部和东南部高、北部低的分布格局.其中关中平原、阿尼玛卿山、宁夏平原以及黄河三角洲地区的植被光合呈现出显著退化的趋势.(2)归因分析结果表明,不同气候要素对植被光合动态的影响具有显著差异,总体上降水和太阳辐射与黄河流域的植被光合动态呈现出正相关,而温度与植被光合动态呈现出负相关.气候变化和人类活动对黄河流域植被光合动态具有不同程度的影响.人类活动(76.24％)对植被改善区域的贡献远大于气候变化(23.76％).在退化区域中,稀树草原和农田中的气候变化贡献大于人类活动,灌木、草地和湿地中的人类活动贡献大于气候变化,林地中的气候变化贡献与人类活动相当.研究结果有助于更好理解黄河流域植被光合作用的变化机制,为黄河流域生态保护和高质量发展以及气候变化研究提供了重要的参考依据.

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.

为明确春季休牧对中度退化高寒草甸植被特征、土壤理化性质和土壤真菌群落特征的影响,本研究在祁连山区高寒草地设置春季休牧和自由放牧两个处理,休牧结束后于牧草生长旺季,调查草地植物群落特征并采集土壤样本.结果表明,春季休牧后高寒草地植物群落多样性指数、均匀度指数和丰富度指数显著升高(P＜0.05),与自由放牧相比,分别升高了80.00％、50.94％和21.89％;植被生物量显著增加(P＜0.05),增幅达52.41％;休牧后草地地上/下生物量比值由8.58％增加到25.59％,休牧改变了植被生物量的分配格局;休牧后土壤有机碳和全钾含量显著增加(P＜0.05),增幅分别为10.64％和1.10％;而土壤容重和pH显著降低(P＜0.05),降幅分别为17.83％和4.60％.春季休牧处理下土壤子囊菌门的相对丰度增加,而被孢霉菌门的丰度下降;土壤真菌群落多样性指数在两处理间差异不显著;PCoA分析结果显示,主坐标1(PCo1)、主坐标2(PCo2)和主坐标3(PCo3)对真菌群落结构差异的解释率分别为17.58％、12.07％和11.51％,累计解释率为41.16％;真菌共现网络模块化分析发现,春季休牧处理下土壤真菌网络复杂性更高,土壤真菌群落更稳定.植被和土壤因子的方差分析结果显示,土壤含水量和植被地下生物量是影响真菌群落重构的两个主要调控因子.

以未退化(ND)、轻度退化(LD)、中度退化(MD)和重度退化(SD)高寒草地为研究对象,调查土壤有机碳(SOC)、氮(N)、磷(P)、碳氮比(C∶N)、碳磷比(C∶P)和氮磷比(N∶P),明确不同退化程度高寒草地土壤碳氮磷含量及生态化学计量特征.结果表明:土壤SOC、N、P含量均随退化程度的加剧呈下降趋势;C∶N、C∶P和N∶P均随退化程度加剧呈"N"字型的变化,C∶N、C∶P和N∶P的平均值均小于全球水平;相关分析表明,土壤SOC、N、C∶P、N∶P与土壤pH、土壤容重显著负相关(P＜0.05),而土壤SOC、N、P、C∶P、N∶P与土壤含水率呈显著正相关(P＜0.05),土壤P与土壤容重相关性不显著(P＞0.05);土壤C∶N与土壤pH和容重呈显著正相关(P＜0.01),而与土壤含水率呈显著负相关(P＜0.01);结构方程模型进一步表明,草地退化直接影响土壤理化性质,进而影响土壤SOC、N、P含量及其生态化学计量比.综上,草地退化通过降低土壤含水率,增加pH和容重改变了土壤微环境,导致SOC、N、P含量下降.

为了解土壤微生物群落及其碳循环功能对草地退化和人工建植的响应及驱动因素,本研究以青藏高原退化高寒草甸及人工建植草地为对象,借助宏基因组技术,分析退化和建植过程中微生物结构及碳循环功能基因的变化特征,并进一步探索微生物碳循环功能基因变化的驱动因素.结果表明:高寒草甸退化及人工建植过程显著改变了土壤和植被因子;在退化及建植过程中,土壤微生物丰富度及多样性的上升及优势种相对丰度的下降表明微生物群落趋于均质化分布;土壤碳循环功能基因多样性表现为显著上升-稳定-上升的趋势;微生物群落相对丰度前15的优势种对碳循环功能基因的贡献超过40％,但随退化和建植明显下降;单独的土壤或植被因子对土壤微生物群落结构的影响高于微生物碳循环功能基因的影响,但土壤和植被的互作对后者的影响要强于前者;土壤营养元素有效态(铵氮和硝氮)及植被因子(盖度、生物量及多样性)与碳循环功能基因多样性和丰度关系密切.研究结果有助于增强理解高寒草甸退化及人工建植过程中碳循环过程的微生物机制.

近些年黄河治理卓有成效,但因黄河生态底子薄弱,还存在生物多样性降低、生态系统不稳定和退化等问题.以区域协同视角构建黄河流域生态安全格局,主要贡献在于融合生态、经济和社会层面的集成数据为基础,从自然环境(地)、人类活动(人)和地物阻隔(人地耦合)三方面构建流域综合阻力评价体系,提出一个在黄河全流域地区构建生态安全格局的新框架.具体内容包括:①基于形态学空间格局和景观连通性进行黄河流域生态源地识别;②从自然环境、人类活动和地物阻隔三方面构建流域综合阻力评价体系,并对黄河流域生态安全进行分级;③结合最小累积阻力模型进行黄河流域生态廊道提取及战略点识别.结果表明黄河流域生态源地斑块数量为 75 个,面积为 23.13 万km2,占流域总面积的 29.09%;流域高度安全区域面积为17.83 万km2、中度安全区域面积为 27.83 万km2、较低与低安全区域面积为 33.84 万km2,占流域总面积的比例分别为 22.43%、35.00%和 42.57%;流域具有 94 条生态廊道,平均长度为 37503 m,主要用地类型为草地和森林;流域生态战略点共有 12 个,主要分布于黄河流域东部,阻力值相对较高,容易成为影响黄河流域连通性的"瓶颈".最后探讨生态安全格局构建对黄河流域整体生态保护以及现有《黄河流域生态环境保护规划》的影响,并从利用水资源评估体系优化生态源地的识别、基于电路理论结合指示性物种的迁移优化生态廊道和战略点识别,提出未来黄河流域生态安全格局优化建议,以期为构建面向流域国土空间生态修复的黄河流域资源时空配置,提供评价与优化的策略和方法;同时也为协同推动黄河流域经济高质量发展和生态环境高水平保护,提供有效保证.

生态安全格局的构建有助于减缓生态系统退化和生物多样性丧失,对生物多样性保护具有重要意义.现有研究中生态源地识别的主观性较强且源地边界破碎,生态廊道对景观连通性的贡献程度也有待明确.因此,以宁夏沿黄河城市带为例,首先利用空间连续小波变换识别综合生态系统服务突变点,获取生态源地,进而基于电路模型评估功能连通性以提取生态廊道,最后量化生态廊道的连通贡献.结果显示,生态源地占研究区总面积的41.51％,其中草地占比83.27％.相比于直接提取综合生态系统服务高值区,基于空间连续小波变换识别的生态源地能较好的反映局地生态系统特征,并将景观形状指数和分形维数分别降低67.20％和8.06％,减少生态源地边缘长度从而受到外界干扰的可能性更小.生态廊道占研究区总面积的7.42％,是物种迁徙等生态过程的关键通道,有效地增强了区域景观连通性,将等效可能连通性指数和等效整体连通性指数分别提升41.76％和68.68％.生态安全格局主要位于研究区边界地段,整体呈两带分布,为宁夏沿黄河城市带阻挡周围的沙漠,保障中部的城市发展和粮食安全.然而,研究区范围内自然保护区仍存在较为严重的生态系统服务和功能连通的保护缺口.各区域的生态安全格局具备不同的生态功能,需要有针对性的差异化保护、修复与管理.

由于气候变化与人类活动的共同作用,青藏高原草地不断退化,草畜矛盾日趋严重,限制着高原畜牧业的可持续发展.夏季补饲可以加快牦牛生产速率、提高出栏率,减小草地放牧压力,是实现草地可持续发展的重要措施之一,但夏季补饲如何影响草地生态系统功能仍不明晰.以高寒草甸为研究对象,以牦牛为放牧实验家畜,设置夏季补饲放牧(FG)、传统重度放牧(TG)和禁牧(NG)3个放牧处理,每个处理设置3个重复.两年补饲试验后的结果表明:夏季补饲减缓传统放牧降低植物群落α多样性的趋势;夏季补饲与传统放牧均降低了植物群落生物量;传统放牧表层土壤pH和硝态氮均显著小于禁牧,但夏季补饲减弱了这些变化;夏季补饲显著降低了 20-30 cm 土层有机碳;夏季补饲增加了土壤表层磷含量.本研究表明夏季补饲放牧具有降低传统放牧压力的潜力,为保护和管理青藏高原高寒草甸生态系统提供重要的科学依据,并为改善牦牛的夏季饲养管理提供参考.