新疆是我国西部生态环境问题比较突出的区域,开展生态状况调查评估、及时掌握生态质量状况及其变化特征是环境保护的一个研究重点.以遥感数据为基础,根据构建垂直干旱指数(Perpendicular Drought Index,PDI)的思想,改变土壤基线所经过的原点,提出表征土壤湿度的垂直湿度指数(Perpendicular Moisture Index,PMI).基于代表绿度的垂直植被指数(Perpendicular Vegetation Index,PVI)、代表湿度的垂直湿度指数PMI和代表热度的地表温度(Land Surface Temperature,LST),利用空间几何原理创建了植被-湿度-温度生态指数(Vegetation-Moisture-Temperature Ecological Index,VMTEI).利用MODIS数据计算了新疆2000-2018年的VMTEI,并进行趋势分析.结果 表明:VMTEI集成了植被、湿度和热度的信息,能很好地反映新疆生态质量的空间分布和时间变化趋势.新疆生态质量状况总体空间分布格局变化不大,与植被分布特征比较一致,呈现出纬向伸展的变化,不同生态系统VMTEI均值差异明显,湿地生态系统生态质量状态最好,VMTEI均值为0.43左右,其次为森林生态系统;最差的是荒漠生态系统,VMTEI仅为0.28.近20年来,新疆生态状况总体上得到改善,其中,生态状况明显改善的区域占2.332％,主要集中在塔里木河干流、伊犁河、额敏河和天山北坡绿洲经济带,以农田、聚落生态系统为主,主要原因为三北防护林建设、风沙治理、城市绿地面积增加造成的生态质量状况改善;生态状况严重退化的区域占0.430％,主要集中在塔克拉玛干沙漠外围、博斯腾湖、艾比湖以及零星分布于新疆的不同地区,以湿地生态系统为主,主要由于人为因素和气候变化造成平原湖泊以及部分水库的生态退化.

中国阿勒泰地区位于新疆北部,与哈萨克斯坦、俄罗斯、蒙古国交界,该区包含阿尔泰山及山前荒漠和绿洲,属于全球200个生物多样性最丰富和最具代表性生态区之一的阿尔泰-萨彦岭生物热点地区.阿勒泰地区生境多样,鸟类物种资源丰富.尽管以往曾在阿勒泰地区进行过一些鸟类调查,但对于该地区不同景观和生境类型中鸟类物种丰富度和分布尚无详尽报道.本文通过2013-2016年在中国境内阿尔泰山及山前平原地区对不同生境类型中的鸟类进行实地调查,并总结文献资料及观鸟爱好者的记录数据,重新整理了阿勒泰地区鸟类名录及地理分布,分析了鸟类的物种组成、区系成分;通过鸟类分布位点数据,选取气候、土地覆被类型、人类足迹指数及地形共4类环境因子作为自变量建立MaxEnt生态位模型,通过模拟77种鸟类的适宜分布区并叠加分布图层,获得了阿勒泰地区的鸟类物种丰富度分布格局.结果 表明:阿勒泰共记录鸟类344种,隶属19目55科149属,其中雀形目163种.在垂直海拔带上,鸟类物种数分别为高山裸岩带24种,高山草甸带35种,山地森林草原带172种,低山灌木带130种,荒漠草原带84种,平原绿洲带173种,以及各海拔带的湿地与水域生境中水鸟92种;在区系成分上,以北方型鸟类为主(170种,占49.4％),其次为广布种(93种,占27.0％).阿尔泰山地的鸟类区系呈现出西伯利亚动物区系特征,山前平原地区呈现蒙新区分布特征,因此,阿勒泰地区动物地理区系属于古北界欧洲-西伯利亚亚界阿尔泰-萨彦岭区阿尔泰亚区;山前平原地区属于古北界中亚亚界蒙新区西部荒漠亚区.MaxEnt模型推测阿勒泰地区山前平原绿洲地区、山地森林草原带和低山灌木带具有较高的鸟类物种丰富度,尤其是额尔齐斯河流域下游的绿洲带宽阔,鸟类物种丰富,而高山区和荒漠生境中鸟类物种相对较少.模型预测的结果与实际调查情况相符.阿勒泰地区应采用生态友好的经济发展策略,加强对乔木和灌木的保护,这有助于维持较高的鸟类物种多样性.此外,降低生境破碎化不仅对该地区物种保护有重要作用,也对维持阿尔泰-萨彦岭生物热点地区的山地鸟类多样性有重要意义.

地表水分、溶质和污染物以土壤优先流的形式下渗到深层土壤或地下水中,将导致土壤养分流失与地下水污染等问题.因此,土壤优先流研究将为干旱区荒漠绿洲湿地水分运移与盐分积累过程提供理论依据.以荒漠绿洲湿地为研究区,选取柽柳灌丛、盐碱草地和杨树林,以道路为对照,采用室外染色示踪法对湿地土壤优先流特征与水分入渗进行研究.结果 表明:不同植被类型土壤优先流入渗深度存在显著差异,其柽柳灌丛和盐碱草地几乎是杨树林和道的2倍;染色面积比随深度的增加而波动下降,0-20 cm土层染色面积比占总染色面积的54.42％-89.27％;染色路径宽度以20-250 mm和＞250 mm为主;优先流类型以高相互作用混合流和非均质指流为主.在荒漠绿洲湿地,砾石促进土壤优先流发生,增加了侧向流;同时,粗根的减少抑制了优先流的发生;此外,土壤盐分通过影响土壤大孔隙分布而影响水分入渗过程.因此,荒漠绿洲湿地土壤优先流与水分入渗差异是土壤质地、根系分布与盐分离子共同作用的结果.

根系分形结构是植物根系构型应对环境异质性的表型可塑性,可反映植物对生长环境的适应结果.在黑河中游的金塔北海子国家湿地公园,按照立地条件选择丘间低地、缓平沙坡和坡顶平地3种生境类型,采用全根挖掘和Win-RHIZO根系分析仪相结合的方法,研究了绿洲荒漠交错带一年生植物沙蓬(Agriophyllum squarrosum)的根系分形结构.结果 表明:从丘间低地到坡顶平地植被群落的高度、盖度、地上生物量、土壤含水量、紧实度和土壤容重逐渐减小,沙蓬根系分形维数呈减小趋势,而根系分形丰度呈增大趋势;不同立地条件下沙蓬根系分形维数和分形丰度间呈负相关关系,沙蓬根系分形维数与分形丰度在丘间低地和坡顶平地均存在极显著负相关关系(P＜0.01),在缓平沙坡样地呈显著负相关关系(P＜0.05).沙蓬根系分形维数和分形丰度间“此消彼长”的权衡关系,体现了沙生植物应对生境胁迫的表型可塑性机制.

生态系统分类制图是理解生态系统时空格局和支撑生态系统分类管理的基础.研究以反映生态系统主导服务功能和人类干预强度为主线,构建了包括9个一级和25个二级类的生态系统分类体系,集成土地利用、气候、地形、植被、土壤、居民点分布等多源数据,开展了2000和2020年中国陆地生态系统的分类制图,并对其类型、结构、格局及时空变化特征进行了分析.结果表明:近20年,我国城镇生态系统扩张1.1倍,64.51％来自耕种生态系统.耕种生态系统缩减0.88万km2,其中水田和旱田分别减少0.60万km2和2.09万km2,但绿洲扩张1.81万km2.受退耕还林还草影响,农牧和农林混合生态系统分别减少2.88万km2和0.92万km2,林地生态系统增加1.61万km2.水域湿地生态系统增加0.31万km2,70％源自沼泽生态系统的扩张,尤其是青藏高原水域湿地,受气候变暖影响扩张明显.气候暖湿化促使部分干旱荒漠和冰冻寒漠生态系统的盖度增加,使牧草地生态系统增加9.97万km2,而干旱荒漠和冰冻寒漠生态系统分别减少14.98万km2和0.92万km2.我国生态系统变化导致整体景观的连接性下降、破碎度增加、类型多样性增加,斑块间生态过程的阻碍增强.我国生态状况明显改善,92.06％的区域NDVI增加,平均NDVI增幅为0.74％/a,其中农牧和农林混合生态系统NDVI增幅最显著,分别为1.26％/a和0.85％/a.该分类方案与制图结果突出了生态系统结构、生态环境风险和生产力的差异,可为宏观尺度的生态系统管理提供科学支撑.

探讨土地利用变化及其对生态服务功能价值影响,是促进流域生态环境保护和资源合理配置的重要理论依据和决策支持.采用改进的生态系统服务价值评估、热点分析等方法探究了博斯腾湖流域1995-2018年土地利用变化与生态系统服务价值时空(ESV)演变.结果表明:(1)流域旱地、建设用地面积持续增加;荒漠、草甸、湿地、水域、灌木面积呈现波动增长趋势;裸地、草原、冰川积雪、阔叶、针叶面积呈现波动下降趋势.(2)流域23年间ESV呈减小—增大—减小—增大的波动增大趋势,调节服务和支持服务构成流域ESV主体.水域、草甸和草原是流域ESV变化主要的贡献因子和敏感因子,其中水域和草甸为正向贡献因子;草原为负向贡献因子.(3)流域ESV总体空间分布呈"北偏高,南偏低",唯一高值集聚区(博斯腾湖)点缀在低值区的格局,ESV南北空间差异明显;研究区年平均湿地和水域面积之和仅占总面积的3.61％,主导着整个流域生态系统服务价值的变化,是流域环境保护和生态建设的重心.(4)流域生态系统服务价值热点区域变化不大,冷点区域面积大且呈缩减趋势.流域北部的ESV空间演变较为显著,其原因是荒漠和裸地、草原和草甸等自然生态系统转换频繁.研究区南部的绿洲区的扩张使得局部冷点区转为次冷点区.

生态系统服务的状态与生态是否安全密切相关,生态系统服务的正常发挥是实现生态安全的前提.近年来,中国西北荒漠-绿洲扩张速度加快,改变了生态系统服务的供给与传输,进而影响了区域生态安全.以典型荒漠-绿洲区域黑河中游的张掖市为例,基于压力-状态-响应模型,耦合生态系统服务理论,构建了黑河中游生态安全评价指标体系,评估了2001-2015年黑河中游生态安全演变趋势.研究结果表明黑河中游生态系统面临的资源消耗和环境污染压力越来越大,压力指数有所降低;部分地区出现植被退化、破碎化增加等现象,状态指数略有降低;在实施节水灌溉、产业转移、湿地保护等举措后,响应指数显著增加.总体来看,2001-2015年黑河中游生态安全水平呈现波动增长趋势,生态安全综合指数由0.3748增至0.5888,生态安全等级由"较不安全"达到"临界安全"状态,其中高效节水灌溉面积、生态用水量、地下水开采率等水资源相关要素是影响绿洲生态安全水平的主要因子.基于以上研究,提出了坚持生态保护优先、调整种植和产业结构、发展高效节水灌溉技术、提高公众生态保护意识等提高生态安全水平的相关对策与建议,以期为促进区域生态经济可持续发展提供支撑.

生态系统的脆弱性是全球气候变化与可持续发展研究的核心问题,测定与评价脆弱性对认识生态系统的结构与功能至关重要.天山-塔里木绿洲地区包含着山地、荒漠和绿洲等多种类型的生态系统,存在着多个不同生态类型的交界过渡区.为定量评价该地区生态脆弱性,以植被总初级生产力这一生态系统重要的功能性指标为基础,对该地区生态系统脆弱性进行了计算和分级(不脆弱、轻度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和极度脆弱),并对研究区生态系统脆弱性的空间分布特征及其与环境因子的关系进行了分析与讨论.结果表明:(1)研究区生态系统脆弱性总体上表现出明显的空间分化格局,以中度和重度脆弱为主,极度脆弱的地区主要分布在南部的塔里木绿洲.(2)生态系统脆弱等级大体上随着区域内多年平均温度的升高而升高.受地表水灌溉的影响,生态系统脆弱性与降水量间并无明显趋势性规律.(3)研究区的生态系统脆弱等级随着区域内的平均海拔以及平均坡度的升高都呈现下降的趋势.受自然条件恶劣、过度放牧以及农田过度开垦的影响,目前该地区总体呈现脆弱性严重的状态.研究表明该地区应积极开展生态治理工作,合理规划生态功能关键区,保护好现有草原和湿地等易开垦地区,划定绿洲开发范围的"红线",限制农田的开垦,协调好塔里木河流域的水资源分配.研究为使用卫星遥感数据研究生态系统脆弱性提供了方法上的参考,为可持续发展和生态治理提供了科学依据.

水分利用效率(WUE)是叶片通过光合作用调节水分生理过程的指标,是联系生态系统碳循环与水循环关系的关键,反映了植被生态系统对立地环境快速调整和资源的变化适应策略.基于卫星遥感和地面观测数据,利用光能利用率模型和蒸散发经验估算模型,模拟石羊河流域2000-2019年植被总初级生产力(GPP)和蒸散发(ET)数据,估算2000-2019年不同植被类型的WUE空间分布特征,研究GPP/ET/WUE与饱和水汽压差(VPD)的相关性,探讨干旱区不同类型植被对水分利用及胁迫的适应策略.结果表明:(1)2000-2019年石羊河流域植被WUE、GPP和ET的平均值分别为0.80 gC m-2 mm-1、256.52 gC/m2和302.52 mm,其三者的空间分布特征表现为"南高北低",即由流域源头至下游逐渐减少的空间分布.(2)近20年内,流域内WUE、GPP和ET的变化率的平均值分别为0.017 gC m-2 mm-1 a-1,6.99 gC m-2 a-1和3.80 mm/a,流域总体呈现波动上升的趋势,但城区和民勤耕地-荒漠交接区呈不同程度的减少趋势.(3)流域内不同类型植被的WUE平均值关系为:森林＞农作物＞草地＞灌丛＞荒漠植被＞湿地植被,WUE增加速度的平均值关系为:农作物＞森林＞草地＞灌丛＞荒漠植被＞湿地植被,与GPP基本一致,其中ET在灌丛、荒漠植被、湿地植被地区呈现降低趋势.(4)研究区内GPP/ET/WUE与VPD相关性的空间分布特征与石羊河径流方向具有高度一致性,WUE与VPD相关性分布特征受土地利用以及径流方向影响显著.WUE与VPD呈正相关的区域主要分布在河西走廊绿洲东部和荒漠区东部,呈负相关区域主要分布在祁连山高海拔地区、河西走廊绿洲中部和荒漠区西部.因此,正确揭示内陆河植被GPP/ET/WUE的空间分异以及变化趋势及其对驱动因素VPD的响应,是了解流域尺度中干旱区植被对全球干旱加剧的适应性策略前提,进而为生态保护提供决策服务.