基于整体保护与系统治理思维识别西北干旱区国土空间生态修复优先区,是筑牢国家生态安全屏障、推进国土空间生态文明建设的重要举措.本研究以典型西北干旱区城市——张掖市为例,采用生态服务功能重要性、电路理论、生态敏感性及生态退化评估等方法从生态网络内部缺陷和外部威胁两方面构建"生态网络-生态敏感性-生态退化"研究框架,识别西北干旱区国土空间生态修复优先区,并提出修复策略.结果表明:张掖市生态修复优先区集中在生态脆弱且人类活动干扰强烈的河流沿岸人工防护林带及平原-荒漠-绿洲过渡带.研究区生态网络包括39个生态源地和99条生态廊道,高度敏感区和退化区面积分别为1595.40和6.65 km2.基于生态网络内部缺陷和外部威胁识别国土空间生态修复优先区31个生态夹点、7个障碍点及753.56 km2生态源地,这些区域向内关乎生态网络的连通,向外维持着生态系统稳定,是未来着重修复的区域.本研究遵循国土空间整体保护、系统修复理念,提出了综合生态网络内部缺陷和外部威胁的国土空间生态修复思路,可为张掖市生态系统综合管理及国土空间优化提供科学基础和决策依据.

基于野外样地调查数据,通过分析静态生命表、存活曲线、动态指数等参数,结合时间序列模型,研究了人工梭梭种群年龄结构动态,旨在预测人工梭梭种群演替趋势,为退化人工梭梭种群恢复与重建提供理论依据.结果表明:(1)民勤绿洲荒漠过渡带人工梭梭种群的年龄结构近似于"金字塔"型,幼龄林个体占总物种数的90.1％;(2)人工梭梭种群存活曲线趋近于Deevey-Ⅱ型,为稳定型种群.不同区域人工梭梭种群的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ龄级个体死亡率和消失率最高;(3)动态量化结果显示人工梭梭种群总体均表现为增长型,对外界干扰敏感性较强;(4)时间序列预测分析表明,在未来2、4个龄级时间后,种群Ⅱ、Ⅳ龄级个体数量大幅度增加,人工梭梭种群发展趋势较好.民勤绿洲荒漠过渡带人工梭梭种群为稳定增长型种群,种群具有一定的自然更新能力.针对该种群幼龄个体死亡率较高的问题,未来建议加强对第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ龄级幼株的精准抚育管理,通过人为辅助措施提高幼苗的保存率,促进人工梭梭林的可持续发展.

干旱区荒漠植被地上生物量是植被生长状况评价与荒漠化监测的重要指标.在乌兰布和沙漠东北缘的荒漠-绿洲过渡带选取典型区,基于地面调查数据构建主要植物种的异速生长方程,对样方内的植被地上生物量进行估算;基于样方调查数据和QuickBird影像数据,分别建立植被指数与人工固沙林和荒漠植被地上生物量的回归模型,并对研究区植被地上生物量进行估算.结果表明:植冠体积V是较好的预测变量,所得荒漠植物异速生长方程精度较高,能够满足样方内荒漠植被地上生物量估算需要;采用RVI对数模型估算人工固沙林地上生物量的效果最好(R2=0.72,RMSEP=56.15),采用RVI线性模型估算荒漠植被地上生物量的效果最好(R2=0.82,RMSEP=15.07);研究区内荒漠植被和人工固沙林的单位面积地上生物量分别为90.73g/m2和105.28g/m2.该研究可以为荒漠化监测和荒漠植被遥感信息提取提供参考.

应用Granier热扩散探针测定民勤绿洲荒漠过渡带梭梭人工林的树干液流,将液流与饱和水汽压差(VPD)和光合有效辐射(PAR)数据分别进行逐行错位分析,探讨树干液流与环境因子之间的时滞效应.结果表明:梭梭日液流速率呈现明显的季节变化,6月平均液流速率最大,8月平均液流速率最小.生长季(5-9月)梭梭树干液流与光合有效辐射、饱和水汽压差存在明显的时滞,树干液流滞后于PAR 80 min,提前于VPD 114 min,且不同月份的时滞长短存在差异.尽管梭梭树干液流在日尺度上更加依赖于PAR的变化,但在白天,树干液流与饱和水汽压差间有更紧密的关系.梭梭生长季树干液流与VPD或PAR之间的时滞与树形因子(袜高、地径、50 cm处直径、枝下高、冠幅)及夜间液流量的相关性均不显著.

荒漠绿洲过渡带是荒漠化和绿洲化两种地理过程共同影响的生态交错区,是恢复生态学重点关注的区域.利用第五次全国荒漠化和沙化监测数据,采用方差分析和冗余分析,研究了民勤荒漠绿洲过渡带4种不同荒漠化发展阶段的植被生态特征和土壤环境因子的变化规律与相互关系.结果表明:(1)随着荒漠化的发展,土壤环境因子中,除有效土层厚度逐渐变浅外,风蚀痕迹占地率、表土砾石含量、盐碱斑占地率和坡度均呈现增加的动态趋势;植被因子中,除优势种盖度与植被总盖度的比值逐步增加,物种丰富度、优势种多度等其他指标均表现出明显的下降特征;(2)土壤环境因子中,有效土层厚度在4种荒漠化阶段对植被生态特征的影响程度达显著水平(P＜0.05),风蚀痕迹占地率在轻度、中度和重度阶段是植被生态特征变化的主导驱动因子.其他因子在多数荒漠化阶段与植被生态特征相关性不显著;(3)相比其他荒漠化阶段,中度阶段中植被生态特征对土壤环境因子的响应更加敏感,应是荒漠化防治重点关注的阶段.

以塔克拉玛干沙漠南缘荒漠绿洲过渡带优势种骆驼刺为试验材料,研究正常光照(NL)、中度遮阴(MS)和重度遮阴(SS)3种不同遮阴环境对骆驼刺(Alhagi sparsifolia Shap.)叶厚、单叶面积、比叶面积、比叶质量等叶性状参数和相对含水量、水势、失水速率、气孔导度、蒸腾速率以及水分利用效率等水分生理参数的影响.结果显示:随着光照强度的降低,骆驼刺的叶片厚度(LT)、比叶质量(LMA)、净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和水分利用效率(WUE)明显降低,而单叶面积(LA)、比叶面积(SEA)、相对含水量(RWC)、失水速率(RWL)和水势(WP)明显升高;各叶性状参数与水分生理参数之间均有极显著的相关性.说明:骆驼刺在遮阴环境下,其叶性状特征主要通过单叶面积和单叶干物质积累的变化来响应遮阴环境;其水分生理特征主要是牺牲对水分胁迫具有较好抗逆性的水分生理特征并通过气孔调节和更多的水分消耗用于维持一定的光合能力来响应遮阴环境.叶性状与水分生理参数相关性分析表明,遮阴环境下骆驼刺叶性状变化主要通过影响RWL、WP、Tr和WUE进而影响其水分生理特征的变化.因此,建议可利用遮阴措施对极端干旱区荒漠植物骆驼刺进行植被恢复,但其遮光度应设置在70％-80％自然光之间.

在塔克拉玛干沙漠北缘荒漠绿洲过渡带设置1 hm2研究样地,应用相邻格子法进行每木调查,从径级结构、空间分布格局、生命表、存活曲线和时间序列等方面研究柽柳种群结构与空间格局动态及其形成机理.结果表明:荒漠绿洲过渡带柽柳群落结构简单、物种稀少,多为单优群落.柽柳种群径级与高度结构均呈纺锤型,属衰退型种群;存活数、期望寿命(ex)随径级增加而降低,存活曲线接近DeeveyⅡ型,小径级死亡率、消失率与高度级失稳率较高,未来小径级、大径级灌木数量分别随时间推移减少与显著增多,更新资源匮乏使种群走向衰败.柽柳种群空间格局总体上为聚集分布,幼苗、小径级灌木为聚集分布,中、大径级灌木则为随机分布;不同径级的空间格局随尺度变化明显不同,小径级与大径级灌木分别在＜3 m、＜13 m和17-36 m尺度内呈随机分布,其他尺度均呈聚集分布,而中等径级灌木在研究尺度内呈随机分布,这是其繁殖特性、种内竞争、生境异质性与生态适应的结果.小径级与中等径级灌木、小径级与大径级灌木空间关联性分别在≥9 m、7-47 m空间尺度上相互排斥,致使幼小径级生长发育受抑而影响种群稳定.种群多度分布与环境的多元统计分析表明土壤水分、氮素是限制柽柳种群生长、分布和造成种群更新困难、衰退的主要因子.

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.

蒸散是地表水热平衡的重要分量,也是陆地生态过程与水文过程之间的重要纽带,尤其在干旱区地-气相互作用、碳循环、水循环等过程所包含的物质与能量交换中占有极其重要的地位.基于Landsat 8遥感影像和资源三号影像(ZY3)的高分辨率植被信息,利用SEBS模型对西北干旱区河西走廊中段临泽绿洲北部区域地表蒸散量进行了估算,并用绿洲内部和绿洲-荒漠过渡带两个通量塔涡动相关数据对模型进行评估,分析了不同土地覆盖类型对蒸散量空间分布的影响.结果 表明:(1) SEBS模型模拟值与实测日蒸散值之间拟合效果较好,且在均一地表时(绿洲农田区)估算精度更高(R2=0.96,P＜0.001),RMSE、MAE分别为0.84 mm/d、0.56 mm/d;(2)从季节变化来看蒸散量与作物生长密切相关,夏季灌溉和降雨使得研究区水分充足,植被覆盖度高,蒸散量相应增加,在绿洲地区可达5.95 mm/d,而冬季最小仅为0.52 mm/d;(3)从蒸散量的空间变化来看,水体蒸散值最大,其余依次为农田、防护林、裸地和灌木丛,说明除水体外,随着植被覆盖的增大,蒸散量也逐渐增加.通过ZY3影像的高分辨率植被信息与Landsat 8影像热红外数据融合,提高了SEBS模型对该区域蒸散量的模拟效果,增进了我们对绿洲下垫面与大气间水热交换规律、水文过程、生态-水文相互作用的深入理解.

基于涡动相关系统观测的民勤绿洲荒漠过渡带梭梭人工林生态系统通量资料,定量分析了2018年生长季(5-10月)碳通量变化特征及其影响因子,为民勤梭梭人工林生态系统碳源/汇的评估提供基础数据.结果表明:生长季净碳交换量在日尺度上呈对称的“U”型曲线变化;在季节尺度上,呈双峰曲线变化规律,各月均为碳汇,总固碳量为34.38 g C·m-2,且9月固碳量较高,为12.31 g C·m-2,7月最低,为0.89 g C·m-2.白天生态系统净碳交换随光合有效辐射的增加而增加,符合直角双曲线关系,但当饱和水汽压差大于2.5 kPa时,增加程度减弱.生态系统呼吸与气温呈较好的指数关系,其温度敏感性系数为1.7.整个生长季期间,白天和夜间的净碳交换量均与土壤温度呈显著相关.