甘蓝型油菜(Brassica napus L.)是重要的油料作物之一,但是其种植效益在西北地区经常受到干旱等环境逆境的影响.脱落酸(abscisic acid,ABA)信号通路在植物对非生物胁迫的响应与耐受中具有重要作用,而ABFs/AREBs(ABA-responsive element binding factors/ABA-responsive element binding proteins)是调控 ABA 响应基因表达的核心转录因子.为了解析油菜响应逆境的关键转录因子,本研究首先对甘蓝型油菜转录因子BnaABI5(abscisic acid insensitive 5)进行了亚细胞定位、逆境响应及组织器官表达的检测、转录活性分析以及与激酶BnaMPKs(mitogen-activated protein kinases)的互作筛选.结果显示:BnaABI5-GFP融合蛋白定位于细胞核,该基因响应干旱逆境且主要在油菜的根中表达,并且在酵母体系中呈现出一定的转录激活活性;随后利用烟草瞬时表达体系发现BnaABI5能够激活靶标基因EM6(early methionine-labeled 6)的启动子活性.通过双分子荧光互补(bimolecular fluorescence complementation,BiFC)及酵母双杂交(yeast two-hybrid,Y2H)实验,发现 BnaABI5与BnaMPK6及BnaMPK13互作.本研究初步探索了转录因子BnaABI5的表达特征及与BnaMPKs的互作,对于深入理解BnaABI5的功能具有一定的指导意义.

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.

蓝水和绿水是淡水资源循环的两个组成部分,反映了人类活动和生态系统可利用水资源,用来评估区域水资源的安全状况,优化区域水资源管理.然而,目前对于同时揭示蓝绿水资源安全之间潜在联系的空间规律的研究还较为缺乏.地处西北内陆干旱区的黑河中游的生态环境保护和社会经济发展之间的用水矛盾日益加剧,导致水资源供需关系渐趋紧张,影响区域可持续发展.以黑河中游为研究区,采取多源地理数据,基于SWAT模型分析了黑河中游2000-2020年期间子流域尺度上蓝水和绿水资源的可用性,进而结合用水需求,定量评估了蓝水资源和绿水资源安全的时空变化.结果表明:(1)率定期和验证期R2与NSE均＞0.7,说明观测径流与模拟径流之间一致性较好,构建的SWAT模型在蓝绿水安全研究中较为可靠.(2)黑河中游的年平均绿水资源量是蓝水资源量的4倍,是该地区的主要水资源.从空间分布来看,蓝绿水资源的空间分布具有较大的差异性,蓝水资源大多分布于南部林草地和干流两侧的农田灌区,而绿水从南部向北部呈现递减趋势(2)由于水资源供给和需求的空间不匹配,蓝水资源的安全性较低,不安全地区位于中部农田集中区,而绿水资源安全性较高且整体较为稳定,空间差异不大.研究结果可为区域水资源持续管理提供参考.

陆地生态系统固碳是减缓大气CO2浓度升高的重要途径,了解气候变化下潜在自然植被生态系统碳储量(ECS)有利于区域土地管理政策的制定.该研究基于遗传算法对LPJ-GUESS模型的敏感参数进行校准,使用降尺度的气候数据驱动模型,结合Mann-Kendall趋势检验、Sen's斜率估计方法和偏相关分析法,分析2001-2100年中国ECS的时空格局、趋势变化特征及气候主导因子.结果表明:1)校准后的LPJ-GUESS模型模拟ECS的纳什效率系数和皮尔逊相关系数分别为0,751、0,901,表明LPJ-GUESS模型可以较好地模拟中国ECS.2)2001-2020年,中国潜在自然植被ECS由东南向西北递减,总量为156.06 Pg,其中植被、凋落物、土壤碳储量分别占34.2％、1.9％、63.8％.相比于2001-2020年,2081-2100年ECS具有相似的空间分布,ECS总量预计增加0.51-11.16 Pg;2001-2020年和2021-2100年,中国潜在自然植被ECS的增加速率分别为8.5 g·m-2·a-1、3.7-21.0 g·m-2·a-1.3)2021-2100年中国东南部、内蒙古高原、青藏高原等地区ECS显著增加(37-44g·m-2·a-1),云贵高原南部、两广丘陵等地区ECS显著减少(45-72g·n1-2·a-1).4)不同区域的气候主导因子不同:气温在中国西北地区主导ECS变化;受区域干旱程度影响,ECS与降水量的相关性由东南向西北递增;辐射在高纬度、高海拔地区主导ECS变化;在中国47.9％-56.1％的区域CO2浓度主导ECS变化.

荒漠草原区人工灌丛生态系统的总初级生产力(GPP)和蒸散(ET)如何响应全球气候变化,不仅是全球变化生态学研究的核心问题,也关乎干旱半干旱风沙区生态建设的可持续性.利用参数优化后的生物群区生物地球化学循环(Biome-BGC)模型和气象环境驱动数据,考虑不同气候变化情景和未来趋势,模拟了盐池荒漠草原区人工灌丛生态系统GPP和ET对气候变化的响应.结果表明:(1)增温会显著抑制生态系统的GPP,大幅度的增温(3℃)会导致GPP急剧下降,但增温对ET的抑制作用非常微弱;(2)降水是限制ET变化的重要因素,相对于增温诱发干旱胁迫所引起的ET小幅下降,降水多寡则更直接地控制着生态系统的ET大小;(3)中国西北地区未来气候的"暖湿化"趋势和大气CO2浓度升高会对荒漠草原区人工灌丛生态系统产生综合驱动效应,增强陆地和大气间的碳水交换通量.研究成果可为干旱半干旱区应对全球变化及指导地方政府制定生态保护修复政策提供科学依据.

为明确微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)在西北地区修复重金属污染土壤的最佳胶结轮次,针对西北强蒸发、高风蚀环境,选择宁夏回族自治区中卫市某铜银矿为研究区,开展了利用纺锤型赖氨酸芽孢杆菌(Lysinibacillus fusiformis)诱导碳酸钙沉淀的适宜菌剂量和菌剂喷施频次研究.采用纺锤型赖氨酸芽孢杆菌菌液(OD600=2.02)、尿素及氯化钙制成胶结液(分别胶结1～6次,以T1-T6表示,每次用量140 mL),针对研究区重金属尾矿土,探究不同胶结轮次对尾矿土重金属含量及赋存价态、理化指标的影响,利用XRD分析不同注浆轮次下尾矿土中碳酸钙晶体类型.结果表明:T4～T6尾矿土中Cr、As、Hg含量差异不显著(P＞0.05),T6时电导率、铵根离子、碳酸钙沉淀量最大(6271.67 μS·cm-1、15.45％、0.09μg·g-1),pH最小.T4时Cu与可还原态Cr、As和可氧化态Hg呈极显著负相关(P＜0.01),Cr与可还原态Cu、弱酸提取态Hg呈显著正相关(P＜0.05).尾矿土 pH及重金属总量均影响重金属赋存形态.综上,基于MICP技术探究胶结轮次对尾矿区重金属修复效果的影响,以重金属总量、有效形态及理化指标等因素为基础,综合考虑室外大规模修复治理的经济效益,发现4次胶结效果较好,为MICP技术高效治理修复干旱区土壤污染提供理论依据.

基于已知分布点和 20 个环境因子,该研究利用MaxEnt模型模拟在现在(1970-2000 年)气候条件和 2 种不同共享经济路径情景下(SSP1-2.6、SSP5-8.5)未来(2081-2100年)兜兰属(Paphiopedilum)植物的潜在分布格局,找出影响物种分布的环境因子.结果表明,兜兰属植物的最适宜分布区位于滇东南地区、贵州西南、广西西部、广东南部、海南北部.影响该属植物分布的主要环境因子是年降水量、年温度变化和最干旱季降水量.随着全球变暖,适生区有向北和西北方向扩张的趋势,逐渐往西北亚热带方向延伸.在SSP5-8.5的情景下,高适生区出现大幅度收缩.在未来气候情景下,不同种群的分布区变化规律并不一致,其分布格局响应气候变化的趋势也有所不同,因此该文针对分布区变化趋势不同的物种提出了不同的保护策略.

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.

了解陆地生态系统的脆弱性和基本机制是适应和减轻全球气候变化影响的决策基础.生态系统的脆弱性可以通过生产力对气候变化的敏感性和适应性进行量化.采用1982-2018年青海省境内基于遥感的现实净初级生产力(NPPR)和气候驱动的潜在净初级生产力(NPPC),量化了高寒生态系统的敏感性(Sensitivity)、适应性(Adaptability)和脆弱性(Vulnerability).然后探讨了生态系统脆弱性的时空变化,并分别从人类活动和气候变化的影响方面分析了其基本机制.结果表明:(1)基于NPPR和NPPC的生态系统脆弱性在空间上呈现出中度脆弱的模式,脆弱性从东南向西北由不脆弱依次递增到极度脆弱等级.(2)耕地的脆弱性较低,基于NPPR和 NPPC的指数分别为-1.31和-0.93,这是由于其适应水平较高而敏感性较低;森林次之,指数为-1.18(NPPR)和-1.06(NPPC);草原的指数为-0.17(NPPR)和-0.17(NPPC);而荒漠的脆弱性较高,指数为0.77(NPPR)和0.78(NPPC),这是由于其敏感性较高,适应性较低.(3)基于NPPR的高寒草地的脆弱性有两个温度阈值(-2.2±0.8)℃和(5.5± 0.8)℃,一个降水阈值(387±45.6)mm,两个干旱指数阈值为(14.2±20.2)和(78.2±20.2).而基于NPPC的脆弱性也发现了同样的阈值,并且数值相似.阈值表明最佳气候条件下,生态系统将具有较高的适应性和较低的敏感性,即较低的脆弱性.但如果气温较低或较高,或者降水较低,生态系统的脆弱性将会更高.(4)人类活动对东部地区生态系统的脆弱性产生了强烈的影响,但就整个青海省的生态系统而言,这些影响在区域平均水平上较小.这项研究表明,在高寒脆弱的生态系统中,气候条件决定了脆弱性在空间上的分布情况,这应该被视为生态保护决策的理论基础.此外,本研究发现的阈值将为生态系统生态学提供一个案例研究,并应在世界各地的脆弱生态系统中广泛探索.

贺兰山作为守护西北生态安全的最后一道屏障,既遏制了腾格里沙漠的东移,又削弱了西北寒流的侵扰,其植被功能对于维护区域气候变化和北方干旱荒漠带生态安全具有重要意义.以气象、NDVI和植被类型为输入数据,利用CASA模型模拟2000-2020年贺兰山地区NPP值并估算了该地区的植被固碳量,探讨了植被固碳功能的空间分异特征及其主要驱动因子.结果表明:(1)2000-2020年间贺兰山地区植被固碳量显著增加,植被固碳功能得到提升.空间上呈现四周低中间高、西部低东部高、南部低北部高的分布特征;(2)植被固碳量随海拔升高呈现先增后减的趋势,且东西坡差异明显;随着坡度的增加,东西坡植被单位面积固碳量增加;(3)研究区温度、降水及潜在蒸散发对植被固碳的驱动能力有差异性,其中降水为主要驱动因子;贺兰山大部分土地利用类型转换对植被固碳功能的提升有促进作用.本研究以期为贺兰山地区的生态建设提供科学参考.