生态系统水分利用效率(WUE)是表征碳水耦合过程的关键指标,然而,有关气候变化和退耕还林还草工程背景下黄土高原WUE的时空变化特征及其主导因子仍未明晰.研究利用遥感驱动的生态系统过程模型BEPS模拟2001-2020年黄土高原总初级生产力(GPP)和蒸散(ET),并结合基于敏感性试验的多控制因子联立求解方法定量分析气候和植被因子对黄土高原WUE变化(WUE=GPP/ET)的贡献.结果表明:(1)2001-2020年黄土高原GPP和ET分别以12.9 gC m-2 a-1和3.7 mm/a速率显著升高,并使得WUE增长显著(0.021 gC mm-1 m-2 a-1).(2)2001-2020年间黄土高原80.12％的区域叶面积指数(LAI)显著升高(全区增速为0.014 m2 m-2 a-1)而气候因子变化均不显著.(3)植被因子和气候因子对WUE变化分别呈正贡献和负贡献,植被因子作为主要影响因子主导了黄土高原86.74％地区的WUE变化.研究结果有望为干旱区生态水文管理和相关政策制定提供一定科学参考.

集中连片特困地区作为我国生态环境脆弱区是退耕还林还草的主战场,其退耕成效直接反映了退耕还林还草工程的整体实施效果,为新征程中巩固和拓展退耕还林还草成果提供经验镜鉴.以《中国农村扶贫开发纲要(2011-2020 年)》文件明确的14 个集中连片特困地区作为研究区域,基于 2000-2020 年生态系统年总初级生产力(AGPP)数据集和归一化植被指数(NDVI)数据集,对比分析集中连片特困区的退耕区和未退耕区AGPP和NDVI的年际变化差异,以此来评估集中连片特困地区实施退耕还林还草工程的生态效应.研究发现:(1)2000-2020 年,集中连片特困区退耕还林还草面积为 178554km2,占2000 年耕地总面积的 44.71%;(2)研究期内,退耕区与未退耕区AGPP 和NDVI整体表现出增长趋势,其中退耕区AGPP 和NDVI呈现极显著和显著上升趋势的面积分别占总面积的 69.07%和 86.51%,未退耕区的占比分别为 65.88%和 72.61%,且退耕区AGPP和NDVI的年均值和相对变化率均高于未退耕区;(3)2000-2020 年整个区域、退耕区以及未退耕区AGPP 和NDVI年际变化趋势大体一致,均表现出线性递增态势,且退耕区AGPP和NDVI的增长始终高于整个集中连片特困区和未退耕区.因此,研究通过探讨原集中连片特困区退耕还林还草对AGPP和NDVI的影响,为进一步调整和优化退耕还林还草政策提供了参考依据.

理解植被对气候变化的响应对于预测未来生态系统过程和制定应对策略至关重要.本研究采用地理探测器和地理加权回归等方法,探讨了 2002-2019年黄土高原不同植被类型主要生长期(4-10月)归一化植被指数(NDVI)变化的空间格局及其与气象因子的关系.结果表明:受退耕还林还草生态工程影响,黄土高原植被得到显著改善,其中草原和荒漠植被由于生境容易受到外界环境影响,NDVI呈不稳定状态,且在夏季最不稳定;日照时数的增加间接导致降水减少,产生较强的光抑制效应,造成日照时数变异系数对黄土高原生长期植被NDVI空间变化的解释力最大(0.124),黄土高原西北干旱区的荒漠受海拔影响,气压低,水汽蒸发量大,抑制植物叶片进行光合作用,与生长期植被变化呈正相关;荒漠区夏季降水量突增,植被对气温变化的响应减缓,出现NDVI变化对气温变化响应的滞后性;在8-10月,阔叶林高的植被覆盖度对水分胁迫的敏感性降低,产生对降水因子的滞后响应.

宁夏南部山区是黄土高原的典型代表区域,其生态环境极其脆弱.退耕还林还草工程营造的大面积纯林出现可利用养分不足、生物多样性下降等问题,而营造混交林被认为是提高人工林生态效益的有效途径.本研究以宁南山区刺槐+云杉混交林、刺槐+山杏混交林、刺槐纯林、山杏纯林为对象,基于植物生态化学计量学理论与方法,通过测定植物叶片、凋落物和细根的C、N、P含量,揭示不同人工林的养分循环特征.结果表明:4种林型中各树种的叶片生态化学计量特征具有显著差异,刺槐+云杉混交林中云杉叶片C含量最高,刺槐+山杏混交林中刺槐叶片N、P含量最高,混交林中刺槐和山杏叶片N含量显著高于各自纯林.刺槐纯林与其混交林之间的凋落物量以及凋落物C、N、P含量及化学计量比均无显著差异;山杏纯林凋落物量显著高于混交林,而凋落物C含量显著低于混交林.4种林型的细根生物量均随土层深度增加而下降,其中,刺槐+山杏混交林的总细根生物量最高,刺槐+山杏混交林的细根N含量和N∶P值高于刺槐纯林和山杏纯林.刺槐+山杏混交林叶片与细根间N含量呈显著负相关;刺槐+云杉混交林叶片与凋落物间N含量呈显著负相关,叶片与细根间P含量呈显著正相关;山杏纯林凋落物与细根间P含量呈显著负相关.宁南山区混交林养分模式优于纯林,刺槐+山杏的混交造林模式最佳,混交造林在一定程度上降低了元素对植物生长的限制作用.

生态系统健康是生态环境治理的目标,探究国家级生态修复项目退耕还林(草)工程对中国北方农牧交错带生态系统健康的影响,确定合理的生态环境恢复和资源管理策略,有助于加快生态环境建设、促进区域可持续发展.基于"压力-状态-响应"(PSR)模型,构建起一套包括自然、社会和经济等方面的综合指标体系,评估了 2000年、2005年、2010年和2015年中国北方农牧交错带的生态系统健康水平,利用Moran's Ⅰ分析退耕还林(草)工程和区域生态系统健康的空间相关性,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中,选择最优回归模型,揭示退耕还林还草实施强度变化(ΔNDVI)对生态系统健康变化(ΔEHI)的影响机制.结果表明:(1)2000-2015年,中国北方农牧交错带的生态系统健康指数呈现"先下降后上升"的变化趋势,区域整体处于亚健康状态和一般健康状态,健康状况逐渐转好.(2)全局双变量Moran's Ⅰ结果显示,在2000-2010年工程的开始和发展阶段,退耕还林(草)工程对生态系统健康呈现正相关影响关系,而2010-2015年间,两者之间变为负相关关系.(3)多种回归模型相比较,GTWR模型表现最优.在2000-2010年间,退耕还林(草)工程对研究区域东北部生态系统健康变化具有显著正向影响,在2010-2015年间,该区域由正向驱动变为负向驱动;中部地区则一直保持正向驱动;西南部地区则呈现"负向驱动—正向驱动—负向驱动"的波动变化情况.

为了评价退耕还林的实施效果以及榆林地区生态环境变化,利用MODIS NDVI数据,采用最大值合成法,基于GIS平台,研究榆林地区2000-2014年植被覆盖的时空变化.结果表明:2000-2014年,榆林黄土丘陵沟壑地区NDVI高于风沙滩地区,前者植被覆盖好于后者;15年来,榆林植被覆盖状况总体得到改善,改善面积占90.7％,退化面积仅占1.0％,未变化面积占8.3％.黄土丘陵沟壑区植被改善面积达94.2％,以中度改善为主;坡地植被改善面积达80％以上,7°～35°坡度上植被明显改善的面积达51％以上,退耕还林还草取得了明显的效果.

刺槐是黄土高原广泛栽植的水土保持树种,然而人工刺槐林的树木个体生长衰退已经成为该区域开展植被恢复建设、实现森林可持续经营所面临的重大生态环境问题之一.目前人工刺槐林生长衰退的定义、界定标准、量化指标尚未形成统一标准.探讨刺槐生长衰退的机理不仅是植被恢复的理论基础,也是退耕还林还草工程持续开展的直接需求,具有实际价值和研究意义.通过汇集相关研究文献,综合国际和黄土高原关于森林生长衰退、死亡率增加的研究,从生态学(气候变化、土壤干化、群落结构失调、森林经营管理不当)和树木生理学(水力学故障、碳饥饿、遗传及分子调节)两个角度概述了黄土高原人工刺槐林生长衰退的机制以及取得的研究进展.最后提出黄土高原人工刺槐林生长衰退研究的不足,并对未来研究进行展望.

为了探明云南省元阳县植被净初级生产力(NPP)的变化特征及其驱动机制,本研究基于光能利用率模型(CASA)和MODIS传感器获得的NDVI数据,模拟了元阳县2005-2015年植被NPP的时空分布,并分析了NPP与气候、土地覆盖等影响因子的相关性.结果表明:2005-2015年元阳县NPP空间分布差异明显,基本特点是南高北低、西高东低,沿东北向西南逐渐递增,年均值约380.57gC·m-2·a-1,不同土地覆盖类型的植被NPP也分异明显;元阳县NPP月际及年际变化特征显著,年内太阳辐射的分布不均较之于降水的分布不均对NPP的影响更大,年际间NPP总体呈现小幅波动增长趋势,波动幅度为0～37 gC·m-2·a-1,年净初级生产量整体小幅增加,年增速为29600 kg C·a-1,随着退耕还林和退耕还草工程的实施,导致NPP在200～300 gC·m-2·a-1的耕地区域面积呈减小趋势,在300～400 g C·m1·a-1的林地、草地区域面积呈增加趋势;元阳县不同区域的NPP变化趋势可分为显著增加(P＜0.01)、轻度增加(P＜0.05)、无明显变化(P≥0.05),其中29.5％的区域显著增加,16.3％的区域轻度增加,不同植被分区的NPP增加趋势不尽相同,各植被区NPP显著增加的面积比例依次为58.1％(林地)、19.2％(草地)、17.4％(耕地)、11.4％(建筑用地)、8％(园地);通过NPP与气候、土地覆盖等影响因子的相关性分析,发现县域NPP的变化受自然和人为因素共同影响.各气候因子中,温度和太阳辐射与NPP的相关性高于降水,NPP的大范围显著增长是热量及能量耦合作用的结果;受元阳县林区植被特性及退耕还林还草等人为活动的综合影响,林地植被NPP季节波动性幅度最高,是元阳县NPP变化显著的主要土地覆盖类型.本研究可为该区域合理的土地利用、资源管理及生态环境建设提供参考.

基于定点回顾实验设计,通过对比分析2005年初(退耕还林还草初期)和2014年底典型喀斯特峰丛洼地小流域土壤碳氮格局变化,探讨石漠化治理工程实施后,植被恢复对土壤碳氮积累和碳氮空间格局的影响.研究结果发现:退耕还林还草10a后,示范区土壤有机碳(SOC)含量显著增加1.3g/kg,但土壤全氮含量无显著变化;就空间格局而言,退耕还林还草初期土壤碳氮高值聚类区主要分布在坡脚旱地和荒地(荒草)类型区,退耕还林还草10a后其高值聚类区主要分布在荒地(灌丛和荒草)类型区,而10a前后土壤碳氮的低值聚类区始终分布在洼地旱地类型区;2005年和2014年土壤有机碳半变异函数的拟合模型相同,均为球状模型,在退耕还林还草10a后空间异质性增强,土壤有机碳的空间格局受土壤母质和植被结构的影响增强;而土壤全氮半变异函数的拟合模型不同,由指数模型变为球状模型,在退耕还林还草10a后空间异质性减弱,土壤全氮的空间格局受随机因素影响增强.研究结果对石漠化区域土地利用结构的优化调整具有重要的科学参考和实践指导意义.

2000年以来,国家在中国西南喀斯特地区开展一系列生态治理工程,该地区退化生态系统得到一定程度的恢复,而2008年开展石漠化综合治理工程以来该地区的植被覆盖和生产力如何变化尚不清楚.本研究利用遥感增强型植被指数(EVI)和总初级生产力(GPP)数据,研究2000-2015年西南喀斯特地区植被EVI年均值和GPP年总量的时空变化特征,重点探讨2008年以来石漠化综合治理工程、气候变化等因素对植被覆盖及生长的影响,进而评估石漠化综合治理工程的成效.结果表明,2000-2015年西南喀斯特地区植被EVI总体显著增加,其中2008-2015年植被EVI均值和变化率分别比2000-2007年高6.9％和85.7％,EVI显著增加的区域占西南喀斯特地区的13.4％;该区域GPP年总量亦呈显著增加趋势(20.58 gC m-2 a-1).2008-2015年气温和降水对植被EVI变化趋势的贡献仅占28.3％,退耕还林还草等生态恢复措施、大气CO2浓度、大气氮沉降的增加可能是该区域植被覆盖显著增加的主要贡献因子.在100个首批石漠化综合治理试点县中,大部分试点县植被EVI的变化趋势受非气候因子的影响,其中治理面积大的县受非气候因子的影响显著高于治理面积小的县,表明石漠化综合治理工程的实施有效地促进了试点县植被覆盖的增加.