探究不同结构特征的防护林带的风速流场及空气动力学特征,对合理配置防护林带、减轻风沙灾害具有重要意义.本研究将树冠假设为多孔介质,以总高度(H)为7 m、冠层高度为5.8 m、冠层底部宽度为2 m的日本"築地松"林带为例,考虑5种林带断面形状(矩形、迎风直角三角形、背风直角三角形、等腰三角形和抛物线形)和4种布置形式(单条林带、L型林网、U型林网和矩型林网),采用大涡模拟(LES)湍流模型进行计算流体力学(CFD)数值模拟,揭示不同结构特征的防护林带的平均风速流场及湍流结构,研究林带断面形状和布置形式对防护林带防护距离及防护面积等防风效应指标的影响.结果表明:数值模拟与野外实测得到的不同高度处的平均风速和湍动能的平均相对误差较小,分别为5.5％和12％,多孔介质冠层模型可成功再现林带背风区的平均风速和湍动能.矩形断面林带冠层体积最大,对气流的阻碍作用最显著,在靠近林带附近的背风区中上部(z≥0.5H,z表示高度)区域,平均风速和湍动能显著降低,防护范围最大;抛物线形断面林带的防护范围其次;断面形状呈迎风直角、背风直角和等腰三角形的林带再次.在林带下游水平距离(x)≥10H的区域,不同断面形状林带的平均风速和湍动能趋于相同.对比单条林带、L型、U型和矩型林网的流场结构特征发现,与来流风速垂直方向的林带越多,林带冠层后的风速衰减越明显,气流需要更长的距离方可恢复至来流风速,而与来流风速方向平行的防护林带的防风效应极为有限,因而,U型和矩型林网比单条林带和L型林网的防风效应更显著.研究结果可为防护林带的结构配置与优化布局提供参考.

乌兰布和沙漠东北段的防护林是保护东部河套平原农业生产的重要生态屏障,由于对人工造林研究缺乏重视,许多防护林体系中的林分有一定的衰退趋势.研究乡土树种人工栽培后的生态适应性,是指导人工防护林建设和可持续经营的重要举措.为了深入探究乌兰布和沙漠乡土树种人工栽培后的生态适应性,本文以 3种乡 土树种沙冬青(Ammopiptathus mongolicus)、霸王(Zygophyllum xanthoxylon)和蒙古扁桃(Prunus mongoli-ca)为研究对象,通过测定功能性叶片表皮形态、解剖结构、生理指标,结合当地气象数据,阐释3种植物对沙漠环境的适应机制.结果表明:3种植物分别以不同方式适应沙漠环境.沙冬青通过增大叶面积来增加受光面积、提高光合效率,利用密集的表皮毛和发达的角质层强化叶片机械防御能力,降低强光灼伤及水分蒸腾,维持细胞水分平衡,从而降低细胞膜脂过氧化.蒙古扁桃叶片簇生,通过增加叶片数量增加受光面积、提高光合效率,通过卷曲叶片躲避强光灼伤,通过特化气孔位置(将气孔全部分布于叶片下表面),利用发达的维管束、丰富的黏液细胞和晶体结构来降低水分蒸腾,维持细胞水分平衡,从而降低细胞膜脂过氧化.霸王叶片呈圆柱状条形结构,通过降低风阻,降低叶片遭受风沙流危害的概率,通过生理代谢调节提高叶片抗氧化物酶活性和渗透调节物质含量,维持细胞水分和活性氧代谢平衡.这些发现揭示了 3种植物在应对荒漠环境时所采取的不同的适应策略,为乌兰布和沙漠东北部乡土树种的引种驯化提供了新思路.

东北作为我国重要农产品基地,其黑土有机质含量可达普通土壤的十倍.近年来由于过度的开发与利用,导致黑土质量下降,因此研究农田防护林对土壤质量的改善具有战略意义.为探讨农田防护林对黑土质量的改善效果,以不同林龄(Y1:林龄是1 a的小黑杨;Y5:林龄是5 a的小黑杨;Y6:林龄是6 a的小黑杨;Y8:林龄是8 a的小黑杨)小黑杨林下土壤为研究对象,通过测定小黑杨防护林样地的土壤理化性质,分析不同林龄小黑杨林下土壤理化性质的差异,并通过最小数据集方法对林下土壤质量进行评价.结果显示:(1)不同林龄土壤质地为:Y1:砂质土壤;Y5:壤土;Y6:粉砂质土壤;Y8:粉砂质土壤.(2)土壤透气保水性随林龄增长向良性方向演化,表层土壤容重由1.33 g/cm3减小到1.17 g/cm3,不同土层间差异不显著,且土壤物理指标与树木生长量及其他土壤因子具有较强的相关性.(3)土壤pH随林龄减小,随土层呈波动性变化,范围在6.19-6.58之间.土壤养分随林龄呈波动性变化,垂直变化差异显著,除速效钾外均富集在表层,各土壤养分元素之间相关性较弱.(4)土壤微量元素有效态含量在不同林龄及土层均差异显著,且各元素之间相关性较强.(5)基于最小数据集的构建发现,影响不同林龄小黑杨土壤质量的最小数据集指标包括全氮、全钾、饱和持水量、速效磷、钙、锰,经总数据集验证所构建的最小数据集可体现小黑杨林下土壤质量有效信息.(6)小黑杨不同林龄土壤质量指数介于0.358-0.667,土壤质量综合得分排名为Y8＞Y6＞Y5＞Y1.基于以上发现,小黑杨作为农田防护林对黑土区土壤质量改善效果明显,土壤保水透气性显著提升,土壤化学养分及微量元素含量部分提高,且不同林龄小黑杨对养分的循环利用效果差异显著.为实现黑土资源的合理利用,本研究建议随防护林林龄增加,更改林下套种作物以提高土壤质量及作物产量,为幼龄防护林对黑土区耕地的可持续利用提供科学依据.

防护林作为沙漠公路的安全保护屏障,其生长和应对胁迫所需的养分供给依赖于土壤微生物.以塔里木沙漠公路防护林和自然沙漠为研究系统,探究土壤细菌和真菌群落、两种生境共有和特有微生物物种变化对土壤物质循环功能的驱动作用.结果显示,土壤细菌和真菌物种丰富度(P＜0.01,P＜0.01)及群落组成(P＜0.05,P＜0.01)均受防护林营造的显著影响,细菌物种丰富度的响应增幅为77.5％,高于真菌22.1％.细菌群落是导致土壤酶活性升高的显著驱动因素,而非真菌群落或环境因子;细菌物种丰富度(rho=0.46,P＜0.01)和群落组成(rho=0.68,P＜0.01)与土壤酶之间呈显著偏Mantel相关.共有细菌相对丰度(rho=0.47,P＜0.01)和特有细菌物种丰富度(rho=0.36,P＜0.01)是驱动土壤酶活性改善的关键因素,与土壤酶之间呈显著偏Mantel相关.研究表明,沙漠公路防护林土壤细菌而非真菌主导微生物群落的响应,细菌群落通过改变本地物种丰度和新物种数量来调控土壤功能.

在黄河流域生态保护与高质量发展的战略背景下,开展汾河流域生态质量评价与时序动态特征分析对流域的生态保护与可持续发展政策的制定至关重要.基于Google Earth Engine平台,在绿度(NDVI)、湿度(Wet)、热度(LST)、干度(NDBSI)的基础上增加土壤盐度(BCSI)、PM2.5浓度指标,通过主成分分析法构建标准化遥感生态指数(SRSEI)来评价汾河流域的生态质量;通过Theil-Sen median趋势分析、Mann-Kendall检验和Hurst指数,对汾河流域的生态质量进行时序动态特征分析.结果表明:2000-2020年SRSEI与各指标的多年平均相关度为0.8191;2000-2020年汾河流域SRSEI均值由0.4133增长到0.5176;流域内,山地的生态质量最好,盆地的生态质量最差;流域内,生态改善与恶化区域面积比例分别为83.32％和15.96％,生态持续改善与持续恶化面积比例分别为19.3％和5.98％;山地与盆地生态出现恶化的区域分别占流域生态恶化面积的26.21％和52.87％;SRSEI对汾河流域生态评价的结果是可靠的;2000-2020年汾河流域生态质量总体呈现改善趋势;生态恶化主要发生在盆地.应加强盆地生态治理、建设生态设施、营造生态防护林,避免人对自然的过度破坏.

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.

为探明科尔沁沙地杨树造林后碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量变化规律,阐明林分发育对植物-土壤间元素循环的影响,以杨树幼树和成年树为对象,分析杨树不同器官(叶、茎、根)、枯落叶和土壤C、N、P含量及其比值,计算N、P重吸收效率,研究植物与土壤间C、N、P的相关性.结果表明:杨树幼树N和P含量表现为叶＞根＞枝,而成年树为叶和枝＞根;幼树叶和枝C∶N、C∶P和N∶P、根N和P含量高于成年树,而枝N含量、叶和枝P含量、根C∶N和C∶P低于成年树.幼树枯落叶N和P含量低于成年树,而C∶N和C∶P高于成年树.幼树N重吸收效率更高,而成年树P重吸收效率更高.杨树造林后0～40cm 土层土壤C和N含量升高,P含量下降.杨树枝和根N、P含量分别与土壤N、P含量呈正相关.因而,杨树幼树将更多N、P供给到根系,减少枯落叶N、P损失,促进植物体快速生长;而成年树则将更多N、P供给到枝叶,增加枯落叶N、P归还土壤,促进植物-土壤间养分循环.科尔沁沙地杨树幼树生长主要受N限制,而成年树主要受P限制.

探究沿海地区的生态系统服务、权衡协同关系及其驱动机制是区域自然资源科学管理及生态合理规划的基础,对有效提升地区生态、经济、社会效益和人类福祉具有重要理论意义.以海防林工程区为研究区,多角度探究区域内固碳、土壤保持、产水量的生态系统服务、关系特征、驱动机制,从而为沿海地区制定合理生态建设规划提供参考.研究结果表明:(1)沿海防护林体系建设工程区在2000-2020年期间生态系统服务水平整体提升,生态建设效果第二期最佳.(2)2000-2020年区域内各生态系统服务间以协同关系为主,土壤保持和产水量协同显著.(3)建设分区、建设分亚区生态系统服务间关系尺度效应主要存在于土壤保持和产水量.(4)权衡协同关系北方主要受气象因子影响,南方受植被、地形地貌因子影响,人类活动对权衡协同关系的影响以负效应为主,驱动因子存在空间异质性.

防护林是干旱沙区绿洲的生态屏障,能够有效防治风沙灾害.单木作为构成防护林的基础单元,其结构特征是影响防护效益的关键因素.本研究以乌兰布和沙漠绿洲无叶期典型树种新疆杨、箭杆杨、小美旱杨为研究对象,借助地面激光雷达,通过计算机数值模拟,在建立单木真实三维模型的基础上,充分探究单木结构及其周围空气动力学特征,并建立单木结构参数与风场指标间的关系.结果表明:结合AdQSM与MeshLab构建树木模型的方法精度高.单木周围风场大致分为6个区域,包括植株迎风面的衰减区、植株顶端的加速区、植株背风面的涡旋区、平静区、过渡区、恢复区.单木周围压力场呈现迎风面压力大、背风面压力小的梯度变化.水平方向上,在相对风速降低20％-50％的范围内,新疆杨、箭杆杨、小美旱杨的有效防护距离分别为0.21H-1.51H、0.20H-0.91H、0.25H-1.64H(H为对应树高),对应的有效防护面积分别为18-294、15～227、18～261 m2.垂直方向上,新疆杨和小美旱杨在0.3H高度处的风速衰减率最大,箭杆杨则体现在0.5H高度.综合单木结构参数与风场指标相关性和逐步回归分析,明确透光疏透度和体积孔隙度对防护效应的影响占主导地位.风场指标中,基于胸径、树木表面积、透光疏透度建立的透风系数回归模型最优;各等级有效防护距离和有效防护面积中,筛选的回归变量不尽相同.

为探究滨海地区人工防护林火烧迹地土壤总呼吸速率及其组分的动态变化规律以及与之相关的影响因素,利用壕沟法区分土壤异养呼吸和自养呼吸,采用Li-8100碳通量自动测定系统,对福建省滨海沙地尾巨桉人工林火烧迹地土壤呼吸进行测定,同时测定0～10 cm处的土壤温度(T10)和土壤体积含水量(W10),分析火烧迹地和对照样地土壤呼吸及其组分与林地水热因子的月动态变化,探讨土壤呼吸速率与土壤温度、土壤水分以及土壤理化性质的相关关系.结果表明:火烧迹地土壤总呼吸、异养呼吸和自养呼吸的月平均速率分别为2.20、1.87和0.33 μmol·m-2·s-1,对照样地土壤总呼吸、异养呼吸和自养呼吸的月平均速率分别为2.96、2.15和0.81 μmol·m-2·s-1,火烧迹地土壤呼吸及其组分均显著下降(P＜0.05);全年火烧迹地和对照样地土壤呼吸及其组分与T10均表现出极显著指数相关,全年火烧迹地和对照样地土壤总呼吸速率与W10均表现出显著正相关,火烧迹地土壤异养呼吸与W10无显著相关,对照样地土壤异养呼吸与W10表现出极显著正相关,火烧迹地土壤总呼吸和异养呼吸的Q10值相同,且稍低于对照样地的Q10值;林地土壤呼吸速率与土壤NO3--N、无机氮均存在极显著正相关,与NH4+-N存在显著正相关;在尾巨桉人工林中,林火干扰对土壤呼吸速率有显著影响,土壤异养呼吸和自养呼吸均显著降低.通过建立回归模型可知,土壤总呼吸与土壤温度和体积含水量均显著相关,进一步证明土壤温度和含水量是影响林地土壤呼吸速率的主要因子,且林火干扰还会导致土壤碳氮组分发生改变,从而影响土壤碳排放速率.