探究不同降水情景下荒漠植物茎干解剖学结构的适应性调节,可以更好地理解未来降水格局变化下荒漠植物水和碳运输间的协调机制.该研究以毛乌素沙地黑沙蒿(Artemisia ordosica)种群为对象,通过野外人工控制降水的方法,模拟半干旱气候区降水变化趋势,设置3个降水量水平(减水30％、自然降水、增水30％)以及2个降水间隔水平(降水间隔5 d、降水间隔15 d)开展双因素完全随机实验,测定了黑沙蒿茎木质部与韧皮部解剖结构在不同降水情境下的轴向与径向变异.结果表明:1)在降水改变的情况下,黑沙蒿并未产生更抗栓塞的轴向木质部结构及传导效率更高的轴向韧皮部结构来适应环境;2)降水变化通过改变40-60 cm土层含水率对黑沙蒿的木质部、韧皮部径向解剖性状产生影响.在低水分生境下,黑沙蒿减小导管直径和增大导管壁厚度以保证水分运输的安全性,并且通过增大韧皮部筛管面积来维持韧皮部导度保证碳的有效运输,以此保证黑沙蒿进行正常的生理活动;3)黑沙蒿木质部导管和韧皮部筛管具有等标度的轴向缩放规律,二者协同关联共同维持水力功能,且这种相关关系不受降水变化的影响.该研究表明,黑沙蒿通过改变径向茎干结构而不是轴向结构来适应降水的改变.

在全球气候变化影响下,中国西北部干旱半干旱荒漠区降水格局发生显著变化,表现为极端降水和干旱事件增多,对荒漠植物群落结构和功能的影响引发广泛关注.以毛乌素沙地典型荒漠灌草植被黑沙蒿群落为研究对象,利用人工遮雨装置进行小区降水控制,设置降水量(W-:减水30％,对照组W:自然降水,W+:增水30％)和降水间隔(对照组T:降水间隔5d,T++:降水间隔15d)的双因素完全随机控制实验,监测各降水处理下黑沙蒿群落物种组成和生产力.结果表明:(1)与降水间隔5d的对照组相比,降水间隔期的延长显著提高了灌木和杂草的重要值,而降低了禾草的重要值.(2)与对照组自然降水相比,降水量的增加提高了黑沙蒿植物群落的多样性.(3)降水量的增加或降水间隔的延长均可以提高黑沙蒿的地上初级生产力.延长降水间隔会增加深层土壤的含水量,这有助于黑沙蒿对土壤水分的利用进而促进其生产力积累并增强了其在群落中的优势度.

本文介绍了将平衡法、统计法、差减统计法、比值统计法、间隔天数统计法、移动统计法6个独立模型综合应用的墒情综合模型法的原理和方法,并应用7个省23个县87个监测点2012-2014年的数据建模,应用2015年的数据进行了验证.结果表明:综合模型诊断和预测合格率高,为97％以上.综合模型的优点:6个独立模型的参数在不同气候、下垫面和管理措施下的取值不同,因此,6个独立模型即使按点统计也不通用;而在同一次预测时,6个模型预测结果中总有一个预测精度较高的结果,这个结果与时段降水量和初始土壤含水量之和高度相关;通过对6个模型的适应性优选后,从概率上选择水分来源数量对应的预测结果.

本文介绍了统计法土壤墒情诊断模型的原理和建模方法,该模型是基于时段降水量和土壤初始含水量以及二者的交互作用项建立的,并应用7个省23个县87个监测点2012-2014年的数据建模,以及2015年的数据进行验证.结果表明:统计法模型诊断和预测合格率较高,合格率达到85％以上;相邻墒情监测日的时间间隔有时不固定将导致异常值的出现,这是影响模型预测合格率的主要原因;逐日模型法可以实现逐日土壤墒情的预测.本研究表明,统计法模型可以单独作为墒情诊断模型使用.

对墒情诊断模型应用的下垫面条件进行了综合分析,这些条件包括气候区、监测点距气象站距离、土壤质地、监测时间、熟制、作物种类和模型参数.结果表明:平衡法、统计法、差减统计法、比值统计法、间隔天数统计法、移动统计法6个独立诊断模型和综合模型具有普遍适应性;模型普遍适应性的外在原因是建模时只考虑3个独立的具有普遍性的变量(土壤含水量、时段降水量、2次土壤含水量测定的间隔天数),模型普遍适应性的内在原因是按监测点建模和确定参数;多年平均降水量是影响模型预测合格率的主要因素之一,其值越小模型预测合格率越高.6个独立诊断模型和综合模型的应用不受下垫面因素影响,模型通用变量为3个独立变量.

本文对土壤墒情诊断理论和方法进行了简述,并介绍了国内墒情监测、诊断和预报现状.重点介绍了所建立的平衡法、统计法、差减统计法、比值统计法、间隔天数统计法、移动统计法6个独立的墒情诊断模型及其联合应用的综合诊断模型.应用2012-2014年7省23个县87个监测点的数据建模,并应用2015年的数据进行了验证.结果表明:所有模型构建简单,参数获得容易;综合模型优于6个独立模型.所建立的6个独立模型和综合模型适用于基于降水量的土壤墒情诊断和预测.

对6个模型进行系统评价的目的是为模型优选提供理论、方法和参数依据.采用优选模型比例、验证方法指标、验证方式指标和异常值指标4项指标对6个独立墒情诊断模型进行了综合评价.结果是:模型优先顺序为差减统计模型、间隔天数统计模型＞移动统计模型＞比值统计模型＞统计模型＞平衡模型;逐日模型好于时段模型.合格率高的模型包括4个特征,即自变量数量不超过3个、自变量相对独立、模型能处理不固定监测天数、人为不决定参数.按监测点建模的6个独立模型都可以单独使用,解决了模型不通用的问题;可以实现逐日诊断和预测,方便与遥感信息、作物长势信息等实时匹配;差减统计模型和间隔天数统计模型精度最高,前者是基于质量守恒定律的统计模型,后者有效地解决了间隔天数不固定所带来的预测误差.

本文介绍所建立的基于时段降水量、土壤初始含水量和两次监测时段天数的间隔天数统计法土壤墒情诊断模型的原理和建模方法,并应用7个省23个县87个监测点2012-2014年的数据建模,应用2015年的数据进行了验证.结果表明:间隔天数统计法模型诊断和预测精度高达到90％以上;间隔天数统计法模型诊断和预测合格率高,其原因是增加了间隔天数变量,有效地解决了测定间隔天数不固定的问题;逐日模型法可以实现逐日土壤墒情的预测.初步结论是:间隔天数统计法模型可以单独作为墒情诊断模型使用.

为揭示土壤水分动态对干旱沙区坡面尺度水文和生态过程的影响机理,基于Rodriguez-Iturbe土壤水分动态随机模型,通过修正模型输入项参数,获取干旱沙区坡面土壤水分动态随机模型,并利用2015-2016年古尔班通古特沙漠南缘固定沙丘坡面生长季根系层土壤水分观测数据及2000-2016年日降水资料,分析研究区生长季坡面土壤水分动态与土壤水分概率密度函数特征,探讨该坡面随机模型参数敏感性及应用可行性.结果表明:研究区生长季降水分布极不规则,以＜5 mm降水为主,降水量主要源于＞10 mm降水,降水间隔期以＜10 d为主,且东坡次降水量略大于西坡;东、西坡面生长季土壤水分年际变化与降雨分布基本一致,西坡根系层土壤含水率略低于东坡,且各坡面生长季根系层土壤水分均服从正态分布;该坡面随机模型模拟得到的不同坡面生长季根系层土壤水分概率密度函数的曲线特征(峰值及其位置、95％置信区间)与观测结果基本一致,一致性指数(CM)均大于0.5,说明该坡面随机模型能对研究区坡面土壤水分概率密度函数进行高效模拟,具有较好的适用性,可为干旱沙区植被生存或恢复研究及实施荒漠化防治生态建设工程提供理论基础和科学方法.

全球变化背景下降水格局发生了显著改变,主要表现在年降水量、降水季节分配以及降水事件特征(单次降水事件雨量大小、两次降水之间的间隔时长和一年中降水事件的次数等)等几个方面,降水格局的改变将显著影响陆地生态系统功能,尤其是对生产力的影响.草原生态系统是对降水格局改变最敏感的生态系统之一,因此有必要了解草原生态系统生产力对降水格局响应的研究现状及存在的问题.本文首先综述了草原生态系统生产力对降水格局各个特征响应的国内外研究进展,进而从长期观测、控制试验、模型模拟3方面综述了目前降水格局对生产力影响的研究方法,最后从理论研究、研究方法两个方面提出了目前研究存在的问题以及未来的研究方向.本文将为预测草原生态系统如何响应未来气候变化以及在气候变化情景下进行草原生态系统管理提供重要科学依据.