基于改进遥感生态指数模型的锡林郭勒草原生态环境评价

气候变化和人类活动的不断加剧,引发了生态环境质量问题,快速准确的评价区域生态环境的历史和现状,对实现人与自然的可持续协调发展具有重要意义。本文基于遥感技术分别反演出绿度因子、湿度因子、干度因子和热度因子,使用主成分分析法构建了改进遥感生态指数(MRSEI)。利用相关性分析,分析MRSEI的代表性,建立基于MRSEI的锡林郭勒草原生态环境评价模型,对锡林郭勒草原近26 a的生态环境进行了总体评价。结果表明:MRSEI可集中4种生态因子信息,能够准确的对生态环境进行评价;锡林郭勒草原从1991—2017年生态环境质量呈现出先好转后恶化的趋势; 1991年研究区上游的生态环境质量优于下游,生态环境质量东部优于西部; 2004年,研究区整体生态环境质量空间差异较1991年变化较大,上游大多数地区生态环境质量提升,但下游明显降低;至2017年,整个研究区生态环境质量全面降低,仅在锡林河上游两岸与流域的南部和东南部保持良和优良。     

科尔沁草甸湿地土壤碳氮剖面分布及生长季动态特征

采用定位观测的试验方法,于2016年5-10月及2017年8月对科尔沁草甸湿地0~100 cm土层土壤有机碳、全氮剖面分布及生长季动态特征进行了实验分析,旨在为科尔沁草甸湿地保护提供科学指导并为干旱半干旱地区湿地土壤碳氮储量估算提供借鉴。结果表明:1)科尔沁草甸湿地土壤有机碳、全氮含量整体随土层深度下降,0~20 cm土层间下降显著,20 cm以下趋于相对稳定,范围分别为11.9~23.5 g·kg^-1和0.66~1.50 g·kg^-1。2)各土层土壤碳氮含量月间差异显著(全氮40~60 cm土层除外),变化幅度随土层深度先减小后增大;土壤碳氮密度(100 cm)生长季变化大于年际变化,有机碳密度全生长季呈上升趋势,范围为15.44~20.82 kg·m^-2,全氮密度生长初期明显下降,之后趋于相对稳定,范围为1.01~1.16 kg·m^-2。3)土壤有机碳含量与全氮含量呈极显著正相关;植被和水文是影响其分布、变化的关键因子。科尔沁草甸湿地生长季土壤有机碳、全氮密度变化较大,且表现为潜在的碳汇和氮源,但年际间碳汇潜力未充分发挥,本研究建议禁牧力度应加大并增加氮肥投入以提高科尔沁草甸湿地生态系统功能。     

半干旱草甸草地不同处理下植被特征与土壤酶活性的变化

不同草地处理措施对植被和土壤会产生重要的影响。为探究不同草地处理措施对草甸草地的影响,以科尔沁草甸草地不同点为研究对象,设置围封（UNM）、围封+刈割（M）、围封+火烧（F）、放牧（G）4种处理,针对生长季土壤脲酶（S-UE）、碱性磷酸酶（S-AKP）、蔗糖酶（S-SC）活性和植被特征等开展研究,以探究草甸草地的最佳处理方式。结果显示：1）土壤酶活性随着土层深度的增加而降低,不同处理间的差异随着土层深度增加逐渐降低。2）放牧较围封处理,不同点植被高度、盖度、地上生物量和酶活性均降低,而丰富度指数增加。3）刈割较围封处理,不同功能群物种的补偿能力不同,禾本科的补偿能力大于菊科。4）火烧较围封处理,不同点植被高度、盖度、地上生物量、丰富度指数和3种水解酶活性均增加。5）多年刈割较放牧处理,植被高度、盖度和地上生物量和蔗糖酶、碱性磷酸酶活性均增加,丰富度指数和土壤脲酶活性均降低。综上所述,控制性火烧是半干旱地区草甸草地的最佳处理方式。     

不同树龄小叶锦鸡儿干旱降水过渡时期用水策略研究

在阿古拉生态水文试验区的固定沙丘上选取了两组具有代表性的3、5和9年生小叶锦鸡儿灌丛,采用氧稳定同位素技术,在连续15d内比较了干旱、两次降水后(15.6、33.1mm)灌丛内距离基茎3等分点及边缘处土壤水、降水与植株木质部水的δ18 O值,研究了小叶锦鸡儿从干旱到雨后的用水模式变化,同时结合不同位置根系密度和灌丛内不同位置水分动态分析其变化原因。结果表明:小叶锦鸡儿在干旱条件下主要靠减少体内水量损失来维持生存而非利用深层土壤水,可能会将表层凝结水作为用水来源;雨后1d内3种小叶锦鸡儿植物水δ18 O值均趋向降水,3d内3、5年生小叶锦鸡儿植物水δ18 O值变化显著,9年生则基本不变;雨后5d内10~60cm为3种树龄小叶锦鸡儿的主要吸水层位,0~10cm土壤水不是稳定的用水来源,3、5年生小叶锦鸡儿灌丛1/3处和边缘处及9年生边缘处水会优先被利用;随树龄增加小叶锦鸡儿的浅根系密度显著增大使其能有效利用降水,但灌丛下深层土壤水补给愈发困难,不利于地区水文平衡。建议人为控制大树龄小叶锦鸡儿的分布密度。     

科尔沁沙地典型沙丘植被光谱特性

采用Field Spec4(美国ASD)的便携式光谱仪对科尔沁5种典型沙丘植被的光谱曲线进行测量,并对其特征进行提取分析。结果表明,1)5种典型沙丘植被黄柳(Salix gordejevii)、冷蒿(Artemisia frigida)、麻黄(Herbal ephedrae)、差巴嘎蒿(Artemisia halodendron)和小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)的光谱形态大致相同。根据原始光谱差异和多个光谱特征参数可以区分植被类型。"红边斜率"由高到低依次为冷蒿(0.99%)小叶锦鸡儿(0.68%)黄柳(0.59%)麻黄(0.58%)差巴嘎蒿(0.56%)。2)对差巴嘎蒿不同季节光谱反射率特性进行比较分析得知,随植被生长期推移,差巴嘎蒿呈现出"双峰"和"红移"现象,但该现象并不明显。由于研究区在7月份出现持续干旱,植被缺水严重,导致差巴嘎蒿的"红边位置"在7月6日出现微小浮动,显现两个"红边平台"。3)分析不同覆盖度下差巴嘎蒿的光谱特性,差巴嘎蒿的导数光谱呈现"双峰"特性,且当覆盖度大于40%时,"红边位置"与覆盖度并无直接联系,但"红边斜率"与覆盖度呈正比关系。对不同覆盖度下差巴嘎蒿光谱可见光波段的连续统去除,得到吸收深度随覆盖度的增加而增大,吸收峰面积随覆盖度的增加而减小,对覆盖度敏感性参数比较可知,研究该地区差巴嘎蒿覆盖度变化优先考虑吸收峰面积。因此,基于植被高光谱特性的分析,对于今后利用遥感监测沙丘植被长势、植被分类识别及反演植被覆盖度等的应用提供重要的参考价值。     

生物炭和秸秆还田对干旱区玉米农田土壤温室气体通量的影响

为了研究生物炭及秸秆还田对干旱区玉米农田温室气体通量的影响,以内蒙古科尔沁地区玉米农田为试验对象,采用静态箱-气相色谱法对分别施入生物炭0 t·hm^-2（CK）、15 t·hm^-2（C15）、30 t·hm^-2（C30）、45 t·hm^-2（C45）及秸秆还田（SNPK）的土壤进行温室气体（CO₂、CH₄和N₂O）通量的原位观测,并估算生长季CH₄和N₂O的综合增温潜势（GWP）与排放强度（GHGI）。结果表明：添加生物炭能够显著减少土壤CO₂和N₂O的排放量,并促进土壤对CH₄的吸收作用。其中处理C15对CO₂的减排效果最好,与对照相比CO₂排放量降低21.16%。随着施入生物炭量的增加,生物炭对N₂O排放的抑制作用不断增强,处理C45对减排效果最好,与对照相比N₂O排放量降低86.25%。处理C15对土壤吸收CH₄的促进效果最好,CH₄吸收量增加56.62%;处理C45对CH₄的排放有促进作用,使生长季土壤吸收CH₄减少81.36%。SNPK对温室气体的减排作用接近处理C15。添加生物炭和秸秆还田对提高玉米产量和降低农田GWP与GHGI均有显著效果,施用生物炭及秸秆还田均有效提高了科尔沁地区的玉米产量,且玉米产量随着施入生物炭含量的增大而提升。从GWP上来看,施用15 t·hm^-2生物炭对温室气体减排的整体效果最好。从GHGI上来看,施用生物炭及秸秆还田均具有一定的经济效益和减排意义,其中施用15 t·hm^-2生物炭的综合效益最高。因此综合经济效益与环境因素,建议科尔沁地区农田在种植玉米时添加15 t·hm^-2生物炭,如不具备购买生物炭条件,可以考虑秸秆还田来实现玉米增产与温室气体减排。     

中子仪测定砂性土壤水分的标定与测试参数的界定分析

以科尔沁沙地6个砂性土壤试验点为研究对象,实施中子水分仪测试土壤水分的标定试验,采用点聚图筛选和三点平滑处理土壤体积含水率数据,选用线性标定和非线性标定2种形式,系统分析中子仪计数时间、中子管安装稳定时间以及降雨、灌水等提高土壤含水率的方法对标定结果的影响,以界定中子仪的测试参数,经模拟与验证,确定砂性土壤的中子仪标定方程。结果表明：砂性土壤0-30cm表土采用二项式标定效果相对较好;砂土土质对中子仪读数影响较小,两种不同含水率的土壤可以统一标定;中子管安装稳定时间至少需7d,尤以经历一、两场较大降雨后进行标定其试验误差较小;标定和测量实施过程中,中子仪计数时间宜选用64s,再适当加大计数时间也能得到较好结果;在较大降雨和干旱两种状态下,选用64s中子仪计数时间进行测量,可得到砂性土壤测量水分范围为1.01%～29.92%且精度较高的标定方程。验证结果表明,中子仪测量结果能反映实际土壤含水量的分布状况,标定方程精度可满足实际测试要求。     

科尔沁草甸生态系统净碳交换特征及其驱动因子

以2013年10月-2014年9月连续观测的CO₂通量数据为基础,分析了科尔沁草甸生态系统净碳交换量(NEE)的时间变化特征及其驱动因素。结果表明,NEE日变化季节差异明显,生长季变化幅度大,净CO₂日吸收速率7月>8月>9月>6月>5月;生长季内,NEE主要受控于叶面积指数和光合有效辐射。NEE与光合有效辐射(PAR)之间的关系可用直角双曲线方程来描述,拟合得到的表观初始光能利用率α为0.0015 μmol CO₂/μmol PAR,最大光合速率P_max为0.65 μmol CO₂/(m²·s)。叶面积指数(LAI)对NEE的影响可由分段函数表示,当LAI>3.08时,表现为渐进饱和型,且LAI越大NEE对PAR的响应越明显;当高饱和水汽压差(VPD)在1.5~2.0 kPa时,光合作用开始降低,NEE明显受到VPD值的抑制;短暂强降雨(累计降雨量>40 mm/d)对昼间NEE有一定的抑制,而持续低强度降雨(降雨时长>15 h)对夜间NEE存在激发作用;夜间NEE随土壤温度呈指数增长,温度敏感系数(Q₁₀)为2.63。     

科尔沁沙地混生小叶锦鸡儿和人工杨树光合特性及其对气候的响应

利用LI-6400光合作用仪野外原位测定混生的小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)和人工杨树(Populus spp.)的光合特性，通过对比分析这两种天然和人工植物干旱时期与降水后光合特性的差异及其与生理环境因子的关系，揭示其对干旱和降水的适应特性和响应机制。结果表明：① 干旱时期，两种混生植物的净光合速率(P_n)、蒸腾速率([T_r)和气孔导度(G_s)大幅下降，出现明显的“午休”现象，且峰值提前，降水后小叶锦鸡儿“午休”现象消失；② [G_s和光合有效辐射(PAR)是影响小叶锦鸡儿和人工杨树Pn的主要生理和环境因子，干旱时期，小叶锦鸡儿光合特性主要受气孔调节作用的影响，降水后主要受环境因子(PAR)的影响；人工杨树不论在干旱时期还是降水后，其光合生理特性都相对较为稳定，且主要受PAR的影响；③ 小叶锦鸡儿通过保持较低的气孔开放程度，维持较低的Tr和较高的水分利用效率(WUE)，以适应干旱环境，人工杨树则通过较高的P_n、T_r和较低的WUE避免干旱胁迫的影响；降水后，小叶锦鸡儿光合特性的变化较人工杨树显著，对降水的响应更加强烈。混生群落中，小叶锦鸡儿和人工杨树对干旱和降水的适应机制明显不同，小叶锦鸡儿对环境变化的适应性更强。     

科尔沁沙丘-草甸相间地区表土饱和导水率的土壤传递函数研究

本研究以科尔沁沙地典型坨-甸相间地区为研究区,野外布设240个采样点,对流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘、沙丘区杨树林、沙丘区耕地、低覆盖度草甸、高覆盖度草甸、草甸区耕地、撂荒地九种地貌类型下的表层土壤进行了采样,测定了这些样点的含水率、干容重、有机质、饱和导水率等理化特性参数,分析了不同地貌类型下表层土壤理化参数差异。选取Campbell、Cosby、Wosten1997/1999、Saxton四种土壤传递函数,对该地区表土饱和导水率进行了预测,结果显示这几种土壤传递函数预测值与实测值偏差较大,相关系数均小于0.3,由此可见这几种传统的土壤传递函数在本地区应用具有一定的局限性。在此基础上,选取土壤容重、有机质含量、饱和含水率、平均粒径、粒径标准偏差五种土壤特性参数作为输入变量,采用逐步多元统计回归、主成分分析及非线性回归分析相结合的方法,重新建立了预测本地区表土饱和导水率的土壤传递函数,结果显示预测值与实测值相关系数为0.648,该传递函数可应用于科尔沁沙地表层土壤饱和导水率的预测。