毛乌素沙地样品扫描电镜的矿物定量分析

矿物定量分析实验用捷克FEI公司生产的MLA650F型矿物解离分析仪,采用MLA原样法和MLA重矿法分别对毛乌素沙地西南和东南地区典型沙样的矿物组成以及含量进行分析,结果表明:MLA650F仪器测量结果的重复性好,精确度高,测得的矿物种类比光学显微镜更丰富,但不能如同光学显微镜一样直接提供矿物最原始的颜色、形状、透明度、光泽、表面断口等特征。虽然扫描电镜与光学显微镜测得的单个矿物含量和矿物分析指标存在一定差异,但矿物含量变化趋势基本一致,均得到毛乌素沙地主要轻矿物以石英-长石为主,重矿物以角闪石-石榴子石为主的结论。此外,扫描电镜与光学显微镜对同一样品的矿物分析指标变化趋势基本一致,其中MLA原样法与光学显微镜的Q/TF和ATi指标同化学风化指标CIA结果一致,均表明毛乌素沙地西南地区风化作用较东南地区强。虽然扫描电镜与光学显微镜均能反应沉积物的沉积环境,但在实际工作中,要注意所使用的数据应建立在同一测量系统内,不同实验室或实验方法测得的实验数据在引用时要慎重。     

清末西垦对毛乌素沙地的影响

以历史文献、地方档案及古今地图为主,采用政区和地名演变考证的方法,逐一复原了清代末年(1902~1908年)在鄂尔多斯中、南部地区,即今伊金霍洛旗、鄂托克旗、鄂托克前旗、乌审旗及鄂尔多斯市区放垦的范围,这些复原的放垦地带或在今毛乌素沙地边缘地带或远离毛乌素沙地。文章通过对清末放垦背景及过程的分析,认为放垦避开了土质低劣易于沙化脆弱地段,所以清末放垦对毛乌素沙地沙漠化发展起的作用有限。     

毛乌素沙地臭柏根系分布及根量

毛乌素沙地臭柏(Sabina vulgaris)灌丛根量、根系直径和分布特征的研究结果表明,臭柏根系分布深度可达2.0 m,水平延伸幅度达灌丛边缘以外1.0 m左右处;其根量主要集中在0~60 cm的土层内,占根系总量的60%~70%,呈倒金字塔型分布。根系直径以< 3 mm的细根居多,占剖面总根量的72%左右,集中分布在0~30cm的土层中。> 7 mm的粗根数量很少,占总根数的0%~5%。臭柏根量和直径分布特征依立地条件及土层深度的不同而异。     

毛乌素沙地库伦生态经济圈可持续性评价

毛乌素沙地库伦生态经济圈最显著的特征是以户为单元,由点到面形成毛乌素沙地库伦生态经济圈集群模式。为探索其可持续性,依据库伦生态经济圈聚类特征进行分类,再对不同类型的库伦生态经济圈可持续性进行综合评价研究。结果表明：毛乌素沙地库伦生态经济圈存在林果种植加工模式、种养加链条模式、小规模种养模式、懒散经营模式;可持续性综合评价得分值最高的是种养加链条模式（81.6106）,其次为林果种植加工模式（63.8506）,较差的是小规模种养模式（46.5691）和懒散经营模式（24.8808）,且后两种模式普遍存在于毛乌素沙地,说明毛乌素沙地上库伦生态系统整体可持续水平较低,需以现有的资源为基础,改善经营技术手段和决策方式,优化库伦生态经济圈运营模式,提高生态生产效率,增强系统物质循环与能量转化功能,使各种库伦生态经济圈朝着永续利用方向发展,进而整体推进毛乌素沙地的可持续性。     

毛乌素沙地不同下垫面的风沙运动特征

 基于野外实地观测,研究了毛乌素沙地不同下垫面的风沙运动特征。平坦流沙地上的风速随高度呈对数分布; 沙丘上的风速梯度在高度上的变化随植被盖度增大而增强; 相近风速下,0~60 cm高度范围内的输沙强度从大到小依次为流动沙丘丘顶＞平坦流沙地＞半流动沙丘丘顶＞裸露黄土梁地＞黄土梁翻耕地＞玉米留茬地＞半固定沙丘丘顶。同一植被盖度下,沙丘顶部输沙率随风速增加而增大,粗糙度随风速增加而减小。当风速小于起沙风速时,粗糙度随植被盖度的增加而增大; 当风速大于起沙风速时,平坦流沙地和沙丘顶部的粗糙度随风速增大有增加趋势,产生这种现象的可能原因是跃移层沙物质对气流的阻力随风速增大而增大。根据各类沙源地的起沙强度和总面积,风沙灾害防治的重点是植被盖度较小的沙地和黄土梁地。     

2000～2011年毛乌素沙地植被生长状况时空变化特征

采用2000~2011年MOD13Q1数据构建EVI时间序列谱,对毛乌素沙地植被生长状况的时空特征进行了研究。主要得出以下结论:①2000~2011年毛乌素沙地EVI年最大值以轻微波动为主,植被生长状况在2001年最差,2010年最好。②全区EVI年最大值按0.002 5/a的速度递增,植被生长状况趋于改善的面积占总面积的81.916%,主要分布在中部、东部和南部等地区;生长状况呈变差趋势的面积占总面积的18.084%,主要分布在北部、西部和中南部。③植被生长状况以轻度和中度波动改善为主,主要分布在西南、中部和东部;重度波动改善区主要分布在西南部和东南部,轻度和中度波动退化区主要分布在西南部、西部和中南部。     

不同数据源下毛乌素沙地风况及输沙势特征

风是干旱、半干旱区风蚀风积地貌发育的动力基础,我们通常使用风速资料探讨区域风况,但选取不同的风速资料研究同一区域风况时结果存在差异。以毛乌素沙地为例,分别选取中国气象数据网（CMDC）的日最大风速及风向与美国国家气候数据中心（NCDC）的日8个定时观测风速及风向,对比分析起沙风特征。结果表明：（1）毛乌素沙地平均起沙风速相差较小,但起沙风频率明显在CMDC数据源中较高;（2）毛乌素沙地年起沙风向均以WNW、W和NW为主,但年起沙风次风向、不同区域夏季和秋季起沙风次风向组成均在CMDC数据源中较复杂,且起沙风主次风向频率均在CMDC数据源中较高;（3）毛乌素沙地整体均属于低风能环境,中等风向变率,锐双峰或宽单峰风况,但以最大风速计算的年输沙势约是以定时观测风速计算结果的3.3倍。基于两套数据源定量对比分析毛乌素沙地风况及输沙势,这对区域风况研究是一种新的尝试,以期提高对不同数据源提供的风速差异的认识,为今后不同区域的起沙风分析提供一定的参考。     

粒度和磁化率记录的毛乌素沙地东缘全新世气候变化

通过对毛乌素沙地东缘大柳塔剖面地层沉积物粒度及磁化率特征的分析,结合光释光测年结果,探讨了毛乌素沙地全新世气候变化。结果表明:(1)剖面沉积物粒度组成以中砂、粗砂为主,古土壤中黏粒组分含量高(3.32%),风成砂中几乎不含黏粒组分(0.01%),粒度参数的平均粒径M_z和分选系数σ也表现为古土壤高值、风成砂低值;(2)磁化率在全剖面呈有规律的变化,低频、高频磁化率在古土壤中呈高值,湖沼相、弱成壤次之,风成砂最小;低频磁化率χ_lf与黏粒(<2μm)含量、平均粒径M_z呈显著正相关,垂向剖面上变化规律一致,指示了相似的气候环境意义;(3)毛乌素沙地在10.39 ka BP附近存在明显的3次冷干-暖湿气候波动; 10.39～9.34 ka BP,气候冷干,风沙活动盛行; 9.34～8.68 ka BP,冬季风衰退,夏季风增强,成壤作用强烈; 8.68～8.29 ka BP,气候寒冷干燥; 8.29～2.72 ka BP,气候整体温暖湿润,在6.55～3.80 ka BP达到鼎盛后转向冷干; 2.72～1.34 ka BP,冬季风占主导,沙丘活化,沙漠扩张; 1.34 ka BP至今,逐渐接近现代气候。毛乌素沙地的全新世气候变化是东亚冬、夏季风此消彼长作用下全球气候变化的区域响应。     

毛乌素沙地风沙环境变化研究的理论和新认识

作为地球环境系统的重要组成部分,沙漠和沙地对气候变化响应敏感。沙漠沙地的环境变化关系到区域的可持续发展,并且通过一系列反馈作用,会影响区域与全球的气候环境。位于中国北方中部的毛乌素沙地是全球中纬度地区的典型沙地,其环境变化与全球其他沙漠沙地具有相似性和同步性。中国学者对毛乌素沙地风沙环境变化的研究开展较早,在国内外有重要的影响。本文系统梳理了该方面的相关研究,围绕“风沙环境变化的过程与机制”这一核心问题,总结学术界在毛乌素沙地晚新生代形成发展、晚第四纪扩张与多旋回变化、全新世中期固定以及晚全新世沙丘再活化等方面取得的重要进展,尤其是获取了毛乌素沙地不同阶段风沙环境变化的关键证据,并据此提出“构造—轨道尺度上沙地形成与变化的全球温度变化驱动”“千年—百年尺度沙丘系统的非线性响应”等新的理论认识。未来应继续加强沉积证据的积累、新测试手段的拓展应用、基于过程分析的精细重建、数值模拟与预测等研究,着力探究风沙环境变化的动力学机制、人与干旱区环境复杂系统的耦合关系以及各圈层的互馈作用,这对于自然地理学学科传承、交叉学科的融合发展以及地球系统科学的理论构建都具有深远意义。     

高精度光释光测年揭示的晚第四纪毛乌素和浑善达克沙地沙丘的固定与活化过程

利用光释光测年技术对毛乌素沙地和浑善达克沙地7个地点的沉积剖面进行了年代测试,结合地层特征,获得了最近60kaBP以来两个沙地沙丘固定与活化时间的年代学控制60kaBP以来毛乌素沙地的固定期分别为距今37.71ka、8.54ka、8.32ka、7.93ka、7.77ka、7.57ka、7.39ka和2.39ka以后;活化的时间分别为距今57.08ka、52.50ka、13.65ka、13.13ka、7.20ka前后、2.39ka以前和0.29ka以来。在10.97kaBP、10.04kaBP、9.81kaBP和8.67kaBP前后沙地处于气候干湿交替时期。全新世期间,浑善达克沙地在距今8.74～8.72ka、7.79ka前后,沙丘活化;5.69kaBP、4.25kaBP、2.75kaBP、1.53kaBP和0.71kaBP前后,沙丘处于相对固定阶段,0.15kaBP以来,沙丘处于半固定状态。晚第四纪气候千年至百年尺度的变化可能是两个沙地沙丘活化与固定的主导因素。     

毛乌素沙区风沙土机械组成及含水率的季节变化

以定位观测资料为基础,对毛乌素沙区０～１００ｃｍ层内流动风沙土、天然油蒿和臭柏灌丛及沙柳和樟子松人工林下风沙土的含水率和机械组成进行了研究。结果表明,整个生长季节流动风沙土的含水率较稳定,年平均值在３．０％左右;油蒿、臭柏、沙泖和樟子松下的固定、半固定风沙土含水率变化较大,年平均值为１％～２％。风沙土含水率主要受降雨、植物蒸腾和土面蒸发的影响,其垂直分布可分为０～１０ｃｍ的干沙层和１０～１００ｃｍ的活跃层;季节变化表现为４～６月和９～１１月的失水期、７～８月的降水补给期、翌年４月以前的冻结滞水期。     

毛乌素沙地植被水分利用效率的时空格局

水分利用效率（WUE）是衡量生态系统碳水循环耦合程度的重要指标,明晰其动态变化规律有助于判断区域植被生态建设是否与当地的自然条件相适应。利用基于CASA（Carnegie-Ames-Stanford Approach）模型得到的植被净初级生产力（NPP）数据和MODIS系列产品中的蒸散发（ET）数据,估算了2001—2016年毛乌素沙地植被的WUE,并探讨了其时空演变特征及与气象因子的关系。结果显示：（1）WUE的多年平均值为0.62 gC·mm^-1·m^-2,空间上自东向西递减,在不同植被类型间表现为栽培植物>灌丛>草甸>草原>荒漠;（2）WUE以0.009 gC·mm^-1·m^-2·a^-1的速率上升,东部地区变化尤为显著,NPP的快速增长是WUE呈增加趋势的主要原因;（3）WUE与各气象因子的相关程度由大至小依次为太阳辐射、降水量、风速和气温,分布在西部地区的荒漠植被WUE受气象因子影响最小。经过一系列生态建设工程的治理,毛乌素沙地大部分地区自2001年以来NPP和WUE均呈增加趋势,即生态系统在变“绿”的同时还实现了水分的高效利用,有利于当地生态环境的健康发展;但在水热条件较差的中西部地区,新建设的植被生长缓慢且导致蒸散发产生强烈变化,使WUE呈减少趋势,暴露出植被建设规模与水资源承载能力不匹配的问题,需引起格外重视。     

毛乌素沙地丘间低地植物群落分类与排序

为研究植物群落分布格局与环境因子间的相互关系,在群落样方调查的基础上,对毛乌素沙地丘间低地植被复合体的主要植物群落进行TWINSPAN分类和PCA排序,对土壤环境因子进行DCCA排序。结果表明：调查区内53个物种分属21科46属,其中菊科（Compositae,11种）、禾本科（Gramineae,7种）、莎草科（Cyperaceae,7种）、豆科（Leguminosae,5种）、藜科（Chenopodiaceae,4种）等科所含物种数较多,分别占20.8%、13.2%、13.2%、9.4%、7.5%,生活型以多年生草本为主,水分生态类型以中生植物为主。应用TWINSPAN将67个样方划分为17个组,依据《中国植被》的分类原则和系统确定为21个群丛。对PCA排序的第一轴起主要作用的是以北沙柳（Salix psammophila）、假苇拂子茅（Calamagrostis pseudophragmites）和碱茅（Puccinelia distans）为建群种的群落,对第二轴起主要作用的是以寸草苔（Carex duriuscula）为建群种的群落。植物群落分布DCCA排序第一轴主要与地下水位、HCO₃^-含量负相关,与土壤粗砂粒正相关;第二轴主要与土壤Ca²⁺、K⁺和Na⁺含量正相关,与土壤容重负相关;其中地下水位和土壤Ca²⁺、K⁺和Na⁺含量是环境因子中影响丘间低地植物群落特征和分布的主要因子。     

毛乌素沙地中部风成沙的组成与微形态特征

分析了毛乌素沙地中部流动沙丘与固定-半固定沙丘沉积物粒度、元素和微形态特征。结果表明：流动沙丘沙和固定-半固定沙丘沙均以细沙和中沙为主,流动沙丘沙的分选性较好,而固定-半固定沙丘沙的分选性较差,沙丘在频繁强烈的风沙活动环境下跃移搬运,且搬运方式一定,搬运动力稳定。与上部陆壳平均化学组成（UCC）相比,常量元素SiO₂和Na₂O富集,其余均亏损,而微量元素中,Co富集明显。沙丘沙物质CIA值与上部陆壳平均值接近,表明沙丘经历了低等的化学风化。流动沙丘和固定-半固定沙丘颗粒磨圆度普遍较差,大多呈现棱角状或次棱角状外形,真正圆状外形较少。风成环境的典型标志碟形撞击坑占比很大,推断毛乌素沙地中部气候相对干燥,机械作用占主导地位,化学风化作用甚微。     

放牧制度下荒漠草原主要植物生物量及能量分配研究

以内蒙古苏尼特右旗短花针茅荒漠草原为研究对象,通过划区轮牧与自由放牧的比较试验,从植物构件方面研究了3种主要植物种短花针茅、无芒隐子草和碱韭营养枝、生殖枝、分蘖节及其根生物量和能量分配对不同放牧制度的响应。结果表明,禁牧和划区轮牧有利于植物的地上部分生长和有性繁殖,自由放牧区短花针茅和无芒隐子草将把更多的资源和能量用于营养生长,有性生殖严重受阻,以抵御不利的生长环境;划区轮牧提高了碱韭分蘖节的生物量、短花针茅和碱韭构件能量现存量及总能量现存量。短花针茅、无芒隐子草和碱韭根的生物量、能量现存量、生物量分配比例以及根冠比能量现存量、根的能量分配比例划区轮牧区与自由放牧区均高于禁牧对照区;短花针茅、无芒隐子草和碱韭不同构件及植株整体热值划区轮牧区也高于自由放牧区。营养枝与生殖枝的生物量和能量分配没有显著的颉颃关系,但营养枝与分蘖节生物量和能量分配比例间呈显著的颉颃关系。     

毛乌素沙地现代沙丘沙的粒度特征及其意义

对毛乌素沙地不同类型41个现代沙丘的沙粒度分析结果表明,流动沙丘沙主要由细沙和中沙组成,平均粒径为2.17 Φ;固定-半固定沙丘沙的主要粒级是细沙和极细沙,平均粒径为3.09 Φ。流动沙丘沙平均粒径整体自西北到东南减小,而分选性总体表现为中等-较好,无明显空间变化规律。概率累计曲线和粒度特征参数散点图表明,毛乌素沙地沙丘沙以跃移搬运方式为主,存在着就地起沙和就地堆积的可能。平均粒径和分选性空间变化规律的差异,是在频繁强烈的风沙活动环境下物源和大气环流共同作用的结果。     

毛乌素沙地南缘不同活性沙丘土壤水分时空变化

以毛乌素沙地南缘风沙活动区典型的不同活性沙丘(流动沙丘、半流动沙丘、固定沙丘)为研究对象,于2011、2012年4-10月,每月2次,利用烘干法对3种沙丘迎风坡、丘顶、背风坡底部的0~100 cm深度土壤水分进行定位监测,分析了3种沙丘土壤水分时空变化特征。结果表明:土壤水分含量总体表现为固定沙丘>半流动沙丘>流动沙丘。3种沙丘平均土壤水分含量大体上都表现为秋季 >春季 >夏季。3种沙丘背风坡底部土壤水分含量最高,其次是迎风坡,丘顶最低,且迎风坡和丘顶两年平均土壤水分含量差距不大。表层0~10 cm土壤水分含量季节之间差异最大,随深度增加,土壤水分季节变异系数减小。沙丘各部位土壤水分含量垂直变异系数总体变化趋势为从春季到夏季增加,从夏季到秋季减小。土壤水分含量在0~100 cm的垂直变异系数与土壤水分含量为负相关关系,水分含量越高,土壤水分在0~100 cm之间的变化幅度越小。研究区3种沙丘土壤含水量变化水分可分为4个时期:4-5月为春季缓慢积累期,6-8月为夏季消耗期,9-11月为秋季积累期,12月到次年3月为冬季稳定期。总体上,天然植被对水分的涵养效果大于其消耗,本区降水可以维持不同活性沙丘的天然植被生长。     

Cultivated-land change in Mu Us Sandy Land of China before and after the first-stage grain-for-green policy

Mu Us Sandy Land(MUSL) of China, as a typical eco-fragile and farming-pastoral transitional region, shows great vulnerability to disturbances from cultivation activity. In this region, the conflict between cultivation activity and environmental protection has not attracted great importance until the implementation of China's Grain-for-Green Policy(CGGP) since2000. Here, using Landsat5 TM/Landsat7 ETM+ images from 1990, 2000, and 2010, we monitor the cultivation activity and land-use/cover changes(LUCC) resulting from cultivation activity in the MUSL region. Based on the data from images, we developed a series of databases of cultivated activity-induced LUCC and use them to discuss comparatively the spatio-temporal evolution trends of cultivation activity before and after CGGP implementation. These results provide evidence for managers to evaluate the implementation effectiveness of governmental policy and the influence of cultivation activity on the ecological environment of the MUSL region.