黑河下游河岸林植物水分来源初步研究

通过分析黑河下游极端干旱区荒漠河岸林植物木质部水及其不同潜在水源稳定氧同位素组成(δ18O),应用"同位素质量守恒多元"分析方法初步研究了不同潜在水源对河岸林植物的贡献.结果表明:在黑河下游荒漠河岸林生态系统,在河水转化为地下水和土壤水及水分在土壤剖面再分配的过程中均存在强烈的同位素分馏.对植物水δ18O而言,胡杨、柽柳和苦豆子的δ18O分别为-6.43‰、-6.28‰~和-6.61‰,较苦苣菜(-5.14‰)和蒲公英(-5·52‰)明显偏负.柱状频率图显示胡杨最多能利用93%的地下水,柽柳最多利用90%的地下水.而苦豆子97%水分来源于80 cm土层范围内的土壤水.除0~20 cm土层内的土壤水外,苦苣菜和蒲公英可能还有其他潜在水源.即在黑河下游天然河岸林乔木和灌木较多地利用地下水,而草本植物仍然以地表水为主.     

黑河下游典型生态系统水分补给源及优势植物水分来源研究

通过对黑河源区降水、 黑河下游河岸林生态系统、 人工梭梭林生态系统梭梭及戈壁红砂生态系统土壤水和浅层地下水稳定氢氧同位素组成(δD、 δ¹⁸O)的测定, 对黑河下游典型生态系统土壤水和浅层地下水的补给源进行了研究. 同时通过对比分析河岸林生态系统胡杨和柽柳、 人工梭梭林生态系统梭梭及戈壁红砂生态系统红砂等优势植物根系水及其对应的土壤水及浅层地下水的δ¹⁸O, 对黑河下游典型荒漠植物水分来源进行了研究, 并对不同潜在水源对植物水分来源的贡献率进行了计算. 结果表明: 河岸林生态系统和人工梭梭林生态系统的土壤水和浅层地下水来自黑河源区的降水, 源区降水通过黑河河道输水补给河岸林进而形成土壤水和浅层地下水, 但人工梭梭林的土壤水蒸发作用强烈. 戈壁红砂生态系统由于远离黑河, 土壤水不受黑河源区中上游输水的补给. 就植物水分来源而言, 在河岸林生态系统中, 乔木胡杨主要利用40~60 cm的土壤水和地下水, 灌木柽柳主要利用40~80 cm的土壤水; 人工梭梭主要利用200 cm至饱和层土壤水和地下水; 戈壁红砂主要利用175~200 cm的土壤水. 因此, 在黑河下游极端干旱区, 土壤水和地下水是维持荒漠植物生存、 生长及发育的主要来源.     

额济纳绿洲近20年来土地覆被变化

土地利用/土地覆被变化研究是近年来全球环境变化研究的焦点之一。根据黑河下游额济纳绿洲土地生态分类,利用1982年与2000年2期TM遥感数据对比和野外实地调查,采用景观生态空间分布格局分析方法,分为河岸乔木林、河岸灌草林、荒漠稀疏灌丛、荒漠稀疏草地、河道与水域、盐碱化土地、城镇、戈壁、流动沙丘和剥蚀地山丘陵, 从各类土地分布面积变化和类型转移趋向与幅度两个方面,分析了额济纳绿洲20年来土地覆被变化。结果表明：①土地覆被类型结构发生了较大变化,河岸乔木林面积萎缩了0.97％、斑块数减小了376,而河岸灌草林增加了0.92％,数量减小1 316;而％LAND指数荒漠稀疏灌丛由4.49％增加到5.65％,由于中游来水量的锐减,河道和水域的斑块数由40个减少到6个,％LAND指数减小了0.15％。与此同时流动沙丘％LAND指数增加了0.42％。②近20年来以胡杨为主的河岸乔木林和荒漠稀疏草地减小了45.02％和14.55％,相应地以柽柳为主的河岸稀疏灌草地和荒漠稀疏灌丛增加了35.03％和25.88％;河岸乔灌林向河岸灌草林景观转移概率为45.95％,向荒漠稀疏灌丛和稀疏草地转移了0.78%和3.01％,向戈壁转移了10.87%;河岸灌草林景观类型向河岸乔灌林转移8.06％,向稀疏灌丛和稀疏草地转移10.95%和19.64%,向戈壁转移11.88％;③额济纳绿洲具有从河岸乔木→河岸灌草地→荒漠稀疏灌丛快速演化的趋势。     

黑河下游胡杨季节尺度径向生长变化研究

利用半径型树木生长测量仪, 于2009-2010年生长季对西北内陆河-黑河流域下游荒漠河岸林优势树种-胡杨径向生长进行了监测, 结合环境气象、 水文因子同步监测资料, 对胡杨季节变化节律和环境影响因素进行了研究.结果表明: 按照胡杨径向生长日变化特征, 将其分为增长型(ΔR+)、 负增长型(ΔR-)和持续增长型(ΔR++)3种类型.在生长季, 胡杨径向生长季节变化呈"S"型, 可分为前期缓慢增长(P1)、 迅速增长(P2)和后期微弱增长(P3) 3个阶段; ΔR+/++类型在这3个阶段中所占比例分别为63.64%, 85.51%和48.61%; 5月末至8月初是胡杨年轮形成的主要阶段, 在该阶段气温和地下水位埋深均表现出显著的相关关系, 但地下水位埋深应是最根本的因素. 因此, 在树木年轮学应用方面, 胡杨可以用来反演区域水环境变化, 包括河道径流和地下水位变化等. 在荒漠河岸林管理方面, 满足春夏季地下水位条件和适度频率的春汛, 是保证该地区胡杨河岸林正常生长和保持合理种群结构的前提.     

黑河流域地表反照率估算及其时空特征分析

基于不同空间尺度、长时间序列的地表反照率产品探究黑河流域2000—2012年的反照率时空变化特征。首先基于角度格网化(AB)算法对黑河流域30 m环境卫星一号HJ-1/CCD大气层顶方向反射率进行了地表反照率估算,作为高空间分辨率的地表反照率产品;选择同种算法计算的1 km空间分辨率的Global LAnd Surface Satellite(GLASS)反照率产品作为低空间分辨率反照率产品。结果表明:1利用AB算法反演的HJ卫星反照率具有较高精度,满足流域尺度反照率时空特征分析的精度要求;2黑河流域地表反照率空间分布差异显著,流域上游植被覆盖区域反照率较低,中下游荒漠地表反照率较高;3流域地表反照率的年内变化与季节性降雪和作物物候周期性变化一致。从季节变化角度,黑河流域反照率月平均值的年变化呈"U"字型,其中,冬季反照率最高,春季和秋季次之,夏季最低。从年际变化角度,黑河下游反照率呈上升趋势,上游和整个流域呈下降趋势。     

黑河流域典型景观植被带陆面过程同步观测研究

为了解内陆河流域不同尺度内与水循环及生态过程有关的水分、热量分布规律,在黑河流域上中下游选取3个典型植被景观带建立观测场,并布设环境观测系统(ENVIS)进行环境要素的同步观测.结果表明,山区森林草地灌丛复合生态区陆面是冷性湿润的下垫面,中游绿洲荒漠接触带是干性、较湿润的下垫面,下游荒漠河岸林景观带是干热性的下垫面.     

荒漠绿洲区人工梭梭林土壤水分空间异质性的定量研究

利用12×12m²样地中1×1m²、0～100cm剖面的土壤水分调查数据,采用地统计学原理与方法,研究了人工梭梭林(Haloxylon ammodendron)在栽植20a后的土壤水分格局的空间异质性程度、异质性组成、尺度以及与梭梭生长的关系.结果表明:人工梭梭林土壤水分空间异质性的96%～88%是由空间自相关因素引起的,随机因素起的作用较小.除60～80cm土层土壤水分的块金值与基台值比值较高(C₀/(C₀+C)=0.5),其它各层都较小(0.04～0.12),变程为1.57～2.97m.在较小(<2m)和较大(>8m)的尺度上,土壤水分的空间相关性较强.沿垂直剖面土壤含水量差异显著,10～20cm土层含水量最高(2.82%),其它各层较小(1.30%～1.67%).     

不同立地条件下胡杨叶片稳定碳同位素组成及水分利用效率的变化

研究了黑河流域下游额济纳荒漠河岸不同立地条件下胡杨(Populus euphratica Olivier)叶片稳定碳同位素组成及水分利用效率的变化特征. 结果表明: 5个典型样地中, 胡杨叶片δ¹³C值在(-25.80～±0.05)‰～(-29.19～±0.05)‰间变化, 均值为(-27.70～±0.13)‰; 就生长季胡杨叶片δ¹³C均值而言, 沙丘样地具有最高的δ¹³C值, 其次为戈壁样地, 最低值出现在河岸低地. 样地间δ¹³C值的差异主要是由样地间土壤含水量和地下水埋深的不同导致的; 整个生长季胡杨叶片δ¹³C值在样地间表现为2种变化趋势. 5个典型样地生长季胡杨水分利用效率在(60.41±0.47)～(95.46±0.47) μmolCO₂·(mmolH₂O)^-1间波动变化, 其平均值为(75.69±1.37) μmolCO₂·(mmol H₂O)^-1, 从水分利用效率波动范围和平均值可以看出, 胡杨是个具有高水分利用效率的物种. 从河岸低地到河岸沙堆再到戈壁、沙丘, 随着土壤含水量逐渐下降, 地下水埋深逐渐加深, 胡杨逐渐提高了其水分利用效率.     

生态水利工程对塔里木河荒漠河岸林植被的水文响应研究

在与干旱区河流水文变化过程的长期适应过程中,荒漠河岸林植被繁育更新、群落演替及分布格局与河流水系变迁形成了不可分割的密切关系。因此,深刻理解多尺度下的荒漠河岸林与水文过程的协同适应机制成为开展生态保护最为关键的科学基础。本文针对不同水文过程下荒漠河岸林多尺度协同适应过程的关键科学问题,从水量水文的研究角度出发,以水量平衡原理出发,并采用Mann-Kendall趋势检验对流域覆盖植被盖度进行研究,得到河道耗水量和生态闸放水量的峰值与地下水埋深的谷值存在一致性,生态闸放水对抬升地下水埋深,进而促进植被生长起到关键作用。表明生态水利工程促进了植物生长需水与供水(即生态闸放水和地下水埋深变化)的过程耦合,提高了植物生长对水资源的利用效率。     

干旱区荒漠植被丙二醛及保护酶活性对地下水位的响应

塔里木河下游的乔木、灌木、草本植被的主要建群种为胡杨、柽柳和罗布麻,对其中丙二醛(MDA)含量以及保护酶活性对地下水位的研究表明:1)MDA含量以及SOD、POD活性均呈增加趋势,而且均与地下水位呈正相关关系;2)对同一断面相同地下水位条件下胡杨、柽柳和罗布麻的SOD活性和POD活性比较,可以反映出SOD和POD作用的互补性;3)根据不同地下水位条件下胡杨、柽柳和罗布麻的MDA含量和SOD活性所反映出的适宜植物生存的合理生态水位、(严重)胁迫水位,并将其进行综合比较与分析,初步推断在塔里木河下游地下水埋深超过3.12 m时,胡杨和柽柳的生长即开始受到抑制,6 m左右的地下水位即对胡杨造成严重胁迫,≥8.83 m的地下水位则会危及胡杨的生存;而柽柳的严重胁迫地下水位以及临界地下水位分别为5 m左右和≥8.83 m.相比之下,罗布麻所能承受的胁迫地下水位比较高,超过3.12 m的地下水位即会对其生长造成严重水分胁迫,地下水位低于4.42 m则危及其生存.     

风对极端干旱区胡杨蒸腾速率的影响

以2014年4-11月的胡杨蒸腾速率和风速的实测数据, 分析了风对极端干旱区胡杨蒸腾速率的影响. 结果表明: 不同风速对胡杨蒸腾速率的影响存在差异, 风速的瞬时变动并不一定都会促进蒸腾速率的升高. 0~2 m·s^-1风速作用对胡杨蒸腾速率的影响不大; 2~8 m·s^-1风速作用下, 胡杨蒸腾速率显著升高, 且随着风速的增大, 蒸腾速率上升幅度增加. 其中, 2~4 m·s^-1风速作用下, 其变化幅度较0~2 m·s^-1时增加了4.51%; 4~6 m·s^-1风速作用下, 其变化幅度较2~4 m·s^-1时增加了7.03%; 6~8 m·s^-1风速作用下, 其变化幅度较4~6 m·s^-1时增加了16.19%. 当风速大于8 m·s^-1时, 胡杨蒸腾速率不再上升而呈下降趋势, 且随着风速的增加, 蒸腾速率降低的幅度也越大, 其中, 8~10 m·s^-1风速作用下, 蒸腾速率下降了8.08%; 大于10 m·s^-1的风速作用下, 胡杨蒸腾速率的下降幅度高达32.91%. 胡杨蒸腾速率和风速的错位相关分析表明, 风速对胡杨蒸腾速率的影响多为实时性的, 在极少数的大风天气影响下, 蒸腾速率恢复的时间较慢, 形成了个别日期的滞后效应. 风速和胡杨蒸腾速率的指数拟合关系最显著, 且2~8 m·s^-1风速下, 蒸腾速率随着风速呈指数增加趋势; 8 m·s^-1以上风速作用下, 蒸腾速率随着风速的增加呈指数减少趋势. 在0~2 m·s^-1风速作用下, 蒸腾速率变化不大.     

应用热脉冲技术对胡杨和柽柳树干液流的研究

应用热脉冲技术对干旱区胡杨(Populus euphrtaicr)和柽柳(Tamaris spp.)树干液流速度进行了研究.结果表明:在正常生长状态下,胡杨树干单位面积液流通量为0 34L·cm^-2·d^-1,柽柳为0 15L·cm^-2·d^-1.树液流速的日变化表现出多峰形特征,在午后有短暂液流急速减小的现象,而晚上植物为了补充体内水分亏缺,保持一定的树液流量.随着胸径的增大,茎流速率和茎流量也随之增大.在生长季节胸径21cm和15cm的胡杨日平均耗水量23.3L和19.25L;基径5cm和4cm的柽柳日平均耗水量0.62L和0.37L.在生长季节(5～10月)胡杨总蒸腾量为3419.4L,柽柳仅为63.9L.     

热脉冲技术在确定胡杨幼树干液流中的应用

探讨了热脉冲技术在确定胡杨(Populus euphratica)幼树干液流中的应用.结果表明:在树木正常生长状态下,胡杨在4月下旬至5月中旬开花期树干单位面积液流通量为0.13～0.15L·cm^-2·d^-1;树干液流速度的动态变化呈多峰状曲线,6月份枝叶速生期树干单位面积液流通量为0.294L·cm^-2·d^-1;树干径向断面形成层以下不同深度的树液流速具有相同的日变化趋势;夜间,胡杨存在明显的树干液流上升现象,补充白天植物蒸腾丢失的大量水分,恢复植物体内的水分平衡;树干液流速度在不同的方位有所差异.并对胡杨单位面积液流通量与杨树、辽东栎、大叶白蜡、棘皮桦、五角槐、小美旱杨、油松进行了对比研究.     

胡杨树干液流日变化及其与气象因素的相关关系

选取塔里木河中游胡杨林自然保护区内不同长势和直径的六棵胡杨（Populus euphratica Oliv.）样木,利用热比率树干液流仪（SFM1）进行树干液流测定,并分析其日变化规律;同步监测各样地的气象因子,建立气象因子与树干液流速率日变化之间的逐步回归方程（Stepwise Regression Equation）,分析气象因子对胡杨树干液流的影响。研究结果如下：（1）不同长势和直径的胡杨树干液流速率差异很大,但其整个日变化过程类似,均有明显的昼夜变化规律。旺盛胡杨树干液流日变化特征呈单峰曲线,而衰弱胡杨呈双峰曲线。（2）大直径胡杨树干液流速率和日累计液流量大于小直径胡杨;长势旺盛的胡杨树干液流速率和日累计液流量均大于衰弱胡杨。各胡杨样木日累计液流量的大小排序为：旺盛大直径胡杨 > 旺盛中直径胡杨 > 衰弱大直径胡杨 > 旺盛小直径胡杨 > 衰弱中直径胡杨 > 衰弱小直径胡杨。（3）虽然胡杨各样树在长势和直径结构上有差异,但其树干液流速率日变化与气象因子的关系大致相同,均与太阳辐射、气温、风速和土壤温度呈显著正相关（P<0.05）,而与空气湿度呈显著负相关。（4）在诸多气象因子中,气温、太阳辐射和空气湿度是影响树干液流速率的主要因子。     

黑河流域山前绿洲水量转化模拟研究

利用数字高程数据、遥感解译成果、地下水和水文气象资料,建立了一个基于GIS网格的黑河中游山前绿洲地区分布式水文模型.模拟结果表明,黑河流域中游山前绿洲地带的降水几乎完全消耗于蒸散发,且大约70%的山区地表径流补给也消耗于蒸散发.蒸散发以中游森林为最多,草本植被蒸散发同植被覆盖度呈正比.天然植被覆盖度同降水量的多少呈正比,在当地气候条件下,降水是天然荒漠植被类型和分布的控制因子.     

黑河流域山区植被生态水文功能的研究

依据土壤-植被-大气系统的结构特性,从林冠层、苔藓-枯枝落叶层、土壤层剖面结构分析了黑河流域山区水源涵养林在水文过程中的作用.观测试验表明,林冠截留大气降水的32.7%,使到达林地的水分相对减少而养分增加,而林冠遮荫使林内土壤蒸发仅为林外草地的34.2%.苔藓-枯枝落叶层疏松多孔,最大持水量可达12.5mm水层深,加上表层较高的体积含水量和较小的水分变差系数,使其在涵蓄一部分大气降水的同时具有良好的保水性能.林地土壤具有良好的渗透性和涵蓄大气降水的能力,从而减少了地表径流量.森林的蒸散发使林区空气湿度高于周边地区17%,形成山区独特的森林小气候,从而进一步影响着山区的水文过程.     

Response of riparian vegetation to water-table changes in the lower reaches of Tarim River, Xinjiang Uygur, China

The lower reaches of Tarim River in the Xinjiang Uygur region of western China had been dried out for more than 30 years before water began to be diverted from Konqi (Peacock) River via a 927-km-long channel in year 2000, aimed at improving the riparian ecological systems. Since then, eight intermittent water deliveries have been carried out. To evaluate the response of riparian vegetation to these operations, the groundwater regime and vegetation changes have been monitored along the 350-km-long stem of the river using a network of 40 dug wells at nine transects across the river and 30 vegetation plots at key sites. Results show that the water table rose remarkably, i.e. from a depth of 9.87 m before the water delivery to 3.16 m after the third water delivery. The lateral distance of affected water table extended to 1,050 m from the riverbank after the fourth water delivery. The riparian vegetation has changed in composition, type, distribution, and growing behavior. This shows that the water deliveries have had significant effects on restoration of riparian ecosystems.     

基于地理加权回归的青藏高原季节冻土区土壤有机碳空间分布研究

青藏高原土壤有机碳储量（soil organic carbon stocks, SOCS）对于区域生态环境演替具有重要作用, 但是其空间分布数据还比较缺乏, 特别是季节冻土区的数据较少。基于378个土壤剖面数据, 结合与土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）相关的地形、 气候以及植被等环境因子, 使用地理加权回归（geographically weighted regression, GWR）模型模拟了青藏高原季节冻土区0 ~ 30 cm、 0 ~ 50 cm、 0 ~ 100 cm和0 ~ 200 cm深度的SOC总量和空间分布。结果表明： 青藏高原季节冻土区SOCS自东南向西北递减, 表层0 ~ 200 cm的SOC总量约15.37 Pg; 季节冻土区不同植被类型SOC从大到小依次为森林、 灌丛、 高寒草甸、 高寒草原和高寒荒漠; 各土壤类型中棕壤、 黑钙土和泥炭土的SOC最大, 而棕钙土、 棕漠土、 灰棕漠土、 风沙土、 石质土、 盐土、 冷钙土、 寒漠土以及冷漠土的SOC最小。研究结果给出了青藏高原季节冻土区SOC的总量、 空间分布及规律, 可为相关地球模式的发展提供基础数据。     

非饱和水分运动参数空间变异与最优估值研究

以野外砂壤土30m×30m空间的实测土壤参数试验为基础,通过对实测数据的统计分析得到饱和水力传导度KS及容水度C遵从正态分布,而孔隙大小分布参数α遵从对数正态分布。应用变差函数对参数KS和α的空间结构进行分析得到两参数的空间结构可用球状变差函数模型进行描述。根据Kriging最优估值理论,分别对两参数空间的值进行了估计,结果表明本研究的野外实测试验点的数目减少26%即可满足精度要求,同时与克立格方法相比采用协克立格方法对参数lnα进行估计,其估计方差平均减少6.87%。