Spatially-explicit modelling of grassland classes - an improved method of integrating a climate-based classification model with interpolated climate surfaces

Spatially-explicit modelling of grassland classes is important to site-specific planning for improving grassland and environmental management over large areas. In this study, a climate-based grassland classification model, the Comprehensive and Sequential Classification System (CSCS) was integrated with spatially interpolated climate data to classify grassland in Gansu province, China. The study area is characterized by complex topographic features imposed by plateaus, high mountains, basins and deserts. To improve the quality of the interpolated climate data and the quality of the spatial classification over this complex topography, three linear regression methods, namely an analytic method based on multiple regression and residues (AMMRR), a modification of the AMMRR method through adding the effect of slope and aspect to the interpolation analysis (M-AMMRR) and a method which replaces the IDW approach for residue interpolation in M-AMMRR with an ordinary kriging approach (I-AMMRR), for interpolating climate variables were evaluated. The interpolation outcomes from the best interpolation method were then used in the CSCS model to classify the grassland in the study area. Climate variables interpolated included the annual cumulative temperature and annual total precipitation. The results indicated that the AMMRR and M-AMMRR methods generated acceptable climate surfaces but the best model fit and cross validation result were achieved by the I-AMMRR method. Twenty-six grassland classes were classified for the study area. The four grassland vegetation classes that covered more than half of the total study area were "cool temperate-arid temperate zonal semi-desert", "cool temperate-humid forest steppe and deciduous broad-leaved forest", "temperate-extra-arid temperate zonal desert", and "frigid per-humid rain tundra and alpine meadow". The vegetation classification map generated in this study provides spatial information on the locations and extents of the different grassland classes. This information can be used to facilitate government agencies' decision-making in land-use planning and environmental management, and for vegetation and biodiversity conservation. The information can also be used to assist land managers in the estimation of safe carrying capacities which will help to prevent overgrazing and land degradation.

增强UV-B辐射对暖温带落叶阔叶林下土庄绣线菊水分生理和氮素利用及形态特性的影响

在中国北方大部分地区，水分始终是影响植物生长和分布的最主要限制性因子之一，植物在其生长期经常遭受水分胁迫。不仅如此，随着大气同温层中臭氧浓度的减少，过量的有害紫外辐射（主要是UV-B，280nm-320nm）将穿透大气层达到地球表面。随着全球变化的加剧，这些地区的植物将不可避免地受UV-B和水分胁迫的共同作用。 本实验是在北京东灵山暖温带森林生态系统中，选择常见灌丛土庄绣线菊(Spiraea pubescens)，建立UV-B控制实验。连续三个生长季每天增补9.4kJ•m-2的辐射剂量，模拟臭氧衰减17%时近地表面UV-B辐射的增强。本实验的目的是观测在野外环境下，长时间人工增强UV-B辐射对土庄绣线菊水分生理、氮素利用以及形态特征的影响。具体对以下指标进行测定：叶片的气孔导度、碳同位素比率（δ13 C）、叶含水量、叶面积、水分利用效率（WUE）、叶全氮含量、叶氮素再吸收率。 实验结果表明，增强UV-B辐射显著减少了土庄绣线菊的叶面积（50.1%），提高了叶片全氮含量(102%)，处理植株的氮素再吸收率比对照植株高出50.9%。同时，UV-B辐射还在一定程度上（尽管统计显示不显著）降低了气孔导度(16.1%)、胞间CO2浓度与大气CO2浓度之比(Ci/Ca) (4.0%)、提高了碳同位素比率（δ13 C）(20.5‰)、叶含水量(3.1%)及比叶重（SLW）(5.2%)，从而导致水分利用效率（WUE）的增加(4.1%)，植物的抗旱能力增强。值得注意的是，深层土壤（30-40cm）含水量变化会影响气孔导度、δ13 C、WUE对紫外辐射的响应程度：在土壤干旱的季节（6月和9月），气孔导度、δ13 C、WUE这些指标处理和对照的差异很小，但是当土壤水分充足时（7月和8月），处理和对照的差异就较为显著。另外，随着实验处理时间的延长UV-B的效应变得不显著。相关分析表明，UV-B辐射降低了土壤含水量（30-40cm）与土庄绣线菊叶含水量、δ13 C、Ci/Ca、气孔导度的相关系数，增强了WUE与土壤含水量的相关性，这也许是由于UV-B辐射增强了WUE对土壤水分变化的敏感性。本研究的结果表明UV-B辐射对土庄绣线菊的形态和生长有显著的影响，但对主要水分生理指标影响不显著。

森林生态系统的养分循环-一个温带落叶阔叶林生态系统的研究

l、有机质和全N在草甸土壤的不同层次之间呈现明显的差异，表现力随着土壤深度的增加，含量逐渐降低。无机N包括NH4+-N和No3--N在土层之闻的差异并没有象全N和有机质那么显著。NH4+-在表面30Cm的土壤中明显高于NO3--N的。全P在各层土壤中的含量差异并不显著，但有效p在三层土壤中表现出明显的差异，表现为随土壤深度的增加而降低。 K、Na、Ca、Mg、Fe和AI等6种金属元素的可交换成分在革甸土壤中的含量除K表现出明显的土层间的差异外，在表层30cm的土壤中并没有明显的随土壤深度变化的趋势。 有机质和全N在东灵山地区主要森林土壤中的含量以0~lOcm土层中的显著高于10~20cm的土层中的。20cm的土层中无机N中也以NH4+-为主，这与草甸土壤中的一致。全p和有效P在两个土层之间的差异并不十分显著，而以0^lOcm土层略高于10～20Cm土层的。 K、Na、Ca、Mg、Fe和AI等6种金属元素的可交换成分在不同土层间的差异以K和Ca较为明显，K和Ca在O—1Ocm的土层中要高于lO-20cm的。 森林土壤中的有机质、全N（包括NH4+-N）、全p（包括有效P)都表现为低于亚高山草甸土壤中的，主要原因是亚高山革甸分布于海拔1800cm至2300m，而主要森林类型则基本分布在海拔120m至1500m，亚高山草甸较为恶劣的气候条件明显不利于有机质的矿化，因而分解速率较低，积聚了较多的有机质．而森林土壤中较低的NH4+-N和有效P则可能是由于森林中旺盛的生命活动，尤其是微生物的活动，而大量被植物和微生物固持，因而，即使在森林土壤中有较高的矿化速率，但仍具有较低的NH4+-N和有效p的含量． 不同类型的森林土壤之间各化学成分并没有发现有明显的变化趋势，即使森林类型差异较大的落叶阔叶林和针叶林之间也并没有发现十分显著的差异，这说明各森林类型土壤之间养分特征的一致性。两种针叶林均为人工林，林龄不超过30，而在这之前推测也是以落叶阔叶林为主，森林土壤在这30年间并没有发生十分明显的变化。 在l100m至I500m之间的各种森林类型的土壤也没有表现出十分明显的与海拔高度的相关性。同一森林土壤在不同时间的采样之间，各化学成分也没有表现出明显的差异。 2、降水引起的树干茎流水分中全N的含量在降水季节的初期的含量略高于大量降水期间的。而在降水季节后期，随着每次降雨量的减少，降水间隔时间的增加，树干茎流中N的含量明显地有很大幅度的升高。NO3-N在树干茎流中的含量也同样受到了降水量的影响，表现在后期也发生显著的升高，但升高的幅度没有全N的大。受到降水量影响的元素还有S。 全p在树干茎流水分中含量随降水时间的变化，在各个树种之间有很大的差异。 其它几种元素的可交换态在茎流水分中的含量以K的含量为最高;其次是S、ca、Mg，AI在所有分析的元素中含量最低。不过，AI在降水初期(6月22日)的取样中，含量在几个树种的茎流水分样品中普遍较高，Ca和Mg也被发现有类似的情形。 穿透雨中全N的含量在降水初期略高于降水中期的，而至降水末期时又略有升高，这种格局与树干茎流水分中的具有一致性。全P、K、Ca、Mg、S．ＡＩ等包括全N及其无视成分与树干茎流中的含量的差异并不显著． 地表径流中的全N含量在去除枯枝落叶层的径流场的变化格局与树干茎流和穿透雨中的较为一致．表明这三者之间存在一定的相关性．但与未去除枯枝落叶层的径流场的径流水分中全N和NO３－Ｎ的含量并不十分一致，全N和NO３－N的含量有时较高． 取自马牙石沟流水堰口的集水区水样中全N和NO３-N的含量均变化在l～3ｍｇ／L之间;而取自南沟流水堰口的集水区水样中的全N和N03-N的含量均在l～2mg／L之间，但在这两者之间并没有十分显著的差异，说明取自两个集水区溪流水分中的全N和N03-N的含量基本一致。 3、通过对三个森林立地乔木层生物量的两次调查（相隔6年），发现尽管以辽东栎为主要优势树种的暖温带落叶阔叶混交林（91- 03）第一次调查的生物量低于辽东栋林（91 - 02）和桦木林（91 - 04)的，但在生长6年后，该立地的乔木层生物量已明显超过桦木林的，其增长速率在三个样地中为最高。 根据两次调查的结果，三个样地中出现的11种乔木树种胸径的增加可以分成两组，第一组包括北京花楸、糠椴、白桦和辽东栎，另一组则由山杨、五角枫、棘皮桦、大叶白蜡、蒙椴、黄花柳和沙涞组成。6年中，第一组树种的胸径增加量在1.O～l.4em之间，而第二组的增量在0.2~O.9cm之间，两者之间具有显著的差异。 常用的生物量预测模型包括两个因子，即胸径(D)和树高(H)。D通常可以实测得到，但H大部分只能估计得到。本研究通过比较6年前后两次树高的实际估测结果，证明用D和H共同建立的模型预测结果可能会产生较大的人为误差，建议改用D的单因子预测模型。 无论是实测结果还是树木年轮分析结果，都表明处于目前径级水平的暖温带地区分布的这几个树种还处在不断生长的过程中，随着年龄的增加，表现为胸径还有很大程度的增加，因为这些树种目前的大径级个体的年平均增加速率大于小径级的． 树木年龄与胸径的相互关系的分析结果表明，树木年龄和胸径可以很好地用饱和模型Y=a-be－ｃｘ来拟合． 4、通过近5年对辽东栎枝条( D<0.5cm)和叶片凋落物分解的观察和分析，发现辽东栎枝条的总失重率达到了43%，分解速率常数k为2.713x10－3／周，而叶的总失重率则可以达到70%，分解速率常数k为6.234xl0-3/周. 枝条分解过程中的有机质含量变化可以分为三种类型，一种是单调上升型的，如蛋白质，其含量从3.5%增加到约6%;-种是单调下降型的，如半纤维素，约从15%降低至7%;另一种则是相对变化不大，如粗纤维（包括纤维素和木质素），粗纤维的含量变化在58％±3%，木质素变化在56%±2.5%，纤维素则变化在1%～3%之间。 用Olson指数方程拟合，结果表明粗纤维、木质素和半纤维素三者的分解以半纤维素为最快，分解速率常数为5.693xl0-3／周，其次是木质素和粗纤维，分别为2.461x10-3/周和2.352xl0-3／周．而蛋白质和纤维素的拟合结果较差或根本无法拟合． 用Olsoｎ指数方程拟合的结果表明，有些元素在凋落物分解过程中可以很好地用该方程拟合，如K，Na、Mn和C，p和N，Mg，Zn，而一些元素如Ca和Cu没有取得很好的拟合效果。 几种元素在叶片凋落物分解过程过程的丢失速率也以K为最快，其它元素的顺序为，e，N，p，Na，Mn，Mg和Ca（Ca的拟合效果较差），而Cu、Zn也不能很好地用Olson指数方程拟合。 5、根据对东灵山地区6年(199l~1997)的气象观测结果，可得到该地区的年平均降水量和总降水量，用1994年分析的降水中养分含量的数据可以近似计算得东灵山地区每年通过降水进入该暖温带落叶阔叶林生态系统的几种养分输入量。同理可以计算降水输入养分在树干茎流和穿透雨中的分配，还可以计算养分从地表径流中的输出。通过对这几个水分循环的主要环节中养分输入或输出量的计算，发现每年通过降水而进入系统的养分，大部分将积累在系统中，而输出份额只占很小的一部分。 K和Mg两种养分元素在降水通过林冠和树干表面时，将产生大量的淋溶，而Ca的淋溶较小．N、P和AI则产生少量的吸附或吸收。对于S来说，淋溶和吸收或吸附作用相当，或两者都很小。 通过生物量的年平均增量和生物量中的养分含量可以计算得到每年积累在生物量中的养分量即存留量，同理可以计算年凋落物中的养分量、归还量及生物系统从土壤中吸收的养分量，每年养分的存留率．通过以上计算，发现该落叶阔叶林对养分的存留率较低，这可能是由于该落叶阔叶林森林生态系统每年具有较高的养分归还量，对于一些元素来说，还具有较高的淋溶量，尤其是K和Mg．

北京山区落叶阔叶林优势种水分生理生态研究

本文研究了北京山区落叶阀叶林优势种一辽东栎、大叶白蜡、北京丁香、核桃楸、山杏和荆条等乔灌木的稳定碳同位素比率，长期水分利用效率、植物蒸腾特性和土壤植物体的水分运动特点，并从植物解剖学的角度研究了这些植物叶片特点和其水分生理生态特性的关系。 对北京山区落叶阔叶林生态系统这几种乔、灌木植物叶片中的碳稳定性同位素比率(δ¹³C值)测定结果显示，这些植物叶片的δ¹³C值受多种因子的影响，具有较大的种间差异及时空异质性。主要表现在不同植物种叶片δ¹³C值不同，其排列顺序为山杏(- 24.75±0.85%。>大叶白蜡(- 25,94±1.52%。)=荆条(- 26.01±1.63%。)=辽东栎(一26.07±1.17%。)=北京丁香(-26.46±0.80c70。)>核桃楸(-28.11±1.52%。);生长初期叶片δ¹³C值较生长末期高，尤以核桃楸和辽东栎表现明显其生长初期和末期的叶片δ¹³C值皆相差达3‰;生境条件，特别是土壤水分含量和土层厚度，对植物叶片的813C值的高低有较大的影响，生长在于旱生境中的植物具有较高的δ¹³C值。另外，即使是同一株植物，叶片δ¹³C值也因其在冠层中所处的位置不同而异，冠层项部叶片的δ¹³C值高于林冠内部的叶片。北京山区落叶阔叶林优势种的长期水分利用效率与种的特点有关，山杏最高(4.950±0．l71mmolC0_2•mol-1H_2O)，核桃楸最低(3.760±0.203mmolC0_2•mol-1H_2O)，大叶白蜡、荆条、辽东栎和北京丁香居中(4.346- 4.530 mmolCO_2•mol-1H_2O)，大部分植物长期水分利用效率在春季（5月）较高，秋季较低，荆条由于物候期的特殊性在其生长季初期较低，而后逐渐增高。核桃楸在不存在水分亏缺情况下，树干液流速率受微气候因子的影响，液流速率的最大值达1600g•hour 左右。树干液流速率的日进程和大气相对湿度、温度的日进程具有相当好的生态学同步性。通过对核桃楸夜晚树干液流的分析可以得出其有根压存在的结论。 植物叶片和枝条中自由水和束缚水含量主要决定于植物种的特性，枝条的年龄、生境特点，特别是土壤水分特点。在落叶阔叶林I(样地2)中植物叶片自由水含量的排列顺序是：北京丁香>核桃楸>大叶白蜡>辽东栎;而杂灌丛（样地1）中植物叶片自由水含量的排列顺序是：核桃楸>大叶白蜡>山杏>荆条>北京丁香>辽东栎，可见群落类型对植物自由水含量影响是很大的，植物束缚水含量与其自由水含量的格局完全相反，荆条、山杏等植物含量高，核桃揪含量低。枝条水分含量有与叶片水分含量相类似的特点。 北京山区落叶阔叶林优势种的水分生理生态学特性和其叶片的特点有很大的关系，首先是植物叶片的特点总是和其种的特性相联系，主要表现在叶的类型、叶片上毛、气孔密度、着生方式等，如荆条叶片上下表面都密被披针形毛，气孔小，核桃楸气孔较大且凸出，大叶白蜡叶片上的气孔凹陷，辽东栎的气孔呈椭圆状，保卫细胞上有许多白色蜡质结晶。有一些种有环状的气孔外缘。生境的变化对叶片的形态特征有影响，在全光照条件下叶片小而犀，而在庇荫条件下叶片大而薄，在扫描电镜下可见全光照条件下北京丁香叶片基本无毛，庇荫条件下则有短微毛，全光条件下荆条叶片上毛有小乳头状凸起，庇荫条件下没有。本文所研究的植物种气孔都着生在叶片的下表面，气孔密度的大小排列顺序是：辽东栎>山杏>北京丁香>核桃楸>大叶白蜡。经方差分析显示种闷气孔密度存在极显著性差异。对所研究植物的气孔导度和环境因子、叶片解剖特点进行线性回归分析，得到了总体的和各个种的回归模型，结果表明光照强度、气孔密度等对气孔导度影响显著，但因种的不同相互之间存在差别。 植物的蒸腾速率受多因子的影响，主要有种的特点、微气候因子（光照强度、大气相对湿度、叶面温度、叶室温度等）和土壤水分特点。植物的蒸腾速率日进程和微气候因子日进程有相当好的生态学同步性。对辽东栎的蒸腾速率和光照强度的研究发现二者有很好的线性关系。这些植物蒸腾速率都表现出一定规律的日进程和季节进程，大多数植物蒸腾速率在一天中有数次波动，最高峰一般出现在中午12时之前;在整个生长季中，6月底至8月初的蒸腾速率高于其他月份。