Evolution of the Ordos Plateau and environmental effects

IEECAS SKLLQG

A multi-cycle climatic fluctuation record of the last interglacial period: Typical stratigraphic section in the Salawusu River Valley on the Ordos Plateau, China

IEECAS SKLLQG

鄂尔多斯油蒿生物量遥感动态监测研究

本研究通过对油蒿灌丛及研究地区土壤连续5个月的光谱观测，指出干旱半干旱地区土壤光谱反射的特点，油蒿灌丛的光谱反射将无可避免受土壤背景的影响．分析了油蒿灌丛光谱反射的季节动态变化，指出油蒿灌丛光谱反射不仅取决于叶片，枝条也是重要的反射构件．引入植被指数(Vegetation Index)，采用常规方法与遥感技术相结合估测油蓠单丛生物量，获得较单纯常规方法更高的估测精度，表明在干旱半干旱地区，应用植被指数估测灌丛生物量是可行的．对油蒿单优群落现存生物量动态监测，表明油蒿群落生物量8月份达到最高，是适应生态气候因子，特别是水因子的结果．观测不同深度土壤光谱反射，显示了土壤持水的稳定性．通过对研究地区土壤光谱观测，得到一条适合本地区的土壤线(8011line)．通过比较几种植被指数消除土壤背景影响和估测生物量的效果，选取综合效果最佳的植被指数- SAVI( Soil-Adjusted Vegetation Index)．利用植被指数区分典型地块，提取油蒿地块面积．

鄂尔多斯高原景观要素空间格局及植物与环境关系的定量解析

鄂尔多斯高原是一个多层次、复杂的生态过渡带，具有复杂多样的环境条件、生态特点，因此也就具有复杂多样的植物与环境关系。本文从群落和景观两个尺度水平上研究鄂尔多斯高原植物或植被与环境关系及景观空间格局。利用鄂尔多斯高原野外植物群落样方调坦数据、微生境环境数据、气候数据，以典范对应分析（Canonical Correspondence Analysis, CCA）的方法分析了鄂尔多斯高原植物分布空间格局与环境要素的关系并对秋类环境要素对鄂尔多斯高原植物空间分布格局的贡献进行了定量分解;利用1:500 000 鄂尔多斯高原植被、土壤、土地利用、土地沙漠化类型等专题地图在GIS支持下分析了鄂尔多斯高原景观空间格局、并利用上述专题图数据加上鄂尔多斯高原气候数据库分析了土壤、土地利用、土地利用、土地沙漠化和气候等对鄂尔多斯高原植被空间分布格局的作用。通过分析，得到了以下主要结论： 1 在分析方法上、利用典范对应分析的方法，把植物分布的空间因素与环境因素分离的方法发展为植物分布空间格局不同类型影响因素作用的定量分离，提出了相应的概念模型和实现方法。 2 影响鄂尔多斯高原植物分布空间格局的主要微生境环境要素是基质类型、地下水位、覆沙厚度等，而影响鄂尔多斯高原分布空间格局的主要气候要素中，降水和干湿指标的作用大于温度和热量指标的作用。 3 通过对鄂尔多斯高原植物分布空间格局与环境关系的研究，以植物对微生境环境要素的反应为根据，把鄂尔多斯高原主要植物划分为4个大类群：梁地植物、沙地植物、草甸植物和耐盐植物。根据它们对气候要素的反应，把鄂尔多斯高原主要植物划分为典型草原植物、荒漠草原植物和草原化荒漠植物3大类。进一步，根据鄂尔多劳动保护高原植物与环境关系的研究，进行了鄂尔多斯高原植被功能型划分的尝试，得到了鄂尔多斯高原的12种主要植被功能型。 4 对鄂尔多斯高原植物分布的空间格局的影响环境因素的贡献作了定量地分解。分析结果显示：鄂尔多斯高原植物分布空间格局中有27.02％可由已知环境变量得到解释，其中21.56％与微生境环境要素相关，7.51％与气候要素的作用有关，而气候与微生境环境要素的耦合作用的份额为2.05％。根据植物生长是否直接受到地下水的影响，鄂尔多斯高原存在两大类型生态特点差异明显的生境类型：中性立地和隐域生境，对两大类型生境上影响植物空间分布格局的环境要素的作用也进行了定量分解。分析结果表明：对于植物生长不直接受地下水影响的中性立地，已知环境要素的作用可以解释植物空间分布格局总信息的29.36％，稍大于对总体上鄂尔多斯高原植物分布空间格局的解释，其中9.23％与气候要素相关，22.08％与微生境环境要素相关，而两种类型环境要素的耦合作用则占1.95％。对于植物生长直接受到地下水影响的隐域生境，所有已知环境要素对植物分布空间格局的贡献率为72.28％，其中气候要素的作用为30.31％，微生境环境要素的作用为49.08％，两类环境要素的耦合作用为7.11％。 5 描述景观空间格局的指数多种多样，这些能数在描述特定区域的景观空间格局时是有信息冗余的。本文对利用FRAGSTATS所获得的鄂尔多斯高原植被、土壤、土地利用、土地沙漠化等景观分量的20个景观指数实施了因子分析。通过因子分析，我们可以把描述鄂尔多斯高原景观空间格局的景观指数归并为以下8类：多样性指数、斑块多度指数、斑块类型丰富度指数、斑块面积指数、斑块形状指数、分形维数、空间配置指数和斑块面积变异指数。通过因子分析，还得到了这些景观指数对描述鄂尔多斯景观格局的共性特征：在描述鄂尔多斯高原景观空间格局时，作用最大的是多样性指数、斑块多度指数、面积加权平均斑块形状指数和面积加权平均分形维数，其次是斑块类型丰富度指数、平均分维指数、平均形状指数和斑块面积指数，而空间配置指数（扩散与毗连指数）和斑块面积变异指数的作用则比较微弱。 6 对鄂尔多斯高原景观指数的因子分析是非常有效和成功的。因子分析对鄂尔多斯高原植被、土壤、土地利用、土地沙漠化景观指数的分析分别得到了5-6个主要因子，可以表达原有20个景观指数所表达信息的91.1-96.0％，即可以反应鄂尔多斯高原景观空间格局的大部分信息。本文所进行的因子分析对因子进行了方差最大化(Varimax)正交旋转的处理，因子分析得到的每一个主要因子都有一个或几个与之相关性非常高的景观指数与之对应，因此，就可以用与因子分析所得主要因子相关性最高的景观指数代替该主要因子来表达鄂尔多斯高原的景观空间格局。另外还因为有些景观指数之间具有极高的相关系数，所以对因子分析所得到的景观指数可以进一步精减，最后利用因子分析成功地把原有20个景观指数减少到了11个。最后被选来描述鄂尔多斯高原景观格局的景观指数有下列11个：MSIEI（修正的Simpson均匀度指数）、AWMPFD（面积加权平均斑块分形维数）、AWMSI（面积加权平均形状指数）、NP（斑块数目）、PR（斑块类型丰富度）、MSI（平均形状指数）、MPFD（平均斑块分形维数）、MPS（平均斑块面积）、PSCV（斑块面积变异系数）、DLFD（双对数分形维数）和IJI（扩散与毗连指数）。 7 鄂尔多斯高原植被、土壤、土地利用在景观组成结构上具有一个共同特点，就是各种类型的面积差异极大，少数类型占有极大比重，而其余面积则很小。产生这一情形的原因主要与人为活动的强烈影响有关，表现在地带性的植被与土壤面积所占的比重不高，沙地、沙生植被与风沙土则占有很大比重。 8 以地带性植被和滩地隐域性植被表示的鄂尔多斯高原的原生植被仅占高原面积的不足30％，而以地带性土壤和滩地隐域性土壤表示的原生性土壤占鄂尔多斯高原总面积的近40％，说明土壤退化不如植被退化严重，或滞后于植被退化。 9 鄂尔多斯高原各景观指数的空间变化曲线，植被与土壤很相近，具有非常相似的格局;土地利用景观格局空间变化特征与植被、土壤等明显不同;土地沙漠化的景观格局空间变化曲线介植被曲线、土壤曲线与土地利用曲线之间，说明土地沙漠化不仅是一个受人为活动影响的过程，而且与自然过程密切相关。 10 鄂尔多斯高原景观格局的空间梯度变化表现出了东西向和南北向的梯度，但总体上以东西向的变化比较明显。 11 通过鄂尔多斯高原土壤类型、土地利用、土地沙漠化等景观要素、气候、空间要素与鄂尔多斯高原植被空间分布格局的CCA分析，探讨了它们之间的相互关系。以对鄂尔多斯高原植被组成数据的总方差解释的百分率为标准，土壤对鄂尔多斯植被分布的空间格局的作用最大，其方差贡献率可达44.28％，其次是土地利用与鄂尔多斯高原植被的关系也很密切，土地利用对鄂尔多斯高原植被空间分布格局的方差贡献率为22.45％，空间因素对鄂尔多斯高原植被空间分布格局的贡献率为17.51％，土地沙漠化对鄂尔多斯高原植被空间分布格局的贡献为15.65％，排在第四位;气候因素对鄂尔多斯高原植被空间格局的贡献率为11.95％，居第五位。 12 在气候要素对鄂尔多斯高原植被空间分布格局的作用中，降水与干湿指标的作用大于温度与热量指标的作用。这一点与利用野外调查样方的群落数据植物与气候关系的分析是完全一致的。CCA分析还表明鄂尔多斯高原植被空间格局的东西向变化大于南北向分异。 13 在群落和景观水平上，鄂尔多斯高原植物空间分布或植被格局的影响因素的作用具有相似的格局，即气候因子的作用明显地小于地质、土壤、水文等微生境环境要素（群落水平）或土壤（景观水平）的作用，并在这两个尺度上气候要素对植物空间分布或植被格局的定量解释份额上也是非常相近的，都仅有10％左右。气候因子对鄂尔多斯高原植物空间分布格局的这种弱的解释能力，从侧面说明了人为活动等非自然因素对鄂尔多斯高原植物空间分布格局的强烈作用。 14 在鄂尔多斯高原生态系统管理上，应协调人与自然的关系;加强鄂尔多斯高原的生物多样性保育，对于本区生态和经济对非常重要的滩地，应协调好对其开发利用与保护的关系;在鄂尔多斯高原土地沙漠化防治方面，应把调整人地关系与自然生态背景与条件相结合，如使用“三圈”模式等生态系统管理模式等。

鄂尔多斯高原沙地草地的生态异质性

空间异质性的重要性在于其在自然生态系统中的普遍性和它所引起的生态学效应。空间异质性不仅在生态学理论中占有重要位置，而且也是生态系统管理和景观规划等实践中需要解决的基本问题。本文对鄂尔多斯高原(37038，～40052'N，106027'～111028'E)沙地草地的主要景观单元一沙地和风蚀沙化梁地植被与土壤的空间异质性格局与动态进行了定量的描述和实验研究。 在鄂尔多斯高原沙地景观中，通过对两条相互垂直的Skm样线上植被盖度、植物物种数的半方差分析和分形分析，揭示了植被的依赖于空间尺度的自相关特征和等级结构;沙地景观植被结构以小尺度空间变异占优势，植被斑块多集中在5-10 m的尺度上。对植被盖度低于20%的流沙斑点或斑块沿样线分布的空隙度分析表明流沙斑点或斑块呈适度聚集的格局。植被盖度和植物物种数与土壤有机碳和全氮含量的空间异质性之间的关系随空间尺度和生境类型的不同而有所不同。对植物群落内风蚀沙化斑块中的植物再生动态和克隆植物沙鞭的克隆生长观测实验表明，克隆植物的存在有利于风蚀沙化斑块的固定，跨越不同斑块边界的克隆植物的生长导致了斑块间的物质能量流动，从而影响了景观空间异质性的动态。 在风蚀沙化梁地中，梁坡处的土壤最为瘠薄，土壤颗粒组成以中细沙为主，这反映了风沙活动在梁坡处形成的沙粒堆积。相应地，梁坡处是以油蒿为优势种的沙生植物群落，与梁顶的典型草原植物（本氏针茅（Stipa bungeana)+百里香（Thymus serpyllum）+冷蒿（Artemisiafrigida））群落截然不同。从梁顶到梁底，植物群落受控于较大尺度上的与地形有关的环境梯度，因而其在较大尺度上的空间异质性占优势。

鄂尔多斯高原气候变化及典型植物与环境的相互作用

鄂尔多斯高原是一个多层次、复杂的生态地理过渡带，具有复杂多样的环境条件和生态特点。因而，研究该地区植被与环境复杂多变的相互关系有助于我们认识鄂尔多斯高原生态系统的脆弱性和植被对于维持该区生态系统结构和功能过程的重要性。 降水、温度及其组合特点决定了鄂尔多斯高原特殊的生态环境格局，分析其演变趋势有助于理解鄂尔多斯高原生态环境的演变过程。从旬、月、生长季和非生长季及年四个不同的时间分辨率对鄂尔多斯高原八个气象台站近30年的气象资料进行分析。结果表明30年来年平均气温、2、9、12月均温明显增高;年降水未发生显著变化，降水分配模式变化明显。采用与植物生长密切相关的气候因子对整个鄂尔多斯高原的气候特征进行综合分析，将鄂尔多斯高原划分为三个综合气候类型，即：半湿润、低蒸发型，半干旱、半湿润、中等蒸发型和偏干旱、高蒸发型。根据不同的气候类型，确定适宜恢复的植被类型，对目前该区域进行的生态恢复工作具有重要指导意义。 在鄂尔多斯高原从东向西的降水梯度上，选取三个实验点测定柠条的光合、蒸腾和水分利用效率等主要生理生态指标，分析了同种植物对不同环境的反应。鄂托克旗柠条光合速率最高，东胜东部柠条次之，杭锦旗柠条光合速率最低而蒸腾速率最大，东胜东部柠条和鄂托克旗柠条的蒸腾速率相差不大。 植被能够降低其下垫面及其附近的地表温度，从而影响地表蒸发。以鄂尔多斯高原典型植物油蒿和柠条作为研究对象，采用先进的非接触红外测温法，并提出度量植株温度效应的影响指数，对鄂尔多斯高原两种典型植物植株附近地表温度进行了比较分析,结果表明，柠条对地表温度的影响较油蒿明显。

毛乌素沙地种子萌发特性及浑善达克沙地荒漠化成因分析

毛乌素沙地与浑善达克沙地为我国著名的沙地。本文以毛乌素沙地荒漠化防治中常用的飞播植被恢复技术为突破口，研究飞播采用的主要植物种种子萌发与幼苗出土对沙埋与水分的响应，以改善植被飞播恢复技术。近年来浑善达克沙地快速发展的荒漠化进程引起了人们的极大关注，本文应用统计方法对浑善达克沙地荒漠化成因进行了系统研究。 羊柴(Hedysarum leave Maxim.)、柠条(Caragana korshinskii Kom.)、籽蒿(Artimisia sphaerocephala Krasch)与油蒿(Artimisia ordosica Krasch.)为鄂尔多斯高原广泛分布的植物种，也是该地区飞播选用的主要植物种。通过温室实验，对四种植物萌发特性及出苗与水分和沙埋深度的关系进行研究，阐明了种子萌发的最适水分条件和沙埋深度。四种植物种子萌发与出苗最适宜的供水量都接近于当地生长季的平均降水量 (50mm/month);最适宜的沙埋深度为0.5cm-1cm, 羊柴、柠条、籽蒿和油蒿的沙埋深度分别为：0.5、1.0、0.5和0.5cm。过多的水分和过深的沙埋显著降低种子萌发与出苗，反映了四种植物对沙区环境的生态适应。基于实验结果及当地气候特点，建议将鄂尔多斯地区的飞播时间由6月初提前至5月中下旬，以提高飞播植物的出苗率。 近年来浑善达克沙地荒漠化的发展呈现加剧的趋势。通过对位于浑善达克沙地中心区正蓝旗的自然和社会因子变化趋势的研究寻求该区荒漠化发生发展的原因，应用数理统计方法对正蓝旗一些重要的气候及经济因子在近40年的变化过程进行了系统分析，发现过度放牧及人口的急剧增加是导致正蓝旗乃至浑善达克地区荒漠化加剧的主要原因。同时，温室效应造成的全球增温也是重要的诱因之一。基于上述分析，对浑善达克沙地的荒漠化防治工作提出了一些具体的建议和措施。

植物克隆性在生态修复中的意义：鄂尔多斯高原赖草和沙鞭的案例

克隆植物通过克隆生长能够很好的适应异质性的生境。在进行植被修复的研究和实践中，注意发扬或引进具有重要资源价值的克隆植物是重要的恢复生态学思考和途径。本文主要应用实验生态学的方法，通过对鄂尔多斯高原不同克隆植物克隆性及其对水分条件的反应的比较，以及对不同克隆植物抵抗风蚀和风蚀坑修复的能力的比较，探讨克隆植物对干旱(水分条件)及风蚀的适应机制，从而对克隆植物的克隆性在生态修复中的意义进行了研究和阐述。 　　对不同水分条件下赖草(Leymus secalinus (Georgi.) Tzvel)和沙鞭(Psammochloa villosa (Trin.) Bor)克隆性的研究表明：克隆生长开始时间和克隆生长率二者与克隆植物新产生子代分株数量之间存在着显著的相关关系，说明克隆生长开始时间和克隆生长率能够作为准确评价克隆性的指标;相对于沙鞭来说，赖草具有更强的克隆性，表现在它的早的克隆生长开始时间、高的克隆生长率，并且这种差异可以被水分条件所修饰;植物的克隆性对水分条件具有较强的可塑性，这种可塑性具有种间差异。相对赖草来说，沙鞭能更好地适应干旱条件。 　　克隆植物植株有两种繁殖体类型，分株和种子。本研究对分别从分株来源和种子来源的赖草与沙鞭植株在不同水分条件下生长状况及克隆性进行了比较，结果表明：水分的增加，有利于赖草的生长;而对于沙鞭来说，水分抑制了分株来源的沙鞭植株的生长，但对种子来源的沙鞭植株的生长有着促进作用。克隆植物的克隆性在水分条件较好的情况下能够得到更好的表达。不同来源有赖草植株之间克隆性没有明显差异;对于沙鞭来说，分株来源的沙鞭植株克隆性受水分条件的影响不明显，但水分有利于种子来源的沙鞭植株克隆性的表达。说明不同繁殖体类型来源的植株，克隆性对水分的反应格局存在着一定的差异。分株来源的沙鞭植株对干旱条件具有比种子来源的植株更强的适应性。 　　通过对沙鞭和赖草实生幼苗在不同风蚀程度下生长状况的比较，结果表明二者幼苗在抵抗风蚀时采取不同的策略。风蚀显著降低了赖草产生新生分株的能力，而对沙鞭潜在分株数没有显著影响。赖草实生幼苗生长状况在轻中度风蚀条件下与对照处理没有显著差异，说明对风蚀具有较强的抵抗能力，其策略可能是风险分担，赖草具有的强克隆性使之能快速产生新的子代分株，从而分担了风蚀造成的风险;沙鞭实生幼苗的生长状况受风蚀影响较为明显，但风蚀没有能对其产生潜在分株(芽)的能力产生显著的影响，说明沙鞭实生幼苗对风蚀可能采取的是通过芽的产生贮存资源、逃避风险、等待机会的策略。赖草和沙鞭对风蚀所采用的不同适应策略，可能会影响到二者在自然条件下种群更新方式的选择。 　　为了探讨克隆植物对风蚀坑修复能力及机理，研究了沙鞭和赖草对种群内风蚀坑的修复过程，结果表明：合轴型克隆草本赖草具有比单轴型克隆草本沙鞭更强的植被修复能力，能够在风蚀坑中产生更多的新生分株，这主要归功于赖草的强克隆性，而赖草间隔子的可塑性反应也有利于将更多的新生分株放置在风蚀坑内。二者进行植被修复的机理有所差异，赖草对风蚀坑的修复主要是通过周围根茎扩展进入坑中，然后产生新的分株;而沙鞭不仅可以通过周边根茎进入产生新的分株，同时也可以通过刺激深层休眠芽来产生新的分株。二者都能在风蚀坑中产生比自然条件下更多的分株，以更好利用风蚀坑中充足的光照;但同时这些分株的生长也受到风蚀坑中养分条件的制约，生物量和生长状况都不如自然条件下形成的分株。 　　 　　

鄂尔多斯高原油蒿种群分布格局与群落数量特征对降水梯度的反应

近年来，种群空间分布格局日益为生态学家所重视，已成为生态学发展最快的领域和生态学理论发展的核心之一，群落的植被盖度和生物多样性是生态学研究的常用指标。植物种群分布格局及群落特征是种群和群落对环境条件长期适应和选择的结果，一方面决定于植物自身的生物学特性，另一方面与种群和群落分布的生境密切相关，对于揭示植被对环境的适应规律及它们之间的相互关系具有十分重要的意义。 本文以油蒿种群为研究对象，沿着鄂尔多斯高原从东至西的降水梯度(336～249mm)，应用传统的分布格局检验法以及点格局方法进行油蒿种群分布格局的研究；采用Gleason 指数、Shannon-Wiener 指数、Pielou 指数和Simpson 指数分析比较油蒿群落的生物多样性。从格局分析的尺度问题、严密性以及聚集程度变化趋势等几个方面，对本文采用的种群分布格局分析方法进行比较，为种群分布格局分析方法的选择提供参考。 种群分布格局分析结果表明沿着降水递减的梯度，在小尺度上油蒿种群分布格局表现为由均匀分布向随机分布转变的趋势；在大尺度上则表现为由随机分布向聚集分布转变的趋势。沿降水逐渐减弱的梯度上，油蒿种群的聚集程度逐渐增强。降水梯度对油蒿种群分布格局的影响一方面由油蒿本身的生物学特性决定，在降雨量小的地区，油蒿母株周围幼苗的存活率高，呈现聚集分布格局，而降雨量大的地区，油蒿幼苗存活概率比较平均，形成随机分布格局；其次，降雨量较大的地区，土壤水分资源较充足，油蒿个体较大，个体之间以竞争关系为主，聚集程度较低，降雨量少的地区，油蒿个体较矮小，个体之间为共同抵御恶劣生境，呈现聚集分布的格局。 群落FPC 和生物多样性指数与年平均降水量的回归分析结果显示，降水量越大，植被盖度越高，物种丰富度越大，群落物种分布均匀程度和优势度越低。充足的降雨促进油蒿群落的发育，草本层植物长势更好，生物量增加，群落的结构趋于复杂。 传统的分布格局检验方法和点格局方法在油蒿种群分布格局分析应用中得到的结果具有高度一致性，然而在实际工作中，这些方法之间具有各自的优劣和适应性。 建议在选取种群分布格局的分析方法时，要充分考虑研究目的，根据具体的物种和实验环境确定采用的方法。需在各细微尺度上做种群分布格局分析时，点格局方法优于传统的分析方法；在大范围取样及对工作效率要求较高时，方差均值比率法和聚集强度指数法更适合。由于聚集强度指数法在进行结果判定时比较模糊，建议优先选择方差均值比率法，将聚集强度指数法作为参考。降雨的减少显著改变了植物种群的空间分布格局和群落结构及物种组成，在进行生态恢复时可以参照本文的分析结果进行恢复植被的合理配置。