陕北黄土高原气象要素对植被覆盖的空间分异影响及风险探测

陕北黄土高原地处我国西北生态环境脆弱区,近年来受退耕还林（草）影响,区域植被覆盖变化显著,与气象要素的响应关系也呈现出了复杂的空间分异性和不确定性,亟待厘清。以不同地貌分区为响应单元,探究了陕北黄土高原变绿前后（1982-1992年与2005-2015年）NDVI指数的时空演化特征,分析了植被覆盖变化与气象要素之间的分异性响应关系,并透过最优参数的地理探测器模型（OPGD）探测了气象要素变化对植被覆盖演变的交互影响及风险。研究结果表明：（1）陕北黄土高原及各地貌分区在研究期内NDVI指数均呈显著上升趋势,且阶段化分异明显;各地貌区气温和实际蒸散发量在高原变绿前后趋势变化差异明显,1982-1992年主要呈不显著增加趋势,而2005-2015年则表现为不显著减少趋势;两个时期降水量的空间异质性较为显著,其中北部地区为持续增加趋势,而南部地区则由减少逆转为增加趋势。（2）不同地貌区NDVI指数与气温和蒸散发均呈正相关,且蒸散发与NDVI的相关性强于气温;相对高原变绿前,2005-2015年NDVI指数对各气象要素的响应强度均有所增大。（3）OPGD因子检测结果显示5km空间网格是评价气候变化对陕北黄土高原植被覆盖变化影响的最佳空间尺度,各地貌分区对NDVI指数变化影响最大的气象因子依次为：气温（黄土塬）、降水（盖沙黄土丘陵）、蒸散发（黄土峁状丘陵）、降水（黄土梁状丘陵）、降水（黄土宽谷丘陵）、蒸散发（风沙丘陵）、降水（土石丘陵）;交互探测表明气象因子间的交互作用对NDVI指数的空间分异具有协同增强性,但不同时期各地貌区的主导交互因子略有差异。（4）风险探测发现不同实际蒸散发量对NDVI指数的影响有显著空间差异。（5）陕北黄土高原的植被覆盖变化并不能简单归因于退耕还林（草）等生态修复措施,而应是多要素耦合驱动的结果,气象要素在其中扮演了不可忽视的作用。     

基于Meta分析的土壤呼吸对降水改变的非对称响应

气候变暖已经引起全球降水格局改变。土壤呼吸作为陆地生态系统向大气释放CO₂最大的碳库,对降水变化的响应将进一步影响碳循环,从而对全球气候变化产生反馈。尽管以往已有大量关于土壤呼吸与降水变化关系的相关研究,但存在较大争议。因此,亟待进一步深入探究土壤呼吸对降水改变的响应。基于此,研究Meta分析方法,整合了来自Web of Science 英文数据库和中国知网文献数据库(CNKI)的284篇已发表的论文和367组数据,进而分析全球中低纬度地区土壤呼吸对降水改变的响应。研究结果表明,土壤呼吸对降水改变的响应呈现出非对称特征,降水量增加能够提高16.7%的土壤呼吸,而降水量减少则会抑制17.88%的土壤呼吸。研究还发现,不同生态系统和气候区域的土壤呼吸对降水改变的响应存在较大差别。其中,降水量增加能够提高草地生态系统22%的土壤呼吸,比森林生态系统土壤呼吸高出12%;而降水量减少则会削弱草地生态系统28%的土壤呼吸,这要比森林生态系统土壤呼吸还高16%。与湿润地区相比,降水量的增加对干旱地区土壤呼吸的促进作用更加明显。而降水量的减少对干旱地区和湿润地区土壤呼吸的影响均无显著差异。此外,本研究也证实了土壤呼吸对不同降水强度和年限的响应也存在差异。在不同降水强度上,无论增加降水还是减少降水,重度增减雨的土壤呼吸均改变最大,即:重度增减雨(＞75%)＞中度增减雨(25% -75%) ＞轻度增减雨(＜25%);在不同降水年限上,长期增雨对土壤呼吸的促进作用尤为突出,但长期减雨对土壤呼吸影响无显著差异。研究结果可为未来气候情景下陆地生态系统土壤呼吸变化的准确预测以及模型模拟和改进提供重要的科学依据和理论基础。     

中国森林生态系统林冠层降雨截留特征

森林生态系统作为陆地生态系统的主体,其发达的林冠层通过调节降水量、改变降水强度等深刻影响着流域全过程水文通量及水分输出。以中国广泛开展的典型森林降雨再分配过程的年尺度监测数据为基础,揭示中国不同类型森林生态系统的降雨再分配及林冠层降雨截留特征,阐明森林生态系统林冠层截留特征与降雨、植被要素的关系。结果表明:我国不同森林生态系统年穿透雨量处于141.4-2450.0 mm之间,年穿透雨率为36.3%-92.3%。5种典型森林生态系统多年平均穿透雨量((445.3±252.9)-(1230.6±479.6) mm)占同期多年平均降雨量的(72.6±9.2)%-(77.4±8.9)%。不同森林生态系统年树干茎流量介于0-508.2 mm之间,占同期年降雨量的0-25.8%。5种典型森林生态系统树干茎流量多年平均值((9.8±17.3)-(87.8±81.6) mm)占同期多年平均降雨量的(1.4±1.9)%-(5.4±4.6)%。不同森林生态系统林冠层年降雨截留范围在25.7-812.9 mm之间,占年降雨量的4.2%-55.6%。5种典型森林生态系统多年平均林冠截留量((154.2±81.6)-(392.2±203.5) mm)占同期年平均降雨量的(18.7±7.4)%-(25.9±8.3)%。进一步分析表明,我国森林生态系统穿透雨量、树干茎流量和林冠层截留量随观测区年降雨量的增加而呈显著增大(P<0.05),年穿透雨率、年树干茎流率随年降雨量的增加呈显著线性上升趋势(P<0.05),而年林冠截留率与年降雨量呈显著的负相关关系(P<0.01),降雨量、叶面积指数是深刻影响森林生态系统林冠层降雨截留率等特征的重要因素。整体上,不同类型森林生态系统林冠截留降雨能力存在明显差异,林冠层截留率突出表现为:落叶林大于常绿林、针叶林大于阔叶林。     

陕北农田作物生产碳源/汇及碳足迹空间特征

农作物生产过程既是碳源,也是碳汇。研究作物生产过程中碳吸收、碳排放特征对区域农业碳减排具有重要意义。以陕北区域为例,采用高分辨率遥感数据,结合GEE遥感云平台和随机森林算法,获取了作物种植分布信息,并建立碳吸收排放测算模型,分析了陕北地区2021年农田作物的碳源/汇效应、碳足迹及其空间分布格局。结果表明:①陕北种植的粮食作物主要为玉米、稻谷、薯类、豆类,经济作物主要为蔬菜、苹果、枣树,这七类作物集中分布在延安南部河谷区域和榆林西北部区域。②除枣类外,陕北地区其余作物的碳吸收量均高于碳排放量,以碳汇功能为主,其中,玉米和苹果分别对该地区碳吸收、碳排放的贡献率最高,碳吸收、排放量分别达到了189.74×10⁴ t和11.41×10⁴ t,苹果、薯类和枣类碳足迹较高,分别达到了9.92×10⁴ hm²、8.77×10⁴ hm²和21.65×10⁴ hm²,其余作物碳足迹处于0.26-1.49×10⁴ hm²之间。③从空间上看,研究区单位面积农田碳吸收量呈现西北高、南部低的分布格局,而碳排放量、碳足迹分布正好相反,南部高、西北低。④研究区可通过培育高产品种、优化施肥量、控制农膜农药用量、调整作物种植结构等措施,提高作物固碳效应,促进农业生产碳减排。     

2000-2020年青海湖流域植被降水利用效率时空变化

植被降水利用效率(PUE)是评价植被生产力对降水量时空动态响应特征的重要指标。以年净初级生产力(NPP)数据、年降水量数据为基础,利用地理信息系统(GIS)和遥感(RS)技术,计算并研究了2000-2020年青海湖流域植被降水利用效率时空分布格局及其地形效应,结合年均气温、年均地表温湿度、年生长季光合有效辐射吸收系数和年植被覆盖度等数据,探讨了PUE与各因子间的相关关系。结果表明:(1)青海湖流域单位像元(1 km²)PUE平均值在0.4-0.7 gC m^-2 mm^-1间变化,平均为0.54 gC m^-2 mm^-1,且在年际间无显著变化趋势(R²=0.05, P≥0.05)。在空间上,青海湖流域多年PUE平均值环湖呈现不均匀分布,除青海湖东岸外,PUE值随湖面距离增大呈减小趋势;其高值区主要集中分布在青海湖西岸和南岸的半环区;年PUE变化趋势的斜率值为-0.05-0.04 gC m^-2 mm^-1 a^-1,其中显著变化的区域占流域面积的29.63%。(2)青海湖流域多年PUE平均值在海拔效应和坡度坡向两种不同微地形效应下表现出明显的差异。海拔每升高50 m,PUE值将减少0.02 gC m^-2 mm^-1;随坡度增加,PUE值呈降低趋势,平坡至险坡(>45°)的变化范围为0.3-0.61 gC m^-2 mm^-1;不同坡向PUE值表现为由东北坡向西南坡递减,范围为0.52-0.56 gC m^-2 mm^-1。(3)在空间上,青海湖流域PUE值与地表温度、光合有效辐射吸收系数、植被覆盖度和叶面积指数相关性较为明显。沿海拔梯度,空气温度和地表温度与PUE呈极显著正相关(R²=0.94, P<0.01; R²=0.98, P<0.01),光合有效辐射吸收系数、植被覆盖度和叶面积指数与PUE显著正相关(R²=0.89, P<0.05; R²=0.90, P<0.05; R²=0.86, P<0.05),地表土壤湿度与PUE无显著相关性(R²=0.16, P≥0.05)。评估了青海湖流域植被降水利用效率的特征及其与各因子间的相关关系,明确了植被对降水的利用能力及其耗水特性,可为青海湖流域植被保护和国家公园建设提供理论参考。     

中国粮食种植业碳效应时空演化及碳排放公平性

农业低碳转型背景下,准确把握粮食种植业碳效应时空演化及碳排放公平性特征对实现地区生态正义具有重要意义。基于2000-2021年省域面板数据,采用碳排放因子法测算中国30个省区的粮食种植业碳效应,利用核密度估计方法探析时空演化,运用Dagum基尼系数法刻画并解构全国粮食种植业碳排放公平性。研究表明:(1) 从时空特征看,粮食种植业碳效应呈现波动上升的净碳汇特征,具体表现为"东强西弱,北高南低"的空间格局,且伴随明显的"马太效应"。在碳效应结构上,秸秆燃烧与玉米种植分别是粮食种植业最主要的碳源与碳汇。(2) 从演化趋势来看,全国粮食种植业碳效应的非均衡性呈扩大趋势;在三大主粮中,水稻碳效应非均衡性有所减弱,小麦与玉米碳效应非均衡性均持续上升。(3) 从碳排放公平性来看,区域间碳排放差异已成为影响公平性的最主要因素,基尼系数呈"快速上升-波动震荡-缓慢回落"特征,全国粮食种植业碳排放始终处于较公平区间,整体公平性呈改善态势;在三大主粮中,水稻碳排放公平性最低,玉米碳排放公平性最高。最后,提出了采取差异化固碳减排策略、构建低碳发展跨区协作机制、完善碳排放责任分摊机制、探索粮食碳汇交易试点等建议,以期推动我国粮食种植业实现低碳转型发展。     

城市建成区自生草本植物群落的物种多样性与功能多样性——以深圳市为例

城市自生草本植物的物种多样性和功能多样性直接影响城市生态系统的功能和稳定性,但目前相关研究依然很缺乏。以深圳市为例,基于建成区600个1hm²样地的现场调查数据,分析自生草本植物的群落结构、物种多样性、群落功能特征及功能多样性。结果显示:①调查共记录自生草本植物61科178属273种,其中多年生草本占54.6%,乡土植物占65.6%。②占明显优势的功能特征有中小型叶(91.85%)、草质叶(42.59%)、纸质叶(32.96%)、叶片无毛或近无毛(56.67%)、中等密度绒毛(40.37%)、叶面较粗糙(52.59%)、花期4-6个月(50.78%)、果期4-6个月(49.22%)、干果(86.03%)。③群落类型间功能丰富度FDp、功能离散度Rao二次熵差异极显著(P ＜ 0.01)、功能均匀度FEve差异显著(P ＜ 0.05)。④公园绿地的物种多样性指数明显高于其他三类绿地;不同绿地类型间的功能丰富度和功能离散度在滞尘、降噪、降温增湿及生物多样性保护方面都有极显著差异(P ＜ 0.01),功能均匀度只在滞尘及生物多样性保护方面差异极显著(P ＜ 0.01)。⑤各功能多样性指数均与Margalef指数、Simpson指数及Shannon-Wiener指数呈极显著正相关关系(P ＜ 0.01)。研究结论和方法为维护城市生态系统稳定性、建设生态宜居城市、促进城市可持续发展提供理论依据。     

淮河流域暖季极端高温干旱复合事件的演变特征及其与气候和植被的关系

使用淮河流域1981年至2020年的149个气象站点的气温和相对湿度数据,分析了流域暖季极端高温干旱复合事件(Compound Drought and Heat Events,CDHEs)的时空演变特征,并通过趋势分析和相关分析法探讨了CDHEs与气候和植被的关系。结果表明:①CDHEs的发生日数在年代际尺度上呈现明显的增加趋势,并且范围扩大,频发区逐渐向淮河流域中西部移动;②在年际尺度上,CDHEs随时间序列呈显著的波动上升趋势,空间分布上以西北部为中心向四周递减。连续CDHEs事件呈年际变化,最大2至4天的连续事件存在波动,2019年达到高峰,并且在流域内零散或成片出现;③在月际尺度上,CDHEs的发生日数在6月最多,其次是5月、7月、9月和8月。淮河流域入汛前的旱情和入汛后的旱涝急转都容易导致CDHEs发生,而且随着月际变化向南移动;④CDHEs对水热条件和大气环流具有特别的敏感性。在850hPa反气旋和500hPa显著高压异常的控制下,高温、低湿、高蒸发和降水少的气候背景有利于淮河地区CDHEs的形成,尤其是在淮河中西部地区。因此,CDHEs的发生与气候变化密切相关;⑤CDHEs与植被生长也存在显著关系。CDHEs与GPP呈显著的负相关,而与NDVI呈显著的正相关,显著地区的土地类型以耕地和城乡、工矿、居民用地为主。GPP和NDVI的不同步可能是因为多种因素的非线性相互作用,而不仅仅是单一因素的影响。此外,对于GPP和NDVI来说,土壤含水量至关重要。总之,本文对淮河流域CDHEs的时空分布特征进行了深入研究,并探讨了其与气候和植被的关系。研究结果可以为该地区的气象灾害防御和生态环境保护提供科学依据和参考。     

基于科研素质培养的“分子生物学”课程教学改革

作为迅速发展的前沿学科及连续性与承接性很强的实验性学科,"分子生物学"课程对于构建研究生知识体系、培养研究生的科研素养、创新意识和工程实践能力具有重要作用。为满足"新工科"人才培养的需求,我们基于成果导向教育(Outcome-Based Education,OBE)理念,整合教学内容,改革教学方法,借助现代信息化教学平台,以学习小组为单位,开展课堂竞猜、翻转课堂、课堂讨论等教学活动;运用基于问题的学习(Problem-BasedLearning,PBL)法,建立"互动式"的教学模式;设计过程化考核与终结性考核相结合的多元化考核体系,培养研究生的创新能力和工程实践能力,建立一种适合于本校生物工程专业研究生培养的"分子生物学"教学体系。研究生参与教学效果评估及科研成果随访的结果表明,该探索取得了良好的教学效果,为"新工科"背景下生物工程领域的研究型综合创新人才的培养奠定了基础。     

根癌农杆菌介导真菌遗传转化的研究及应用

根癌农杆菌介导转化法（Agrobacterium tumefaciens-mediated transformation,ATMT）具有转化效率高、遗传稳定、适用范围广等诸多优点,已成为真菌遗传转化研究中的强有力手段,在真菌基因资源开发、真菌性疾病研究和外源蛋白表达研究中发挥巨大作用。本文概述了根癌农杆菌转化法在真菌转化中的研究进展、技术优缺点、转化机制、实验方法和应用现状,着重介绍影响其转化效率的因素并对优化方法进行探讨,展望了该技术在真菌基因资源发掘、基因编辑等方面的应用前景,为今后真菌的遗传转化研究提供参考。