浑善达克沙地榆树疏林草原植被结构、空间格局与水文过程耦合机制研究

Water is the main limited factor in semiarid ecosystem. Elm (Ulmus Pumila) open woodland, which is the typical water-limited ecosystem, is the important vegetation community in sandy land located in semiarid area of China. A particular challenge is the fact that the spatial pattern of vegetation is both a cause and effect of variation in water availability in semiarid ecosystems. Clarification of the coupled ecohydrological mechanisms that determine the spatial pattern and structural characteristics of vegetation in water-limited landscapes remains a vexing problem in both hydrological and vegetation sciences. Regrettably, the coupling of individual pattern to landscape-scale distribution of soil water balance into theories regarding the dynamics of semiarid ecosystems is not as well developed. Here we develop a methodology to derive the landscape-scale distribution of water balance and soil moisture in a patchy vegetation mosaic based on the statistics of an underlying Poisson distribution of individual tree canopies and their accompanying root systems. Our model is applied to Ulmus Pumila open woodland located in Hunshandake sandy land in Northeast China. Furthermore, the ecological threshold value range of soil water availability for Ulmus Pumila openland woodland will be derived from the model according to the principles of ecological optimization that simultaneously maximizes plant water uptake while minimizing plant water stress. The research will be beneficial to maintain sustainably the natural ecosystem of Ulmus Pumila open woodland and restore from the degraded ecosystem.

水分是半干旱区生态系统的主要限制因子。榆树疏林草原是我国半干旱区沙地的重要植物群落，是典型的水分限制生态系统。气候和土壤决定了该区域植被格局和动态，同时植被结构和格局又控制着区域土壤水分的时空变化。构建水文过程与植被互馈的生态水文模型，是量化半干旱区植被稳定性生态-水文阈值和预测未来趋势的有效途径。现有研究很少从个体尺度植物动态出发，通过模拟揭示景观尺度植被格局和水文过程的耦合机制。本研究以浑善达克沙地榆树疏林草原为主要研究区域，通过野外观测和数学分析，将个体植物冠层、根系分布与景观尺度植被格局联系，将景观尺度植被格局与土壤水分分布耦合，构建以随机降雨事件驱动的植被格局和水文过程耦合的生态水文模型。基于生态最优性原理，应用模型确定榆树疏林植被水分利用的适宜生态阈值，为区域植被恢复提供植被格局的最优配置。该研究将为榆树疏林草原天然生态系统的可持续维持和退化生态系统的恢复重建提供科学依据。

榆树疏林草原是我国半干旱区沙地的重要植物群落，是典型的水分限制生态系统。本研究以浑善达克沙地榆树疏林草原为研究对象，通过建立榆树疏林草原平方公理尺度的长期定位观测大样地，利用人工地面调查、地面传感器和无人机平台，结合机器学习算法和数学模型，对榆树稀树草原的植物结构、植被格局以及生态水文过程开展了系统研究，主要取得以下结果：.1）发展了一套基于无人机平台和机器学习算法监测干旱区稀疏植物结构和植被格局的新方法。新方法可快速获取半干旱区榆树稀树草原高空间分辨率影像，自动、快速、准确提取植被类型和海量植物个体结构参数。相比其它流行的机器学习算法，如“随机森林”、“支持向量机”和“梯度提升决策树”，新方法效率分别提高了166%、111%和290%，显著提高了测量精度和效率。.2）基于无人机影像和样地内3768棵榆树地面调查数据，研究发现榆树在沙丘阴坡的密度最高，而阳坡的榆树胸径、冠幅和树高最大。.3）2016-2019年生长季植被连续观测结果表明，木本和草本对总植被覆盖的贡献率保持稳定，贡献率分别在19%±3%和79%±3%。整个生长期草本对总植被盖度的贡献远大于木本，草本植被的盖度对总植被盖度变化起到决定性作用。.4）基于随机泊松过程和水分平衡原理，利用景观尺度上榆树植被结构和格局的观测数据，构建了一个植被格局与水文过程耦合的榆树疏林生态-水文模型，揭示了景观尺度榆树疏林草原植被结构、空间格局和水分循环过程的生态水文机制。.5）通过7年的长期定位观测研究，发现榆树疏林草原长期维持稳定的乔木、灌木和草本的关键盖度阈值分别为5%、15%和50%～80%，为2017年修订的国家《造林技术规程》半干旱区乔木林郁闭度国标提供了数据支撑。.项目执行期间在国内外重要学术期刊发表论文8篇，其中包括本学科Top期刊Agricultural and Forest Meteorology，Land Degradation & Development，获发明专利1件，软件著作权5项，参编学术专著2部，在欧洲地学联盟2019年会等国内外重要学术会议做学术报告，培养毕业硕士研究生2名，在读硕士生1名。