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基于多源数据的新疆沙漠植物白梭梭遗传格局与扩散路径模拟

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植物生态学报 2024年

作者：马佳正陈雨婷马松梅张丹贺凌云石河子大学理学院干旱区景观生态重点实验室绿洲城镇与山盆系统生态兵团重点实验室石河子大学生命科学学院绿洲城镇与山盆系统生态兵团重点实验室

典型沙生植物白梭梭(Haloxylon persicum)在中国主要分布在新疆古尔班通古特沙漠,随着第四纪沙漠形成、扩展发生过大范围的迁移扩张事件,开展物种的遗传格局与迁移路径研究,有助于深入理解其分布与进化。该研究利用白梭梭的自然分布数... 详细信息

典型沙生植物白梭梭(Haloxylon persicum)在中国主要分布在新疆古尔班通古特沙漠,随着第四纪沙漠形成、扩展发生过大范围的迁移扩张事件,开展物种的遗传格局与迁移路径研究,有助于深入理解其分布与进化。该研究利用白梭梭的自然分布数据与不同地理种群的trn S-trn G、trn V和ITS序列组合数据,整合GIS空间分析、物种分布模型、GIS扩散路径分析、单倍型网络分析、分子方差分析等探究古尔班通古特沙漠12个自然分布种群的空间遗传变异格局,利用最大熵模型(MaxEnt)模拟末次盛冰期和当前气候下的物种适宜分布格局,分析冰后期的种群动态及其迁移扩散路径。主要结果有:(1) trn S-trn G和trn V组合序列比对长度为1 340bp,共定义9个叶绿体DNA(cp DNA)单倍型;ITS1-ITS4序列长576bp,共定义6个核糖体DNA(nr DNA)单倍型;(2)种群总的遗传多样性(HT)为0.862 (cpDNA)和0.777 (nrDNA),显著高于种群内平均遗传多样性(HS)(0.155(cp DNA)和0.217(nrDNA)),超过76%的遗传变异发生于采样的不同种群间;(3)分子错配分布曲线显示白梭梭存在近期种群扩张,扩散路径分析结果显示末次盛冰期白梭梭主要沿古尔班通古特沙漠南缘发生由东向西的扩散;在当前气候下,仍然呈沿沙漠南缘向西扩散的路径,但迁移的幅度明显降低。古尔班通古特沙漠白梭梭种群具有较高的遗传多样性,种群间遗传分化显著,末次盛冰期以来白梭梭显示出沿沙漠边缘迁移的扩散模式,其中古尔班通古特沙漠南缘是白梭梭最重要的扩散路径,是连接其东西种群的重要通道。

关键词：空间遗传变异格局扩散路径 trn S-trn G trn V ITS 白梭梭古尔班通古特沙漠

基于CT扫描的多枝柽柳年轮生长参数测量及验证

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生态学报 2024年

作者：刘志洋韩忠玲程勇翔董合干吴玲黄敬峰石河子大学生命科学学院(绿洲城镇与山盆系统生态兵团重点实验室) 石河子大学机械电气工程学院浙江大学农业遥感与信息技术应用研究所

利用多枝柽柳（Tamarix ramosissima Ledeb．）茎秆CT扫描图像，构建年轮三维解剖模型，获取年轮生长速率（Tree-ring growth rate,TRGR）和年木材材积量（Annual timber volume,ATV）等生长参数。结果对树木长势评估、干旱区年轮水文... 详细信息

利用多枝柽柳（Tamarix ramosissima Ledeb．）茎秆CT扫描图像，构建年轮三维解剖模型，获取年轮生长速率（Tree-ring growth rate,TRGR）和年木材材积量（Annual timber volume,ATV）等生长参数。结果对树木长势评估、干旱区年轮水文响应和气候响应、林业碳汇计量等研究领域具有参考价值。研究通过对多枝柽柳茎秆CT扫描和平板扫描，分别获得其茎秆CT和平板二维横切扫描图。使用Python深度学习方法，获得CT年轮U-net语义分割模型。结合前期研究已构建的平板扫描年轮图像U-net语义分割模型，研究分别获取两种轮盘扫描图像年轮早材区域。轮盘扫描及语义分割后的结果经图像处理、GIS配准赋坐标后，借助GIS编辑和测量工具，完成多枝柽柳年轮周长、基部断面积生长增量（Basal area increment, BAI）、TRGR及ATV指标的计算。利用CT图像提取的年轮线状CAD图，根据CT切片顺序和间隔，在Sketchup 3D软件中重构多枝柽柳年轮三维解剖图，立体刻画年轮结构特征。研究测量结果通过成对样本t检验，Pearson相关系数检验和Bland-Altman定量一致性分析，评价多枝柽柳CT和平板扫描图年轮测量结果的一致性，检验CT扫描图年轮参数的提取准确性。研究结果表明基于CT图像测量的TRGR指标和平板扫描测量结果一致。成对样本t检验TRGR序列定量均值比较的P值均大于0.05，表明两种来源所得测量结果间无统计学差异。Pearson相关系数为0.9984(P<0.0001)，表明两种测量结果间具有强相关性。Bland-Altman定量一致性分析，两种测量途径中有95.625%的样本差异位于一致性界限内，表明两种方法测量的结果具有一致性。基于CT图像通过GIS测量所得的多枝柽柳年轮生长参数经验证，结果准确。研究构建的CT图像年轮生长参数测量方法，可推广到农业和林业各类树木年轮参数的测量。研究结果对树木年轮无损测量技术的发展，未来树木年木材材积量的测算，以及利用年轮研究水文响应和气候响应具有参考价值。

关键词：年轮 CT扫描生长速率年木材材积量三维解剖图

羽毛针禾（Stipagrostis pennata）葡萄糖-6-磷酸-1-差向异构酶基因SpG6P1E的克隆与表达分析

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中国沙漠 2024年第4期 126-136页

作者：唐蕊尹珊陈凯露李悦涛程淋渊王景儒王斐李榕李鸿彬石河子大学生命科学学院石河子大学绿洲城镇与山盆系统生态兵团重点实验室石河子大学新疆植物药资源利用教育部重点实验室

葡萄糖-6-磷酸-1-差向异构酶（G6P1E）在植物生长发育和逆境胁迫响应中发挥着重要作用。本研究旨在通过克隆和分析沙漠植物羽毛针禾（Stipagrostis pennata）葡萄糖-6-磷酸-1-差向异构酶基因（SpG6P1E），为进一步探究其影响羽毛针禾根... 详细信息

葡萄糖-6-磷酸-1-差向异构酶（G6P1E）在植物生长发育和逆境胁迫响应中发挥着重要作用。本研究旨在通过克隆和分析沙漠植物羽毛针禾（Stipagrostis pennata）葡萄糖-6-磷酸-1-差向异构酶基因（SpG6P1E），为进一步探究其影响羽毛针禾根部沙套发育的机制及功能奠定基础。利用分子克隆技术从羽毛针禾中克隆获得一个SpG6P1E基因，该基因编码一个含有325个氨基酸的蛋白质，定位于细胞质，为亲水性稳定蛋白。序列及进化分析表明该基因含有一个保守性很高的醛糖异构酶（Aldose＿epim）结构域，且与单子叶植物的直系同源基因亲缘性更高。亚细胞定位分析显示该基因定位于细胞质，参与胞质糖代谢过程。qRT-PCR结果显示SpG6P1E基因的表达与羽毛针禾沙套发育过程及可溶性糖含量具有较高的相关性，表明其对于沙套发育的重要作用；SpG6P1E基因的表达显著受到干旱、高温、盐等多种非生物胁迫的诱导，表明其对于胁迫响应的重要作用。蛋白互作网络及注释分析显示SpG6P1E可能通过参与糖合成和糖代谢等一系列过程进而影响羽毛针禾可溶性糖的含量。本研究结果为深入研究SpG6P1E基因的功能及其调控植物组织发育和适应逆境的机制奠定了基础。

关键词：羽毛针禾((Stipagrostis pennata)) 葡萄糖-6-磷酸-1-差向异构酶 SpG6P1E 生物信息学分析亚细胞定位沙套发育非生物胁迫

天山北坡城市群季节性地表温度与景观格局空间关系分析

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地理研究 2024年第5期43卷 1267-1287页

作者：阿里木江·卡斯木张雪玲梁洪武新疆师范大学地理科学与旅游学院乌鲁木齐830054 新疆师范大学丝绸之路经济带城镇化发展研究中心乌鲁木齐830054 新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室乌鲁木齐830054 中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠绿洲生态国家重点实验室乌鲁木齐830011 中国科学院大学北京100049

探究景观格局与干旱区地表温度(LST)的空间关系,对于促进干旱区生态环境稳定发展具有重要的意义。基于Google Earth Engine(GEE)解析天山北坡城市群2003—2020年昼夜及季节性(白天)LST时空分布特征,使用Mann-Kendall非参数检验、Sen’s... 详细信息

探究景观格局与干旱区地表温度(LST)的空间关系,对于促进干旱区生态环境稳定发展具有重要的意义。基于Google Earth Engine(GEE)解析天山北坡城市群2003—2020年昼夜及季节性(白天)LST时空分布特征,使用Mann-Kendall非参数检验、Sen’s斜率并结合Hurst指数探究天山北坡城市群LST变化趋势并预测未来发展方向,运用标准差椭圆与重心迁移模型分析LST空间迁移特征,采用双变量空间自相关与多尺度地理加权回归(MGWR)模型分析LST与景观格局的空间关系。结果表明:2003—2020年天山北坡城市平均LST白天23℃,夜间-0.5℃,昼夜温差大,温度的季节性变化特征显著。LST未来变化趋势表明,夜间温度上升速度将高于白天上升速度,即冷岛强度白天高于夜间的现象将有所缓解。代表建设用地和植被的中温和低温,其温度重心在乌鲁木齐市。斑块密度(PD)、边缘密度(ED)和平均形状指数(SHAPE_MN)与LST呈空间负相关关系,而最大斑块指数(LPI)、平均斑块面积(AREA_MN)、聚集度指数(AI)和景观类型比例(PLAND)与LST呈空间正相关关系,表明斑块聚集且连续的景观LST越高。比较OLS、GWR和MGWR模型,MGWR模型的拟合效果最好,ED和AI对于LST的影响在研究区的右侧最显著,而PLAND对于LST的影响在研究区的中部南侧最为显著,其他景观格局指数影响强度较为缓和。

关键词：地表温度多尺度地理加权回归景观格局 Google Earth Engine Mann-Kendall非参数检验 Sen’s斜率 Hurst指数

天山北坡人类活动强度与地表温度的时空关联性

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地理学报 2022年第5期77卷 1244-1259页

作者：陈泓瑾刘琳张正勇刘亚田浩康紫薇王统霞张雪莹石河子大学理学院石河子832000 绿洲城镇与山盆系统生态兵团重点实验室石河子832003

人类活动强度与地表温度的时空关联研究对于充分认识气候变化的成因和机制、积极适应气候变化、合理开发及保护生态环境等均具有重大意义。本文以地处西北干旱区且对气候变化极为敏感的天山北坡为研究区,基于MODIS数据反演地表温度,以... 详细信息

人类活动强度与地表温度的时空关联研究对于充分认识气候变化的成因和机制、积极适应气候变化、合理开发及保护生态环境等均具有重大意义。本文以地处西北干旱区且对气候变化极为敏感的天山北坡为研究区,基于MODIS数据反演地表温度,以夜间灯光数据、人口分布数据及土地利用数据等共同表征人类活动强度,分析2000—2018年人类活动强度与地表温度的演变特征,并进一步探究二者的时空关联性。研究结果显示:①2000年以来天山北坡平均人类活动强度(0.11)较低,整体呈阶梯式缓慢上升趋势(0.0024 a^(-1)),其中人类活动强度较建设用地和人口规模增加滞后1~2 a。②天山北坡年均地温为7.18℃且呈显著升温态势,变化率(0.02℃·a^(-1))约为全球的2.33倍,春季显著增温(0.068℃·a^(-1))对整体升温的贡献最大;受高程和植被覆盖度等下垫面性状的显著影响,研究区地温空间上呈南低北高特征。③天山北坡人类活动区人类活动强度与地表温度显著正相关,呈东强西弱分布特征,其空间分异与相关性的表达受到人类活动范围、表现形式及土地利用变化等因素的综合影响,农林种植、城市绿化和植树造林等与植被相关的人为干预能够有效减弱人类活动造成的地表增温。本文不仅为人类活动强度的精细刻画提出了新思路,更可为区域人地协调和统筹发展等提供科学参考。

关键词：人类活动定量表征夜间灯光数据人口分布关联分析天山北坡

基于移动窗口法的库尔勒市土地利用景观格局特征分析

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西北林学院学报 2024年第2期39卷 247-255页

作者：买迪娜·艾尼瓦尔阿里木江·卡斯木新疆师范大学地理科学与旅游学院新疆乌鲁木齐830054 新疆师范大学丝绸之路经济带城镇化发展研究中心新疆乌鲁木齐830054 干旱区环境与资源重点实验室新疆乌鲁木齐830054

绿洲城市是干旱区人类生产和生活的中心,作为绿洲城市,库尔勒市人地关系同样敏感。了解土地利用景观格局的时空演变对于改善该区域的人地关系与生态安全、促进高质量发展具有重要意义。运用景观生态学原理,根据各类景观参数从景观水平... 详细信息

绿洲城市是干旱区人类生产和生活的中心,作为绿洲城市,库尔勒市人地关系同样敏感。了解土地利用景观格局的时空演变对于改善该区域的人地关系与生态安全、促进高质量发展具有重要意义。运用景观生态学原理,根据各类景观参数从景观水平与类别上分析库尔勒市土地利用景观格局并用地理探测器模型来分析驱动力。结果表明,1)未利用地依旧为景观的基质。2)景观类型的转移特征在景观面积与类型间的转换上有较显著的时空变化。3)PD、NP、DIV、SHDI和SHEI逐渐增加;CONTAG减少,城郊的破碎化程度均呈持续增大趋势,人类活动影响不断增强,城市化水平提高,库尔勒市处于高速发展时期。4)影响库尔勒市土地覆被/土地利用时空变化分异的主导影响因子是归一化植被指数(NDVI),其贡献率最高;在交互因子探测结果中,NDVI与降水量与气温共同作用时,呈现双因子增强,解释力最大。气温年平均变化与降水量在总体上处于波动上升的阶段,这对提升绿地林地面积以及进行进一步的生态修复都产生了积极的影响。景观破碎化格局的研究利于领会大城市快速成长阶段的景观格局变化规律,为城市生境保护,生态功能修复提供基础。

关键词：移动窗口法地理探测器景观格局土地利用库尔勒市

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新疆三种独尾草的适宜分布及其对未来气候变化的响应

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生态学报 2022年第21期42卷 8809-8817页

作者：董苏君马松梅张丹何大俊张林闫涵石河子大学生命科学学院绿洲城镇与山盆系统生态兵团重点实验室石河子832000 石河子大学理学院干旱区景观生态重点实验室绿洲城镇与山盆系统生态兵团重点实验室石河子832000

研究国内仅分布于新疆的3种短命植物阿尔泰独尾草(Eremurus altaicus)、粗柄独尾草(Eremurus inderiensis)和异翅独尾草(Eremurus anisopterus)的适宜分布及其对未来气候的可能响应,对新疆短命植物资源的分布、利用与科学保护具有重要... 详细信息

研究国内仅分布于新疆的3种短命植物阿尔泰独尾草(Eremurus altaicus)、粗柄独尾草(Eremurus inderiensis)和异翅独尾草(Eremurus anisopterus)的适宜分布及其对未来气候的可能响应,对新疆短命植物资源的分布、利用与科学保护具有重要意义。共收集了64个自然分布点,筛选了6个气候因子和2个地形因子数据,利用MaxEnt模型和地理信息系统ArcGIS软件模拟了当前气候情景下3种独尾草的生态适宜性,探讨影响3种植物分布的主导因子及其数值范围,预测3种独尾草的适宜分布对未来气候变化(2001—2040年、2041—2080年,基于温室气体中等排放情景:SSP2-4.5共享社会经济路径)的可能响应。结果表明:(1)基准气候下,3种独尾草在新疆的适宜分布存在较大差异:阿尔泰独尾草主要分布于伊犁河谷、天山北麓、阿尔泰山中段和准噶尔西部山地;两种沙生独尾草均分布于天山中段的绿洲-荒漠区过渡带,古尔班通古特沙漠西南部沙地;(2)最干月降水量(1—25mm)主要限制了阿尔泰独尾草的适宜分布;温度季节性变动指数(1150—1672)主要限制了两种沙生独尾草的适宜分布;(3)2001—2040年和2041—2080年,3种独尾草的适宜分布整体均呈缩减趋势:阿尔泰独尾草向天山北麓和准噶尔西部山地略微缩减;粗柄独尾草和异翅独尾草向古尔班通古特沙漠南缘略微缩减。

关键词：独尾草属新疆适宜分布未来气候变化驱动因子

2001-2020年中国地表温度时空分异及归因分析

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地理学报 2022年第7期77卷 1713-1729页

作者：田浩刘琳张正勇陈泓瑾张雪莹王统霞康紫薇石河子大学石河子832000 绿洲城镇与山盆系统生态兵团重点实验室石河子832003 现代节水灌溉兵团重点实验室石河子832003

地表温度(LST)变化对陆面过程的能量收支平衡与生态系统稳定有着至关重要的影响。本文基于MOD11C3数据,使用回归分析、GIS空间分析、相关性分析及质心模型等方法,分析了中国2001—2020年LST变化及其时空分异格局;运用地理探测器识别中... 详细信息

地表温度(LST)变化对陆面过程的能量收支平衡与生态系统稳定有着至关重要的影响。本文基于MOD11C3数据,使用回归分析、GIS空间分析、相关性分析及质心模型等方法,分析了中国2001—2020年LST变化及其时空分异格局;运用地理探测器识别中国38个生态地理分区下LST变化的主导因子,进而探寻其形成原因。结果表明:(1)中国2001—2020年LST气候平均值为9.6℃,整体呈东南及西北干旱区高、东北及青藏高原低,平原高、山区低的基本格局;LST与海拔呈显著负相关,相关系数达-0.66;第一阶梯负相关性最为显著,相关系数达-0.76,LST递减率为0.57℃/100 m;(2)中国2001—2020年LST倾向率为0.21℃/10 a,升温区占国土面积的78%,整体呈现“多核式升温,轴线式降温”的空间特征;(3)中国LST及变化具有显著的季节性特征,冬、夏两季均温空间分布较其他季节的差异较大且波动更为明显;季节性升/降温区的质心轨迹呈环状,且运动呈现出对应的季节性反向轨迹,降温区质心移动幅度更大,说明降温区的区域差异性和季节变异性较大;(4)中国LST变化由自然影响与人类活动共同驱动,其中自然因素贡献更大,日照时数和海拔是关键因子;两大主导类型在空间分布上与“胡焕庸线”高度吻合,其以东区域多以人类活动强度为主导并与地形因子共同作用,而以西区域则多以自然因素为主,通过与气候、地形、植被等因子的相互耦合从而增强/削弱LST变化幅度。本文可为应对气候变化、解析地表环境模式、保护生态环境等方面提供科学参考。

关键词：地表温度时空分异地理探测器主导因子中国

玛纳斯河流域NPP时空变化及其生物多样性维护功能重要性评价

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生态学报 2023年第11期43卷 4664-4673页

作者：何颖马松梅张林张云玲贺凌云石河子大学理学院兵团绿洲城镇与山盆生态系统重点实验室干旱区景观生态重点实验室石河子832000 新疆维吾尔自治区草原总站乌鲁木齐830049

基于植被净初级生产力(NPP)法开展干旱区流域生物多样性维护功能重要性评价可为区域生态安全建设提供科学依据。基于玛纳斯河流域MODIS13Q1数据和环境数据,利用卡内基-艾姆斯-斯坦福方法模型(CASA)估算2001—2020年流域植被NPP,结合地... 详细信息

基于植被净初级生产力(NPP)法开展干旱区流域生物多样性维护功能重要性评价可为区域生态安全建设提供科学依据。基于玛纳斯河流域MODIS13Q1数据和环境数据,利用卡内基-艾姆斯-斯坦福方法模型(CASA)估算2001—2020年流域植被NPP,结合地形因子构建流域生物多样性维护功能重要性评价模型,利用地理探测器分析气候、地形、土壤类型等因子对流域NPP的空间异质性影响。研究结果表明:(1)近20年,流域植被NPP均值呈上升趋势,高值集中于山地区低山丘陵带和绿洲区中部,低值区分布于荒漠生态区;(2)从流域不同土地利用类型的NPP均值看,耕地>林地>草地>建设用地>未利用地>水域;(3)流域生物多样性维护功能的一般重要区、中等重要区、重要区和极重要区的数值范围为:0—0.12、0.12—0.22、0.22—0.47和0.47—0.84,分别占流域总面积的20.17%、20.14%、19.91%和19.85%,山地区低山丘陵带和绿洲区中部是流域生物多样性维护功能的极重要区;(4)年平均降水、土壤类型是流域NPP空间分异解释力最强的因子;各因子的影响呈非线性增强及双因子增强作用,年平均降水与海拔的交互作用最强(q=0.44),与年平均太阳总辐射(q=0.42)的交互作用次之。

关键词：卡内基-艾姆斯-斯坦福方法模型(CASA) 植被净初级生产力(NPP)时空变化地理探测器环境驱动机制生物多样性维护功能玛纳斯河流域