人工灌丛化对荒漠草原生态系统碳储量的影响

宁夏盐池县从20世纪70年代开始在荒漠草原上人工种植柠条灌木用以防风固沙和生态恢复,这一人为措施极大地改变了区域生态系统的植被结构和碳循环,而定量评估人工灌丛化对荒漠草原生态系统碳储量的影响,不仅能够揭示人类活动的碳循环反馈机制,而且可为地方政府生态治理提供理论指导。结合Biome-BGC模型和Logistics生长模型模拟了1958—2017年间荒漠草原人工灌丛化前后的碳储量变化,定量分析了人工灌丛化对生态系统碳储量和组分的影响。结果表明:(1)结合Biome-BGC模型和Logistics生长模型可以较准确地模拟出荒漠草原人工灌丛化过程中生态系统碳储量的变化。(2)人工灌丛化会快速改变荒漠草原的碳储量累积特征,柠条灌木种植后的快速生长阶段极大增强了生态系统的总碳储量,导致生态系统的碳储量特征由草地型向灌木型转变。(3)人工灌丛化改变了生态系统各类型碳储量的组分结构,其对地上植被和枯落物碳储量的影响非常明显,灌丛化后生态系统的植被和枯落物碳分别增加了6倍和1.76倍;因植被碳向土壤碳转化过程较慢,故人工灌丛化对地下土壤碳储量的影响在短期内较为微弱。以上结果显示,荒漠草原人工灌丛化能显...     

灌丛化对宁夏东部荒漠草原草地植被群落的影响

草原灌丛化是全球干旱半干旱地区面临的重要生态问题,对草地植被群落特征的影响较为复杂,尚存在较大争议。在宁夏东部荒漠草原分别选取轻度、中度、重度及未灌丛化样地,利用植被群落调查和经典生态位理论,研究了自然入侵的柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)对宁夏东部荒漠草原植被群落及生态位特征的影响。结果表明：(1)灌丛化过程中,草本植被群落的高度、地上生物量显著上升,而密度显著下降,群落向着密度稀疏,而生物量增大的方向演替。(2)Shannon-Wiener多样性指数、Simpson多样性指数、Margalef丰富度指数表现为：轻度灌丛化>重度灌丛化>中度灌丛化>未灌丛化样地,Pielou均匀度指数随着灌丛化程度的加剧而显著上升。(3)猪毛蒿(Artemisia scoparia)、猪毛菜(Salsola collina)、蒙古虫实(Corispermum mongolicum)、兴安胡枝子(Lespedeza davurica)、雾冰藜(Grubovia dasyphylla)等物种具有较大的重要值和生态位宽度,作为荒漠草原优势物种。中度灌丛化区域重要值与生态位宽度的拟合度高,置信带区间较窄,相关性强,进一步说明中度灌丛化更适宜于这些优势物种的生存和繁殖。(4)灌丛化模式驱动下,除了部分优势物种的生态位重叠度较高,荒漠草原植被群落整体生态位重叠度普遍较低,物种生态位分化明显,种间竞争小。综上所述,柠条锦鸡儿入侵荒漠草原生态系统,促进了灌下草本植物的生长,且有利于草原生态系统的稳定。     

基于生态过程机理模型的长江流域蒸散发及其组分变化机理研究

作为我国中部和北部的重要水资源供给区,近年来长江流域水资源分配的不均匀性以及供给能力的不稳定性日益加剧。蒸散发(ET)是直接影响流域水资源供给能力的重要因子,因此,厘清ET及其组分土壤蒸发(E)、蒸腾(T)和冠层截留蒸发(Ei)变化的相关物理机制,可以为科学管理长江流域水资源提供重要理论参考和技术支撑。研究基于遥感驱动的生态过程机理模型BEPS,模拟分析了2001—2020年长江流域年ET及其组分的时空变化特征;在此基础上,采用多因子联立求解法剥离了气候、植被叶面积指数(LAI)和植被类型转变等对ET及其组分趋势的贡献,开展了归因分析。结果表明：1)流域平均ET、T和Ei分别以1.95 mm/a、1.12 mm/a和0.96 mm/a的速率显著增加;空间上,超过35%的地区显示三者显著增加;而流域平均及一半以上地区的E呈减小趋势。2)对比各组分趋势,流域平均和64%的地区显示ET趋势由T的变化决定,而其余地区则由E和Ei的变化控制。3)就流域平均而言,ET、T和Ei的增加及E的减小均可归因于LAI的增大。4)ET、E、T和Ei趋势的主控因子存在明显空间差异,但主控因子LAI的面积占比始终最大,分别为49%、46%、48%和73%。     

宁夏东部荒漠草原灌丛引入对土壤水分动态及亏缺的影响

全球气候变化背景下,荒漠草原人工灌丛引入加速其灌丛化进程,对草原土壤水分产生重要影响。为了解宁夏东部荒漠草原灌丛引入过程中土壤水分动态及亏缺现状,选取了封育草地、放牧草地、不同年限(3a、12a、22a)和间距(40 m、6 m、2 m)灌丛柠条(Caragana korshinskii)地进行土壤水分测定,并利用土壤水分相对亏缺指数(compared soil water deficit index,CSWDI)、样地土壤水分相对亏缺指数(plot compared soil water deficit index,PCSWDI)对土壤水分亏缺进行定量分析。结果表明:灌丛引入过程中不同年限、间距灌丛地0—200 cm土层土壤含水量均显著低于封育草地与放牧地(P<0.05);各样地季节动态均表现为春季返潮、夏季消耗、秋季蓄积的季节规律,但不同年限、间距灌丛地表现为春季返潮微弱,土壤含水量仅为7.80%—10.90%,显著低于封育草地和放牧地(11.90%—16.09%);灌丛引入过程中各灌丛地0—100 cm有效储水量(-16.98—18.69 mm)均低于封育草地(34.67 ...     

宁夏东部荒漠草原-灌丛地转变过程土壤氮素响应

选取近30年荒漠草原灌丛引入形成的典型草地-灌丛镶嵌体内部的荒漠草地、草地边缘、灌丛边缘、灌丛地为研究样地,对各样地及其微生境(植丛与空斑)相关土壤指标进行测定,以了解荒漠草地向灌丛地转变过程中土壤氮素的响应特征。结果表明:随草地灌丛化转变,草本与灌丛生物量均增加,其中一年生草本随灌丛引入增加明显;土壤水分、全碳、全氮及微生物生物量均呈降低趋势,微生物数量在草地边缘与灌丛边缘降低,而在灌丛地增加并略高于荒漠草地;从荒漠草地转变至灌丛地,硝态氮显著升高52.3%,最高为28.45 mg N·kg^-1,铵态氮显著降低10.4%,最低为4.81 mg N·kg^-1。微生物生物量氮与土壤水分呈显著正相关,而矿化氮与土壤水分响应关系则随着植被转变呈非线性变化,即硝态氮和铵态氮与土壤水分在荒漠草地和草地边缘呈正相关,而在灌丛边缘和灌丛地呈负相关。荒漠草地向灌丛地近30年的转变过程中,土壤全氮、微生物生物量氮呈降低趋势,而矿化氮显著增加,其中硝态氮尤为明显,表现出从荒漠草地土壤氮素的硝化抑制向灌丛地硝化加速转变。     

荒漠草原灌丛转变土壤有机碳矿化及其对降水梯度的响应

为探究灌丛引入对荒漠草原土壤有机碳稳定性的影响,选取近40年的典型草原-灌丛镶嵌体(荒漠草地,草地边缘,灌丛边缘、灌丛地)为研究对象,开展荒漠草原向灌丛人为转变过程野外原位观测结合室内培养的土壤有机碳矿化及其对降水变化(+40%、+20%、CK、-20%、-40%)的响应特征研究,主要结果如下:荒漠草原人为灌丛转变的过程中土壤有机碳、全氮和全磷含量显著降低;土壤有机碳累积矿化量、碳矿化速率 、碳矿化及微生物代谢熵均随着转变过程呈上升趋势,且灌丛地较荒漠草地分别增加了26.6%、27%、25.8%和26.8%;土壤潜在可矿化有机碳量随转变波动上升,灌丛地显著高出荒漠草地31.55%;转变样地在不同降水梯度下土壤有机碳矿化速率呈下降趋势,但灌丛地、灌丛边缘土壤有机碳矿化始终高于荒漠草地和草地边缘地,其中灌丛地与灌丛边缘有机碳矿化对降水降低响应更加敏感和积极,结果表明荒漠草原向灌丛转变过程增强了土壤有机碳微生物矿化的同时,还提高了其应对干旱的能力,这种能力或许是以更高的微生物代谢熵和二氧化碳通量为代价。     

基于改进的双源模型模拟荒漠河岸胡杨林蒸散发

蒸散发是水循环和能量平衡过程中的重要组成部分,其准确量化对于深刻揭示干旱半干旱地区的生态水文过程具有重要意义。以黑河下游荒漠河岸胡杨林为研究对象,在2014和2015年胡杨主要生长季内,基于涡度相关技术实测数据,分析了蒸散发日及各物候期变化规律,结合改进的双源Penman-Monteith-Priestley-Taylor(PM-PT)模型,模拟了黑河下游荒漠河岸胡杨林蒸散发,并分析了模型的参数敏感性,得到的主要结论如下:(1)胡杨林蒸散发日变化大致呈先升高后降低的趋势。上午随着太阳辐射的逐渐增强,气温逐渐升高,蒸散速率逐渐增大,在中午12:00左右达到峰值。随后,太阳辐射减弱,气温逐渐降低,空气中相对湿度增加,胡杨叶片内外水汽压差减小,蒸散速率随之降低。(2)胡杨生长季内蒸散发整体上呈先升高后降低的趋势。2014和2015年生长季蒸散发总量分别为612 mm和658 mm,果期和种子散播期累积蒸散发为生长季内蒸散发总量的主体部分,果期内累积蒸散发分别为316 mm和348 mm,分别占各年生长季蒸散发总量的51.65%和52.87%;种子散播期内平均蒸散发略低于果期,2014和201...     

祁连山浅山区荒漠草原蒸散发多方法估算与影响因素

为明晰荒漠草原蒸散发过程机理,本文运用涡度相关法、称重式蒸渗仪法以及Priestley-Taylor（P-T）、Penman-Monteith（P-M）和Shuttleworth-Wallace（S-W）模型5种方法,研究了祁连山浅山区荒漠草原蒸散发及其组分的多时间尺度特征,分析了蒸散发及其组分的影响因素。结果表明：与称重式蒸渗仪法相比,涡度相关法测得的数据更准确。通过改进α系数可以显著提升P-T模型在干旱地区的适用性,但3种模型中S-W模型模拟精度最优,R²高达0.74。基于S-W模型模拟结果发现,土壤蒸发占蒸散发（E/ET）的55.1%,生长季期间E/ET主要受土壤含水量影响。日尺度上蒸散发和植物蒸腾主要受净辐射控制,土壤蒸发受土壤含水量调控。敏感性分析显示,蒸散发对冠层到参考高度间的空气动力学阻力敏感性最高,土壤蒸发受土壤表面阻力控制,植物蒸腾由冠层边界层阻力主导。     

荒漠草原灌丛引入过程中土壤氮矿化的季节动态及其影响因子

选取封育草地、放牧草地、不同年限(引入柠条3、12、22年)/密度(间距2、6、40 m)的灌丛地为对象,研究荒漠草原-退化-灌丛引入过程中生长季(4—10月)土壤氮矿化的季节动态及其影响因子。结果表明：0～10 cm表层土壤水分具有明显的季节特征,0～200 cm剖面土壤水分随灌丛年限和密度增加而加剧消耗;与放牧草地和封育草地相比,灌丛对土壤碳氮磷养分的促进作用随灌丛年限和密度的增加呈现先强后弱趋势;生长季动态和草地变化对土壤氮矿化过程产生显著影响,土壤NO₃^-、微生物生物量碳和氮在生长季中期(6—8月)显著升高,其中NO₃^-占总无机氮的比值由封育草地30.5%增至灌丛地69.5%。NH₄⁺受生长季动态影响大于草地变化,其含量在生长季后期(10月)升高。在草原-退化-灌丛引入过程中,灌丛年限和密度的增加显著增大荒漠草原土壤硝化和铵化作用的生长季动态差异,而对微生物生物量碳和氮的影响不显著;土壤NH₄⁺和NO     

荒漠草原向灌丛转变过程两种优势植物定植土壤水分阈值特征

为探究宁夏东部荒漠草原灌丛转变过程中两种优势种蒙古冰草（Agropyron mongolicum）和柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）植物更新土壤水分需求特征,在前期萌发土壤水势阈值研究的基础上,进一步通过野外观测和室内干旱胁迫试验分析确定转变过程中两种优势植物种的定植土壤水分阈值。结果表明：荒漠草原灌丛近30年人为转变过程中0-200 cm土壤水分呈降低趋势,灌丛地土壤水分含量较荒漠草地显著降低了52.43%（P<0.05）,灌丛转变加速了土壤旱化;柠条锦鸡儿和蒙古冰草幼苗定植过程中叶绿素含量随干旱胁迫程度加深呈先增加后降低趋势,其死亡率逐渐上升。通过渗透势和死亡率的拟合函数以及其对应样地的土壤水势、土壤水分关系分析得出,随样地转变柠条锦鸡儿定植土壤水势、水分阈值均低于蒙古冰草,两者平均土壤水势阈值分别为-9.38—-9.95 kPa、-8.72—-9.28 kPa,平均土壤水分阈值分别为4.93%-5.23%、5.92%-6.50%。与蒙古冰草相比,柠条锦鸡儿更适应灌丛引入下或降雨减少引起的土壤旱化,其旱生条件下的定植成功更易发生。     

内蒙古温带荒漠草原生长季地表反射率特征及数值模拟

基于内蒙古苏尼特左旗温带荒漠草原生态系统野外观测站2008年生长季(5月1日-10月15日)的气象和生物要素观测资料,分析了地表反射率日、季动态,并构建了温带荒漠草原地表反射率模型.结果表明：研究区地表反射率日变化主要受太阳高度角影响,呈早晚高、中午低的U形曲线特征;生长季地表反射率在0.20～0.34,平均为0.25,以5月较高、6月下降、7-9月相对稳定、10月增大;研究区地表反射率的季节动态与冠层叶片的物候变化有关,同时受降水过程的影响;土壤含水量和叶面积指数是影响该区地表反射率的关键因子;反映土壤含水量和叶面积指数共同作用的地表反射率模型的模拟值与野外实测值具有较好的一致性.     

内蒙古荒漠草原优势植物叶形态性状与地上生物量对多资源协同的响应

探究多资源添加数量对荒漠草原优势植物叶片形态特征与生物量的影响,对于揭示荒漠草原植被对全球变化的响应特征和适应规律具重要意义。为分析不同的资源添加的数量是否会影响植物功能性状与地上生物量,通过设置资源添加数量的梯度(0(对照(Cont,自然降水));1(氮(N)添加、磷(P)添加、钾(K)添加、+50%降水);2(PK添加、NP添加、NK添加、N+50%降水);3(NPK添加);4(NPK+50%降水)),研究多资源添加数量对荒漠草原优势植物碱韭(Allium polyrhizum)和沙生针茅(Stipa glareosa)叶性状及其生物量的影响,为荒漠草原植物响应多种全球变化因子提供理论依据。研究结果表明：(1)碱韭和沙生针茅叶干物质含量(LDMC)与叶片氮含量(LNC)对多资源添加数量响应存在显著差异：随着多资源添加数量增加,碱韭和沙生针茅LMDC显著降低(P<0.05),但株高和比叶面积没有发生显著改变(P>0.05)。此外,碱韭叶鲜重和叶片氮含量随着多资源添加数量增加显著升高(P<0.05),叶鲜重、株高和比叶面积在添加四种资源要素时达到最高,而LDMC则最低。(2)多资源添加数量对两种优势植物地上生物量无显著影响(P>0.05)。(3)两种优势物种地上生物量与株高、植株密度显著正相关(P<0.05);与SLA、LDMC和LNC无相关性(P>0.05)。(4)结构方程模型表明多资源添加数量通过提高碱韭和沙生针茅植株密度、比叶面积和叶片氮含量来间接增加地上生物量。综上所述,相比单一资源添加,多资源添加会对荒漠草原优势植物功能性状和生物量产生复杂影响;在多种资源变化背景下,植物功能性状是预测地上生物量的有效指标,这种研究对于在持续的全球变化背景下管理沙漠草原植被至关重要。     

载畜率对短花针茅荒漠草原灌木及其邻近土壤养分含量的影响

草地灌丛化现象在草地生态系统上广泛发生。放牧是人类利用草原的重要方式,通过分析不同载畜率下荒漠草原灌木种群及其邻近土壤养分含量的变化,可研究放牧干扰下不同灌木种群的耐牧特性,对深入了解荒漠草原植物群落演替机制具有重要意义。以荒漠草原灌木小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)、半灌木驼绒藜(Ceratoides latens)及小半灌木冷蒿(Artemisia frigida)和木地肤(Kochia prostrata)(下称为“灌木”)为研究对象,探究不同载畜率下各个灌木种群的密度、高度、盖度及地上生物量(下称为“数量特征值”)及其邻近土壤养分含量。结果表明：冷蒿的数量特征值均随着载畜率的增加而降低,其他植物种群的数量特征值均在CK或LG区出现最大值,且不同灌木邻近土壤养分含量随着土壤深度的增加而下降(P<0.05)。不同灌木邻近土壤全氮含量随着载畜率增加而下降;冷蒿邻近有机碳含量在CK区最高,小叶锦鸡儿邻近速效磷含量在HG区最高,其余灌木邻近有机碳、速效磷含量在LG区最高。灌木种群数量特征与土壤养分的关系为：土壤有机碳与冷蒿和驼绒藜的高度、盖度、地上生物量呈正相关,土壤速效磷与木地肤高度、地上生物量呈显著负相关。因此,载畜率均会对灌木植物种群的数量特征值及其邻近土壤养分含量产生影响。