Plant species change and water budget in restored grasslands in Taibus Banner,Inner Mongolia,China

2008年和2009年(均为枯水年), 在半干旱区内蒙古太仆寺旗农田-草地生态系统国家野外站开展观测实验, 通过观测蒸散发(波文比系统)、土壤水分(烘干称重法)、降水量, 以及植被土壤特征调查, 基于水量平衡理论, 对比研究了3块天然草地、3块不同退耕时间草地共6个样地的水分收支, 旨在定量地评估退耕草地的水分收支, 为采取科学措施促进退耕草地尽快向天然草地过渡提供依据。结果表明: 1)随着退耕时间增加, 植被盖度逐渐增加, 但是群落中科、属、种的数量趋于减少, 且优势种从一年生的中旱生草本植物逐渐转变成多年生的旱生草本植物; 2)植被蒸腾是草原植被主要的耗水途径, 随着退耕时间增加, 退耕草地的蒸散发量呈增加趋势, 其最大值在4.5-5.8 mm·d^-1之间; 3)退耕草地土壤含水量平均值为0.09 m³·m^-3, 其水分剧烈变化主要发生在距地 表60 cm内, 且随退耕时间增加土壤含水量减少, 而天然草地土壤含水量平均值为0.06 m³·m^-3, 其水分剧烈变化发生在距地 表20 cm内; 4)随退耕时间增加, 退耕草地与天然草地的土壤水分与蒸散发在数值上差距逐渐缩小; 5)退耕草地水分收支基本平衡, 但在极枯年份(降水量174 mm)的生长季, 降水不能满足蒸散发需求, 呈现水分亏损。退耕草地逐步向天然草地过渡, 但是退耕草地的土壤水分在逐渐减少, 呈现“生境干旱化现象”。今后应加强对草地的封育与监测, 促进植物群落向水分利用效率更高、更适应半干旱环境的方向演替。     

内蒙古典型草原小叶锦鸡儿灌丛化对水分再分配和利用的影响

灌丛化是全球草原地区存在的主要环境问题。通过对内蒙古典型草原区小叶锦鸡儿灌丛和草地斑块冠层降雨再分配、地表径流、土壤含水量的对比观测,研究了小叶锦鸡儿灌丛化对该区水分再分配和利用的影响。结果表明,灌丛和草地斑块的冠层截留量分别占降雨量的20.86%和7.88%,灌丛和草地斑块的平均地表径流系数分别为5.95%和17.19%。土壤含水量观测结果显示,0—60 cm土层中,降雨事件过程中,灌丛斑块较草地斑块能捕获更多水分,灌丛斑块植被冠层下方土壤含水量高于草地斑块;而在雨后无有效降水补充土壤水分的前提下,0—60 cm土层中,灌丛斑块土壤水分蒸散发量高于草地斑块,其中0—10cm土层中灌丛斑块土壤水分蒸散发速率低于草地斑块,10—60 cm土层中灌丛斑块土壤水分蒸散发速率高于草地斑块。研究认为,在水分为关键性限制因子的干旱半干旱区,小叶锦鸡儿灌丛化过程增加草原生态系统中水分分布的空间异质性,灌丛斑块能捕获、利用更多水分以维持更多的生物量。     

环青海湖地区天然草地和退耕恢复草地植物群落生物量对氮、磷添加的响应

植物群落生物量反映了植被的初级生产能力,是陆地生态系统碳(C)输入的最主要来源,往往受到自然界中氮(N)、磷(P)元素供应的限制。该试验以青藏高原环青海湖地区的高寒草原为研究对象,探讨了天然草地和退耕恢复草地植被群落生物量对N(10 g·m~(–2))、P(5 g·m~(–2))养分添加的响应。N、P添加显著增加了天然草地禾草的生物量,进而促使地上总生物量显著提高。退耕恢复草地禾草和杂类草的生物量对N添加均有一致的正响应,从而促使地上总生物量显著增加174%,群落地上和地下总生物量显著增加34%;而P添加对恢复草地生物量各项参数均无显著影响。回归分析显示:天然草地植物群落地上生物量随土壤中NO_3–-N含量的增加而增加(p0.05),退耕恢复草地植被地上、地下和总生物量均与土壤NO_3–-N含量显著正相关(p0.01),说明环湖地区高寒草原植物生长主要受N供应的限制,P的限制作用随土地利用方式的转变和群落演替阶段的不同而变化;相比天然草地,恢复草地在现阶段植被初级生产力受N的限制作用更强烈,土壤中可利用N含量是限制其植被自然恢复和重建的关键因子。     

黄土丘陵区典型天然灌丛和人工灌丛优势植物土壤水分利用策略

细裂叶莲蒿(Artemisia gmelinii)是黄土高原农地退耕后长期存在的天然植物群落优势种。柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)灌丛是黄土高原防治水土流失的主要人工群落类型。研究它们的水分利用策略对评价气候暖干化趋势下黄土高原生态建设可持续性具有重要意义。该研究以退耕7年的天然草地细裂叶莲蒿群落、退耕30年的天然草地细裂叶莲蒿群落和退耕30年的人工灌木林柠条锦鸡儿群落为研究对象,采用氧稳定同位素比率(δ~(18)O)技术研究其对不同土层土壤水分利用的季节性变化,通过Mix SIR模型量化各土层土壤水分利用的贡献。结果表明:在δD-δ~(18)O分布图上,对黄土丘陵区降水样的氢稳定同位素比率(δD)和δ~(18)O回归分析得到当地的大气降水线,土壤水和植物水中的氢氧稳定同位素组成在δD-δ~(18)O分布图上都位于当地大气降水线的右下方,表明研究区土壤水分中的同位素组成受强烈蒸发影响发生了富集作用。随着季节变化,退耕7年的天然草地细裂叶莲蒿和退耕30年的人工灌木林柠条锦鸡儿植物水分来源可在不同土层之间较为灵活地转换,当浅层(0–40cm)土壤水可利用时,植物主要利用40 cm以上的土壤水分;当浅层土壤干燥时,主要吸收40–80 cm土层土壤的水分。退耕30年天然草地中细裂叶莲蒿主要依赖于0–10 cm表层土壤的水分。这表明在未来极端干旱事件发生频率增大的情况下,退耕7年的天然草地细裂叶莲蒿和退耕30年的人工灌木林柠条锦鸡儿具有更大的生存优势,而退耕30年的天然草地细裂叶莲蒿受干旱等极端天气影响更为严重。     

科尔沁沙地人工小叶锦鸡儿植被水分入渗动态研究

通过对科尔沁沙地不同年龄人工小叶锦鸡儿固沙植被降雨入渗的研究 ,阐明植被对沙地水分入渗的影响。结果表明 ,在降雨量 4 3 4mm ,降雨强度 3 9mm·h-1时 ,降雨后 12 0h内流动沙丘和 5年生人工小叶锦鸡儿植被的水分入渗深度分别为 180cm和 15 0cm ,15年生人工小叶锦鸡儿植被降雨入渗深度为 10 0cm。流动沙丘降雨后土壤水分变化剧烈 ;有植被沙地降雨后土壤水分变化平缓 ,水分下渗浅 .随着植被年龄的增加 ,浅层土壤截留降雨能力不断加强 ,最终形成不透水土层。降雨后短期内流动沙丘浅层土壤中含水量高 ,后期有植被沙丘深层土壤含水量高     

科尔沁沙地不同密度小叶锦鸡儿灌丛水量平衡研究

根据沙地水分平衡理论推算了不同栽植密度下小叶锦鸡儿灌丛的蒸散量.结果表明,小叶锦鸡儿灌丛生长期土壤水分含量随着植被密度增加而降低,0.5 m×1 m、1 m×2 m密度植被区平均土壤含水量低于凋萎湿度(1.55%),2 m×2 m密度植被和天然小叶锦鸡儿植被平均土壤含水量保持在1.60%以上,能够满足植被生存和生长的水分需求.蒸散量随着植被密度增加而增大,以0.5 m×1 m密度灌丛区最高,为297.81 mm,占同期降水量的97.90%;2 m×2 m密度灌丛区最低,为279.71 mm,生长期末期土壤水分节余为24.49 mm.依据生长期土壤水分状况和水分平衡要求,科尔沁沙地小叶锦鸡儿灌丛适宜密度应为2 m×2 m.     

内蒙古半干旱草原土壤水分对降水格局变化的响应

在全球气候变化背景下,未来我国北方半干旱地区的降水格局将呈现出季节与年际间降水波动增强和极端降水事件增加的趋势。水分是半干旱草原的主要限制因子,降水格局变化导致的土壤水分状况的改变必然对生态系统的结构和功能产生显著的影响。该研究选取内蒙古多伦和锡林浩特两个典型半干旱草原群落,通过分析2006–2013年的降水和多层次土壤(0–10 cm,10 cm,20 cm,30 cm和50 cm)含水量连续观测数据,研究降水格局变化对土壤水分状况及其垂直分布的影响,特别是土壤水分对降水事件的脉冲响应过程。结果表明:两个站点的土壤含水量均呈现显著的季节及年际间波动,其中土壤表层0–10 cm水分波动更剧烈。锡林浩特50 cm处土壤含水量波动较大,主要由于春季融雪的影响。年际间多伦和锡林浩特生长季土壤表层0–10 cm土壤含水量与降水量存在显著的正相关关系,下层(10–50 cm)土壤含水量与降水量相关性不显著。研究发现小至2 mm的降水事件就能够引起两个站点表层0–10 cm土壤含水量的升高,即该地区有效降水为日降水量2 mm。表层0–10cm土壤含水量对独立降水事件的脉冲响应可通过指数方程很好地拟合。降水事件的大小决定了降水后表层0–10 cm土壤含水量的最大增量和持续时间,同时这个脉冲响应过程还受到降水前土壤含水量的影响,但该过程中并未发现植被因子(叶面积指数)的显著影响。降水后水分下渗深度及该深度的土壤含水量增量主要由降水事件的大小主导,同时受到降水前土壤含水量的影响。在多伦和锡林浩特,平均每增加1 mm降水,下渗深度分别增加1.06和0.79 cm。由此作者认为,在内蒙古半干旱草原,降水事件大小和降水前土壤干湿状况是影响土壤水分对降水响应的主要因素,而植被因子的影响较小。     

不同放牧条件下锡林郭勒典型草原土壤水分分布特征及降水入渗估算

由人类活动所导致的锡林郭勒草原草场退化、土地沙化等问题日趋严重,区域土壤水资源评价及其科学管理显得尤为重要。为确定锡林郭勒典型草原不同放牧条件对深层土壤剖面水分动态及降水入渗补给的影响,选取1979年以来禁牧(UG79)、1999年以来禁牧(UG99)和持续放牧(CG) 3个小区6个土壤剖面,基于不同深度土层的质量含水量、Cl–浓度等数据,分析了放牧对深层土壤水分特征的影响,且利用氯质量平衡法估算了降水入渗补给量。结果表明:1)禁牧可以提高土壤含水量,且禁牧时间越长,效果越显著,尤以表层最为明显。整个土壤剖面(0–5m)土壤质量含水量的平均值表现为UG79UG99CG,但各处理间差异不显著;0–2mUG79处理土壤剖面质量含水量分别比UG99和CG处理高26.6%和33.7%,储水量分别高87.19 mm和82.52 mm,且UG79处理与UG99、CG差异显著,但UG99与CG之间差异不显著;除局部地区受土壤颗粒组成影响含水量不同外,各处理2–5m土层含水量和储水量差异较小;2)不同处理土壤含水量影响因素不同,0–2m土层含水量主要受地表植被状况和土壤性质的综合影响,而2–5m土层则主要受土壤颗粒组成的影响,但随着禁牧年限的增加,土壤有机质(SOM)含量对土壤水分的影响越来越大。UG79整个土壤剖面含水量与土壤颗粒含量和SOM含量呈极显著相关关系,UG99与CG处理0–2m含水量与SOM含量呈极显著相关关系,2–5m土壤含水量与土壤颗粒含量呈极显著相关关系,而与SOM含量相关性不显著; 3)氯质量平衡法估算得出年降水入渗补给率为UG79 UG99 CG, 35年和15年禁牧分别将降水入渗补给率提高了130.2%和44.5%;考虑干沉降的不确定性,研究区年降水入渗补给率为1.95–7.61 mm·a–1,仅占年降水量的0.55%–2.13%。总之,禁牧能够增加土壤含水量和储水量,增加降水对土壤水分的补给,但降水不是该区地下水的主要补给源。     

黄土丘陵区植被恢复的土壤碳水效应

黄土高原大规模植被恢复显著影响了这一区域土壤水分和有机碳(SOC),从而影响其承载的土壤水源涵养和固碳服务。明确深层土壤水分和有机碳对植被恢复的响应特征是当前黄土高原地区生态水文与生态系统服务研究的一个重要科学问题,其中植被类型以及生长年限是这一过程的重要影响因素。然而,目前关于深层土壤有机碳和土壤水分对植被恢复的响应及二者关系的研究较少。通过对陕北典型黄土丘陵区不同植被类型和生长年限下0—5 m土壤水分与有机碳的监测,分析了深层土壤水分和有机碳对植被恢复的响应及其特征。研究发现:(1)植被恢复后0—5 m土层均出现水分亏缺,土壤水分亏缺在表层1 m最低,2—3 m最高;对于不同恢复方式,林地土壤水分亏缺在恢复至21—30a时显著高于前一阶段(11—20a),而在恢复31a后水分开始恢复,而灌木、草地土壤水分亏缺程度则随恢复年限延长不断增加。(2)林地、灌木、草地0—5 m平均土壤有机碳含量为1.97、1.77、1.72 g/kg;林地土壤固碳量随恢复年限的增加而增加,并且在恢复20a时固碳量与对照农田相比出现净增;灌木土壤固碳量随恢复年限先增加后降低;草地土壤固碳量则随退耕年限增加呈下降趋势并且低于对照农田。(3)表层0—1 m土壤水分随恢复年限增加变化不显著,深层土壤水分则随恢复年限增加显著降低;相比而言,随恢复年限增加,土壤有机碳随年限的变化在各层土壤中均不显著。深层土壤水分与土壤有机碳呈现显著的正相关,且土壤有机碳的增加速率低于土壤水分,研究认为,深层土壤固碳与土壤水分关系密切,且深层土壤固碳需要充足水分参与。深层土壤水分亏缺可能限制植被细根的发展,使深层土壤有机碳输入减少。     

黄土高原退耕草地植被根系动态分布特征

采用土钻法研究了黄土高原不同退耕年限和天然草地植被根系的垂直分布特征.结果表明,样地上不同采样点间的根系分布不存在显著差异,根系指标的合并计算结果可以代表立地上植被根系的分布特征.植被根系生物量、根系长度等指标的垂直分布特征均表现出随着深度增加而减少的趋势;随着退耕年限的增加,植被根系的生物量、根系长度等指标逐渐增加,一般在退耕年限超过20年后,植被根系的分布特征接近天然草地的根系分布特征.随着退耕年限的增加,根系消失系数从0.98逐渐降低到0.96,说明植被在深层土壤中的相对含量逐渐减少,根系逐渐集中在0～40 cm的表层土壤中.退耕植被根系分布特征的改善提高了土壤理化性质,有利于新物种入侵和植被演替进行.