受损沙地生态系统景观变化分析——以内蒙古浑善达克沙地为例

生态系统变化会引起景观结构及格局的改变,而景观格局及其演化可以作为评价环境变化的指标。为了揭示浑善达克沙地生态系统变化特征,该文使用陆地卫星(Landsat 5、7)的TM/ETM⁺资料及地面调查数据来分析沙地景观变化特征。通过计算机监督分类,获得了研究区1987和2000年景观类型数据,研究区的景观类型有草地、固定沙地、半固定沙地、流动沙地、灌木林及水体。通过对两期景观数据的基本特征、变化检测及转移矩阵分析发现:1)从1987到2000年,草原、固定沙地、半固定沙地都在减少,斑块破碎,而流动沙地显著增加,成为主要景观类型,同时斑块相互联合形成两条流动沙带;2)类型转移上,草原转为沙地,固定沙地主要转为半固定沙地,半固定沙地以绝对优势转为流动沙地,水体转为流动沙地及草原;3)变化监测显示,流动沙地增加面积远远大于减少的面积,而草原、固定沙地、半固定沙地呈现相反趋势,变化区域的空间分布也不尽相同。结果表明研究区沙地生态系统已经退化比较严重,特别是流动沙带的出现,需要采取积极有效的防治措施,防止进一步扩大。     

科尔沁沙地不同沙漠化成因区域的景观动态比较

在3S技术支持下,比较分析了科尔沁沙地不同沙漠化成因区域的沙地景观动态变化过程。结果表明：近20年来,以人为活动干扰为主的区域（八仙筒镇）,沙漠化土地变化幅度较大,各种沙漠化土地的转化主要表现在沙漠化土地中流动和半固定沙地向固定沙地转化、固定沙地向农田和林地转化;以自然干扰为主的区域（苇莲苏乡）,沙漠化土地变化幅度较小,主要表现为各种沙地类型之间的转换;在人为活动为主的区域固定沙地的空间格局变化显著,1985—1995年固定沙地的联合度降低,人为活动干扰较强,而1995—2005年联合度增高,人为活动干扰相对较弱;在自然干扰为主的区域,同一时期空间格局的变化明显的是流动沙地,在1985—1995年,流动沙地斑块破碎度减小,流动沙地发育显著,在1995—2005年,流动沙地的破碎度继续减小,但其面积得到控制,表明治沙效果在这一时期是显著的。     

沙质草地生境中大型土壤动物对土地沙漠化的响应

沙质草地沙漠化过程中土壤动物群落结构变化是沙漠化生物过程中的一个重要方面,对于掌握沙漠化过程中生物退化规律和提出合理沙漠化防治对策具有重要指导作用。选取处于不同沙漠化阶段的流动沙地、半流动沙地、半固定沙地、固定沙地和丘间低地5种生境类型,采用手拣法对其大型土壤动物群落进行了调查。共获得36个动物类群,属于8目32科,优势类群为蚁科,常见类群有22个类群,两个类群的个体数共占群落个体总数的93.33%;稀有类群有13个类群,其个体数占群落个体总数的6.67%。结果显示,丘间低地、固定沙地、半固定沙地和半流动沙地大型土壤动物群落个体数量、类群数和多样性显著高于流动沙地(P<0.05);固定沙地大型土壤动物生物量显著高于其它生境类型(P<0.05);沙质草地严重沙漠化显著地影响大型土壤动物多样性及其生物量。并且,不同土壤动物类群个体对不同沙漠化阶段生境的适应性存在一定差异,产生了不同的响应模式。土壤有机碳和酸碱度以及土壤含水量差异是影响大型土壤动物类群分布与生长的主要因素。研究表明,固定沙地是大型土壤动物的适宜沙地生境,具有较多的个体数量和较高的生物量;丘间低地、半固定沙地、半固定沙地和流动沙地影响大型土壤动物存活,其个体数量和生物量较低。     

浑善达克沙地起源

浑善达克沙地,位于内蒙古自治区中部,处于正兰旗至苏尼特右旗之北,苏尼特右旗至克什克腾旗之南。东西长约400余公里,南北宽约6080余公里,分布面积近3万平方公里。 沙地与沙漠、沙丘不同。沙地是指或多或少有植被覆盖,成为固定或半固定的沙丘、沙漠。沙地中有的已成为成片的草场,有的已开垦为可耕种的庄稼地。而沙漠、沙丘则无或极少有植被覆盖,在风的吹蚀作用下,顺风可发生流动,成为流动的沙丘和沙漠。     

沙漠化对沙地土壤呼吸的影响及其对环境变化的响应

为了了解沙漠化过程中土壤呼吸速率变化及其对环境因素变化的响应,于2005年在科尔沁沙地研究了固定、半固定和流动沙地的土壤呼吸日变化和生长季动态及其与环境变化的关系,得出以下结论:(1)3种沙地土壤呼吸日变化在春季和秋季呈单峰曲线,夏季呈多峰曲线;(2)3种沙地土壤呼吸速率从春季到秋季的季节动态均呈双峰曲线,峰值分别出现在6月下旬和8月下旬;(3)固定和半固定沙地的土壤呼吸的日变化幅度明显大于流动沙地,季节变化幅度也是固定沙地半固定沙地流动沙地;(4)随着沙漠化的发展,土壤呼吸平均速率明显下降,生长季平均土壤呼吸速率从固定沙地的2.32μmolCO2/(m·2s)降为半固定的1.65μmolCO2/(m·2s)和流动沙地的1.06μmolCO2/(m·2s);(5)3种沙地土壤呼吸速率日变化均与土壤温度呈正相关,与空气湿度呈负相关,在季节尺度上3种沙地土壤呼吸速率与土壤温度、土壤水分和大气湿度均呈正相关,但只有固定沙地的相关性达到了显著水平;(6)沙漠化过程中,虽然土壤温度、土壤有机碳含量和植物根系碳含量都是导致沙地土壤呼吸发生改变的重要因子,但制约其变化的关键因子还是土壤水分和空气湿度。     

土壤非保护性有机碳对荒漠草原沙漠化的响应

沙化草地的恢复与重建是干旱半干旱区生态建设的重要内容,分析荒漠草原沙漠化过程中土壤非保护性有机碳分配比例的变异规律对于探讨沙化草地恢复机制具有重要的理论价值。以干旱、半干旱地区荒漠草原不同沙化阶段的土壤为研究对象,分析土壤粗颗粒有机碳、细颗粒有机碳、轻组有机碳含量和分配比例的分布特征、土壤非保护性有机碳转化为保护性有机碳的速率。结果表明:荒漠草原发生逆向演替后,土壤细颗粒有碳含量和分配比例表现为固定沙地荒漠草地半固定沙地流动沙地;粗颗粒有机碳含量表现为荒漠草地半固定沙地流动沙地固定沙地,粗颗粒有机碳分配比例表现为流动沙地半固定沙地荒漠草地固定沙地;轻组有机碳含量和分配比例递减。颗粒有机碳、轻组有机碳、土壤有机碳对草地沙漠化的敏感性不同,颗粒有机碳较轻组有机碳和土壤有机碳敏感性强,其中细颗粒有机碳较粗颗粒有机碳敏感性强。随着草地沙漠化程度的增强土壤非保护性有机碳分配比例呈下降趋势,表明草地沙漠化降低土壤质量。荒漠草地退化至流动沙地土壤非保护性有机碳转化为保护性有机碳的速率整体呈上升趋势。     

荒漠草地土壤微生物生物量和微生物熵对沙漠化的响应

采用空间序列代替时间演替的方法,分析宁夏中北部盐池县荒漠草地不同沙漠化阶段(荒漠草地、固定沙地、半固定沙地和流动沙地)土壤微生物生物量(SMB)和微生物熵(qMB)的变化特征及其影响因子.结果表明:从荒漠草地到流动沙地,土壤微生物生物量碳、氮、磷分别降低46.1%、80.8%和30.0%.随着荒漠草地沙漠化程度的加剧,土壤微生物熵碳(qMBC)、土壤微生物熵氮(qMBN)、土壤微生物熵磷(qMBP)均表现为荒漠草地>固定沙地>半固定沙地>流动沙地,而土壤-微生物化学计量不平衡性(C∶Nimb、C∶Pimb、N∶Pimb)基本呈增加趋势.土壤微生物生物量氮与C∶Nimb呈显著正相关,与N∶Pimb呈显著负相关;土壤微生物生物量磷与C∶Pimb呈显著正相关.冗余分析(RDA)显示,土壤生态化学计量(C∶N、C∶P)对微生物熵碳的负效应最明显.荒漠草地沙漠化显著影响土壤微生物生物量和微生物熵.     

草地沙化过程地上植被与土壤种子库变化特征

研究了草地沙漠化过程地上植被与土壤种子库的变化特征。获如下结论：(1)草地沙漠化过程地上植被与土壤种子库物种多样性的衰减模式不同,土壤种子库植物种数从潜在沙漠化阶段(固定沙地)到中度沙漠化阶段(半流动沙地)变化很小,而从中度沙漠化到严重沙漠化阶段(流动沙地)衰减速度明显加快;地上植被种数随着沙漠化程度增加而下降,其中从中度沙漠化到严重沙漠化发展阶段衰减幅度最大。(2)地上植被与土壤种子库密度随着沙漠化程度增加而下降,但下降速率因沙漠化发展阶段不同而异,从固定到半固定沙地是地上植被与土壤种子库密度下降最快的时期。(3)地上植被与土壤种子库共有种数随着沙漠化程度的增加而减少,从而导致了地上与土壤种子库群落组成的相异性增大。(4)4种退化沙地土壤种子库组成的相似性要高于地上植被,表明在沙漠化过程中土壤种子库群落组成的稳定性要高于地上植被。(5)地上植被密度与土壤种子库密度存在显著相关性,其关系可用二次曲线来描述。     

不同类型沙地狗尾草的生长特征及生物量分配

在科尔沁沙地封育5年的围栏内选取典型流动、半流动、半固定、固定和丘间低地5种不同样地,并以未封育的流动沙地作为对照,测定了狗尾草生长特征指标及地上、地下生物量.结果表明:随着环境条件的改善,狗尾草的分蘖株数逐渐减少,而围栏内狗尾草叶长、叶片长宽比和最大穗长增大;植株高度排列次序为丘间低地＞固定沙地＞半固定沙地＞半流动沙地＞流动沙地＞对照,而围栏内植株根长及其与株高比值的大小次序与株高正好相反;不同类型沙地狗尾草地上、地下生物量有所不同,但不同类型沙地狗尾草地上、地下生物量的分配比例在一定范围内变动,生物量主要分配在地上部分,地上生物量与总生物量的比值不小于80%,而地下生物量与总生物量的比值不超过20%.     

宁夏荒漠草原沙漠化过程中土壤粒径分形特征

研究宁夏荒漠草原沙漠化过程中土壤性状、土壤粒径分形维数的变化特征,以及分形维数与土壤性状的关系.结果表明: 草地沙漠化对土壤分形维数(D)影响显著,D值为1.69～2.62.除在10～20 cm土层出现较小波动外,随着沙漠化程度加剧,0～30 cm土层D值整体呈减小趋势.在荒漠草原沙漠化过程中,荒漠草地D值最大,黏粒和粉粒体积百分含量最高,极细砂粒和细砂粒体积百分含量最低;流动沙地D值最小,黏粒和粉粒体积百分含量最小,极细砂粒和细砂粒体积百分含量最高.D与<50 μm和>50 μm粒径的土壤颗粒存在显著正相关和负相关,表明50 μm粒径是决定草地沙漠化过程中土壤分形维数与土壤粒径关系的临界粒径.随着荒漠草原沙漠化加剧,土壤有机质和全氮含量逐渐降低,土壤容重逐渐升高,固定沙地至半固定沙地是荒漠草原沙漠化的质变过程,其中土壤粘粒体积百分含量、粉粒体积百分含量、土壤有机质含量、土壤全氮含量骤减,极细砂粒体积百分含量、细砂粒体积百分含量和土壤容重骤增.分形维数与土壤有机质、土壤全氮和土壤容重显著相关,固定沙地与半固定沙地分形维数的临界值为2.58,因此分形维数2.58可作为荒漠草原沙漠化的退化指标.     

Monitoring sandy desertification of Otindag Sandy Land based on multi-date remote sensing images

Sandy desertification is now the main ecological problem in the Otindag Sandy Land. In order to reveal the process of land degradation, especially the latest situation of sandy desertification, a method integrating remote sensing, Geographic Information System (GIS) and field survey was employed to build a sandy desertification dataset for analysis. Remote sensing images included the Landsat Thematic Mapper (TM) image in 1987, the Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM⁺) image in 2000, and the image with the Charge-Coupled Device Camera (CCD) on the China-Brazil Earth Resources Satellite (CBERS) in 2006. Five land-cover classes, including active sand dunes, fixed sand dunes, semi-fixed sand dunes, inter-dune grassland and wetlands, were identified. Results showed that the Otindag Sandy Land has been suffering sandy desertification since 1987 with 2 different desertified stages. The first stage from 1987 to 2000 was a severe sandy desertification period, characterized by the fixed sand dunes decreasing at a high speed, and the semi-fixed and active sand dunes increasing remarkably. The second stage spanned from 2000 to 2006 and the sandy desertification was weakened greatly. Although a large area of fixed sand dunes were transformed to other types, fixed sand dunes were still the dominant type in the Ointdag region at 2006. Spatial change detection based on active sand dunes showed that the expansion area was much larger than the reversion area in the past two decades, and that several active sand belts had been formed, suggesting that sandy desertification controlling of the Otindag Sandy Land will be a long-term task.     

Monitoring sandy desertification of Otindag Sandy Land based on multi-date remote sensing images

Sandy desertification is now the main ecological problem in the Otindag Sandy Land. In order to reveal the process of land degradation, especially the latest situation of sandy desertification, a method integrating remote sensing, Geographic Information System (GIS) and field survey was employed to build a sandy desertification dataset for analysis. Remote sensing images included the Landsat Thematic Mapper (TM) image in 1987, the Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM⁺) image in 2000, and the image with the Charge-Coupled Device Camera (CCD) on the China-Brazil Earth Resources Satellite (CBERS) in 2006. Five land-cover classes, including active sand dunes, fixed sand dunes, semi-fixed sand dunes, inter-dune grassland and wetlands, were identified. Results showed that the Otindag Sandy Land has been suffering sandy desertification since 1987 with 2 different desertified stages. The first stage from 1987 to 2000 was a severe sandy desertification period, characterized by the fixed sand dunes decreasing at a high speed, and the semi-fixed and active sand dunes increasing remarkably. The second stage spanned from 2000 to 2006 and the sandy desertification was weakened greatly. Although a large area of fixed sand dunes were transformed to other types, fixed sand dunes were still the dominant type in the Ointdag region at 2006. Spatial change detection based on active sand dunes showed that the expansion area was much larger than the reversion area in the past two decades, and that several active sand belts had been formed, suggesting that sandy desertification controlling of the Otindag Sandy Land will be a long-term task.     

籽蒿的地理分布与遗传分化

 对籽蒿(Artemisia sphaerocephala)的分布地点进行了调查,发现了籽蒿在浑善达克沙地的新分布, 绘制了籽蒿的分布图。在籽蒿集中分布的地区取了5个种群,新分布点取了一个种群,利用随机扩增多态性DNA（RAPD）方法进行了遗传分化的研究。15个引物共扩增出255条带,其中多态带232条,多态位点百分率为91%。各种群以乌海流动沙地种群最低, 多态位点百分率为66.7%, 沙坡头种群最高,多态位点百分率为83.4%。籽蒿种群间有着一定的遗传分化,遗传分化系数（Gst）为0.234 8, 表明76.52%的遗传变异存在于种群内。聚类分析显示,籽蒿种群之间的遗传距离与地理距离有着一定的相关性。而相隔很远的浑善达克沙地的锡林浩特种群与毛乌素沙地的榆林种群间的遗传距离较小,且被聚到了一起,表明两个草原区沙地籽蒿种群间的关系密切。     

科尔沁沙地植被恢复演替进程中群落土壤种子库研究

研究了科尔沁沙地植被恢复演替进程中各群落土壤种子库种类组成、密度以及物种多样性等特征。主要结论是:①科尔沁沙地植被退化后的恢复演替是一种次生的中途恢复演替。演替各阶段土壤种子库密度为流动沙丘<半流动沙丘<固定沙丘,从流动到半流动沙丘阶段,土壤种子库密度平均增加了709%;从半流动到固定沙丘阶段,土壤种子库密度平均增加了393%。从流动到半流动沙丘阶段是土壤种子库密度的快速增长期。②植被恢复演替过程中,土壤种子库组成均以1年生草本植物为主(优势度为60.40%~91.83%),到演替中后期阶段,多年生草本植物的种类有所增加,但其所占比例仍很小。③演替各阶段群落种子库物种多样性指数分别为0.6616、0.7736、0.7281、1.0939、1.0648和0.9682,可见种子库物种多样性最高的群落并非是演替历史最大的群落。④恢复演替系列各阶段土壤种子库间的相似性系数都较大,在0.368~1.000范围之内,任一群落总是与其下一阶段最邻近的群落具有最高的相似性系数。     

沙丘微地形生境蚁丘分布特征及其对恢复过程的响应

为了阐明沙丘微地形生境蚁丘特征及分布规律对沙丘固定过程的响应规律,以科尔沁沙地为研究区,选择不同固沙阶段沙丘的4个方位（西北、东南、西南、东北）布设调查样地,测定了不同样地的蚁丘密度、直径和高度,分析了不同样地蚁丘特征及空间分布规律。结果表明：（1）流动沙丘背风向（即东南方位）蚁丘密度显著高于其他方位,但从流动沙丘到半流动沙丘,背风向（即东南方位）蚁丘密度显著低于其他方位;从半固定沙丘开始,半固定和固定沙丘微地形对蚁丘密度分布的影响较小。（2）在流动沙丘、半流动沙丘、半固定沙丘,不同微地形生境中蚁丘直径和高度均呈现出相似的分布规律,即东南方位均小于其他方位。在固定沙丘,蚁丘高度表现为东南方位亦较低,但蚁丘直径表现为西南和东北方位显著小于西北方位。（3）在流动沙丘,西北、西南和东南方位上蚁丘空间分布均表现为均匀分布型,而在半流动、半固定和固定沙丘,4个方位上蚁丘空间分布均表现为聚集分布型。（4）相关性分析表明,不同固沙阶段不同微生境下蚁丘密度、高度、直径与植物密度、多样性间的相关性不同。随着固沙阶段演替,不同微生境下蚁丘特征与植物密度、多样性的相关性增强。研究表明,在科尔沁沙地,随着流动沙丘固定和生境逐渐恢复,沙丘不同空间方位上蚁丘密度分布差异缩小,而蚁丘直径和高度仍存在沙丘微地形间显著差异性,并且蚁丘空间方位上均呈现聚集分布状态。     

放牧方式对浑善达克沙地榆树疏林退化的影响

浑善达克沙地榆树疏林是分布于草原地带的隐域植被类型,相较周边的典型草原区,其植被更加茂密,乔灌丛生,水草丰美,千百年来一直是牧民的优质冬季牧场。近半个世纪以来,因人类的过度开垦以及不合理的放牧管理,浑善达克沙地植被遭到空前的破坏,沙丘活化,载畜能力降低,生态价值和经济价值严重受损。近年来,随着国家草畜平衡以及禁牧政策的推广落实,放牧的牲畜总量得到一定程度的遏制,然而大面积草场还在继续退化。在牧民对生产生活的基本需求下,牲畜总量不可能无限制的压制。另外,适度的放牧对草原生态系统健康是有益的。因此,如何改良放牧方式,合理利用草场,在保持生态良好的基础上合理发挥草场的畜牧价值,是我们亟待探索的问题。以浑善达克沙地的典型天然植被榆树疏林为例,对不同放牧方式下的植被进行调查,基于沙地特殊的基质和植被特征,探讨适合沙地的放牧利用方式。研究表明,在相似的放牧强度下,把沙地作为冬营地,其榆树种群更新正常,植被覆盖度以及植物种类等均能保持良好,而把沙地作为夏季营地,榆树疏林植被退化严重,具体表现为:(1)榆树种群自然更新受阻;(2)灌木群落大量死亡或消失;(3)草本覆盖度显著降低,植物种类减少,多年生草本比例减少,一、二年生草本比例增加;(4)裸沙面积增加,沙丘趋于活化。本研究认为目前沙地植被的退化主要由不合理的放牧引起,并非气候因素所致。沙地适合于冬季放牧而不适合其他季节放牧。借鉴牧民的传统放牧方式,建议配合周边的典型草原区实行季节性倒场放牧,仅将沙地作为冬季营地使用,既能有效保护沙地植被又能充分发挥其畜牧价值。     

科尔沁沙质草地沙漠化过程中土壤生物活性的变化

选择相邻地段的固定沙丘、半固定沙丘和流动沙丘为对象,研究了科尔沁西部沙质草地沙漠化过程中土壤微生物量、土壤酶活性和土壤养分的变化特征以及三者之间的相关关系.结果表明:土壤养分含量、土壤酶活性和微生物量均随土壤深度的增加而逐渐降低;沙漠化过程中土壤养分严重丧失,土壤微生物量碳、氮、磷,以及土壤脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、磷酸单酯酶、脱氢酶、多酚氧化酶和硝酸还原酶的活性均随沙漠化程度的加剧而大幅度下降;土壤生物活性对土壤沙漠化比较敏感,在固定沙丘到半固定沙丘的转化过程中土壤生物活性下降最快;土壤微生物量、土壤酶活性以及土壤养分之间均存在显著的相关关系.     

科尔沁沙地不同土地利用类型土壤化学计量特征

土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量是衡量土壤质量及生态系统元素限制的重要指标,探讨土地利用和土层深度对土壤化学计量特征的影响有利于揭示科尔沁沙地土壤元素循环规律。本研究以科尔沁沙地5种土地利用类型(灌溉农田、旱作农田、沙质草地、固定沙丘、流动沙丘)土壤为对象,分析不同土地利用类型和不同土层土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)含量及其化学计量特征。结果表明: 1)科尔沁沙地0～10 cm SOC(3.23 g·kg^-1)、TN(0.37 g·kg^-1)、TP(0.15 g·kg^-1)含量及化学计量比(C:N、C:P、N:P分别为9.07、25.56、2.97)远低于中国陆地土壤。2)土地利用变化显著改变了SOC、TN、TP含量及其化学计量特征,0～100 cm SOC、TN、TP含量均表现为灌溉农田>沙质草地>旱作农田>固定沙丘>流动沙丘;沙质草地、灌溉农田、旱作农田C:N显著高于固定沙丘和流动沙丘,沙质草地、固定沙丘、灌溉农田、旱作农田C:P显著高于流动沙丘,5种土地利用类型N:P无显著差异。3)随土层深度增加,沙质草地、固定沙丘、灌溉农田、旱作农田SOC和TN含量显著降低,流动沙丘SOC、TN含量和C:P在各土层间无显著差异;总体上,各土地利用类型TP含量和C:N受土层影响较小;沙质草地、固定沙丘、灌溉农田、旱作农田C:P和沙质草地N:P随土层深度增加而降低。4)SOC、TN、TP、C:N与中砂粒、细砂粒、土壤容重呈显著负相关,与黏粉粒和极细砂粒呈显著正相关。沙漠化导致科尔沁沙地SOC和养分流失,加剧土壤N缺乏,水肥投入有助于耕地维持相对较高的土壤养分水平。