降水、土壤水分和结皮对人工梭梭(Haloxylonammodendron)林的影响

通过对石羊河下游沙井子地区不同立地类型、不同林龄人工梭梭林的大范围调查和定位观测研究，分析了主要生态因子降水、土壤水分和结皮对人工梭梭种群及其群落的影响。结果表明，梭梭对降水下限要求不严，但对降水上限有较为严格的要求，180mm降水量是建立人工梭梭林的上限；石羊河流域现存人工梭梭林基本依靠降水生存，但非连续同向的年际降水波动变化，对人工梭梭种群无明显影响，却显著影响梭梭林中草本植物物种组成、种群数量和生物产量。土壤水分是影响人工梭梭林最关键、最直接的生态因子，风沙土土壤含水率低于0．824％，梭梭死亡，介于0．824％-1．30％之间，处于退化状态，高于1．30％，生长正常；土壤水分限制梭梭生长，而梭梭生长又会进一步加剧土壤水分下降，梭梭造林8a后土壤含水率降低到1．30％，14a后降至土壤调萎系数之下，30a后又恢复到1．30％并保持稳定，残存梭梭种群生长趋于正常。结皮在起到固沙和保护梭梭免遭风蚀的同时，明显限制水分下渗并引起土壤干旱，加速了人工梭梭林的退化，破坏结皮后土壤含水率逐渐增加；同时，结皮还改变了1年生植物的种类组成及其数量。     

民勤绿洲人工梭梭林退化现状、特征与恢复对策

民勤全县共有人工梭梭林近3．5万hm^2,占人工林总面积的51．5％,在民勤固沙林中占主导地位。但目前除水库与环河周围外,人工梭梭林均出现不同程度的退化现象,并表现为建群种梭梭光合强度减弱、群落盖度降低、梭梭种群优势度下降、林地土壤含水率下降、组成群落的物种多样性减少、地表土壤结皮破坏、风蚀作用增强等特征。梭梭林的退化,直接威胁到民勤绿洲的生存与发展,其恢复与重建成为当前一项十分重要而紧迫的任务,为此提出控制梭梭林密度、人工集雨、布设粘土或新型材料沙障、引进与培育抗旱新品种、特殊区域应用喷灌技术补水、补充水源不断恢复民勤地区的地下水位等措施,以期达到恢复与维持梭梭群落稳定发展的目的。     

古尔班通古特沙漠土壤因素对退化梭梭更新局限的影响

古尔班通古特沙漠梭梭退化主要发生在平原和小沙丘(高度5m)区域,而与其邻近的大沙丘(高度10m)生境中梭梭却长势良好。本文对比分析了退化区和正常生长区小尺度范围梭梭种群年龄结构、不同盐分梯度下梭梭种子及其萌发特征、土壤理化性质及其对梭梭种群更新的影响。结果表明:退化区梭梭幼株缺乏,自然更新明显受阻。平原、小沙丘和大沙丘3种生境中梭梭种子的带果翅百粒重、无果翅百粒重和果翅直径差异显著,无盐胁迫条件下梭梭种子萌发率差异不显著,而在有盐胁迫条件下差异显著,且萌发率都随盐分浓度的增加而降低,说明退化区梭梭林更新不良与种子特征关系不大,与土壤盐分关系密切。3种生境土壤理化性质差异显著,平原和小沙丘土壤电导率明显高于大沙丘。梭梭活株密度与各土层土壤电导率、土壤含水量呈极显著负相关,梭梭幼株数(株高40cm)与土壤表层(0～30cm)电导率极显著负相关。综上所述,退化区高的土壤盐分导致梭梭植株密度严重降低、抑制种子萌发和限制梭梭幼苗存活,进而使得梭梭林自然更新不良。     

古尔班通古特沙漠南缘不同林龄人工梭梭林主林层和更新层特征

对古尔班通古特沙漠南缘6个不同林龄人工梭梭种群的结构特征、天然更新及影响因子进行研究.结果表明: 7年生人工梭梭林能天然更新,17年生时幼苗(高度H＜30 cm)、幼树(30≤H＜50 cm)和小树(H≥50 cm)的密度均达到“优”级,小树的平均高度和基径为1.10 m和1.91 cm.20年生人工梭梭林内母树长势最好,35%的个体树高在2.50～3.00 m,23.1%个体的基径达8.00～10.00 cm; 33年生人工梭梭林内母树高和径生长明显衰退,但自然落种更新能力依然较强; 梭梭自然落种更新密度与0～100 cm土层土壤有效氮含量的关联度最大(0.87),其次是土壤速效磷(0.84)及土壤水分含量(0.79),pH 8.1～8.6的土壤未限制更新层的营养生长.在主林层,与整个更新层个体密度关联性最高的是人工梭梭林母树生物量(0.77),而与更新层小树密度关联性最高的是种植密度(0.71)和母树年龄(0.70).     

荒漠绿洲过渡带不同年限雨养梭梭(Haloxylon ammodendron)对土壤水分变化的响应

通过调查分析河西走廊荒漠绿洲过渡带不同种植年限（5、10、20、30和40a）人工梭梭生理生化变化（叶片渗透调节物质、丙二醛和叶绿素含量,根系活力）和个体形态特征（叶片、枝条和茎干生物量、枯枝落叶比、株高、冠幅等）以揭示不同种植年限雨养梭梭对土壤水分变化的响应机制。研究结果表明：随着梭梭种植年限增加,人工梭梭林内深层100-120cm和180-200cm土壤水分变化明显,在5-20a保持在3%-4%,而在种植后期（30-40a）土壤水分下降到1%-2%左右。在5-20a,梭梭主要通过显著提高叶片渗透调节物质可溶性糖和可溶性蛋白含量,维持叶片较低的丙二醛含量和较高的叶绿素含量,保持新叶光合能力;同时,显著提高0-20cm根系的活力,增强对表层土壤水分的吸收能力;但在30-40a,梭梭叶片渗透调节物质明显减少,梭梭叶片丙二醛含量增加,叶绿素含量下降,同时叶绿素a,b比例失调,渗透调节作用失效,梭梭叶片老化,老叶比例明显增加,光合作用能力下降,枝条和茎干退化严重,个体生物量进一步减少,在40a梭梭叶片、枝条和茎干生物量下降到最低值。研究表明在年降水100mm左右的荒漠绿洲过渡带,在种植梭梭5-20a土壤水分为3%-4%,梭梭可以通过生理调节适应土壤干燥,但是从30a土壤水分下降到1%-2%时,梭梭主要通过枯枝落叶降低个体蒸腾耗水量,在40a梭梭进入休眠（假死）状态,这暗示土壤水分下降到1%-2%,可能是梭梭的临界吸收土壤水分。     

古尔班通古特沙漠西部梭梭种群退化原因的对比分析

古尔班通古特沙漠植被的建群种梭梭在沙漠的低平地和小沙丘(高度<5 m)区域发生大面积退化死亡,而在大沙丘(高度>10 m)生境中梭梭却长势良好。对此分析了梭梭林枯死植株的空间分布、活株和死株的年龄结构,研究了地下水埋深以及对比低平地、小沙丘和大沙丘3种生境土壤理化性质对梭梭生存的影响。发现梭梭死亡植株在观测的19个样点中的15个呈显著的集群分布,表明梭梭植株死亡并非是种内自疏。梭梭各年龄级植株均在死亡,说明死亡与植株年龄关系不大。退化区地下水埋深过浅或过深均对梭梭生长不利,表明地下水埋深对梭梭生长产生显著影响。低平地和小沙丘区土壤电导率高,土壤水分入渗速率慢,且0-90 cm深度范围梭梭侧根数和成活的梭梭幼苗幼株数较少,与梭梭正常生长的大沙丘区明显不同。综合分析认为梭梭退化主要是由自身的根系分布特性,以及地下水位、土壤盐分、土壤水分入渗变化等综合作用,实质是梭梭水分利用受限和种群更新不良引起的。     

民勤沙区人工梭梭林自然稀疏过程研究

通过实地样方调查,对民勤沙区人工梭梭林的自然稀疏过程进行分析,以探讨其自然稀疏机理。结果表明:(1)民勤沙区梭梭经过自然稀疏,15~32 a林龄的密度为387.14株.hm-2。(2)梭梭林内乔木、灌木、草本植物对不同层次土壤水分利用的分异比较明显,草本植物和灌木分别主要利用0~20 cm和0~100 cm的土壤水分,梭梭主要利用60~120 cm的土壤水分。(3)在梭梭林成长过程中,沙丘水分递减,梭梭因水分亏缺而自然稀疏化,且在10 a林龄以内自然稀疏过程最明显。(4)当林龄达到15 a以上时,植株普遍枯梢,生长不良,植株个体增大缓慢。(5)对于15 a及其以上成龄梭梭林进行人工补灌没有显著恢复效果,只是增加草本植物的密度和盖度。     

民勤绿洲荒漠过渡带人工梭梭种群年龄结构及动态

基于野外样地调查数据，通过分析静态生命表、存活曲线、动态指数等参数，结合时间序列模型，研究了人工梭梭种群年龄结构动态，旨在预测人工梭梭种群演替趋势，为退化人工梭梭种群恢复与重建提供理论依据。结果表明：(1)民勤绿洲荒漠过渡带人工梭梭种群的年龄结构近似于“金字塔”型，幼龄林个体占总物种数的90.1%;(2)人工梭梭种群存活曲线趋近于Deevey-Ⅱ型，为稳定型种群。不同区域人工梭梭种群的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ龄级个体死亡率和消失率最高；(3)动态量化结果显示人工梭梭种群总体均表现为增长型，对外界干扰敏感性较强；(4)时间序列预测分析表明，在未来2、4个龄级时间后，种群Ⅱ、Ⅳ龄级个体数量大幅度增加，人工梭梭种群发展趋势较好。民勤绿洲荒漠过渡带人工梭梭种群为稳定增长型种群，种群具有一定的自然更新能力。针对该种群幼龄个体死亡率较高的问题，未来建议加强对第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ龄级幼株的精准抚育管理，通过人为辅助措施提高幼苗的保存率，促进人工梭梭林的可持续发展。     

古尔班通古特沙漠西部梭梭大面积退化原因

通过对退化梭梭种群特征、土壤理化性质、地下水位等调查,分析了古尔班通古特沙漠西部梭梭退化的原因。结果表明:研究区多为极重度盐渍化土壤,梭梭林分稀疏,平均盖度为11.58%,幼苗更新极少,种群处于衰退状态;梭梭生活力(单株梭梭活枝与枯枝数量之比)与表层土壤(0～40cm)、中层土壤(40～80cm)电导率存在极显著负相关(r=-0.79,P=0.0000;r=-0.32,P=0.009),与下层土壤(80～120cm)含水量存在极显著正相关(r=0.54,P=0.000);梭梭种群存活指数(样地活株与死株之比)及盖度均与地下水位埋深呈极显著负相关(r2=0.40,P=0.007;r2=0.46,P=0.004)。表明,地下水位降低、土壤水分匮缺以及土壤盐分含量过高是梭梭退化的主要因素。     

不同龄阶梭梭根区土壤水分时空变化特征

土壤水是荒漠植被发育最主要的制约因子。不仅影响植物的生长和发育,还限制着植被的种类、数量和分布。梭梭作为北方荒漠区重要的固沙植物,研究梭梭林地土壤水分动态对其植被生存或恢复以及群落稳定性维持具有重要意义。鉴于少有学者研究过不同龄阶梭梭根区的土壤含水率差异,于2014年2月至2014年11月,采用中子仪法和烘干法对0—400 cm沙层土壤含水率进行了原位观测,分析了不同龄阶梭梭根区土壤水分的时空变化规律。结果表明:(1)梭梭根区土壤水分时间变化可分为4个阶段:2月下旬—3月下旬是土壤水分快速补给期,4月上旬—5月下旬是土壤水分均衡期,6月上旬—10月下旬是土壤水分耗损期,11月上旬—次年2月中旬是土壤水分稳定期;(2)梭梭根区0—50 cm土层,受降雨、融雪水入渗补给和蒸发的影响较大,土壤水分变异系数较大且随深度增加迅速减小,50 cm以下土层变异系数较小且随深度变化微小;(3)不同龄阶梭梭根区剖面平均土壤含水率全年与春、夏、秋季均表现为:枯树成熟梭梭中龄梭梭裸地;(4)随距梭梭树干距离的增大(0—5 m范围内),土壤含水率整体呈减小趋势;降雨前后,梭梭根区浅层(0—10 cm)土壤含水率增量大于裸地土壤含水率增量。     

Effects of precipitation, soil water content and soil crust on artificial Haloxylon ammodendron forest

Based on the large-scale survey and positioning observation of Haloxylon ammodendron forest with various ages growing under different site conditions in Shajingzi region at the downstream of Shiyang river, this paper studied the effects of ecological factors such as precipitation, soil water content and soil crust on the artificial H. ammodendron population and communities. Results show that H. ammodendron is restricted by the maximum threshold of precipitation, 180 mm, rather than by the minimum threshold of precipitation. Soil water content is the essential ecological factor affecting artificial H. ammodendron forest. H. ammodendron dies when water content in aeolian sandy soil is less than 0.824%, degenerates when water content is between 0.824% and 1.30%, and grows normally when water content is above 1.30%. The growth of H. ammodendron, restricted by soil water content, aggravates the loss of soil water. Soil water content reduced to 1.3% 8 years after afforestation of H. ammodendron, reduced to less than the wilting coefficient 14 years later, but increased to 1.30% 30 years later when the remaining H. ammodendron population grew normally. Soil crust restricts rainwater infiltration, which will result in soil drought and accelerate degeneration of artificial H. ammodendron forest. Soil water content will increase gradually with undermined soil crust. Compared with bare mobile sand dunes, soil crust has significantly changed the composition and quantity of species in H. ammodendron forest.     

黄土旱塬区免耕玉米田土壤呼吸对降雨的响应

在多年定位试验的基础上,采用LI-8150-16多通道土壤碳通量测量系统对传统耕作和免耕处理下玉米田的土壤呼吸进行了连续观测,以探讨不同耕作措施处理下土壤呼吸对降雨的响应。结果表明:降雨发生瞬间,土壤呼吸受应激反应影响迅速降低,传统耕作和免耕处理下分别较降雨前降低62.9%—92.9%和35.8%—56.9%;降雨后,传统耕作和免耕处理土壤呼吸的降幅范围分别为31.5%—89.2%和15.7%—59.9%;土壤体积含水量接近于18%时,传统耕作下土壤呼吸比免耕下高51.8%,当土壤体积含水量高于30%时,传统耕作下土壤呼吸比免耕处理下低43.0%,表明传统耕作土壤呼吸更易受土壤水分的影响,波动幅度大;传统耕作处理下土壤呼吸随土壤温度的升高而增大,免耕处理下土壤呼吸随土壤温度的升高变化不明显;土壤体积含水量较小(20%)时,不同耕作处理下土壤呼吸均随土壤含水量增加而增加,含水量较高(30%)时则均随土壤含水量的升高而减小,两种情况下均为免耕处理的变化速率更大;双因子线性模型可较好地描述玉米田土壤呼吸对温度和水分变化的响应。     

温带荒漠中温度和土壤水分对土壤呼吸的影响

荒漠对气候变化具有高度敏感性, 深刻认识和量化非生物因子对荒漠生态系统土壤呼吸的影响具有重要意义。采用自动CO₂通量系统(Li-8100)监测了梭梭(Haloxylon ammodendron)、假木贼(Anabasis aphylla)和盐穗木(Halostachys caspica)群落生长季土壤呼吸及温度、土壤含水量等, 深入分析了水热因子对土壤呼吸的影响。土壤呼吸具有不对称的日格局, 最小值出现在8:00, 最大值在12:00~14:00。土壤呼吸的季节格局与气温变化基本同步, 最小值在生长季末期(10月), 最大值在生长季中期(6~7月)。梭梭、假木贼和盐穗木群落生长季平均土壤呼吸速率分别为0.76、0.52和0.46 μmol CO₂·m^-2·s^-1。气温对假木贼(51%)和盐穗木群落(65%)土壤呼吸季节变化的解释率高于梭梭(35%)。梭梭、假木贼和盐穗木群落土壤呼吸温度敏感性(Q₁₀)逐渐增大, 基础呼吸速率(R₁₀)逐渐减小。剔除温度影响后, 梭梭、假木贼群落土壤呼吸与土壤含水量呈显著的幂二次方函数关系, 盐穗木群落两者关系却明显减弱, 未达到显著水平。气温、土壤含水量的二元方程均能解释群落土壤呼吸大部分的时间变异: 梭梭群落71%~93%、假木贼群落79%~82%、盐穗木群落70%~80%。人工模拟降水后土壤呼吸速率表现出降水后10 min减小、180 min时明显增加、达到最大值后再次衰减的现象。5和2.5 mm降水处理下的土壤呼吸速率最大值和其后的递减值高于对照处理, 土壤呼吸增加、达到峰值和其后递减过程与5 cm土壤温度变化基本同步。     

固沙树种梭梭在不同水分梯度下的光合生理特征

对不同水分梯度下梭梭光合作用的研究发现,地下水位、土壤含水量、灌水量对梭梭的光合具有明显的影响。在1．4m、2．4m、3．4m地下水位下,梭梭的光合速率、呼吸作用、量子效率随水位的降低而降低,光补偿点随水位的降低而增大;在滴灌供水时,梭梭的光合速率较对照明显提高,且灌水量越大,梭梭的光合速率越高;半流动沙丘、丘间低地、粘土沙障固定沙丘退化梭梭的光合作用的强弱同其林地土壤水分的高低基本一致。7月,不同水分梯度下的梭梭光合作用均表现出午休现象,9月只有立地条件较差的梭梭发生光合午休,而且9月光合作用要强于7月,说明9月环境条件更有利于梭梭生长。     

荒漠结皮层藓类植物死亡对表层土壤水分蒸发和入渗的影响

水分是荒漠植物生长最主要的限制因子,藓类结皮作为荒漠土壤表层重要覆被物,对土壤水分蒸发入渗具有重要影响。研究表明,在全球气候变化背景下,不确定的降水格局变化导致结皮层藓类植物出现集群死亡现象,但这一过程对荒漠地表土壤水分蒸发与入渗过程的影响及其机理尚不清楚。以古尔班通古特沙漠齿肋赤藓结皮为研究对象,利用便携式渗透计和蒸发仪,研究了结皮层藓类植物死亡对土壤水分蒸发与入渗的影响。结果表明,与裸沙相比,藓类结皮的存在显著抑制了水分入渗,而藓类植物死亡的结皮层抑制作用最大,其初渗速率、稳渗速率和累积入渗量分别是活藓类结皮的39.89%、85.91%及64.48%,仅为裸沙的5.96%、13.13%及20.42%。在水分蒸发初期,裸沙的水分蒸发速率明显高于活藓类结皮和藓类植物死亡的结皮层,但藓类植物死亡的结皮层维持相对稳定的蒸发速率的时间长于裸沙和活藓类结皮,这也导致最终累计蒸发量以藓类植物死亡的结皮层最高、裸沙最低。可见,荒漠生物土壤结皮中藓类植物死亡会明显减少土壤水分入渗、增大水分蒸发,进一步影响荒漠表层土壤水分格局,从而影响生物土壤结皮与维管植物的水分利用关系。     

人工固沙措施对沙丘沉积物特征及土壤养分的影响

为探明人工铺设尼龙网状固沙措施对风沙危害的影响,以腾格里沙漠东南部人工固定沙丘、两类自然流动沙丘以及防护林的地表沉积物和结皮为研究对象,研究沙丘不同位置、不同深度沉积物的颗粒组成、土壤有机质、有效氮、有效磷、有效钾含量等养分特征。结果表明:(1)人工固定沙丘和自然流动沙丘粒度组成和土壤养分含量都存在显著差异(P0.5),沙障的防风,固沙和土壤改良作用明显。(2)人工固定沙丘各个地貌位置沉积物粒度频率曲线均出现三峰,反映了沙障对粉尘沉积物的拦截作用,体现了沙障对土壤理化性质的改良过程;分选性随风向逐渐变差,随着粒径变细而好;偏度和峰度明显高于其他。(3)整个研究区沉积物偏碱性,影响着土壤养分含量。人工固定沙丘养分含量最高,有效氮和有机质含量均为最大,有效磷和有效钾含量略低于对比林,其粉沙物质含量与养分含量成正比。(4)人工固定沙丘的沙丘迎、背风坡均有植被分布,并覆有土壤物理结皮,沉积物粒级分配较自然发育的流动沙丘分散,养分含量增加。由此可见,沙障对沙区的土壤环境和生态环境改善具有重要的影响。     

Characteristics of normalized difference vegetation index of biological soil crust during the succession process of artificial sand-fixing vegetation in the Tengger Desert,Northern China

Aims Biological soil crust (hereafter crust) affects normalized difference vegetation index (NDVI) values in arid desert ecosystems. This study aimed to demonstrate the feasibility of combining crust NDVI values with meteorological data to distinguish the crust successional stage at the regional scale. Meanwhile, the characteristics of crust NDVI could provide the basis for the error analysis of NDVI-based surface ecological parameters estimation in desert ecosystems. We also suggested the optimum periods for crust observation based on the multi-temporal remote sensing images.Methods NDVI values of five types of dominant crusts, three typical sand-fixing shrubs and bare sand were collected by spectrometer in the field. Crusts and shrubs were randomly selected in revegetated areas established in 1956, 1964, and 1973 at Shapotou, which is on the southeastern edge of the Tengger Desert. We used the space-for-time method to study the characteristics of crust NDVI values and their responses to precipitation and temperature during the succession process of artificial sand-fixing vegetation. Additionally, we evaluated the contribution of crust NDVI values to the whole ecosystem NDVI values by comparing the NDVI values of crusts, shrubs and bare sand.Important findings 1) With succession process of the artificial sand-fixing vegetation, the crust NDVI values significantly increased. Among different crust types, we found the following order of NDVI values: Didymodon vinealis crust > Bryum argenteum crust > mixed crust > lichen crust > algae crust. 2) Crust NDVI values were significantly affected by precipitation, temperature and their interaction, and the influences showed significant seasonal differences. Furthermore, we found significantly linear correlations between crust NDVI value and precipitation, and between crust NDVI value and the shallow soil moisture content covered by crust. A significantly negative linear correlation between daily mean temperature and crust NDVI value, and a significantly exponential correlation between the surface temperature of crust and its NDVI value. With the succession process of artificial sand-fixing vegetation, the response of crust NDVI value to precipitation and temperature became more sensitive. In addition, the response of crust NDVI value to temperature was more sensitive in spring than in summer, while that to precipitation was less sensitive in spring than in summer. 3) Moss crust NDVI value was significantly higher than that of shrubs and bare sand after the rainfall event in spring, while shrubs NDVI value was significantly higher than that of crust after the rainfall event in summer. Considering the coverage weights of different ground features in sand-fixing areas, crust NDVI values contributed 90.01% and 82.53% in spring and summer, respectively, to the regional NDVI values, which were higher than those of shrubs (9.99% and 17.47% in spring and in summer, respectively). Additionally, with the succession process of artificial sand-fixing vegetation, crust NDVI values contributed more, while shrubs contributed less to regional NDVI values.     

苔藓结皮在我国喀斯特石漠化治理中的应用潜力

我国西南喀斯特地区面临着极为严峻的生态环境问题,其中最主要的是石漠化,迫切需要高效、可持续的石漠化治理方式.本文综述了喀斯特石漠化生态系统中苔藓植物的抗逆性和苔藓结皮在提高土层稳定性、增强土壤抗蚀性、提高土壤有机质含量、改善土壤养分状况、影响水分下渗及蒸发、改变降水的再分配格局、促进土壤生物的繁衍生存和植被演替以及增加生物多样性等方面的作用,表明其在石漠化地区土壤过程、水文过程及生物过程中发挥着不可替代的作用.人工培育苔藓结皮成本较低,与环境契合程度高,可作为现行石漠化综合治理手段的重要补充,有望在喀斯特石漠化治理中发挥重要作用.