干旱半干旱区地下水埋深对沙地植物土壤系统演变的驱动作用综述

在干旱半干旱生态脆弱区,地下水是限制植物种类组成、数量和生长发育的关键因素之一。近年来由于气候变化与土地利用强度的增加,我国北方普遍出现以极端气候变化、地表水体萎缩和地下水位下降为特征的生态过程,对区域生态系统安全和可持续发展构成严重威胁。而有关干旱半干旱区地下水埋深变化驱动退化植被恢复和稳定性维持方面的系统研究尚存不足。系统总结了地下水埋深变化分别对植物、土壤产生的影响及其三者间相互作用关系,比较分析了前人的研究成果,归纳总结了地下水埋深变化的驱动作用和影响因素,以及干旱半干旱区地下水埋深变化对植物土壤系统影响的预测模型研究,以期为今后应对地下水埋深变化制定生态保护策略提供理论指导依据。对本研究做了展望。     

干旱半干旱草地生态系统与土壤水分关系研究进展

研究干旱半干旱草地生态系统与土壤水分关系和相互作用机理对于揭示草地生态系统稳定性及其水土关键要素的变化过程具有重要意义。从不同界面、不同尺度综述了草地生态系统对土壤水分的影响及草地生态系统的响应与适应机制,总结了草地生态系统与土壤水分关系模型研究的相关进展,并分析了气候变化对草地生态系统和土壤水分关系的影响。草地生态系统通过影响水文过程和生态过程来影响土壤水分,土壤水分在植物生长发育、形态、生理生态过程、种间关系、群落组成和结构以及草地生态系统功能等方面对草地生态系统产生影响;充分揭示草地生态系统-土壤水分相互作用机理是模型研究的关键;气候变化对草地生态系统植物与土壤水分关系具有重要影响。今后应加强以下研究:1)开展草地不同优势种和植物功能型与土壤水分关系的研究,找出能反映植物对土壤水分响应的性状指标,阈值响应点及适应机制;2)注重对不同时间和空间尺度上的转换和比较;3)加强个体、群体和生态系统尺度草地植物生长模型的研究及其与土壤-植被-大气水分传输模型的耦合;4)加强草地生态系统与土壤水分关系对气候变化响应的研究。     

苏干湖湿地植被地上生物量空间格局及其对水盐的响应

地上生物量是反映湿地植物群落数量特征和生产能力的重要因子,内陆盐沼湿地植被地上生物量空间分布格局及其水盐响应机制,对湿地生态水文学研究具有重要的理论意义。采用湿地群落学调查和支持向量回归模型（SVR）相结合的方法,将苏干湖湿地划分为山洪区、泉水区等5个分区,研究了植被地上生物量的空间异质及其影响因素。结果表明：支持向量回归模型在内陆盐沼湿地植被地上生物量反演方面具有较高的拟合精度;苏干湖不同区域湿地植物群落地上生物量空间格局呈现出复杂的空间分异规律,对地下水埋深和土壤全盐量的响应也存在明显差异：河洪区的植被地上生物量随地下水埋深、土壤全盐量的增加呈先增大后减小的趋势,湖水区的植被地上生物量与地下水埋深呈显著正相关关系,而土壤全盐量则相反,山洪区的植被地上生物量随地下水埋深的增加呈先增大后减小的趋势,泉水区的植被地上生物量随地下水埋深的增加逐渐减小,台地区的植被地上生物量与地下水埋深和土壤全盐量均无显著相关性。苏干湖湿地不同等级植被地上生物量在空间上呈现出多斑块组成的镶嵌体结构形态,体现了湿地植物应对土壤水盐等环境因子变化的生态适应机制。     

黄河三角洲典型植被与地下水埋深和土壤盐分的关系

土壤盐分和地下水埋深是影响黄河三角洲植被发育和分布的重要因素.本文通过野外调查与统计分析,研究了黄河三角洲区域典型植被(翅碱蓬 柽柳、刺槐、芦苇和棉花)、地下水埋深、土壤盐分之间的关系.结果表明: 研究区地下水埋深显著影响土壤盐分,平均影响系数为0.327,地下水埋深在0.5～1.5 m的土壤盐渍化最严重;整个研究区内植被发育较差,其中,研究区78%面积的归一化植被指数(NDVI)<0.4,地下水埋深、土壤盐分对天然植被分布有显著影响;土壤盐分对研究区翅碱蓬-柽柳、刺槐、芦苇及棉花NDVI的影响显著,地下水埋深对翅碱蓬-柽柳NDVI的影响显著,对芦苇、棉花、刺槐NDVI的影响不显著.     

胡杨液流对地下水埋深变化的响应

以塔里木河流域荒漠河岸林主要建群种胡杨(Populus euphratica)为研究对象, 结合中下游不同断面地下水埋深和胡杨液流变化的监测数据, 分析了胡杨茎干液流与地下水埋深变化的关系, 探讨荒漠环境下天然胡杨生长的合理生态水位。研究表明, 胡杨液流通量密度随地下水埋深即干旱胁迫程度的加大而减小, 两者呈极显著负相关, 相关系数达-0.887; 胡杨液流通量在地下水埋深位于4.5-5 m时出现异常变化, 表明此时胡杨的正常生长受到胁迫, 胡杨通过自身调节降低蒸腾耗水以适应环境; 土壤盐分不是影响塔里木河中下游各断面胡杨液流变化的主要因子; 对植物样地调查结果分析显示, 胡杨盖度、密度和频度均在地下水埋深在4-6 m梯度下开始表现为降低趋势。综合分析认为维系塔里木河中下游天然胡杨正常生长的生态水位为地下水埋深4.5 m以内。     

西部干旱区煤炭开采环境影响研究

大规模煤炭资源开采与干旱脆弱生态环境的空间耦合将会诱发日益严峻的社会、环境问题。分析了我国西部干旱区煤炭地下开采对植被、土壤水、地下水、土壤等关键环境要素影响的研究进展与不足;指出现有研究主要以单一环境要素、局部尺度为主,缺乏多尺度综合的环境要素协同损伤规律与井上下联动响应机理等基础研究。因此,现有成果还无法满足指导煤炭开采技术改进与控制环境损伤的需要。建议从井下到井上,从工作面、矿井、矿区、流域多尺度综合实现地空一体化同步监测,加强对西部干旱矿区各关键环境要素的协同损伤规律研究;加强对井上下环境要素对开采地质条件响应机理研究;建立不同开采条件、不同评价尺度下,矿区开采环境损伤的评价与预测模型。     

地下水埋深和季节性干旱对古尔班通古特沙漠南缘梭梭生理和生长的影响

干旱区因降水稀少,地下水成为荒漠植被重要且稳定的水源。选取古尔班通古特沙漠南缘建群种植物梭梭（Haloxylon ammodendron）为研究对象,通过测量不同地下水埋深（3.45、9.08、10.47、13.27 m和15.91 m）下生长季前期和后期同化枝生理生化指标（黎明水势、正午水势、含水量、氯离子、钠离子、脯氨酸和非结构性碳水化合物）和生长与形态特征（生长速率和胡伯尔值）,旨在认识荒漠植物对地下水埋深增加和季节性干旱的响应特征和调节适应机制。结果表明：（1）梭梭应对地下水埋深变化的生理调节对策,是采取先降低后升高黎明前同化枝水势、降低新枝形成期同化枝生长速率、增大胡伯尔值和积累非结构性碳水化合物的策略;（2）梭梭应对生长季大气干旱的生理调节对策,是通过降低黎明前同化枝水势、维持较高胡伯尔值、积累钠离子和消耗淀粉抵御季节性干旱;（3）在大气干旱与地下水水文干旱交互作用下,梭梭是采取降低正午同化枝水势、维持较高的同化枝含水量和积累可溶性糖的生态策略。综上所述,梭梭在响应地下水水文干旱和季节性大气干旱的生理特征间存在差异。研究结果丰富了水文和大气干旱对梭梭生理和生长影响的认知,可以为基于地下水资源管理的干旱区荒漠植被保育提供参考。     

天山南麓山前平原植物群落物种多样性及空间分异研究

荒漠灌丛是天山南麓山前平原主要植被类型.本研究定量分析了山前平原植物群落物种多样性及生境尺度异质性的影响.结果表明:(1)天山南麓山前平原的植物群落多样性指数Simpson、均匀度指数McIntosh及丰富度指数Margalef都较低,在地貌带的过渡上,植物分布呈现均匀化.(2)海拔和地下水埋深是影响天山南麓山前平原植物群落物种多样性的重要环境指标.海拔梯度与物种多样性指数Simpson、Margalef及McIntosh均呈显著的线性正相关关系,物种多样性均随海拔高度的增加而增加;地下水埋深与物种多样性指数呈极显著的线性负相关关系,物种多样性随地下水埋深的增加而减小.(3)土壤含盐量与物种多样性指标无显著关系,但土壤含盐量与地下水埋深相关性显著,这是天山南麓山前平原土壤盐分空间异质性的一个重要特点.土壤盐分含量变化影响着植物群落物种组成,随土壤盐分含量增加,群落中盐生植物种类逐渐占据优势.(4)海拔的变化是决定天山南麓山前平原灌丛群落生境差异的主导因子.海拔差异表征了山前平原地貌、水文地质条件及土壤的变化,而随海拔变化的水热、水盐等干扰体系的差异则进一步导致了异质性的生境,进而影响不同植被类型中群落组成结构和多样性的差异.     

黑河下游河岸绿洲区包气带土壤水分与植被生长状况的研究

黑河下游荒漠平原区近年来由于河水流入量的持续减小,致使依赖河水补给来源的地下水呈减少趋势,造成区域性地下水位下降,从而引起一系列生态环境问题。通过研究黑河下游河岸绿洲区非饱和带的含水量、地下潜水埋深、土壤类型结构等与河岸绿洲植被生长状况之间的关系,发现土壤结构、地下水位埋深和土壤盐分是决定研究区植被生长状况的3个主要因素,而土壤结构是不可改变的,土壤盐分又与地下水关系密切,因此,地下水是极端干旱区植被生长状况的决定因素。     

鄱阳湖湿地地下水埋深及其与典型植被群落分布的关系

地下水位直接影响土壤含水量,进而影响湿地植被生长、分布和演替。本研究以鄱阳湖湿地为研究区,基于2014—2018年地下水位野外定点观测数据,分析湿地地下水年内与年际动态变化特征,构建鄱阳湖湿地地下水数值模型,分析地下水流场空间特征以及地下水埋深分布,结合高斯回归方法分析地下水埋深与典型植被分布之间的关系。结果表明: 年内洲滩湿地地下水位呈明显的动态变化,且地下水位与湖水位变化高度一致。地下水埋深年内变化与降水量季节性分布之间存在1个月的滞后。年际洲滩湿地地下水位由上游向下游呈减小趋势,且上游洲滩湿地地下水埋深变幅较小(0.1～1.1 m),下游洲滩湿地地下水埋深变幅较大(0.1～5.6 m)。研究区地下水流场由上游丘陵地区指向下游地势相对平坦的湖区,其流向与地形高程变化一致。研究区平均地下水埋深为2.07 m,且由远湖区至近湖区,地下水埋深不断减小。苔草、芦苇、茵陈蒿群落生长的最适地下水埋深分别为1.1、3.7、5.7 m;典型植被的分布对地下水埋深梯度的响应差异显著;茵陈蒿群落的生态幅宽大于苔草和芦苇群落;3种植被群落在地下水埋深1.1～5.7 m范围内出现生态位重叠现象,其中,苔草植被分布指数迅速减小,芦苇植被分布指数先增大后减小,茵陈蒿植被分布指数持续增至最大值,在地下水埋深达到5.7 m后开始减小。     

陆地生态系统植被氮磷化学计量研究进展

因化学功能的耦合和元素的不可替代性, 植物对N、P的需求和利用存在严格的比例。植物N、P化学计量在不同功能群、生长地区、生长季、器官之间以及环境梯度下存在明显的变化规律。多数研究从N、P浓度、N:P及N、P间异速指数等角度分析了植物化学计量变化规律, 并探讨其在全球范围内的具体数值。为增进对植物响应全球变化的理解, 该文综述了N、P化学计量的影响因素及其机理的最新研究进展, 并指出未来拟重点研究的方向。     

The influence of biotic interactions on soil biodiversity

Belowground communities usually support a much greater diversity of organisms than do corresponding aboveground ones, and while the factors that regulate their diversity are far less well understood, a growing number of recent studies have presented data relevant to understanding how these factors operate. This review considers how biotic factors influence community diversity within major groups of soil organisms across a broad spectrum of spatial scales, and addresses the mechanisms involved. At the most local scale, soil biodiversity may potentially be affected by interactions within trophic levels or by direct trophic interactions. Within the soil, larger bodied invertebrates can also influence diversity of smaller sized organisms by promoting dispersal and through modification of the soil habitat. At larger scales, individual plant species effects, vegetation composition, plant species diversity, mixing of plant litter types, and aboveground trophic interactions, all impact on soil biodiversity. Further, at the landscape scale, soil diversity also responds to vegetation change and succession. This review also considers how a conceptual understanding of the biotic drivers of soil biodiversity may assist our knowledge of key topics in community and ecosystem ecology, such as aboveground–belowground interactions, and the relationship between biodiversity and ecosystem functioning. It is concluded that an improved understanding of what drives the diversity of life in the soil, incorporated within appropriate conceptual frameworks, should significantly aid our understanding of the structure and functioning of terrestrial communities.     

荒漠植物性状权衡策略及功能多样性研究进展

荒漠植物是干旱区具有独特功能性状与资源权衡表征的地带性植物。植物功能性状及其多样性格局与资源权衡策略对群落结构优化和生态系统功能改善起着关键作用。该综述主要从荒漠植物组织、器官功能性状特征、功能性状权衡策略、功能多样性组分及测度3个方面梳理了荒漠植物性状权衡策略与功能多样性研究的进展脉络：1）荒漠植物独特的根、茎、叶功能性状特征揭露了植被对环境变化的响应以及对生态系统功能的影响，基于植物功能性状的研究有助于解决许多生态学的关键性问题；2）作为植物功能性状之间存在的最普遍的联系，权衡策略是经过自然筛选后形成的性状组合，关键性状已经被发掘并创造性的提出了"经济谱"概念。荒漠植物研究过程中，应分析其根、茎、叶的特征属性筛选关键性状，着眼于关键性状间及整株植物性状间的权衡策略；3）功能多样性是影响生态系统运行和发挥作用的生物多样性的重要组成部分，荒漠植物功能多样性能预测和指示群落中物种对于荒漠生态系统功能发挥和过程变化的影响。功能多样性的组分可以从不同角度反映群落的生态位占据状况和资源利用程度，指数的选择要体现在群落内部物种的功能特征之间的差异程度，同时要考虑这些物种自身在群落内的优势程度。本研究为未来荒漠植物功能性状及多样性研究梳理了一些新的研究方向和内容，期望为荒漠植物生理生态学研究的选题和发展提供一些新的思路。     

光合有效辐射与地下水位变化对柽柳属荒漠灌木群落碳平衡的影响

全球气候变化和人类活动的加剧, 正导致古尔班通古特沙漠南缘原始盐生旱生荒漠地区的地下水位发生显著改变。大气污染导致该地区太阳辐射减少。以盐生荒漠建群种多枝柽柳(Tamarix ramosissima)为研究对象, 选择地下水位在2.9-4.5 m波动的典型原始生境, 观测了生长期内光合有效辐射和地下水位变化时的光合作用、蒸腾作用和叶水势等生理活动的季节变化, 调查了根系分布特征; 并利用涡度相关系统测定了生态系统碳水通量, 估算群落碳同化能力、蒸腾耗水量与叶面积指数的季节变化, 旨在揭示光合有效辐射和地下水位等环境因素对柽柳属(Tamarix)荒漠灌木群落光合作用的影响。研究结果表明: 降水造成的潜土层水分状况变化对多枝柽柳的碳平衡没有显著影响。深根系与气孔调节是多枝柽柳碳平衡适应荒漠环境水分状况的两个关键机制。特殊的气孔行为体现了多枝柽柳以高水分消耗为代价将其碳获取最大化的适应对策; 多枝柽柳生理与群落尺度的水分平衡和碳获取均依赖于深根系获取的稳定地下水源, 缓和的地下水位波动将不会扰动其现有的碳/水平衡, 地下水位剧烈下降将危及多枝柽柳的生存。此外, 光合有效辐射是另一个主要影响因素, 与群落碳获取呈显著正相关关系。群落碳同化能力的季节变化是光合有效辐射和地下水位共同影响下光合作用物候学特征的体现。过度开采地下水和直接破坏原生植被的行为, 将会严重地干扰多枝柽柳群落的生存, 进而破坏该区域现有的生态水文过程。     

Spatial variation in leaf nutrient traits of dominant desert riparian plant species in an arid inland river basin of China

Understanding how patterns of leaf nutrient traits respond to groundwater depth is crucial for modeling the nutrient cycling of desert riparian ecosystems and forecasting the responses of ecosystems to global changes. In this study, we measured leaf nutrients along a transect across a groundwater depth gradient in the downstream Heihe River to explore the response of leaf nutrient traits to groundwater depth and soil properties. We found that leaf nutrient traits of dominant species showed different responses to groundwater depth gradient. Leaf C, leaf N, leaf P, and leaf K decreased significantly with groundwater depth, whereas patterns of leaf C/N and leaf N/P followed quadratic relationships with groundwater depth. Meanwhile, leaf C/P did not vary significantly along the groundwater depth gradient. Variations in leaf nutrient traits were associated with soil properties (e.g., soil bulk density, soil pH). Groundwater depth and soil pH jointly regulated the variation of leaf nutrient traits; however, groundwater depth explained the variation of leaf nutrient traits better than did soil pH. At the local scale in the typical desert riparian ecosystem, the dominant species was characterized by low leaf C, leaf N, and leaf P, but high leaf N/P and leaf C/P, indicating that desert riparian plants might be more limited by P than N in the growing season. Our observations will help to reveal specific adaptation patterns in relation to the groundwater depth gradient for dominant desert riparian species, provide insights into adaptive trends of leaf nutrient traits, and add information relevant to understanding the adaptive strategies of desert riparian forest vegetation to moisture gradients.     

Water use strategy of Ammopiptanthus mongolicus community in a drought year on the Mongolian Plateau

在荒漠生态系统中,水分是植物生长和植被动态的一个限制因子。来自深层土壤或地下水相对稳定的水分对于干旱条件下植物的生存至关重要。在荒漠生态系统中,保护和恢复濒危植物的根本在于理解它们的水分利用策略,例如蒙古高原的沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)。本 论文通过稳定氢、氧同位素技术研究了沙冬青和与其伴生的两种灌木黑沙蒿(Artemisiaordosica)和旱蒿(Artemisiaxerophytica)的 主要水分来源;利用IsoSource模型计算了不同水分来源对每个物种的贡献,并通过比较3种灌木叶片δ ¹³C值和和其根系分布探讨了3种 灌木的长期水分利用策略。结果表明,沙冬青依赖地下水和150–200 cm 深层土壤水,前者几乎贡献其水源的一半。黑沙蒿主要利用150–200 cm 深 层土壤水,但是夏季和秋季也利用100 cm以内的浅层土壤水。旱蒿主要利用150–200 cm深层土壤水和地下水,后者对其总水源的贡献率 大约为30%–60%。3种灌木具有双型根系或深根系,这些根系特征与其水分来源一致。常绿植物沙冬青的叶片δ ¹³C值高于两种落叶蒿属灌木,这可能使其在适应荒漠生态系统中具有优势。因此,地下水是干旱年份蒙古高原濒危灌木沙冬青的一个主要水源,而且沙冬青和两种蒿属灌木竞争深层土壤水和地下水。     

土壤微生物对气候变暖和大气N沉降的响应

气候变暖和大气N沉降是近一、二十年来人们非常关注的全球变化现象,它们所带来的一系列生态问题已成为全球变化研究的重要议题。它们不仅影响地上植被生长和群落组成,还直接或间接地影响土壤微生物过程,而土壤微生物对此做出的响应正是生态系统反馈过程中非常重要的环节。该文分别从气候变化对土壤微生物的影响(土壤微生物量、微生物活动和微生物群落结构)和土壤微生物对气候变化的响应(凋落物分解、养分利用与循环以及养分的固持与流失)两个角度,综述近期土壤微生物对气候变暖和大气N沉降响应与适应的研究进展。气候变暖和大气N沉降对土壤微生物的影响更多地反映在微生物群落的结构和功能上,而土壤微生物量、微生物活动和群落结构的变化又会通过改变凋落物分解、养分利用和C、N循环等重要的土壤生态系统功能和过程做出响应,形成正向或负向反馈,加强或削弱气候变化给整个陆地生态系统带来的影响。然而,到目前为止土壤微生物的响应对陆地生态系统产生的最终结果仍是未决的关键性问题。     

新疆塔里木河下游荒漠河岸(林)植被合理生态水位

 该文依据塔里木河下游地下水位多年监测资料, 将地下水位按不同埋深划分为0~2、2~4、4~6、6~8、8~10和>10 m 6个梯度, 并设置植 被调查样方进行连续监测, 以分析地下水位变化对植物物种多样性与种群生态位的影响。研究结果表明: 在地下水位2~4 m时, 物种多样性最高 , 其次为4~6 m, 再次为0~2 m; 当地下水位在6 m以下时, 物种多样性锐减, Hill多样性指数曲线变化趋势趋于平直化。荒漠河岸(林)植被主要 植物种群生态位随着地下水位的逐步下降而扩展, 并在地下水位4~6 m处达到最宽; 尔后, 生态位又显著变窄; 地下水位4~6 m时, 种群间生态 位重叠最不显著, 物种数较为丰富。因此, 该文分析得出结论: 塔里木河下游植被恢复的地下水位应确保达到6 m以上, 大部分地区地下水位应 维持在4~6 m, 而部分河道附近地区地下水位争取达到2~4 m。