荒漠草原人工灌丛化对蒸散发及其组分的影响——以盐池县为例

我国西北防沙治沙工程中大量的种植中间锦鸡儿(Caragana intermedia)会导致荒漠草原发生灌丛化现象,研究人工灌丛化对荒漠草原蒸散发的影响,不仅能够揭示半干旱区人为活动对生态系统水循环的影响机理,还可以指导区域生态治理实践。以宁夏盐池县荒漠草原为例,基于植被的生理生态参数和荒漠草原水热条件,采用生物地球化学模型(Biome Bio-Geochemical Cycles,Biome-BGC)和地球呼吸系统模拟模型(Breathing Earth System Simulator,BESS)结合的方法,模拟荒漠草原生态系统人工灌丛引入前后蒸散发及其组分的变化,定量研究荒漠草原人工灌丛化对区域生态水文循环中蒸散发的影响。结果表明,人工灌丛的引入使植被结构及特征发生了变化,叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)年最大值由0.20增加为0.67,改变了植被年内与年际变化特征。荒漠草原人工灌丛化后,生态系统年均蒸散发由251.74 mm增加到了281.42 mm;人工灌丛化对生长季的蒸散发增强明显,8月蒸散发峰值时,日均蒸散发由1.27 mm/d增加到1.56 mm/d。灌丛化过程使生态系统蒸腾量平均增加了1.35倍,蒸发量增加了1.06倍,改变了生态系统蒸散发的组分结构,导致蒸发比例降低、蒸腾比例增高。由此可知,荒漠草原在防沙治沙和生态治理中大量种植灌木的现象,加大了区域生态系统的蒸散发,并改变了水分耗散结构,从而对生态系统地气水汽交换有较大影响,研究结论对荒漠草原生态治理及未来的植被重建有一定的借鉴意义。     

不同气候变化情景下荒漠草原生态系统碳动态模拟

荒漠草原生态系统对气候变化十分敏感,但其碳循环过程如何响应气候变化尚不明确。基于Biome-BGC模型和1958—2017年的气象观测资料,模拟了宁夏盐池荒漠草原生态系统在4种不同气候情景下的碳储量变化。结果表明:(1)4种气候情景下,盐池荒漠草原生态系统年均总碳储量在2.3208—2.3652 kg/m^2,土壤碳储量占总碳储量的94.03%,枯落物与植被碳储量分别占4.03%和1.94%。(2)近60 a间,基准情景下的土壤碳储量以每年0.0020 kg/m^2的速度累积,总碳储量呈波动性上升趋势。(3)植被、枯落物碳储量的年内变化与季节变化紧密相关,土壤碳储量在夏秋季较低,冬春较高。(4)单独的气温升高会导致土壤碳、植被碳及枯落物碳储量的略微降低,而单独降水波动增加会导致碳储量的明显增高,二者综合作用会导致碳储量的升高;此外,枯落物碳储量对气候变化的响应最敏感,其次是植被碳储量,土壤碳储量对气候变化的响应敏感度最低。研究结果揭示了荒漠草原碳储量随不同气候变化情景的变化规律,可为地方政府制定应对气候变化策略和生态恢复政策提供科学依据。     

宁夏天然草地植被碳储量特征及构成

以宁夏广泛分布的温性草甸草原、温性草原、温性草原化荒漠和温性荒漠草原为研究对象,采用实地调查采样的方法,研究了宁夏天然草地植被总碳储量。结果表明: 宁夏天然草地地上植被、地下根系及主要灌木平均含碳率为0.40,枯落物平均含碳率为0.39。草甸草原、温性草原、草原化荒漠和荒漠草原的植被总碳储量分别为470.26、192.23、117.17和83.36 g·m^-2,其中,地上植被碳储量分别为87.35、68.50、59.32和40.05 g·m^-2,地下根系碳储量分别为344.29、108.83、50.65和30.29 g·m^-2,枯落物碳储量分别为38.62、14.91、7.19和13.03 g·m^-2,且均表现为草甸草原＞温性草原＞草原化荒漠＞荒漠草原。地下根系碳储量是构成草甸草原和温性草原植被总碳储量的主体,地上植被碳储量是构成草原化荒漠和荒漠草原植被总碳储量的主体,且地下根系碳储量均随土层深度加深而递减。宁夏天然草地植被总碳储量空间分布呈现草甸草原和温性草原分布的南部区域碳储量明显高于荒漠草原和草原化荒漠分布的中北部区域。     

宁夏典型温性天然草地固碳特征

本文研究了宁夏草甸草原、温性草原、草原化荒漠和荒漠草原4种温性典型天然草地生态系统碳储量及其构成特征。结果表明: 草甸草原、温性草原、草原化荒漠和荒漠草原植被总生物量分别为1178.91、481.22、292.80和209.09 g·m^-2。其中,地下根系生物量是构成草甸草原和温性草原植被总生物量的主体,分别占总生物量的73.1%和56.6%;地上植被生物量是构成草原化荒漠和荒漠草原植被总生物量的主体,分别占总生物量的50.3%和47.6%;枯落物生物量占比较低,分别仅为8.5%、8.0%、6.4%和16.2%。草甸草原、温性草原、草原化荒漠和荒漠草原4种天然草地生态系统碳储量分别为13.90、5.94、2.69和2.37 kg·m^-2,其中植被碳储量分别为470.26、192.23、117.17、83.36 g·m^-2,0～40 cm土层土壤有机碳储量分别为13.43、5.75、2.58和2.29 kg·m^-2,土壤有机碳储量是构成宁夏典型天然草地碳储量的主体,分别占到了生态系统碳储量的96.6%、96.8%、95.6%和96.5%。4种草地类型植被总生物量、植被碳储量、土壤有机碳储量和生态系统碳储量均表现为:草甸草原＞温性草原＞草原化荒漠＞荒漠草原。     

草地灌丛化研究进展

在草地生态系统中, 灌木入侵不仅会改变草本植物的分布格局, 还对生态系统的结构和功能产生重要影响。灌丛化的成因、影响、时空动态一直是植被生态学研究的热点问题, 这些问题的探究将有助于理解灌木在天然草原中的作用和地位, 对干旱半干旱区植被的保护和恢复具有重要科学意义。综述了灌丛化的成因、入侵后对生态系统中植被与土壤的影响、草地灌丛化空间动态变化和草地灌丛化演替过程, 以期为将来草地灌丛化的研究提供一些有益途径。     

六盘山四种森林生态系统的碳氮储量、组成及分布特征

碳和氮是森林生态系统的重要组成元素,其含量有很大时空差异,并和立地及森林特征关系很大,需做大量的积累性调查才能得到其变化规律,尤其是加强在过去较少研究的西北地区的调查。在宁夏六盘山区选择华北落叶松(Larix principisrupprechtii)人工林、华山松(Pinus armandii)次生林、桦木(Betula platyphylla)次生林和野李子(Prunus salicina)灌丛4种典型森林,测定了乔木层(分不同器官)、灌木层、草本层、枯落物层、根系层(0—100 cm土壤)的碳、氮含量,分析了生态系统的碳、氮储量及成分组成和层次分布特征。结果表明,碳含量在不同乔木树种及其不同器官之间的差异不明显;但氮含量存在显著的树种差别和器官差异,以树叶的最高、树干的最低。灌木层和草本层的碳氮含量均表现为地上部分地下部分。各森林样地的乔木层、灌木层、草本层的碳含量依次降低,但氮含量依次增高;枯落物层的碳含量低于各植被层,但氮含量高于各植被层;根系层土壤的碳、氮含量则随土层增深而递减。包括活植被层、枯落物层和根系层土壤在内的华北落叶松人工林、华山松次生林、桦木次生林、野李子灌丛的生态系统碳储量依次为364.56、450.98、640.02、196.55 t/hm2,氮储量依次为27.86、36.19、47.02、15.99 t/hm2。所有4种森林生态系统的根系层土壤的碳氮储量均占整个生态系统总储量的绝大部分,其比例对碳储量为84.69%—93.92%,氮储量为98.09%—98.64%。从乔木层、灌木层、草本层、枯落物层到根系层(土壤),呈现出C/N比依次减小的趋势;根系层土壤和整个生态系统的C/N比分别为华北落叶松林的11.84和13.12、华山松林的10.76和12.56、桦木林的12.48和13.52、野李子灌丛的11.70和12.29。     

库布齐东段不同植被恢复阶段荒漠生态系统碳氮储量及分配格局

为科学评价植被恢复促进沙漠化逆转对碳氮储量的影响,以流动沙地、半固定沙地、油蒿固定沙地、柠条固定沙地、沙柳固定沙地5个阶段荒漠生态系统为研究对象,采用时空替代法分析植被恢复过程中荒漠生态系统碳氮储量及分配格局。结果表明:不同恢复阶段碳氮储量均表现为:流动沙地(3320.97 kg C/hm~2、346.69 kg N/hm~2)半固定沙地(4371.46 kg C/hm~2、435.95 kg N/hm~2)油蒿固定沙地(6096.50 kg C/hm~2、513.76 kg N/hm~2)柠条固定沙地(9556.80 kg C/hm~2、926.31 kg N/hm~2)沙柳固定沙地(19488.54 kg C/hm~2、982.11 kg N/hm~2)。植被层碳氮储量均呈现随植被恢复逐渐增加的趋势,除流动沙地外,其他阶段碳氮储量均以灌木层为主,占比分别为66.65%—91.41%和52.94%—93.39%,草本和凋落物占比较小。灌木各器官生物量及碳储量分配均为:茎根叶,氮储量分配无明显规律,草本各器官生物量及碳氮储量分配均为地上部分高于地下部分。土壤层是荒漠生态系统碳氮储量的主体,碳储量占比为68.64%—99.62%,氮储量占比为89.26%—99.89%,同样呈现随植被恢复逐渐增加的趋势。碳氮储量随土层加深逐渐降低,具有明显的表层富集特征,且随植被恢复过程富集性显著加强。这说明人工建植促进植被演替实现沙漠化逆转可以显著增强荒漠生态系统的碳氮固存能力。     

基于参数优化的人工灌丛生态系统碳水通量模拟

荒漠草原是陆地生态系统中最为脆弱且受人类干扰较为严重的生态类型之一,精准模拟其碳水通量及对人为干扰的响应,不仅能够揭示其复杂的生态学过程,而且还可为人为生态修复和保护提供决策依据。生态模型能够有效地模拟陆地生态系统的碳水循环过程,但模型众多的参数及其取值的合理性限制了其普遍应用,故探索参数优化是提升生态模型应用的有效途径。利用PEST参数优化方法和涡度相关观测数据对Biome-BGC模型的生理生态参数进行优化,在评估参数优化效果的基础上模拟了1986-2018年宁夏盐池荒漠草原区人工灌丛生态系统的总初级生产力（Gross primary productivity,GPP）和蒸散（Evapotranspiration,ET）。结果表明：（1）参数优化可以改善Biome-BGC模型对荒漠草原区人工灌丛生态系统GPP和ET的模拟效果,参数优化后模拟的GPP和ET均更接近于观测值,其中月尺度的模拟效果更佳;（2）基于PEST的Biome-BGC模型参数优化方法具有较强的普适性,优化后的参数可推广应用于荒漠草原区人工灌丛生态系统长时间序列的GPP和ET模拟;（3）宁夏盐池荒漠草原区人工灌丛生态系统的GPP在1986-2018年呈缓慢上升趋势,增幅为1.47 g C m^-2 a^-1,但ET的年际变化率较大,且无显著变化趋势。     

森林生态系统碳循环动态仿真系统的设计

模型方法是森林碳循环研究的有力工具.在Simulink环境下设计开发了通用的森林生态系统碳循环动态仿真系统FORCASS,从仿真系统的模式框架、设计方案和开发过程方面进行综合分析表明,FORCASS具有可行性.该仿真系统具有如下特点：1）将森林生态系统划分为植被碳库、枯落物碳库、土壤碳库和动物碳库4个分室,考虑了众多碳流转移项,具有较高的机理性和解释性;2）仿真系统基于过程,以植被器官生物量碳储量Richards生长方程为驱动项,带入差分方程组进行计算,可操作性高,能够实现林龄变化下的植被净第一性生产力（NPP）、净生态系统生产力（NEP）等多种输出;3）仿真系统基于通用的碳循环模式框架建立,可扩展性能良好.     

宁夏荒漠草原柠条锦鸡儿枯落物分解特征及其影响因素

以宁夏荒漠草原柠条锦鸡儿(Caragana kornshinskii)枯落物为研究对象,利用网孔分解袋法研究了极小型、小型、中型和大型柠条锦鸡儿灌丛微生境枯落物分解率变化特征及对土壤环境的响应规律。结果表明:(1)随着分解时间延长,不同大小柠条锦鸡儿灌丛微生境土壤含水量和土壤温度均呈现出相似的分布特征,而土壤pH值和电导率随时间分布特征则受到灌丛大小的显著影响。(2)3种网孔内,不同大小柠条灌丛微生境间枯落物分解率均无显著差异性。但是,灌丛微生境中枯落物分解率受到灌丛大小和网孔大小的共同影响。(3)中型灌丛微生境中枯落物分解率在3种网孔间均无显著差异性。但在极小型灌丛微生境中,120 d时枯落物分解率表现为4 mm(40.95%)0.01 mm(38.51%)2 mm(32.14%),150 d时枯落物分解率表现为2 mm(37.64%)4 mm(35.20%)0.01 mm(26.68%)。在小型灌丛微生境中,120 d时枯落物分解率表现为0.01 mm(46.81%)4 mm(41.07%)2 mm(34.75%)。在大型灌丛微生境中,120 d时枯落物分解率表现为4 mm(39.65%)2 mm(36.65%)0.01 mm(35.96%),210 d时枯落物分解率表现为2 mm(48.05%)4 mm(35.96%)0.01 mm(30.80%)。(4)Olson衰减指数模型得出枯落物分解50%和95%所需时间,表现为极小型灌丛和中型灌丛微生境中均为0.95年和4.1年(3种网孔相同);小型灌丛微生境中为0.63年和2.74年(4 mm)、1.90年和8.21年(2 mm)、0.95年和4.1年(0.01 mm);大型灌丛微生境中为0.95年和4.1年(4 mm)、0.63年和2.74年(2 mm)、1.90年和8.21年(0.01 mm)。研究表明,在宁夏荒漠草原,仅灌丛大小引起的微生境差异对枯落物分解率影响较小,但灌丛大小和土壤动物类群的相互作用对枯落物分解率的影响较大。     

荒漠草原向灌丛地转变过程中两种优势植物种子萌发及阈值特征

选取宁夏荒漠草原人为灌丛地转变过程中的两种优势种沙芦草（Agropyron mongolicum）和柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）为对象,利用不同浓度PEG条件下的种子萌发特性来探究其在干旱胁迫下植被更新萌发特征,结果表明：柠条锦鸡儿平均初始萌发时间早于沙芦草14 h,且柠条锦鸡儿吸水率低于沙芦草,分别为201.21%、293.43%;柠条锦鸡儿和沙芦草种子萌发率和萌发速率均随渗透势的升高呈先上升后下降趋势,且均在-0.02 MPa时萌发率最高,分别为28.67%、44.67%,在-1.2 MPa时最低,分别为6.67%、1.33%;两者萌发速率均在-0.02 MPa时达到最大,分别为12.84%、9.52%,且柠条锦鸡儿起始萌发天数少于沙芦草1-4 d;通过S型生长曲线和线性模型模拟种子萌发水势和萌发率关系,分析得出柠条锦鸡儿萌发水势阈值范围为-0.3--0.86 MPa、沙芦草为-0.3--0.65 MPa,灌木柠条锦鸡儿种子萌发水势阈值范围低于多年生禾草沙芦草。以上结果表明灌丛引入下的荒漠草原在未来干旱条件下,其灌丛柠条锦鸡儿种子在植被更新中较沙芦草更具萌发优势。     

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(P0.05);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 mm),虽在种植22a灌丛地和2 m间距灌丛地略有升高,仍不足20.00 mm。土壤水分相对亏缺量(除封育草地外)为6.69—97.16mm;灌丛引入过程中各样地不同土层CSWDI值呈波动变化,除封育草地各土层无显著的亏缺外,其他样地均存在亏缺,亏缺值为0.03—12.10,PCSWDI值均随着灌丛引入年限和密度的增加呈增大趋势。荒漠草原灌丛引入过程产生土壤水分过度利用,使得土壤水分亏缺,并加剧其深层土壤水分的消耗。     

Carbon–water coupling and its relationship with environmental and biological factors in a planted Caragana liouana shrub community in desert steppe,northwest China

宁夏荒漠草原区中间锦鸡儿灌丛群落碳水循环特征及其与生物环境因子的关系 干旱半干旱区的人工植被重建可能会改变陆地生态系统的重要生物物理过程——碳水循环,然而在人类活动背景下,仍然缺乏对这些区域生态系统的碳水耦合机制的认识。本研究基于涡度相关系统测量了宁夏盐池荒漠草原区人工种植的中间锦鸡儿(Caragana  liouana)灌丛群落的CO2和H2O通量,通过分析总初级生产力(Gross Primary Productivity, GPP)、蒸散发(Evapotranspiration, ET)和水分利用效率(Water Use Efficiency, WUE)的变化,探讨了人工灌丛生态系统碳水通量及其耦合关系,并进一步分析驱动其变化的生物环境因子。研究结果表明,气候因子的季节变化导致了生物物理特征和碳水通量呈周期性变化。在生长季,GPP和ET波动较大,而WUE变化相对稳定。GPP、ET和WUE显著受辐射(Global Radiation, Rg)、温度(Ta和Ts)、水汽压亏缺、叶面积指数和植物水分胁迫指数(Plant Water Stress Index, PWSI)的驱动。其中Rg、温度和PWSI是影响WUE的最重要因素。Rg和温度会对WUE产生直接的促进作用,但同时也会间接地提高PWSI进而抑制WUE。PWSI会抑制光合作用和蒸腾作用,当植物水分胁迫超过一个阈值(PWSI > 0.54)时,WUE会下降,这是因为GPP对植物水分胁迫的响应比ET更敏感。这些研究结果表明,在荒漠草原区通过大规模种植灌木可实现固碳的作用,但也必须充分考虑区域的水资源消耗和水分利用效率的状况。     

宁夏荒漠草原不同林龄人工柠条林地土壤优先流研究

土壤优先流作为土壤中常见的水分流动方式,会造成土壤水分流失、地下水污染及坡面土体稳定性降低等问题。以位于宁夏盐池县的典型荒漠草原为研究区域,通过土壤水分入渗染色法、CT扫描法、图像处理技术相结合的分析方式,选取人工营造9、14、24、35年的柠条灌丛林地,以空白草地作为对照,探究不同恢复年限人工柠条林土壤优先流特征及其与土壤大孔隙与根系的关系。结果表明：(1)不同林龄柠条林地土壤优先流特征及大孔隙度具有显著差异,表现为随着种植年份的增加,土壤大孔隙度逐渐升高,土壤入渗染色深度随之加深,同时染色面积比随着柠条林林龄的增加而增大。(2)土壤基质流深度表现为随着种植年份的增加而增大,人工柠条林地的土壤优先流程度显著高于草地。(3)随着人工柠条林龄的增加,土壤根系数量增加,而灌丛生长发育过程中的根系活动使得灌丛林地土壤具有更多迂曲度低、连通性强的大孔隙,这些大孔隙是导致土壤水分优先迁移的主要因素。因此,植物根系和土壤大孔隙变化是影响荒漠草原人工柠条恢复过程中土壤水分分布的关键因素,合理配置人工林以改善根系及土壤结构特征,或可有效提高荒漠草原地区的土壤水分利用效率。     

小叶、中间和柠条三种锦鸡儿的分布式样及其生态适应

确定了小叶锦鸡儿、中间锦鸡儿和柠条锦鸡儿3种植物的分布式样:小叶锦鸡儿为蒙古高原东部-F松辽平原西部-华北山地分布种,中间锦鸡儿为东戈壁-鄂尔多斯高原-黄土高原北部分布种,柠条锦鸡儿为南阿拉善-西鄂尔多斯分布种。小叶锦鸡儿适应分布于蒙古高原典型草原带和森林草原带以及华北山地落叶阔叶林带,在草原带高平原上可形成灌丛化草原的景观,在草原带的沙地上可形成以小叶锦鸡儿为建群种的沙地灌丛植被;中间锦鸡儿适应分布于蒙古高原的荒漠化草原及草原化荒漠带、鄂尔多斯高原的典型草原和荒漠化草原带的沙地及梁地上、黄土高原北部的黄土丘坡上,常形成以中间锦鸡儿为建群种的沙地灌丛植被;柠条锦鸡儿则适应分布于草原化荒漠和典型荒漠带的固定和半固定沙地上。近缘的3种锦鸡儿的地带性分布从东至西或从北向南形成明显的有规律的地理替代分布格局。     

不同放牧强度下短花针茅荒漠草原植被-土壤系统有机碳组分储量特征

草地生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分,在全球碳循环中发挥着重要作用。以内蒙古短花针茅荒漠草原不同放牧强度样地为研究对象,通过分析地上植物、凋落物、根系、土壤中有机碳和土壤轻组有机碳,研究草原植被-土壤系统有机碳组分储量的变化特征,从碳储量角度为合理利用草原提供指导。研究结果表明:(1)不同放牧强度荒漠草原地上植物碳储量为11.98—44.51 g/m~2,凋落物碳储量10.43—36.12 g/m~2,根系(0—40cm)碳储量502.30—804.31 g/m~2,且对照区(CK)均显著高于中度放牧区(MG)、重度放牧区(HG);(2)0—40cm土壤碳储量为7817.43—9694.16 g/m~2,其中轻度放牧区(LG)碳储量为9694.16 g/m~2,显著高于CK、HG(P0.05);(3)植被—土壤系统的碳储量为8342.14—10494.80 g/m~2,LGMGCKHG,有机碳主要储存于土壤当中,占比约90.54%—93.71%,适度放牧利用有利于发挥草地生态系统的碳汇功能;(4)土壤轻组有机碳储量为484.20—654.62 g/m~2,LG储量最高,表明适度放牧有助于草原土壤营养物质的循环和积累。