贵州喀斯特山区人工草地-农田景观土壤温度界面季节性变化

景观界面是生态交错区的重要组成部分,在生态系统的结构、过程和功能中发挥了重要的作用。以贵州喀斯特山区人工草地-农田景观界面为研究对象,对界面表层土壤(0—20 cm)温度进行季节性监测;采用移动窗口法、野外测定和室内统计相结合,对以土壤温度为参数的界面宽度的大小进行了判定;对研究区3个功能区土壤温度进行比较分析。结果表明:贵州人工草地-农田景观界面四季表层土壤的平均温度分别为9.8,26.5,15.4℃和4.8℃;人工草地-农田景观春、夏、秋、冬四季土壤温度界面宽度随土壤温度的变化而变化,表现为由宽变窄的变化规律,分别为37,32,27 m和24 m,土壤温度界面在人工草地系统的影响域变化与总界面宽度保持一致。研究区四季农田功能区系统、人工草地-农田复合功能区系统和人工草地功能区系统的平均土壤温度为14.0,14.1℃和13.9℃,春季、夏季和冬季研究区3个功能区的土壤温度均呈极显著差异,秋季农田功能区系统与人工草地-农田复合功能区系统的土壤温度差异不显著,二者与草地功能区系统差异极显著。建议对研究区采用12—18 m的宽度进行草田间作,为丰富界面理论及"退耕还草"工程提供理论参考和实践措施。     

华北农牧交错带农田-草地界面土壤水分的空间特征

利用经典统计与地统计学方法,对华北农牧交错带农田-草地界面不同采样粒度(1m×1m、2m×2m)0～50cm土层土壤水分的空间异质性进行了分析.结果表明:研究区农田、草地、农田-草地界面土壤水分均属中等变异,草地土壤水分的变异系数较农田大;土壤水分的变异系数随土层深度的增加而逐渐增大,且1m×1m采样粒度下农田-草地界面土壤水分变异系数与土壤深度呈显著相关(P0.05);1m×1m采样粒度下,农田-草地界面各土层土壤水分的空间异质性明显高于邻近的农田和草地,表现为中度到强度的空间自相关性,变程在7.65～30.99m,且具斑块分布格局;2m×2m采样粒度下,农田-草地界面各土层土壤水分的空间结构既有中到强度的空间自相关性,又有完全随机化的纯块金效应,变程在4.16～18.86m;在农田-草地边界存在土壤水分的界面效应.     

北方农牧交错带沽源农田-草地界面土壤水热空间特征

农田-草地景观界面是我国北方农牧交错带景观组成部分,研究该界面生态特征的格局和过程是完善北方农牧交错带研究的热点领域.首次采用地统计学方法中的半变异函数、克里格插值估计、空间分布图等方法研究北方农牧交错带河北沽源地区的农田-草地界面(CGB)土壤水热的空间异质性和界面空间效应.结果表明:根据不同尺度下的土壤水热空间异质性各参数的变化趋势确定较为合理的采样粒度为 0.5m×0.5m;农田-草地界面0～20cm土层土壤含水量为中等变异,土壤温度为弱变异,不同采样粒度空间结构特征定量研究得到土壤水分变程范围(A_0)为2.93～15.4m,且为中到强度的异质性程度(MSH),土壤温度变程为3.75～20.99m,表现为强空间异质性;验证在农田-草地边界向两侧的一定范围内土壤水热存在过渡型界面效应,且具不同的生态梯度.该研究结果是认识农田-草地界面和进一步开展该界面功能研究的基础,对深入研究北方农牧交错带农田-草地界面非生物水热界面具有重要意义.     

黄土丘陵区林草景观界面雨后土壤水分空间变异规律

对黄土丘陵区刺槐林 草地景观界面上雨后土壤表层(0～10 cm)和亚表层(10～20 cm)水分的空间变异规律进行了研究.经典统计学分析表明,草地两层的土壤含水量分别高于林地;林草界面两层的土壤含水量均为弱变异程度,并具有明显的生态梯度.移动窗口法分析表明,林草界面对土壤表层和亚表层的水分影响范围为边界两侧4 m、3 m,影响域分别为8 m、6 m.地统计学分析表明,草地两层土壤含水量空间分布均表现为纯块金效应,林地两层均可拟合成线性模型,而林草界面两层均可拟合成球状模型;林草界面土壤表层、亚表层水分空间依赖性和空间自相关较强,其空间结构异质性明显高于林地和草地.克立格制图描述的林草界面土壤水分的空间分布格局为从边界处向两侧的一定距离范围内,土壤含水量呈条带状分布,而在较远的距离,水分的空间分布呈现出几个明显的斑块状.     

黄土丘陵区坡面林-草边界土壤水分特征

研究了黄土高原丘陵区林-草边界上旱季和雨季土壤水分的空间分布变化特征.结果表明,旱季林地土壤水分的变异系数都小于草地,林地内各个层次土壤含水量差异不大,草地内各个层次土壤含水量差别较大;雨季林地土壤水分的变异系数都大于草地,林地内各个层次土壤含水量差别较大,而草地内各个层次土壤含水量差异不显著;林-草边界各个层次土壤水分的变异程度为弱变异或中等变异.林-草边界在旱季和雨季具有不同的影响域,旱季边界影响域为从林外0.4倍树高距离到林内0.4倍树高距离;雨季边界影响域为从林外0.4倍树高距离到林内0.8倍树高距离.因此,可将林-草景观划分为3个区：草地区,即由距林缘0.4倍树高距离处向草地方向延伸;林缘区,即由林外0.4倍树高距离到林内0.4倍树高距离(旱季)或0.8倍树高距离(雨季);林地区,即由林内0.4倍树高距离(旱季)或0.8倍树高距离(雨季)处向林内方向延伸.林-草边界水平方向上3个分区的土壤水分垂直分布呈现出不同的变化规律,而且旱季的规律特征与雨季相反.     

内蒙古希拉穆仁草原春季土壤水与水分平衡研究

为了揭示希拉穆仁草原土壤含水量, 水分存在形式, 水分有效性, 水循环和土壤干层等问题, 对该区不同地形草地进行了打钻取样, 对含水量及粒度进行测定与分析。结果显示: 研究区多数土壤剖面中含水量变化在2%-10%之间, 平均含水量多在3%-6%之间。高地采样区土壤水分垂向变化波动较大, 变化趋势不明显; 平地采样区土壤上中部含水量多于下部。研究区土壤水分大部分处于难效水状态, 土壤水分对植被生长具有明显的抑制作用, 但平地采样区在剖面上部0-0.5 m的平均含水量较高地采样区略多, 表明平地采样区植被生长受到土壤水分的胁迫性相对较小。研究区普遍有干层发育且等级较高, 干层分布接近地表。其中, 高地采样区剖面0-0.5 m全部为重度干层, 下部有轻度干层和中度干层发育; 平地采样区几乎全部为重度干层。该区春季5月份土壤水分几乎都以含量很低的薄膜水形式存在, 大气降水被蒸发与蒸腾等全部消耗, 没有剩余水分补给地下水。综上指示该区土壤水分为明显的负平衡, 水循环呈现土壤-植物-大气的水分循环模式, 属于不完整的水分循环类型。     

内蒙古太仆寺旗退耕草地植物种类变化与水分收支

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。     

纵向岭谷区不同景观类型的服务价值

基于2001年纵向岭谷区的遥感影像，将研究区划分为森林、草地、农田、湿地、水体、城镇、冰川7个一级景观类型，根据气候带、植被及地貌划分了26个二级景观类型，并利用中国陆地生态系统服务价值的研究成果，在GIS技术的支持下，对纵向岭谷区各景观类型的服务价值进行了研究.结果表明：纵向岭谷区总服务价值为5 302.35×10⁸ yuan·a^-1，占中国总服务价值的9.47%；在研究区提供的年服务价值中，土壤形成与保护的服务价值所占比例最高，占18.50%，其次是气体调节和生物多样性保护的服务价值；受景观类型分布广度和单位面积服务强度的综合影响，占研究区总面积66.11%的森林景观对区域总服务价值的贡献最大，贡献率达85.34%，其次为草地和农田景观.     

华北农牧交错带农田-草地景观镶嵌体土壤水分空间异质性

为揭示草地景观破碎化过程中产生的农田-草地镶嵌体内部土壤水分空间异质性、分布格局以及生态界面特征,本研究利用经典统计与地统计学方法对华北农牧交错带农田-草地镶嵌体不同采样粒度(0.5 m×0.5 m,1 m×1 m,2 m×2 m)土壤水分空间异质性进行分析。结果表明:农田-草地镶嵌体内部土壤水分含量差异显著表现为农田>农田-草地边界>草地 (P < 0.05);土壤水分变异系数(CV Coefficent of variation)差异显著表现为农田-草地边界>草地>农田(P < 0.05),均属中等程度变异。在农田-草地镶嵌体尺度下,农田-草地边界土壤水分在3个采样粒度下均拟合为球状模型,空间异质性大小(MSH Magnitude of spatial heterogeneity)分别为0.814、0.763和0.883,变程为15.44、27.24和19.09 m,属强空间自相关;草地土壤水分空间异质性在3个采样粒度下拟合呈指数和球状模型,空间异质性大小分别为0.537、0.837和0.650,变程分别为6.009、12.74和30.99 m,属中到强空间自相关;农田土壤水分在采样粒度2 m×2 m下拟合成球状模型,空间异质性大小为0.706,变程27.28m,属中等空间自相关,而在较小采样粒度下均为纯金块效应(Nugget)呈完全随机分布,即不同采样粒度(0.5 m×0.5 m,1 m×1 m,2 m×2 m)的农田、农田-草地边界、草地的土壤水分空间异质性大小存在显著差异且表现为农田-草地边界>草地>农田(P < 0.05),同时每种类型不同采样粒度间的空间异质性大小存在差异但无线性关系(P > 0.05);农田-草地镶嵌体内部的农田-草地边界土壤水分分布格局异质程度高,呈明显斑块状,而农田内部土壤水分较草地更加破碎匀质化,同时土壤水分在农田-草地边界处表现为伴有突然升高随即降低剧烈变化的界面效应。     

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。     

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。     

黄土高原水蚀风蚀交错区植被地上生物量及其影响因素

采用野外调查的方法,于2009年9月下旬测定了六道沟小流域不同土地利用方式下的地上生物量以及土壤水分含量和养分含量,研究了水蚀风蚀交错区典型小流域植被地上生物量水平及其影响因素.结果表明:六道沟小流域主要植被地上干生物量在177～2207g·m-2;其中,玉米、谷子、弃耕地、人工草地、天然草地和灌木地的地上干生物量分别为2097～2207、518～775、248～578、280～545、177～396和372～680 g·m-2.农田平均土壤含水量(0～100 cm土层)最高,达14.2%,灌木地最低,为10.9%;弃耕地土壤水分含量的变异系数最大,为26.7%,说明弃耕地土壤水分有很强的空间异质性.土壤平均储水量大小顺序为:农田>人工草地>弃耕地>天然草地>灌木地,苜蓿地和柠条地出现土壤干化现象.植被地上干生物量与0～100 cm土层土壤储水量存在显著正相关关系(r=0.639,P<0.05),地上鲜生物量与植被的株高呈极显著正相关,较高植被的地上生物量可以间接控制水蚀风蚀交错区土壤侵蚀.植被地上生物量与土壤水分、养分具有很高的相关性,但与海拔、坡度、坡向、容重等的相关性不显著.     

黄土丘陵区不同土地利用类型土壤水分变化特征

土壤水分是制约黄土丘陵区生态建设和土地可持续利用的关键因子,认识不同土地利用类型的土壤水分状况对该地区植被恢复和土地资源的有效利用具有重要的理论和实际意义.本研究采用EC-5土壤水分传感器,对黄土高原园则沟流域坡耕地、梯田、枣园和草地生长季内(5—10月)0~160 cm土壤剖面含水量进行连续监测,探讨这4种典型土地利用类型的土壤水分变化特征.结果表明:在降水常态年和干旱年,不同土地利用方式土壤水分的季节变化、蓄水特征及垂直分布均存在差异.在2015年干旱年,梯田表现出良好的蓄水保墒效果,0~60 cm土层生长季平均土壤含水量分别比坡耕地、枣园和草地高2.6%、4.2%、1.8%(P<0.05),0~160 cm土层储水量分别比坡耕地、枣园和草地高43.90、32.08、18.69 mm.在2014年常态年,枣园0~60 cm土层生长季平均土壤含水量分别比坡耕地、梯田和草地低2.9%、3.8%、4.5%(P<0.05);在干旱年,0~160 cm土层有效水储量仅占土壤总储水量的35.0%.不同土地利用方式下均是表层(0~20 cm)与中层(20~100 cm)土壤水分的灰色关联度较大,且土壤水分变化态势的相似程度表现为梯田>草地>坡耕地>枣园.对于试验区内的坡耕地,可考虑改造为梯田,以提高雨水资源的有效利用、促进生态农业建设;而针对黄土丘陵区旱作枣园土壤缺水严重的现象,需采取适当水分管理措施以降低枣树自身耗水和其他无效耗水,实现枣园可持续发展.     

岷江上游林农边界网络的生态效应

应用地理信息系统软件从遥感影像中提取出岷江上游的农田边界类型图,结合坡面尺度上林农边界效应的分析结果,对林农边界效应在景观尺度上的影响进行了研究。结果表明:研究区的农田边界共有5种类型,分别是农田与林地、灌木林地、草地、水体、建筑用地之间的边界,其中林农边界长2473.68km,占农田边界的37.57%,广泛分布在岷江干流及其支流的河谷中,在很大范围上影响着农田的土壤水分和生物多样性,对林地的影响相对较小;边界效应使林地边缘和农田边缘的土壤水分低于其内部,研究区有2103hm2的农田和371hm2的林地的土壤水分受到边界网络影响,分别占研究区农田面积和林地面积的2.33%和0.03%。由于土壤水分是制约研究区植物生长的限制性因子,且岷江上游的农田斑块面积较小且分布零散,因此应避免农林复合景观中边界密度进一步增加。     

Comparative water relations of adjacent california shrub and grassland communities

Summary Much of the coastal mountains and foothills of central and southern California are covered by a mosaic of grassland, coastal sage scrub, and evergreen sclerophyllous shrubs (chaparral). In many cases, the borders between adjacent plant communities are stable. The cause of this stability is unknown. The purpose of our study was to examine the water use patterns of representative grasses, herbs, and shrubs across a grassland/chaparrel ecotone and determine the extent to which patterns of water use contribute to ecotone stability. In addition, we examined the effects of seed dispersal and animal herbivory. We found during spring months, when water was not limited, grassland species had a much higher leaf conductance to water vapor diffusion than chaparral plants. As the summer drought progressed, grassland species depleted available soil moisture first, bare zone plants second, and chaparral third, with one chaparral species (Quercus durata) showing no evidence of water stress. Soil moisture depletion patterns with depth and time corresponded to plant water status and root depth. Rabbit herbivory was highest in the chaparral and bare zone as indicated by high densities of rabbit pellets. Dispersal of grassland seeds into the chaparral and bare zone was low. Our results support the hypothesis that grassland species deplete soil moisture in the upper soil horizon early in the drought, preventing the establishment of chaparral seedlings or bare zone herbs. Also, grassland plants are prevented from invading the chaparral because of low seed dispersability and high animal herbivory in these regions.     

祁连山东段高寒地区土地利用方式对土壤性状的影响

祁连山东段是典型的高寒地区,自然环境脆弱而敏感,探讨该区域土地利用方式对土壤性状的影响有助于高寒地区土地合理利用和生态恢复。在实验区内选取了天然草地(NG)、退耕自然恢复地(NRAC)、坡耕地(SC)和人工草地(SG)4种土地利用方式,研究了不同土地利用方式对土壤物理和化学性状的影响。结果表明,高寒地区不同土地利用方式下土壤理化性状差异显著。不同土地利用方式下土壤含水量表现为:NG>SG>NRAC>SC;土壤容重表现为:NRAC>SG>SC>NG;土壤紧实度表现为:SC>SG>NRAC>NG;总孔隙度为NG>SC>SG>NRAC。在4种土地利用方式中NG有机质含量(116.438 g/kg)显著高于其他土地利用方式(P<0.05);NRAC土壤有机质含量(28.541 g/kg)显著低于其他土地利用方式(P<0.05);全N含量NG最大;SC全P和全K含量最大;NG土壤速效N、P、K含量均最高。研究表明,NG在保持和维护土壤性状方面表现出了较好的效果,SC和SG土壤性状相对较差;退耕4 a的NRAC土壤性状仍然较差,反映出在高寒地区土壤生态系统一旦遭到严重破坏,在自然条件下较难恢复,恢复所需时间也较长。