生物土壤结皮的分布影响因子及其监测

生物土壤结皮在荒漠化地区广泛分布。本文详细论述了生物土壤结皮的分布规律及其影响因素,如海拔高度、土壤、维管植物群落水分条件和干扰,以及生物土壤结皮在生态系统和景观变化监测和评价中的作用等。同时对中国西北地区生物土壤结皮的生态学研究和开发应用提供了研究的重点和方向。     

生物土壤结皮对全球气候变化的响应

生物土壤结皮在干旱、半干旱区和极地、亚极地区等脆弱生态区广泛存在,生物土壤结皮对脆弱生态系统的稳定、碳氮循环和生态平衡等具有重要的生态意义.概述了脆弱生态区生物结皮的碳氮循环与气候变化关系,综合分析了脆弱生态区生物结皮对气候变暖、降水变化和UV-B增加的响应.分析认为应该加强区域尺度下干旱与半旱区生物结皮对气候变化响应研究.     

生物土壤结皮在喀斯特生态治理中的应用潜力

喀斯特地区生境条件复杂,生态系统脆弱,其中石漠化成为制约喀斯特地区发展的重要因素。该文综述了生态系统中生物土壤结皮的可抗逆性特征及其对加速母岩成土速率、提高地表抗侵蚀力、改善土壤环境状态,调控降水下渗、改变土壤中水分再分配格局、促进土壤微生物和植被演替以及提高生物多样性的关键作用。探讨了生物土壤结皮与喀斯特生态系统的反馈机制及人工培育结皮植被对石漠化防治的应用潜力。此外,生物土壤结皮与生态系统间的互作机制是研究喀斯特生态治理的关键,两者间的耦合关系是一个动态过程,需要长期的不间断多维度监测。建议加强对生物土壤结皮与喀斯特生境间耦合机制及其在喀斯特岩溶过程的互作机制,喀斯特地区生物土壤结皮耐胁迫特性以及在喀斯特生境下人工培植技术与机理等方面的研究。     

腾格里沙漠东南缘不同生物土壤结皮细菌多样性及其季节动态特征

微生物多样性对于生物土壤结皮在沙漠生态系统中改善局部环境以及提升生态功能具有重要作用。本研究对腾格里沙漠东南缘沙坡头地区藻结皮、藓结皮及其下层的四季样品进行了16S rDNA高通量测序, 以期阐明细菌多样性及其在生物土壤结皮演替过程中的季节变化规律。结果表明4种类型样品的细菌丰富度在夏季显著低于其他3个季节。4种类型样品中主要的细菌类群为变形菌门、放线菌门、绿弯菌门、酸杆菌门、蓝细菌门等, 其中变形菌门和放线菌门为优势类群, 夏季时变形菌门的相对多度显著高于春季、秋季、冬季, 且在结皮层中相对多度显著高于结皮下层。放线菌门的相对多度在春季、夏季显著高于秋季、冬季, 且结皮下层相对多度高于结皮层。生物土壤结皮演替过程中细菌多样性及其相对多度季节动态变化表明其对沙漠土壤局部环境的变化作出了响应, 这为深入理解生物土壤结皮在沙漠生态系统中的生态功能提供了微生物多样性数据。     

国际生物土壤结皮研究发展态势文献计量分析

生物土壤结皮是荒漠生态系统组成和地表景观的重要特征。近年来,各国和各相关研究机构对生物土壤结皮的研究力度不断加大。利用Bibexcel和NetDraw等文献计量工具,对Web of Science数据库中国际生物土壤结皮研究相关文献进行了分析。在对主要国家和机构的发文进行统计分析后发现:美国、德国和西班牙等国的生物土壤结皮研究论文的综合影响力较高;胡安·卡洛斯国王大学和美国地质调查局等机构的论文影响力较大;中国生物土壤结皮研究论文在总量上优势明显,但高质量论文不多;国际生物土壤结皮研究的主要研究热点集中在腾格里沙漠等沙漠地区,氮循环研究和微生物群落研究是研究的重点。     

高寒沙区生物土壤结皮覆盖土壤碳通量对模拟降水的响应

生物土壤结皮作为干旱半干旱地区重要的地表覆盖类型和景观特征之一,其自身具备的光合与呼吸能力对荒漠生态系统地表与大气界面中的碳交换与循环产生了重要影响。水分是干旱半干旱地区许多生态过程中的主要限制因子,能够影响生物土壤结皮的光合与呼吸过程,进而影响生物土壤结皮覆盖土壤的碳通量规律。针对高寒沙区藓类和藻类结皮为主的生物土壤结皮覆盖土壤,设置了1、2、5、10mm以及0(对照)的模拟降水梯度,利用LI-8100土壤碳通量测定系统,对模拟降水后结皮覆盖土壤的碳通量进行测定,以探讨不同结皮种类和不同强度降水对碳通量的影响。结果表明:(1)降水对生物土壤结皮覆盖土壤的净碳通量、暗呼吸均有激发作用,使碳通量在极短时间内到达峰值且与对照差异显著,但各降水量之间差异不显著。两种不同结皮覆盖类型相比,藓类结皮覆盖土壤在降水后的碳通量峰值和受降水激发的有效时间均显著高于藻类结皮。(2)两种结皮覆盖土壤在模拟降水后的48h累积碳释放随降水量的增加而增加且与对照差异显著。同时藓类结皮覆盖土壤累计碳释放显著高于藻类结皮覆盖土壤。(3)两种生物土壤结皮覆盖土壤的碳通量和土壤水分体现出显著的相关性,净碳通量和暗呼吸均随水分的增加而增加。因此,在降水条件下生物土壤结皮覆盖土壤表现出明显的碳源效应,其碳通量以及碳释放量都有显著的改变,在研究干旱半干旱地区碳交换规律时应该考虑不同生物结皮的覆盖和降水事件的影响。     

荒漠化地区生物结皮的研究进展

防沙、治沙和固沙一直以来是荒漠化生态环境建设的热点问题。作者从生物结皮对荒漠化地区生态环境的影响,以及在生态系统演替中起到的重要作用等方面进行了综述,指出了地衣在生物结皮中所占有的重要地位,展望了生物结皮研究与应用的前景。     

金属尾矿库生物土壤结皮的类型及物种组成

为对金属尾矿库生物土壤结皮进行研究, 2016年对湖北省黄石市的两个废弃尾矿库开展了生物土壤结皮调查, 并采用空间代替时间的方法来研究结皮发育演替过程中的物种组成及变化。结皮中蓝藻、真菌和苔藓的绝对丰度分别为(0.63—2.01)×108、(0.19—1.53)×108和(0.08—3.34)×107 copies/g DW soil, 随着结皮的演替蓝藻和真菌丰度降低, 苔藓的丰度增加。从微生物组成来看, 从两个尾矿库的生物土壤结皮中共分析出41门的物种, 其中变形菌门、蓝藻门、放线菌门、拟杆菌门、绿弯菌门、疣微菌门、酸杆菌门、浮霉菌门、芽单胞菌门及热微菌门是主要组分, 它们在不同结皮中累计丰度均达到90%以上。金属尾矿库中的生物土壤结皮物种组成及其变化规律与荒漠化地区类似, 蓝藻在其中具有不可替代的作用。研究表明生物土壤结皮在金属尾矿库中广泛分布, 同时可以起到增加尾矿库土壤养分的作用, 可广泛应用于金属尾矿库的生态修复。     

古尔班通古特沙漠生物土壤结皮对土壤氮库垂直分布特征的影响

生物土壤结皮在干旱区氮素地球化学循环中具有重要作用,研究不同生物土壤结皮下不同形态氮素含量的变化,解析生物土壤结皮对土壤养分影响过程和范围,有助于进一步理解生物土壤结皮的生态功能。本研究以古尔班通古特沙漠藻-地衣混生结皮和藓类结皮两种生物土壤结皮为研究对象,以裸沙为对照,测定生物土壤结皮层和0—100 cm内8个土层全氮、无机氮、可溶性有机氮、游离态氨基酸氮、微生物生物量氮等氮库含量,和土壤脲酶、硝酸盐还原态酶、亮氨酸氨基肽酶等土壤胞外酶活性。结果表明：1)结皮层各形态氮素含量和各土壤酶活性显著高于其下层土壤,结皮层和结皮下各层土壤氮库整体上表现为藓类结皮>藻-地衣混生结皮>裸沙;土壤氮库各形态氮素含量和土壤酶活性在垂直分布上均呈现先显著下降(0—20 cm)后稳定(20—100 cm)的趋势;在20—30 cm土层,除裸沙的无机氮、铵态氮以及藻-地衣混生结皮的硝态氮外,其余速效氮(无机氮、硝态氮、铵态氮)含量具有增加的特点。2)土壤各氮库含量与全磷、有机碳、电导率、土壤脲酶和亮氨酸氨基肽酶活性呈正相关,与pH、土壤含水率呈负相关。3)利用氮循环相关指标建立土壤氮循环多功能...     

模拟增温对高寒沙区生物土壤结皮-土壤系统呼吸的影响

生物土壤结皮是高寒沙区重要的地表覆盖类型, 研究增温对高寒地区生物土壤结皮-土壤系统呼吸的影响, 能够为准确评估高寒生态系统中生物土壤结皮对气候变化的响应和反馈提供一定的参考。该文以人工植被恢复区的苔藓和藻类结皮为研究对象, 采用开顶式被动增温装置(OTC)进行模拟增温, 观测增温条件下苔藓和藻类结皮-土壤系统呼吸速率的日动态和生长季动态, 探讨增温对其CO₂释放量和温度敏感性的影响。研究结果显示, 增温未改变苔藓和藻类结皮-土壤系统呼吸速率的日动态和生长季动态特征, 均呈“单峰”曲线, 日动态峰值出现在13:00左右, 生长季动态峰值出现在8月左右; 增温改变了生物土壤结皮-土壤系统呼吸速率的日动态峰值。相对干旱年份(2017), 适度增温增加了两类生物土壤结皮-土壤系统生长季累积CO₂释放量, 过高幅度增温, 两类生物土壤结皮-土壤系统CO₂释放量的增加程度降低; 相对湿润年份(2018), 增温幅度越高, 两类生物土壤结皮-土壤系统CO₂释放量增加程度越大。两种类型生物土壤结皮-土壤系统呼吸速率与温度间的关系均可用指数函数较好地描述, 相对干旱年份, 增温幅度越高, 苔藓和藻类结皮-土壤呼吸的温度敏感性越小, 变化范围分别为1.47-1.61和1.60-1.95; 相对湿润年份, 增温幅度越高, 温度敏感性越大, 变化范围分别为1.44-1.68和1.44-1.76。该研究表明, 全球气候变暖很大程度地增强了高寒生态系统中生物土壤结皮-土壤系统的呼吸作用, 因此在准确评估高寒生态系统碳循环过程时, 应充分考虑气候变暖对该区广泛分布的生物土壤结皮所产生的影响。     

Evolutionary characteristics of the artificially revegetated shrub ecosystem in the Tengger Desert, northern China

The rain-fed sand-binding vegetation which stabilizes the migrating desert dunes in the Shapotou area at the southeastern edge of the Tengger Desert was initiated in 1956. The shrubs initially employed were predominantly Caragana korshinskii, Hedysarum scoparium, and Artemisia ordosica, and a desert shrub ecosystem with a dwarf shrub and microbiotic soil crust cover on the stabilized sand dunes has since developed. Since 1956 the success of this effort has not only ensured the smooth operation of the Baotou–Lanzhou railway in the sand dune area but has also played an important role in the restoration of the local eco-environment; therefore, it is viewed as a successful model for desertification control and ecological restoration along the transport infrastructure in the arid desert region of China. Some of the effects of recovery from desertification and ecological restoration on soil properties are shown by the increase in the distribution of fine soil particles, organic matter, and nutrients. The physical surface structure of the stabilized sand dunes, and inorganic soil crusts formed by atmospheric dust, have also led to the gradual formation of microbiotic soil crusts. Sand dune stabilization is associated with: (1) decreased soil particle size, (2) increased total N, (3) increased thickness of microbiotic crusts, (4) increased thickness of subsoil, and (5) an increase in volumetric soil moisture in the near-surface environment. After 17 years of dune stabilization, both the number of shrubs and community biomass decreased. The number of microbes, plant species and vegetation cover, all attained a maximum after the dunes had stabilized for 40 years. There is a significant positive correlation between the fractal dimension of soil particle size distribution (PSD) and the clay content of the shallow soil profile in the desert shrub ecosystem; the longer the period of dune stabilization, the greater the soil clay content in the shallow soil profiles (0–3 cm), and the greater the fractal dimension of soil PSD. This reflects the fact that during the revegetation processes, the soil structure is better developed, especially in the upper profile. Hence, the migrating sand dune becomes more stabilized. Therefore, the fractal model can be used to describe the texture and fertility of the soil, and, along with the degree of stability of the previously migrating sand dunes, can be used as an integrated quantitative index to evaluate the revegetation practice in the sand dune areas and their stabilization.     

Microbiotic Crusts and Ecosystem Processes

Microbiotic crusts are biological soil crusts composed of lichens, cyanobacteria, algae, mosses, and fungi. The biodiversity of these crusts is poorly understood; several cosmopolitan species dominate in most areas, but many species are confined to one or a few sites. Nitrogen fixation by organisms within the crust can be the dominant source of nitrogen input into many ecosystems, although rates of nitrogen input are limited by water availability, temperature, and nitrogen loss from the crust. Photosynthetic rates of the microbiotic crust can be 50% of those observed for higher plants, but the contribution of crusts to carbon cycling is not known. The microbiotic crust binds soil particles together, and this significantly increases soil surface stability and resistance to erosion. Greenhouse studies have found that crusts can enhance seed germination, seedling survivorship, and plant nutrient status, but further experiments are needed under field conditions. Crusts are extremely susceptible to surface disturbance and fire, and disruption of crusts can decrease soil fertility and stability resulting in lower nutrient availability for vascular plants and significant soil loss from the ecosystem.     

喀斯特石漠化综合治理及其区域恢复效应

国家加大生态保护与建设力度背景下,我国西南喀斯特石漠化面积实现"持续净减少",面临由传统高强度人为干扰向大规模自然恢复与人工造林的转变,石漠化治理也面临转型。现有喀斯特生态研究已阐明了喀斯特脆弱生态系统人为干扰退化机制,初步揭示了生态治理改善生态系统结构与功能的恢复机理,突破了保土集水与植被恢复的适应性石漠化治理技术与模式,评估了石漠化治理显著加速区域植被生长与恢复的固碳效应。但目前石漠化治理面临着治理成效巩固困难、治理技术与模式缺乏区域针对性、大规模低效人工林亟待改造、社会人文驱动机制不清等问题。未来喀斯特生态恢复应聚焦石漠化治理提质增效,从侧重单一生态要素、单一生态过程的研究向多要素综合、多过程综合以及喀斯特地表-地下过程耦合、景观格局与生态过程耦合、生态过程与生态系统服务耦合、自然与人文过程耦合等陆地表层系统集成的方向发展,为我国西南喀斯特地区石漠化治理与扶贫开发成效巩固、乡村振兴与美丽中国战略的实施提供科技支撑。     

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.     

半干旱沙地封育草场的植被变化及其与土壤因子间的关系

封育措施是一种主要的草场恢复和重建的措施。通过对半干旱沙地完全封育、季节封育和未封育地的比较分析,量化了不同封育措施下植被变化及其与土壤因子的关系。对3种封育措施群落组成和生物多样性的多响应置换过程(M RPP)分析结果表明,封育改变了群落的组成成分并增加了生物多样性,群落的指示种分析及样方相似性指数计算结果则显示,完全封育(>10a)的群落逐渐向旱生化发展,各植物种分布的空间异质性显著提高,放牧价值开始降低,而季节性封育则明显处于一种非平衡的稳定状态。对不同措施下植物种与土壤因子间关系除趋势对应分析(DCA)和除趋势典范对应分析(DCCA)排序结果表明,土壤水分状况是限制3种措施中植物种组成的决定性因子,生物结皮盖度、土壤有机质和土壤容重等因子均在一定的程度上对水分产生影响,其中最为突出的因子是生物结皮盖度,由于长期缺少牲畜的践踏,完全封育区内结皮发育较好,这也是导致群落向旱生化发展的原因之一,同时一些重要因子诸如降水的时空变化或由此而引发的土壤水分的时空变化在本研究中可能被忽略。相关分析表明3种措施的生物多样性除了受土壤水分状况(土壤含水量和结皮盖度)的影响外,还与土壤速效氮呈正相关,与速效磷呈负相关。     

干旱沙漠区土壤微生物结皮及其对固沙植被影响的研究

在腾格里沙漠东南缘人工固沙植被区,采用已有的数据和长期的定位观测,分析了固沙植被区生物结皮的形成特点及其对植被动态的影响。流沙经过沙障固定和种植植物后,沙土表层形成风积物结皮,再演化成以藻类为优势种的微生物结皮,而这一过程是因沙物质得到固定后,大气降尘和粉粒在沙表层堆积、下沉、再经雨滴的冲击等物理作用和土壤微生物的活动共同作用的结果。在降水不足２００ｍｍ的条件下,结皮的形成改变了土壤水分的传有限,     

西南喀斯特石漠化生态系统土壤有机碳分布特征及其影响因素

喀斯特石漠化已成为制约我国西南地区社会经济可持续发展最严重的生态地质环境问题,其恢复重建已成为我国社会经济建设中一项重要内容。土壤有机碳作为土壤质量评价的重要指标,可以综合反映土地生产力、环境健康功能,另一方面土壤有机碳也间接影响了陆地生物碳库,是陆地生态系统碳平衡的主要因子,它的转化和积累变化直接影响全球碳循环动态,已成为生态科学领域研究的热点之一。系统的总结了西南喀斯特石漠化地区不同土地覆被/土地利用、不同等级石漠化环境土壤有机碳的空间和季节分布特征。结合前人研究成果,进一步分析了影响喀斯特石漠化地区土壤有机碳分布的自然(气候、地形与土壤性质、植被等)和人为(土地覆被/土地利用变化、农业管理措施等)各因素,并提出增加喀斯特石漠化地区土壤有机碳含量的对策。研究结果为喀斯特石漠化退化生态系统恢复重建、石漠化地区土壤综合利用、增加碳截存应对全球碳循环减源增汇等提供了重要的科学参考。     

贵州喀斯特石漠化地区植物多样性与土壤理化性质

以贵州典型喀斯特石漠化生态系统环境为研究对象,运用野外取样调查和实验室检测分析方法,研究不同等级石漠化环境植物多样性和土壤理化性质特征及其相关性;运用空间替代时间方法,探讨石漠化演替过程中植物多样性和土壤理化性质的响应,旨在为贵州乃至整个中国西南喀斯特森林生态保护和石漠化生态系统恢复重建提供理论支撑。结果表明:1)石漠化环境植物群路组成简单,物种丰富度也很低,且随着石漠化程度增加,植被物种组成呈递减趋势;不同等级石漠化环境植物多样性具有显著差异,均匀度指数变化与石漠化等级演替明显耦合,显示了随石漠化程度增加而减小的变化趋势。2)不同等级石漠化环境土壤理化性质存在显著差异,随着石漠化程度增加,土壤理化性质显示了先退化后改善的响应过程。土壤有机质、氮素、毛管持水量、容重和孔隙度与植物多样性具有明显的相关性,在改善土壤理化性质和促进植物多样性恢复方面起着关键作用。3)主成分分析表明,土壤有机质、氮素、钾素、持水状况、孔隙度和植物多样性均匀度指数等是基于土壤理化性质和植物多样性评价石漠化程度的关键指标。基于上述结果,进一步阐述了石漠化演替过程中植物多样性和土壤理化性质的变化规律和响应机制。研究结果对我国西南喀斯特森林生态保护和石漠化生态系统恢复重建具有一定的理论意义和实践指导价值。