民勤绿洲边缘地下水位变化对植物种群生态位的影响

在民勤绿洲边缘,利用空间区域不同地下水位(湖区8～12m,泉山区15～17m,坝区20～23m)和时间序列(1984～1992年)民勤沙井子地区地下水位下降(7.45～11.65m)梯度,研究地下水位下降对荒漠植物种群生态位的影响。结果表明:空间区域地下水位下降,植物种群生态位宽度均减小,种群退化;时间序列地下水位下降,白刺种群在扩展,其它植物种群在退化。白刺种群生态位宽度在民勤绿洲边缘荒漠植物群落中最大,是该区的建群种。由于白刺种群在地下水位7.45～11.65m范围内扩展,民勤绿洲生态环境治理中地下水位达到该范围是一个主要目标。     

民勤绿洲荒漠过渡带植物群落数量分类和排序研究

绿洲-荒漠过渡带作为绿洲与荒漠的连接区域,在干旱区生态环境退化与恢复研究中具有重要意义。该研究以民勤绿洲荒漠过渡带为例,在47个植物群落调查样地的基础上,应用双向指示种分类法(TWINSPAN)和除趋势对应分析法(DCA)对研究区典型植物群落进行数量分类和排序,并讨论了影响植物群落类型及空间分布的环境因子。结果表明:(1)研究区植物群落结构简单,植物种以旱生耐盐植物为主。(2)TWINSPAN分类将研究区的植物群落划分为11个群丛类型,即白刺+盐生草群丛、白刺+芦苇群丛、白刺+盐爪爪群丛、盐爪爪+黑果枸杞群丛等,分类结果在空间上反映了民勤绿洲荒漠过渡带植物群落的演替变化趋势。(3)DCA排序结果验证了TWINSPAN分类结果的合理性,同时指出制约民勤绿洲荒漠过渡带植物群落类型及空间分布的重要环境因子是地下水埋深和地貌形态。     

白刺沙堆退化与土壤水分的关系

近几十年来,我国西北干旱区白刺沙堆退化严重,导致固定沙丘活化,流沙掩埋绿洲,造成了严重危害。如何尽可能长期保持白刺沙堆的稳定、防止白刺沙堆活化成为绿洲保护和沙漠化防治急需解决的问题。在多年野外观察的基础上,提出了"土壤水分收支不平衡所导致的土壤水分减少是白刺沙堆退化的主要原因"的研究假设。但是,由于缺少长期的野外观测试验,这个假设一直未被很好地证明。为了证明这个假设,在甘肃民勤的绿洲外围选择了雏形、发育、稳定和死亡四个退化阶段的白刺沙堆,于2008年1月至2012年6月利用中子水分仪和土壤烘干称重法对土壤水分进行了长期观测。结果表明:各样地的土壤含水量均呈现出2008年最大,2009年和2011年次之,2010年最小的趋势。年内变化是春季土壤含水量最低,夏季逐渐增加,随后逐渐减小。在不同发育阶段,雏形阶段的土壤含水量最大,且降水容易下渗。稳定和死亡阶段的白刺沙堆土壤含水量很低,降水难以下渗,只有大的降水事件发生时,水分才可以下渗。因此,稳定和死亡阶段白刺沙堆的土壤水分经常在植物的凋萎点之下,是造成白刺沙堆退化重要原因。证明了"土壤水分减少是白刺沙堆退化的原因"的研究假设。研究结果对今后的植物固沙实践活动会有积极的参考意义。     

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。     

民勤绿洲荒漠过渡带植物白刺和梭梭光合特性

研究了民勤绿洲荒漠过渡带两种优势植物白刺(Nitrariatangutorum)和梭梭(Haloxylonammodendron)气体交换特征参数和叶绿素荧光参数的日变化,结果表明:梭梭同化枝日均净光合速率(Pn)、蒸腾速率(E)、水分利用效率(WUE)和早晨PSII最大光化学效率(Fv/Fm)明显低于白刺叶片;同时它们在中午都呈现明显的光合“午休”现象。通过气孔限制值(Ls)、胞间二氧化碳浓度(Ci)和叶绿素荧光参数(Fv/Fm)变化趋势分析表明:梭梭同化枝净光合速率的下降在9:00~12:00主要是由于气孔关闭引起的,而在12:00~15:00主要是非气孔因素光抑制的影响;而白刺叶片光合速率的下降主要是气孔关闭引起的。同时,梭梭在一天中其同化枝的温度(Tleaf)高于大气温度尤其在中午差值更大,而白刺叶片的温度却低于大气温度,因此说明梭梭同化枝在中午不仅遭受着干旱和强光的胁迫而且面临严酷的高温胁迫。总之,在绿洲荒漠过渡带生境中白刺比梭梭具有更好的适应性,这可能是民勤绿洲荒漠过渡带人工梭梭林衰退的重要原因之一。     

民勤绿洲荒漠过渡带人工梭梭群落与水土因子的关系

作为绿洲可持续发展的重要生态屏障,人工梭梭群落的演替关系着民勤绿洲的生态安全。以民勤绿洲边缘人工梭梭群落为研究对象,在野外调查的基础上,采用双向指示种分类(TWINSPAN)和典范对应分析(CCA)数量生态学方法分析了人工梭梭群落与水土环境因子的关系。结果表明:(1)TWINSPAN方法将人工梭梭群落划分为4个群丛类型:群丛I梭梭+白刺-沙蒿-盐生草(Haloxylon ammodendron+Nitraria tangutorum-Artemisia frigida-Halogeton glomeratus)、群丛Ⅱ梭梭+沙拐枣-沙米(Haloxylon ammodendron+Calligonum mongolicum-Agriophyllum squarrosum)、群丛Ⅲ梭梭+白刺-芦苇(Haloxylon ammodendron+Nitraria tangutorum-Phragmites australis)、群丛Ⅳ梭梭+柽柳+盐爪爪(Haloxylon ammodendron+Tamarix ramosissima+Kalidium foliatum);(2)CCA排序第1轴代表生境水分及有机质梯度的变化,第2轴代表生境土壤盐分的环境梯度。Monte Carlo检验和前项选择结果表明,人工梭梭群落演替的环境调控因子排序为土壤水分(10%)有机质(9.7%)pH(8.8%)速效磷(8.4%)土壤沙粒(7.8%)地下水埋深(7.8%)样方距离绿洲之间的距离(7.2%)全氮(6.9%)电导率(6.7%)。TWINSPAN分类结果在CCA样方-环境因子排序图中有较好的反映,分类和排序结果较为吻合。(3)土壤含水量、酸碱度、沙粒体积百分比、速效磷、有机质、全氮、电导率与空间因子样方与绿洲的距离解释了物种格局变化的19.8%,其中土壤因子占15.6%,地下水因子占1.1%,土壤与地下水因子交互作用解释部分占3.1%。对于50%以上未能被解释的变异部分,可能归咎于未被选取的环境因子如降水、风蚀沙埋、封禁或者随机过程。     

内陆河流域中、下游绿洲耕地变化及其驱动因素——以石羊河流域中游凉州区和下游民勤绿洲为例

以野外实际调查资料以及社会经济统计资料,结合研究区1986年和2000年的TM影像数据,分析了石羊河流域中游凉州区和下游民勤绿洲近20a来的耕地变化及其驱动因子,结果表明：（1）两个绿洲的耕地面积都呈增加趋势,且民勤绿洲耕地增加速度更为显著;在空间上新增耕地主要集中在荒漠和绿洲的交错地带,耕地的增加凉州区以沙地作为主要来源,而民勤则以牺牲林草地为代价.（2）从耕地变化驱动力来看,人口增加是直接动因,同时农业科技进步和社会经济的发展为耕地面积的扩大提供了前提条件;此外,耕地面积的变化在凉州区与地表水量关系密切;而在民勤则与大风、沙尘暴天气等生态环境问题以及绿洲内的降水、蒸发等气象因素有显著关系.充分表明石羊河流域中游绿洲经济的繁荣发展以下游民勤绿洲的急剧衰退为代价.     

绿洲-荒漠交错带环境特征初步研究

以甘肃省石羊河下游的民勤绿洲为例,对其绿洲外围与荒漠交错地带的植被和植被关系密切的灌丛沙包特征进行了系统研究,结果表明,由于生态交错带边缘效应的存在,植被盖度的变化呈现绿洲附近与交错带外围靠近流沙的地方较低,而位于流沙和绿洲之间的部分相应较高,植被盖度较高的部位主要集中于自流动沙丘至绿洲外600m处,而非紧靠近绿洲、这与地下水自沙漠向绿洲方向运移有关,在绿洲外缘300～600m的范围内植被盖度出现下降,原因可能与绿洲荒漠交错带界外区的形成有关,说明研究区绿洲0～600m范围即是该区域绿洲界外区的存在区域,灌丛沙包上的裸沙率以绿洲界外区为最大,大量沙包裸露,可致沙子的活动性增强,因此该地带是对绿洲土地造成沙质荒漠化的最大流沙来源。     

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?4.5m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。     

民勤沙区植被退化与年际降水量关系的定位研究

民勤沙区荒漠植物盖度随年际降水量变化明显,植被在随年际降水量变化的波动中退化。在一般年份,白刺、梭梭、沙蒿等灌木上部发生枯梢,在降水量偏少或分布异常年份会整株枯死,所以有的年份植被盖度和灌木高度反而会降低。不同植被群落分布的地貌条件和土壤条件有较大差异:白刺以白刺沙丘的形式存在,白刺沙丘0～30cm土壤含水率在1.4%～2.0%之间;膜果麻黄仅分布在粘砾石质滩地上,0～30cm土壤含水率<0.8%;沙蒿分布在低缓的半固定沙丘、流动沙丘和覆沙滩地上,0～30cm土壤含水率在0.9%～1.7%之间。植物通过土壤水分变化对降水作出反应,土壤水分条件对降水的反应受土壤颗粒的影响,细砂粒对降水反应灵敏。优势种植物高度与7月下旬～9月下旬的降水量之间存在较大的正相关;草本植物平均盖度与7月下旬～9月下旬和5月下旬～7月下旬期间的降水量之间存在较大的正相关。全年降水量主要影响植被总盖度。5月下旬～7月下旬的降水量对植被的影响较全年降水量更为明显。     

不同降水条件下两种荒漠植物的水分利用策略

 自然降水是干旱、半干旱地区荒漠植物重要的水分来源。为了说明自然降水量的变化对干旱、半干旱地区荒漠植物水分利用策略的影响, 研究了两种常见荒漠植物油蒿(Artemisia ordosica)和白刺(Nitraria tangutorum)在3个不同自然降水地区(内蒙古的杭锦旗和磴口县及甘肃的民勤县)的水分来源、水分利用效率及植物的抗逆能力的变化。测定了不同地区的植物茎水、各潜在水源(降水、地下水和土壤水)的δD和δ¹⁸O值, 并利用IsoSource模型分析了这两种植物在不同地区对这些潜在水源的选择性利用情况; 同时测定了叶片的δ¹³C和游离脯氨酸浓度。结果表明: 在年降水量最高的杭锦旗, 这两种植物对浅层土壤水的利用比例最高, 其中油蒿主要利用0–50 cm土层中的水源; 在年降水量相对较低的磴口和民勤, 植物利用的主要水源为深层土壤水和地下水。随着年降水量的增加, 这两种植物的水分利用效率逐渐降低。白刺的脯氨酸浓度大于油蒿, 与水分利用效率无关, 但油蒿的水分利用效率和脯氨酸浓度成正比。研究表明, 荒漠植物能通过改变其水分利用策略和其他生理特性适应自然降水量的变化, 但不同植物种采用的策略可能有所不同。     

民勤梭梭人工林天然更新的生态条件

针对民勤绿洲梭梭人工林天然更新不良现状,从群落天然更新的必要条件出发,通过对种子萌发、幼苗存活与生长所需生态条件的对比研究,对民勤梭梭人工林天然更新生态条件与限制因子进行了分析,结果表明:民勤多年(1971—2002年)平均降水量为116mm,是适宜梭梭生长的区域,但降雨的季节变化却影响到梭梭天然更新的进行;梭梭的更新与所处的立地类型关系密切,不同立地条件下梭梭人工林植株生长、母株结实状况和土壤水分都存在较大的差异,立地类型是影响梭梭人工林更新的另一影响因素。     

Plant responsiveness to variation in precipitation and nitrogen is consistent across the compositional diversity of a California annual grassland

Question: How does responsiveness to water and Nitrogen (N) availability vary across the compositional and functional diversity that exists in a mesic California annual grassland plant community? Location: Northern California annual grassland. Methods: A mesocosm system was used to simulate average annual precipitation totals and dry and wet year extremes observed in northern California mesic grasslands. The effects of precipitation and N availability on biomass and fecundity were measured on three different vegetation types, a mixed grass forb community, and a forb and a grass monoculture. The treatment effects on plant community composition were examined in the mixed species community. Results: While growth and seed production of the three vegetation types was inherently different, their responses to variation in precipitation and N were statistically similar. Plant density, shoot biomass, and seed production tended to increase with greater water availability in all vegetation types, with the exception of a consistent growth reduction in high precipitation (1245 mm) plots in the first year of the study. Shoot biomass responded positively to N addition, an effect that increased with greater water availability. Nitrogen addition had little effect on plant density or seed production. In the mixed grass‐forb community, biomass responsiveness to water and N treatments were consistently driven by the shoot growth of Avena barbata, the dominant grass species. Conclusions: Vegetation responses to changes in precipitation and N availability were consistent across a range of composition and structural diversity in this study. Plant growth and seed production were sensitive to both increased and decreased precipitation totals, and the magnitude of these responses to N availability varied depending on soil moisture conditions. Our results suggest the impacts of changing precipitation regimes and N deposition on annual productivity of California grasslands may be predictable under different climate scenarios across a range of plant communities.     

绿洲―荒漠交错带土壤水分变化特征初步研究

 以甘肃省的民勤绿洲为例,选择土壤水分最为亏缺的7月,对白刺(Nitraria tangutorum)沙包不同迎风面,以及绿洲和荒漠交错地带的土壤水分进行了取样分析。结果表明,对于白刺沙包而言,其上层和深层土壤水分是迎风坡大于背风坡,中间层次（40～80 cm）则刚好相反。在绿洲与荒漠的交错带上,灌丛沙包与沙丘间低地水分变化有很大的不同,总体而言,丘间地水分含量大于灌丛沙包,但在距离绿洲406 m处,二者均出现一个土壤水分的最低值。在丘间地表层,水分变化是距离绿洲愈近,土壤含水量愈高;而深层土壤水分的变化趋     

Soil drying and nitrogen availability modulate carbon and water exchange over a range of annual precipitation totals and grassland vegetation types

Increased intensity in precipitation events and longer periods of water deficit are predicted as a general trend under future climate scenarios with potentially large effects on terrestrial ecosystem function. The primary objective of this study was to understand how variation in the intensity of precipitation inputs followed by intermittent soil drying events influence leaf and ecosystem carbon dioxide (CO₂) and water exchange in a California annual grassland mesocosm experiment. We further examined how nitrogen (N) availability, and differences in plant community composition (grass-forb combinations) affected gas exchange responses to the precipitation treatments. Net ecosystem CO₂ exchange (NEE) and evapotranspiration (ET) increased significantly with greater precipitation and were positively correlated with soil moisture. A repeated 10-day soil drying period, following 11 days of watering, strongly depressed NEE over a range of annual precipitation totals (297, 657 and 987 mm), and plant community types. Ecosystem dark respiration ( R _e) and leaf level photosynthesis ( A _max) showed greater sensitivity to periods of soil drying in the low precipitation plots (297 mm). N additions significantly increased NEE and R _e, particularly as water availability was increased. Across the range of precipitation totals and plant community types, intermittent periods of soil moisture deficit and native soil N availability constrained leaf and ecosystem level CO₂ exchange, while the influence on water vapor exchange was less pronounced.     

石羊河流域气候干湿状况分析及评价

分析了河西走廊石羊河流域用水区降水的年际时空分布和演化规律,用潜在蒸散、气候干旱指数、蒸降差计算了不同流域段的水分平衡收支情况。结果表明,20世纪80~90年代降水呈增加趋势,但量较小;春、夏季降水增加,秋、冬季降水减少;潜在蒸散多年平均值为1 026.1 mm,并由上游向下游逐渐增大。20世纪70~90年代潜在蒸散呈增加趋势,平均增加4.1~43.6 mm;季节潜在蒸散大小顺序为夏>春>秋>冬,平均为403.5~521.6 mm;历年气候干旱指数平均为0.002,极值出现在下游的民勤地区,达0.581。20世纪70~90年代,气候干旱指数呈增大趋势,气候变得越来越干燥;年水分亏缺量平均为810.7 mm,表现为水分严重不足。最后,提出了合理利用水资源的建议,以科学应对气候变化,促进流域经济持续发展。