砒砂岩区不同立地类型人工沙棘林下草本物种多样性环境解释

砒砂岩区是黄土高原区水土流失最为严重的地区之一。砒砂岩区沙棘人工林有良好的水土保持功能,沙棘林下草本植物是该人工林生物多样性的重要组成部分。目的是探明砒砂岩区人工沙棘林下草本物种多样性与环境的关系,依据生境条件的差异,沙棘林被划分为7个类型。野外调查记录了各类型所处的地形条件,采用样方法调查了每个样地草本的生物多样性,并取土样测定其养分和水分状况。采用Patrick指数、Pielou指数、Shannon指数、Simpson指数对砒砂岩区不同立地类型人工沙棘林下草本植物进行了物种多样性分析,并通过CCA、PCCA方法研究了物种分布与环境的关系。结果表明:(1)砒砂岩区不同立地类型人工沙棘林下草本层优势种不同,阴坡混交林物种数最多为23种,阳坡混交林Pielou指数最高为0.89,阴坡纯林和混交林Shannon指数均为最高,Simpson指数没有明显差异。(2)影响砒砂岩区人工沙棘林下草本物种的分布的环境因子顺序为地形因子土壤因子灌木层因子,其中坡向、坡度、土壤含水量、土层厚度、郁闭度、混交结构所占解释量较大。本研究可为当地沙棘人工林生物多样性保护和植被建设提供基础数据。     

基于水蚀预报模型的丹江口坡地农田植物篱防蚀效应评价

基于丹江口坡地农田的田间试验数据,建立了WEPP模型坡面版所需的作物特性和种植管理措施参数、土壤物理特性参数、坡面特征参数等文件,并结合当地气象观测数据,模拟了丹江口地区4种植物篱（紫穗槐、金银花、黄花菜、龙须草）的坡面径流量和土壤侵蚀量结果表明： WEPP模型坡面版能准确模拟研究区植物篱对坡面径流与土壤侵蚀的影响,该方法不仅可减少田间试验次数,而且省时省力,并能为植物篱的推广应用提供科学依据.4种植物篱中,紫穗槐的防蚀效果最好.在坡度5°下,研究区紫穗槐（1 m宽）的最佳种植间距为15 m;坡度15°下,最佳种植间距为10 m;坡度25°下,最佳种植间距为3 m.     

微灌与播前深松对根际土壤酶活性和夏玉米产量的影响

为探明微灌与播前深松耕作对夏玉米根际土壤酶活性和产量的影响,以大田夏玉米为研究对象,设计微灌灌溉方式(地表滴灌、地下滴灌和微润灌)、灌水量(分别控制土壤含水量下限为田间持水率的50%、65%和80%)和深松深度(20、40、60 cm)3因素、3水平正交田间试验.结果表明: 夏玉米全生育期内,土壤过氧化氢酶和脲酶活性均呈先增加后减小趋势,磷酸酶活性则呈先减小后增加趋势.地下滴灌0~80 cm生育期平均土壤含水率比地表滴灌和微润灌高6.3%和1.8%,且显著提高土壤脲酶活性、夏玉米根系体积和产量;随着灌水量的增加,土壤磷酸酶活性呈先减小后增加趋势,脲酶活性和产量均呈先增加后减小趋势,生育期平均土壤含水率与根系体积均呈增加趋势;深松40 cm比20 cm的产量和根系体积增加量大于深松60 cm比40 cm的增加量,深松40 cm土壤酶活性较高.从提高水资源、氮肥利用率及作物产量角度考虑,该地区夏玉米种植的最优组合应为地下滴灌、灌水下限为田间持水率的65%与播前深松40 cm.     

2000—2018年西北砒砂岩区植被覆盖度与地形效应

利用2000—2018年的MODIS-EVI数据,基于像元二分模型计算植被覆盖度,利用数字高程模型(DEM)数据从高程、坡度和坡向等方面分析西北砒砂岩区植被覆盖度的地形效应。结果表明: 2000—2018年西北砒砂岩区植被覆盖度(FVC)相对较低,平均按2.43·a^-1的速率递增,FVC正距平年主要有12年,其中以2018年和2013年相对最高,负距平年主要有7年,其中以2001年和2000年相对最低。砒砂岩区FVC空间分布由东南向西北逐渐降低,但不同类型砒砂岩区FVC存在较大差异,其中裸露砒砂岩区FVC相对最低,覆沙砒砂岩区次之,覆土砒砂岩区相对最高;2000—2018年砒砂岩区FVC的平均变化率为0.0031,植被生长状况趋于改善。高程-坡向效应表明,裸露砒砂岩和覆沙砒砂岩区坡向分别在高程≤1000 m和>1500 m处对FVC的影响较大,覆土砒砂岩区坡向对FVC的影响较小,但在高程1200～1300 m处影响较大。坡度-坡向效应表明,砒砂岩在坡度≤15°时,FVC的坡度坡向效应不明显,坡度＞25°时裸露砒砂岩和覆沙砒砂岩的阴坡和半阴坡FVC大于阳坡和半阳坡;覆土砒砂岩坡度＞15°时,半阴坡和半阳坡的FVC大于阴坡和阳坡。     

隔沟交替灌溉条件下玉米根系形态性状及结构分布

为揭示根系对土壤环境的适应机制,研究了隔沟交替灌溉条件下玉米根系形态性状及结构分布。以垄位和坡位的玉米根系为研究对象,利用Minirhizotrons法研究了根系（活/死根）的长度、直径、体积、表面积、根尖数和径级变化及其与土壤水分、土温和水分利用效率（WUE）的相关关系。结果表明,对于活根,在坡位非灌水区域复水后根系平均直径减小,而根系日均生长速率、单位面积土壤根系体积密度、根尖数和表面积均增大,并随灌水区域土壤水分的消退逐渐减小;对于死根,在坡位非灌水区域复水后根系日均死亡速率、根系体积密度、根尖数和表面积变化均减小,其中根系死亡速率和死根直径随土壤水分的消退逐渐降低,而死根体积密度、根尖数和表面积分布随土壤水分降低呈增大趋势;在垄位,根系形态分布趋势与坡位一致,除根系直径与与坡位比较接近外,其他根系形态值均小于坡位。将根系分成4个径级区间分析根系的形态特征,结果表明在根系长度和体积密度分布中以2.5－4.5 mm径级的根系所占比例最大,在根尖数和根系表面积分布中以0.0－2.5 mm径级的根系为主。通过显著性相关分析,死根直径、体积密度、活根表面积等根系形态与土壤含水率、土壤温度和WUE间均存在显著或极显著的正相关关系,部分根系形态指标（如根系的生长速率、活根体积密度）只与坡位土壤含水量、土壤温度具有明显的相关性,表明隔沟交替灌溉对坡位根系形态的调控作用比垄位显著。     

金塔绿洲荒漠交错带沙蓬根系分形特征

根系分形结构是植物根系构型应对环境异质性的表型可塑性,可反映植物对生长环境的适应结果。在黑河中游的金塔北海子国家湿地公园,按照立地条件选择丘间低地、缓平沙坡和坡顶平地3种生境类型,采用全根挖掘和Win-RHIZO根系分析仪相结合的方法,研究了绿洲荒漠交错带一年生植物沙蓬(Agriophyllum squarrosum)的根系分形结构。结果表明:从丘间低地到坡顶平地植被群落的高度、盖度、地上生物量、土壤含水量、紧实度和土壤容重逐渐减小,沙蓬根系分形维数呈减小趋势,而根系分形丰度呈增大趋势;不同立地条件下沙蓬根系分形维数和分形丰度间呈负相关关系,沙蓬根系分形维数与分形丰度在丘间低地和坡顶平地均存在极显著负相关关系(P0.01),在缓平沙坡样地呈显著负相关关系(P0.05)。沙蓬根系分形维数和分形丰度间"此消彼长"的权衡关系,体现了沙生植物应对生境胁迫的表型可塑性机制。     

牧草调控绵沙土坡面侵蚀机理

采用人工模拟降雨方法,从坡面水动力学角度,结合土壤抗冲性分析,对不同坡度和雨强组合下牧草调控黄土高原风蚀水蚀交错区绵沙土坡面侵蚀机理进行了定量研究,为揭示植被调控土壤侵蚀机理及黄土高原水土保持植被选择提供科学参考.结果表明:覆盖度约为40％的牧草沙打旺能够有效控制坡面土壤侵蚀,减沙效益达70％以上,而且根系减沙效益大于草冠.裸坡、只有根系作用的坡面和整株牧草作用的坡面水流流速与雨强、坡度均呈V=DJ0.33i0.5的函数关系,其中,J为坡度比降,i为雨强(mm·min-1),下垫面不同,综合系数D取值不同.牧草根系和冠层能够显著减小流速,增加阻力,根系的减速作用大于草冠,而增阻作用小于草冠.根系调控坡面阻力主要通过增加坡面泥沙颗粒阻力实现,而草冠通过增加坡面形态阻力和波阻力来实现.利用薄层水流坡面产沙概念模型对土壤抗冲性进行评价,得到试验条件下裸坡、只有根系作用的坡面和整株牧草作用的坡面的临界径流切应力分别为0.533、0.925和1.672 Pa.     

土壤石砾含量对掌叶木幼苗生长和根系特征的影响

为探讨土壤石砾含量对珍稀濒危植物掌叶木幼苗生长和根系的影响,该研究以1个月生掌叶木幼苗为试验材料,进行5种不同土壤石砾含量[0(CK),20%,40%,60%和80%]盆栽试验,筛选最适宜掌叶木幼苗生长的土壤石砾含量。结果表明:(1)土壤石砾含量对掌叶木幼苗生长有极显著影响,其中幼苗苗高和地径相对增长率、叶面积、苗木质量指数、生物量(根、叶和全株)和根冠比均在土壤石砾含量为40%时最大。(2)土壤石砾含量对掌叶木幼苗根系形态具有极显著影响,总根长和根表面积在土壤石砾含量为40%时最大; 而根系平均直径随石砾含量增加逐渐减小,当土壤石砾含量高达80%时,根系平均直径最小。(3)土壤石砾含量对掌叶木幼苗根系拓扑结构和分形特征无显著影响,而对根系平均连接长度和分叉数有极显著影响,其中各处理根系拓扑指数(TI)、修正拓扑指数(q_a和q_b)均趋近于1,即掌叶木幼苗根系在不同土壤石砾含量中分支模式更趋近于鱼尾形分支; 根系平均连接长度随石砾含量增加先增大后减小,在土壤石砾含量40%时最大; 根系分叉数随石砾含量增加逐渐减小。(4)综合评价幼苗生长和根系形态与构型指标表明,掌叶木幼苗在40%土壤石砾含量中地下根系和地上茎叶生长状况最好。因此,土壤添加适量石砾能促进掌叶木幼苗生长,当石砾含量为40%时幼苗生长效果最好,苗木质量指数最高,最适宜掌叶木幼苗生长。     

基于坡面水文连通性的黄河下游河岸缓冲带植被格局优化

河岸缓冲带作为河流-陆地之间重要的生态过渡区,恢复以及优化其退化的植被系统对防止水土流失、改善生态环境及实现该区域生态系统的可持续发展具有重要的现实意义.本文基于植被格局情景模拟和汇流路径长度指数,分析不同植被盖度和坡度下坡面水文连通性对植被格局的响应,探讨黄河下游河岸缓冲带水土保持效应的最优植被格局.结果表明: 坡中格局-粗粒度-集群分布的植被配置方式所产生的汇流路径长度最小、水文连通性最弱,是抑制坡面产流汇流效果最优的植被格局类型.对于最优植被格局,其汇流路径长度随坡长的增加而增加,坡长越长,坡度的作用越明显,水文连通性在各坡度之间的差异越显著;汇流路径长度随植被盖度增加而减小,低盖度时各坡度之间的汇流路径长度差异明显,当盖度达到45%时,各坡度之间的汇流路径长度趋于一致、水文连通性差异较小.实证坡面汇流路径长度随植被盖度增加其降低趋势无规律性,而最优植被格局汇流路径长度随植被盖度增加均呈现出一致的先急剧后平缓下降趋势.在设置的5°～20°坡度范围内,最优植被格局在一定程度上改变了盖度变化过程中不同坡度之间汇流路径长度的差异,突显了河岸缓冲带植被格局对水文连通性的影响.     

高寒草地甘肃臭草根系分形结构的坡向差异性

根系分形结构是植物根系构型应对环境异质性的表型可塑性结果, 可反映植物对生长环境的适应策略。利用ArcGIS建立研究区域的数字高程模型, 并提取坡向数据, 采用全根挖掘和Win-RHIZO根系分析仪相结合的方法, 研究了祁连山北坡高寒退化草地不同坡向甘肃臭草(Melica przewalskyi)的根系分形结构。结果表明: 随着坡向由北坡向东坡、西坡、南坡转变, 草地群落的密度、高度和土壤含水量逐渐减小, 甘肃臭草种群的密度、高度以及根系分形丰度呈逐渐增大的趋势、分形维数逐渐减小; 不同坡向甘肃臭草根系分形维数和分形丰度间的相关性存在差异(p < 0.05), 南坡和北坡甘肃臭草根系分形维数分形丰度之间存在极显著负相关关系(p < 0.01), 东坡和西坡之间存在显著负相关关系(p < 0.05), 甘肃臭草根系分形维数和分形丰度存在着“此消彼长”的权衡关系; 随着坡向由北坡向东坡、西坡、南坡转变, 甘肃臭草根系分形维数和分形丰度回归方程的标准化主轴(SMA)斜率逐渐增大(p < 0.05), 说明在干旱的南坡, 根系所开发利用的相同体积的土壤内, 根系分支更少、更稀疏。不同坡向甘肃臭草合理权衡根系分形维数和分形丰度的资源配置模式, 体现了植物根系构型构建的资源投资权衡机制。     

砒砂岩区植被覆盖度环境驱动因子量化分析——基于地理探测器

砒砂岩区地形破碎,生态环境恶劣,降水量少且以暴雨为主,研究该区植被覆盖变化及环境驱动因子作用机制对区域植被建设具有重要的理论意义。基于1999—2018年的NDVI数据分析了砒砂岩区近20年植被覆盖度时空变化特征,利用了地理探测器方法量化分析了不同环境因子对植被覆盖度的影响。结果表明：1)近20年砒砂岩区平均植被覆盖度为42.3%,时间尺度上1999—2018年区域植被覆盖度呈增加趋势,平均上升幅度为0.086/10 a,空间尺度上植被覆盖度呈现从东南向西北递减的空间分布特征;2)近20年区域植被覆盖整体得到改善要比退化的区域面积大,45.5%的区域面积植被覆盖度极显著增加,主要分布在砒砂岩区东部区域,该区植被覆盖度未来变化趋势将以持续性改善为主,但仍有约41.6%的植被将由改善向退化方向变化;3)降水、土壤水分和气温是影响砒砂岩区植被覆盖空间分布的主导环境因子,且降水同其他环境因子的交互作用对植被覆盖影响最大。     

黄土丘陵半干旱区人工沙棘林水土保持和土壤水分生态效益分析

沙棘及其混交林减少径流泥沙的作用突出,但结构和混交模式不同所发挥的水保作用大小不同。沙棘林生长季各月消耗利用水分的强度不同。在整个生长季,5月末0－500cm土层平均含水率最低,为5．1％;10月末最高,达8．8％,沙棘林对土壤水分的利用强度受林龄影响,8龄沙棘林年消耗土壤贮水231.2mm,应进行平茬,平茬后第3年末,土壤水分恢复深度达160cm,含水率为10．3％－14．6％,沙棘林具有削减坡位对土壤水分影响的作用,沙棘及其混交林对土壤水分的利用强度相似,林地存在土壤干层现象。     

Fractal root system of Melica przewalskyi along different aspect in degraded grassland

Aims Fractal root system is phenotypic plasticity result of plant root architecture to respond to environmental heterogeneity, may reflect the growth strategy of plants to adapt to environmental conditions. Our objective was to explore the relationship between root fractal dimension and fractal abundance of fractal root system of Melica przewalskyi population in response to aspect variation in the northwest of China. Methods The study site was located in a degraded alpine grassland on the northern slope in Qilian Mountains, Gansu Province, China. Survey and sampling were carried out at 40 plots which were set up along four slope aspects transects with 20 m distance between adjacent plots. Handheld GPS was used to determine the elevation, longitude and latitude of each plot. ArcGIS was used to set up digital elevation model (DEM). Community traits were investigated and six individuals roots of M. przewalskyi were collected randomly at each plot. The samples were cleaned and divided into different organs, then scanning the root with the Win-RHIZO for measurements of fractal dimension and fractal abundance in laboratory, and their biomass were then measured after being dried at 80 °C in an oven. Important findings With the slope aspect turned from north to east, west, and south, the density, height and soil moisture content of the plant community displayed a pattern of initial decline, the height, density, root fractal abundance of M. przewalskyi increased and the root fractal dimension decreased. The root fractal dimension was negatively associated with the fractal abundance in all aspects, but the relationship varied along the slope aspects gradient; there was a highly significant negative correlation (p < 0.01) between the root fractal dimension and fractal abundance at north slope and south slope aspect, whereas the correlation only reached a significant level (p < 0.05) at the east slope aspect and west slope aspect; indicating that there is a trade-off between the root fractal dimension and fractal abundance. In addition, when the slope aspect changed from north to east, west and south, the standardized major axis (SMA) slope of the regression equation in the scaling relationships between root fractal dimension and fractal abundance increased (p < 0.05), indicating that the roots of M. przewalskyi at the droughty southern slope have less branch and more sparse in the same soil volume of root exploitation and utilization. Consequently, the resource allocation pattern on reasonable trade-off between root fractal dimension and fractal abundance in different slope aspect of M. przewalskyi, reflects the relationship between the income and the cost of construction of plant root architecture.     

不同立地铁杆蒿化学计量特征及其与土壤养分的关系

以陕西吴起杨青川流域铁杆蒿群落为研究对象,结合坡向、坡位及土壤养分变化探究不同立地铁杆蒿群落化学计量特征及其与土壤养分的关系.结果表明:从峁顶、阳坡、半阴坡到阴坡,铁杆蒿地上部分和根有机碳、全氮、全磷含量、碳氮比均逐渐增大;地上部分碳磷比和根氮磷比呈减小趋势;地上部分氮磷比、根碳磷比先减小后增大.从峁顶、上坡位、中坡位到下坡位,地上部分有机碳、全氮、全磷含量以及根有机碳含量先增加后减小;地上部分碳氮比、氮磷比先减小后增大.铁杆蒿群落植物化学计量特征一般与土壤化学计量特征呈正相关,但碳氮比、碳磷比、氮磷比及根全磷与土壤相应指标呈负相关,且植物地上部分与土壤的相关性大于根.综上,不同立地铁杆蒿群落植物在阴坡中坡位生长状态最佳,其化学计量特征与土壤养分状况具有明显的相关关系.坡向和坡位在铁杆蒿群落植物和土壤的化学计量特征中具有重要影响,适宜的铁杆蒿群落将有利于土壤养分的恢复.     

控制性分根区交替滴灌对苹果幼树形态特征与根系水分传导的影响

采用固定滴灌(根区一侧固定供水)、控制性分根区交替滴灌(根区两侧交替供水)和常规滴灌(紧贴幼树基部供水)3种灌水方式和3种灌水定额(固定滴灌和交替滴灌均为10、20和30 mm,常规滴灌为20、30和40 mm),对比研究了控制性分根区交替滴灌对苹果幼树形态特征与根系水分传导的影响.结果表明： 交替滴灌的根区两侧土壤出现反复干湿交替过程,常规滴灌的根区两侧土壤含水率差异不显著.在灌水定额相同时,灌水侧的土壤含水率在3种灌水方式间差异不显著.与常规滴灌和固定滴灌相比,交替滴灌显著增加了苹果幼树的根冠比、壮苗指数和根系水分传导,在30 mm灌水定额处理下,交替滴灌的根冠比分别增加31.6%和47.1%,壮苗指数增加34.2%和53.6%,根系水分传导增加9.0%和11.0%.3种灌水方式下,根干质量和叶面积均与根系水分传导呈显著线性正相关.控制性分根区交替滴灌增强了苹果幼树根系水分传导的补偿效应,促进了根系对水分的吸收利用,有利于干物质向各个器官均衡分配,显著提高了根冠比和壮苗指数.     

干热河谷区不同坡位土壤水分对降雨的响应特征

研究干热河谷地区土壤水分在降雨过程中的短时动态变化,有助于揭示该地区的土壤水文功能。本研究选取贵州花江干热河谷作为研究区,运用原位监测法,获取不同坡位的高频土壤水分监测数据,分析土壤水分对降雨的短时动态响应特征。结果表明: 在整个监测期间,无论是坡上还是坡中,研究区各层土壤水分均为中等变异水平(15.2%≤变异系数CV≤29.7%),坡上土壤水分的波动幅度(CV=21.1%)大于坡中(CV=19.1%),0～5 cm土层(CV=26.2%)大于20～40 cm土层(CV=16.5%)。与坡中相比,坡上土壤水分对降雨的响应速度更快,降雨对土壤水分的补给量大、补给速率快;坡上的土壤水分补给速率与消退速率之差(2.3%·h^-1)大于坡中(1.8%·h^-1)。随土层深度增加,下层土壤水分对降雨的响应早于或同步于上层,降雨对土壤水分的补给量减少、补给速率减慢,土壤水分的消退速率也减慢。与坡中相比,坡上土壤水分入渗能力更强,保水能力更优。干热河谷的微观环境和小气候影响土壤水分对降雨的响应特征,而岩-土界面优先流的快速补给则会加快下层土壤水分对降雨的响应速度,使得该地区的坡面更容易形成混合产流机制。     

玉米早期根系构型及其生理特性对土壤水分的响应

为了探明玉米早期根系结构及其对土壤水分的生理响应,揭示玉米幼苗的抗旱机理,以蠡玉18为材料,采用盆栽试验,设置轻度胁迫(LS)、中度胁迫(MS)、重度胁迫(SS)和正常供水(CK)4个水分处理,系统研究从播种开始持续水分处理对夏玉米苗期根系形态结构及活力、保护酶系统及生理调节物质的影响。结果表明:随着水分胁迫程度的加剧,玉米根长、根表面积、根体积和根干重等各形态指标较CK下降幅度逐渐增大,不同水分胁迫使夏玉米苗期根系结构存在差异。轻度和中度胁迫显著增加了细根(0.05—0.25 mm)根长和根表面积比例,重度水分胁迫显著降低粗根(0.50 mm)根长与根表面积比例。玉米苗期根冠比、根系活力和丙二醛(MDA)含量随水分胁迫程度的增强而上升,随着胁迫时间的延长,根冠比逐渐降低。根系可溶性蛋白含量随土壤水分含量的下降而下降,MS、SS处理较CK显著降低(P0.05)。夏玉米根系中SOD对水分胁迫较CAT、POD更敏感,轻度水分胁迫下主要依赖CAT、中度水分胁迫下主要依赖POD、重度水分胁迫下主要依赖SOD来降低氧化伤害;且重度胁迫下,随着胁迫时间的延长保护酶活性下降。苗期玉米通过增加根冠比、增强根系活力和不同保护酶活性及降低可溶性蛋白等渗透调节物质来协同减少水分胁迫的危害。