沙坡头地区人工固沙植物水分利用及其生态位适宜度过程数值模拟分析

本文以干旱区植物为研究对象,探讨了自然降水资源的时空分布规律以及降水与固沙植物耗水之间的制约关系。通过扩展经典生态位理论的内涵,用数学抽象的方法定义植物水分生态位适宜度为其水分最适生态位点与现实生态位的贴近度,建立相应的数学模型,对固沙植物生态位适宜度进行了定量分析,并建立了生态位适宜度过程模拟方法。依据实验结果进行了有关计算与数值模拟,所做模拟结果与实际观测结果相吻合。结果表明,柠条与油嵩混播为实验条件下的最佳种植方式,密度为5000株／hm^2时其水分生态位适宜度最高,林木覆盖率也最大。文中进一步讨论了有限降水限制和沙地土壤水分亏缺胁迫下油篙和柠条对水分的竞争行为,混播下的生态位适宜度变化及稳定共存格局形成的机理。该结果为干旱区人工林的营建提供了定量依据。     

沙坡头地区不同配置格局油蒿和柠条水分生态位适宜度研究

利用生态位适宜度理论建立了沙坡头人工植被防护林体系无灌溉条件下,两种固沙植物油蒿(Artemisia ordosica Krasch．)和柠条(Caragana korshinskii Kom．)的水分生态位适宜度模型。并据此分析比较在5种不同配置格局下,在不同的降水量年份,这两种植物的水分利用状况。主要结论如下：不论在生长季总降水量为80.63mm的1991年还是在降水量大一倍的1993年,单播下油蒿的水分生态位适宜度均大于混播下的适宜度,且在7月份均有一个水分极其匮乏期;单播下柠条的水分生态位适宜度均小于混播下的适宜度;单播的3种格局中,以2m×2m的株距和行距(即样地1,3)为最佳,混播的两种格局以1m×1m的株距和行距,且按2行油蒿×2行柠条,中间空一行的方式配置(即样地5)为最佳。最后,对两个种生长过程中水分利用的一些特性进行了探讨。     

沙坡头地区人工林植物的水分生态位适宜度分析

本文根据沙坡头水分观测站多年的土壤水分观测记录,建立了植物种生态位适宜度的数学模型,对各种固沙植物不同密度下的生态位适宜度,以及适宜度的时空变化进行了定量分析。结果表明合理的营林密度为２５００株每公顷,这时植物种的生态位适宜度最大。     

沙区植物种的一类种间竞争模型及应用

以沙坡头人工固沙植物油蒿和柠条为研究对象,针对水分是沙坡头植物生r长的限制因子的现实,研究了在水分条件限制下两种植物的种间关系,建立了混播油蒿、柠条种间竞争模型,验证了油蒿、柠条既竞争又稳定共存的关系,其目的为充分有效利用水资源、稳定人工生态系统提供科学依据。     

不同配置模式下油蒿和柠条对降雨变化的生理生态响应及调节机制

研究了沙坡头地区固沙植物油蒿和柠条在1 m×1 m和2 m×2 m配置模式下的群落学特征,以及在自然和控制降雨条件下的水分关系、气体交换及其调节机制.结果表明:随着土壤含水量的变化,油蒿和柠条的生理耗水和生长特性不同,油蒿的气孔导度、水势、蒸腾速率、光合速率和快速生长均呈现明显的波动性,并且对土壤水分的消耗量高于柠条;柠条的上述指标变化相对低缓而恒定,光合生长速率较低,多年累积生物量却很高.两种植物对水分胁迫的响应过程和调节机制不同,油蒿主要为保水机制,柠条主要为节水机制.在极端干旱年份,柠条的节水、抗逆特性更强.固沙植物种的选择应既利于防风固沙和节约用水,又利于固沙林的稳定.     

不同配置模式下油蒿和柠条对降雨变化的生理生态响应及调节机制

研究了沙坡头地区固沙植物油蒿和柠条在1 m×1 m和2 m×2 m配置模式下的群落学特征,以及在自然和控制降雨条件下的水分关系、气体交换及其调节机制.结果表明： 随着土壤含水量的变化,油蒿和柠条的生理耗水和生长特性不同,油蒿的气孔导度、水势、蒸腾速率、光合速率和快速生长均呈现明显的波动性,并且对土壤水分的消耗量高于柠条;柠条的上述指标变化相对低缓而恒定,光合生长速率较低,多年累积生物量却很高.两种植物对水分胁迫的响应过程和调节机制不同,油蒿主要为保水机制,柠条主要为节水机制.在极端干旱年份,柠条的节水、抗逆特性更强.固沙植物种的选择应既利于防风固沙和节约用水,又利于固沙林的稳定.     

沙坡头地区人工林生态系统健康的评价分析

生态系统健康是生态环境管理的一个新问题。健康的生态系统意味着生态系统能正常发挥功能,实现生态系统的最佳服务。生态系统健康可以通过活力、组织和恢复力3个特征来测定。以沙区植物为研究对象,选择植物的新生枝长、株高、基径、冠幅和水分生态位适宜度等,作为评价生态健康的主要指标,建立了新的评价方法。依据试验进行计算,结果表明：油蒿与柠条混播下,具有较高的健康指数;单播情况下,以密度为2500株／hm^2的柠条样地具有较高的健康指数。该结果为沙区人工植被生态健康与可持续发展提供定量依据。     

宁夏沙坡头地区人工固沙植被种间水分竞争的初步研究

本文通过研究沙坡头地区人工固沙植被中油蒿和柠条对环境资源利用（包括时间,空间和水资源）所表现出的不同生长状况和生理生态特性,阐明了环境条件的动态变化,尤其是沙地表面结皮的形成、降水入渗浅层化对固沙植物水分利用与竞争的重要影响,结果表明,油蒿以其较强蒸腾耗水能力和根系的浅层密集分布,在与柠条的水分竞争中占据优势,能够更好地利用作为唯一水分来源的降水补给。     

人工固沙林生态系统健康的模糊综合评价及实例分析

以沙坡头地区人工固沙植被为研究对象．分析了不同营林密度和种植方式下植被恢复动态。采用多级模糊综合评判方法,从各样区的土壤水分有效利用、植被生长状况与其防风固沙效果等方面,对其生态系统健康进行了多层次的综合评价。主要结果表明：诸样区中．实验条件下油蒿或柠条单播时以密度为2500株／hm^2的样区较为健康;2种植物均匀混播时密度为5000株／hm^2的样区最健康．其相应的林木覆盖率也最大,且能实现植物种间的稳定共存。2种植被混播下的健康状况优于单播。以上两种营林密度和方式具有推广应用价值。有关评价结果为沙区人工固沙林的营林提供了定量依据。     

基于较大降水事件的人工固沙植被区植物水分来源分析

水分是干旱、半干旱地区植物生长最主要的限制因子.为了探究较大降水事件后两种常见人工固沙植物柠条与油蒿的水分来源差异,分析降水、土壤水、地下水和植物茎水的氢氧稳定同位素特征,并采用直接对比法和多元线性混合模型对植物水分来源进行分析.结果表明: 沙坡头地区大气降水线方程为δD=7.83δ¹⁸O+5.64(R²=0.91).降水δ¹⁸O值的变化范围较大,具有明显的季节变化规律;生长季前期与后期δ¹⁸O值相对较高,生长旺盛期δ¹⁸O处于较低水平.浅层土壤水δ¹⁸O值变化范围较大,随土层深度的增加,土壤水δ¹⁸O值变幅减小且呈减小趋势.在降水后第一天,柠条和油蒿分别对40～80与20～60 cm土层土壤水利用比例较高,利用比率分别为56.1%和56.4%.降水一周后,柠条与油蒿都不同程度地增加了对浅层土壤水的利用比例.柠条和油蒿对0～40和0～20 cm土层土壤水分利用率分别增加了12.5%和10%.表明在较大降水事件后,柠条和油蒿会通过调整水分利用策略来积极适应干旱环境.     

沙坡头人工固沙植被土壤水分空间异质性

利用传统统计学和地统计学相结合的方法对沙坡头人工固沙植被区0～200 cm 之间的各层土壤水分的空间变异性进行研究.结果表明,1）土壤水分相对变异较大的层是在160～180 cm层和180～200 cm层,变异系数分别为0.72和0.73.表层0～5 cm层的相对变异也较大,变异系数为0.662）半方差函数分析结果表明,各层土壤水分均具有明显的空间变异性,各层土壤水分自相关部分的空间异质性占总空间异质性的程度很高,所占比例在87.7%～99.9%范围内.各层土壤水分的有效变程大小有较大差异,最小值出现在60～80 cm层(7.04 m),最大值出现在20～40 cm层(19.71 m),土壤水分有效变程从表层到深层没有明显的变化规律;3）土壤水分插值图反映出0～140 cm之间相邻各层土壤水分变化较大,140～200 cm各层土壤水分变化较小;4）土壤水分在0°、45°、90°、135°四个方向的半方差函数基本上是一条直线,表明在这四个方向上半方差和距离的相关性较低,土壤水分变化是独立、随机的,是同质性的.     

毛乌素沙地南缘沙柳灌丛土壤水分及水量平衡

以毛乌素沙地南缘沙柳人工固沙灌丛为研究对象,对不同栽植密度(0.2、0.6和0.8株·m-2)沙柳灌丛生长季土壤水分动态和蒸散量变化进行研究.结果表明:不同栽植密度沙柳灌丛区土壤水分动态和蒸散量存在明显差异,土壤含水量随着栽植密度增加呈单峰型曲线;生长季内沙柳灌丛土壤含水量变化呈“S”形曲线,并与降雨存在密切的关系.蒸散量以栽植密度0.8株·m-2的沙柳灌丛最高(114.5 mm),占同期降雨量的90.8％;以0.6株·m-2的沙柳灌丛最低(109.7 mm).根据生长季土壤水分动态和水分平衡特征,毛乌素沙地南缘沙柳灌丛适种密度为0.6株·m-2.     

Characteristics of normalized difference vegetation index of biological soil crust during the succession process of artificial sand-fixing vegetation in the Tengger Desert,Northern China

Aims Biological soil crust (hereafter crust) affects normalized difference vegetation index (NDVI) values in arid desert ecosystems. This study aimed to demonstrate the feasibility of combining crust NDVI values with meteorological data to distinguish the crust successional stage at the regional scale. Meanwhile, the characteristics of crust NDVI could provide the basis for the error analysis of NDVI-based surface ecological parameters estimation in desert ecosystems. We also suggested the optimum periods for crust observation based on the multi-temporal remote sensing images.Methods NDVI values of five types of dominant crusts, three typical sand-fixing shrubs and bare sand were collected by spectrometer in the field. Crusts and shrubs were randomly selected in revegetated areas established in 1956, 1964, and 1973 at Shapotou, which is on the southeastern edge of the Tengger Desert. We used the space-for-time method to study the characteristics of crust NDVI values and their responses to precipitation and temperature during the succession process of artificial sand-fixing vegetation. Additionally, we evaluated the contribution of crust NDVI values to the whole ecosystem NDVI values by comparing the NDVI values of crusts, shrubs and bare sand.Important findings 1) With succession process of the artificial sand-fixing vegetation, the crust NDVI values significantly increased. Among different crust types, we found the following order of NDVI values: Didymodon vinealis crust > Bryum argenteum crust > mixed crust > lichen crust > algae crust. 2) Crust NDVI values were significantly affected by precipitation, temperature and their interaction, and the influences showed significant seasonal differences. Furthermore, we found significantly linear correlations between crust NDVI value and precipitation, and between crust NDVI value and the shallow soil moisture content covered by crust. A significantly negative linear correlation between daily mean temperature and crust NDVI value, and a significantly exponential correlation between the surface temperature of crust and its NDVI value. With the succession process of artificial sand-fixing vegetation, the response of crust NDVI value to precipitation and temperature became more sensitive. In addition, the response of crust NDVI value to temperature was more sensitive in spring than in summer, while that to precipitation was less sensitive in spring than in summer. 3) Moss crust NDVI value was significantly higher than that of shrubs and bare sand after the rainfall event in spring, while shrubs NDVI value was significantly higher than that of crust after the rainfall event in summer. Considering the coverage weights of different ground features in sand-fixing areas, crust NDVI values contributed 90.01% and 82.53% in spring and summer, respectively, to the regional NDVI values, which were higher than those of shrubs (9.99% and 17.47% in spring and in summer, respectively). Additionally, with the succession process of artificial sand-fixing vegetation, crust NDVI values contributed more, while shrubs contributed less to regional NDVI values.     

COMMUNITY COMPOSITION AND NICHE CHANGE CHARACTERISTICS OF DOMINANT SPECIES IN THE WIND-BREAKING AND SAND-FIXING FOREST, XINJIANG, CHINA

 以塔里木河下游绿洲外围大型防风固沙林为研究对象, 采用基于Simpson多样性指数的生态位宽度公式和Pianka生态位重叠测度公式, 在群落梯度上按重要值大小筛选出优势种群进行生态位分析, 探讨这些群落在4~7年的发育过程中生态位变化特点。结果表明: 1)经过4年的发育, 植物种组成简单的人工防风固沙林由于乡土植物种的侵入, 演变成为人工-天然植物群落, 不同地段群落中的优势种群发生了较大的变化, 优势种群共7个。芦苇(Phragmites communis)、花花柴(Karelinia caspica)和盐生草(Halogeton glomeratus)这3个乡土植物种侵入后逐渐成为优势种群, 而原人工群落主要建群种宁夏枸杞(Lycium barbarum)种群逐渐消退; 7年后, 优势种群共6个。由于水分条件的变化, 多枝柽柳(Tamarix ramosissima)成为优势种群, 而芦苇降为亚优势种群, 盐生草种群发生消退; 2)人工-天然植物群落中优势种群以耐旱耐盐碱植物占主要优势向占绝对优势的方向发展, 其生态位宽度变化幅度为0.56~0.86, 生态位宽度排序为芦苇>花花柴>头状沙拐枣(Calligonum caput-medusae)>沙枣(Elaeagnus angustifolia)>胡杨(Populus euphratica)>多枝柽柳>梭梭(Haloxylon ammodendron)>盐生草; 3)生态位重叠最大值发生在头状沙拐枣和胡杨种群之间; 4)在乡土植物种向人工群落侵入的过程中, 生态位宽度较大(或较小)的种群, 它们所构成的种对间生态位重叠既有较大的, 也有较小的, 可见生态位宽度与生态位重叠程度无相关性; 表明在现阶段群落演变中, 植物对环境资源存在着激烈的竞争和高的空间异质性。     

农业活动对三江平原湿地主要植物种群生态位的影响

农业活动是三江平原湿地主要干扰方式之一,长期的农业活动已对该区域湿地生态环境产生显著影响。本研究以三江平原退化湿地20种主要植物为研究对象,分析其在土壤含水量、土壤有机碳、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾8个资源维上的生态位宽度及生态位重叠特征,揭示农业活动导致的生境退化对湿地主要植物种群生态位产生的影响。研究结果表明：优势种中,小叶章具有最大生态位宽度,漂筏苔草具有最小生态位宽度。伴生种中,球尾花具有最大生态位宽度。湿地植物对不同资源的利用能力存在差异。60%的湿地植物对土壤有机碳表现为较窄的生态位宽度,70%以上的湿地植物在土壤含水量、氮、磷、钾资源维具有较高的生态位宽度。优势种在土壤含水量、土壤有机碳和氮资源维表现出不同的生态位宽度和生态位重叠,这种差异是影响湿地优势物种分布和种群生态位分化的主要原因之一。农业活动导致的土壤养分的变化,会引起植物种群间对有限资源的竞争,成为影响植物群落物种组成和群落动态的关键因素。     

Seed germination and plant fitness response of a narrowly endemic,rare winter annual to spatial heterogeneity in microenvironment

Environmental heterogeneity affects distributions of plant species, although the effects of fine-scale heterogeneity on plant demographies are not widely studied. Diminutive winter annuals, especially rare taxa, can be sensitive to spatial variation in microenvironment as a consequence of their small stature above and belowground. To address whether spatial environmental heterogeneity affects demography, germination and fitness of Chorizanthe orcuttiana, an endangered winter annual distributed in distinct easterly and westerly microhabitats within an exceedingly narrow niche in California, we performed multiyear observational and empirical studies. We manipulated after-ripening environment, soil moisture and ambient light at both aspects, and profiled microclimate, soil physicochemistry and soil microbiomes at all sites. We show that easterly aspects host larger plants in larger populations, and have lower air temperatures combined with higher soil moisture in comparison to the west-facing sites. Yet, soil physicochemistry and microbiomes were similar across all sites. Manipulations of after-ripening conditions showed that seeds exposed to low humidity (17%) during dormancy and sown at easterly aspects exhibited the highest germination percentages, whereas seeds incubated in situ and subsequently sown at westerly aspects yielded the lowest germination. Simultaneous manipulations of soil moisture and light showed that at both aspects higher moisture combined with shade led to higher germination, whereas ambient soil moisture combined with shade yielded the lowest germination. Altogether, our studies show that the diminutive, rare winter annual C. orcuttiana exhibits higher germination and plant fitness under cooler soil conditions with higher soil moisture while preferring drier environments during after-ripening.     

晋西北丘陵风沙区柠条林下草本植物群落组成和种群生态位变化特征

晋西北丘陵风沙区生态环境脆弱,是我国风沙活动危害最为严重的地区之一。为探究晋西北丘陵风沙区人工柠条林林下草本植物群落组成和种群生态位变化规律,以不同种植年限（撂荒地CK、6、12、18、40、50 a）人工柠条林林下天然草本植物群落作为研究对象,对其群落组成、重要值及种群生态位变化特征进行分析。研究结果表明：（1）不同年限柠条林下天然草本植物组成共记录到22科41属52种,其中,种植前期（0-6 a）林下草本植物以一年生草本植物为优势类群,伴有少数多年生草本植物（3种）;种植中期（12-18 a）林下草本植物主要由多年生草本植物（12种）为主,伴生有一年生草本植物（6种）及天然灌木（2种）组成;在种植后期（40-50 a）,林下草本植物依然以多年生草本植物（12种）为主。（2）在不同年限柠条林下,草本植物生态位宽度和生态位重叠发生明显变化,种植前期（0-12 a）的优势类群为一年生先锋物种（米蒿和野燕麦）,其生态位宽度最宽（9.46、9.34）,且与其他物种的生态位重叠程度最大（0.3、0.29）;而种植中后期（18-50 a）优势类群变为多年生草本植物,优势种披碱草与其他物种的生态位重叠程度最大（0.42）,说明其为林下植物群落主要的优势种和泛化种。（3）柠条林种植后期（50 a）,多数草本植物主要集中分布在生态位重叠系数DCA排序图的中心位置,说明在种植后期草本植物对相同环境的资源竞争激烈,林下草本植物群落处于演替过渡阶段。综上,人工种植柠条林相较于天然恢复（CK）,更有利于增加草本植物群落的多样性,但林下植物群落对资源的竞争更为激烈。这些研究结果对干旱半干旱地区风沙区植被恢复和生态重建具有重要的参考价值,对人工林生态恢复具有重要意义。     

星星草(Puccinellia tenuiflora)人工草地氮素积累对松嫩盐碱草地植被演替的影响

通过对星星草(Puccinellia tenuiflora)生长不同年数盐碱土壤氮素营养状况的比较,研究氮素积累作用的机理,并探讨其在植被演替中的可能作用.结果表明:在一维生态位空间(土壤氮含量)星星草和羊草(Leymus chinense)之间具有较小的生态位分离值和较大的生态位重叠值,表明羊草对土壤高含氮量具有较强的竞争能力.这些也许是羊草以及其他植物在星星草生长一定年数后能够侵入碱斑土壤的机制.星星草作为盐碱土壤改良和植被恢复的先锋植物,它的生长增强了盐碱草地土壤氮素的矿质化作用和生物固氮强度,并减弱了氮素随地表径流的损失.最终促进了盐碱草地的氮素沉积,达到了适合于其它物种(如羊草)生长的水平,从而使碱斑植被得以恢复.     

匍匐茎草本蛇莓克隆构型对土壤水分的可塑性反应

克隆植物构型的可塑性有可能促进它对斑块性分布土壤水分资源的利用,因而可能具有生态学意义.在田间实验中,匍匐茎草本蛇莓(Duchesnea indica Focke)经历了不同土壤水分水平(土壤最大含水量的40%、60%、80%、100%等)处理,以研究土壤水分对蛇莓克隆构型的影响.结果表明:间隔子长度、分株密度、分枝角度和分枝强度呈二次曲线变化,土壤含水为最大含水量的80%的生境为最适.在不同土壤水分水平生境中,蛇莓克隆构型相关特征的可塑性变化可用动态Logistic模型进行模拟和预测,拟合效果较好.结合植物对环境异质性的利用对策,对所揭示的蛇莓克隆构型可塑性进行了讨论.