氮和水分添加对内蒙古荒漠草原放牧生态系统土壤呼吸的影响

土壤呼吸是生态系统碳循环的重要组成部分, 同时也是评价生态系统健康状况的重要指标, 对于评估退化草地恢复过程中生态系统功能具有重要意义。该研究在内蒙古四子王旗短花针茅(Stipa breviflora)荒漠草原长期放牧实验平台上进行, 该平台设置对照(CK)、轻度(LG)、中度(MG)和重度(HG) 4个放牧强度。通过在4个放牧处理区设置氮、水添加实验处理, 探讨不同放牧强度背景下, 氮、水补充对荒漠草原土壤呼吸过程的影响。结果表明: (1)历史放牧强度除2015年对土壤呼吸无显著影响, 2016和2017年都有显著影响, 放牧区3年平均土壤呼吸速率基本都高于对照区。此外, 氮和水分添加显著增加了MG区土壤呼吸速率, HG区氮、水同时添加对土壤呼吸速率有显著增加作用; (2)无论是历史放牧强度, 还是氮、水添加处理, 都没有改变荒漠草原生长季土壤呼吸速率的季节动态变化趋势, 土壤呼吸速率基本表现为单峰曲线模式, 峰值出现在水热同期的7月份; (3)不同年份生长季土壤呼吸速率对氮、水处理的响应并不相同, 氮添加至第3年产生显著影响。水分添加在平水年份(2015和2017年)对土壤呼吸产生显著影响, 但在丰水年份(2016年)无显著影响。氮、水共同添加分别在CK、LG和HG区3年平均土壤呼吸速率显著高于单独加水处理, 说明氮添加的有效性依赖于水分条件, 两者表现为协同作用; (4)不同处理下荒漠草原土壤呼吸的温度敏感性(Q₁₀)值介于1.13-2.41之间, 平均值为1.71。在无氮、水添加时, 放牧区的Q₁₀值都小于CK区, 总体表现为CK 大于 MG 大于 LG 大于 HG; 加水和氮水共同添加处理后, Q₁₀值都有明显增加, 其中NW处理下Q₁₀值都增加到2.0以上。上述结果说明在过去受不同放牧强度影响的荒漠草原在停止放牧后的恢复过程中, 土壤水分仍是影响土壤呼吸的主导环境因子, 外源氮添加只有在满足一定水分供给的基础上才起作用, 尤其是过去的重度放牧区土壤呼吸速率对氮、水补充的响应最为强烈。该研究结果可以为评估荒漠草原恢复过程中土壤呼吸速率受养分和水分影响提供基础资料和依据。     

宁夏东部荒漠草原灌丛引入对土壤水分动态及亏缺的影响

全球气候变化背景下,荒漠草原人工灌丛引入加速其灌丛化进程,对草原土壤水分产生重要影响。为了解宁夏东部荒漠草原灌丛引入过程中土壤水分动态及亏缺现状,选取了封育草地、放牧草地、不同年限(3a、12a、22a)和间距(40 m、6 m、2 m)灌丛柠条(Caragana korshinskii)地进行土壤水分测定,并利用土壤水分相对亏缺指数(compared soil water deficit index,CSWDI)、样地土壤水分相对亏缺指数(plot compared soil water deficit index,PCSWDI)对土壤水分亏缺进行定量分析。结果表明:灌丛引入过程中不同年限、间距灌丛地0—200 cm土层土壤含水量均显著低于封育草地与放牧地(P0.05);各样地季节动态均表现为春季返潮、夏季消耗、秋季蓄积的季节规律,但不同年限、间距灌丛地表现为春季返潮微弱,土壤含水量仅为7.80%—10.90%,显著低于封育草地和放牧地(11.90%—16.09%);灌丛引入过程中各灌丛地0—100 cm有效储水量(-16.98—18.69 mm)均低于封育草地(34.67 mm),虽在种植22a灌丛地和2 m间距灌丛地略有升高,仍不足20.00 mm。土壤水分相对亏缺量(除封育草地外)为6.69—97.16mm;灌丛引入过程中各样地不同土层CSWDI值呈波动变化,除封育草地各土层无显著的亏缺外,其他样地均存在亏缺,亏缺值为0.03—12.10,PCSWDI值均随着灌丛引入年限和密度的增加呈增大趋势。荒漠草原灌丛引入过程产生土壤水分过度利用,使得土壤水分亏缺,并加剧其深层土壤水分的消耗。     

水分梯度下荒漠植物多样性与稳定性对土壤因子的响应

荒漠生态系统多样性的研究对维持荒漠区群落稳定性有着重要意义。以艾比湖流域荒漠植物群落为研究对象,基于野外样方调查数据及实验分析,探讨不同水分梯度下植物多样性与稳定性的变化规律及土壤因子对二者的影响。结果表明：（1）随土壤水分含量下降,Shannon-Wiener多样性指数（H）、Simpson多样性指数（D）、Pielou均匀度指数（J）、Margalef丰富度指数（R）和种群密度稳定性（ICV）指数均呈下降趋势,且当土壤含水量低于4.65%时,荒漠植物多样性与群落稳定性总体显著降低（P<0.05）;（2）不同水分梯度下影响艾比湖流域植物多样性的土壤因子具有差异性,高水梯度为硝态氮与有机质,中水梯度下影响植物多样性的因子为pH,低水梯度为全氮和有机质;（3）仅在环境适宜的情况下,土壤因子（土壤含盐量与有机质）才能对群落稳定性产生显著影响（P<0.01）;（4）三种梯度下,物种多样性均对群落稳定性有显著性影响（P<0.001）,植物多样性与群落稳定性存在正相关关系。     

荒漠草原向灌丛地转变过程中两种优势植物种子萌发及阈值特征

选取宁夏荒漠草原人为灌丛地转变过程中的两种优势种沙芦草（Agropyron mongolicum）和柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）为对象,利用不同浓度PEG条件下的种子萌发特性来探究其在干旱胁迫下植被更新萌发特征,结果表明：柠条锦鸡儿平均初始萌发时间早于沙芦草14 h,且柠条锦鸡儿吸水率低于沙芦草,分别为201.21%、293.43%;柠条锦鸡儿和沙芦草种子萌发率和萌发速率均随渗透势的升高呈先上升后下降趋势,且均在-0.02 MPa时萌发率最高,分别为28.67%、44.67%,在-1.2 MPa时最低,分别为6.67%、1.33%;两者萌发速率均在-0.02 MPa时达到最大,分别为12.84%、9.52%,且柠条锦鸡儿起始萌发天数少于沙芦草1-4 d;通过S型生长曲线和线性模型模拟种子萌发水势和萌发率关系,分析得出柠条锦鸡儿萌发水势阈值范围为-0.3--0.86 MPa、沙芦草为-0.3--0.65 MPa,灌木柠条锦鸡儿种子萌发水势阈值范围低于多年生禾草沙芦草。以上结果表明灌丛引入下的荒漠草原在未来干旱条件下,其灌丛柠条锦鸡儿种子在植被更新中较沙芦草更具萌发优势。     

粪甲虫对绢蒿荒漠春秋两季牛粪分解的影响

为明确绢蒿荒漠草地牛粪的分解规律,分别在5月(春季)和9月(秋季)设置不同堆置时间点(0、7、29、48、58 h),明确粪便理化性质变化规律,同时设置不同开口的网笼(无网笼、上下开口、上开口、全封口),探讨各生态功能类群粪甲虫对粪便分解的影响。结果表明: 春季的粪甲虫种类数显著高于秋季,秋季的粪甲虫数量显著高于春季。春季粪便的水分、全碳、全氮、全磷下降主要集中在0～29 h,堆置29 h时粪便的水分、全碳、全氮、全磷分别降低39.4%、13.9%、32.1%、26.7%。堆置58 h时粪便的中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维分别显著降低8.0%和16.0%。秋季粪便的水分、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维在0～7 h内下降速度最快,堆置7 h时分别降低85.6%、10.2%和20.2%。7～58 h内中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维上升,58 h时粪便的中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维分别升高20.0%和13.7%。全碳、全氮和全磷的分解主要集中在0～29 h内,堆置29 h时分别降低17.5%、55.0%和64.8%。不同开口的网笼有效阻止了相应生态功能类群粪甲虫的进驻,随着粪甲虫生态功能类群的增加,粪便分解速度加快,无网笼状态下的粪便分解速度显著高于其它处理。粪甲虫种类、数量以及粪便堆置时间均显著影响牛粪的分解过程。     

模拟降水量变化对荒漠草原土壤酶活性的影响及其相关因素分析

为明确荒漠草原土壤酶活性对降水格局改变的响应机制, 该研究基于宁夏荒漠草原降水量不同梯度变化(减少50%、减少30%、自然降水、增加30%和增加50%)的野外试验(2014年开始试验), 于2016年5-7月采样, 测定分析不同降水梯度2年后对土壤酶活性的影响, 并分析酶活性与植物生物量、微生物生物量C∶N∶P生态化学计量特征以及土壤理化性质的关系。结果表明: (1)与自然降水量相比, 减少30%降水量对3种土壤酶活性均无显著影响, 减少50%降水量显著降低了土壤蔗糖酶活性(^P < 0.05); 增加降水量显著提高了土壤蔗糖酶和磷酸酶活性(^P < 0.05), 但对脲酶活性无显著影响。(2)减少降水量对植物生物量影响较小(尤其减少30%降水量), 但不同程度地降低了微生物生物量C、N、P, 提高了微生物生物量C∶N和C∶P; 增加降水量则不同程度提高了植物生物量及微生物生物量C、N、P。(3)土壤蔗糖酶和磷酸酶活性随植物及微生物生物量增加而增加; 对土壤酶活性影响显著的土壤因子包括: 含水量、NO₃^- N、NH₄⁺ N、C∶P、有机C、全N、C∶N和pH (P < 0.05)。研究认为, 减少降水量(尤其是减少30%降水量)对土壤酶活性影响较小, 增加降水量促进了植物的生长、刺激微生物活性, 进而提高了土壤酶活性, 但随着植物生物量增加, 土壤有机C输入增多, 磷酸酶活性相应增强并促进了有机P的矿化, 导致土壤微生物P限制增加。     

黑沙蒿光合能量分配组分在生长季的相对变化与调控机制

为了探明典型荒漠灌木优势物种黑沙蒿(俗名油蒿, Artemisia ordosica)光合过程能量中分配对环境波动的相对变化及其长期调节机制, 该研究于2018年4-10月在宁夏盐池毛乌素沙地, 同时使用MONITORING-PAM多通道荧光监测仪和LI-6400XT便携式光合测量仪对黑沙蒿叶片的最小荧光产量(F_o)、最大荧光产量(F_m)、稳态荧光产量(F_s)、光下最大荧光产量(F_m′)、净光合速率(P_n)、暗呼吸速率(R_d)、蒸腾速率(E)和叶片气孔导度(g_s)进行现场测定, 在实验室内计算比叶面积(SLA)、单位面积氮含量(N_area)、叶绿素含量(C_Chl)和叶绿素a/b (Chl a/b), 分析黑沙蒿光合过程能量分配中固碳耗能占比(Φ_A)、光呼吸耗能占比(Φ_PR)、调节性热耗散耗能占比(Φ_NPQ)和非调节性热耗散耗能占比(Φ_NO)与环境参数和叶性状参数之间的关系以及能量分配各组分之间的相对变化。结果表明, 光化学反应组分(Φ_A、Φ_PR)和热耗散组分(Φ_NPQ、Φ_NO)之间呈负相关竞争关系, 两组分内部呈正相关协同关系, E和Φ_A、Φ_PR正相关, 和Φ_NPQ、Φ_NO负相关。在低土壤含水量(SWC)和高饱和水汽压差(VPD)环境条件下, 黑沙蒿Φ_A、Φ_PR和SLA显著降低, Φ_NPQ和Φ_NO显著增加。研究认为, 在长期干旱或高蒸散条件下, 黑沙蒿通过降低SLA等途径避免水分的过度流失, 同时将部分过剩光能由光呼吸代谢途径转移到热耗散组分进行耗散。波动环境下黑沙蒿形态性状的变异和光合过程能量分配的长期调节机制, 反映了其利用形态与生理的协同可塑性对逆境的适应。     

基于Biolog-ECO方法的两种不同草原中5种不同植物根际土壤微生物群落特征

【背景】土壤微生物是草原生态系统的重要组成部分,在调节植物生长、促进土壤结构的形成及维持草原生态系统功能和稳定性等方面有着不可替代的作用。【目的】探究内蒙古自治区四子王旗两种不同草原中5种不同植物根际土壤微生物群落代谢功能的多样性。【方法】利用Biolog-ECO微平板法分析四子王旗荒漠草原中阿德格和格根塔拉2个样地中短花针茅、冷蒿、细叶葱、阿尔泰狗娃花和银灰旋花5种植物根际土壤微生物群落多样性特征。【结果】两种不同草原中5种不同植物根际土壤中可培养微生物数量存在显著性差异(P0.05),阿德格草原中短花针茅根际土壤中可培养微生物总数显著高于其他植物根际,格根塔拉草原中阿尔泰狗娃花根际土壤中可培养微生物总数显著高于其他植物;两样地不同植物根际土壤微生物的平均颜色变化率(average well color development,AWCD)均表现为格根塔拉样地高于阿德格样地,而且呈"S"型变化。培养96 h后格根塔拉草原5种植物的Shannon指数与Simpson指数高于阿德格草原,同时银灰旋花根际土壤微生物多样性指数在两个草原中差异极显著;两个草原不同植物根际土壤微生物对碳源的利用主要是氨基酸类和碳水化合物碳源,对于L-天门冬酰胺、r-羟基丁酸、L-丝氨酸和D-半乳糖醛酸等碳源的功能微生物显著富集,根际土壤微生物的AWCD和多样性指数与细菌、放线菌以及土壤微生物总数呈极显著正相关性(P0.01),均匀度指数与细菌、放线菌以及土壤微生物总数量呈显著负相关性(P0.05)。【结论】不同植物根际土壤微生物对碳源的利用能力和偏好出现差异,而且根际土壤微生物数量越高,微生物碳代谢能力、微生物群落多样性越丰富。     

荒漠景观地表甲虫群落边缘效应研究

本文以宁夏白芨滩国家级自然保护区两种典型的边缘类型:荒漠草原-人工固沙柠条林(边缘类型Ⅰ)和荒漠草原-固定半固定沙地(边缘类型Ⅱ)作为研究对象,以距离梯度(25 m)的形式设置样点,主要采用巴氏罐诱法探讨边缘效应对其地表甲虫群落多样性的影响。本研究共采集到地表甲虫标本6 760头,分属于19科68种,其中样地Ⅰ采集到2 045头,样地Ⅱ采集到4 715头。统计发现,拟步甲科昆虫占样地Ⅰ的70.46%、样地Ⅱ的81.91%,是该地区地表甲虫中的绝对优势类群。边缘类型Ⅰ中,边缘生境地表甲虫的物种数、优势度指数以及丰富度指数均高于相邻生境内部核心区域,而其均匀度指数和多样性指数则低于人工固沙柠条林核心生境。边缘类型Ⅱ中,边缘生境地表甲虫的物种数、丰富度指数以及多样性指数均高于相邻生境的内部核心区域。边缘效应强度分析表明,边缘类型Ⅰ的E H'=0.9958,E C=1.1391,呈负的边缘效应,但负效应很弱,边缘类型Ⅱ的E H'=1.1394,E C=0.5994,呈正的边缘效应,这一结果与边缘地带的环境复杂性和生境异质性有关。     

荒漠破碎化生境中长爪沙鼠集合种群野外验证研究

近年来,人类活动和自然干扰,导致内蒙古阿拉善荒漠区生境的破碎化,出现了长爪沙鼠在不同斑块间的不连续分布,每一斑块内可能存在一个局域种群,而集合种群建立的前提条件,是局域种群斑块状分布在离散的栖息地环境中。2002~2012年每年的4~10月,在阿拉善荒漠区禁牧、轮牧、过牧和开垦4种人为不同利用方式形成的生境斑块中,采用标志重捕法对长爪沙鼠（Meriones unguiculatus）种群进行定点监测。通过分析长爪沙鼠种群动态,计算各局域种群的灭绝风险,利用Spearman秩相关系数检验种群动态的空间同步性,同时以种群周转率对长爪沙鼠扩散能力进行评估,以检验阿拉善荒漠区长爪沙鼠种群空间结构是否具有经典集合种群的功能。结果表明：（1） 不同生境斑块可被长爪沙鼠局域种群占据,11年间捕获长爪沙鼠2~7次不等;（2） 长爪沙鼠所有局域种群均具有灭绝风险,在轮牧区和禁牧区灭绝率高达1.000 0,开垦区灭绝率最低,也达到0.333 4,而本研究期间最大局域种群（2008年过牧区,26只/hm²）,在2010年发生了局域灭绝;（3） 不同生境斑块间没有明显的空间隔离而阻碍局域种群的重新建立,长爪沙鼠扩散能力较强,绝大部分月份的种群周转率在50.0%以上,特别是周转率达到100.0%的月份较多;（4） 不同生境斑块间仅轮牧区和禁牧区中长爪沙鼠种群密度显著正相关（P<0.05）,而其他生境斑块间相关性均不显著（P >0.05）,长爪沙鼠局域种群整体显示出明显的非同步空间动态。阿拉善荒漠区长爪沙鼠种群满足作为经典集合种群物种区域续存的4个条件,具有作为研究小哺乳动物集合种群的潜在价值。