不同水氮条件下骆驼刺幼苗生长及氮效率变化特征

在荒漠生态系统氮沉降背景下,研究退化植被幼苗对水分和氮素变化的响应特征,对实现植被恢复和重建具有重要意义。在塔里木盆地南缘对骆驼刺（Alhagi sparsifolia）幼苗通过2年的水分（干旱、中水和湿润）和氮素（不施氮、低氮（51 mg/kg）、中氮（102 mg/kg）和高氮（306 mg/kg））添加试验,研究骆驼刺幼苗干物质累积、生物固氮和氮效率对水氮条件变化的响应。结果表明,骆驼刺幼苗不同器官的干物质累积和吸氮效率对水氮条件变化的响应因生长年份而异,但幼苗整株干物质累积和吸氮效率在2个生长年份的变化趋势却相似。在干旱条件下,骆驼刺幼苗的干物质量、吸氮效率和生物固氮量均在低氮处理下显著增加,之后随施氮量增加而降低。水氮交互可显著提高幼苗干物质累积、吸氮效率和生物固氮量,其中以中水中氮处理的效果最好。水氮添加有降低骆驼刺幼苗氮素利用效率（NUE）的趋势,但在干旱和中水条件下施氮可显著提高幼苗的生物固氮比例,然而生物固氮比例与NUE仅在第2个生长年份呈显著负相关。在2个生长年份,骆驼刺幼苗干物质量与吸氮效率和生物固氮量呈极显著正相关关系,但与NUE和生物固氮比例并无明显相关性。这表明骆驼刺幼苗主要是通过调节吸氮效率和生物固氮量来适应水氮条件变化,进而影响幼苗干物质累积。     

不同生境下骆驼刺与花花柴生态化学计量学特征的比较

以塔克拉玛干沙漠南缘典型荒漠豆科植物骆驼刺(Alhagi sparsifolia)和菊科植物花花柴(Karelinia caspia)为对象,研究单一骆驼刺种群(LTC)、单一花花柴种群(HHC)及骆驼刺-花花柴群落(GSQL)中植物及土壤中碳(C)、氮(N)、磷(P)、钾(K)等养分的生态化学计量学特征。结果表明:骆驼刺-花花柴群落中土壤有效N(AN)、有效K(AK)含量及N∶P、N∶K显著高于单一花花柴种群;骆驼刺-花花柴群落中花花柴叶片的全N含量显著高于单一花花柴种群,骆驼刺-花花柴群落中骆驼刺叶片的全P含量显著高于单一骆驼刺种群。相关性分析显示:不同生境土壤的AK含量与N∶P及AN含量呈显著正相关,而与SOC呈负相关;不同生境下叶片中的全K含量与SOC、全N、全P含量呈显著正相关,叶片中的全N含量与SOC、全P亦呈显著正相关,而N∶P与SOC、全P含量呈显著负相关;土壤中SOC含量与叶片中全P、全K含量呈正相关,而与N∶K呈负相关;土壤有效N含量与叶片N∶K呈正相关,而与叶片4种元素含量均呈显著负相关;土壤有效K含量与叶片中4种元素含量均呈显著负相关,而与叶片N∶K呈正相关;土壤N∶P、N∶K则分别与叶中全C、全P、全K呈显著负相关。综合分析认为:相较于单一种群,骆驼刺与花花柴的群落能够在一定程度上提高土壤养分,改善植物的营养状况,显示出豆科植物骆驼刺在群落演替中重要作用。     

不同灌溉量对绿洲-荒漠过渡带多枝柽柳幼苗根系生长和分布的影响

为了探讨绿洲-荒漠过渡带上受损柽柳群落幼苗适宜生长的土壤水分条件,在塔南策勒绿洲外围设置A（不灌溉）、B（适度灌溉）、C（充分灌溉）3个处理的田间试验,于7～10月份考察了各处理柽柳幼苗粗根（>2 mm）和细根（<2 mm）生物量积累、空间分布等变化特征。结果显示:（1）随着灌溉量的增加,柽柳根系生物量积累不断增加,且在生长季末（10月份）增速最大,同时细根占总根重的比例从20.5%上升到29.8%,显著提高了幼苗吸收养分和水分的能力。（2）干旱胁迫（处理A）下柽柳幼苗根系的下扎深度大,但水平根幅的扩展却有限;适度灌溉（处理B）的生物量较处理A大,但小于处理C;根系扎根深度表现为处理A>处理B>处理C,各指标均处于中间状态;水分条件最好（处理C）时虽然垂直扎根深度小,但水平根幅最大,可以更有效利用浅层土壤资源。（3）柽柳幼苗大量根系集中在0～40 cm的土壤表层,而且水分条件越好,这种集中趋势越明显;根系生物量随土壤深度的增加呈递减变化,细根的根长密度也有相似变化,但细根的比根长变化规律不明显,这可能与各层土壤微观环境的变化有关。研究表明,灌溉对柽柳幼苗根系的生长和分布有显著影响,充分灌溉下柽柳幼苗根系生物量积累最多且空间分布最大,该灌溉量有利于柽柳幼苗根系的正常生长和合理分布。     

气候变化和人类活动干扰下骆驼刺潜在分布格局变化特征

气候变化和人类活动是影响物种分布的最重要因素。骆驼刺是我国荒漠区的重要建群种,建群种的丧失将对荒漠生态系统产生严重损伤。因此预测气候变化和人类活动影响下骆驼刺适宜生境的变化特点对保护我国荒漠生态系统具有重要的意义。本研究采用61个骆驼分布点数据,和21个环境因子数据,运用最大熵模型（MaxEnt）预测骆驼刺当前在有、无人类活动干扰下的适宜生境分布,对影响其分布的环境因素进行了评估。并预测未来（2021-2040,2041-2060,2061-2080,2081-2100）四条共享社会经济路径（SSP126,SSP245,SSP370,SSP585）情景下,骆驼刺潜在分布区的变化特点。研究结果表明,在无人类活动干扰的情况下,骆驼刺适生区面积达132.29万km²,覆盖我国西北干旱区的大部分面积。年均降水量、最冷季度平均温、平均气温日较差、年均温、温度季节性、降水的季节性和高程被确定为影响骆驼刺潜在分布区的最重要因素。而在加入人类活动强度因素之后,骆驼刺适生区面积显著下降至71.31万km²,且呈现出破碎化状态。此时,年降水量、人类活动强度和高程是影响骆驼刺分布的最重要原因。在未来气候情景下,骆驼刺的适生区将产生一定的扩张。尤其在中高强迫（SSP370）和高强迫（SSP585）情景下,骆驼刺的适生面积将随时间推移产生显著的增加,且这种扩张主要向高纬度和高海拔地区发展。骆驼刺能保留大部分原有生境,仅在内蒙古中西部地区发生少量收缩。在气候变化条件下,骆驼刺能够在西北干旱区生存并扩张,故可将其作为防沙治沙的优良物种进行保护与开发。     

疏叶骆驼刺适应盐渍生境的离子分布、吸收和运输特征

以塔里木盆地南缘关键物种疏叶骆驼刺为材料,研究了不同盐渍土壤生境(轻度盐渍土、中度盐渍土、重度盐渍土)下其器官间Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺的分布、吸收及运输特征,以探讨疏叶骆驼刺对自然盐渍生境的适应特性.结果表明: 在轻度和中度盐渍土生境,Na⁺在各器官中的分布规律为茎≈刺>叶>根,而在重度盐渍土生境,Na⁺分布规律为叶>茎≈刺>根;Ca²⁺和Mg²⁺在疏叶骆驼刺体内的分布规律为叶>刺>茎>根.随着土壤含盐量的增加,疏叶骆驼刺体内各器官Na⁺含量都增大,而叶片中K⁺含量呈下降趋势;根和叶器官中K⁺/Na⁺值明显降低,各器官中Ca²⁺/Na⁺、Mg²⁺/Na⁺值都降低.盐渍生境下,疏叶骆驼刺体内Ca²⁺选择性运输系数和Mg²⁺选择性运输系数均为茎-叶>茎-刺>根-茎.疏叶骆驼刺为适应盐渍生境,在土壤含盐量较低时,将Na⁺聚集于茎和刺;而在土壤含盐量较高时,则将Na⁺聚集于叶片.此外,Ca²⁺和Mg²⁺可能是疏叶骆驼适应盐渍生境的无机渗透调节物质.     

灌溉对沙拐枣幼苗生长及氮素利用的影响

采用盆栽试验,比较了5个灌溉梯度下(4.6、6.1、7.7、9.2、13.0 kg·株-1·次-1)沙拐枣幼苗氮素累积分配、利用和回收特征及其生长特性差异。结果表明:随灌溉量增加,沙拐枣幼苗整株氮素累积量和干物质量均显著增加,但在最高灌溉量下沙拐枣幼苗出现严重病害。生长旺季干物质和氮素主要分配在同化枝中,平均分别占总株的39.5%和66.1%,随灌溉量增加分配比例显著增加;季末茎和老枝是干物质和氮素的主要累积器官,平均分别占总株的54.7%和47.8%,分配比例也随灌溉量增加而显著增加。干旱条件下沙拐枣幼苗具有较高的根冠比,增加灌溉量后显著下降。生长旺季沙拐枣幼苗具有较高氮素回收效率,平均为64.4%,灌溉后明显增加;季末平均为58.1%,灌溉后有下降趋势。在两个生长季平均氮素利用效率分别为120.5和235.8g/g,增加灌溉量虽可提高植物氮素利用效率,但在最高灌溉量下氮素利用效率出现降低。由此可见,沙拐枣幼苗物质分配特征具有明显的季节性和可塑性,灌溉量过高和过低都不利于沙拐枣幼苗生长及氮素回收和利用效率的提高,因此中等灌溉量(7.7—9.2 kg·株-1·次-1)更有利于其生长及自身特性发挥。     

不同水分条件对头状沙拐枣幼苗形态特征及生物量的影响

地处塔克拉玛干沙漠南缘的荒漠-绿洲过渡带常年平均降水量仅为35 mm左右,而在2010年,该地区却发生了偶发性强降水.对于多年生植物来说,如何去适应这种短期强降水,我们都不得而知.在此背景下,我们对该地区头状沙拐枣幼苗的形态特征和生长特点等进行了定位试验研究.结果表明:在头状沙拐枣幼苗期,水分条件与其株高、冠幅、基径、根深等形态特征指标以及种群密度呈正相关;增加根冠比是沙拐枣幼苗适应干旱的有效策略;在7、8月,根冠比随水分条件的减少而增加,它们在生长初期把更多生物量分配到地上用以竞争光照资源,生长后期把更多生物量分配到根系用以探索地下空间资源;沙拐枣幼苗能随水分改变而自我调节生长比例来适应环境,不同水分条件下其株高-基径生长均属于典型的异速生长关系.这些结果在一定程度上反映了不同水分条件下头状沙拐枣幼苗生长规律,可为塔克拉玛干沙漠南缘地区植被恢复提供理论依据.     

不同干扰方式对疏叶骆驼刺形态特征及地上生物量的影响

以塔克拉玛干沙漠南缘策勒绿洲为研究区,研究了春季砍伐、秋季砍伐和春季火烧等干扰处理对绿洲-沙漠过渡带的自然植被疏叶骆驼刺形态特征及地上生物量的影响.结果表明：春季火烧降低了疏叶骆驼刺的株高、冠幅和生物量,不利于疏叶骆驼刺植被的恢复和再生;不同时间砍伐对疏叶骆驼刺植被恢复和再生的影响差异较大.春季砍伐使疏叶骆驼刺株高、冠幅和生物量降低,叶片生物量、刺的长度和直径增加.秋季砍伐使疏叶骆驼刺株高和冠幅降低,但分枝数量和生物量增加.秋季适度的砍伐有利于塔克拉玛干沙漠南缘疏叶骆驼刺的保护.     

疏叶骆驼刺与花花柴互作对氮素固定和根际微生物的影响

植物种间的相互关系通过相关微生物直接或间接的影响来实现。豆科与非豆科植物的互作是研究植物种间关系的理想模型,但是对其互作关系中氮素固定和微生态过程尚不明确。以塔南荒漠优势植物疏叶骆驼刺(Alhagi sparsifolia Shap.)（豆科）和花花柴(Karelini acaspia(Pall.) Less)（菊科）为研究对象,研究了在不同生境（自然和小区）下两者互作对氮素固定和根际微生物的影响。结果表明,在自然和小区两种生存环境下疏叶骆驼刺与花花柴都有氮素转移特征,并且这种转移特征在自然生境下更为明显。在自然生境中从疏叶骆驼刺转移到花花柴的氮素占花花柴总氮的50%左右,而在小区生境中只占30%左右。互作改变了花花柴各组织的化学计量比,在互作条件下花花柴叶片氮素含量比重增加。此外,疏叶骆驼刺与花花柴的互作降低了前者的根际细菌群落的Shannon index,并且改变了其根际土壤细菌的基因功能。互作对花花柴根际微生物群落没有显著影响,但在互作条件下疏叶骆驼刺根际土壤细菌中参与氮素转运的相关基因丰度显著高于单独种植,其中对细根根际土壤细菌的多样性及其基因丰度影响最大。且互作降低了疏叶骆驼刺细根的氮含量。因此,疏叶骆驼刺细根可能是疏叶骆驼刺和花花柴互作的关键部位。本研究为荒漠植被保护与恢复提供了科学依据。     

沙漠-绿洲过渡带四种多年生植物水分关系特征

沙漠一绿洲过渡带地区植被的可持续性在防止绿洲沙漠化的过程中非常重要。对过渡带主要植物种骆驼刺(Alhagi sparsifolia Shap)、多枝柽柳(Tamarix ramosissima Lebed．)、胡杨(Populus euphratica Oliv．)和头状沙拐枣(Calligonum caputmedusae Schrenk．)水分关系的研究表明：4种植物的水分恢复状况良好,清晨水势一直较高,水分亏缺并不严重。渗透势和正午水势的降低幅度不大,变化比较平稳,更像是一种生长过程中的结果．植物的水分胁迫状况并不明显。4种植物的水势和渗透势都高于典型的荒漠植物,属于中生植物的范围。水分参数的变化显示在同样的环境节律下,四种植物在水分生理的变化特征上有一致性。一直很高的RWCp值表明植物不能适应剧烈的水分损失和较低的水分含量,植物需要稳定充足的水分供应来适应塔克拉玛干极端气候条件下的生长环境。植物对环境胁迫也有各自不同的生理适应特点,胡杨的△Ⅱ值大,能忍受较多的水分损失维持气孔的开放;骆驼刺的ψp值最高,水分亏缺的平衡与恢复效果明显;C4植物头状沙拐枣能维持较高的水势和渗透势,而盐土植物多枝柽柳能忍受水势的很大降低。夏季一次性灌溉对骆驼刺、多枝柽柳和胡杨水分状况的改善基本没有影响,对头状沙拐枣有一定的帮助。植物群落和地下水关系密切,过渡带地区地下水位稳定在植物可接触的范围内是保证植物长期存活的关键。4种植物对干旱胁迫的适应为躲避型。