黄土丘陵区不同侵蚀环境下土壤有机碳对植被恢复的响应

植被恢复是提高土壤有机碳累积和储存的重要措施。以黄土丘陵区两个典型侵蚀环境下的小流域即黄土区坊塌流域和砒砂岩区满红沟流域退耕坡面为研究对象,分析了土壤有机碳含量(SOCC)、有机碳密度(SOCD)在同一侵蚀环境不同群落下的变化以及在同一群落不同侵蚀环境间的差异,旨在探明不同侵蚀环境下土壤有机碳对植被恢复的响应。结果表明:1)同一侵蚀环境下,与坡耕地相比,自然恢复方式下退耕地植被恢复初期SOCC、SOCD均显著降低,之后随植被恢复均显著升高(P0.05);人工恢复方式下退耕地20—25年柠条锦鸡儿群落和13—14年刺槐群落SOCC、SOCD均显著升高(P0.05),说明同一侵蚀环境内,退耕地在两种恢复方式下均能显著提高土壤有机碳累积和储存。2)同一侵蚀环境下,与相近恢复年限的自然恢复群落相比,刺槐群落SOCC、SOCD均显著高于长芒草+铁杆蒿群落(P0.05),砒砂岩区柠条锦鸡儿群落SOCC、SOCD均显著低于铁杆蒿群落(P0.05),黄土区柠条锦鸡儿群落SOCC显著低于而SOCD显著高于铁杆蒿群落(P0.05),说明相同恢复时间内,相对于自然恢复方式,人工刺槐造林在两种侵蚀环境下均能累积与储存较多的土壤有机碳,而柠条锦鸡儿造林在两种侵蚀环境下累积土壤有机碳的效果均不佳,在黄土区储存土壤有机碳效果好于砒砂岩区。3)同一群落下,黄土区人工和自然恢复群落SOCC均高于砒砂岩区;黄土区人工恢复群落SOCD均显著高于而自然恢复群落SOCD均低于砒砂岩区(P0.05),说明黄土区人工恢复累积和储存土壤有机碳及自然恢复累积土壤有机碳的效果较好,而砒砂岩区自然恢复储存土壤有机碳的效果较好。     

黄土丘陵区撂荒群落演替序列种根系对氮素施肥方式和水平的形态响应

采用盆栽试验,研究了黄土丘陵区撂荒群落演替序列种(即,黄土丘陵区摞荒群落演替主要阶段的优势种)根系对氮素施肥方式和水平的形态响应,对了解我国氮沉降增加背景下的群落生态效应及人为施肥干扰促进植被恢复具有较好的理论和实践意义。测试并分析了6个演替序列种在不同施氮方式(匀质和异质施氮)和水平(高、低和无氮对照)条件下植株个体生物量指标(地上及地下生物量和根冠比)、根系形态指标(根长、直径、表面积、比根长和比表面积)的变化及其差异显著性;并且利用根钻法和单样本T检验比较了异质施氮方式下施氮斑块与不施氮斑块根系形态指标的差异。结果表明:1)6种演替序列种地上、地下生物量和根冠比存在种间固有差别,施氮方式和水平整体上对三者无显著影响;施氮方式和植物种类对根冠比存在显著交互作用,说明个别种的根冠比对施氮方式响应明显,其中猪毛蒿根冠比在异质施氮方式下显著高于匀质施氮。2)6种演替序列种根系塑形指标包括比根长、比表面积和直径存在种间差别,并且施氮水平对比根长影响显著,高、低施氮水平下比根长都显著低于不施氮对照。3)狗尾草和铁杆蒿分别在异质高氮和异质低氮条件下施氮斑块根系生物量密度显著高于未施氮斑块;猪毛蒿在异质高氮条件下施氮斑块发生了更多的伸长生长,其根长、根表面积、比根长和比表面积在施氮斑块中的密度显著高于未施氮斑块;猪毛蒿和狗尾草在异质高氮条件下,以及白羊草在异质低氮条件下,其根系直径在施氮斑块显著小于未施氮斑块。从根系形态变化敏感性和施氮对促进植物生长来看,演替过程中演替序列种对施氮响应的敏感性总体上呈降低趋势,前期种对施氮响应更敏感,从施氮获利也更多,因而恢复前期进行人为干扰促进植被恢复效果也会更好。     

半干旱草地长期封育进程中针茅植物根系格局变化特征

以云雾山不同封育年限草地针茅植物根系和土壤为研究对象,对其根系特征、土壤特性及两者关系进行研究,以探讨分析封育对针茅根系格局的影响。结果表明:(1)针茅植物根系生物量、根长密度、根表面积和根体积在封育初期轻微下降,之后缓慢上升,并在封育30 a草地得到显著增加。(2)随封育年限增加,各根系指标在3种针茅物种间的组成格局具有类似变化规律,具体表现为:长芒草在放牧草地所占比例最高,之后逐渐降低,并在封育30 a草地消失;大针茅所占比例呈先升后降变化规律,并在封育22 a草地达到最大值;甘青针茅仅出现于封育30 a草地,且占据优势地位。(3)大针茅和甘青针茅0—0.6 mm径级根系比例高于大针茅,使其根系直径显著低于大针茅,比根长和比根面积显著高于大针茅;此外,长芒草根组织密度显著高于长芒草和甘青针茅。(4)长期封育在显著提高土壤水分、养分含量和土壤氮磷比的同时显著降低土壤碳氮比,但对微生物生物量碳、氮无明显影响。(5)针茅根系特征与土壤指标的关联性分析显示针茅根系受土壤氮资源的显著影响。     

覆膜与滴灌对河套灌区玉米花粒期叶片光合特征的影响

光合作用是作物生长发育和产量形成的基础,栽培方式和土壤含水量变化显著影响作物的光合作用.灌浆期和乳熟期是玉米花粒期2个重要阶段,是玉米籽粒形成和干物质积累的关键时期.通过大田试验研究了河套灌区不同覆膜方式与滴灌水平对不同生育时期玉米光合特征及产量的影响.结果表明: 灌浆期玉米叶片光合特征在不同处理下无显著差异,乳熟期净光合速率和蒸腾速率在半覆膜(B₂)和全覆膜(Q₂)滴灌水平2(350 mm)处理下均显著高于半覆膜(B₁)和全覆膜(Q₁)滴灌水平1(200 mm),并且B₁和Q₁处理下灌浆期叶片的净光合速率、蒸腾速率、水分利用效率及气孔导度等显著高于乳熟期.不同处理下灌浆期和乳熟期叶片的净光合速率、蒸腾速率,灌浆期的气孔导度以及乳熟期的水分利用效率等在日变化上存在着同步关系,均呈现出倒“U”型的日变化特征,而胞间CO₂浓度则呈现相反的变化趋势.逐步回归分析显示,光合有效辐射、大气温度和空气相对湿度等气象因子是影响玉米叶片光合特征的主要环境因子.此外,B₂和Q₂处理下玉米产量显著高于B₁和Q₁处理(分别增加了29.3%和50.9%),但B₁和Q₁处理间并无显著差异.这表明与覆膜方式相比,滴灌水平对干旱地区玉米产量的影响更大.     

不同降水年型下长期施肥旱地小麦产量效应

以黄土高原30年长期肥料定位试验为基础,依据降水将生育年划分为干旱年、平水年和丰水年,研究不同施肥方式对黄土高原冬小麦产量、肥料贡献率和降水利用率的影响.结果表明: 小麦连续种植30年中,氮磷配施和氮磷钾配施下小麦产量、肥料贡献率和降水利用率显著高于不施肥和单施肥处理,氮磷钾配施下小麦产量、肥料贡献率和降水利用率分别达到3480 kg·hm^-2、61.45 kg·kg^-1、6.13 kg·mm^-1·hm^-2;不同降水年型下,丰水年小麦产量、肥料贡献率和降水利用率相对较高;使用逐步回归分析可知,不同降水年型下小麦产量主要受氮磷肥施用量、休闲期降水和越冬期降水影响.黄土旱塬可以通过提高氮磷用量同时适当施用钾肥,以及在休闲期做好蓄水保墒工作来提高小麦产量.     

退耕区域发展碳汇产业的生态经济学思考

碳汇产业,即利用植物吸收二氧化碳的潜力及规律,在人工适度干预下获得清洁空气、满足人们生产和生活对生态环境需求的产业,为原有相对均衡或稳定的农业产业-资源系统的优化升级提供突破口和新的增长点.退耕区域生态系统服务中,固碳释氧功能的经济显化、碳汇潜力的迅速提高,以及国内外碳汇交易与碳汇市场的兴起等,为碳汇产业的发展奠定了理论和现实基础.随着碳汇产业的发展,生产经营者必然以提高碳汇产出为核心,形成对碳源的控制及对碳贮量增加路径的开发,重新布局农业产业-资源结构,因而为退耕区域可持续发展带来新的活力;同时,也隐含了下一步需要研发的重点,即碳汇产业融入后的农业产业-资源的配置结构及良性耦合机制.     

黄土丘陵区油松、沙棘生长旺盛期树干液流密度特征及其影响因素

使用热扩散探针法(TDP)监测黄土丘陵区2015年7—9月人工林中油松和沙棘树干液流密度(J_s)的动态变化,并通过植物的水分利用生理特征判断2个树种的水分利用类型.结果表明: 油松和沙棘的J_s在降水前后均表现为单峰型日变化特征,油松生长旺盛期的J_s(12.62 mL·m^-2·s^-1)显著高于沙棘(2.60 mL·m^-2·s^-1).2个树种J_s与光合有效辐射、水蒸汽压差、土壤体积含水量(SWC)呈显著正相关.8月和9月降水前后,2个树种的J_s都主要受气象因素影响.9月降水导致SWC对沙棘J_s的解释量增加4.2%,而8月和9月的降水导致SWC对油松J_s的解释量均降低了0.3%.油松中午叶片水势显著高于沙棘且变异系数(7.3%)低于沙棘(11.7%),而沙棘具有较高的叶片气孔导度,因此可以判断出油松属于恒水型植物,沙棘属于变水型植物.     

黄土高原雨水集聚深层入渗(RWCI)系统下山地果园土壤水分时空变异特征

水资源短缺是影响黄土高原雨养农业发展的关键性因素,雨水资源开发是缓解该地区水资源短缺的有效措施.本研究利用管式 TDR 系统监测21年红富士老果园0～300 cm土层土壤含水率变化,分析了雨水集聚深层入渗(RWCI)系统下黄土高原旱作山地果园土壤水分时空分布特征.结果表明: RWCI系统能够显著增加果园土壤含水率,特别是40～80 cm土层(土壤含水率低值区)土壤含水率,在该区域,不同设计深度(40、60和80 cm)RWCI处理(RWCI₄₀、RWCI₆₀和RWCI₈₀)年均土壤含水率分别较鱼鳞坑(CK)处理提高75.3%、85.4%和62.4%,分别较裸露坡地(BS)处理提高39.2%、47.2%和29.1%.RWCI₄₀、RWCI₆₀和RWCI₈₀处理土壤水分入渗最大深度分别为80、120和180 cm,显著深于CK处理(60 cm),其中土壤水分变化幅度最大的土层分别主要发生在0～60、0～100和0～120 cm.在果树整个生育期内,RWCI处理土壤平均含水率(0～300 cm)以RWCI₈₀处理最大,其次是RWCI₄₀和RWCI₆₀处理.总体来看,RWCI系统是黄土高原实现雨水资源化和农业高效用水的有效措施.     

降雨和汇流对黑土区坡面土壤侵蚀的影响试验研究

东北黑土区上坡汇流对坡面土壤侵蚀有重要影响,因此辨析降雨和汇流对黑土区坡面土壤侵蚀的影响对农田土壤侵蚀防治有重要意义。通过设计不同降雨强度和汇流速率以及二者组合的模拟降雨及上方汇流试验,分析了降雨和汇流对黑土坡面侵蚀的影响及其贡献。试验处理包括两个降雨强度(50 mm/h和100 mm/h)、两个汇流速率(50 mm/h和100 mm/h,即:10 L/min和20 L/min)、以及4种不同降雨强度和汇流速率的组合((50+50)mm/h、(50+100)mm/h、(100+50)mm/h和(100+100)mm/h)。结果表明,在50 mm/h和100 mm/h上方汇流引起的坡面侵蚀量仅分别是50 mm/h和100 mm/h降雨引起坡面侵蚀量的1.9%和0.6%;当降雨强度和坡上方汇流速率分别由50 mm/h增加至100 mm/h时,降雨试验处理下的坡面侵蚀量增加6.1倍,汇流试验处理下的坡面侵蚀量增加3.2倍,说明降雨对坡面土壤侵蚀的影响显著大于汇流的作用。在降雨和汇流组合试验中,总供水强度(降雨强度+汇流速率)为150 mm/h时,降雨强度为100 mm/h和汇流速率为50 mm/h组合试验的坡面侵蚀量是降雨强度为50 mm/h和汇流速率为100 mm/h组合试验坡面侵蚀量的7.9倍。在相同汇流条件下,降雨强度由50 mm/h增加到100 mm/h时,降雨强度的增加对坡面侵蚀量的贡献率为89.6%-99.5%;而在相同降雨条件下,坡面汇流速率由50 mm/h增加100 mm/h时,汇流速率的增加对坡面侵蚀量的贡献率为17.2%-78.7%,说明在东北黑土区防治坡面汇流对坡面土壤侵蚀影响也尤为重要。     

六道沟流域不同冠层小叶杨光合特性及水分利用效率研究

小叶杨作为六道沟流域植被恢复的优势乔木速生树种,对该区的生态恢复与建设有着至关重要的作用。通过测定六道沟流域生长旺期(8和9月)不同冠层高度下小叶杨叶片的水势、光合气体交换参数、稳定性碳同位素比率(δ~(13)C)和叶片全N全P含量,分析了冠层叶片的δ~(13)C、光合特性指标、叶水势等在不同月份及冠层高度下的变化特征。结果表明:(1)小叶杨8、9月份间叶片光合特性指标净光合速率(P_n)、气孔导度(G_s)、胞间CO_2浓度(C_i)、蒸腾速率(T_r)均随着冠层高度增加而减小。(2)小叶杨叶片δ~(13)C和瞬时水分利用效率(WUEi)均随冠层高度增加而增加,δ~(13)C沿冠层高度的变化范围为-29.81‰~-27.43‰。(3)叶片δ~(13)C与植物的水分利用效率呈正相关关系,8月份和9月份δ~(13)C沿树高的变化幅度分别为2.22‰和2.12‰。研究发现,六道沟流域小叶杨叶片确实受到来自树高所引起的水分胁迫,叶片δ~(13)C能真实反映其长期的水分利用状况,且叶片δ~(13)C的变化是自身遗传特性与环境因子共同作用的结果。