干旱区包气带土壤水分运移能量关系及驱动力研究评述

包气带土壤能量和水分平衡及其驱动因子是维系地下水-土壤-植物-大气连续体(GSPAC)系统中水分运移发生的关键因素。在降水稀少、水资源短缺的干旱地区,开展包气带土壤水分形态、运移过程与能量的耦合规律研究对揭示区域水资源形成和转化机理具有极其重要的现实意义。文章总结了土壤水分运移理论研究进展,探讨了水分参与水文循环过程及干旱环境下土壤水分可能表现形态及其降雨入渗、再分布、渗漏、蒸发、毛管水上升等过程驱动机制,评述了包气带土壤水分与能量过程在不同空间尺度上生态水分效应。在一个非饱和土壤系统中,水分运移受包气带结构,土壤物理特征,植物根系和土壤生化环境的综合控制,物质和能量平衡改变是驱动水分循环的源动力,而土壤环境变化是导致水分运移形态的发生变化根本原因。因此,在气候变化背景下,研究干旱区土壤与大气界面以及包气带与饱和带界面水、汽、热耦合转化形式与能量驱动过程,能够提升我们对包气带土壤水分运移规律机理的深入理解,丰富对区域气候和水文变化认知。为干旱区生态植被恢复建设和水资源精细化管理提供理论向导。     

胡杨液流对地下水埋深变化的响应

以塔里木河流域荒漠河岸林主要建群种胡杨(Populus euphratica)为研究对象, 结合中下游不同断面地下水埋深和胡杨液流变化的监测数据, 分析了胡杨茎干液流与地下水埋深变化的关系, 探讨荒漠环境下天然胡杨生长的合理生态水位。研究表明, 胡杨液流通量密度随地下水埋深即干旱胁迫程度的加大而减小, 两者呈极显著负相关, 相关系数达-0.887; 胡杨液流通量在地下水埋深位于4.5-5 m时出现异常变化, 表明此时胡杨的正常生长受到胁迫, 胡杨通过自身调节降低蒸腾耗水以适应环境; 土壤盐分不是影响塔里木河中下游各断面胡杨液流变化的主要因子; 对植物样地调查结果分析显示, 胡杨盖度、密度和频度均在地下水埋深在4-6 m梯度下开始表现为降低趋势。综合分析认为维系塔里木河中下游天然胡杨正常生长的生态水位为地下水埋深4.5 m以内。     

干旱半干旱区不同环境因素对土壤呼吸影响研究进展

土壤呼吸是全球陆地生态系统碳循环的重要环节,也是全球气候变化的关键生态过程。阐明和探讨影响土壤呼吸的各类环境因素,对准确评估陆地生态系统碳收支具有重要意义。干旱半干旱区是陆地生态系统的重要组成部分,研究该区域影响土壤呼吸的环境因素有助于深刻了解干旱半干旱区土壤碳循环过程。就土壤温度、土壤水分、降水、土壤有机质等非生物因子及植被类型、地上、地下生物量、土壤凋落物等生物因子两个方面对土壤呼吸的影响进行了综述。以干旱半干旱区的研究进展为主要论述对象,在上述因素中重点阐述了土壤温度、水分及其耦合作用下土壤呼吸的响应,并就土壤呼吸的Q10值及各影响因素间的交互作用进行归纳总结。在此基础上,说明了土壤温度和水分是影响干旱半干旱区土壤呼吸的主要因素。为了更准确的估算干旱半干旱区土壤呼吸速率,综合分析多种因子的交互影响,提出目前土壤呼吸研究存在的问题和今后重点关注的方向:1)不同尺度下干旱半干旱区土壤呼吸的研究;2)荒漠生态系统土壤呼吸研究;3)非生长季土壤呼吸研究;4)多因素协同作用土壤呼吸模型建立;5)测量方法的改进与完善。     

地下水埋深和季节性干旱对古尔班通古特沙漠南缘梭梭生理和生长的影响

干旱区因降水稀少,地下水成为荒漠植被重要且稳定的水源。选取古尔班通古特沙漠南缘建群种植物梭梭（Haloxylon ammodendron）为研究对象,通过测量不同地下水埋深（3.45、9.08、10.47、13.27 m和15.91 m）下生长季前期和后期同化枝生理生化指标（黎明水势、正午水势、含水量、氯离子、钠离子、脯氨酸和非结构性碳水化合物）和生长与形态特征（生长速率和胡伯尔值）,旨在认识荒漠植物对地下水埋深增加和季节性干旱的响应特征和调节适应机制。结果表明：（1）梭梭应对地下水埋深变化的生理调节对策,是采取先降低后升高黎明前同化枝水势、降低新枝形成期同化枝生长速率、增大胡伯尔值和积累非结构性碳水化合物的策略;（2）梭梭应对生长季大气干旱的生理调节对策,是通过降低黎明前同化枝水势、维持较高胡伯尔值、积累钠离子和消耗淀粉抵御季节性干旱;（3）在大气干旱与地下水水文干旱交互作用下,梭梭是采取降低正午同化枝水势、维持较高的同化枝含水量和积累可溶性糖的生态策略。综上所述,梭梭在响应地下水水文干旱和季节性大气干旱的生理特征间存在差异。研究结果丰富了水文和大气干旱对梭梭生理和生长影响的认知,可以为基于地下水资源管理的干旱区荒漠植被保育提供参考。     

间歇性生态输水塔里木河下游断面地下水位变化模拟

地下水作为干旱区生态系统的重要组成部分,对植物生长具有重要作用。以塔里木河下游英苏断面2011—2015年逐月地下水埋深变化为研究内容,基于非稳定流理论,以河道附近水位边界条件作为初始求解条件,以余误差函数erfc(x)为求解函数,综合考虑地下水变化时间滞后效应及潜水蒸发作用,旨在构建间歇性输水河道地下水埋深变化模型。结果表明:(1)生态输水期间,在短期内,临近河道地下水埋深波动较大,而远离河道地下水埋深波动并未受到较大的影响,生态输水作用影响河岸附近地下水埋深变化存在一定时段的滞后期,且随着距离河道的增加,滞后期增长。(2)以河道为基点的地下水非稳定流运动及潜水蒸发作用是影响沿岸地下水变化的诸多环境因子中最敏感的因子。(3)模拟结果表明基于非稳定流理论对塔里木河下游地下水变化模拟效果较好,达到了地下水模拟精度的要求,对塔里木河下游断面尺度上地下水恢复状况研究及后期生态恢复评价具有重要的理论意义与参考价值。     

干旱区地下水生态水位研究进展

地下水位是维系干旱区生态系统稳定的主要限制因子, 而地下水位又同时受到干旱区气候变化因素、植被特征因素及土壤理化性质因素的影响。在评述干旱区地下水生态水位概念的发展和内涵的基础上, 分析了在地下水生态水位变化影响因素方面所取得的研究进展, 总结了近年来在地下水生态水位研究领域的主要计算方法, 进而结合干旱区在生态水文地质领域存在的主要科学问题, 提出了未来研究的重点方向。     

塔里木盆地南缘旱生芦苇生态特征与水盐因子关系

选择位于塔里木盆地南缘极端干旱区的克里雅河流域于田绿洲为靶区,结合经典统计学和冗余分析技术,研究了旱生芦苇生态特征与水盐因子的分布规律及相互关系。统计学分析显示:芦苇沿河岸至荒漠方向株高、盖度和地上生物量减少、地下生物量增加,水分与土壤盐分也呈现一定的梯度变化规律。冗余分析结果表明:水分为芦苇生态特征变化的关键驱动因子,地下水埋深和土壤水分与芦苇的生态特征呈现极显著的相关关系,钠吸附比、全盐与芦苇的生态特征呈现显著的相关关系,其他指标与芦苇生态特征的相关性均不显著。水盐因子对芦苇生态特征影响的重要性排序为地下水埋深土壤水分钠吸附比全盐HCO-3pH值Cl-/SO2-4。综合水盐要素,水分对芦苇生态特征的影响大于盐分。     

干旱区不同地下水埋深下胡杨细根空间分布特征

细根空间分布特征能够反映植物对环境的利用程度和适应性,这对评价植物适应逆境至关重要。为了探究胡杨细根空间分布在干旱环境下的适应性特征,以塔里木河下游极端干旱区不同地下水埋深条件下的成年胡杨(Populus euphratica Oliv.)为对象,采用人工挖掘法,对胡杨细根(D≤2 mm)空间分布及其与地下水埋深和土壤水分的关系进行了研究。结果显示:(1)在水平方向上(550 cm范围内),胡杨细根的根长密度(RLD)、表面积密度(SAD)、根质量密度(RMD)随水平距离的增加未发生显著变化;(2)在垂直方向上,土壤表层基本无细根分布,随土壤深度加深,胡杨细根RLD、RMD呈先增加后减少的分布特征,并且在地下水埋深较深处,胡杨细根在较深土壤层(280 cm)仍保持较高的比根长(SRL)和比表面积(SRA);(3)胡杨细根RLD、RMD与上层土壤(0~180 cm)含水量存在较高的正相关关系,而与深层土壤(180 cm以下)含水量存在空间差异。本研究表明生长在上层土壤(0~180 cm)的胡杨细根主要受水分的限制,而生长在土壤深层的细根很可能受地下水埋深的影响,同时为了应对干旱环境,胡杨根系不仅具有较强的水平扩展能力,也会向深层湿润的土壤发展。研究结果可为极端干旱环境下胡杨适应机制的研究提供参考。     

土壤类型和地下水埋深对黄河三角洲典型盐沼植物群落空间分异的影响

目前对黄河口盐沼和贝壳堤盐沼植被带状分布序列分异的水盐耦合机制仍不清楚。为了更好地保护与利用黄河三角洲典型盐沼生态系统,本研究以黄河三角洲7种常见植物组成的群落为研究对象,采用温室模拟控制实验,探究了两种常见土壤类型(贝壳砂土壤和滨海潮土)和8个地下水埋深水平(10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm、70 cm和80 cm)对实验群落特征和表层土壤物理特性的影响。结果表明:(1)与滨海潮土相比,贝壳砂土壤能维持更高的植物丰富度和Shannon-Wiener多样性,植物丰富度在贝壳砂土壤随着地下水埋深的增加呈单峰变化,而在滨海潮土无显著变化;(2)随地下水埋深的增加,贝壳砂土壤植物群落由盐生群落逐步变为中旱生植物群落类型,而滨海潮土始终为盐生植物群落类型;(3)贝壳砂土壤表层含水量显著低于滨海潮土,随着地下水埋深的增加,贝壳砂土壤表层含水量呈“凹”型变化,而滨海潮土表层含水量呈线性递减变化;(4)滨海潮土表层含盐量显著高于贝壳砂土壤,随着地下水埋深的增加,贝壳砂土壤表层含盐量呈双峰变化,而滨海潮土无明显变化。综上所述,不同土壤类型和地下水埋深决定了不同的水...     

内陆干旱区典型旱生植物蒸腾耗水量模拟研究

内陆干旱区植物耗水量是生态恢复和水资源管理的重要依据。参照甘肃省民勤县青土湖附近气象条件、干旱区典型植物生理特征以及土壤水力特征参数,采用Tardieu-Davies模型（气孔导度模型）,计算在适宜和极限生态地下水埋深下7种典型植物生长季蒸腾耗水量,并与国内外研究成果对比,得出以下结论：适宜、极限生态地下水埋深下,7种植物生长季内平均蒸腾量分别为793、602 mm。不同植物蒸腾量差异大,适宜生态地下水位埋深下水生植物芦苇（Phragmites australis）、河岸带植被柽柳（Tamarix chinensis）蒸腾量最大,分别为1292、1147 mm;耐旱性强的荒漠植被梭梭（Haloxylon ammodendron）蒸腾量最小,为279 mm;其它植被盐节木（Halocnemum strobilaceum）（940 mm）、罗布麻（Poacynum hendersonii）（913 mm）、白刺（Nitraria tangutorum）（534 mm）、胡杨（Populus euphratica）（448 mm）蒸腾量依次减小。由适宜生态地下水埋深降低至极限生态地下水埋深时,植物蒸腾量平均减少24%。耐旱性强的梭梭、白刺减幅大,分别为53、35%;耐旱性弱的芦苇、柽柳减幅小,分别为19、13%。     

环境因素对干旱半干旱区凋落物分解的影响研究进展

凋落物分解是干旱半干旱区重要的生化过程,也是区域内物质周转与能量流动的关键生态环节,主要受气候、凋落物基质质量（简称凋落物质量）和土壤生物群落等因素的综合影响.本文综合评述了非生物因素(温度、降水、光辐射、土壤有机质等)和生物因素(凋落物质量、土壤微生物、种群组成和群落结构等)对干旱半干旱地区凋落物分解的影响的相关研究进展.在诸多影响因素中,降水与光辐射是最重要的限制因素.降水能够在短期内使凋落物分解速率迅速增加,而干旱半干旱区光照强度大、时间长,UV B引起的光矿化效应能较好地解释区域内凋落物分解规律.凋落物质量和群落结构主要受生态系统类型的影响,属于长期效应.今后凋落物生态研究的重点主要为全球气候变化下各环境因素的交互作用,不同尺度下凋落物分解过程与格局的变化,以及多因素交互作用凋落物分解模型的构建等方面.     

干旱半干旱草地生态系统与土壤水分关系研究进展

研究干旱半干旱草地生态系统与土壤水分关系和相互作用机理对于揭示草地生态系统稳定性及其水土关键要素的变化过程具有重要意义。从不同界面、不同尺度综述了草地生态系统对土壤水分的影响及草地生态系统的响应与适应机制,总结了草地生态系统与土壤水分关系模型研究的相关进展,并分析了气候变化对草地生态系统和土壤水分关系的影响。草地生态系统通过影响水文过程和生态过程来影响土壤水分,土壤水分在植物生长发育、形态、生理生态过程、种间关系、群落组成和结构以及草地生态系统功能等方面对草地生态系统产生影响;充分揭示草地生态系统-土壤水分相互作用机理是模型研究的关键;气候变化对草地生态系统植物与土壤水分关系具有重要影响。今后应加强以下研究:1)开展草地不同优势种和植物功能型与土壤水分关系的研究,找出能反映植物对土壤水分响应的性状指标,阈值响应点及适应机制;2)注重对不同时间和空间尺度上的转换和比较;3)加强个体、群体和生态系统尺度草地植物生长模型的研究及其与土壤-植被-大气水分传输模型的耦合;4)加强草地生态系统与土壤水分关系对气候变化响应的研究。     

我国北方干旱半干旱地区人工造林对地下水位变化影响的模拟研究

水资源短缺已成为阻碍我国社会可持续发展的至关因素,而其中地下水资源短缺更甚。自1952年我国于干旱半干旱地区实施大规模人工造林以来,大量研究资料显示人工林的蒸散量要普遍高于当地自然植被的蒸散量,这可能会打破当地的地下水平衡。而以往我国有关人工造林对地下水位影响的研究较欠缺,因此在基于两种假设条件下,运用7种蒸散发模型测算了人工造林活动对北方干旱半干旱地区的地下水位影响。结果表明大规模的人工造林活动会降低地下水位高度,基于假设条件一,甘肃、宁夏和新疆地下水位下降严重;基于假设条件二,北京地下水位下降明显。提出我国在未来生态修复实践中要考虑对地下水供给的影响,确定合理造林规模并选择栽培乡土树种,真正提高地下水资源利用率。     

第二届生态系统评估与管理(EAM)国际会议综述

自2005年联合国《千年生态系统评估》发布以来,旱区农业生态系统评估与管理研究越来越受到世界各国的广泛关注和重视。综述了2010年7月19日至25日在兰州大学举行的第二届生态系统评估与管理(Ecosystem assessment and management, EAM)国际会议28场特邀专家报告,围绕"气候变化与旱区农业生态系统管理"主题,分别从生态系统时空格局、全球变化生态学、植物逆境适应机制、植物与土壤关系和生态系统管理五个方面进行总结,旨在探讨全球气候变化条件下如何提高干旱与半干旱脆弱农业生态系统生产力和可持续性发展的创新理论研究。对生态系统评估与管理的未来发展趋势和目标进行了探讨,并对该会议将来的举办和组织形式提出了建议。     

干旱半干旱区生态系统凝结水的影响因素及其作用研究进展

凝结水是干旱半干旱生态系统重要的水分补给来源,对于维持生态系统功能具有重要意义。综述了干旱半干旱生态系统气象条件、地形环境和植被属性等因素对凝结水形成的影响,以及气候和环境变化对凝结水产量的影响机制。在此基础上,进一步从植被生长、生物土壤结皮、小型动物、微生物和地表水热平衡过程等方面,探讨了凝结水产量变化对干旱半干旱生态系统组成和过程的重要作用。最后对未来相关研究提出以下建议：（1）增加长时间序列的凝结水观测数据分析,（2）系统探讨凝结水对干旱半干旱区生态系统功能的综合影响,并（3）完善气候变化背景下凝结水与生态系统关系的相关研究。本文旨在对该领域的未来研究提出综述、建议和展望。     

黑河下游河岸绿洲区包气带土壤水分与植被生长状况的研究

黑河下游荒漠平原区近年来由于河水流入量的持续减小,致使依赖河水补给来源的地下水呈减少趋势,造成区域性地下水位下降,从而引起一系列生态环境问题。通过研究黑河下游河岸绿洲区非饱和带的含水量、地下潜水埋深、土壤类型结构等与河岸绿洲植被生长状况之间的关系,发现土壤结构、地下水位埋深和土壤盐分是决定研究区植被生长状况的3个主要因素,而土壤结构是不可改变的,土壤盐分又与地下水关系密切,因此,地下水是极端干旱区植被生长状况的决定因素。     

塔里木河下游不同地下水位下土壤种子库特征

选取塔里木河下游不同地下水位的25个天然植物群落样地,进行土壤种子库取样,通过萌发试验分析不同地下水位条件下土壤种子库的密度、物种多样性、生活型比例及土壤种子库与植物群落的相似性等特征.结果表明,在干旱地区,地下水位的高低不仅影响植物群落的种类和组成,而且也影响土壤种子库的密度和组成.随着地下水位的逐渐下降,植物群落退化程度的加重也反映到种子库上,表现为种子库密度减少、物种多样性下降、生活型逐渐单一,同时植物群落与土壤种子库的相似性系数也逐渐降低.该研究有助于丰富干旱区土壤种子库的理论和指导塔里木河下游的生态恢复实践.     

干旱半干旱区氮沉降生态效应研究进展

随着人类活动干扰的加剧以及全球气候变化,大气氮沉降的生态效应日益成为人们关注的焦点.氮沉降的增加能够带来生态系统结构和功能的改变,引起一系列生态效应.氮沉降对干旱半干旱地区生态系统的影响主要包括以下方面:(1)在干旱半干旱地区,氮沉降主要以脉冲形式进入氮循环进而影响其它生态过程;(2)氮沉降能够增加土壤氮矿化和土壤无机氮浓度,但氮循环还会受许多其它因素的影响;(3)氮沉降对土壤微生物代谢活动有很强的促进作用,但对其生物量的影响存在争议;(4)氮沉降能够影响植物生产力、根的生长,其效应主要受到水的调节作用;(5)氮沉降能够降低本地种的物种丰富度,有利于外来1年生物种的入侵.