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。     

退耕地人工植物群落根系生态位及其分布特征

根系生态位研究是全面掌握植物群落特性、种间搭配以及生态功能的重要科学问题。其测度方式、分布特征、影响因素等方面内容,对于合理指导退耕还林还草工程十分必要。将植物群落根系视为“标准地”,分布于每个土体层次的每个径级根系视为“植物种”。根量、根长、根数作为“植物种”的观测变量,仿照群落生态学方法,提出了一种综合计算根系生态位指数的方法。即将整个研究区域作为一个系统．将这一系统中所有植物群落。统一选用指标最大值。在纵向(即相对于指标维的不同指标)用上限效果测度公式统一进行归一化处理,然后在横向(土层、径级间。简称层径级)进行合并运算,得出层径级根系参数,这一参数定义为层径级根系生态位指数;而将某一群落各层径级生态位指数之和,定义为植物群落根系生态位指数。从而使区域内所有植物群落间具有可比性。使用这一方法,对国家退耕还林还草科技试验县——青海省大通县退耕地人工植物群落根系进行了系统研究。研究结果表明,根系生态位垂直空间分布大多数为典型的表层聚积型,表土层0～20cm根系生态位指数明显高于其它层次。植物群落根系比单一种群或纯林根系具有更高的生态位指数。根系生态位径级分布包括J型、反J型、S型和U型。J型多为粗根一深根型植物群落根系,反J型为细根一浅根型植物群落根系,S型和U型为上述2种类型之间的过渡型。根系生态位指数与植物群落地上部分鲜重生物量、根系丰富度呈显著正相关。退耕地植物群落根系的生态位指数较为接近天然植被,明显高于农作物根系。青海云杉 中国沙棘、中国沙棘、青海云杉等3种植物配置模式更有利于退耕地植物根系生态位的恢复。实施退耕还林还草工程是有效增加根系生态位、提高根系多方面功能的重要途径。     

不同森林类型根系分布与土壤性质的关系

在红壤丘陵区选取8种典型森林类型,对不同土层深度、不同径级的根长密度分布特征、根长分维数,以及根系特征与土壤容重、有机碳、全氮的关系进行了研究。结果表明:马尾松低效林根长密度最小,杉木低效林和湿地松林较大,表层土壤根长密度与灌草覆盖度显著相关(r=0.793,P<0.05)。各种森林类型的根长密度随着土壤深度的增加均表现为递减规律,但随深度的增加,不同森林类型的差异逐步缩小,且植物种类及生长状况对根长密度分布的影响越来越小。在相同的土层中,根长密度随径级的变化并不一致,马尾松低效林0相似文献   

黄土高原退耕草地植被根系动态分布特征

采用土钻法研究了黄土高原不同退耕年限和天然草地植被根系的垂直分布特征.结果表明,样地上不同采样点间的根系分布不存在显著差异,根系指标的合并计算结果可以代表立地上植被根系的分布特征.植被根系生物量、根系长度等指标的垂直分布特征均表现出随着深度增加而减少的趋势;随着退耕年限的增加,植被根系的生物量、根系长度等指标逐渐增加,一般在退耕年限超过20年后,植被根系的分布特征接近天然草地的根系分布特征.随着退耕年限的增加,根系消失系数从0.98逐渐降低到0.96,说明植被在深层土壤中的相对含量逐渐减少,根系逐渐集中在0～40cm的表层土壤中.退耕植被根系分布特征的改善提高了土壤理化性质,有利于新物种入侵和植被演替进行.     

陕北黄土区生态修复过程中植物群落物种多样性变化

根据18块典型样地的植被调查数据,采用时空互代和对比分析法,从演替时间、生态修复模式和坡向3个方面研究了陕西省吴起县生态修复过程中植物群落物种多样性特征.结果表明：在25年自然演替序列中,退耕封育群落依次经历了猪毛菜、猪毛蒿、达乌里胡枝子、铁杆蒿和白羊草5种类型,建群种表现为1年生向多年生、低级向高级的演替趋势.其间,物种种类、Margalef指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数和Pielou指数均呈二次函数变化,说明黄土区退化生态系统在消除外界压力后,通过自然恢复可达到高级、稳定状态,但速度缓慢.地形条件和恢复年限一致时,4种主要修复模式形成的群落中,草本层的Margalef指数、Shannon-Wiener指数和Pielou指数表现为退耕封育＞退耕还草＞退耕还林＞荒山造林,Simpson指数则相反.与退耕封育模式相比,退耕还草和退耕还林模式在相同恢复期内形成的草本群落,虽然多样性指数较低,但更接近自然演替后期阶段,说明人工修复模式能加快演替进程.在相同恢复年限内,阴坡退耕封育群落的Margalef指数、Shannon-Wiener指数和Pielou指数明显大于阳坡,且群落类型更接近演替后期阶段,说明阳坡生态修复的本底条件更差,植被自然演替速率更缓慢.     

黄土丘陵区退耕地先锋群落演替过程中细根特征的变化

采用空间序列取代时间序列的方法,对退耕时间分别为2、4、6和8年的退耕地群落细根特征进行了分析,以探讨退耕地植被演替过程中细根特征在土壤剖面上的变化及其在演替过程中的作用.结果表明:(1)群落细根根长密度和根面积密度随植被演替显著增加;比根长、比根面积和地下/地上生物量也有增加趋势;细根平均直径随植被演替波动,但有减少趋势;(2)在土壤剖面上根长密度、根面积密度和根系生物量均随土壤深度的增加而降低.其中超过63%的根长、61%的根面积和72%的生物量分布在0～20 cm的表层土壤中;(3)根径级统计表明,多数细根直径在0～0.5和0.5～1.0 mm之间,这两级细根长度占细根总长度的80%以上;(4)逐步回归分析表明,植被演替过程中细根特征的变化主要与土壤有效氮(第2年)、有效磷(第2～8年)和土壤水分(第8年)的含量有关,且随着植被演替,2～6年退耕地中细根特征与土壤资源正相关,而第8年中二者呈负相关.这可能与植物生长对资源的需求与土壤提供资源的能力之间的平衡有关.研究表明,退耕地植被演替过程对土壤资源有一定影响,尤其是土壤水分含量显著减少;而土壤水分等土壤资源的变化又对群落产生影响,导致茵陈蒿先锋群落向地带性长芒草群落演替.     

黄土高原不同演替阶段草地植被细根垂直分布特征与土壤环境的关系

研究了黄土区不同演替阶段草地植被细根垂直分布特征与土壤环境的关系,结果表明不同演替阶段草地植被细根生物量、根长密度、表面积、直径和比根长均具有明显的垂直分布特征。细根生物量、根长密度和细根表面积一般随土层加深而逐渐减少,且集中分布于0-40cm土层;随着演替的进行,除20a弃耕地外,0—80cm土层细根生物量、根长密度和细根表面积逐渐增加;除25a弃耕地外,细根直径随演替进行逐渐减小。0～100cm土层土壤含水量随演替进行而增加,不同演替阶段深层土壤水分较表层稳定。土壤容重的变化趋势为9〈4〈15〈20〈25a弃耕地,根系对表层土壤水分和容重的影响较大,而对深层土壤水分与容重影响较少。不同演替阶段细根各参数和土壤水分、容重差异均达到显著水平。各弃耕地细根参数之间,细根参数和土壤环境因子之间存在不同程度的相关关系,土壤含水量在草本植被的不同演替阶段均是影响其细根垂直分布的关键因素。土壤容重在演替早期对草本植被根系的影响较小,随着演替进行其影响作用进一步增强。     

生态退耕与植被演替的时空格局

综述了多重尺度上生态退耕的时空格局及其对植被演替时空变异影响的研究进展,提出了生态退耕与植被演替的时空格局研究方向.在自然和人文等因子的驱动下,全球兴起了生态退耕的热潮,生态退耕类型正在由人工恢复为主向自然弃耕为主发展.尽管国内外很多学者开始关注不同尺度上生态退耕的时空格局及其影响因子,但是生态退耕的时空变异性研究仍然比较薄弱,尤其缺乏多重尺度上生态退耕时空格局及其驱动因子的综合研究,在很大程度上限制了研究结果外推.研究表明,受到多因子的综合影响,生态退耕后植被演替呈现出复杂多样的时空变化特征;退耕植被演替研究从植物群落结构特征分析为主向群落功能分析发展,从传统的演替过程规律分析转向退耕植被演替的时空变异性分析;相对来说,生态退耕后植被演替的时空分异、影响因子和机制方面的研究比较薄弱.加强多重尺度上生态退耕时空格局与植被演替时空变异的综合研究是将来的研究重点.     

中国温带阔叶红松林不同演替系列土壤有机碳矿化特征

土壤有机碳矿化与陆地生态系统碳循环和全球气候变化关系密切,为准确评估中国温带小兴安岭阔叶红松林不同演替系列土壤有机碳矿化特征及变化规律。以年代序列法代替群落次生演替过程,采用室内恒温培养(碱液吸收法)测定阔叶红松林不同演替系列(中生演替系列、湿生演替系列、旱生演替系列)6种群落类型土壤有机碳矿化量和矿化速率。3个演替系列土壤有机碳含量均表现出一致的剖面变化特征,随着土层深度的加深有机碳矿化量逐渐降少。且不同演替系列土层间有机碳矿化量不同,中生演替系列原始阔叶红松林土壤有机碳累计矿化量最大,其次为旱生演替系列,湿生演替系列最小。3个演替系列土壤有机碳矿化速率随时间变化呈现基本一致的趋势,即培养前期快速下降、后期逐渐趋于平稳。3个演替系列6种群落类型土壤有机碳矿化差异显著,表现为原始阔叶红松林白桦次生林云冷杉红松林红松枫桦次生林蒙古栎红松林蒙古栎、黑桦次生林。阔叶红松林不同演替系列土壤有机矿化采用非线性指数拟合效果较好。阔叶红松林不同演替系列土壤有机碳矿化与土壤全氮、凋落物量显著正相关,与土壤含水率、容重、土壤酸碱度显著负相关。不同演替系列群落的演替历史、土壤质地和养分状况等生态因子是导致阔叶红松林不同演替系列土壤有机碳矿化差异的原因。     

内陆盐沼芦苇根系形态及生物量分配对土壤盐分因子的响应

根系形态和生物量分配是决定根系吸收能力发挥的重要特征,其对环境限制因子的响应与适应策略一直是研究的热点。然而,有关土壤盐分对植物根系性状的影响还存在许多不确定性。选择兰州秦王川国家湿地公园芦苇群落为研究对象,垂直于沙河河岸从湿地边缘至湿地中心,依次设置3个不同土壤盐分梯度样地(样地I、样地II和样地III),采用全根挖掘法和WinRHIZO根系分析仪相结合的方法,研究了芦苇(Phragmites australis)根冠比、根总长度、比根长、根分叉数、根平均直径等形态参数的变化特征。结果表明:随着样地土壤盐分含量的增加,湿地群落的高度、盖度、密度、地上生物量逐渐下降,芦苇的根冠比、根分叉数呈逐渐减小的趋势,比根长、根总长度呈先下降后上升的趋势,而根平均直径呈相反的变化趋势;研究区土壤含盐量总体以中度盐渍化为主,表层土壤盐分呈现强变异性,随土层深度的增加含盐量呈下降趋势,而变异程度有所差异;芦苇根系性状与土壤含盐量的相关性分析可知,土壤含盐量与根总长度和比根长呈极显著相关关系(P0.01),与根冠比、根分叉数呈显著相关(P0.05),而与根平均直径相关性不显著。内陆盐沼的芦苇表现出敏感植物的特性,通过根系形态的调整和生物量分配策略的改变来适应盐分强变异的土壤环境,体现了逆境胁迫下湿地植物应对多重环境选择压力的生态适应机制。     

不同分类系统下油松幼苗根系特征的差异与联系

植物根序和径级不仅反映细根的形态结构, 而且能反映根系的一些生理特征, 如细根寿命和周转等。该文以二年生油松(Pinus tabulaeformis)幼苗根系为研究对象, 系统比较了根序分类方法和径级分类方法在描述根系特征上的优缺点, 探索了两者之间的内在联系。结果表明: 二年生油松幼苗最多可包括6级根序, 直径的变化范围为0.169-3.877 mm。按根序划分, I-VI级根序的总根长和总根表面积主要集中在前3级根序, 这3级根序的根占总根长的78.77%和总根表面积的62.72%。前3级根序的比根长是后3级根序比根长的1.3-3.0倍, 比根面积是后3级比根面积的1.0-1.5倍。按常用的径级(以0.5、1.0、1.5和2.0 mm为阈值)划分方法, 油松幼苗大部分根系直径≤1.5 mm, 此区间细根的根长和根表面积占总根长的93.76%和总根表面积的84.35%。直径≤1.5 mm的细根平均比根长是>1.5 mm细根比根长的3-7倍, 比根面积的1.5-3.0倍。由于油松根序和径级之间有显著的指数关系, 依据径级最大程度反映根序的原则, 提出了新的径级划分方法, 即以0.4、0.8、1.3和2.0 mm为阈值对油松幼苗根系径级重新进行划分。此时, 上述区间可分别包括I级、II级、III级、IV级、V级根序中根尖数的93.22%、86.37%、75.96%、70.47%和76.67%。同时也可分别涵盖各径级根长的89.34%-70.83%、根面积的86.01%-76.12%以及体积的87.73%-76.12%。此时, 根系不同径级与根序之间可以建立起良好的对应关系。这些结果表明, 通过合理划分径级区间可以较好地反映根序 特征。     

岷江干旱河谷25种植物一年生植株根系功能性状及相互关系

相同条件下相同生长期的植物根系生长与适应策略及其差异性还不清楚。因此,采集岷江干旱河谷地区25种乡土植物(木本15/草本10种)的种子于2009年3月播种在同一干旱环境中,9月测定了1年生植株的最大根深(RDmax)、根幅(RW)与根生物量(RB),计算了总根长(TRL)、比根长(SRL)及细/粗根生物量比(RBf/c),分析了它们之间的关系,进行了根系功能组划分。结果表明:1)25种植物1年生植株RDmax与RW变异较小,总变异率为14.9%和20.7%;TRL和SRL变异相对较大,分别为28.5%和34.7%,草本植物SRL明显大于木本植物;RB和RBf/c种间变异较大,总变异率分别为50.1%和70.5%;2)25种植物的RDmax、RW、RB和TRL间呈显著正相关关系,表明根系较深的物种RW较大,TRL和RB也较高;SRL与RDmax呈极显著负相关关系,与RBf/c呈极显著正相关关系,表明根系垂直分布较浅的物种细根发达,SRL较大;3)主成分分析显示,25种植物可分为3个功能组:第1组具有较大RDmax、RW和RB,资源利用持续时间较长;第2组具有较大TRL、SRL和RBf/c,资源利用效率较高;第3组根系功能性状没有一致的突出特点,可能通过降低自身生理机能适应生存条件。综合分析表明,岷江干旱河谷区25种植物1年生植株根系的功能性状变异明显,可塑性大,历经长期自然选择压力而形成了不同的环境适应策略,但生长型并不必然表达出1年生植株根系功能性状的差异性。     

落叶松和水曲柳不同根序细根形态结构、组织氮浓度与根呼吸的关系

根系具有高度的形态和生理功能异质性,在森林生态系统碳和养分循环中起重要作用。根系分枝的顺序构成根序,是根系最基本的构型特征,根序代表根系不同的发育阶段。然而,目前直接测定不同根序细根生理功能的研究很少。以落叶松（Larix gmelinii）和水曲柳（Fraxinus mandshurica）的细根为研究对象,使用气相氧电极测定不同根序细根的呼吸速率,探讨根系呼吸速率与其形态、结构和组织氮浓度的关系。结果表明：落叶松和水曲柳细根的直径、根长和维管束直径均随着根序的增加（1–5级）而增加,而比根长、组织氮浓度和呼吸速率随着根序的增加而降低,各根序之间差异显著（P〈0.05）;1级根比根长最大、皮层组织发达、组织氮浓度最高且呼吸速率也最高,其呼吸速率分别为17.57nmolO2·g^–1·s^–1（落叶松）和18.80 nmolO2·g^–1·s^–1（水曲柳）,比5级根分别高148%（落叶松）和124%（水曲柳）;并且,落叶松根的呼吸速率几乎有96%与根系组织氮浓度相关,而水曲柳根的呼吸速率则有89%与根系组织氮浓度相关。上述结果说明,细根的形态和生理功能异质性是紧密相连的,低级根的形态、结构决定其功能是吸收养分和水,而高级根的形态、结构决定其功能是运输和贮存养分。     

Asymmetric cytokinin signaling opposes gravitropism in roots

Plants depend on gravity to provide the constant landmark for downward root growth and upward shoot growth. The phytohormone auxin and its cell‐to‐cell transport machinery are central determinants ensuring gravitropic growth. Statolith sedimentation toward gravity is sensed in specialized cells. This positional cue is translated into the polar distribution of PIN auxin efflux carriers at the plasma membrane, leading to asymmetric auxin distribution and consequently, differential growth and organ bending. While we have started to understand the general principles of how primary organs execute gravitropism, we currently lack basic understanding of how lateral plant organs can defy gravitropic responses. Here we briefly review the establishment of the oblique gravitropic set point angle in lateral roots and particularly discuss the emerging role of asymmetric cytokinin signaling as a central anti‐gravitropic signal. Differential cytokinin signaling is co‐opted in gravitropic lateral and hydrotropic primary roots to counterbalance gravitropic root growth.     

Root Growth of the Annual Tillering Grass Panicum miliaceum in Heterogeneous Nutrient Environments (in English)

To study growth responses of the roots of Panicum miliaceum L. to heterogeneous supply of nutrients. The authors analyzed the effects of the nutrient levels in both original patches (O) and destination patches (D) on the root growth of P. miliaceum when its roots were allowed to extend from original patch into destination patch. When the nutrient levels in the original patches were low, coarse root biomass ratio (coarse root biomass in the D/total coarse root biomass), coarse root length ratio (coarse root length in the D/total coarse root length), coarse root surface area ratio (coarse root surface area in the D/total coarse root surface area) and fine root length ratio (fine root length in the D/total fine root length) were greater in the destination patches with lower nutrient levels than in the destination patches with higher nutrient levels, while fine root length, fine root length density, fine root surface index, and fine root surface area density were smaller in the former than in the latter. When the nutrient levels in the original patches were high, fine root length, fine root length density, fine root surface area index and fine root surface density were greater in the destination patches with lower nutrient levels than in the destination patches with higher nutrient levels, coarse roots did not respond to the nutrient levels in the destination patches significantly. When the roots extended from the original patches with the same nutrient level into the destination patches with contrasting nutrient levels, fine root biomass and its percentage allocation did not respond to the nutrient levels in the destination patches significantly, whereas both root length and root surface area did. This indicates that the fine roots of P. miliaceum responded to difference in nutrient supply by plasticity in their length and surface area, rather than in their root biomass.     

CO2 enrichment increases carbon and nitrogen input from fine roots in a deciduous forest

* Greater fine-root production under elevated [CO2] may increase the input of carbon (C) and nitrogen (N) to the soil profile because fine root populations turn over quickly in forested ecosystems. * Here, the effect of elevated [CO)] was assessed on root biomass and N inputs at several soil depths by combining a long-term minirhizotron dataset with continuous, root-specific measurements of root mass and [N]. The experiment was conducted in a CO(2)-enriched sweetgum (Liquidambar styraciflua) plantation. * CO2) enrichment had no effect on root tissue density or [N] within a given diameter class. Root biomass production and standing crop were doubled under elevated [CO2]. Though fine-root turnover declined under elevated [CO2], fine-root mortality was also nearly doubled under CO2 enrichment. Over 9 yr, root mortality resulted in 681 g m(-2) of extra C and 9 g m(-2) of extra N input to the soil system under elevated [CO2]. At least half of these inputs were below 30 cm soil depth. * Increased C and N input to the soil under CO2 enrichment, especially below 30 cm depth, might alter soil C storage and N mineralization. Future research should focus on quantifying root decomposition dynamics and C and N mineralization deeper in the soil.