极干旱区深埋潜水蒸发量的测定

在远离降雨的典型极干旱气候条件下,在敦煌莫高窟窟顶戈壁搭建封闭塑料拱棚,在棚内放置空调抑制“拱棚效应”。通过空调的制冷抑制拱棚的增温效应,通过空调的冷凝降低棚内的湿度,使棚内的温湿度与外界靠近,并通过空调冷凝排水量评估潜水蒸发强度。45d的监测表明：在潜水埋深超过200m的敦煌极干旱地区存在不少于0.0219mm/d的潜水蒸发。太阳辐射强度、温度、湿度对潜水蒸发有重要影响。潜水蒸发量的测定为利用潜水进行荒漠化的生态重建提供了基本的评估依据,对揭示极干旱区埋深较深的GSPAC水文循环和潜水开发有重要意义,对莫高窟的文物保护也非常关键。     

应用氢氧稳定同位素对极端干旱区蒸发水分来源的确定

长期监测发现敦煌莫高窟窟顶戈壁存在稳定的蒸发水分。为了进一步厘清蒸发水分的来源,利用拱棚-凝结法定期收集蒸发水分,应用水同位素示踪原理监测凝结水分、莫高窟降水和潜水的δD和δ~(18)O值,以揭示戈壁蒸发水分的来源。结果表明,蒸发水分的δD、δ~(18)O平均值分别为-33.06‰和-5.33‰,莫高窟降水为-66.44‰和-8.57‰,潜水为-72.19‰和-9.75‰,说明当地潜水并非来自于莫高窟降水;通过经纬度和海拔,应用在线降水同位素计算的当地降水δD和δ~(18)O值(-60.00‰,-8.50‰)和降水加权平均值(-5.30‰,-0.75‰)同样表明,当地降水不是地下潜水的合理来源,而党河源区(野马山)的降水(-86.00‰,-12.00‰)才是地下潜水的真正来源。土壤水分蒸发实验与土壤垂直剖面水分检测表明,戈壁深厚包气带土壤在潜水水汽向上运移过程中选择了δ值相对较高的潜水水分,因此,戈壁蒸发水分来自地下潜水,存在清晰的来源通道。极干旱区蒸发水分来源的再确定为蒸发潜水的利用奠定了基础,对极干旱区生态恢复有重要意义,并为干旱、半干旱区地下水的利用提供了新视角,为莫高窟洞窟水分来源研究亦提供了重要参考。     

增温和降水变化对西北半干旱区春小麦产量和品质的影响

为了明确未来气候变化对半干旱区春小麦产量和品质的影响,本研究选择典型半干旱区定西试验基地,利用开放式红外增温模拟系统和水分控制装置设置不同降水量(减少20%、不变、增加20%)和温度梯度[大气温度(对照)、增加1.0℃、增加2.0℃、增加3.0℃],模拟气候变化对春小麦生长发育、产量及其构成因素和品质的影响.结果表明:当增温幅度小于2℃时,降水变化对春小麦穗粒数影响不显著;当增温为3℃时,降水减少显著减少穗粒数,降水增加显著增加穗粒数.随着气温升高,降水减少对春小麦千粒重的负效应增大,春小麦不孕小穗数与气温呈二次曲线上升.降水减少20%条件下,增温1、2和3℃的春小麦产量分别下降12.1%、24.7%、42.7%;降水不变条件下,春小麦产量分别下降8.4%、15.1%、21.8%;降水增加20%条件下,春小麦产量分别下降9.0%、15.5%、22.2%.春小麦籽粒淀粉含量随温度的增加而下降,籽粒蛋白质含量随温度的增加而上升.增温2℃有利于蚜虫暴发,但增温3℃抑制蚜虫暴发;春小麦锈病发病率随着温度增加而上升.     

岷江上游植被冠层降水截留的空间模拟

 通过对岷江上游实地踏查和定位观测研究,结合MODIS遥感数据,利用“3S”技术对岷江上游植被冠层降水截留进行了空间模拟。研究结果表明：岷江上游植被叶面积指数（LAI）与增强性植被指数（EVI）以二项式关系拟合效果较好。由于归一化植被指数（NDVI）存在的饱和问题,研究采用EVI反演LAI,统计结果表明：岷江上游LAI值在0～2之间的占28.57%,在2～4.5之间的占63.06%,大于4.5的占8.37%,其中LAI最大值为7.394;从冠层最大降水截留模拟结果来看: 植被较好的地区,如卧龙、米亚罗的植被冠层最大降水截留量较大,而干旱河谷、上游高山草甸等地的植被冠层最大降水截留量相对较低;附加冠层降水截留与降雨量呈线性相关,模型验证时以此为基础,模型模拟的结果较为理想。     

模拟降水对朱砂叶螨实验种群数量的干扰作用

采用人工模拟降雨的方法研究了降水对棉花苗期朱砂叶螨校正虫口减退率的影响以及转移干扰作用,评价棉花苗期降水对朱砂叶螨种群数量的控制作用。结果表明,暴雨(49.59%±3.09%)、大雨(33.21%±2.46%)、中雨(37.25%±0.986%)和小雨(36.03%±2.69%)均能明显降低朱砂叶螨的校正虫口减退率,其中暴雨对朱砂叶螨校正虫口减退率的影响极为明显,显著高于大雨、中雨和小雨。而大雨、中雨和小雨对朱砂叶螨校正虫口减退率的影响两两之间无显著差异。随着降水量逐步增加,对朱砂叶螨数量由释放点向叶片正面和叶柄位置转移的干扰作用逐步增强。在释放点之间,大雨、中雨和小雨均对朱砂叶螨转移干扰作用不明显,但暴雨对朱砂叶螨转移干扰作用极为明显。     

模拟降水减少对帽儿山地区兴安落叶松径向生长的影响

以2004年在小兴安岭帽儿山地区栽植的兴安落叶松(Larix gmelinii)为研究对象,在2012年,经过100%减雨、50%减雨、冬季除雪和对照4种处理,在控雨的前期(6月)和后期(8月)用微生长锥取样利用石蜡切片方法测量扩大细胞的径向长度和数量。在10月末用生长锥取样,打磨后测量成熟管胞的径向长度和数量,进而分析降水减少对兴安落叶松径向生长的影响。结果表明:在帽儿山地区,生长季温度与兴安落叶松径向生长显著正相关,降水在生长季后期为负相关。大树芯成熟管胞测定表明,3块样地综合而言,除雪组成熟管胞数量最多,其次是对照组,50%减雨组和100%减雨组成熟管胞数量最少;管胞径向长度在各个处理组之间差异不显著。但是,在3块样地中,成熟管胞数量和径向长度在相同处理间测定结果有差别,样地1的100%减雨组、50%减雨组、除雪组和对照组中成熟管胞数量随土壤湿度增加而增加,径向管胞长度差异不明显;样地2的除雪组中成熟管胞径向长度显著小于其他3个实验组,而50%减雨组、100%减雨组和对照组的成熟管胞径向长度和数量均差异不显著;样地3中4个实验组的成熟管胞数量均差异不显著,成熟管胞径向长度100%减雨组略小于其他3个实验组,这与样地3遮阴较大、土壤湿度较高有关。石蜡切片的形成层扩大细胞分析表明:在减雨处理的初期(6月份),样地3在扩大细胞的数量上,随着不同处理间土壤湿度的减小而减少。在减雨处理的后期(8月份),样地1扩大细胞的数量随着不同处理间土壤湿度的减小而减少。研究结果表明降水减少会对兴安落叶松径向生长产生影响,其影响程度取决于微环境条件的差异,且不同时期降水减少的影响也有差异。     

高寒植物叶片性状对模拟降水变化的响应

降水变化对高寒草甸生态系统产生了显著影响,植物叶片性状特别是叶脉特征对降水变化非常敏感,然而高寒植物叶片性状特征如何响应降水变化还知之较少。采用集雨棚模拟增减50%降水的条件,以高寒草甸8种主要植物叶片为研究对象,研究了降水变化对叶片的叶脉率、叶脉密度、叶片大小、比叶质量、叶片总有机碳含量、叶片全氮含量、叶片碳同位素相对含量和碳氮比等叶片性状的影响。发现增水显著增加了植物的叶片大小、稳定碳同位素千分值、总有机碳含量、全氮含量,但显著降低了叶脉密度;而减水显著降低了叶片大小、稳定碳同位素千分值。植物叶片性状各指标对降水变化的响应存在协同变化和相互制约。不同水分生态类型的植物对降水变化的响应存在差异,中生植物通过增加叶片大小和减少叶脉密度积极应对降水的增加,矮生嵩草的叶片大小分别增加了200.3%,叶脉密度减小了17.5%,而旱中生植物通过减少叶片大小和增加叶脉密度应对降水的减少,垂穗披碱草和异针茅的叶片大小分别减少54.9%和30.7%,其叶脉密度分别增加25%和22.4%。羽状叶脉植物增加叶脉密度和稳定碳同位素千分值以适应增水条件,花苜蓿、异叶米口袋的叶脉密度的增加了7.8%和4.0%,稳定碳同位素千分值增加2.5%和3.3%,但增水条件下平行叶脉植物的叶脉密度不变或降低和稳定碳同位素千分值保持不变;减水增加了平行叶脉植物叶脉密度并减低了稳定碳同位素千分值,异针茅的叶脉密度增加了22.4%,稳定碳同位素千分值减小2.9%,而对羽状叶脉植物的叶脉密度和稳定碳同位素千分值减少或不变。植物叶片性状对增水的敏感性显著大于对减水的敏感性,增水的效应约为减水的2倍;叶片大小的敏感性显著大于其它叶片性状,约为其它叶片性状的10倍。因此,植物在应对短期降水变化时,植物形态可塑性的作用凸显,放大或缩小叶片大小是植物应对降水变化的最有效的途径,但是不同水分生态类型和叶脉类型植物可塑性的方向存在显著差异。     

科尔沁沙质草地生物量积累过程对降水变化的响应模拟

科尔沁沙地是中国北方严重的沙漠化区域之一,理解其沙质草地生物量积累对降水变化的响应有利于该区域的生态恢复和后续经营管理。在植被-土壤水分耦合模型的基础上结合植被阈值-迟滞响应模式(T-D),在点尺度上模拟科尔沁沙质草地生长季植被生物量积累过程对降水变化的响应。结果表明(1)植被生物量积累对降水量变化表现出明显的非线性响应。降水量增加,促进植被生物量积累,反之则抑制生物量积累,但在同等程度的降水量变化下生物量积累对降水增加的响应远大于对降水量减少的响应。(2)生物量积累对降水频率变化的响应与单次有效降水量变化在干旱年和湿润年都显著正相关,但与累计有效降水量相关性微弱,而与有效降水间隔变化只在干旱年显著相关,表明在不同年份间降水频率变化实际上通过改变单次有效降水量和有效降水间隔来影响生物量的积累。(3)生物量积累过程对降水频率变化存在明显的响应阈值,但该阈值在不同的降水量和降水特征下并不相同。科尔沁沙质草地植被生物量积累过程对降水变化有明显的响应,植被-土壤水分耦合模拟与T-D模型的结合能有效地在日尺度上识别这种响应,这为探究植被和降水关系提供了新工具。     

高寒沙区生物土壤结皮覆盖土壤碳通量对模拟降水的响应

生物土壤结皮作为干旱半干旱地区重要的地表覆盖类型和景观特征之一,其自身具备的光合与呼吸能力对荒漠生态系统地表与大气界面中的碳交换与循环产生了重要影响。水分是干旱半干旱地区许多生态过程中的主要限制因子,能够影响生物土壤结皮的光合与呼吸过程,进而影响生物土壤结皮覆盖土壤的碳通量规律。针对高寒沙区藓类和藻类结皮为主的生物土壤结皮覆盖土壤,设置了1、2、5、10mm以及0(对照)的模拟降水梯度,利用LI-8100土壤碳通量测定系统,对模拟降水后结皮覆盖土壤的碳通量进行测定,以探讨不同结皮种类和不同强度降水对碳通量的影响。结果表明:(1)降水对生物土壤结皮覆盖土壤的净碳通量、暗呼吸均有激发作用,使碳通量在极短时间内到达峰值且与对照差异显著,但各降水量之间差异不显著。两种不同结皮覆盖类型相比,藓类结皮覆盖土壤在降水后的碳通量峰值和受降水激发的有效时间均显著高于藻类结皮。(2)两种结皮覆盖土壤在模拟降水后的48h累积碳释放随降水量的增加而增加且与对照差异显著。同时藓类结皮覆盖土壤累计碳释放显著高于藻类结皮覆盖土壤。(3)两种生物土壤结皮覆盖土壤的碳通量和土壤水分体现出显著的相关性,净碳通量和暗呼吸均随水分的增加而增加。因此,在降水条件下生物土壤结皮覆盖土壤表现出明显的碳源效应,其碳通量以及碳释放量都有显著的改变,在研究干旱半干旱地区碳交换规律时应该考虑不同生物结皮的覆盖和降水事件的影响。     

模拟践踏和降水对高寒草甸土壤养分和酶活性的影响

为明晰牦牛和藏羊践踏对高寒草甸的分异影响,通过2年模拟践踏和降水双因子控制试验,研究了践踏和降水对高寒草甸土壤养分和酶活性的影响。研究结果表明,践踏处理提高了0—20 cm土层土壤速效氮和速效钾含量,降低了0—20 cm全磷、脲酶和0—10 cm速效磷、碱性磷酸酶和有机质含量,且适度践踏促进了全氮的矿化。随降水强度的增加,0—30 cm土层土壤全氮和0—20 cm全磷和脲酶活性呈单峰曲线的变化态势,在平水下达到峰值;降水显著降低了0—30 cm土层土壤速效氮、磷、钾和0—10 cm土层土壤全钾含量,对土壤有机质含量无显著影响(P0.05)。同一放牧强度下,藏羊践踏区的土壤养分和酶活性优于牦牛践踏区,但差异不显著(P0.05)。综合可得,家畜的践踏作用促进了土壤氮和钾的矿化,抑制了磷的累积且加速了表层土壤有机质的耗竭,降低了土壤脲酶和碱性磷酸酶活性;适度降水提高了土壤全氮、全磷含量及酶活性,降水过多则相反。适度的家畜践踏与降水相耦合下草地土壤的养分循环和酶活性要优于重度践踏和不践踏小区。在对草地的适度放牧利用前提下,应注重土壤含水量和放牧畜种对草地的影响。草地干旱或土壤含水量过高时,应适当减少放牧畜种中牦牛比例增加藏羊比例,以期使草地得到健康可持续发展。     

极端干旱区绿洲生态用地规划

从保障极端干旱区生态安全、生物多样性以及土地资源的合理配置的目的出发,采用最小累积阻力模型,分析于田县生态源地空间扩张的最小阻力分布,在此基础上对生态用地保护的重要性进行分级,进而设置生态用地规划情景,同时对影响于田县生态用地空间分布的驱动因素进行了探讨。结果表明:(1)于田县生态用地分为生态核心区、生态控制区、生态过渡区、生态保护区4种类型,其面积分别为9622.20、1078.45、10846.70、8322.65 km~2,其中生态核心区和生态控制区主要分布在研究区南部昆仑山谷地和克里雅河及相关支流水域等沿岸;生态过渡区和生态保护区主要分布在东部和北部广大的荒漠戈壁区域。(2)于田县生态用地规划受到自然和社会经济因素多方面的制约,具体表现在受绿洲经济的发展、环境绿化建设、城镇化以及人口和收入等主要因子的影响。于田县生态用地规划以期为极端干旱区绿洲生态用地合理开发和保护提供了重要科学依据。     

极端干旱区沙土掩埋对凋落物分解速率及盐分含量动态的影响

极端干旱区由于降水稀少, 植被盖度低, 太阳辐射强烈, 以及土壤稳定性差, 导致其凋落物周转不同于非干旱区。为探究极端干旱区凋落物分解规律, 该研究利用凋落物分解袋法, 以塔克拉玛干沙漠南缘沙漠-绿洲过渡带优势物种花花柴(Karelinia caspia)、骆驼刺(Alhagi sparsifolia)和胡杨(Populus euphratica)凋落叶为研究对象, 设置不同的沙土掩埋处理: 地表、2 cm和15 cm埋深, 以模拟自然条件下凋落物分解环境, 测定分解过程中凋落物质量和水溶性盐的变化特征。结果表明: 极端干旱区凋落物分解速率与凋落物初始碳(C)含量、氮(N)含量、C:N和木质素含量的关系与非干旱区存在较大差异, 在地表处理下, 木质素含量越高, 质量损失越快。不同分解环境下凋落物质量和水溶性盐损失具有显著差异, 与15 cm埋深相比, 地表和2 cm埋深处理显著增加了凋落物的质量损失和水溶性盐总量损失。地表处理增加了凋落物分解前期的水溶性盐溶解量。该研究表明, 极端干旱区凋落物分解的驱动机制具有独特性, 由于降水稀少, 土壤微生物的活性较低, 掩埋深度不是驱动凋落物分解的主要因素, 极端干旱区凋落物的分解主要受其他非生物过程如太阳光辐射的影响。     

敦煌莫高窟干旱地区水分凝聚机理分析

通过对敦煌莫高窟戈壁地质结构的调查和洞窟检测,结合气象资料对戈壁土壤水分凝聚机理进行了分析,并根据形成机理在野外进行了水分凝结的覆膜实验.结果表明,在莫高窟戈壁区的上层砾砂中,由于强烈的温度日较差变化,形成了凝结水分;另外源于地下深处的水分通过土壤盐分的吸湿吸附作用在地下10～40cm范围内相对富集,并由于剧烈的波动呈现时空异质性变化.将凝结、吸湿吸附等方式形成的土壤水分统称为凝聚水分.凝聚是水分存储于一定土壤的结构过程,与太阳辐射、温度、湿度等气候因子密切相关.变温层土壤的温度、盐分、湿度、结构、密闭程度、地热等对水分的凝聚有重要影响.水分的凝聚机理对干旱地区的生态建设和文物保护具有重要的现实意义.     

干旱荒漠区土壤有机质空间变异特征

以内蒙古阿拉善左旗为例 ,研究了干旱荒漠区土壤有机质的空间变异特征。传统统计分析结果表明 ,研究区内土壤有机质含量总体水平较低 ,平均为 6 .6 5 g/ kg;变异系数为 1.4 2 ,属强变异。在半方差结构分析和球状模型套合的基础上 ,结合普通Kriging插值方法 ,分析了土壤有机质的地统计特征。比较不同趋势效应和异向性的普通 Kriging插值的误差结果表明 ,宜考虑各向异性和二阶趋势效应。获得了研究区土壤有机质含量的等值线图 ,并分析了其空间分布规律     

不同利用强度下绿洲农田土壤微量元素有效含量特征

以地处极端干旱背景下的塔里木盆地南缘策勒绿洲为研究区,以绿洲化为视角,根据当地农民耕作习惯于2005年选择4块试验农田,分别代表当地典型的农田利用强度。基于单项指数(Ei)和综合指数(Ec)相结合的评价方法,分析了绿洲农田在不同利用强度下的土壤Fe、Cu、Mn、Zn等微量元素有效性,探讨了土壤微量元素与人为耕作管理措施之间的关系。结果表明:人为耕作管理强度会对土壤微量元素有效含量产生重要影响,绿洲不同位置农田因施肥强度和管理方式的差别,其土壤微量元素有效含量特征存在显著差异。绿洲内部农田土壤有效Fe、Cu、Mn、Zn含量显著高于绿洲边缘各样地,新垦农田土壤有效Fe、Cu、Zn含量均低于对照样地;绿洲内部农田土壤微量元素有效性最高,新垦农田最低;农田土壤微量元素有效性与土壤有机质存在显著的正相关关系。     

干旱区湿地芦苇各器官生态化学计量对土壤因子的响应

了解植物养分浓度及其化学计量对土壤因子的响应,对预测脆弱而敏感生态系统对环境变化的响应至关重要.以敦煌阳关湿地优势种芦苇(Phragmites australis)为对象,通过野外调查与实验分析,研究芦苇不同器官生态化学计量特征及其影响因素.结果 表明:芦苇各器官C、P含量为叶＞根＞茎,N含量及N∶P为叶＞茎＞根,C∶...     

新疆干旱区盐碱地生态治理关键技术研究

现阶段新疆干旱区高强度水土资源开发,致使传统灌排水盐平衡模式难于维继;高效节水灌溉技术应用改变农田土壤水盐运移规律,需要创新调控理论与技术体系;传统盐碱地农业开发利用模式资源效率低、维持成本高,需要以生物修复技术为核心构建盐碱地高效率资源化利用模式。针对上述问题,在国家重点研发计划(2016YFC0501400)的资助下,通过机理研究、关键技术研发、产品研制、县域集成示范实现:(1)建立新疆干旱区现代水盐平衡调控理论,(2)创新干旱区盐碱地生态治理模式,(3)建成盐碱地产业化集成示范区,形成全产业链的盐碱地生态治理技术服务体系,(4)稳定一支以新疆相关单位为主体,国内优势单位参与的根植新疆的盐碱地生态治理队伍。     

干旱区生态系统健康评价的指标、模型及应用

采用生态系统健康的理论与方法分析干旱地区生态环境问题具有较强的理论和现实意义。本研究以沙坡头地区荒漠景观为背景,着重探讨干旱区生态系统健康评价方法,建立评价指标体系及模型。研究结果表明：单种时,以密度为2500株／hm^2的油蒿样地最为健康;混种时,以样地5最为健康,其密度为5000株／hm^2,覆盖率亦最大。该结果说明适当的种植密度和方式是一种值得提倡的经营管理模式。