黄土丘陵区生物结皮群落组成与水分入渗的关系

黄土丘陵区坡面尺度生物结皮多是由藻、藓和地衣等以不同比例、不同方式组合的一个复杂群落结构,显著影响水分入渗,但目前混合生物结皮水分入渗与其群落结构之间的关系仍不清楚,妨碍了对坡面尺度生物结皮土壤渗透性的评估。本研究测定了藻结皮、藓结皮及藓结皮盖度分别为<15%、15%～30%、30%～45%、45%～60%、＞60% 5个不同藻藓比例的混合生物结皮的稳定入渗速率,采用主成分分析和通径分析揭示混合生物结皮水分稳定入渗速率的影响因素,明确混合生物结皮水分稳定入渗速率与群落结构之间的关系。结果表明: 藻结皮和藓结皮土壤饱和导水率分别为0.66和2.40 mm·min^-1。藓结皮盖度从<15%到>60%的混合生物结皮的稳定入渗速率为0.80～2.30 mm·min^-1。混合生物结皮水分稳定入渗速率主要与藓结皮盖度和藓结皮改善的土壤孔隙结构密切相关,相关系数分别为0.636(P=0.011)和0.835(P=0.000)。通过藻结皮和藓结皮土壤饱和导水率与盖度加权预测的混合生物结皮水分入渗量(y)与混合生物结皮实测水分入渗量(x)具有极显著相关关系(r=0.945),二者拟合的线性函数为y=0.85x(R²=0.98,P<0.05)。本研究明确了混合生物结皮水分入渗与单一组成生物结皮水分入渗之间的关系,为准确评估该区生物结皮水文过程提供了科学依据。     

混合生物结皮对土壤养分的影响与群落结构之关联——以黄土丘陵区的生物结皮为例

自然条件下生物结皮是藻、藓及地衣等结皮类型以不同比例组成的混合群落,显著影响土壤养分含量,目前混合生物结皮对土壤养分的影响与其群落结构的关系尚不清楚,限制了混合生物结皮土壤养分的评估。为此,研究通过测定单一组成的藻结皮、藓结皮以及80%藻+20%藓、60%藻+40%藓、40%藻+60%藓和20%藻+80%藓4个不同藻藓比例的混合生物结皮土壤有机碳、全氮、全磷、速效磷、铵态氮和硝态氮含量,研究了混合生物结皮土壤养分与其群落结构之间的关联。结果显示：(1)藓结皮层土壤有机碳、全氮、速效磷、铵态氮和硝态氮含量显著高于藻结皮,分别高出166.4%、77.2%、55.1%、56.2%和42.2%。(2)藻藓混合生物结皮土壤有机碳、全氮、速效磷和铵态氮含量与组成和盖度等结构特征有关,可以通过单一类型生物结皮土壤养分含量与盖度加权预测混合生物结皮土壤养分储量。(3)混合生物结皮土壤有机碳、全氮、速效磷和铵态氮储量实测值(x)与预测值(y)拟合的线性函数分别为y=0.97x、y=0.96x、y=1.18x和y=0.92x。(4)混合生物结皮对全磷和硝态氮含量的影响与群落结构无关。生物结皮对下层0—5 ...     

黄土高原水蚀风蚀交错区生物结皮的地表粗糙度特征及其影响因素

增加地表粗糙度是生物结皮影响干旱和半干旱地区地表水文与土壤侵蚀过程的重要途径。本文针对黄土高原水蚀风蚀交错区典型小流域,使用链条法测定了裸沙、物理结皮以及不同发育阶段生物结皮(藻、藻-藓混生、藓)的地表粗糙度,比较了不同地形(坡度和坡向)和土壤条件(土壤类型和含水量)下生物结皮地表粗糙度的差异,分析了生物结皮对地表粗糙度特征的影响及其与地形因素和土壤属性的相关关系。结果表明:与裸沙相比,随着物理结皮、藻结皮以及藻-藓混生结皮的相继发育,地表粗糙度由0.67持续增加至16.76(F=194.31,P0.01);各发育阶段中,藻-藓混生结皮的地表粗糙度最高,为无结皮土壤的25倍,但由藻-藓混生结皮发育至藓结皮后地表粗糙度骤减了52.7%(仍大于裸沙和物理结皮);生物结皮的地表粗糙度在10°～30°坡度范围内差异不显著,但在30°～40°坡度下其地表粗糙度显著增加(F=10.05,P0.01),增加幅度达25.5%;且阳坡藓结皮的地表粗糙度显著高于阴坡(t=-5.70,P0.01),为阴坡的1.3倍;生物结皮的地表粗糙度随含水量变化波动较为剧烈,任意含水量下黄绵土上发育的藓结皮的地表粗糙度均高于风沙土上发育的藓结皮(F=187.16,P0.01),前者平均为后者的2.1倍;黄绵土上藓结皮的地表粗糙度与有机质含量呈显著负相关(r=-0.998,P=0.04),而与其他土壤属性的相关性不显著。综上,黄土高原水蚀风蚀交错区生物结皮的发育显著增加了地表粗糙度,其关键影响因素是生物结皮的发育阶段以及坡度和坡向。     

毛乌素沙地区域尺度生物结皮有机碳

生物结皮在旱区荒漠养分循环和碳氮固存等生态系统功能方面发挥着重要作用,尤其能通过光合作用固定CO₂,从而提高土壤有机碳含量。目前有关区域尺度生物结皮土壤有机碳认知的缺乏在一定程度上制约了土壤碳库的精准预测。本研究选取毛乌素沙地全域(4.22万km²)内45个样地,测算了藓结皮和藻结皮两类典型生物结皮及其下土壤的有机碳含量(SOC)和密度(SOCD),并结合气候、土壤和植被等指标,深入探讨了区域尺度下生物结皮有机碳的空间分布特征及其主控因素。结果表明: 1)与裸沙相比,生物结皮显著提升了土壤有机碳含量和密度,且藓结皮及其下土壤有机碳含量(4.93 g·kg^-1)和密度(0.41 kg·m^-2)均高于藻结皮(1.89 g·kg^-1、0.18 kg·m^-2)。2)区域尺度上,生物结皮的有机碳含量和密度具有明显的空间分布特征,呈现出由东北-中部、西部-东南方向递减的带状分布与块状镶嵌分布。3)生物结皮及其下土壤有机碳含量和密度主要受气候、土壤和植被的综合影响,并因生物结皮类型而异,藓结皮主要受年均最高温和蒸散力的影响,而藻结皮主要受水蒸气分压的影响。     

黄土丘陵区不同演替阶段生物结皮对土壤CO2通量的影响

生物结皮是土壤表面具有光合活性的致密复合层,是土 气界面CO₂通量的影响因子之一.本文采用改进的Li-8100土壤碳通量测量系统,研究了黄土丘陵区退耕地上不同演替阶段生物结皮对土壤CO₂通量的影响.结果表明: 光照条件下,生物结皮土壤CO₂通量较除去生物结皮显著下降,其中藻结皮和藓结皮分别下降了92%和305%;生物结皮对土壤CO₂通量的降低程度与其生物组成和生物量有关,深色藻结皮和藓结皮土壤CO₂通量较裸地分别降低了141%和484%.生物结皮土壤CO₂通量的日变化呈降低-升高-降低的趋势,而裸地CO₂通量日变化趋势为单峰曲线,藻结皮、藓结皮的碳吸收峰值分别出现在8:00和9:00前后,其CO₂通量分别为0.13和-1.02 μmol CO₂·m^-2·s^-1;藻结皮24 h CO₂通量排放总量较裸地增加7.7%,而藓结皮减少了29.6%.生物结皮对土壤CO₂通量的影响显著,在评价退耕地土壤碳循环时,应考虑生物结皮的影响.     

生物土壤结皮对雨滴动能的响应及削减作用

在野外调查采样的基础上,采用单滴雨滴法研究了黄土高原水蚀风蚀交错区不同类型生物结皮对雨滴动能的响应及削减作用.结果表明:生物结皮对雨滴动能的响应与其生物组成密切相关,击穿1 cm厚浅色藻结皮和80％盖度藓结皮的累积雨滴动能分别为0.99 J和75.56 J;相同组成的生物结皮对雨滴动能的响应与其生物量有关,生物量越大,击穿生物结皮所需累积雨滴动能越大;当藻结皮叶绿素a含量(表征藻结皮生物量)从3.32 μg·g-1增至3.73 μg·g-1时,对应的雨滴动能则由0.99 J增至2.17 J;当藓结皮的生物量从2.03 g·dm-2升至4.73 g·dm-2时,其对应的雨滴动能由6.08 J增至75.56 J;生物结皮演替过程中对雨滴动能的响应呈“S”形曲线变化.不同生物量的藻结皮对雨滴动能耐受能力的差异不显著;随单位面积苔藓生物量的增加,藓结皮对雨滴动能的耐受能力显著增加.藓结皮对雨滴动能的耐受能力在生物量2.03～4.73 g·dm-2之间呈线性增加;当藓结皮平均生物量达3.70 g·dm-2时,可以抗击62.03 J的雨滴动能.生物结皮对雨滴动能有显著的削弱作用,且这种削弱作用随着生物量的增加而增加.     

腾格里沙漠不同组成生物结皮特征及其对土壤酶活性的影响

生物结皮在干旱半干旱地区生态系统中起着重要的作用。目前,有关生物结皮的存在对土壤酶活性的影响已有大量研究,而对生物结皮基本特征对土壤酶活性的研究较少。以流沙为对照,研究了不同组成生物结皮(藻结皮、地衣结皮、地衣-藓结皮、藓结皮)中以结皮厚度、叶绿素a含量、胞外多糖、胞外蛋白质及结皮中养分为特征的变化规律及其对结皮下土壤酶活性的影响。结果表明：(1)不同组成生物结皮的结皮厚度、叶绿素a、胞外多糖、胞外蛋白质、C、N、P、C/N、C/P、N/P的变化范围从藻结皮到藓结皮分别为：2.28—8.29 mm、1.79—8.05μg/cm~2、14.60—20.43 mg/kg、13.16—19.37 mg/kg、5.54—51.42 g/kg、0.44—3.36 g/kg、0.23—0.54 g/kg、9.62—15.32、24.07—94.98、1.92—6.23,且上述结皮特征均沿着藻结皮、地衣结皮、地衣-藓结皮、藓结皮方向显著增加(P<0.001),但胞外多糖和胞外蛋白质在地衣结皮、地衣-藓结皮和藓结皮间无显著差异(P>0.05);(2)相比于C和N,结皮的P含量具有较小的变异...     

黄土丘陵区不同演替阶段生物结皮对土壤CO2通量的影响

生物结皮是土壤表面具有光合活性的致密复合层,是土-气界面CO2通量的影响因子之一.本文采用改进的Li-8100土壤碳通量测量系统,研究了黄土丘陵区退耕地上不同演替阶段生物结皮对土壤CO2通量的影响.结果表明:光照条件下,生物结皮土壤CO2通量较除去生物结皮显著下降,其中藻结皮和藓结皮分别下降了92％和305％;生物结皮对土壤CO2通量的降低程度与其生物组成和生物量有关,深色藻结皮和藓结皮土壤CO2通量较裸地分别降低了141％和484％.生物结皮土壤CO2通量的日变化呈降低-升高-降低的趋势,而裸地CO2通量日变化趋势为单峰曲线,藻结皮、藓结皮的碳吸收峰值分别出现在8:00和9:00前后,其CO2通量分别为0.13和-1.02 μmol CO2·m-2·s-1;藻结皮24 h CO2通量排放总量较裸地增加7.7％,而藓结皮减少了29.6％.生物结皮对土壤CO2通量的影响显著,在评价退耕地土壤碳循环时,应考虑生物结皮的影响.     

黄土高原丘陵区生物结皮土壤的斥水性

采用滴水穿透时间法和酒精溶液入渗法,研究了黄土高原丘陵区浅色藻结皮、深色藻结皮、藻+少量藓结皮、藓+少量藻结皮、藓结皮5种不同发育阶段的原状生物结皮土壤的斥水性及其与土壤含水量的关系.结果表明: 生物结皮增加了土壤的斥水性,其斥水强度和持久性均显著增加.生物结皮土壤的斥水性随生物结皮的演替逐渐降低,当生物结皮中藓类植物盖度在20%以上时,斥水持久性显著低于藻结皮.生物结皮土壤的斥水性与土壤含水量及优势种密切相关,藓类生物结皮土壤的斥水性随着含水量的降低逐渐增加,藻类生物结皮土壤的斥水性随含水量的变化呈双峰曲线.     

黄土丘陵区不同类型生物结皮下的土壤生态化学计量特征

生物结皮在土壤养分累积和循环中起着重要作用.本研究以黄土丘陵区浅色藻结皮、深色藻结皮、藻藓混合结皮、藓结皮、地衣结皮和普通念珠藻结皮6类典型生物结皮为对象,分析不同类型生物结皮土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)含量及其化学计量学特征,研究不同类型生物结皮对土壤养分的影响.结果表明:不同类型生物结皮土壤C、N、P、C/N、C/P、N/P差异显著;生物结皮层C、N、P、C/N、C/P、N/P均显著高于0~10 cm土层土壤.6类生物结皮土壤C、N含量均随土层加深而下降,P含量受土层深度影响较小.对于生物结皮层,藓结皮C、N、P含量分别为27.07、2.42、0.67 g·kg^-1,显著高于其他类型生物结皮.念珠藻结皮的0~2 cm土层土壤C、N、P、C/N、C/P、N/P显著高于其他类型生物结皮.     

不同降水条件下生物结皮覆盖对沙地土壤有机碳的影响

生物结皮是干旱半干旱地区重要的地表活体覆盖物,其通过光合固碳影响土壤有机碳、活性碳组分的含量及其稳定性。目前有关生物结皮中有机碳变化特征的研究非常有限。本研究在毛乌素沙地沿降水梯度从西北向东南选择了两类典型的生物结皮(苔藓结皮、藻结皮),直线跨度188 km,通过测定土壤有机碳(SOC)、微生物生物量碳(MBC)、可溶性有机碳(DOC)、颗粒态有机碳(POC)和易氧化有机碳(ROC),探讨生物结皮对土壤有机碳稳定性的作用及其对降水梯度的响应,并基于藓类植物凋落物分解试验解析降水变化对其碳分解过程的影响。结果表明: 1)两类生物结皮覆盖均显著提高了SOC和MBC、DOC、POC、ROC等活性碳组分含量及SOC稳定性,其中,藓结皮对SOC的提升作用为藻结皮的1.6～2.6倍。2)两类生物结皮SOC含量最低点均出现在西北样地(分别为6.43、14.50 g·kg^-1),随降水升高,SOC总体上呈现递增的趋势。3)随降水的升高,藓类凋落物所需的分解时间逐渐减少,研究期内(7月至次年2月)的分解系数在0.010～0.014,显著低于维管植物,自西北向东南3个样地藓类凋落物的碳释放量分别为8.09、10.89、12.88 g·kg^-1。4)典范对应分析显示,水蒸气分压力、实际蒸散量、年均温、地表向下短波辐射、潜在蒸散量、饱和水汽压差等是影响SOC及其活性碳组分含量的关键气候因子,粉粒含量是影响其含量的主要土壤因子。     

沙坡头地区生物结皮覆盖区土壤种子库组成及垂直分布特征

采用野外随机取样和室内萌发试验相结合的方法,对沙坡头人工植被区的藓类结皮、地衣结皮和裸沙覆盖区土壤种子库的组成及垂直分布特征进行了研究。结果表明:1)人工植被区土壤种子库的物种组成简单,以1年生草本为主,相较于裸沙,两种生物结皮的存在显著增加了土壤种子库的密度(P0.01),但降低了土壤种子库的物种多样性及其与地上植被的相似性;2)两种生物结皮覆盖区土壤种子库的总密度虽无显著差异,但在0—2 cm土层中,地衣结皮土壤种子库的密度显著高于藓类结皮(P0.05),而在2—5 cm和5—10 cm土层中,藓类结皮土壤种子库的密度高于地衣结皮,但差异不显著;3)不同生物结皮覆盖区土壤种子库的垂直分布特征存在差异,藓类结皮覆盖土壤中有活力的种子主要分布在0—5 cm土层中,而地衣结皮和裸沙覆盖土壤中有活力的种子主要分布在0—2 cm土层中,且随着深度的增加,土壤中有活力的种子急剧减少。该研究表明,相较于裸沙,生物结皮的存在不仅增加了土壤种子库的大小,还改变了土壤种子库的垂直分布格局。生物结皮层下仍有相当比例有活力的小种子,这些种子欠缺萌发条件,对地上植被的贡献作用较小,但它们的存在对荒漠生态系统健康及可持续发展具有重要意义。     

生物结皮-土壤呼吸对冬季低温及模拟增温的响应

以腾格里沙漠东南缘天然植被区藓类结皮和藻-地衣结皮-土壤为研究对象,利用开顶式生长室(OTC),采用Li-8150系统连续测定了冬季(2015年11月—2016年1月)低温环境下两类结皮-土壤呼吸的变化,分析了低温及模拟增温对两类结皮-土壤呼吸的影响.结果表明: 观测期内,藓类结皮、藻-地衣结皮-土壤呼吸速率分别为-0.052～0.418、-0.032～0.493 μmol·m^-2·s^-1,且藓类结皮显著高于藻-地衣结皮-土壤系统.不同类型结皮-土壤呼吸速率与5 cm土壤温度和土壤体积含水量均呈显著线性正相关,增温主要是通过加速土壤水分蒸散而抑制生物结皮-土壤呼吸速率.在整个观测期,藓类结皮-土壤系统累计排放9.90 g C·m^-2,显著高于藻-地衣结皮-土壤系统的7.00 g C·m^-2.研究区生物结皮-土壤系统冬季累计排放7.40 g C·m^-2,是该荒漠生态系统全年碳收支的重要组成部分.     

外源输入碳在生物结皮土壤各碳组分中的分配特征

研究外源新输入碳进入生物结皮后在各碳组分间的分配特征,可以为理解生物结皮参与碳地球化学循环过程提供数据支持和理论依据。本研究针对黄土高原典型苔藓生物结皮,借助¹³C脉冲标记技术,精确示踪外源新输入碳在生物结皮碳组分中的分配特征及其与无结皮裸地的差异,揭示生物结皮对碳循环的影响。结果表明: 1)由于生物结皮养分循环速率较慢,且与维管束植物相比,其主要生物成分苔藓的生物量有限,导致生物结皮各碳组分的¹³C丰度值均随时间变化表现相对平稳。2)生物结皮的各碳组分¹³C含量均明显高于无结皮裸地,其有机碳、微生物生物量碳、可溶性有机碳中¹³C含量平均分别为0.258、0.078、0.004 mg·kg^-1,分别比裸地高3.1、18.5、2.6倍,且苔藓植株¹³C含量高达1.45 mg·kg^-1。3)生物结皮改变了有机碳各组分的分配特征,其新同化的碳主要分配于活性有机碳库和结皮生物中,表现为¹³C在微生物生物量碳中的分配率(30.6%)高于可溶性有机碳(1.7%),而苔藓植株的¹³C分配率为20.3%。4)生物结皮中微生物生物量¹³C的转移量和库容量分别是裸地的15.7和19.5倍,但其周转率(每月2.94次)略低于裸地(每月3.30次),相应周转期是裸地的1.1倍。综上,生物结皮改变了土壤有机碳组分的分配特征,提升了碳周转速率,在干旱荒漠生态系统碳循环中的作用不容忽视。     

肥沃耕层构建对东北黑土区旱地土壤肥力和玉米产量的影响

有机物料还田是提高土壤肥力、改善土壤结构和增加作物产量的重要农艺措施之一。本研究通过分析有机物料深混还田构建肥沃耕层后土壤的有机质、速效养分含量和玉米产量,明确了黑土区不同土壤类型旱地土壤肥力指标和玉米产量对肥沃耕层构建方式的响应特征,以期为实现东北黑土区旱地保护性利用和农业可持续发展提供科学依据。采用小区试验与大区示范相结合的方式,在黑龙江省、吉林省和辽宁省选取9个生态类型区作为试验点,土壤类型包括黑土(中厚黑土和薄层黑土)、草甸土、黑钙土、白浆土、棕壤、暗棕壤和褐土。每个试验点均设置了玉米秸秆深混构建肥沃耕层(CF_Ⅰ)、秸秆配合有机肥深混构建肥沃耕层(CF_Ⅱ)和无有机物料还田(CK)3个处理。其中,CF_Ⅰ、CF_Ⅱ处理的小区试验和大区示范的秸秆还田量分别为10000 kg·hm^-2和全量还田,CF_Ⅱ处理的有机肥施用量为30000 t·hm^-2;CF_Ⅰ和CF_Ⅱ处理中有机物料的还田深度均为0~35 cm。结果表明: 不同土壤类型旱地的土壤肥力差异较大,不同土层表现为亚耕层土壤肥力小于耕层土壤,其中暗棕壤和白浆土尤为突出;棕壤、褐土耕层和亚耕层的土壤肥力均偏低;黑土和草甸土的质地比较黏重和犁底层较厚。在试验时间为两年以上的5个试验点中,与CK相比,CF_Ⅰ和CF_Ⅱ处理耕层的土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量平均增加1.85 g·kg^-1、20.16 mg·kg^-1、1.56 mg·kg^-1和17.2 mg·kg^-1,亚耕层较耕层增加了2.09 g·kg^-1、12.06 mg·kg^-1、2.18 mg·kg^-1和3.84 mg·kg^-1。与CK相比,CF_Ⅰ处理显著增加了耕作层和亚耕层土壤有机质和速效磷含量,CF_Ⅱ处理显著增加了耕作层和亚耕层的全部土壤肥力指标,说明肥沃耕层构建是提高土壤肥力的重要途径,其中玉米秸秆配施有机肥是快速提升土壤肥力的有效方法。受不同地区水热条件和土壤类型等的影响,不同试验区的玉米产量差异较大;不同处理间差异显著,表现为CF_Ⅱ>CF_Ⅰ>CK,说明肥沃耕层构建方式在不同生态类型区均能有效提高玉米产量。采用玉米秸秆或者玉米秸秆配合有机肥深混的肥沃耕层构建方式能够同步培肥耕层和亚耕层土壤,提高玉米产量。不同生态类型区应根据土壤类型、有机物料来源等采取相应的肥沃耕层构建方式,建议在有机肥源充足的区域,优先采用秸秆配合有机肥深混构建肥沃耕层。     

宁南山区典型草本植物茎叶分解对土壤酶活性及微生物多样性的影响

采用凋落物分解袋法,以宁南山区典型草本植物长芒草、铁杆蒿、百里香为研究对象,分析了3种植物茎叶分解过程中土壤酶活性变化特征和分解后期微生物多样性特征,以及土壤酶活性与初始土壤化学性质的关系.结果表明: 植物茎叶分解480 d后,各处理土壤酶活性均有不同程度的增加,且长芒草处理土壤蔗糖酶活性和碱性磷酸酶活性最高,分别为32.40和1.99 mg·g^-1·24 h^-1,百里香处理土壤脲酶活性最高(2.66 mg·g^-1·24 h^-1),铁杆蒿处理土壤纤维素酶活性最高(1.42 mg·g^-1·72 h^-1).分解末期土壤纤维素酶活性与土壤初始微生物生物量碳呈显著正相关;分解末期土壤纤维素酶活性与土壤初始硝态氮含量呈显著负相关.添加植物茎叶处理土壤细菌和真菌的Ace指数、Chao指数和Shannon指数均显著大于对照,Simpson指数显著小于对照.植物茎叶的分解显著提高了土壤细菌和真菌的丰度及多样性,进而提高了植物茎叶的分解速率,促进了生态系统营养物质的循环与转化.