黄土高原退耕地的生态恢复

在刈割干扰下,黄土高原退耕地恢复进程中植被从沙蓬（Agriophyllum arenarium)单优群落向以达乌里胡枝子（Lespedeza davurica)为优势种的群落演替。物种增加速度初期快,后期慢,退耕后恢复初期的新增物种主要是沙蓬和白草（Pennisetum flaccidum);中前期主要是茵陈蒿（Artemisia capillaris),可成为群落的次优势种;中后期新增物种主要是多年生豆科植物,只是群落的伴生种,群落中1年生和多年生植物地上生物量分别以8.8%的年平均速率减少或增加,豆科植物地上生物量及所占比例上升,在退耕地恢复过程中,上层土壤中植物地下生物量比例与变化幅度增加,表现出浅层化趋势,退耕地恢复演替1-7年,土壤粘粒和粉粒减少,砂粒增加,7年后变化趋势相反,退耕地0-100cm土壤含水量在恢复期间呈逐渐上升趋势,中期增幅显著,全N和速效N在恢复前期减少,后期增加,在刈割利用下,退耕地恢复过程中土壤全P,速效P和有机C持续衰竭,退耕地恢复到当前稳定的群落所需时间分别为优势种群8-9年,群落9-11年和土壤11-12年。     

黄土丘陵沟壑区退耕地自然恢复植物群落的分类与排序

采用TWINSPAN分类和CA排序方法,对黄土高原皇随便沟壑区安塞33个退耕地自然恢复植被样方进行了分类与排序。结果表明,在40a的演替过程中,退耕地植被大体上经历了猪毛蒿（Ａrtemisia scoparia）为优势种的群落、达乌里胡枝子（Ｌespedeza davnrica）和长芒草（Ｓtipa bungeana）为优势种的群落、铁杆蒿（Ａrtemisia gmelinii）为优势种的群落和白羊草（Ｂothriochloa ischaemum）为优势种的群落,４个群落的物种组成表现出较强的延续性和递进性。排序轴与环境因子的相关分析表明,土壤养分、土壤水分以及地形因子或强或弱地影响着退耕地自然植物群落的变化,其中土壤有机质、氮磷钾、土壤水分以及坡度与植物群落变化之间的关系密切。     

黄土高原子午岭退耕地土壤物理性质与群落特征

通过对子午岭北部黄土丘陵沟壑区4、9、15和20a退耕地的生境和植被群落特征的分析,研究了不同年限退耕地的植被群落、土壤水分、容重和生物量的变化。结果表明：随退耕年限的增加,杂草群落中物种分布较均匀,物种丰富度明显增加,植物种数和个体数增加,其优势种和亚优势种分属于6科9属;根系在土层中分布增多,在一定深度范围内土壤结构逐渐疏松,致使土壤容重随退耕年限的增加而减小;在0～80cm土层内土壤含水量从高至低依次为4a、20a、15a和9a退耕地;80～300cm土层的土壤含水量得到明显改善,土壤含水量从高至低依次为20a、4a、15a和9a退耕地;地面生物量随退耕年限的延长而增加,但增加幅度逐渐趋于缓慢。     

阴山北麓农牧交错区退耕地草地生态系统碳交换及水分利用效率

内蒙古阴山北麓农牧交错区由于长期不合理的开垦造成了荒漠草地生态系统碳交换等生态功能的显著丧失。我国20世纪末开始实施的退耕还林还草工程产生了大量退耕地,随着自然恢复演替,这些退耕地的生态功能得到了有效的修复,其巨大的碳汇潜力成为了荒漠草地生态系统碳循环研究的热点。研究通过空间代替时间的方法,对内蒙古阴山北麓典型区域——武川县周边无干扰的荒漠草原以及3个退耕恢复阶段草地的生态系统CO₂交换(NEE、GEP和ER)、水分利用效率(WUE)以及生物量等指标进行了实地测量。结果表明：(1)随着退耕恢复演替时间的推移,生态系统CO₂交换呈显著上升趋势,演替晚期植被NEE与未受干扰的荒漠草地无明显差异;(2)生态系统水分利用效率的变化趋势与生态系统CO₂交换基本一致,但已退耕17年后的退耕地WUE仍没有恢复至未受干扰荒漠草地的水平;(3)导致以上结果的原因主要与退耕地地上植被生物量的恢复以及一、二年生植物和多年生植物比例的演替变化有关。结果表明荒漠草地退耕地恢复过程中生态系统功能的恢复可能并非是同时的,而是分阶段有选择进行的。     

黄土丘陵沟壑区退耕地土壤养分因子对植被恢复的贡献

为了探求各土壤养分因子对植被恢复贡献的大小．利用因子分析(Factor analysis)对黄土高原丘陵沟壑区退耕地植被恢复中的土壤养分进行了多元统计分析,定量研究了土壤养分环境对植被恢复的作用。结果表明：住所选取的6个土壤养分因子中,土壤有机质、有效N、全P和速效P对植被恢复的贡献较大．是限制该地区植被恢复的主导因素,其它养分因子的贡献相对较小。根据土壤养分因子间的相关系数,土壤有机质与全N和有效N呈显著相关。因此,在评价土壤养分因子对植被恢复贡献大小时．选取土壤有机质、氮和磷的含量作为评价指标,不但节省了时间和财力,而且有助于植被恢复的快速评价。     

陕西省丹汉江流域退耕地恢复过程中的植被演替

以陕西省丹汉江流域退耕地南坡和北坡不同退耕年限的自然恢复植物群落为研究对象,开展群落物种组成调查,并进行物种多样性特征分析和群落极点排序,对该区退耕地恢复过程中的植被演替规律进行研究.结果表明： 研究区退耕地植被演替的阶段依次为：一年生草本群落→多年生草本群落→灌草群落→乔灌草群落.形成多年生草本群落需2～5 a,形成灌草群落需7～10 a,形成乔灌草群落需30 a以上.南坡和北坡不同类型退耕地的植被演替阶段相同,物种多样性指数略有差异.随着退耕年限的增加,南坡物种多样性指数总体呈先降后升的趋势;而北坡物种多样性指数呈先波动上升,而后在退耕30 a时略有下降.     

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.     

21世纪以来黄土高原水分利用效率时空变化及归因

生态系统水分利用效率(WUE)是表征碳水耦合过程的关键指标,然而,有关气候变化和退耕还林还草工程背景下黄土高原WUE的时空变化特征及其主导因子仍未明晰。研究利用遥感驱动的生态系统过程模型BEPS模拟2001-2020年黄土高原总初级生产力(GPP)和蒸散(ET),并结合基于敏感性试验的多控制因子联立求解方法定量分析气候和植被因子对黄土高原WUE变化(WUE=GPP/ET)的贡献。结果表明:(1)2001-2020年黄土高原GPP和ET分别以12.9 gC m^-2 a^-1和3.7 mm/a速率显著升高,并使得WUE增长显著(0.021 gC mm^-1 m^-2 a^-1)。(2)2001-2020年间黄土高原80.12%的区域叶面积指数(LAI)显著升高(全区增速为0.014 m² m^-2 a^-1)而气候因子变化均不显著。(3)植被因子和气候因子对WUE变化分别呈正贡献和负贡献,植被因子作为主要影响因子主导了黄土高原86.74%地区的WUE变化。研究结果有望为干旱区生态水文管理和相关政策制定提供一定科学参考。     

黄土高原植被恢复的水分生态环境研究

水分是制约黄土高原地区植被恢复与生态环境重建的决定性因子,在分析现有关于该区植被建设中的水分生态环境的各项研究的基础上,从水资源,土壤水分背景,土壤水分动态,土壤干层,土壤水分的林草生产力,水分性质分区,林草对策等7个方面,对黄土高原的土壤水分环境进行了阐述,针对该问题的研究现状,指出其中存在的问题,并对今后的研究进展了展望。     

青土湖不同年限退耕地植被物种多样性及土壤酶活性研究

采用时空替代法,对甘肃省民勤县青土湖不同年限退耕地(退耕1 a、2 a、4 a、8 a、13 a、20 a、30 a、40 a)的植被演替特征、土壤酶活性进行调查,以耕地为对照(CK),分析植被群落与土壤酶活性的相关性,以揭示其变化规律及其驱动机制,为青土湖区及其相似地区退耕地生态系统修复及生态环境建设提供理论基础。结果表明：(1)青土湖在退耕40 a自然恢复过程中,9个样方中共出现16科32属42种植物,物种构成表现为：多数种归于少数科,大部分植物种为单属单科。(2)随着退耕年限的增加,群落优势种由草本植物逐渐转化成灌木植物,植物种由退耕初期(1 a或2 a)的19种降低到退耕4 a的14种、退耕20 a的13种、退耕30 a的5种;退耕30 a时耐盐碱灌木植物盐爪爪成为该地的优势种,其重要值达到52.862,但退耕40 a时优势种盐爪爪的重要值降为36.008。(3)随着退耕年限增加,植物Margalef丰富度指数呈波动式下降的趋势;Shannon多样性指数和Pielou均匀度指数总体趋势呈先增加后减小,再逐渐趋于稳定;Simpson优势度指数整体变化幅度较小,最终呈稳定的趋势。(4)在不同土层(0~20 cm和20~40 cm)中,4种土壤酶活性随退耕年限增加总体表现出先升高后下降再逐渐趋于稳定的趋势,均在退耕8 a后显著下降,且磷酸酶和脲酶活性均显著低于蔗糖酶和过氧化氢酶活性;与对照样地(CK)相比,磷酸酶活性与脲酶活性均随退耕年限增加而下降;土壤磷酸酶、蔗糖酶和脲酶活性均随土层加深而降低。(5)相关分析结果显示,0~20 cm土层中,物种数与土壤蔗糖酶活性、磷酸酶活性以及脲酶活性均呈显著正相关关系;20~40 cm土层中,物种数与土壤脲酶活性呈极显著正相关关系,与土壤过氧化氢酶活性呈显著负相关关系;Margalef丰富度指数与0~20 cm土层的磷酸酶活性和蔗糖酶活性均呈显著正相关关系,与脲酶活性呈极显著正相关关系;20~40 cm土层中,Margalef丰富度指数与脲酶活性呈极显著正相关关系;Shannon多样性指数、Pielou均匀度指数和Simpson优势度与4种土壤酶活性间相关性较低且均不显著。研究认为,在青土湖区退耕地植被自然演替过程中,植物群落变得比较单一,物种多样性逐年降低,脲酶活性对物种多样性起着关键性作用。     

黄土高原退耕还林(草)区旅游开发探讨

黄土高原退耕还林(草)区生态环境相对脆弱,经济发展较为落后,如何在多元化目标主导下寻求退耕还林政策的合理模式,关系到西部大开发政策的实施效果。在简要介绍区域概况,评价退耕还林(草)模式的基础上,认为生态保护型和生态经济型模式缺乏社区利益的考虑,可持续发展的动力不足,但生态旅游开发模式可以解决动力不足的问题。通过分析退耕还林(草)区生态旅游开发的资源、区位、政策、交通、接待设施等旅游开发的影响因子,提出了黄土高原退耕还林(草)区旅游开发的阶段及任务,并构建了该区域旅游开发的分区框架。     

黄土丘陵区草地主要种群生态位及其环境解释

以黄土丘陵区不同生长年限撂荒草地群落为对象,研究种群生态位特征及其影响因素.结果表明: 铁杆蒿、茭蒿、猪毛蒿、达乌里胡枝子和硬质早熟禾等为优势物种,且不同生长年限优势种不同.草地生长从5年到10年,种群生态位宽度随年限的增加逐渐拓宽,对环境适应性增强;草地生长从10年到25年,种群生态位宽度随年限的增加先变窄(20年)再拓宽;草地生长超过25年,种群生态位宽度逐渐变窄,对环境适应性减弱.多数种群分别在10、25年生态位宽度达到峰值,对环境适应性最强.种群优势度与生态位宽度受种群动态影响而无线性关系.种群间生态位重叠均值先增大后减小,且在15年时达到最大值,表明种间竞争先增强后减弱,且在15年时种间竞争最为激烈.海拔、土壤含水量、土壤有机质含量为草地群落种群生态位宽度的主要影响因素;土壤全氮含量、海拔、土壤含水量为种群生态位重叠的主要影响因素.种群生态位宽度与生态位重叠主要影响因素不同,受资源空间异质性以及生长阶段影响而无线性关系.随着草地生长年限增加,种群适应性普遍增强,种群间对资源竞争先增强再减弱.海拔、土壤含水量、土壤全氮含量是影响种群适应性、种间关系的主要环境因子.     

黄土高原北部草地的恢复与重建对土壤有机碳的影响

草地的恢复与重建是黄土高原生态建设的重要内容,探讨草地恢复过程中土壤有机碳密度（SOCD）的变化规律对于合理评价北方水蚀风蚀交错带地区生态恢复的环境效应及其对土壤碳固存潜力的影响具有重要的理论价值。以黄土高原北部水蚀风蚀交错带地区不同生长年限的紫花苜蓿（Medicago sativa）人工草地及其退化后形成的次生草地为主要研究对象,探讨了SOCD的动态变化特征。结果表明,研究区0-100cm土体的SOCD普遍较低,变化范围为1.18-2.81kgCm^-2,略高于地球上荒漠带的水平（1.4kgCm^-2）,显著低于黄土高原中部（4.46-9.95kgCm^-2）与全国（11.52-12.04kgCm^-2）的平均水平。但是当土地利用方式由农田转变为人工草地以后,以及随着人工草地向长芒草（Stipabungeana）次生天然草地的自然演替,SOCD均有不同程度的增加,增加幅度最大可达72%,土壤表现为明显的碳汇。不同土地利用方式0-100cmSOCD的变化顺序为：灌木林地（2.11kgCm^-2）〉次生天然草地（1.95kgCm^-2）〉人工草地（1.91kgCm^-2）〉弃耕地（1.69kgCm^-2）〉农田（1.68kgCm^-2）,但统计差异不显著,意味着植被恢复对土壤碳固存的影响相对较小,该地区土壤固存CO2的潜力并不大,发育较好的次生天然草地0-100cm土体SOCD平均仅为2.20kgCm^-2。对SOCD垂直变化的分析结果表明表层SOC主要固存于表层0-20cm土壤,而且与0-100cm土体的SOCD具有显著的线性相关性,由表层观测值可以有效估计0-100cm土体的SOCD,估计误差为9.9%（0.18kgCm^-2）。     

黄土高原不同植被恢复方式对土壤水分坡面变化的影响

在黄土高原大规模退耕还林(草)背景下,土地利用变化对土壤水分及其时空结构会产生极大影响。以坡面为研究对象,根据两种植被恢复类型(撂荒草地和人工刺槐林地)土壤水分坡面变化趋势的差异,探究不同植被恢复方式对土壤水分坡面空间结构影响。结果表明:所调查的两个区域(延安羊圈沟和长武烧盅湾)皆表现为人工刺槐林地坡平均土壤含水量显著低于撂荒草地坡;且人工刺槐林地坡的土壤水分的坡面差异性皆比撂荒草地坡低。虽然两种恢复类型的土壤水分沿坡底到坡顶皆呈现降低的趋势,但是该降低趋势在两种恢复类型间存在一定差异:撂荒草地坡土壤水分沿坡面的变化趋势随深度增加有加强的趋势,且总体上,长武烧盅湾撂荒草地坡土壤水分沿坡面变化趋势比延安羊圈沟更明显;相比之下,人工刺槐林地坡土壤水分沿坡面的变化趋势随深度增加有变弱的趋势,且该趋势明显比撂荒草地坡弱;两个地区刺槐林地坡土壤水分沿坡面变化趋势不存在明显差异。综上所述,虽然不同降雨背景下土壤水分会表现出一定差异,但土壤水分的坡面变化趋势及不同恢复方式对其影响是相似的,即人工刺槐林地坡对土壤水分的过度消耗不仅会导致土壤水分亏缺,而且削弱了土壤水分的坡面变化趋势;而撂荒草地对土壤水分及其空间结构的维持有相对积极的意义。通过分析不同植被恢复方式对土壤水分坡面变化趋势的影响,能够更深入的了解不同植被恢复方式的土壤水文效应,同时可为以坡面为单元的退耕还林中植被科学配置提供一定的参考。     

黄土高原不同降水区休闲期土壤贮水效率及其对冬小麦水分利用的影响

土壤贮水是影响黄土高原冬小麦生产力的最重要因素,分析休闲期贮水效率对有效利用水资源具有重要意义。利用黄土高原旱作区4个农业气象观测站土壤水分长期观测资料和冬小麦产量资料,探讨了不同气候区休闲期土壤贮水和耗水特征及对冬小麦水分利用的影响。结果表明:(1)黄土高原旱作区休闲期1 m土层多年平均贮水量半湿润区为9 1mm,贮水效率为30.7%,半干旱区为32 mm,贮水效率为16.5%,且不同降水年型、不同气候区休闲期贮水量和贮水效率差别较大;(2)黄土高原旱作区1 m土层贮水量从土壤解冻至封冻期间基本呈波谷型分布,休闲期为主要贮水阶段,冬小麦返青—开花期为休闲期贮水的主要消耗阶段。半湿润区休闲期土壤贮水量主要消耗在起身至开花期,半干旱区主要消耗在越冬至拔节期;(3)黄土高原旱作区播种—越冬前消耗0—40 cm土层贮水,越冬-起身期各土层贮水量都有消耗,起身—开花期半湿润区主要消耗0—40 cm土层贮水量、半干旱区主要消耗0—60 cm土层贮水量,开花—成熟期半湿润区主要消耗40 mm以下土层贮水量、半干旱区主要消耗60 cm以下土层贮水量;(4)黄土高原休闲期贮水效率与冬小麦产量显著相关,半湿润区水分利用效率远高于半干旱区。黄土高原不同区域降水时空分布不均和土壤贮水能力的差异是造成不同气候区休闲期水分贮存差异的主要原因,通过调整耕作方式、水肥管理、种植结构进一步实现冬小麦增产和水分高效利用。     

黄土丘陵沟壑区水分的植被生产力模型——以陕西清涧县为例

针对半干旱区水分的植被生产力问题,以黄土丘陵沟壑区典型地陕西清涧的人工刺槐林为研究对象,对植被生长量的成因进行理论假定和分析,结合该地刺槐的解析木分析资料和相对应的同期降水数据,研究了清涧地区刺槐生长与水分的关系,建立了该区水分一刺槐生长的半理论／半经验模型。结果表明：黄土丘陵沟壑区刺槐的材积生长率与水分的变化率具有较好的线性关系。     

黄土高原草地净初级生产力时空动态及其影响因素

利用光能利用效率模型(Carnegie-Ames-Stanford approach,CASA)模拟2000-2015年黄土高原草地净初级生产力(NPP),分析黄土高原草地NPP的时空动态、NPP变化稳定性和持续性特征,从植被类型、地形因素、气候变化和人类活动4个方面探讨黄土高原草地NPP的影响因素.结果表明:黄土高原草地NPP的平均值为202.93 g C·m^-2·a^-1,其年际变化特征呈现显著增加的趋势,平均年增加速率为2.43 g C·m^-2·a^-1;分布具有明显的空间异质性,大体呈南高北低的状态.黄土高原草地NPP呈增加趋势的区域占总草地面积的91.2%,主要分布在陕西省的大部分地区、甘肃陇东及陇中地区和青海等地.草地NPP变化较为稳定的区域主要集中在鄂尔多斯的南部地区、陕北地区和甘肃等地.大部分地区草地NPP未来的变化趋势与过去一致,且陕西省的大部分地区以及甘肃省的陇中及陇东地区的草地NPP将呈现持续显著增加的趋势.坡面草地的平均NPP值最高,为703.37 g C·m^-2·a^-1;而高山亚高山草地NPP平均值最低,为57.28 g C·m^-2·a^-1.高海拔地区的草地NPP较高,而平原及丘陵地带草地NPP相对较低.研究期间黄土高原降水量的增加对草地NPP的增加具有明显的促进作用;人类活动诸如过度放牧状况的改善以及退耕还草等政策的实施对黄土高原草地NPP的增加也具有重要作用.     

黄土高原不同植被类型土壤特性与植被生产力关系研究进展

针对黄土高原不同类型植被,不同立地条件下植被及不同的演替阶段的土壤特性进行了综述,包括土壤养分,土壤酸碱度和土壤水热条件与植被生产力的关系。众多的研究表明,土壤水分与营养供应是影响植被生产力的主要因素,而植被的根系分布和细根周转能够影响土壤有机质和理化性质,植被的演替过程改变着土壤的特性,土壤特性的改变驱动着植被演替。