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。     

干旱半干旱区地下水埋深对沙地植物土壤系统演变的驱动作用综述

在干旱半干旱生态脆弱区,地下水是限制植物种类组成、数量和生长发育的关键因素之一。近年来由于气候变化与土地利用强度的增加,我国北方普遍出现以极端气候变化、地表水体萎缩和地下水位下降为特征的生态过程,对区域生态系统安全和可持续发展构成严重威胁。而有关干旱半干旱区地下水埋深变化驱动退化植被恢复和稳定性维持方面的系统研究尚存不足。系统总结了地下水埋深变化分别对植物、土壤产生的影响及其三者间相互作用关系,比较分析了前人的研究成果,归纳总结了地下水埋深变化的驱动作用和影响因素,以及干旱半干旱区地下水埋深变化对植物土壤系统影响的预测模型研究,以期为今后应对地下水埋深变化制定生态保护策略提供理论指导依据。对本研究做了展望。     

基于Penman-Monteith方程模拟青海云杉生长季日蒸腾过程

青海云杉（Picea crassifolia）作为我国黄土高原与青藏高原地区的主要造林树种,对其林分蒸腾耗水特征的研究,能够更合理的指导该地区植被重建与林分调控,以加强林分的稳定性,提高水分利用效率。为了揭示青海云杉在生长季内的冠层蒸腾规律以及冠层整体气孔阻力与环境因子的响应,评价Penman-Monteith方程在青海云杉冠层尺度上的适用性,采用探针式热扩散茎流计（TDP）进行测定,同步长期监测了环境数据,利用反推法建立冠层整体气孔阻力（r_sT）与环境因子之间的回归模型,结合Penman-Monteith方程模拟出青海云杉生长季的日蒸腾量,采用均方根误差、平均绝对误差和平均相对误差对蒸腾量的实测值与模拟值进行误差分析,以验证模型的准确性。得出的主要结论有：（1）生长季内青海云杉日蒸腾量随月份变化呈先增高后降低的趋势;各月蒸腾量占潜在蒸散量的比例为7月（79.68%） > 8月（72.71%） > 6月（72.53%） > 5月（67.08%） > 9月（66.48%） > 10月（64.29%）;（2）树干液流对气象因子的滞后时间为0.5 h;（3）不同月份云杉冠层整体气孔阻力（r_sT）与空气相对湿度（RH）呈正相关关系,与大气温度（T）、饱和水汽压差（VPD）呈负相关关系;（4）应用所建立的多因素回归模型结合Penman-Monteith方程对青海云杉蒸腾量进行模拟验证,累计平均相对误差为14.381%,平均绝对误差为0.160 mm,均方根误差为0.2。综上所述,Penman-Monteith方程在林分冠层尺度上有较好适用性根据所建立的多因素回归模型并结合Penman-Monteith方程,可以利用饱和水汽压差、温度和空气相对湿度三个气象因子较好地模拟日蒸腾过程。     

中国西北干旱区树木蒸腾对气象因子的响应

应用数值方法 ,对中国西北干旱区 5个主要树种 (樟子松、榆树、二白杨、胡杨和沙枣 )的叶面蒸腾及气孔导度对气象因子的响应进行了探讨 ,时间尺度为日。两套综合环境观测系统分别安置在黑河中游的临泽和下游的额济纳旗 ,每半小时自动记录微气象因子、土壤水分和树汁流量。应用日平均树汁流量、饱和差、总辐射、平均气温和土壤含水量拟合树木叶面蒸腾及气孔导度的经验公式。气孔导度和单个气象因子之间具有很高的相关性。应用多个气象因子所建立的经验公式能够很好的模拟气孔导度 ,模拟效果比气孔导度与单一因子的相关性高。气孔导度总体上和饱和差和气温呈指数关系 ,与总辐射的关系多种多样 ,与土壤含水量的关系较复杂。在中游地区 ,二白杨气孔导度、叶面蒸腾量和单株树木树汁流量最大。试验期间下游试验点土壤水分充足 ,耐旱树种胡杨及沙枣树汁流量较大 ,但其气孔导度及叶面蒸腾量均较小。本次研究没有发现树木叶面蒸腾量和单一环境因子之间具有明显的相关性。叶面蒸腾模拟效果没有气孔导度模拟效果好 ,原因是叶面蒸腾是气孔导度和饱和差的函数。     

地下水埋深对东北平原地下水补给及大豆生长动态的影响

为探明不同地下水埋深条件下地下水补给状况及大豆生长动态变化,于2021和2022年利用地下水位自动控制系统开展了4个地下水埋深处理(1 m, D₁;2 m, D₂;3 m, D₃;4 m, D₄)的栽培试验,探讨地下水补给量、灌溉用水量、植株生长动态和产量与地下水埋深的关系,并采用Logistic模型对株高、叶面积指数和干物质积累等生长动态进行模拟分析。结果表明：与D₁处理相比,D₂、D₃、D₄处理地下水补给量在2年中分别降低81.1%、96.8%、97.5%和80.7%、96.7%、97.3%;D₁处理大豆仅在播种时灌溉1次,其后整个生育期依靠地下水补给就可以满足生长发育的水分需求,其灌溉用水量在2年中分别较D₂、D₃、D₄处理减少91.7%、93.0%、94.2%和90.9%、92.9%、94.0%。4个处理中,D     

深圳市前海桂湾公园土壤蒸发及植被蒸腾模拟

蒸散发（ET）是连接水文循环和地表能量平衡的重要组成部分,准确的估算土壤蒸发（LE_s）和植被蒸腾（LE_v）对城市水资源分配和管理具有重要意义。针对城市林地蒸散发双源模型的缺失,本研究基于MOD16模型提出了应用于城市林地区域改进的MOD16双源模型。改进的MOD16双源模型更加准确的描述城市林地区域复杂下垫面的能量分配过程。结合高时空分辨率的Sentinel-2遥感卫星影像,对2020年深圳市前海桂湾公园20个无云日的LE_s和LE_v进行反演研究。用Shuttleworth-Wallace （S-W）模型和双作物系数法（FAO dual-K_c）验证模型性能,同时分析改进的MOD16模型对输入变量的敏感度,结果表明：改进的MOD16模型与S-W模型和FAO dual-K_c之间的均方根误差（RMSE）分别为21.39 W/m²和20.41 W/m²,平均绝对误差（MAE）分别为18.81 W/m²和19.05 W/m²,R²分别为0.801和0.634。改进的MOD16模型可以应用在城市林地LE_s和LE_v估算中。桂湾公园地区总蒸散月均值在85-165 W/m²之间。研究区域的LE_s和LE_v呈现出明显的季节变化,春夏季蒸散量升高,秋冬季蒸散量降低,LE_s的变化范围为0-50 W/m²,LE_v的变化范围为0-120 W/m²。LE_v高值在研究区呈现零散分布,多集中在前海桂湾沿岸,LE_s高值集中在研究区的西北、东北和东南部。敏感性分析结果表明,改进后的MOD16模型对植被覆盖、太阳辐射和湿度更敏感。其中,LE_v模拟结果受净辐射和植被覆盖影响最大,LE_s的模拟结果受湿度和植被覆盖的影响最大。因此,应用改进的MOD16模型时需要优先确保这些参数的准确输入。修正后的MOD16模型极大地提高了高分辨率、小尺度区域城市林地LE_s和LE_v模拟的准确性,为准确获取植被耗水量信息从而科学指导城市林地灌溉、解决城市水资源分配与管理提供有力工具。     

干旱半干旱区斑块状植被格局形成模拟研究进展

斑块状植被格局是世界上干旱半干旱区常见的景观类型,它们的形成、组成结构和演替过程研究,对于揭示区域生态系统变化的关键过程具有重要意义。鉴于基于地面调查和遥感技术的方法难以全面刻画斑块状植被格局的形成过程及机制,借助于模型模拟成为解决这一问题的有效方法。自20世纪90年代初至今,斑块状植被格局形成的连续和离散模拟研究不断涌现,然而,连续模拟侧重于植被格局形成的一般机理,缺乏与现实格局的对比和验证,离散模拟单元选择与规则制定等仍需不断研究。在简要回顾斑块状格局形成的反馈机制基础上,重点综述了斑块状植被格局形成的连续和离散模拟的最新研究进展,并指出了现有研究的不足。干旱半干旱区小尺度上植物和水的反馈作用决定了大尺度的斑块状植被格局,充分揭示植被-土壤水分相互作用机理是模型模拟研究的关键,放牧强度和降水格局等外部环境对干旱半干旱区斑块状植被格局特征具有重要影响。在未来研究中,应加强模型模拟结果与实际观测的植被格局比较和验证,重视局域环境条件、生态系统功能在模型中的表达,构建综合连续和离散模型各自优点的混合模型,注重斑块状植被格局形成过程中的标准子模型及模型开发和集成平台的研发,同时强调面向格局...     

胡杨叶片大小与叶数量的权衡关系对地下水埋深的响应

本文以胡杨(Populus euphratica Oliv.)为研究对象,采用标准化主轴回归估计(SMA)方法探讨了种群叶片大小(单叶面积、单叶质量)与出叶强度(基于小枝质量、茎质量、茎体积)的异速生长关系对地下水埋深梯度(Groundwater depth,GWD)的响应及其变化规律.结果显示:随GWD增加,胡杨当年...     

苏干湖湿地土壤全盐含量特征及其与地下水的关联

地下水是内陆盐沼湿地生态水文过程及演变的关键因素,地下水位埋深和水质特征交互作用影响水盐运移过程和表层土壤盐渍化程度。根据2018年8月土壤盐分与地下水特征的监测数据,运用经典统计学、皮尔逊相关性和主成分分析等方法对苏干湖湿地（93°47''53″-94°04''26″E,38°50''07″-38°56''27″N）不同水位下表层0-10 cm土壤全盐含量、地下水水质特征及其间的关系进行定量分析。结果表明：（1）研究区0-10 cm土壤全盐含量的均值为204.41 g/kg,随地下水埋深的增加,土壤全盐含量的均值、变化幅度和变异系数呈先增加后降低的趋势。（2）地下水埋深介于0.17-6 m,pH在7.06-9.56范围,阳离子以Na⁺为主,阴离子以SO₄^2-和Cl^-为主,离子浓度变异系数从强到弱依次为Na⁺ > Mg²⁺ > Ca²⁺ > Cl^- > SO₄^2- > HCO₃^- > K⁺ > CO₃^2-。（3）关联分析表明,在水埋深<1 m、1-2 m的区域表层全盐含量与地下水埋深呈正相关,地下水埋深介于2-3 m和>3 m的区域两者间呈负相关;土壤全盐含量与地下水水质离子Na⁺、Mg²⁺、SO₄^2-、Cl^-间呈极显著正相关,与K⁺、CO₃^2-、HCO₃^-间的相关系数较低且不显著。内陆盐沼湿地表层土壤全盐含量与地下水埋深、地下水水质特征的关联分析,体现了内陆盐沼湿地土壤水盐运移过程的复杂性。     

气候变化对长白山阔叶红松林冠层蒸腾影响的模拟

应用基于过程的碳水耦合多层模型对长白山阔叶红松林冠层蒸腾量进行了模拟和模型验证,并模拟了冠层蒸腾量对未来气候变化的响应.结果表明:多层模型可以较好地模拟长白山阔叶红松林冠层蒸腾量,模拟值与涡动相关技术观测的实测值拟合较好.冠层蒸腾对气候变化响应的模拟显示,气温升高,潜热通量(LE)增加;土壤含水量减少,LE减少;大气CO2浓度增加,LE减少.在研究假定的气候变化情景下,LE对0～20 cm土壤含水量减少10%、CO2浓度增加190μmol·mol-1的联合变化的响应最敏感,对气温增加3.6℃、土壤含水量减少10%的联合变化的响应不敏感.     

干旱内陆河流域植物群落构建过程及其关键驱动因素

作为干旱内陆河流域水资源可利用性的决定性因素之一, 地下水位在调节植物功能性状、系统发育乃至植物群落构建方面发挥着至关重要的作用。然而地下水位变化对干旱内陆河流域植物群落构建过程相对重要性的影响, 以及这种影响在地上-地下组分间的差异尚未得到系统研究。本文以典型干旱内陆河流域下游的主要植物群落为研究对象, 结合叶片、根系功能性状与环境数据, 系统地探讨植物群落构建过程沿地下水位梯度的变化模式及其关键驱动因素。结果表明: (1)综合植物个体、平均功能性状和系统发育可知, 在整个研究区域, 叶片、根系功能多样性的标准效应值(SES.RaoQ)均小于0。大多数植物群落的功能结构(90%的功能性状)表现为聚集状态。(2)地下水与土壤因子共同解释叶片、根系SES.RaoQ 13%-39%与14%-48%的变异, 而地下水位能够单独解释叶片、根系SES.RaoQ 13%-22%与14%-36%的变异。(3)叶片、根系SES.RaoQ均随平均地下水位的降低而降低, 随地下水位季节性的增加而增加; 根系SES.RaoQ与地下水位的斜率大于叶片SES.RaoQ。总体而言, 干旱内陆河流域植物群落的构建机制整体上由确定性过程主导, 支持生态位理论, 大多数植物群落的构建机制符合生态位理论中的环境筛选作用。地下水位是调控不同群落构建过程相对重要性的主要因素, 随地下水位的降低, 功能结构由发散状态转为聚集状态。植物群落地上、地下功能结构沿地下水位梯度的变化表现出一致性, 但植物群落地下部分对地下水位的变化更为敏感。     

Plant DNA barcode library for native flowering plants in the arid region of northwestern China

DNA barcoding is a well-established tool for rapid species identification and biodiversity monitoring. A reliable and traceable DNA barcode reference library with extensive coverage is necessary but unavailable for many geographical regions. The arid region in northwestern China, a vast area of about 2.5 million km², is ecologically fragile and often overlooked in biodiversity studies. In particular, DNA barcode data from the arid region in China are lacking. We develop and evaluate the efficacy of an extensive DNA barcode library for native flowering plants in the arid region of northwestern China. Plant specimens were collected, identified and vouchered for this purpose. The database utilized four DNA barcode markers, namely rbcL, matK, ITS and ITS2, for 1816 accessions (representing 890 species from 385 genera and 72 families), and consisted of 5196 barcode sequences. Individual barcodes varied in resolution rates: species- and genus-level rates for rbcL, matK, ITS and ITS2 were 79.9%–51.1%/76.1%, 79.9%–67.2%/88.9%, 85.0%–72.0%/88.2% and 81.0%–67.4%/84.9%, respectively. The three-barcode combination of rbcL + matK + ITS (RMI) revealed a higher species- and genus-level resolution (75.5%/92.1%, respectively). A total of 110 plastomes were newly generated as super-barcodes to increase species resolution for seven species-rich genera, namely Astragalus, Caragana, Lactuca, Lappula, Lepidium, Silene and Zygophyllum. Plastomes revealed higher species resolution compared to standard DNA barcodes and their combination. We suggest future databases include super-barcodes, especially for species-rich and complex genera. The plant DNA barcode library in the current study provides a valuable resource for future biological investigations in the arid regions of China.     

干旱区典型盐生植物群落土壤团聚体组成及有机碳分布

以干旱区玛纳斯河流域扇缘带为研究区,分析了花花柴(Karelinia caspia)、雾冰藜(Bassia dasyphylla)、梭梭(Haloxylon ammodendron)和柽柳(Tamarix ramosissima)4个典型盐生植物群落土壤团聚体的组成及有机碳分布。研究表明:不同植物群落土壤团聚体均以0.25—0.053 mm粒径为主,占了46.7%—74.6%,且与其他粒径差异显著(P0.05),0.25 mm和0.053mm粒径土壤团聚体含量较少,仅占7.8%—43%。梭梭群落0.25 mm团聚体平均含量较高,达32%。不同植被群落土壤总有机碳介于2.01—8.73 g/kg之间,不同粒径团聚体有机碳介于1.70—13.68 g/kg之间。不同群落之间,梭梭和柽柳群落总有机碳和团聚体有机碳含量均相对较高,且随着土层深度下降而下降。不同粒径之间,有机碳含量在0.25—0.053 mm粒径最低,在0.25 mm和0.053 mm粒径中最高,呈现"V"型分布且差异显著(P0.05)。0.25—0.053 mm团聚体中有机碳含量的贡献率最高,达43.43%,而0.053 mm粒级贡献率较低,但有机碳含量较高,说明了小粒径团聚体对有机碳保护能力较强。土壤有机碳含量与0.25—0.053 mm团聚体含量呈显著负相关(P0.05)。而从整体来看,梭梭群落0.25 mm团聚体比例较高,且土壤有机碳和团聚体有机碳含量也较高,说明了在该研究区,梭梭群落聚集土壤养分能力较强,相对其他群落更有利于土壤有机碳的积累。     

中国西北干旱区植被碳汇估算及其时空格局

通过修正的CASA模型估算2001—2012年间西北干旱区陆地生态系统的净第一性生产力(NPP),并结合土壤微生物呼吸方程,计算出12a的净生态系统生产力(NEP),分析了植被碳汇的时空变化规律。结果表明:研究区的NPP表现出很强的随季节变化的规律,全年7月份NPP为最高值,12月为最低值,12年间NPP的年均值变化不大。2001—2012年研究区的植被碳汇在波动变化中有所增加,其中2006年的碳汇平均值最小,为609.04 g C m~(-2)a~(-1),2012年最大,为648.02 g C m~(-2)a~(-1);年内碳汇的最大值主要出现在5—7月;碳汇能力由大到小的植被类型为针叶林农田灌丛阔叶林草原荒漠草原。研究区多年平均碳汇量呈现自西向东逐渐增加的规律,西辽河流域草原区的NPP和碳汇平均值最大,塔里木盆地暖温带荒漠区最小。     

Uptake of saline groundwater by plants: An analytical model for semi-arid and arid areas

An analytical model, based on unsaturated zone water and solute balances, was developed to describe the uptake of saline groundwater by plants in dry regions. It was assumed that: i. initially, the profile had low water and salt contents to some depth; ii. both water and solutes move upwards from the water table by piston flow due only to plant water extraction; iii. the uptake of water concentrates solutes in the soil solution until some threshold salinity is reached, above which plants can no longer extract water due to osmotic effects; iv. uptake of the groundwater does not affect the water table level; and v. uptake of groundwater is only limited by transmission of groundwater through the soil. Model predictions were compared with measurements of groundwater uptake made over 15 months at five sites in aEucalyptus forest in a semi-arid area, using independently measured model parameters. Depth and salinity of groundwater, and soil type varied greatly between sites. Predicted groundwater uptake rates were close to measured values, generally being within ∼ 0.1 mm day^-1. Sensitivity analysis showed that groundwater depth and salinity were the main controls on uptake of groundwater, while soil properties appeared to have a lesser effect. The model showed that uptake of groundwater would result in complete salinisation of the soil profile within 4 to 30 yr at the sites studied, unless salts were leached from the soil by rainfall or flood waters. However, a relatively small amount of annual leaching may be sufficient to allow groundwater uptake to continue. Thus groundwaters, even when saline, may be important sources of water to plants in arid and semi-arid areas.     

西北干旱区荒漠植物叶片和细根碳、氮、磷化学计量特征

植物的叶片和细根是植物地上部分和地下部分最重要的营养器官,其碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量特征反映了植物的养分限制状况及叶片与细根间的协同作用,开展叶片与细根化学计量关系的研究,对认识植物养分利用策略及元素间平衡关系有重要意义。对西北干旱区21种荒漠植物叶片与细根C、N、P含量进行了测定,分析了C、N、P含量及其计量比在不同生活型及不同器官间的关系。结果表明:1)西北干旱区荒漠植物叶片与细根C含量相对稳定,叶N、P含量高于细根,说明在干旱生境中,植物对养分的分配侧重于地上部分,以完成其正常的生命活动;叶片与细根的N ∶ P无显著差异,有明显的保守性,表明植物地上与地下部分养分吸收策略与分配规律具有一致性;2)不同生活型植物叶片和细根的C、N、P含量及C ∶ N、C ∶ P存在显著差异,灌木与禾草具有较高的C ∶ N和C ∶ P,杂类草具有较高的N、P含量,说明灌木与禾草倾向于保守型养分适应策略,杂类草倾向于快速生长的资源竞争策略;3)21种荒漠植物叶片与细根N、P含量间均存在显著的正相关关系,表明西北干旱区荒漠植物体内N、P元素间存在相互作用;4)植物叶片与细根间C、N、P含量及C ∶ N、C ∶ P存在等速生长关系,表明植物光合产物和养分在地上与地下部分间的分配具有平行的比例关系,但这种关系受生活型影响。上述结果表明西北干旱区不同生活型植物在恶劣生境中存在不同的养分适应策略,且地上与地下部分的养分利用策略及分配规律存在协同作用,这为进一步认识西北干旱区荒漠植物的养分利用策略提供了试验基础。     

甘肃石羊河流域干旱荒漠区花棒蒸腾耗水量

研究了甘肃石羊河流域干旱荒漠区天然生长条件下花棒的蒸腾耗水规律．结果表明：花棒木质部液流速率随探针插入深度的加大呈“高-低”变化趋势;主根直径较小的花棒各位点的平均液流速率上升速度较快,变幅较大;不同主根直径花棒的液流量相差较大,但变化趋势较为一致,即昼夜变幅较大,夜间液流量较小,白天液流量较大,呈多峰曲线;日液流量与蒸发蒸腾量ET0呈线性相关,蒸腾耗水主要在6-9月,占生长季总蒸腾量的79．04％;花棒生长后期日液流量与0—50cm深沙层含水量呈显著相关,与其它层含水量无明显相关性;气象因素对花棒树干液流量影响的大小表现为日均气温〉空气水汽压差〉风速．     

中国西北干旱区蒸散发时空动态特征

利用MODIS ET数据集中2000—2014年的地表实际蒸散发量产品,运用变异系数、Theil-Sen median趋势分析与MannKendall检验和Hurst指数法,研究了中国西北干旱区蒸散发的空间格局、不同维度的空间异质性和时间变化特征及未来趋势预测。结果表明:(1)2000—2014年全区蒸散发量总体较小,蒸散发量小于200 mm的区域占总面积的38.329%。在空间上ET自山区向两侧平原减少,不同土地覆盖的ET大小为:林地农用地草地稀疏植被。受降水和土地覆盖的综合影响,ET的高值区(400 mm)主要在降水丰富的山区林地和草地,而低值区(200 mm)主要在降水较少的平原稀疏植被区和草地。(2)近15年全区蒸散发变异程度不明显,以相对较低的波动变化为主。各亚区内波动较低区域的比例为:北疆天山祁连山内蒙西部河西走廊南疆。(3)15年间全区年均蒸散发量呈波动变化,总体有微弱的减小趋势,变化率为-0.9348 mm/a。基于像元尺度的分析也表明全区ET以减小的变化趋势为主,但各亚区的减小程度各异:天山内蒙西部河西走廊北疆祁连山,仅南疆有增加趋势。(4)全区ET的Hurst指数均值为0.689,Hurst指数大于0.5的范围所占比例为80.033%,未来全区蒸散发的变化趋势以持续性减小为主。其中22.003%区域的变化趋势无法确定。未来各亚区ET的减少趋势为:内蒙西部天山河西走廊北疆祁连山南疆。