不同龄阶梭梭根区土壤水分时空变化特征

土壤水是荒漠植被发育最主要的制约因子。不仅影响植物的生长和发育,还限制着植被的种类、数量和分布。梭梭作为北方荒漠区重要的固沙植物,研究梭梭林地土壤水分动态对其植被生存或恢复以及群落稳定性维持具有重要意义。鉴于少有学者研究过不同龄阶梭梭根区的土壤含水率差异,于2014年2月至2014年11月,采用中子仪法和烘干法对0—400 cm沙层土壤含水率进行了原位观测,分析了不同龄阶梭梭根区土壤水分的时空变化规律。结果表明:(1)梭梭根区土壤水分时间变化可分为4个阶段:2月下旬—3月下旬是土壤水分快速补给期,4月上旬—5月下旬是土壤水分均衡期,6月上旬—10月下旬是土壤水分耗损期,11月上旬—次年2月中旬是土壤水分稳定期;(2)梭梭根区0—50 cm土层,受降雨、融雪水入渗补给和蒸发的影响较大,土壤水分变异系数较大且随深度增加迅速减小,50 cm以下土层变异系数较小且随深度变化微小;(3)不同龄阶梭梭根区剖面平均土壤含水率全年与春、夏、秋季均表现为:枯树成熟梭梭中龄梭梭裸地;(4)随距梭梭树干距离的增大(0—5 m范围内),土壤含水率整体呈减小趋势;降雨前后,梭梭根区浅层(0—10 cm)土壤含水率增量大于裸地土壤含水率增量。     

古尔班通古特沙漠原生梭梭树干液流及耗水量

梭梭广泛分布于我国西部干旱区,利用热脉冲技术对古尔班通古特沙漠生长期原生梭梭的树干液流耗水特征进行了研究。随着水分条件的不同,影响树干液流过程的主导因素有所不同。根区土壤体积含水量在8.7%-12.1%时,梭梭日树干液流量与土壤水分显著相关;土壤含水量＞12.1%时,液流更多的受到气象因素的影响;土壤含水量＜8.7%,树干液流与气象要素之间没有相关性,液流更多的受植物生理特征影响。在土壤水分最丰富的4月份,随着土壤水分的降低,白天与夜间的液流变化趋同;4月份日平均液流量约是5-9月份的2倍。梭梭的液流通量从古尔班通古特沙漠原生林的0.156L?cm-2?d-1到塔中人工滴灌林的0.876 L?cm-2?d-1,均处于正常生长状态,表明梭梭生态需水的可塑性范围较广。基径为7.8cm和9.0cm的梭梭在4月至9月份生长期的实际耗水量分别是95mm和117mm。     

古尔班通古特沙漠梭梭冠下裸斑形成土壤学机制

古尔班通古特沙漠梭梭与齿肋赤藓共生区域中,梭梭冠下常形成藓类结皮裸露斑块。为研究梭梭冠下裸斑形成机理,以裸斑内土壤、裸斑外藓类结皮土壤、背景裸地土壤以及背景藓类结皮土壤为研究对象,测定四类土壤营养物质含量和理化因子,并测定土壤代谢组以及分析其之间差异。结果表明,裸斑内土壤养分及生态化学计量比与裸斑外藓类结皮和背景藓类结皮土壤并无显著性差异,土壤养分及生态化学计量并非造成梭梭冠下藓类裸斑的原因。裸斑内土壤Na⁺、K⁺、Mg²⁺、SO^2-₄、CO^2-₃、HCO^-₃含量显著高于裸斑外土壤、背景裸地土壤和背景结皮土壤,总盐含量最高为1.705 g/kg。这个含量不足以对齿肋赤藓正常生长造成影响,因此裸斑内土壤中较高的离子浓度也并非藓类裸斑产生的原因。土壤代谢组结果显示不同土壤代谢物具有极显著差异,油酰胺等酰胺类化合物相对丰度最高,占总代谢物的72.68%,且在裸斑内土壤中相对丰度显著高于裸斑藓类结皮土壤、裸地土壤和背景结皮土壤,因此推测裸斑内土壤中油酰胺等酰胺类化合物可能是抑制齿肋赤藓生长的主要原因,是造成古尔班通古特沙漠梭梭冠下藓类裸斑产生的主要土壤学机制。     

荒漠灌木梭梭(Haloxylon ammodendron)周围土壤微生物的空间分布

以古尔班通古特沙漠荒漠生态系统中主要优势种——梭梭(Haloxylon ammodendron)冠幅内外的土壤为研究对象,通过分析从树干基部向外水分和养分变化下土壤微生物生物量、多样性和群落组成的变化规律,试图揭示荒漠生态系统中土壤微生物空间分布的基本特征。微生物生物量和多样性采用磷脂脂肪酸进行测定。结果表明:从树干基部向外,土壤微生物总生物量、多样性以及不同微生物类群的生物量均随土壤水分和养分含量降低而逐渐降低,指示了土壤微生物从裸地向内集聚分布的特征。另外,在微生物群落组成中,不同类群微生物的生物量从树干基部向外的减少程度有所不同,例如,从树干基部附近5 cm处到冠外裸地200 cm处,真菌、细菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌的生物量分别减少了50.25%、84.06%、82.70%、92.57%,指示了细菌从裸地向内集聚分布的程度强于真菌,革兰氏阴性菌从裸地向内集聚分布的程度也较强于革兰氏阳性菌。研究表明,在资源稀缺的荒漠生态系统中,土壤微生物倾向于分布在冠内资源丰富的区域。土壤微生物的空间分布不仅与资源的丰富度有关,而且与微生物自身对环境变化的忍耐性或敏感性有关。     

黄土区荒草地和裸地土壤水分的循环特征

在人工、天然降雨条件下,研究了黄土高原地区荒草地和裸地土壤水分循环特征.结果表明,干旱年(天然降雨条件),荒草地和裸地剖面内土壤水分变异系数随土层深度的增加而降低,基于标准差和变异系数两个指标,采用聚类分析可以将土壤剖面水分垂直变化划分为4层.丰水年(人工降雨条件),由于持续降雨入渗和强烈的蒸发蒸腾作用,荒草地和裸地剖面内土壤水分变异系数随土层深度的增加呈现“降-升-降”的变化趋势,且表层土壤水分变异程度明显降低.与裸地相比,荒草地土壤水分循环深度和强度加剧,表现为活跃层、次活跃层深度和蒸散量增大.土壤水分的动态变化主要受降雨和蒸散过程的影响,尤其是浅层,而深层具有相对滞后性.土壤水分的动态变化具有明显的季节性,一般可划分为3个主要时期,如春季失墒期、夏秋增失交替期和冬季相对稳定期.干旱年,土壤水分收支负平衡,入渗雨量全为蒸发蒸腾所消耗;丰水年,土壤水分收支正平衡,但入渗雨量的大部分(＞80%)为强烈蒸发蒸腾所消耗.     

古尔班通古特沙漠南缘梭梭(Haloxylon ammodendron)群落能量平衡及蒸散特征

梭梭是北方荒漠区重要的固沙植物,具有较强的荒漠环境适应能力。研究梭梭群落能量及蒸散变化对科学管理水资源、保护与建设生态植被等有重大意义。基于波文比自动观测系统在古尔班通古特沙漠南缘丘间地实时连续测定的2018年气象和能量数据,运用波文比-能量平衡法对梭梭群落能量平衡和蒸散特征进行了分析。结果表明:梭梭生长季(4—10月)太阳净辐射和土壤热通量的日变化呈单峰状分布,净辐射通量最高值出现在13:30左右,土壤热通量最大值出现时间比净辐射推迟2 h,波文比在梭梭生长旺盛期全天变化稳定,萌发期和枯落期白天变化较小,夜间波动较大,湍流通量以显热通量为主;在晴天和阴雨天条件下,梭梭生长旺盛期的日蒸散量均明显大于萌发期和枯落期,且日蒸散量在旺盛期呈双峰型,萌发期和枯落期呈单峰型;2018年梭梭生长季蒸散量为279.67 mm,日均蒸散强度1.31 mm/d,梭梭群落的蒸散受到气象、自身生长特性以及土壤水分的影响,4月蒸散强度开始逐渐增大,由于多阴雨天气导致6月的蒸散强度有所降低,7月达到最大,9—10月水分、温度等条件缺乏,梭梭生理活动微弱,蒸散强度急剧减小。     

民勤绿洲荒漠过渡带梭梭(Haloxylon ammodendron(C.A.Mey)Bunge)树干液流特征及其对环境因子的响应

利用Grainer热扩散式探针法(TDP)连续测定民勤绿洲荒漠过渡带生长季梭梭树干液流,并同步测定外界环境因子。研究了6—11月份不同直径梭梭树干液流日、季变化及其与外界环境因子的相关性。结果显示:(1)随月份的递增,不同直径梭梭树干液流通量(SV)晴天日变化波峰区逐渐缩减。并且在6—8月份,不同直径SV均表现出明显的"宽峰型"现象,且晴天SV明显高于阴、雨天;(2)随季节变化,不同直径梭梭SV波动性较大,直径越大其波动性越高;而梭梭SV未表现出随直径增大液流通量越大的现象;(3)6—11月梭梭树干耗水量先增后降,7月达最高峰,且直径越大,梭梭总耗水量越大;(4)梭梭树干液流与环境因子相关程度受不同天气、时间尺度的影响较大,晴天相关性略高于阴、雨天。空气温度、净辐射、饱和水汽压差是影响梭梭树干液流的主要气象因子。0—100cm土层以上0—250cm根幅区土壤水分对树干液流影响最显著。(5)同比古尔班通古特沙漠梭梭生长季(5—10月)总耗水量458—1044kg以及日均耗水量1.8—6.4kg/d,整个生长季(6—11月)民勤绿洲荒漠过渡带梭梭的总耗水量495—1232kg、日均耗水量为2.0—8.3 kg/d,两者耗水量近似。利用TDP技术测定梭梭耗水量具有一定的可靠性。     

水蚀风蚀交错区典型植被土壤水分消耗和补充深度对比研究

研究了黄土高原水蚀风蚀交错区六道沟小流域8种植被类型条件下植物消耗土壤水分深度与降水对应的补充深度。结果表明:裸地、农地、撂荒地、人工草(灌)地(苜蓿地、柠条地、沙打旺地)、当地典型草地(荒草地、长芒草地)在平水年及干旱年,土壤水分均表现为负平衡;丰水年部分样地土壤水分得到补充。平水年以及干旱年(2010—2011年)植物耗水深度依次为:柠条地撂荒地沙打旺地苜蓿地≈长芒草地≈荒草地农地裸地,降水补充深度为农地裸地撂荒地荒草地长芒草地沙打旺地苜蓿地柠条地。丰水年(2012年)裸地、苜蓿地、荒草地与沙打旺地土壤水分并未显示出明显负平衡过程,但柠条地耗水深度依然达到260 cm,其它样地依次为撂荒地农地长芒草地;降水入渗深度排序:农地裸地撂荒地=柠条地荒草地=苜蓿地长芒草地沙打旺地。水蚀风蚀交错区土壤蒸发(裸地蒸发)以及降水补充深度一般为0—120 cm范围内,丰水年土壤水分能得到恢复。农地的土壤水分消耗与补充深度略有增加。农地撂荒后耗水深度与撂荒地植被类型有密切联系,随植被盖度与丰度的增加,耗水有进一步加深的趋势,撂荒地土壤水分补充深度小于等于消耗深度。农地退耕还草所种植的深根性植被(苜蓿、沙打旺、柠条等)不仅会迅速消耗当季降水,同时会进一步消耗土壤深层储水,致使120 cm以下观测土层土壤含水量较低,造成土壤水分消耗深度较浅的假象。除撂荒地外,高生物产量的人工草(灌)耗水量高,耗水深度也深,因此在退耕还林(草)过程中,应该充分考虑不同植被类型的年度水分交换深度,采取措施降低消耗深度,增加入渗深度。     

古尔班通古特沙漠西部梭梭大面积退化原因

通过对退化梭梭种群特征、土壤理化性质、地下水位等调查,分析了古尔班通古特沙漠西部梭梭退化的原因。结果表明:研究区多为极重度盐渍化土壤,梭梭林分稀疏,平均盖度为11.58%,幼苗更新极少,种群处于衰退状态;梭梭生活力(单株梭梭活枝与枯枝数量之比)与表层土壤(0～40cm)、中层土壤(40～80cm)电导率存在极显著负相关(r=-0.79,P=0.0000;r=-0.32,P=0.009),与下层土壤(80～120cm)含水量存在极显著正相关(r=0.54,P=0.000);梭梭种群存活指数(样地活株与死株之比)及盖度均与地下水位埋深呈极显著负相关(r2=0.40,P=0.007;r2=0.46,P=0.004)。表明,地下水位降低、土壤水分匮缺以及土壤盐分含量过高是梭梭退化的主要因素。     

黄土高原水土保持林对土壤水分的影响

黄土高原植被恢复的限制因素主要是土壤水分,植被与土壤水分关系的研究对黄土高原植被恢复具有重要意义.2008年7月1日至2009年10月31日间采用EnviroSMART土壤水分定位监测系统以每30min监测1次的频度,对晋西黄土区刺槐人工林地、油松人工林地、次生林地的土壤水分变化进行了研究.研究得出:次生林地0-150 cm土层中平均蓄水量为331.95mm,刺槐人工林地为233.85 mm,有整地措施的油松人工林地为314.85mm,刺槐人工林比次生林多消耗的98.10mm土壤水分主要来源于80 cm以下土层.次生林主要消耗0-80 cm土层的水分,而人工林不但对0-80 cm土层水分的消耗量大于次生林,对深层土壤的消耗也较次生林大,这将有可能导致人工林地深层土壤的“干化”.在土壤水分减少期(11-1月)刺槐人工林土壤水分的日均损耗量为0.86mm、油松人工林为0.82 mm、次生林为0.84 mm.土壤水分缓慢恢复期(2-5月)刺槐人工林地土壤水分的恢复速度0.90mm/d,油松人工林地为0.53 mm/d、次生林地为0.79 mm/d.土壤水分剧烈变化期(5-10月)刺槐人工林地土壤水分含量的极差为95.71mm,油松人工林地为179.1mm,次生林地为72.03mm.在干旱少雨的黄土高原进行植被恢复时,应多采取封山育林等方式,依靠自然力量形成能够与当地土壤水资源相协调的次生林,是防止人工植被过度耗水形成“干化层”、保障水土保持植被持续发挥生态服务功能的关键.     

Spatial patterns of desert annuals in relation to shrub effects on soil moisture

Questions: What are the effects of a shrub (Haloxylon ammodendron) on spatial patterns of soil moisture in different seasons? How does productivity of understorey annuals respond to these effects? Are such effects always positive for annuals under shrubs? Location: South Gurbantunggut Desert, northwest China. Methods: Using geostatistics, we explored seasonal patterns of topsoil moisture in a 12 × 9‐m plot over the growing season. To determine spatial patterns of understorey annuals in response to H. ammodendron presence, biomass of annuals was recorded in four 0.2 × 5.0‐m transects from the centre of a shrub to the space between shrubs (interspace). We also investigated vertical distribution of root biomass for annuals and soil moisture dynamics across soil profiles in shrub‐canopied areas and interspaces. Results: Topsoil moisture changed from autocorrelation in the wet spring to random structure in the dry season, while soil moisture below 20 cm was higher in shrub‐canopied areas. Across all microhabitats, soil moisture in upper soil layers was higher than in deeper soil layers during the spring wet season, but lower during summer drought. Topsoil was close to air‐dry during the dry season and developed a ‘dry sand layer’ that reduced evaporative loss of soil water from deeper layers recharged by snowmelt in spring. Aboveground biomass of understorey annuals was lowest adjacent to shrub stems and peaked at the shrub margin, forming a ‘ring’ of high herbaceous productivity surrounding individual shrubs. To acclimate to drier conditions, annuals in interspaces invested more root biomass in deeper soil with a root/shoot ratio (R/S) twice that in canopied areas. Conclusions: Positive and negative effects of shrubs on understorey plants in arid ecosystems are commonly related to nature of the environmental stress and tested species. Our results suggest there is also microhabitat‐dependence in the Gurbantunggut Desert. Soil water under H. ammodendron is seasonally enriched in topsoil and deeper layers. Understorey annuals respond to the effect of shrubs on soil water availability with lower R/S and less root biomass in deeper soil layers and develop a ‘ring’ of high productivity at the shrub patch margin where positive and negative effects of shrubs are balanced.     

准噶尔盆地东南缘不同生境条件下梭梭群落结构特征研究

在新疆准噶尔盆地东南缘,以平缓低洼地、平缓沙地、半流动沙丘等3种不同生境类型上的天然梭梭群落为研究对象,从物种结构、物种多样性、生物量以及梭梭天然更新幼苗幼树种群分布格局等方面,研究不同生境条件下梭梭群落的结构特征.结果表明,以平缓低洼地上梭梭群落的植物种类最丰富,其次是平缓沙地,半流动沙丘上的植物种类最少.3种生境类型上群落中的植物种类分别为1种、15种和12种;梭梭天然更新幼苗幼树以半流动沙丘上的梭梭群落为最多,达 87株·hm^-2,但幼苗幼树在梭梭群落内分布不均匀,平缓低洼地上梭梭群落内的幼苗幼树比半流动沙丘上的略少,为5 799株·hm^-2,但幼苗幼树在梭梭群落内分布均匀,总体评价以平缓低洼地上梭梭群落的天然更新最好;平缓低洼地上梭梭群落的总生物量为19.39 t·hm^-2,平缓沙地上为9.32 t·hm^-2,半流动沙丘上为.9 t·hm^-2;不同生境类型上梭梭群落天然更新幼苗幼树的分布格局均为聚集分布.平缓低洼地地面固定,土壤水分和肥力较好,比较适宜梭梭林木生长和梭梭群落的发育,平缓沙地和半流动沙丘的地面容易产生风蚀,土壤水分和肥力较差,生境条件比较严酷.     

古尔班通古特沙漠南缘固定沙丘坡面土壤水分动态随机模拟

为揭示土壤水分动态对干旱沙区坡面尺度水文和生态过程的影响机理,基于Rodriguez-Iturbe土壤水分动态随机模型,通过修正模型输入项参数,获取干旱沙区坡面土壤水分动态随机模型,并利用2015—2016年古尔班通古特沙漠南缘固定沙丘坡面生长季根系层土壤水分观测数据及2000—2016年日降水资料,分析研究区生长季坡面土壤水分动态与土壤水分概率密度函数特征,探讨该坡面随机模型参数敏感性及应用可行性.结果表明: 研究区生长季降水分布极不规则,以<5 mm降水为主,降水量主要源于>10 mm降水,降水间隔期以<10 d为主,且东坡次降水量略大于西坡;东、西坡面生长季土壤水分年际变化与降雨分布基本一致,西坡根系层土壤含水率略低于东坡,且各坡面生长季根系层土壤水分均服从正态分布;该坡面随机模型模拟得到的不同坡面生长季根系层土壤水分概率密度函数的曲线特征(峰值及其位置、95%置信区间)与观测结果基本一致,一致性指数(CM)均大于0.5,说明该坡面随机模型能对研究区坡面土壤水分概率密度函数进行高效模拟,具有较好的适用性,可为干旱沙区植被生存或恢复研究及实施荒漠化防治生态建设工程提供理论基础和科学方法.     

民勤沙区人工梭梭林自然稀疏过程研究

通过实地样方调查,对民勤沙区人工梭梭林的自然稀疏过程进行分析,以探讨其自然稀疏机理。结果表明:(1)民勤沙区梭梭经过自然稀疏,15~32 a林龄的密度为387.14株.hm-2。(2)梭梭林内乔木、灌木、草本植物对不同层次土壤水分利用的分异比较明显,草本植物和灌木分别主要利用0~20 cm和0~100 cm的土壤水分,梭梭主要利用60~120 cm的土壤水分。(3)在梭梭林成长过程中,沙丘水分递减,梭梭因水分亏缺而自然稀疏化,且在10 a林龄以内自然稀疏过程最明显。(4)当林龄达到15 a以上时,植株普遍枯梢,生长不良,植株个体增大缓慢。(5)对于15 a及其以上成龄梭梭林进行人工补灌没有显著恢复效果,只是增加草本植物的密度和盖度。     

塔克拉玛干沙漠腹地梭梭幼苗根系分布特征对不同灌溉量的响应

在塔克拉玛干沙漠腹地,采用分层分段挖掘法对不同灌溉量条件下(每株每次灌水35、24.5和14 kg)梭梭(Haloxylon ammodendron)幼苗根系的分布特征进行了研究。结果表明: 1)随着灌溉量的减少,梭梭幼苗根系生物量的分布格局有向深层发展的趋势,在不同灌溉量条件下地下垂直各层生物量与土壤垂直深度呈显著的负对数关系;2)各灌溉量梭梭幼苗的最大水平根长为垂直根长的2倍,但不同灌溉量根系生物量的水平分布趋势一致;3)吸收根生物量的垂直分布与土壤含水量的垂直变化基本一致,均呈“单峰型”曲线,但灌溉量不同,吸收根生物量峰值在土壤中出现的位置也不同,随着灌溉量的减少,吸收根集中分布区有向深层发展的趋势;4)根长、根表面积和根体积随着土壤深度的增加均呈“单峰型”曲线,灌溉量愈小,根长、根表面积和根体积的峰值愈位于土壤的深层;5)根冠比和垂直根深与株高之比随着灌溉量的减少而呈增加的趋势。     

古尔班通古特沙漠梭梭与白梭梭利用降雨的差异

采用模拟降雨的方法,对梭梭和白梭梭的降雨再分配过程进行了研究,并对梭梭与白梭梭0～100cm的浅层根系分布进行了调查。回归分析发现,梭梭与白梭梭茎流率、穿透率、截留率与降雨量之间呈显著对数关系。在相同的降雨强度下,梭梭与白梭梭之间降雨分配无显著差异,但在不同降雨强度下梭梭和白梭梭各自的降雨再分配存在显著差异。20mm·h-1的降雨强度有利于产生更多的茎流,梭梭和白梭梭茎流率在降雨强度20mm·h-1的情况下是30mm·h-1的情况下的2.3倍和2.9倍。白梭梭根系主要分布在土壤表层,0～60cm的土壤深度内侧根数占0～100cm内总侧根数的86%。白梭梭在0～20、20～40、40～60cm土壤深度的水平侧根极显著高于梭梭,分别是梭梭的10.0倍、9.6倍和10.9倍。白梭梭水平侧根伸展距离极显著大于梭梭,白梭梭根系冠幅半径为7.1m,梭梭为2.3m。综上所述,白梭梭主要通过植株特殊形态结构增加茎流等降雨再分配和地下根系协同作用,来充分的利用降雨;梭梭浅层根系分布稀少,故其利用降雨的能力十分有限,而更趋向于利用地下水。     

固沙树种梭梭在不同水分梯度下的光合生理特征

对不同水分梯度下梭梭光合作用的研究发现,地下水位、土壤含水量、灌水量对梭梭的光合具有明显的影响。在1．4m、2．4m、3．4m地下水位下,梭梭的光合速率、呼吸作用、量子效率随水位的降低而降低,光补偿点随水位的降低而增大;在滴灌供水时,梭梭的光合速率较对照明显提高,且灌水量越大,梭梭的光合速率越高;半流动沙丘、丘间低地、粘土沙障固定沙丘退化梭梭的光合作用的强弱同其林地土壤水分的高低基本一致。7月,不同水分梯度下的梭梭光合作用均表现出午休现象,9月只有立地条件较差的梭梭发生光合午休,而且9月光合作用要强于7月,说明9月环境条件更有利于梭梭生长。