腾格里沙漠沙坡头地区人工植被蒸散耗水与水量平衡的研究

运用大型称重式电子蒸散系统研究沙坡头地区人工植被蒸散耗水量与水分平衡,结果表明∶固沙造林初期,年平均降水量１８６．６ ｍ ｍ 能够满足植物正常生长需要,是保证植物固沙成功的基本条件． 正常降水年份,植物（密度为７５ 株／１００ ｍ ２）蒸散耗水量大于降水量． 油蒿（Ａｒｔｅｍ ｉｓｉａ ｏｒｄｏｓｉｃａ Ｋｒａｓｃｈｅｎ．）和柠条（Ｃａｒａｇａｎａ ｋｏｒｓｈｉｎｓｋｉｉＫｏｍ ．）的蒸散量分别占同期降水量的１３６．６％ 和１３１．１％ ,两种植物的蒸腾量分别占其蒸散量的４５．６％ 和４３．４％ ． 在１００～２００ ｍ ｍ 降水范围内,沙地物理蒸发量与降水量的比值随降水量的减少而增大;降水量１００ｍ ｍ 时,是人工固沙植被所需降水的最低下限． 降水的时空分布和地表结皮的形成对人工植被水分平衡与水分利用产生较大的影响     

包兰铁路沙坡头段人工植被区生境与植被变化研究

综合土壤、气体、植被等诸多因子,结合时间尺度上的环境变迁对植被的变化进行了研究。结果表明,（1）沙子水分随着人工植被建立时间延长而线性地减少,30a后人工植被的水分得以稳定,对降水量增加的响应也变弱。（2）虽然人工植被盖度有所下降,但以油蒿为建群种的群落能够适应沙坡头环境的变化,不断的自我繁衍,保持可持续性。（3）随着环境的变化,该地的生物多样性增加了;藻类、藓类以及浅根性植物和动物等的侵入,使简单的人工植被已演变到多层次的复杂的人工＋自然生态系统,该生态系统能够维持草原化荒漠条件下较高的盖度,有利于沙面形成结皮并向在土过程发育,从而可保持固沙系统较长时期的稳定。     

科尔沁沙地人工小叶锦鸡儿植被水分入渗动态研究

通过对科尔沁沙地不同年龄人工小叶锦鸡儿固沙植被降雨入渗的研究 ,阐明植被对沙地水分入渗的影响。结果表明 ,在降雨量 4 3 4mm ,降雨强度 3 9mm·h-1时 ,降雨后 12 0h内流动沙丘和 5年生人工小叶锦鸡儿植被的水分入渗深度分别为 180cm和 15 0cm ,15年生人工小叶锦鸡儿植被降雨入渗深度为 10 0cm。流动沙丘降雨后土壤水分变化剧烈 ;有植被沙地降雨后土壤水分变化平缓 ,水分下渗浅 .随着植被年龄的增加 ,浅层土壤截留降雨能力不断加强 ,最终形成不透水土层。降雨后短期内流动沙丘浅层土壤中含水量高 ,后期有植被沙丘深层土壤含水量高     

荒漠人工固沙植被区土壤水分的时空变异性

表层土壤水分具有高度的时间和空间变异性.研究的目的:(1)揭示沙坡头人工固沙植被区浅层土壤水分的时空变异性特征;(2)确定驱动土壤水分变异的主要环境因子.在人工固沙植被区内一个4500m2的网格样地上每隔10m设置取样点,在连续7个月的时间内 (2005年4～10月),每隔15d用时域反射仪测量各样点表层以下15cm和30cm深度的土壤容积含水量.结果表明,该区网格尺度上浅层土壤水分的分布具有明显的空间变异性,其变异性随着土壤水分含量的降低而减小;相对海拔是驱动土壤水分空间变异的主要环境因子,其作用在降雨后尤为显著,且其对土壤下层的影响比上层更明显;植被和土壤水分含量的相关性时间序列与相对海拔一致--降雨使其相关性增加;土壤质地(土壤粒径分布)和土壤水分含量的相关性时间序列特征与植被和相对海拔相反,且其对土壤上层的影响比下层更明显.因此,在沙坡头荒漠人工固沙植被区,降雨后的短暂湿润期,地形和植被是驱动浅层土壤水分变异的主要影响因子,而随着降雨之后土壤逐渐变干,土壤质地的影响变得更加明显.     

腾格里沙漠东南缘固沙植被区生物土壤结皮及下层土壤有机碳矿化特征

植被恢复与重建是沙区退化土地修复的有效途径,是生物土壤结皮(Biological Soil Crusts, BSCs)拓殖和发育的关键影响因素。采用室内恒温培养-碱液吸收法研究了腾格里沙漠东南缘不同恢复年限固沙植被区BSCs及其下层0—5 cm土壤的碳矿化特征,分析了其与水分及土壤理化性质的关系。结果表明:BSCs及其下层土壤有机碳的瞬时速率、最大和平均矿化速率以及累计释放量均随着恢复年限的延长而增大,同一植被区表现为BSCs大于下层0—5 cm土壤(P<0.001)。土壤含水量的增加显著促进了有机碳矿化过程(P<0.001),土壤水分含量从5%增加到20%时,BSCs有机碳的平均和最大矿化速率及累计释放量分别增加了1.48—2.08倍、1.60—2.00倍和1.48—2.08倍,下层土壤分别增大了1.36—2.08倍、1.21—2.00倍和1.36—2.08倍。土壤电导率、有机碳和黏粒含量是影响有机碳矿化的主要影响因素。结果表明沙区植被恢复与重建背景下BSCs的发生发展促进了土壤碳矿化过程,而BSCs参与的碳循环过程受其理化属性及水分等环境因子的共同影响。     

我国北方风沙危害区生态重建与恢复:腾格里沙漠土壤水分与植被承载力的探讨

我国北方风沙危害的主要防治区包括贺兰山以东沙地和以西的沙漠、绿洲和沙漠与荒漠草原过渡区,约3.2×105 km2.植被重建与恢复是该区遏制风沙危害的重要手段和有效的途径.基于腾格里沙漠沙坡头地区50余年的长期生态学研究,发现重建植被通过对土壤水分的利用和时空再分配改变了原来沙丘系统的水循环特征,在给定的区域降水条件下,土壤水的时空动态与重建植被动态密切相关;指出沙区水文过程的长期改变驱动着人工植被的演替;探讨了降水小于200 mm风沙区土壤水分的植被承载力和植物固沙的模式.     

腾格里沙漠东南缘人工固沙植被演替地面节肢动物群落多样性分布特征

在腾格里沙漠东南缘选取2、5、8、34 a和57 a的不同年限人工固沙植被区为研究样地,以流动沙地为对照,利用陷阱诱捕法调查了不同样地地面节肢动物的群落组成及多样性特征,阐明了固沙植被区地面节肢动物多样性对植被演替的响应规律。结果表明：(1)此次调查共获得地面节肢动物15685头,隶属于15目40科44个类群。随固沙年限的增加,地面节肢动物优势类群数基本无变化,常见类群数和稀有类群数分别增加了0.5—2.5倍和0.25—2.75倍;捕食性、植食性和杂食性地面节肢动物类群数均呈上升趋势,分别增加了0.5—3倍、0.2—4.2倍和0.3—1.67倍。(2)地面节肢动物总个体数表现为8 a和57 a固沙植被区显著高于流动沙地(P<0.05),分别是流沙地的3.85倍和3.03倍;类群数和多样性指数均表现为57 a和34 a固沙植被区显著高于其他年限固沙植被区(P<0.05),且57 a固沙植被区地面节肢动物类群数显著高于34 a固沙植被区(P<0.05)。(3)草本植物密度、土壤有机碳和灌木高度是影响固沙植被区地面节肢动物群落组成及多样性分布的主要因子,解释率分别为48.1...     

民勤沙区植被退化与年际降水量关系的定位研究

民勤沙区荒漠植物盖度随年际降水量变化明显,植被在随年际降水量变化的波动中退化。在一般年份,白刺、梭梭、沙蒿等灌木上部发生枯梢,在降水量偏少或分布异常年份会整株枯死,所以有的年份植被盖度和灌木高度反而会降低。不同植被群落分布的地貌条件和土壤条件有较大差异:白刺以白刺沙丘的形式存在,白刺沙丘0～30cm土壤含水率在1.4%～2.0%之间;膜果麻黄仅分布在粘砾石质滩地上,0～30cm土壤含水率<0.8%;沙蒿分布在低缓的半固定沙丘、流动沙丘和覆沙滩地上,0～30cm土壤含水率在0.9%～1.7%之间。植物通过土壤水分变化对降水作出反应,土壤水分条件对降水的反应受土壤颗粒的影响,细砂粒对降水反应灵敏。优势种植物高度与7月下旬～9月下旬的降水量之间存在较大的正相关;草本植物平均盖度与7月下旬～9月下旬和5月下旬～7月下旬期间的降水量之间存在较大的正相关。全年降水量主要影响植被总盖度。5月下旬～7月下旬的降水量对植被的影响较全年降水量更为明显。     

植被格局对土壤入渗和水沙过程影响的模拟试验研究

合理的植被格局能够提高土壤入渗性能和抗冲性,有效阻蚀减沙,平衡土壤保持与土壤水分保蓄二者关系,进而促进生态环境的改善。基于径流小区人工模拟降雨,研究了多种植被格局生物量密度（0、50%、100%）和分布方式（坡上分布、坡下分布、均匀分布）的土壤入渗、产流、产沙特征以及土壤储水量变化。结果表明：使用Philip模型、Kostiakov模型、Horton模型模拟坡面入渗过程,Horton模型的拟合结果最优。不同植被格局产流率的变化趋势基本一致,大体可分为两个阶段：初期阶段迅速增长,中后期阶段增长变缓并逐渐趋于稳定状态。产沙率的变化趋势随植被格局的不同而略有差异。相较于产流过程,产沙过程变化剧烈、规律性差。总体而言,降低生物量密度能够增加降雨期间的径流量（从19.21 mm到25.44-38.09 mm再到51.79 mm）和侵蚀量（从118.97 g/m²到237.57-597.90 g/m²再到1400.29 g/m²）,土壤水分得到更好的保蓄。从植被分布方式的角度来看,均匀分布的植被格局有利于更好地控制土壤侵蚀和径流,却促进了土壤水分的消耗。坡下分布的植被格局,例如植被过滤带的形式,能够最好地同时控制水土流失和土壤耗水。权衡考虑水土流失防治与土壤水分消耗,建议采用适宜密度（本研究为110 g/m²）且集中分布在出口附近的植被格局。     

腾格里沙漠人工植被区固沙灌木影响深层土壤水分的动态模拟研究

灌木是我国沙漠地区主要的优势植物类型,固沙灌木的存在有益于沙丘的固定进而有利于退化沙漠生态系统的生态恢复。基于腾格里沙漠沙坡头地区50多年的人工植被区长期观测研究,建立生态-水文模型模拟了该地区固沙灌木盖度和深层土壤水分的动态变化过程,结果表明,固沙灌木的建立改变了沙区原有的生态-水文过程,在固沙灌木建立40多年后,固沙灌木的盖度和深层土壤水分达到了新的平衡状态。灌木盖度逐渐稳定在(10±0.9)%左右,而深层土壤水分稳定在(2.58±0.2)%左右。因此,在年均降雨量为186mm的腾格里沙漠沙坡头地区,土壤水分的最大植被承载力为:灌木和生物土壤结皮的盖度分别维持在10%和60%,深层土壤水分维持在3%左右。     

The effects of sand stabilization and revegetation on cryptogam species diversity and soil fertility in the Tengger Desert, Northern China

Cryptogamic crusts have long been regarded as important components of desert ecosystems. In order to reduce and combat the hazards of sandstorm and desertification, it is critical to conserve cryptogamic crusts in arid desert and semiarid regions. In this study, we characterized soil physical and chemical properties after revegetation on sanddunes stabilized with straw checkerboard. Revegetation accelerated the improvement of environmental conditions leading to the establishment and propagation of cryptogams on sanddunes in the Tengger desert region. Since revegetation began 44 years ago, 24 species of algae and 5 species of moss have established on fixed sanddunes in the Shapotou region in the northwest of China, but no lichens have been observed. Algal cover and species richness were found to be positively correlated with soil pH, contents of silt and clay, concentrations of HCO₃ ^–, Cl^–, SO₄ ^2-, Mg²⁺, soil organic carbon and N contents (p < 0.01), but were only weakly correlated with concentration of Ca²⁺, electrical conductivity (EC) and potassium content (K₂O). The number of species and cover of mosses were positively correlated with soluble K⁺ and Na⁺ but no other relationships were apparent. The percent sand in composition of soil particle sizes, and soil bulk density were both negatively correlated to species number and cover for both cryptogam organisms. This study represents a successful example of restoration of cryptogam species diversity in arid desert regions.     

Ecological restoration and recovery in the wind-blown sand hazard areas of northern China: relationship between soil water and carrying capacity for vegetation in the Tengger Desert

The main prevention and control area for wind-blown sand hazards in northern China is about 320000 km2 in size and includes sandlands to the east of the Helan Mountain and sandy deserts and desert-steppe transitional regions to the west of the Helan Mountain.Vegetation recovery and restoration is an important and effective approach for constraining wind-blown sand hazards in these areas.After more than 50 years of long-term ecological studies in the Shapotou region of the Tengger Desert,we found that revegetation changed the hydrological processes of the original sand dune system through the utilization and space-time redistribution of soil water.The spatiotemporal dynamics of soil water was significantly related to the dynamics of the replanted vegetation for a given regional precipitation condition.The long-term changes in hydrological processes in desert areas also drive replanted vegetation succession.The soil water carrying capacity of vegetation and the model for sand fixation by revegetation in aeolian desert areas where precipitation levels are less than 200 mm are also discussed.     

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.     

塔克拉玛干沙漠腹地冬季土壤呼吸及其驱动因子

利用Li-8150系统测定了塔克拉玛干沙漠腹地冬季(1月)土壤呼吸,分析了环境驱动因子对极端干旱区荒漠生态系统土壤呼吸的影响。结果表明:(1)冬季土壤呼吸日变化呈现出显著的单峰曲线,土壤呼吸速率最大值出现在12:00,为0.0684μmol CO2m-2s-1,凌晨04:00附近出现最小值,为-0.0473μmol CO2m-2s-1;(2)土壤呼吸速率与各层气温,0cm地表温度均存在着极其显著或显著的线性关系,且都具有正相关性;(3)土壤呼吸速率与5cm土壤湿度存在着较为明显的线性关系,该层湿度能够解释土壤呼吸的69.5%;(4)0cm地表温度对土壤呼吸贡献最大,其次是5cm土壤湿度;(5)以0cm地表温度、5cm土壤湿度为变量,通过多元回归分析表明:土壤温度-湿度构成的多变量模型能够解释大于86.9%的土壤呼吸变化情况;(6)研究时段内土壤呼吸速率的平均值是-1.45mg CO2m-2h-1。     

腾格里沙漠人工固沙植被演替生物土壤结皮盖度对沙埋的响应

生物土壤结皮(简称结皮)的形成与发展是沙区固沙植被建设成功的重要标志之一,其盖度随固沙植被演替的变化趋势是表征该植被系统地表稳定性的一个直观性生态学指标。利用空间代时间的方法,以腾格里沙漠不同始植年代(1956、1973、1981和1987年)固沙植被区发育的4种优势结皮-真藓(Bryum argenteum Hedw.)结皮、土生对齿藓(Didymodon vinealis(Brid.)Zand.)结皮、齿肋赤藓(Syntrichia caninervis Mitt.)结皮和藻-地衣-藓类混生结皮(Mixed crust)为研究对象,在测定结皮盖度、高度以及粗糙度随沙埋厚度逐渐增加变化的基础上,计算了使结皮盖度(从99.99%)开始降低的初始沙埋厚度(D1)和盖度降低为0%的临界沙埋厚度(D2),研究了该区固沙植被演替过程中结皮盖度对沙埋厚度增加的响应特征及其相关机制。结果显示:(1)4种结皮的盖度随沙埋厚度的增加呈logistic曲线逐渐降低。(2)在同一年代固沙区不同种间比较,混生结皮的D1值最小,D2值最大;真藓结皮的D1和D2值均小于其他两种藓类结皮;土生对齿藓结皮和齿肋赤藓结皮因固沙年限的不同而不同,在1956年固沙区,土生对齿藓结皮齿肋赤藓结皮,而在1973年固沙区和1981年固沙区,齿肋赤藓结皮土生对齿藓结皮。(3)随固沙植被演替,4种结皮盖度随沙埋厚度增加的降低速率逐渐减小,D1和D2值逐渐增大。(4)结皮总盖度随沙埋厚度增加的降低速率逐渐减小,表明随固沙植被演替,结皮对沙埋的抵御能力逐渐增强,固沙区植被系统地表稳定性增加。(5)结皮的粗糙度和高度随固沙植被演替逐渐增加,并显著影响了4种结皮盖度随沙埋厚度增加的降低速率、D1及D2值。研究为全面评估沙埋对沙区结皮结构、功能的影响乃至固沙植被稳定性提供了参考。     

Evolutionary characteristics of the artificially revegetated shrub ecosystem in the Tengger Desert, northern China

The rain-fed sand-binding vegetation which stabilizes the migrating desert dunes in the Shapotou area at the southeastern edge of the Tengger Desert was initiated in 1956. The shrubs initially employed were predominantly Caragana korshinskii, Hedysarum scoparium, and Artemisia ordosica, and a desert shrub ecosystem with a dwarf shrub and microbiotic soil crust cover on the stabilized sand dunes has since developed. Since 1956 the success of this effort has not only ensured the smooth operation of the Baotou–Lanzhou railway in the sand dune area but has also played an important role in the restoration of the local eco-environment; therefore, it is viewed as a successful model for desertification control and ecological restoration along the transport infrastructure in the arid desert region of China. Some of the effects of recovery from desertification and ecological restoration on soil properties are shown by the increase in the distribution of fine soil particles, organic matter, and nutrients. The physical surface structure of the stabilized sand dunes, and inorganic soil crusts formed by atmospheric dust, have also led to the gradual formation of microbiotic soil crusts. Sand dune stabilization is associated with: (1) decreased soil particle size, (2) increased total N, (3) increased thickness of microbiotic crusts, (4) increased thickness of subsoil, and (5) an increase in volumetric soil moisture in the near-surface environment. After 17 years of dune stabilization, both the number of shrubs and community biomass decreased. The number of microbes, plant species and vegetation cover, all attained a maximum after the dunes had stabilized for 40 years. There is a significant positive correlation between the fractal dimension of soil particle size distribution (PSD) and the clay content of the shallow soil profile in the desert shrub ecosystem; the longer the period of dune stabilization, the greater the soil clay content in the shallow soil profiles (0–3 cm), and the greater the fractal dimension of soil PSD. This reflects the fact that during the revegetation processes, the soil structure is better developed, especially in the upper profile. Hence, the migrating sand dune becomes more stabilized. Therefore, the fractal model can be used to describe the texture and fertility of the soil, and, along with the degree of stability of the previously migrating sand dunes, can be used as an integrated quantitative index to evaluate the revegetation practice in the sand dune areas and their stabilization.     

宁夏沙坡头干旱沙漠自然保护区生态系统稳定性评估

稳定性是生态系统的基本特征之一,也是决定生态系统兴亡的重要特征。宁夏中卫沙坡头国家级自然保护区是位于干旱沙漠区以荒漠为背景的自然保护区,具有脆弱性（生态与环境）、过渡性（草原向荒漠、沙漠向城市）与复合性（自然与人工生态系统并存）的特点,对其进行生态系统稳定性评估研究,对于维护腾格里沙漠西南缘生态安全和实现宁夏中卫市社会经济持续健康发展具有重要意义。在总结国内外生态系统稳定性评估研究基础上,基于稳定性三维内涵（恢复力稳定性、抵抗力稳定性和演替稳定性）、评估指标构建（原则与逻辑框架及指标体系）、评估方法确立（红绿灯综合评估法）等,针对性地开展沙坡头国家级自然保护区生态稳定性示范性评估,发现：1）近20年19个单项指标中,多数指标情况趋于变好,少部分进一步恶化,保持基本稳定仅两个。2）影响生态系统稳定性的要素由群落组成为主转变为以生境条件为主;2001年、2005年、2007年、2010年、2012年和2014年6个关键年份中,生态系统稳定性3个内涵对稳定性的贡献基本以抵抗力稳定性或恢复力稳定性为主。3）保护区整体生态稳定指数ESI由0.41增至0.661,稳定状态从临界到稳定,总体上保护区生态系统稳定性增强。这主要得益于长期的治沙防沙与生态修复工程实施、大规模推沙造林、各种生态监测和维护、大规模取黄河水灌溉等。     

植被恢复对库布齐沙漠非生长季土壤CH4、N2O通量的影响

荒漠土壤温室气体排放是陆地碳氮循环的重要组成部分,目前人工建植促进植被恢复对非生长季荒漠土壤CH₄、N₂O通量的影响尚不明确。本研究采用静态暗箱-气相色谱和时空替代法,分析非生长季库布齐沙漠东部不同植被恢复阶段土壤CH₄、N₂O通量特征及其与环境因子之间的关系,探讨植被恢复对非生长季荒漠土壤温室气体排放的影响。结果表明:非生长季荒漠土壤是CH₄的吸收汇,也是N₂O的排放源。不同植被恢复阶段CH₄平均吸收量和N₂O排放量均表现为:苔藓结皮固定沙地(47.6μg CH₄ m^-2 h^-1, 13.5μg N₂O m^-2 h^-1)>地衣结皮固定沙地(32.2μg CH₄ m^-2 h^-1, 9.1μg N₂