Spatial patterns of photosynthetic characteristics and leaf physical traits of plants in the Loess Plateau of China

The spatial patterns of photosynthetic characteristics and leaf physical traits of 171 plants belonging to nine life-forms or functional groups (trees, shrubs, herbs, evergreen trees, deciduous trees, C₃ and C₄ herbaceous plants, leguminous and non-leguminous species) and their relationships with environmental factors in seven sites, Yangling, Yongshou, Tongchuan, Fuxian, Ansai, Mizhi and Shenmu, ranging from south to north in the Loess Plateau of China were studied. The results showed that the leaf light-saturated photosynthetic rate (P_max), photosynthetic nitrogen use efficiency (PNUE), chlorophyll content (Chl), and leaf mass per area (LMA) of all the plants in the Loess Plateau varied significantly among three life-form groups, i.e., trees, shrubs and herbs, and two groups, i.e., evergreen trees and deciduous trees, but leaf nitrogen content differed little among different life-form groups. For the 171 plants in the Loess Plateau, leaf P_max was positively correlated with PNUE. The leaf nitrogen content per unit area (N_area) was positively correlated but Chl was negatively correlated with the LMA. When controlling the LMA, the N_area was positively correlated with the Chl (partial r = 0.20, P < 0.05). With regard to relationships between photosynthetic characteristics and leaf physical traits, the P_max was positively correlated with N _area, while the PNUE was positively correlated with the Chl and negatively correlated with the N_area and LMA. For all the species in the Loess Plateau, the PNUE was negatively correlated with the latitude and annual solar radiation (ASR), but positively correlated with the mean annual rainfall (MAR) and mean annual temperature (MAT). With regard to the leaf physical traits, the leaf Chl was negatively correlated with the latitude and ASR, but positively correlated with the MAR and MAT. However, the N_area and LMA were positively correlated with the latitude and ASR, but negatively correlated with the MAR and MAT. In general, leaf N_area and LMA increased, while PNUE and Chl decreased with increases in the latitude and ASR and decreases in MAR and MAT. Electronic supplementary material The online version of this article () contains supplementary material, which is available to authorized users.     

黄土丘陵沟壑区坡面尺度土壤水分空间变异及影响因子

土壤水分空间分布特征及其影响因子是土壤前期含水量模拟和小流域产流机制研究的重要内容,也是半干旱地区进行生态建设的重要参考。通过对黄土高原典型坡面雨季前后100 cm深度内土壤含水量进行观测,分析地形、植被和雨季对土壤水分空间分布的影响。基本统计分析显示,土壤水分的空间异质性在上层(<20 cm)较小,在下层(>40 cm)较大。坡面尺度上,土壤含水量的空间差异主要表现在不同植被类型之间,而不是坡位之间。各覆被类型的土壤含水量相对大小为荒草地>8年生刺槐林>20年生刺槐林>沙棘林。即使沙棘林和刺槐林位于更利于获取土壤水分的地形条件下,其土壤含水量仍然明显低于荒草地。地形对土壤水分的影响被植被类型的影响所掩盖。上述规律在雨季前后都有明显表现。因此,完全基于地形指数的土壤水分预测模型在黄土高原应该慎用,植被类型应该作为土壤水分空间预测的一个重要参数。雨季使土壤含水量整体提高,但是土壤水分空间分布格局并没有根本改变,高处仍高,低处仍低,各样点处的土壤含水量在雨季前后达到显著相关水平,说明土壤水分空间格局并不是瞬时状态,而具有明显的时间稳定性。     

黄土高原草地植物叶脉性状沿环境梯度的变化规律

叶脉在维持叶片水分和光合能力方面具有重要作用,研究植物叶脉沿环境梯度的变化规律有利于从生理结构的角度探究植物叶片对环境变化的适应策略。以黄土高原中部为研究区域,沿水分和养分梯度从东向西选取10个取样点,涵盖了3种主要的植被带类型（森林草原、典型草原和荒漠草原）,共获得519种植物叶片并测定其叶脉性状,包括叶脉密度（VLA,mm/mm²）、叶脉直径（VD,μm）和单位面积叶脉体积（VV,μm³/mm²）,旨在探究不同脉型植物（包括网状脉、平行脉和单叶脉）叶脉性状的变异规律。结果表明：（1）黄土高原植物VD和VV沿经度增加减小,而VLA无明显变化（P>0.05）。（2）在不同脉型植物中VLA和VD的负相关关系只在网状脉和平行脉中存在,VLA和VV的正相关关系只在网状脉存在,VD和VV的正相关关系在不同脉型植物中均存在。（3）黄土高原自东向西随经度减小,网状脉植物的3种叶脉性状均显著增大（P<0.01）,但变化趋势较弱（R²=0.02-0.07）;平行脉VLA无显著变化,VD和VV显著减小（P<0.01）;然而,单叶脉植物的3种叶脉性状均无显著变化（P>0.05）。（4）叶脉类型是影响叶脉性状变异的主要因素（解释度为27.84%-62.25%）。环境因子中,土壤因子（主要是土壤水分和养分含量）对3种叶脉性状的解释度（0.54%-2.91%）大于气候因子（0.02%-0.77%）。这些结果表明,不同脉型植物具有不同的适应策略,未来在研究叶脉对环境变化的响应和变异规律时要考虑到叶脉类型的影响。     

黄土高原不同植被带内草地植物叶片解剖性状的变异规律

叶片作为植物与外界进行物质交换的桥梁,其解剖性状能够相互协调以应对外界环境对植物生长造成的不利影响,从而反映出植物对环境变化所采取的适应策略。通过对黄土高原不同植被带(森林草原带、典型草原带、荒漠草原带)草地群落中常见115种植物(包括单子叶植物,双子叶植物,木本植物和草本植物四种功能型植物)叶片进行取样,并运用石蜡制片技术和光学显微技术获得叶片解剖性状(包括表皮厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、叶肉厚度和叶片厚度),旨在研究不同植被带内草地植物叶片解剖性状的变异规律及其与群落内物种相对优势度之间的关系,为黄土高原植被恢复和生态环境改善提供理论依据。结果表明：(1)沿着干旱梯度,从森林草原带、典型草原带到荒漠草原带,除叶肉厚度外,植物各叶片解剖性状值均呈现增大趋势,表明干旱地区叶片的旱生结构特征明显。(2)不同功能型植物叶片解剖性状与环境因子的关系各异。木本植物和草本植物的栅栏组织厚度和栅海比均与降水和土壤养分呈显著负相关关系(P<0.05)。同时,木本植物的叶片厚度与水分呈显著负相关关系(P<0.05),而草本植物表皮厚度仅与土壤养分呈显著负相关关系(P<0.05)...     

地形因子对黄土高原山杏叶片功能性状的影响

坡向和坡度是重要的地形因子,调控水、热组合可以影响植物生长及叶片功能性状,研究叶片功能性状对不同地形因子的响应,有助于了解植物对环境的适应策略.以阳坡(半阳坡)和阴坡(半阴坡)2个坡向,以及15°~20°、21°~25°和26°~30°3个坡度为环境梯度,对比研究了其对黄土高原主要造林树种山杏叶片功能性状(包括叶面积、比叶面积、叶干物质含量和叶片含水量)的影响,结果表明:1)坡向与坡度分别对所有叶片功能性状的影响均显著,坡向和坡度仅对叶片含水量具有交互作用.2)坡向梯度上,阳坡叶片的叶面积与阴坡相当,但叶干物质含量(0.24 g·g^-1)和叶片含水量(59.6%)均小于后者(0.27 g·g^-1和67.0%);阳坡叶片的比叶面积显著高于阴坡,其值分别为183.72和163.05 cm2·g^-1.3)坡度梯度上,叶片的比叶面积和叶面积均随坡度增大呈先减后增趋势,二者分别在15°~20°和26°~30°上达最大值,分别为184.04 cm^2·g^-1和21.14 cm2.4)除15°~20°与26°~30°的土壤水分无差异外,其余坡度以及坡向之间的土壤水分均存在显著差异,且土壤水分是造成叶片功能性状差异的主要原因之一,其中0~10 cm土层含水量对叶片功能性状的影响最大.5)叶片比叶面积与叶片含水量、叶干物质含量呈负相关,与叶面积呈正相关;叶干物质含量与叶片含水量呈正相关,与叶面积呈负相关;土壤含水量仅与叶片含水量呈正相关,与其他叶片功能性状均不相关.     

黄土高原不同退耕年限坡地植物比叶面积与养分含量的关系

对黄土高原不同退耕年限坡地植物比叶面积(SLA)和养分含量进行研究,探明其随生境条件而发生的变异及其与土壤理化特性之间的关系.结果表明,立地和物种水平植物SLA存在显著差异,SLA变化范围各不相同,植物叶片C、N和P含量以及C/N 、N/P和C/P在不同退耕年限坡地间不具有一致性的变化,这表明不同物种叶性因子随生境发生的变化较为复杂.草地植物叶片SLA和叶片C含量为负相关,与N、P含量呈极显著的正相关(P<0.01).土壤理化特性对叶片SLA和养分含量的关系因物种而异,综合所有植物进行分析,土壤理化特性与植物SLA的相关性不明显,但与叶片养分含量关系密切.所以,生境条件的差异可能是植物叶片结构特性和养分组成发生变化的重要原因,但调控植物叶性特征的因素较为复杂,不同的植物具有各自相应的对生境条件的适应机制.     

黄土高原多年生草本物种根部导水结构及空间分异特征

植物茎干导水系统起着植株水分长距离输导功能,深入了解植物导水解剖结构和功能对于认识植物水分、养分输导和分配策略具有重要意义,然而相关研究还是主要集中在木本乔、灌木物种上,而对于多年生草本物种的相关研究还未引起人们的重视。以黄土高原多年生草本物种为研究对象,在黄土高原沿降雨梯度(250—530 mm)布设12个采样点,采集了30种多年生草本物种的主根解剖材料,并分析了该地区草本物种根部导管解剖结构及空间分异特征。研究结果表明1)多年生草本物种根部导管特征参量具有较大的变异性,在固定测量范围内导管数量、导管直径、导管分数、总水分传导效率的变化范围分别为25—295个、24.46—54.58μm、2.42%—33.16%、0.034—25.357 kg m~(-1) MPa~(-1) s~(-1)。2)多年生草本根部导管直径、导管分数和导水效率均沿降雨量的增加呈不断下降趋势,其中以导水效率下降趋势最为明显(R=-0.3—-0.362,P0.05),这表明水分条件是限制黄土高原草本物种根部导水特征空间变异的主要因素。3)多年生草本根部导管直径和导水效率以半荒漠分布为主的蒺藜科草本物种中数值最高,其次是人工种植为主的豆科草本物种,而以自然分布为主的菊科草本物种的导管参量数值最低,这表明黄土高原不同类群草本物种的导水特征和输水策略存在较大差异性。     

基于GIS的黄土高原水分生态环境区域空间格局研究

利用地理信息系统技术和地学综合分析方法,对黄土高原(陕西部分)的水分生态环境区域空间格局进行了研究,并获取了1：50万的陕西黄土高原水分生态环境区域空间格局图．结果表明,黄土高原区域水分生态空间格局受气候(降水)、土壤(质地)、地质(黄土堆积厚度)、地形(区域地貌)、植被等多因素的综合作用,并可由上述系列因子进行分别度量;用不同植被的适生性作为区域水分生态状况的综合度量指标;陕西黄土高原的区域水分生态环境涉及乔木适生区、灌丛适生区和草被适生区3种类型,且在空间上具有镶嵌性．其主体则为乔木适生区,反映了该区具有生态良性恢复的巨大潜力．     

黄土高原小流域土壤养分的空间异质性

利用地理信息系统的空间分析功能,通过地统计学的半变异函数定量研究了黄土高原典型小流域土壤养分的空间异质性特征。结果表明;土壤有机质,全氮,有效氮,全磷和有效磷的理论模型均为球状模型,由随机因素引起的空间变异占空间总变异的比例小,其值分别为13.333%,10.938%,22.000%,9.091%和27.536%,反映5种养分具有较强的空间自相关格局,但它们的空间自相关范围具有明显的差异。土壤全氮和有效氮变程小,分别是90m和110m,有机质次之,变程是120m,而土壤全磷和有效磷的变程最大为160m,研究成果将有效地指导土壤的取样设计,以及进行土壤养分的空间内插和制图。     

黄土高原典型苹果园地深层土壤氮磷钾养分含量与分布特征

测定了黄土高原6个苹果生产基地县21个果园0-300 cm土层土壤氮磷钾养分含量,分析和比较了不同县区果园土壤氮磷钾养分含量差异及其土壤剖面分布特征.结果表明:(1)6个试点21个果园0-300 cm土层土壤氮磷钾全量分别为0.54、0.53和6.79 g/kg,土壤氮磷钾速效量分别为102.66、7.95和102.75 mg/kg,不同苹果产区果园土壤氮磷钾全量和速效量差异明显,除全氮含量外均以中部高塬黑垆土苹果产区氮磷钾全量和速效量最高,而以北部丘陵黄绵土苹果产区最低.(2)不同苹果产区果园0-300 cm土层土壤氮磷钾全量和速效量剖面分布特征类似,除全钾和速效氮外其余养分全量和速效量剖面分布具有明显“表层积聚效应”.(3)6个试点果园土壤全氮含量呈现缺或较缺,土壤速效氮含量丰富或中等或缺,土壤速效磷含量中等或缺,土壤速效钾含量丰富或较丰富,应该增施有机肥,氮磷肥配合,适当增施钾肥.     

黄土高原紫草科植物

报道了黄土高原紫草科植物23属51种7变种的名称,分布,生境和用途。     

黄土丘陵沟壑区主要草种枯落物的持水能力与养分潜在归还能力

黄土丘陵沟壑区由于土壤侵蚀严重,天然植被恢复缓慢,植被稀疏,枯枝落叶层的生态效应就显得尤为重要。对该区坡沟不同立地条件下草本群落主要物种的枯落物蓄积量、持水与养分潜在归还能力进行了分析,探讨主要物种枯落物对土壤的改善作用。结果表明:1)坡沟不同立地条件下枯落物蓄积量差异显著(P0.05),在73.74—175.26 g/m2之间变化,表现为阴沟坡峁顶阳沟坡阴梁峁坡阳梁峁坡;在坡面不同微地形下也差异显著(P0.05),在阳坡表现为株丛浅沟鱼鳞坑裸地,在阴坡为浅沟鱼鳞坑株丛裸地,在峁顶为株丛裸地。2)主要物种枯落物最大持水量可达自身干重的1.22—4.34倍;不同物种枯落物间的持水能力差异极显著(P0.01),表现为白羊草叶铁杆蒿叶白羊草茎达乌里胡枝子叶长芒草达乌里胡枝子枝铁杆蒿枝。3)枯落物C、N含量分别在7.35%—40.33%和0.61%—1.60%之间,不同物种间差异极显著(P0.01),同一物种枯落物C、N含量在坡沟不同立地条件下差异不显著。4)影响枯落物分解的木质素含量(1.00%—8.20%)、纤维素含量(3.16%—14.06%)、木质素/N值(0.78—12.48)、C/N值(5.61—57.41)在不同物种间差异极显著(P0.01);同一物种木质素含量、纤维素含量和木质素/N值在坡沟不同立地条件下差异显著(P0.05),而C/N值不显著。5)铁杆蒿叶的枯落物养分潜在归还能力最大,达乌里胡枝子和白羊草的枯落物次之,长芒草的枯落物养分潜在归还能力最小。     

基于系统发育的黄土高原地区木本植物多样性及特有性格局

黄土高原地区植被类型多样, 森林、草原和荒漠在此交汇并逐渐过渡。由于水热条件限制和人类活动加剧, 该地区生态环境脆弱, 生物多样性保护面临的形势日益严峻, 因此获取该区域物种多样性的空间分布格局并阐明其影响因素成为该地区生物多样性保护的首要任务。本研究首先结合标本采集记录与环境因子, 利用物种分布模型获取了293种木本植物的潜在分布区, 分析了物种丰富度和物种加权特有性的空间格局。其次, 引入系统发育信息, 分析系统发育多样性和系统发育特有性的空间格局, 并进一步利用环境因子对上述格局分别进行解释。最后, 对黄土高原地区的特有中心性质和显著性进行分析。结果表明, 生物多样性热点地区均出现在黄土高原南部水热条件较好的地区, 即秦岭和中条山一带。本区域的生物多样性空间格局由年平均降水量和最冷月最低温主导, 符合植物区系交汇带的特点。特有中心集中在南部地区和青海省, 由南向北分别是古特有中心和混合特有中心, 不存在单独的新特有中心。黄土高原地区木本植物起源较为古老, 生物多样性格局的形成以来源于热带或亚热带的物种扩散为主, 物种的分化不占主导地位。上述结果表明了将植物的进化历史纳入生物多样性保护的重要性。     

氮素添加对黄土高原典型草原长芒草氮磷重吸收率及C:N:P化学计量特征的影响

 为了解氮素沉降对草地群落的影响, 通过人工氮肥添加模拟试验, 研究了黄土高原天然草地优势植物长芒草(Stipa bungeana)在不同施氮水平下叶片和立枯物碳(C)、氮(N)、磷(P)元素含量的变化特征, 探讨了N素增加对N、P重吸收率和C : N : P化学计量比的影响及其内在联系。结果表明: 氮素添加显著增加了长芒草叶片的C、N和立枯物的N、P含量, 对叶片P和立枯物C含量无显著影响; 氮素添加显著降低了长芒草的N、P重吸收率, 对照处理的N、P重吸收率最高, 分别为60.35%和
71.75%, 并且, 在相同氮素处理条件下P的重吸收率显著大于N重吸收率; 随着氮素添加量的增大, 叶片的C : N降低, N : P和C : P增加, N : P为18.25–29.01。研究表明, 黄土高原天然草地群落主要受P限制, 随氮素沉降增加, P限制进一步加剧; 长芒草较高的N、P重吸收率是保证其在贫瘠的土壤中生存的重要机制。     

黄土高原草地植被碳密度的空间分布特征

草地是世界上分布最广的植被类型之一,作为陆地生态系统的重要组成部分,参与了全球碳源/汇及碳循环过程,在全球气候变化中扮演着重要角色,并对其产生重大影响。以黄土高原草地植被为研究对象,结合国家退耕还林草与封山禁牧工程的实施,对封禁前后的天然草地和退化草地,采用样带多点调查与多年定位测定相结合的方法,分析了黄土高原不同类型草地植物活体、凋落物和根系碳密度分布格局与地带性规律,系统研究了黄土高原不同草地类型退化草地和封禁草地生物量与碳密度沿海拔及降水梯度的时空变异特征,阐述了影响草地碳密度分布的主要驱动因子及其作用机理。结果表明:4种草地类型3种处理的草地生物量和碳密度自西北向东南均与降雨量呈指数增长趋势,并随海拔降低而显著降低,且二者呈显著的线性回归关系;各草地类型地上/地下生物量与碳密度分布规律均为荒漠草原<丘陵典型草原<梁塬典型草原<草甸草原;封禁11a草地活体植物、凋落物和根系碳密度总量:荒漠草原为7.066 t/hm2,丘陵典型草原为8.080 t/hm2,梁塬典型草原为15.319 t/hm2,草甸草原为20.982 t/hm2,分别是退化草地的14.8、8.33、6.5倍和15.88倍。充分表明,封禁不仅能使草地植被恢复和生物量提高,而且也是草地生产力和碳密度增加的一条重要途径。由此可见,气候干旱和草地退化是影响草地生物量和碳密度的关键因素,系统研究黄土高原封禁草地生物量增长与碳密度变化过程,将会对未来全球气候变化分析作出重要贡献。     

近70年黄土高原3种植物叶片气孔特征参数比较

以黄土高原地区3种典型植物辽东栎(Quercus liaotungensis Koidz.)、虎榛子(Ostryopsis davidiana Decne.)和酸枣[Ziziphusjujuba Mill.var.spinosa(Bunge)Hu ex H.F.Chow]标本为材料,利用数码图像显微处理系统,研究了从20世纪30年代至2002年近70 a中植物叶片气孔长度、宽度、面积与密度的变化状况及其相关性.结果表明,气候变化对3种植物气孔性状并无一致的影响.辽东栎叶片气孔长度、宽度、面积和密度变化总体上均呈上升趋势,升高率分别为11.62%、3.17%、18.01%和1.32%.酸枣叶片气孔长度、宽度和面积呈上升趋势,升高率分别为21.90%、13.60%和35.61%;而气孔密度下降,降低率为-27.86%.虎榛子叶片气孔长度、面积和密度均呈下降趋势,降低率分别为-7.91%、-1.43%和-9.73%;而气孔宽度升高率为2.56%.酸枣叶片气孔4个特征参数的变化率均明显大于辽东栎和虎榛子,虎榛子叶片气孔性状的3个参数(除密度外)变化率最小.3种植物叶片气孔长度的变幅均大于气孔宽度,证实气孔宽度是相对比较稳定的性状.     

种植模式和施肥对黄土旱塬农田土壤团聚体及其碳分布的影响

本研究以长武黄土高原农业生态试验站33年长期定位试验处理为研究对象,选取撂荒(R)、小麦连作(CK/W)、小麦玉米轮作(L),小麦连作选取单施氮肥(N)、单施磷肥(P)、施氮磷肥(NP)、单施有机肥(M)、氮肥配施有机肥(NM)、磷肥配施有机肥(PM)、氮磷肥配施有机肥(NPM)共10种不同种植模式和施肥田间处理,运用...     

近一世纪黄土高原区植物气孔密度变化规律

以黄土高原地区 4种典型 C3植物辽东栎 (Quercus liaotungensis)、虎榛子 (Ostryopsis davidiana)、酸枣 (Zizyphus jujubavar.spinosa)和狼牙刺 (Sophora viciifolia)植物腊叶样品标本为材料 ,利用数码图像显微镜处理系统 ,研究了从 2 0世纪 30年代至 2 0 0 2年中不同年代植物气孔密度的变化情况。结果表明 ,在近百年中 ,4种植物气孔密度随环境变化的演变规律不同 ,辽东栎气孔密度升高率为 1.31% ,几乎没有变化 ,虎榛子气孔密度降低率为 9.79% ,下降也不十分明显 ,而酸枣和狼牙刺的气孔密度降低率分别为 32 .35 %、4 6 .85 % ,下降非常明显。 4种植物气孔密度变化率比较 :狼牙刺 >酸枣 >虎榛子 >辽东栎。说明不同植物对气候环境因子的敏感性不同 ,具有不同的适应环境变化的策略 ,环境变化对气孔密度的影响 ,其效应因植物种类而异     

黄土高原子午岭种子植物区系特征研究

黄土高原子午岭位于黄土高原中部半湿润半干旱过渡带(107°30′~109°40′E,33°50′~36°50′N)。其在植被分区上隶属于泛北极植物区、中国-日本森林植物亚区的华北地区黄土高原植物亚地区。区内共有种子植物94科361属689种,分别占黄土高原区种子植物总数的63.95%、41.78%和21.37%。其中大科、大属在区系组成中起着非常重要的作用。该区种子植物属包含15个分布区类型及12个变型,其中北温带分布、旧世界温带分布、泛热带分布、东亚分布等成分占有重要地位。其种子植物区系的基本特征是:植物种类相对丰富;多种地理成分交汇、过渡特征明显;区系组成以华北成分为主体,温带成分占优势;沿纬度梯度地理成分差异显著,垂直分布带谱不明显;区系成分新老并存,特有化程度低。