黄土高原水蚀风蚀交错区固氮微生物群落多样性在生物结皮中的演变规律

生物土壤结皮在黄土高原的水土保持、养分补给等方面发挥着重要生态功能。固氮微生物是固氮过程的关键功能群,影响着土壤氮素平衡,然而黄土高原水蚀风蚀交错区严重的水土流失导致土壤养分大量损失,尤其是氮素。该区域生物结皮广泛发育,它们在干旱半干旱区土壤氮素积累过程中起着重要作用。但是该区域生物结皮不同发育阶段中的固氮潜力、固氮微生物群落多样性及其关键环境控制因子尚不清楚。以黄土高原水蚀风蚀交错区为研究区,三种生物结皮类型和裸地对照为研究对象,采用Illumina HiSeq平台对nifH基因扩增产物进行生物信息学分析,揭示了固氮潜力及微生物群落多样性的分布规律。结果表明,生物结皮演替显著影响固氮酶活性、nifH基因丰度和固氮微生物α-多样性,各值均在苔藓结皮最高,显著高于其它演替阶段,且生物结皮层高于结皮下层土壤。在固氮微生物群落组成上,裸地以变形菌门的红螺菌目、酸硫杆菌目和根瘤菌目为主;而在藻结皮、地衣结皮和藓结皮阶段,均表现为蓝藻门的念珠藻目占绝对优势,是固氮微生物的关键类群,其中Trichormus、念珠藻属是优势固氮物种;与藻结皮、地衣结皮相比,藓结皮中念珠藻目的相对丰度显著降低,而变形菌门的红螺菌目、酸硫杆菌目和根瘤菌目的丰度明显上升。除此之外,蓝杆藻属、鱼腥藻属、斯克尔曼氏菌属、瘤胃梭菌属在藻结皮、地衣结皮、藓结皮也占明显优势。念珠藻目以及Trichormus的丰度与固氮酶活性、nifH基因丰度呈显著正相关关系,而与红螺菌目、酸硫杆菌目、梭菌目、根瘤菌目呈显著负相关;Trichormus相关的物种在黄土高原生物结皮氮输入过程中可能发挥着关键作用。生物结皮演替通过改变土壤pH值、有机质、全氮、含水量等理化特征而影响了微生境,通过环境筛选和物种重排作用对固氮微生物群落进行综合调控,其中pH与土壤全氮(TN)发挥着关键作用。     

黄土高原水蚀风蚀交错区藓结皮对土壤酶活性的影响

以黄土高原水蚀风蚀交错区黄绵土和风沙土上发育30年的典型藓结皮为对象,分6层采集0～12 cm土层土样,研究了藓结皮对不同土层4种水解酶活性的影响及其与土壤养分的关系.结果表明: 与无结皮相比,黄绵土藓结皮的脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶和蛋白酶活性分别提升了2.4、7.6、20.7、2.4倍,而风沙土藓结皮的这4种水解酶活性分别提升了3.5、22.2、22.3、2.0倍;黄绵土和风沙土藓结皮的体积含水量分别降低了6.5%和0.8%,温度分别降低了0.8和2.5 ℃;黄绵土藓结皮的有机质、碱解氮和速效磷含量分别提升了2.5、2.9和3.6倍,风沙土分别提升了3.6、3.0和6.6倍.4种水解酶的活性与土壤养分含量呈显著正相关,与土壤含水量呈显著负相关;而土壤温度与脲酶活性呈显著正相关,与蛋白酶活性呈显著负相关.黄土高原水蚀风蚀交错区2种土壤藓结皮均能显著提升水解酶活性,这是藓结皮加速土壤养分周转的重要因素;通过改变土壤含水量和温度等酶促反应条件间接影响酶活性,是藓结皮促进土壤酶活性的重要途径.     

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。     

黄土高原水蚀风蚀交错区三种植被蒸散特征

利用称重式蒸渗仪结合Penman-Monteith公式研究了黄土高原水蚀风蚀交错区苜蓿、柠条和茵陈蒿3种植被不同时间尺度的蒸散特征,分析了植被株高、盖度和降水等因子对蒸散的影响并确定了作物系数(KC).结果表明:Logistic三参数模型可以较好拟合3种植被株高、盖度随时间的变化情况并确定了模型的参数.3种植被逐日蒸散变化受降水量的影响波动明显,反映了土壤水分状况控制条件下的蒸散过程.其月蒸散量的季节性差异均不明显,研究时段内总耗水量分别为苜蓿316 8mm、柠条317.7mm、茵陈蒿361.9mm,均高于同期降水量.苜蓿和茵陈蒿初期、中期和后期的KC分别为0.48、0.54、0.42和0.58、0.67、0.62,柠条初期和中期的KC为0 45、0.57,均高于当地典型农作物谷子的KC.     

黄土高原水蚀风蚀交错区坡地土壤剖面饱和导水率空间异质性

在黄土高原水蚀风蚀交错区坡面(40 m×350 m)尺度上进行网格(10 m×10 m)取样,用经典统计学和地统计学相结合研究了180个土壤剖面(0-200 cm)各土层扰动土饱和导水率(Ks) 的空间异质性及分布格局。结果表明: 0-20 cm土层的Ks值(5.36×10^-3 cm/s)最大,>20-200 cm各土层的Ks值均小于表层,其值介于4.32×10^-3-4.76×10^-3 cm/s之间。各土层Ks的变异程度相近,均属于中等变异。>20-200 cm各土层Ks 的Kriging 插值图分布格局也表现出一致性,因此可用>20-40 cm土层的Ks值来代表深层Ks值对土壤水分运动进行模拟。除了0-20 cm 的Ks的基台值(C +C₀)为0.154,其它各土层基台值介于0.202-0.276之间,说明0-20 cm的Ks空间异质性小于>20-200 cm各土层。从比值C/(C+C₀)来看, 0-20 cm属于中等自相关,>20-200 cm土层属于强的空间自相关性,同样也验证了黄土高原水蚀风蚀交错区土壤剖面饱和导水率具有空间变异特征。     

冻融作用对土壤理化性质及风水蚀影响研究进展

冻融侵蚀在我国分布范围广,是主要土壤侵蚀类型之一,而冻融作用与其他营力复合进行侵蚀的分布范围比单纯的冻融侵蚀更广,所造成的危害也更大.本文基于国内外已有研究成果,总结评述了冻融作用对土壤理化性质及风蚀和水蚀影响的相关研究进展.冻融条件下,土壤水分发生运移,结构被破坏,土壤孔隙度、容重、抗剪强度、团聚体稳定性和有机质等理化性质均发生变化,其变化趋势和幅度与土壤质地、冻融程度有关.冻融作用通过改变土壤理化性质,增加土壤可蚀性,从而影响土壤风蚀和水蚀发生及过程,导致侵蚀强度增大.目前,冻融研究以室内模拟为主,与野外实际冻融过程差异较大,且由于试验条件不同,得到的结论无法统一,甚至相反.因此,通过室内模拟与野外实测相结合,加强冻融条件下土壤侵蚀机理研究是下一步的重点,这对季节性冻融区解冻期侵蚀预报和防治具有重要意义.     

水蚀风蚀交错区退耕坡面植被利用对产流产沙的影响

为有效利用水蚀风蚀交错区退耕封育坡面植被,确定合理的植被利用强度非常必要.本试验选取黄土高原水蚀风蚀交错区典型小流域——六道沟小流域为试验区,在多年退耕封育坡面布设径流小区,通过人工模拟降雨试验,研究植被地上部分在不同利用强度下各坡度(10°、20°和30°)坡面产流、产沙变化特征,以确定合理的利用强度. 结果表明: 次降雨过程中径流速率大体可分为两个阶段:初期迅速增长阶段和中后期增长变缓或趋于准稳定阶段.侵蚀速率的变化趋势因坡度的不同而略有差异.利用强度对产流量有显著影响,产流量随利用强度的加强而增加.坡度对侵蚀量影响显著,侵蚀量表现为20°坡面＞30°坡面＞10°坡面.以植被地上部分未利用小区为对照,相对增水量和相对增沙量均随利用强度加强而增加.结合降雨资料推测,退耕15年左右坡面植被地上部分盖度达到25%时,坡面年土壤侵蚀量基本低于容许土壤流失量.应重视该区20°坡面植被的恢复治理工作.     

工矿区不同类型生物结皮对大气降尘重金属的富集规律及其影响因子

大气降尘是矿区土壤重金属的主要来源,而生物结皮对大气降尘重金属有显著的富集作用。为探究不同类型生物结皮对大气降尘重金属的富集规律及其影响因子,选取宁东典型火电厂周边生物结皮广布区作为试验样地,3类生物结皮作为研究对象,并以临近裸土作为对照,对比分析了生物结皮富集大气降尘过程中土壤理化性质、酶活性及重金属含量的变化,采用相关分析、冗余分析和方差分解方法探讨了不同类型生物结皮的结皮层(A层)和层下土壤(B层)重金属含量与其土壤物理、化学性质及酶活性之间的关系。结果表明：燃煤烟尘是矿区大气降尘重金属污染的主要来源,涉及重金属元素包括Cd、Cr、Hg、Pb、Zn、As。生物结皮对源自大气降尘的重金属元素均具有显著的富集作用,且在不同演替阶段生物结皮间的富集规律完全一致：藓结皮>混生结皮>藻结皮;重金属综合污染指数评价结果显示：生物结皮对重金属具有表层富集效应,表现为A层污染程度高于B层。不同类型生物结皮A、B层综合污染指数存在显著差异,排序为：藓结皮>混生结皮>藻结皮;和对照相比,三类生物结皮均能通过富集大气降尘增加其A、B层养分和细颗粒物含量并改善土壤质地。方差分解结...     

黄土丘陵区生物结皮对土壤可蚀性的影响

在采样分析生物结皮对土壤理化属性影响的基础上,采用EPIC模型估算与模拟降雨试验相结合的方法,研究了黄土丘陵区不同生物量、不同土壤质地和不同季节的生物结皮对土壤可蚀性(K值)的影响.结果表明： 生物结皮显著降低了土壤可蚀性,生物结皮层土壤可蚀性较下层土壤降低17%;土壤可蚀性随生物结皮生物量的增加呈降低趋势,藓结皮土壤可蚀性K值较藻结皮土壤降低21%;生物结皮土壤可蚀性在不同季节因其生物活性不同而存在差异,雨季中显著高于雨季前和雨季末;不同质地土壤上生物结皮对可蚀性的影响不同,可蚀性K值为砂壤>粉壤>砂土;模拟降雨条件下测定表明,生物结皮的发育使土壤可蚀性较对照（下层5~10 cm土壤）降低约90%.
     

黄土丘陵区生物结皮对土壤可蚀性的影响

在采样分析生物结皮对土壤理化属性影响的基础上,采用EPIC模型估算与模拟降雨试验相结合的方法,研究了黄土丘陵区不同生物量、不同土壤质地和不同季节的生物结皮对土壤可蚀性(K值)的影响.结果表明： 生物结皮显著降低了土壤可蚀性,生物结皮层土壤可蚀性较下层土壤降低17%;土壤可蚀性随生物结皮生物量的增加呈降低趋势,藓结皮土壤可蚀性K值较藻结皮土壤降低21%;生物结皮土壤可蚀性在不同季节因其生物活性不同而存在差异,雨季中显著高于雨季前和雨季末;不同质地土壤上生物结皮对可蚀性的影响不同,可蚀性K值为砂壤>粉壤>砂土;模拟降雨条件下测定表明,生物结皮的发育使土壤可蚀性较对照（下层5~10 cm土壤）降低约90%.
     

黄土高原水蚀风蚀交错带不同土地利用类型土壤呼吸季节变化及其环境驱动

以黄土高原水蚀风蚀交错区神木县六道沟小流域为研究区,采用动态密闭气室法对植物生长季节（2007年5～10月）5种土地利用方式的土壤呼吸速率进行了测定,并结合水热因子,对不同土地利用方式间土壤呼吸速率的差异性以及其和温度、含水量之间的关系进行了分析。结果表明：5种土地利用类型土壤呼吸速率季节性变化均呈现单峰型曲线,与气温变化趋势一致,其7、8月份土壤呼吸速率均显著高于其它月份（P〈0.05）;生长季节土壤CO2平均释放速率顺序为：长芒草地〉苜蓿地〉柠条地〉农地〉沙柳地,草地在生长前期和旺盛期土壤呼吸强度均显著高于农地和灌木林地;除沙柳地和苜蓿地以外,在土壤呼吸与所有温度指标的关系中,与10cm深度的土壤温度相关性最好,且除沙柳地外,其它4种土地利用类型均与之达到显著相关;农地土壤呼吸对温度的响应最敏感（Q10值为2.20）,除沙柳地（Q10值为1.48）外,其它4种土地利用类型Q10值均在2.0左右,接近于全球Q10的平均水平;通过Van’t Hoff模型估算,2007年植物整个生长季节（5～10月份）,5种土地利用类型土壤呼吸量从高到低依次为：苜蓿地259gC·m^-2,长芒草地236gC·m^-2,柠条地226gC·m^-2,农地170gC·m^-2,沙柳地94gC·m^-2;水分对农地和沙柳地的土壤呼吸影响不大;长芒草地、柠条地和苜蓿地土壤呼吸的双变量模型关系显著（P〈0.05）,比相应的单变量模型更好地解释了土壤呼吸变异。     

青藏高原高寒冻土区生物结皮对浅层土壤水热过程的影响

生物结皮在高寒地区广泛发育,是影响冻土环境的重要因素之一。为了解高寒冻土区生物结皮对浅层土壤水热过程的影响,以黄河源区玛多县季节冻土区生物结皮为研究对象,采用定位监测的方法,分析了统一地貌单元内两种不同类型的生物结皮对浅层（0–50cm）土壤水温变化的影响。研究结果表明（1）生物结皮对冻土浅层土壤水热过程有显著的影响,其影响效果不仅与土壤的冻结融化状态有关,还与生物结皮的类型密切相关：1）在冻结状态下,生物结皮对土壤水分和温度均没有显著影响;而在融化期,两种类型生物结皮与裸地相比,增加了不同土层土壤未冻水含量,同时降低了浅层土体温度。其中深色藻结皮增加了5–15cm土层土壤含水量（1~5.4 %）,而浅色藻结皮增加了30cm土层土壤含水量（5~12 %）,且深色藻结皮的降温效应（1.1~2.1 ℃）显著高于浅色藻结皮（0.8℃~1.3 ℃）。（2）生物结皮覆盖下冻土浅层土壤中未冻水含量与土壤温度呈复杂的耦合作用。根据土壤温度变化,土壤中未冻水含量与温度的变化关系可分为三个阶段：T< -4℃时,土壤处于完全冻结状态,深色藻结皮覆盖下,土壤未冻水含量保持在4.3%左右;土壤温度T< 4℃,土壤未冻水含量与土壤温度呈正相关关系;土壤温度T > 4℃,土壤未冻水含水量与土壤温度呈负相关关系。即-4 < T < 4℃时,土壤温度影响土壤含水量,随着土壤温度升高土壤未冻水含量增加;土壤温度T > 4℃,水热相互耦合,随着土壤温度升高,土壤中未冻水含量的降低。同时土壤含水量影响土壤温度, 随着土壤含水量的增加,土壤温度降低。研究结果揭示了高寒草甸退化过程中生物结皮对冻土浅层土壤水热过程的重要影响,这一研究结果将为后期冻土区生态修复提供理论依据。     

黄土高原不同侵蚀类型区生物结皮固氮活性及对水热因子的响应

在野外调查的基础上,采集不同侵蚀类型区内发育至稳定阶段的生物结皮,分析水分和温度变化对生物结皮固氮活性的影响.结果表明:水蚀区、水蚀风蚀交错区、风蚀区生物结皮固氮活性表现为水蚀区(127.7μmol.m-2.h-1)>水蚀风蚀交错区(34.6μmol.m-2.h-1)>风蚀区(6.0μmol.m-2.h-1);3个侵蚀类型区生物结皮固氮的最适温度分别为35、25和15℃.在最适温度条件下,水蚀区及水蚀风蚀交错区生物结皮固氮活性在100%～40%田间持水量时差异不显著;风蚀区生物结皮固氮活性对水分变化较为敏感,当含水量降至80%田间持水量时固氮活性开始显著降低,降至20%田间持水量时,生物结皮固氮作用停止.3个侵蚀类型区生物结皮固氮活性及其对水分与温度变化响应的差异与不同侵蚀类型区的气候、环境及生物结皮物种组成有关.     

黄土高原水蚀风蚀交错带不同生境植物的叶性状

研究不同生境和不同植被演替阶段的叶性状,将为区域植被建设提供重要科学指导。以黄土高原水蚀风蚀交错带的典型区——神木六道沟流域为研究地点,研究了不同生境植物叶性状的种间和种内差异、退耕地植被演替过程中叶性状的变化及其相互关系。结果表明:(1)不同生境植物的光合特征和叶片结构特征的种间差异较大,这可能是植物长期适应生态环境的结果,同时也与其本身固有的遗传特性有关。(2)在物种水平上,最大光合速率(Pmax)、光合氮素利用效率(PNUE)和比叶面积(SLA)随退耕年限的增加呈显著下降趋势,而水分利用效率(WUE)、叶氮含量(Nmass)与退耕年限相关关系不显著。在群落水平上,除SLA与退耕年限的相关性不显著以外,其它指标皆与物种水平的变化趋势一致。(3)研究区32个物种的Pmax与WUE、PNUE、Nmass呈显著正相关(P0.05),而与SLA的相关关系不显著。PNUE与WUE、SLA呈显著正相关(P0.001),而与Nmass的相关性不显著;物种的Nmass与SLA呈显著正相关(P0.001)。同其它地区相比,研究区物种的Pmax、PNUE、SLA较低。具有较低Pmax、PNUE、SLA的物种可能更适宜研究区土壤贫瘠的生境。