沙坡头地区固沙植物油蒿、柠条蒸散状况的研究

应用一组自动称重式lysimeter对腾格里沙漠东南缘沙坡头地区半灌木油蒿(Artemisia ordosica)与灌木柠条(Caragana korshinskii)植丛的蒸散与流沙区蒸发比较,在生长季节进行两年连续观测研究。结果表明,植丛生长季节蒸散约占同期降水量的90%以上,根层220cm深度以下无降水补给作用。裸沙蒸发量与深沙层补给量分别占降水量的70.5%与12.6%。湿润年(P=215.8mm,其中生长季P=1837mm)生长季内油蒿与柠条植丛日平均蒸散速率接近,分别为0.86mm·d^-1,0.87mm·d^-1。干旱年(P=121.0mm,其中生长季P=114.0mm)油蒿植丛日平均蒸散速率降低为0.68mm·d^-1,而柠条植丛日平均蒸散速率仍然高达0.80mm·d^-1。由油蒿、柠条植丛月蒸散量比较,干旱年柠条在降水相对集中且丰沛的月份具有较高的蒸散量(如1991年8月,ET为66.3mm(相当于蒸散速率2.15mm·d^-1)),致使根层年内贮水量亏缺量(ΔS=-42.6mm)较油蒿植丛严重(ΔS=- 18.7mm)。而油蒿植丛在全生长季保持低下蒸散水平,表明由于植物种利用水分的机制不同,其植丛ET随年降水变化差异明显。但是,较之于湿润年均呈现下降趋势。在湿润年,裸沙区日均蒸发量为0.60mm·d^-1,而在干旱年,其蒸发速率降低为0.44mm·d^-1,相应的月蒸发最高值为38.0 mm(相当于蒸散速率1.27 mm·d^-1)。裸沙区蒸发量日均值与月最大值几乎均降低为植丛蒸散量的一半。     

利用大型蒸渗仪分析潜水蒸发对农田蒸散量的影响

新型称重式大型蒸渗仪为我国首创，国际先进，能够直接测定蒸散量和潜水蒸发量。本文利用此蒸渗仪和相关配套仪器测定的资料，在初步分析蒸渗仪对周围农田水，热及蒸散规律代表性的基础上，估算了潜水农田蒸散的贡献份额，并建立了一定水位变幅内潜水蒸发与蒸散量的比值和地下水位的经验关系式。     

沙漠人工植被区蒸腾测定

利用表面覆盖油毡的大型非称重式蒸渗池和LI1600气孔计测定油蒿(Artemisiaordosica)和柠条(Caraganakorshinskii)的蒸腾,比较了两种测定方法是否存在差异。结果表明蒸渗池表面自油毡覆盖至试验结束,油蒿、柠条和流沙处理0~150cm土层土壤含水量都增加,尤其流沙处理土壤含水量上升最明显;油蒿与柠条的冠幅、新梢长和叶面积指数均增加;由于中子仪探测不到蒸渗池底部40cm厚的砾石层的水分,导致了对照流沙处理测定结果不合常规。测定日期不同,LI1600气孔计测定的蒸腾速率的变化趋势和值也不同,但油蒿和柠条的变化步调是一致的,油蒿的蒸腾速率普遍高于柠条的;用多项式拟合得到蒸腾速率日变化曲线均达到显著水平(P < 0.05)。通过单位换算统一和尺度转换,蒸渗池和LI1600气孔计测定结果进行方差分析,表明物种间(油蒿和柠条)差异达显著水平(P < 0.05),测定方法间(蒸渗池和LI1600气孔计)差异不显著;从而说明本研究以叶面积指数和植物冠层盖度为基础,进行叶片水平与种群水平间的尺度转换是可行的。     

西沙赵述岛地表蒸散发实验

蒸散是岛礁水循环过程中的重要组成部分,对保护珊瑚岛礁生态有重要意义。2018年6月27日—2018年8月8日利用自制的微型蒸渗仪及蒸发皿,在中国西沙群岛赵述岛开展了野外蒸散观测实验,获得了岛礁砂壤土裸地雨后实际蒸发速率,以及不同下垫面及钙质砂质地情形下潜在蒸散特征。其中,砂壤土裸地实际蒸发观测表明,雨后第2日至第4日平均蒸发速率为（1.6±0.2） mm/d,第5日至第7日迅速下降,7日后蒸发速率逐渐稳定在（0.5±0.2）mm/d,实际蒸发过程受土壤含水量调节,裸地实际蒸发（E）与蒸发皿潜在蒸发（E_o）的比值E/E_o与土壤表层含水量关系表明两者呈明显的线性相关。蒸散控制实验表明,蒸渗仪潜在蒸散呈现空旷地草地>空旷地砂壤土>林间带草地>林间带砂壤土的规律,林间带遮挡减少草地蒸散比减少裸地蒸发影响更加明显。裸地蒸发速率受岛礁钙质砂质影响,岛礁钙质砂颗粒越大,快速蒸发阶段持续时间越短,蒸发速率越小。微型蒸渗仪日蒸发量和午间蒸发速率呈一定线性相关,其中细粒钙质砂、中粒钙质砂及砂壤土三种土壤类型两者相关性更加明显。     

科尔沁沙地玉米耗水规律初探

运用蒸渗仪对沙地玉米的耗水量做了测定研究。结果表明,玉米在本地区的耗水量为464.6mm,其中播种-拔节期为67.7mm,拔节-抽穗期为164.4mm,抽穗-灌浆期为102.2mm,灌浆-成熟期130.3mm;水分生产率为10.84kg·hm^-2·mm^-1;沙地玉米田的日蒸散曲线在苗期和拔节期呈现抛物线型,但在抽穗和灌浆期则为一个双峰曲线;本地区的降水不能满足玉米的生长需要,需灌溉予以补充。     

以中型蒸渗仪监测的库布齐沙漠人工林土壤蒸发量

人工造林对库布齐沙漠的生态有重要影响,量化沙地土壤蒸发对开展人工林建设具有重要意义.利用蒸渗仪对库布齐沙漠银肯沙林场的土壤蒸发进行测定,但受外界因素的影响,蒸渗仪观测的数据会有异常值,通过自适应窗口阈值法对观测数据进行处理.再利用气象观测系统获取相关气象数据,分析土壤蒸发与气象因子的关系.结果 表明:小时尺度上,蒸渗仪...     

降水在沙丘中的运动特征研究——以甘肃民勤沙区为例

自然降水和辅助人工模拟降水试验表明在民勤沙区,降水在沙丘上的下渗深度主要受沙面状况的影响。沙丘表层土壤田间持水量大小影响降水下渗,表层粉粒和粘粒含量影响田间持水量,降水量的大小与水分下渗深度的相关性并不显著;降水强度在29.8mm·d^-1以内时,固定沙丘上的最大含水层为10~15cm,降水的下渗速率只有10~15cm·d^-1;在半固定沙丘上,28.2mm·d^-1以内的降水的最大含水层为30~35cm,降水的下渗速率只有15.0~17.5cm·d^-1;在流动沙丘上,21.7mm·d^-1以内的降水强度的最大含水层为130~135cm,降水的下渗速率可达32.5~33.8cm·d^-1;在固定沙丘和流动沙丘上,8mm·d^-1以内的降水很快蒸发损失,而在半固定沙丘上能保存较长时间;与固定和半固定沙丘相比,流动沙丘表面水分(即7~8mm以内的降水)最易在短期内蒸发损耗。     

沙坡头生态水文学研究进展及水量平衡自动模拟监测系统

在中国科学院野外站网络重点科技基础设施建设项目的支持下,沙坡头沙漠研究试验站建成了以36台大型称重式蒸渗仪为主体的中国北方不同气候带沙区水量平衡自动模拟监测系统——Lysimeter群。概述了沙坡头生态水文学研究进展。介绍了Lysimeter群建设的科学目标、构建思路、建设内容和预期研究方向。Lysimeter群由大型称重式蒸渗仪、各类探头、移动大棚和降水模拟器等组成,具有集成性和唯一性。该平台可全自动模拟控制降水和地下水位,量化植物水分来源;自动监测蒸散发、植物蒸腾、土壤水渗漏、土壤水分、温度和电导率等。该平台的建成将提升在不同尺度上认知中国沙区生态和水文过程、植被重建的生态水文学和环境胁迫生理生态学机理等相关领域的研究能力,回答不同沙区土壤水分植被承载力和人工植被稳定性维持的生态水文阈值等国家在防沙治沙实践中所面临的核心科学问题。     

古尔班通古特沙漠风沙土土壤蒸发特征

土壤表面蒸发是降水的无效损失,其大小直接决定着降水转化为有效土壤水的效率,从而间接决定了植物可利用水分的多寡。在降水稀少的沙漠区,定量认识土壤蒸发的大小和其所占降水的比例显得尤为重要。在2004年全生长期(5~9月)应用自制的微型蒸渗仪(Micro-Lysime-ter)测定了风沙土(有结皮覆盖的丘间低地和裸露沙丘顶部)和对照的荒漠盐碱土的土壤蒸发。结果表明:在相似的气象条件下,风沙土区的丘间低地和荒漠盐碱土的日平均蒸发量分别约是裸露沙丘(风沙土区)的2倍和3倍。整个生长期裸露沙丘的累积蒸发量为18.7mm,丘间低地为38.8mm,荒漠盐碱土为52.1mm。根据整个观测期的累积蒸发量和累积降雨量计算得出的蒸发降雨比分别为:裸露沙丘0.20,丘间低地0.42,荒漠盐碱土0.62,表明裸露沙丘由降水转化为土壤水而储存的比率最高。同时,从数据分析中可以看出:在风沙土区0~5cm土层的含水量对土壤蒸发起决定作用,而盐碱土区的土壤蒸发则受到更深层次土壤水分的影响。裸露沙丘低的土壤蒸发、高的降水转化效率,为植被恢复奠定了良好的基础。因此,裸露沙丘的低蒸发量可以视为植被状况对生态水文过程的一种良性反馈。     

两种尺寸蒸渗计测量实际蒸散差异性试验研究

利用试验资料,对蒸散面积2 m²和4 m²两种尺寸蒸渗计测量蒸散量的差异及原因进行了研究。结果表明：2 m²蒸渗计与4 m²蒸渗计所测蒸散量具有很好的一致性,但2 m²蒸渗计所测蒸散量总体要略偏大,日蒸散量平均偏大4%,月蒸散量平均偏大10%,年蒸散量相对偏大5%;典型天气条件下,2 m²蒸渗计和4 m²蒸渗计所测蒸散量的日变化过程基本相同,小时蒸散量的差异表现为晴天时白天显著偏大、夜晚略有偏小,阴天时白天略偏大、夜晚较接近,雨天时白天、夜晚均非常接近的特征。晴天和阴天时,2 m²蒸渗计比4 m²蒸渗计测量日蒸散量分别偏大1.78 mm和0.12 mm,雨天时偏小0.11 mm;2 m²蒸渗计比4 m²蒸渗计测量蒸散量总体偏大的原因,主要是2 m²蒸渗计土壤温度显著高于4 m²蒸渗计和建造时间不同导致土体内部土壤湿度产生差异。     

干旱区沙漠化土地逆转植被的防风固沙效益研究

使用便携式防沙风速廓线测量仪和阶梯式集沙仪测定了单个植物的阻风作用以及不同恢复阶段植被内的近地面风速、输沙量;同时调查了不同恢复阶段植被的组成、覆盖度,土壤理化性质。结果表明,油蒿、沙蒿、柠条和花棒的个体空间构型分别是:沙蒿、花棒株型为疏散丛生型;柠条株型为中间丛生型;油蒿株型为紧密丛生型;近地面0~50 cm层的阻风阻沙作用效果由强到弱依次为油蒿>沙蒿>柠条>花棒。演替更新过程中,柠条、花棒、沙蒿逐渐衰退,到顶级群落阶段已完全从群落中退出,油蒿形成单一优势种顶级群落。由于优势种群的变化,从初始阶段→发展阶段→相对稳定阶段（顶级群落阶段）的演替更新过程中,近地面粗糙度从0.003 cm、6.039 cm增加到17.726 cm;在流动沙丘2 m高度风速为6.5 m·s-1时,相对稳定阶段没有出现风蚀,发展阶段输沙量只达到1.83 g·cm-1·h-1,占到初始阶段的3.2%。在3 m高度风速相同时,发展阶段近地面风速较初始阶段降低了54.29%,沙结皮厚度达到1~3 mm,所占面积比例达到91%,已经基本实现防风固沙;相对稳定阶段近地面风速较初始阶段降低了83.68%,沙结皮厚度达到5~6 mm,所占面积比例达到98%,完全实现防风固沙。     

Distribution patterns of planted-shrubs of different restoration ages in artificial sand-fixing regions in the southeastern Tengger Desert

Plant density and spatial distribution in artificial vegetation is obviously initialized at the planting stage. Plant dynamics and spatial pattern may change over time as the result of interactions between individual plants and habitats, but whether it’s applied for desert shrubs in artificial sand-fixing regions remains unknown. Here we examined changes in plant density and distribution patterns of three shrubs(Artemisia ordosica Krasch, Caragana korshinskii Kom, and Hedysarum scoparium Fisch.) in different regions, which have been restored for 27, 32 and 50 years(R27, R32, R50), respectively. The vegetation analysis shows that A. ordosica was the dominated species across the 3 restoration regions. The density of A. ordosica and H. scoparium show a significant increase from R27 to R32, then decreased in R50. The density of C. korshinskii was low in R32 and R50, lower in R27. The variance-to-mean ratio(VMR) was used to characterize spatial distribution patterns to fit the observed densities of the three shrubs by frequency. A. ordosica and C. korshinskii both show significantly clumped distributions in three restoration regions. H. scoparium show a uniform distribution in R27 and R50, but a clumped distribution in R32. These results show that A. ordosica seems to be more adaptable in revegetated desert areas compared to C. korshinskii and H. scoparium. Pattern analysis suggests a successive replacement of C. korshinskii, which had low proportions of survived shrubs, by the dominant A. ordosica. This study contributes to the understanding of the distribution patterns of shrubs plants in revegetation projects in arid desert areas.     

荒漠灌丛降雨再分配对土壤pH值的影响

对腾格里沙漠东南缘沙坡头地区1989年建植人工植被区优势固沙灌木柠条（Caragana korshinskii）和半灌木油蒿（Artemisia ordosica）树干茎流及穿透雨的pH值,以及灌丛基部、灌丛下和灌丛外裸地0～10 cm和10～20 cm剖面深度土壤pH值分别进行测定,并与大气降雨pH值进行比较,以探讨荒漠灌丛降雨再分配对土壤pH值空间变异的影响。结果表明:大气降雨pH值最高,穿透雨pH值次之,树干茎流pH值最低,三者之间具有显著差异（p<0.05）。灌丛外裸地土壤pH值最高,灌丛下次之,树干基部最低。总体而言,0～10 cm剖面深度土壤pH值小于其下方10～20 cm剖面深度土壤pH值。柠条灌丛产生的树干茎流对土壤的酸化作用强于油蒿灌丛。树干茎流和穿透雨的酸化作用是导致土壤pH值从灌丛间裸地到灌丛基部方向上降低的一个重要原因。     

腾格里沙漠沙坡头地区固沙植被对生物多样性恢复的长期影响

地处腾格里沙漠东南缘的沙坡头人工固沙植被始建于1956年,46 a来不仅确保了包兰铁路沙漠地段的畅通无阻,而且对区域生态环境的恢复产生了巨大的影响,成为我国干旱沙漠地区交通干线荒漠化防治与生态恢复的成功模式。长期定位监测结果表明:人工固沙植被建立4~5 a后,沙丘表面物理结构初步得到稳定,并由大气降尘形成的无机土壤结皮逐渐演变形成土壤微生物结皮。荒漠藻类、苔藓和地衣等隐花植物在结皮层中得到了大量的繁衍:固沙植被建立46 a后出现藻类24种;苔藓仅有5 种,少于天然固定沙丘结皮上的种类,此外,地衣也在植被区发现,这说明固定沙丘景观逐渐趋于稳定的状态;相对于流沙区,固沙植被区近地面风速降低了 40%,土壤有机质含量增加了60%,其中氮、磷、钾等荒漠生态系统主要限制养分因子及土壤理化性质得到了改善,沙丘表层成土过程明显;土壤水分循环的时空变异驱动了植被的演变,为大量的草本的侵入和定居创造了条件;此外,对鸟类、昆虫和土壤动物及荒漠动物的生存产生了积极的影响。46 a后,固沙植被区共有鸟类 28 种,昆虫 50 种,动物 23种。生物多样性的恢复使原有的相对单一的固沙植被演变成一个结构、组成和功能相对复杂的荒漠生态系统。沙坡头地区生态环境在人为促进下的恢复为我国西部生态建设提供了科学依据。     

荒漠灌丛树干茎流及其入渗、再分配特征

运用铝箔收集法测定了荒漠灌木柠条（Caragana korshinskii Kom.）树干茎流;利用时域反射仪连续测量土壤剖面水分含量,分析树干茎流影响下柠条根际区水分入渗与再分配过程。结果表明,柠条灌丛产生树干茎流需要2.2 mm的前期降雨量,树干茎流占降雨量的7.9%,平均汇流率是89.8。土壤表层含水率对降雨过程响应明显; 当降雨量达到6 mm时,树干茎流有利于增加根际区土壤水分增量,补充深层土壤水分,对荒漠植被在干旱条件下存活起着重要作用。     

干旱沙区典型人工植被群落下土壤剖面CO_2浓度变化特征及其驱动因子

对人工固沙植被区柠条(Caragana korshinskii)群落和油蒿(Caragana korshinskii)群落下不同深度的土壤气体采样,主要研究和讨论了不同类型人工植被区下土壤CO2浓度的变化特征及土壤温度和土壤水分对其的影响。结果表明:柠条和油蒿群落0~80cm处的土壤空气CO2浓度随着土壤深度的增加而增加,并且在0~40cm,油蒿群落下的土壤CO2浓度值大于柠条,而在40cm以下则相反。其平均值分别为1 229.3μmol·mol-1和1 242.7μmol·mol-1,大于同一深度流沙下土壤CO2浓度值978.9μmol·mol-1。土壤水分与二者的土壤CO2浓度变化趋势在年际尺度上具有一致性,浅层40cm内油蒿群落下的土壤CO2浓度和土壤水分含量的相关性明显大于柠条和流沙。而在40cm以下,则表现为柠条油蒿流沙。土壤温度对土壤CO2浓度的影响程度一般为流沙油蒿柠条,特别是流沙,在表层达到了极显著的水平,之后随着土壤深度的增加而降低。而土壤温度对油蒿和柠条样地土壤CO2浓度的影响较为复杂,呈现出先增加后减小的趋势。在年际尺度上,土壤水分含量是不同植被群落下土壤剖面CO2浓度的关键限制因子,而在日尺度上,土壤温度则为主要限制因子。据粗略估计,在0~80cm内,柠条和油蒿根系呼吸所占的比例约为30.7%和33.3%。     

沙坡头人工植被区中的油蒿种群动态与稳定性

利用种群生态学中的年龄结构、静态生命表和种群动态指数对沙坡头包兰铁路北侧1964年和1981年沙地人工植被区中的油蒿种群结构动态进行分析,发现1981年区和1964年区的油蒿种群都属于增长型,但1981年区的增长性大于1964年区,也就是说,随着人工植被建立的时间延长,油蒿种群结构由快增长型转向慢增长型.因此,沙地中的油蒿种群的动态趋势是由快增长向慢增长,以及衰退方向演变,最终有从人工植被区中消失的趋势.同时,油蒿种群结构的增长型是油蒿能长期存在的种群生态学原因,是它具有适应干旱、半干旱区的沙地生境的生物学特性所决定的.