沙坡头地区固沙植被土壤水分动态研究

沙坡头地区始建于1956年的无灌溉人工固沙植被,是我国交通干线防沙体系的成功模式。利用40余年的土壤水分定位观测数据,分析了不同期间建立的固沙植被土壤水分的时空变化特征及对植被的影响。结果表明,固沙植被发展至9~10a后土壤含水量开始明显下降,特别是较深层(>100cm)的含水量下降明显;0~40cm层土壤水分含量与降水相关显著,而降水对40~300cm层土壤水分的含量影响不显著;深根系固沙植物对根际区域水分的利用,进一步恶化了固沙区土壤深层的水分状况,进而抑制了这些植物的生长和生存,间接地影响了原有固沙植被组成和稳定性;经过40多年的演变,固沙植被中优势灌木种的盖度从最大盖度47.6%降至6%~9%,群落中草本和微生物结皮层得到发育。当深根系灌木的盖度降低至6%~9%时,深层土壤可维持一个相对稳定的低含水量。     

腾格里沙漠南缘花棒（Hedysarum scoparium）人工固沙林演替规律与机制

人工固沙林演替决定着固沙造林的成效。在腾格里沙漠南缘,应用空间代替时间的方法,选择造林封育5、15、25年花棒(Hedysarum scoparium)人工固沙林,对照流动沙丘和地带性植被样地,从生态水文、土壤种子库、土壤-植被相互关系等方面研究了人工固沙林演替的生态学机制,为区域人工固沙植被建设、保护和修复提供理论依据。结果表明:腾格里沙漠南缘花棒人工固沙林演替过程中,花棒、沙米(Agriophyllum squarrosum)和沙蒿(Artemisia rtemisia sphaerocephala)逐渐退出,自然优势种由一年生草本植物向半灌木、半灌木与多年生草本植物演替,25年后形成相对稳定的近自然固沙植被,呈现向草原化荒漠演替的趋势,但与地带性植被相似性只达到50%。表层土壤持水力持续增强,25年后达到流动沙丘的3.4倍,引起土壤水分浅层化和深层土壤干旱,驱动了深根系植物的衰亡和浅根性草本植物的发展。土壤种子库中沙米和沙蒿快速减少,并在造林25年后消失;油蒿(Artemisia ordosica)持续增加,短花针茅(Stipa breviflora)在25年后出现;土壤种子库与地上植被组成的相似性超过50%,驱动人工固沙林向油蒿+多年生草本植被演替。伴随人工固沙林植被演替,土壤容重持续降低,黏粒、粉粒、有机质和全氮含量持续增大,与人工固沙林群落、物种组成形成密切的对应关系,决定了固沙林演替阶段和物种组成。固沙造林启动并加速了自然植被的恢复演替,是干旱区沙化土地生态恢复的必要措施,但要充分考虑地带性植被和生境条件,以快速建立稳定的近自然植被。     

天然固定沙地与人工固沙植被区土壤种子库的比较研究

土壤种子库是退化生态系统植被恢复重建的重要基础,研究土壤种子库特征对于阐明退化生态系统受损与恢复机理具有重要的科学意义。通过野外土样采集、野外种子萌发定位跟踪调查和室内周期性种子萌发实验,对腾格里沙漠东南缘人工固沙植被区和天然固定沙地的土壤种子库特征进行了对比研究。结果表明：人工固沙植被区土壤种子库包含21个物种,分属于8科;天然固定沙地土壤种子库有33种植物,属于11科。人工固沙植被区以一年生植物为主,天然固定沙地以多年生植物为主。人工固沙植被区的种子总密度明显低于天然固定沙地,但不同物种种子的密度变化存在显著差异。人工固沙植被区的物种丰富度和多样性指数均较天然固定沙地低。人工固沙植被区和天然固定沙地的土壤种子库与地上植被物种的相似性系数分别为0.73和0.71。尽管人工固沙植被区土壤种子库存在少量多年生植物种子,但仍未发展到以多年生草本植物为主的群落演替阶段,说明人工固沙植被区的植物多样性恢复尚需要漫长的过程。     

人工固沙植被区土壤水分动态及空间分布

土壤水分是干旱区固沙植被生长发育最主要的限制因子,了解其动态变化特征对沙区人工植被建设具有重要意义。本研究利用EnviroSMART土壤水分监测系统,于2009-2013年对宁夏沙坡头地区人工固沙植被区的土壤水分动态进行连续监测。结果表明:(1)降水对土壤水分状况及动态变化有较大的影响。土壤水分总体处于过度消耗状态,在非生长季,土壤水分没有明显的回升现象。(2)生长季初期(4-5月)为土壤水分弱消耗阶段;生长旺盛期(6-8月)为土壤水分快速消耗阶段,水分变化波动较剧烈,空间异质性最强;生长季末期(9-10月)的土壤水分处于相对稳定状态。(3)土壤水分随深度增加呈“S”形变化趋势,浅层的土壤含水量明显高于其他深度,200 cm深度土壤含水量较低且年际间变化不大(1.53%~2.10%)。湿润年份土壤水分剧烈变化的土层深度为0～100 cm,而干旱年份为0～20 cm。(4)相对于干旱年份,湿润年份的土壤含水量不但较高,而且水分变化波动较为剧烈。当土壤水分较低时,其变异性会随着土壤水分含量的增加而增加。(5)试验区灌木盖度在5年间呈下降趋势,一年生草本受降水量影响年际变化较大。受降水时空分布影响的土壤水分是沙坡头人工植被演替的重要驱动力。     

河西走廊荒漠绿洲过渡带封育对土壤和植被的影响

在河西走廊荒漠绿洲过渡带,封育天然植被是植被群落恢复、防止绿洲沙漠化的有效措施。以流动沙丘作为对照(0年),对封育5年和15年的半固沙和固定沙丘植被群落以及土壤进行调查取样和分析。结果表明:随着封育年限增加,天然固沙植被群落生物多样性增加,灌木层和草本层植物密度、盖度和生物量都显著增加,灌木层盖度从10%增加到40%,草本层以一年生草本植物为主,物种从5种增加到8种,生物量从1 g·m^-2增加到13 g·m^-2。随着天然植被盖度增加,土壤表层沙土细粒化明显,沙土中黏粉粒含量显著增加,土壤质地由粗质沙粒向细质沙粒转变;随着沙土中黏粉粒成分的增加,沙土有机质、全氮、全磷含量也增加,灌丛下土壤养分含量高于灌丛间,“沃岛效应”明显。同时,在灌丛下表层土壤出现明显的盐分集聚现象,其中SO₄^2-、K⁺、Na⁺含量分别增加了6、3、17倍。在降水100 mm左右的荒漠绿洲过渡带,封育可以显著恢复固沙植被群落和提高沙土质地和养分。     

干旱荒漠区退耕地植被演替及土壤水分变化

采用时空互代法,以不同退耕年限退耕地为研究对象,对27个样方植被群落特征和土壤含水量变化特征进行描述性统计分析,使用多元线性回归探究植物演替和土壤水分之间的关系。结果表明：（1）退耕18a间,退耕地植被群落自然演替经历了一年生草本为绝对优势种一年生和多年生草本竞争存在灌木开始出现并逐渐成为优势种的演替过程,物种Margalef指数和Shannon-Wiener指数均出现增大的趋势。（2）土壤水分随着退耕年限的增加也有所增加,且同一退耕年限内,随着土壤深度增加,土壤水分亦逐渐增加。（3）土壤水分对物种Margalef指数、Shannon-Wiener指数具有极显著影响,相比于其他土层,深度为40～50cm的土层对植被生长和演替的贡献最为显著。     

干旱区荒漠绿洲过渡带建植梭梭（Haloxylon ammodendron）林后土壤线虫群落演变

荒漠绿洲过渡带人工固沙梭梭（Haloxylon ammodendron）林生长发育过程中,土壤生物多样性的演变研究是认识干旱区植物-土壤相互作用的重要内容。在河西走廊中段临泽绿洲边缘选择不同栽植时间序列（0、3、6、11、19、28、46 a）的固沙梭梭林,取冠层下和冠层外的表层土样（0～10 cm）,研究固沙梭梭林建立后土壤线虫群落组成和多样性变化,探究线虫群落对植被-土壤系统恢复的指示作用。结果表明：在研究区共发现15个属,Eucephalobus和Acrobeloides为优势属,食细菌线虫（BF）为优势营养类群,占线虫总数50.3%～94.1%。梭梭生长显著提高土壤线虫总数、食细菌线虫丰度和线虫多样性。线虫富集指数（EI）和结构指数（SI）均小于50,土壤食物网随梭梭种植年限增加先稳定后逐渐退化。冗余分析表明,土壤化学性质变化（电导率EC、C/N和土壤有机碳SOC）显著影响线虫群落分布,EC对线虫属总变异解释率最高（32.7%）。土壤线虫作为生物指标揭示了植被-土壤生态系统的演变过程。     

塔里木河下游人工胡杨林生态恢复过程的初步研究

在以植物群落调查样地为基础,对塔里木河下游不同林龄人工胡杨林的物种丰富度、物种多样性指数、群落均匀度、生态优势度等进行了分析,同时对土壤理化性质在21a间的变化情况也作了详细分析。通过分析,表明人工胡杨群落随着发育年限的增加,群落物种丰富度,物种多样性指数和均匀度指数不断增长,而群落生态优势度逐渐降低,同时土壤理化性质不断改善。在此基础上,对塔里木河植被的演变趋势作一初步的探讨和估计,从而对塔里木河下游植被的生态恢复也具有重要意义。     

黄土高原西部弃耕地植被恢复与土壤水分调控研究

选择黄土高原半干旱偏旱区2 a、3 a、4 a、5 a、7 a、9 a、12 a、20 a的弃耕台地和天然台地,调查各弃耕地和天然台地的植物种类、数量、盖度、频度和地上生物量,定期采样分析各样地0~100 cm土层土壤水分。结果表明：农田弃耕后植被沿天然植被方向演替,在演替过程中,植物种类数量逐渐增加,但在弃耕9 a后开始减少,20 a后接近于天然台地;更耐旱的多年生草本和小灌木种增加;除7~9 a波状变化外,植被盖度和地上生物量呈逐渐减少趋势,弃耕初期的植被盖度和地上生物量显著大于弃耕12 a后和天然台地;12 a和20 a弃耕地0~100 cm土层含水量高于其他弃耕地和天然台地,弃耕初期表层土壤含水量较高,天然台地含水量居中,但其植被对水分利用的时间延长,范围扩大,表明天然台地植被的水分利用率提高,植被群落更加稳定。     

古尔班通古特沙漠纵向沙垄植被空间异质性

在古尔班通古特沙漠南部纵向沙垄上按5 m×10 m的网格测度植被样方100个,采集浅层风沙土样品184件。调查发现,乔灌木层片和草本层片的分布及相互关系明显受沙垄地形影响,并且在干旱环境下种群间的竞争和空间上的互补使两层片生态优势度具有显著的相关性。地统计分析结果显示,纵向沙垄上植被空间异质性表现为木本层片的物种多样性呈斑块状分布,草本层片物种多样性呈现平行沙垄的带状结构和斑块结构叠加的特点,而植被盖度则在垂直沙垄走向的方向上具有强烈的梯度性变化。和沙垄土壤理化性质空间格局特征相对比,植被盖度及物种多样性与风沙土浅层含水量在自相关空间（变程）及空间异质性程度上比较接近。这是纵向沙垄小生态系统中草本植物和浅层土壤水分耦合关系在空间上的反映,也是木本植物对水分和土壤资源在小尺度（m）上竞争及中小尺度（10～100 m）上互补的结果。     

人工梭梭(Haloxylon ammodendron)林固沙过程中植被与土壤耦合关系

研究人工梭梭(Haloxylon ammodendron)固沙林在植被恢复过程中土壤-植被系统耦合特征,以揭示植被与土壤相互促进影响的过程,为优化干旱沙区植被重建提供科学依据。基于古尔班通古特沙漠南缘7~42年梭梭人工固沙林植被、土壤的全面调查和取样分析,建立了11个植被因子和7个土壤因子的2级层次指标体系,采用层次分析法确定各因子的权重,构建了9个固沙年限的植被土壤系统耦合度和耦合协调度模型;采用主成分分析法做变量降维并综合评价。结果表明:人工梭梭林植被恢复不同时段的植被-土壤系统耦合度和耦合协调度并不一一对应,植被与土壤的综合指数在不同固沙年限林地中的位置也并不完全一致,植被固沙过程中人工梭梭林系统始终停留在失调衰退阶段,林地植被和土壤均处于损益型状态。提取了5个主成分进行综合评价,得分最高的是42年人工梭梭林,可以推测人工梭梭林植被-土壤系统有从衰退型向协调发展转变的趋势,因此应加强人为抚育管理措施,促进植被土壤协调发展。     

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。     

不同植被类型对厚层黄土剖面水分含量的影响

为了研究不同植被类型土壤水分差异和土壤水分的年际变化特征, 对陕西省绥德县境 内的农地、天然草地、人工柠条林、人工侧柏林、人工油松林、人工油松侧柏混交林地0~10 m 土壤剖面的土壤水分含量进行了测定与分析。农地土壤约在3 m 以上、其他植被类型约在 2 m 以上土层的土壤含水量随年降雨量的大小存在年际变化, 且农地土壤含水量显著高于其 他植被类型, 其他植被类型间无显著性差异。0~2 m 土层农地土壤水分在不同测定年份始终在易效水以上, 但其他植被类型的土壤水分随降雨量的不同变化于难效- 无效水与易效水之间。农地3 m、其他植被类型约2 m 以下的土壤含水量无显著性年际变化。农地与天然草地 土壤含水量显著高于其他人工林植被, 但二者含水量之间无显著差异, 土壤水分都属易效水 范围。人工柠条灌木林土壤水分显著低于其他植被类型, 人工侧柏林、人工油松林和人工油 松侧柏混交林之间土壤含水量无显著性差异。人工柠条林土壤水分属于难效-无效水范围, 人工乔木林接近难效-无效水范围。     

不同植被盖度沙质草地生长季土壤水分动态

水分是干旱半干旱沙地生态系统最大的限制因子，研究植被盖度和土壤水分之间的关系有助于沙地生态恢复和保护。基于生长季科尔沁沙质草地不同植被盖度下土壤水分动态和降水的观测试验，分析了沙质草地植被盖度和土壤水分的耦合关系。结果表明：在土壤剖面上土壤水分存在明显的分层结构，依次为水分剧变层（0~40 cm）、缓变层（40~100 cm）和稳定层（100~180 cm）；植被盖度对土壤水分有很大影响，不同植被盖度下土壤含水量存在显著差异，土壤水分与盖度之间呈倒“V”型关系，土壤水分状况在28%的盖度下最优；不同的植被盖度下土壤水分对降水的响应也存在差异，在13%盖度下响应最敏感，28%和46%的盖度下响应微弱，后二者的土壤水分也相对稳定。在沙地生态恢复建设过程中合理的植被盖度配置可提高降水利用效率，并能使土壤水分和植被达到一种良好的平衡状态，从而有利于生态系统的稳定。     

新疆准噶尔盆地典型荒漠区不同景观植被对土壤养分的影响

在群落演替的不同阶段,土壤与植被之间存在不同的互动关系。在新疆准噶尔盆地南缘,选择荒漠-绿洲交错区、沙漠边缘、沙漠腹地典型景观类型取样,监测不同景观条件下土壤水分、土壤有机质、全氮、全磷和植被盖度。结果表明,不同景观植被盖度、土壤水分、土壤养分含量存在显著的差异性(P0.5)。土壤水分含量、植被盖度、土壤养分含量表现为荒漠-绿洲交错区沙漠边缘沙漠腹地的变化趋势;土壤含水量由荒漠-绿洲交错带10.4%递减到沙漠边缘5.8%、沙漠腹地3.5%;植被盖度、土壤养分含量随土壤类型由荒漠灰钙土向风沙土过渡,呈现显著的下降趋势。在相同土壤属性情况下,植被盖度与土壤有机质、土壤全氮之间存在显著的线性正相关关系,表明不同区域内植被在一定程度上影响土壤养分的积累。     

黄土丘陵沟壑区浅层滑坡堆积体植被演替特征及土壤养分响应

为了明确黄土丘陵沟壑区浅层滑坡堆积体植被演替特征及其对土壤养分的影响,本文选取了6个演替年限依次增加的植物群落(猪毛蒿+茭蒿、野菊花+早熟禾、杠柳+猪毛蒿、铁杆蒿+达乌里胡枝子+早熟禾、铁杆蒿+早熟禾和铁杆蒿+达乌里胡枝子),以立地条件类似且未发生滑坡坡面上铁杆蒿群落为对照,通过野外调查和室内试验,研究了物种多样性、植被盖度、地上地下生物量、枯落物蓄积量及土壤养分指标有机质、全氮、全磷含量的变化特征,并对植被特征和土壤养分指标进行相关性分析。结果表明:(1)随着演替年限的增加,Simpson优势度指数D和Margalef丰富度指数M_a呈减小-增加-减小的趋势,Shannon-wiener多样性指数H'和Pielou均匀度指数J_p呈增大-减小-增大的趋势;植被盖度、地上地下生物量、枯落物蓄积量、土壤有机质和全氮含量均呈增加趋势;(2)与对照组相比,演替初期植被盖度差异显著(P 0.05),地上生物量和枯落物蓄积量无明显差异(P 0.05),地下生物量差异极其显著(P 0.001);(3)表层土壤全氮、有机质含量与植物盖度、地上地下生物量和枯落物蓄积量均呈正相关,全磷含量仅与枯落物蓄积量呈正相关。研究结果深化了黄土丘陵沟壑区植被演替规律及土壤养分对植被恢复响应的认识,为该区浅层滑坡堆积体的治理与生态恢复提供理论指导。     

黑河中游荒漠绿洲过渡带固沙植被根区土壤含水量

土壤水分在很大程度上决定着荒漠固沙植被的生长状况和分布格局，不同植被对土壤水分的需求也不相同，研究植被根区土壤含水量的分布特征，可为合理调控固沙植被空间分布格局提供理论依据。以黑河中游荒漠绿洲过渡带上的固沙植被泡泡刺（Nitraria sphaerocarp）、沙拐枣（Calligonum mongolicum）为对象，于2014—2018年每年5月上旬（雨季前）和10月中旬（雨季后）钻取植被根区不同深度的土壤样品，研究不同植被根区垂直方向和水平方向上土壤含水量的分布特征及其变异性。结果表明：（1）土层越深，固沙植被根区土壤含水量越高；（2）除2017年外，其余年份两种固沙植被根区的土壤含水量均是雨季后大于雨季前；（3）水平方向上距离植被根区越远，土壤含水量越高；（4）两种植被根区土壤含水量的变异性在垂直方向上浅层大于深层，且垂直方向的变异性大于水平方向。     

我国三北地区的植物固沙

本文提出三北地区影响植物固沙的自然特征, 论述了机械固沙、灌溉与植物固沙的关系, 植被盖度与栽植密度的关系, 人工植被演替及其控制, 植物固沙的指标、固沙植物种的选择与配置, 固沙植物的引种及其限制因子, 并按等雨量线将植物固沙划分为四个区。     

沙石质建筑垃圾不同覆盖方式防风固沙效益

为了解沙石质建筑垃圾不同覆盖方式防风固沙效益,在野外对不同覆盖方式的风蚀风积量、风沙流特征、土壤水分、植被生长状况进行了观测研究。结果表明：（1）不同覆盖方式年风蚀量较流沙减少了91%以上,其中平铺覆盖方式固沙效果好于带状和方格覆盖方式。平铺覆盖方式和流沙风沙流结构呈幂、指数函数分布,带状、方格覆盖方式呈多项式函数分布;（2）不同覆盖方式较流沙显著提高了土壤容积含水率（P<0.05）,平铺方式保水效果好于方格和带状覆盖方式。覆盖度30%平铺、1.5 m×1.5 m方格和宽1.5 m带状土壤各层平均容积含水率比流沙分别提高了3.1%、2.8%和1.5%;（3）不同的覆盖方式较流沙显著增加了植被盖度（P<0.05）,其中平铺方式群落多样性指数最高。覆盖度30%平铺植被盖度较流沙提高了5%。1.5 m×1.5 m方格覆盖方式植被群落多样性指数最低,植被盖度最高,较流沙提高了14%。     

腾格里沙漠东南缘不同固定程度沙地土壤表层水分时空变化遥感分析

土壤表层水分是固沙植被生长的主要水分来源,其时空变化格局决定了固沙植被的稳定性和演替方向。整合被动微波和光学数据的时空分辨率优势建立模型、反演土壤表层水分,可为不同固定程度沙地固沙植被稳定性评价提供科学依据。以腾格里沙漠东南缘为研究区,选取2003-2011年生长季(5-9月)AMSR-E土壤水分产品与MODIS数据,利用归一化植被指数NDVI、地表温度T_s,采用多元回归的方法,将空间分辨率为0.25°的AMSR-E土壤水分数据降尺度为每月的1 km平均表层土壤水分的时间序列数据,结合沙丘类型数据,分析了不同沙丘类型下土壤水分的时空异质性。结果表明:流动沙地的土壤水分空间分布与整个区域的差异性高于半固定沙地和固定沙地,而在极端干旱年份,研究区的整体分异不大,但同一类型间,固定沙丘空间差异明显高于半固定沙丘和固定沙丘;3种沙地类型表层土壤平均含水量在不同月份具有相似的变化规律,即土壤含水量5-9月呈抛物线形状,先下降后上升,7月达到最低,从同一月份不同沙地类型看,研究区表层土壤水分含量依次是固定沙地>半固定沙地>流动沙地;年际土壤水分在流动沙地和半固定沙地随降雨的变化而变化,而固定沙地基本不变。