吸湿凝结水对荒漠地区生物土壤结皮生态功能的影响综述

生物土壤结皮可以作为一种模式系统来研究复杂的生态学问题,而吸湿凝结水是生物土壤结皮在干旱期维持功能活性的基础,吸湿凝结水输入期间生物土壤结皮的生理活动会影响土壤中的碳交换和许多生物地球化学过程,因此,在荒漠生态系统中,地表吸湿凝结水与生物土壤结皮的关系研究显得尤为重要。但由于吸湿凝结水的形成过程受下垫面特征以及诸多热力及气象环境要素的影响,需要基于土壤学、生物学、气象学、物理学和表面科学等学科的交叉集成研究。在综述国内外研究动态的基础上,根据吸湿凝结水形成的物理基础,对比分析了不同原理测量方法的优缺点及发展趋势,从吸湿凝结水对生物土壤结皮的作用机制和生物土壤结皮发育对吸湿凝结水形成的影响两方面总结和讨论了目前吸湿凝结水形成与生物土壤结皮关系研究的进展和不足,根据现有研究结果,阐述了在未来全球变化背景下,非降雨水输入特征的改变及对生物土壤结皮发育和荒漠生态系统功能的生态作用,并提出了当前研究中存在的问题及未来的研究重点,这些问题的解决将提高我们对荒漠生态系统稳定性和可持续性的科学认知水平。     

荒漠人工植被区典型生物土壤结皮的固碳模型研究

生物土壤结皮（BSC）是荒漠生态系统组成和地表景观的重要特征,在荒漠系统碳的源-汇功能中发挥着重要的作用。本文以沙坡头人工植被区两种典型的BSC（苔藓结皮和藻类结皮）为研究对象,通过对土壤水分的连续测定,确定BSC光合和呼吸作用的有效湿润时间及其与土壤水分、温度和太阳辐射的关系,建立了土壤水分驱动下的固碳模型。以2012年5月19—25日为例,计算了苔藓结皮和藻类结皮在试验期间的日固碳量,并估算了两类结皮的年际固碳量。结果表明:苔藓结皮和藻类结皮由于自身水文物理性质的差别显著影响到其下层土壤水分和温度的变化;降雨是BSC固碳活性的重要来源,并且苔藓结皮更容易受到非降雨水（如雾水、凝结水等）的影响而使其固碳潜力大于藻类结皮。初步估算苔藓结皮和藻类结皮的年固碳量分别可以达到33.33 g·m-2·a-1和14.01 g·m-2·a-1,其中由非降雨水所引起的固碳量达到了6.58 g·m-2·a-1和2.65 g·m-2·a-1,分别占到了全年固碳量的19.7%和18.9%。充分肯定了BSC在荒漠人工植被区碳汇的功能。     

荒漠植被影响土壤水文过程研究述评

简要回顾了有关荒漠植被对土壤水文过程影响的试验研究,介绍了荒漠地区土壤水文过程研究的主要方法以及基本的土壤水分平衡方程,并对特定区域土壤水分动态与植被结构之间的关系进行分析,以期对今后从事该领域的研究与管理者有所启示。由于荒漠地区土壤水文特性具有极高的变异性,因此,阐明荒漠植被区土壤水分动态,确定这一特殊生态系统内植被格局与土壤水文过程的关系,可在理论上回答雨养型人工植被建设与荒漠地区生态恢复工程中,土壤水文过程影响植被结构与格局的基础性科学问题。     

荒漠人工植被区浅层土壤水分空间变化特征分析

研究土壤水分的空间变异及时间动态特征有助于在水文过程与生态格局之间建立定量的联系,由于土壤水分对整个地球系统的重要性,它的时间和空间变化日益引起水文界的广泛关注。干旱荒漠区年降水量稀少,土壤水分在整个生物过程中的作用就显得尤为重要。试验于2005年4月到10月在中国科学院沙坡头沙漠试验研究站人工植被区进行,主要观测1956年植被区表层（0—15 cm）和亚表层（15—30 cm）土壤水分的空间格局与动态分布及其相关影响因素。结果表明:人工植被区表层土壤水分含量明显高于亚表层,其空间变异程度为中等,空间分布的时间差异性显著;降雨是引起干旱沙地表层土壤水分空间变异的决定因素,植物根系是引起亚表层水分空间变异的重要因素。从不同微地形来看,土壤水分含量值表现为丘间低地＞背风坡＞迎风坡,变异程度丘间低地小于迎风坡和背风坡;地形是决定背风坡表层和亚表层以及迎风坡亚表层土壤水分空间分布的主要因素,而迎风坡表层土壤水分变化受风力等环境因子的影响较大。     

红砂(Reaumuria soongorica)、珍珠(Salsola passerine)蒸腾耗水规律的尺度整合

利用LI-6400XT便携式光合仪和大型称重式蒸渗仪研究红砂(Reaumuria soongorica)、珍珠(Salsola passerina)灌丛在干旱和湿润条件下的蒸腾耗水特征,并探讨从叶片到灌丛尺度转换中,在非破损状态下植物叶面积的可靠测定方法。结果表明:用图像法获得非破损状态下植物叶面积是可行的,基于植物叶面积通过尺度转换得到灌丛尺度的蒸腾量与蒸渗仪测定的蒸腾量具有较高一致性(r=0.9752,P<0.01)。干旱条件下,红砂蒸腾速率的日变化呈单峰曲线,主要影响因素为气孔导度(P<0.01);湿润条件下,红砂和珍珠蒸腾速率的日变化均呈单峰曲线,主要的影响因素为气孔导度、空气相对湿度、饱和蒸汽压亏缺和光合有效辐射(P<0.01)。珍珠水分利用效率和气孔限制值均高于红砂。此外,干旱条件下红砂的水分利用效率和气孔限制均高于湿润条件。通过尺度转换得到的灌丛尺度的蒸腾量和蒸渗仪测定的蒸腾量的结果均表明,红砂的蒸腾量始终大于珍珠,且随土壤湿润状况的改善而增大。红砂灌丛蒸腾量与蒸散量之比在干旱条件下(T/ET=21%)较湿润条件下高(约2%)。同时,红砂灌丛T/ET高于珍珠灌丛。因此,基于图像法获得的叶面积参数可用于从叶片(便携式光合仪法)到植株及灌丛水平(称重式蒸渗仪法)的植物蒸腾耗水尺度转换研究。     

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。     

温度对生物土壤结皮斑块土壤氮矿化作用的影响

以腾格里沙漠东南缘天然植被区藓类结皮、藻地衣结皮斑块荒漠土壤为研究对象,采用原状土培养法,在人工气候箱中设置不同温度（-10、5、15、25、35、40 ℃）培养14 d,测定土壤样品在培养前后NH+4-N和NO-3-N含量,分析两种生物土壤结皮斑块土壤净硝化和净矿化速率对温度的响应。结果表明：①低温培养条件下（-10~15 ℃）土壤氮转化以固持态为主,随着温度升高,尤其当温度超过25 ℃后,藓类结皮、藻地衣结皮斑块土壤净硝化和净氮矿化速率显著提高（p<0.05）;②同一温度培养下,以藓类结皮发育为主的土壤氮转化水平较高,净硝化速率和净氮矿化速率以及无机氮的积累明显大于以藻地衣结皮发育为主的土壤;③两种生物土壤结皮斑块土壤净氮转换速率（硝化和矿化）Q10值在2.46~3.33间波动,其中藓类结皮斑块土壤氮转换对温度的敏感性较高。此外,在土壤氮总矿化过程中,硝化过程具有较强的温度敏感性。高温促进了土壤净氮矿化水平,增加土壤氮有效性,因此可能会对荒漠生态系统的初级生产力产生正向影响作用。     

荒漠灌丛微生境土壤温度的时空变异特征——灌丛与降水的影响

对干旱区优势固沙灌木柠条群落不同微生境（灌丛外和灌丛下）的土壤温度（0 cm、5 cm、10 cm和20 cm剖面深度）进行了连续测定,对比分析了晴天、降水日与灌丛对其微生境土壤温度时空变异的影响。结果表明:降水和植被灌丛对土壤温度均具有显著影响。在无雨日,受灌丛遮阴影响,灌丛外土壤温度明显高于灌丛下相同深度的土壤温度;在降水日,土壤温度主要受降水影响,降水使土壤温度明显降低,灌丛的影响作用减弱,灌丛下和灌丛外同一剖面深度的土壤温度差异较小。无雨日土壤温度日变化呈单峰型正弦曲线,随剖面深度增加,土壤温度振幅逐渐减小,峰值出现时间滞后,土壤温度垂直分布变化呈现4种典型变化曲线。夜间（日落至日出）柠条灌丛下地表温度（0 cm土壤温度）比灌丛外地表温度略高。降水日土壤温度日变化随降水过程的持续呈逐渐递减趋势,土壤温度垂直分布变化表现为随深度增加而递增的趋势。     

沙坡头地区地形对凝结水形成特征的影响

以沙坡头地区经草方格沙障固定的典型流动沙丘作为研究对象,采用PVC管手动称重法和布板法（CPM—Cloth-Plate Method）对该区不同地形位置凝结水的形成特征进行了研究。结果表明：地形作用下凝结水的形成量和形成间期均表现为中等空间异质性;不同坡向凝结水形成量符合经典的水汽对流模型,丘间低地凝结水形成量最高,迎风坡凝结水形成量高于背风坡,具体表现为：丘间低地>西面向坡>北面向坡>丘顶>南面向坡>东面向坡;同一坡向不同坡位处凝结水形成量表现为：坡脚>坡中>坡顶;坡度与凝结水形成量呈负的线性相关关系,随着坡度的增加,凝结水形成量逐渐减少,垂直坡面上凝结水形成量仅为水平面的一半。这说明地形是影响干旱区凝结水形成特征的重要因子。     

荒漠人工固沙植被区浅层土壤水分动态的时间稳定性特征

试验在地表由生物土壤结皮覆被的荒漠人工固沙植被区进行,通过对0.45 hm2试验样地浅层（0—15 cm,0—30 cm）土壤水分连续动态（2005年4—10月）测定,基于经典时间稳定性理论分析,来揭示荒漠人工固沙植被区浅层土壤水分动态的时间稳定性特征。结果表明,无论在干旱或湿润条件下,浅层土壤水分都具有明显的时间稳定性特征,并且在土壤剖面30 cm深度表现得比剖面深度15 cm更为显著;在干旱条件下,两种土壤剖面深度的土壤水分时间稳定性特征均比湿润条件下显著。根据研究结果,初步确定了试验样地平均土壤水分含量的代表性测点。