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。     

沙坡头人工固沙植被生态系统土壤恢复研究进展

土壤是荒漠生态系统的重要组成部分,沙化土地的治理与恢复是人们关注的重点。沙坡头人工固沙植被区的土壤经过50 a的恢复,已得到显著的发育。结皮及亚表土层厚度随固沙年代的增加而增大,土壤颗粒组成中粘粒和粉粒含量增多,土壤容重降低,有机质和氮、磷、钾等营养元素含量增加,流动风沙土已发育成为钙积旱成土。本文探讨了降尘、生物土壤结皮和土壤微生物对土壤恢复的影响,分析土壤发育与人工植被演替的相互作用,并提出了今后的研究重点方向。     

固沙植被区典型生物土壤结皮类型下土壤CO2浓度变化特征及其驱动因子研究

对固沙植被区典型分布的藻类结皮、藓类结皮和流沙下不同深度的土壤气体采样,主要研究和讨论了不同类型生物土壤结皮下土壤CO2浓度的变化特征,及土壤温度和土壤水分对它的影响。结果表明,藻类结皮和藓类结皮在0~40 cm处的土壤空气CO2浓度平均值基本保持在600~1 100 μmol·mol-1之间,大于同一深度流沙下土壤CO2浓度值,但三者之间的差异并不显著。土壤温度与土壤CO2浓度呈正相关关系,且在表层相关性最强,具体表现为流沙>藓类结皮>藻类结皮。土壤水分对土壤CO2浓度的影响在表层0~5 cm为流沙>藻类结皮>藓类结皮,但在下层10~40 cm处为藻类结皮>藓类结皮>流沙。     

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。     

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。     

沙坡头植被固沙区生物结皮对土壤水文过程的调控作用

生物结皮的土壤水文过程一直是学术界比较关注的争议性问题。通过对生物结皮的生态调查和水文物理实验分析、野外人工模拟降雨条件下的土壤水动力学试验、以及天然降雨后土壤水分的动态监测,分析了生物结皮对降雨渗透、土壤水分再分配和土面蒸发等土壤水文过程的调控作用,认为:(1)生物结皮层不仅降低了水分渗透速度和深度,还引起了土壤水分渗透的不稳定性,即指状流的出现;(2)生物结皮的逐年发育使土壤水分的分配格局和分配过程发生了很大变化,土壤水分再分配过程有明显的浅层化趋势,即生物结皮的降雨拦截作用;(3)生物结皮通过降低反射率和提高毛管作用,大大提高了土面蒸发。生物结皮对土壤水文过程的调控作用正在深刻地改变着固沙区的土壤水环境。     

沙粒粒径组成的空间异质性及其与灌丛大小和土壤风蚀相关性分析

空间异质性是土壤的重要属性之一。采用地统计学的理论和方法,研究了浑善达克沙地沙粒粒径组成的空间异质性。分析结果表明,各粒径的比例具有明显的空间异质性。在于107.30 m范围内,粉沙约有59.3%的空间异质性由随机因素引起的,而由空间自相关部分引起的空间异质性占40.7%;其余的空间异质性很少由随机因素引起的,其空间自相关部分引起的空间异质性占绝大部分。相关性分析表明:灌丛的冠幅越大,越有利于细沙、极细沙和粉沙的截留;各月的风蚀值与沙粒粒径的百分含量的相关性均和各月的平均风速有关。     

固沙植被区两类结皮斑块土壤呼吸对降雨脉冲的响应

与降水事件密切相关的土壤水分有效性是荒漠生态系统土壤呼吸的重要驱动因子。研究了固沙植被区以藓类和藻类为主的生物土壤结皮斑块土壤呼吸对模拟降雨(5、10、20 mm)的响应。结果表明:3种降雨量对不同结皮斑块土壤呼吸均有显著的激发作用, 但2种土壤的响应特征不同。藓类结皮斑块土壤呼吸速率在降雨后0.5 h达到最大值, 而藻类结皮斑块土壤在降雨后2 h达到最大值, 其呼吸速率分别是降雨前土壤呼吸速率的43~58、21~25倍,随后, 两类结皮斑块土壤呼吸速率逐渐下降并恢复到降雨前水平。随着降雨量的增加, 藓类结皮斑块土壤最大呼吸速率和平均呼吸速率显著增大, 而藻类结皮斑块土壤则无明显变化; 2种土壤碳释放量均随着降雨量的增大而增加。在相同降雨条件下, 藓类结皮斑块土壤呼吸速率峰值和平均值及碳释放量均显著大于藻类结皮斑块土壤。表明生物土壤结皮和降雨量均对荒漠生态系统土壤呼吸起着重要的调控作用。     

海南橡胶林土壤物理性质的空间变异性

以海南长期深沟盖草培肥后的橡胶园土壤为对象,分析土壤物理性质的空间分异特征。结果表明:施肥沟沟壁容重最低,平均为1.29 g/cm3,比施肥沟沟底低0.11 g/cm3,比萌生带低0.20 g/cm3;施肥沟沟壁毛管持水量最高,平均为51.43%;施肥沟沟壁渗透性系数最高,10℃时渗透系数K10平均为1.51;施肥沟沟壁大团聚体(>250μm)平均含量最高。深沟盖草培肥能够改善土壤团粒结构,增加土壤结构稳定性,使施肥沟沟壁土壤物理性状最好。     

固沙植被区生物土壤结皮中蓝藻群落的多样性

采用非培养法对腾格里沙漠沙坡头固沙植被区的蓝藻多样性进行了研究,通过蓝藻通用引物PCR扩增其16S rDNA序列并构建16S rDNA文库,对阳性克隆进行测序、比对分析和构建系统发育树,同时通过Shannon-Weaver多样性指数、Chao和ACE丰富度指数及Simpson优势度指数对蓝藻多样性进行比较分析。结果表明:腾格里沙漠沙坡头地区蓝藻可分为5大类:颤藻目(Oscillatoriales,64.55%),色球藻目(Chroococcales,1.82%),念珠藻目(Nostocales,16.36%),宽球藻目(Pleurocapsales,6.82%)和未分类蓝藻(10.45%)。人工固沙植被区经过57年的恢复,蓝藻群落Chao和ACE丰富度指数均明显小于天然植被区(恢复逾100年),而且其群落结构与天然植被区仍然存在着统计学显著差异的区别,说明荒漠区生态系统微生物多样性的恢复是一个长期的过程。     

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。     

微生境尺度上放牧退化草原群落特征与土壤有机质的空间分异性

 格局和过程与异质性有关。以呼伦贝尔克氏针茅草原不同放牧强度下的演替群落为对象,开展群落植被空间分布格局及土壤有机质空间异质性研究。结果显示,不同放牧强度样地群落结构和群落种类组成存在明显差异。轻度放牧样地样方内有8种植物,群落优势种为克氏针茅（Stipa krylovii）;中度放牧样地样方内有12种植物,群落优势种为糙隐子草（Cleistogenes squyarrosa）;而重度放牧样地样方内只有7种植物,群落优势种为多根葱（Allium polyrhizum）。随放牧强度的增强,植被地上生物量及其变异系数逐渐降低;土壤有机质含量表现为轻度放牧>中度放牧>重度放牧,而其变异系数表现为中度放牧>轻度放牧>重度放牧。从植被地上生物量和土壤有机质含量变异函数分析来看,随放牧压力的增大,植被地上生物量空间自相关性增强,空间异质性变大;土壤有机质含量空间分布自相关性先增强,然后减弱,空间变异性先变大,然后变小。在10 cm×10 cm的微尺度上,重牧群落植被地上生物量和土壤有机质含量之间表现出明显的相关性（P<0.05）。     

区域尺度土壤养分空间变异及其影响因素研究

江苏北部5市土壤表层(0~20cm)全氮含量连云港东北部、淮安南部和盐城西部显著高于其它地区;全磷含量呈现由北到南、自西向东升高的趋势;速效磷含量高值区位于北部的灌云县和南部的金湖县;速效钾含量东部沿海高于其它地区。土壤类型和成土母质对土壤养分产生显著影响:对于土类而言,沼泽土和水稻土养分较高;各成土母质中,湖相沉积物发育的土壤养分含量最高。在研究区1:5万尺度范围内,土壤类型对全氮和全磷的变异起主导作用,而速效磷受成土母质的影响较大,土壤类型和成土母质对速效钾的影响较小,土壤类型和成土母质对全量养分的影响要大于速效养分。     

腾格里沙漠人工固沙植被区生物土壤结皮对降水的拦截作用

在沙坡头人工植被区对人工模拟降水及天然降水后生物土壤结皮层含水率进行了动态定位监测,并分析了生物土壤结皮拦截降水的作用.结果表明:①生物土壤结皮的发育改变了原来沙丘剖面的水分分配格局,10%～40%的年降水量被拦截到结皮层;②随固沙年限的增加,生物土壤结皮的进一步发育和演变,其对降水的拦截能力也进一步提高;③生物土壤结皮对降水的拦截有明显的季节变化,7～10月份平均拦截雨量比4～6月份平均高出12%.     

渭北旱塬土壤水分空间变异性

渭北旱塬是陕西省重要的苹果生产基地，探讨该区不同土地利用的土壤水分时空变异特征，对农业生产布局、种植业结构调整和减少径流、控制侵蚀具有特殊的现实意义。本文用地统计学的理论和方法，分析了渭北旱塬区3种主要土地利用类型农地、苹果地和苜蓿地3个土层深度(0～20cm、60～80cm、280～300cm)的土壤水分空间变化趋势。变异函数分析结果表明，3种土地利用类型的土壤水分具有明显的空间变异特性。在0～20cm土层，空间变异性尺度为9～16m，60-80cm土层为5～12m，280-300cm土层深为5～10m，空间变异性程度随尺度变化。自相关尺度为1～17m，自相关部分的空间变异性在0～20cm、60～80cm和280-300cm分别占总空间变异性的90．0％～94．0％、84．0％～98．0％和85．0％～94．0％，明显大于随机部分的空间变异性。从苜蓿地、苹果地到农地，空间自相关的尺度逐渐增大。各向异性分析表明，农地和苜蓿地在表层(0～20cm)具有明显的各向异性，而苹果地的土壤水分含量接近各向同性。