1990—2022年天山北坡地区不同开垦年限耕层土壤盐分变化

近年来,随着频繁的土地利用变化和大量耕地的开垦,土壤盐渍化已成为导致天山北坡耕地质量退化、阻碍绿洲农业发展的环境因素。本研究基于翔实的调查数据资料、土壤实测数据和中国土地覆盖数据集(CLCD),比较传统插值模型和随机森林插值模型对耕层土壤(0~30 cm)含盐量插值的优缺点;选取精度最高的定量预测模型对天山北坡地区耕层土壤含盐量定量预测,得到耕层土壤含盐量分布变化特征;以空间换时间,将近30 a新开垦耕地耕层土壤含盐量进行比较,分析开垦年限对土壤含盐量的影响。结果表明:(1)与传统的插值方法相比,随机森林算法能够更准确地预测盐渍化土地的土壤盐分分布情况。(2)天山北坡地区,耕层土壤含盐量存在较大空间异质性,即高海拔地区土体中的盐分会随着径流的淋溶,在低海拔的河流下游尾闾或低洼区靠近沙漠一侧积聚。(3)随着开垦年限的延长,天山北坡地区耕层土壤含盐量总体呈现下降的趋势,且土壤盐渍化程度倾向于聚集在一个中等的水平上,趋向于平衡或“中心化”。本研究增进了对当前耕地盐渍化状况及从原始荒地开垦到耕地后耕层土壤盐分变化历程的理解。这为干旱区备用土地资源的开发、管理和有效利用提供了理论支撑,并为农业的持续发展提供了科学依据。

GIS与土壤溶质运移模型结合研究进展

地理信息系统对土壤溶质模型研究而言 ,使用者的要求与GIS所能提供的功能之间 ,还存在巨大的差距。出于对环境问题的关注 ,土壤中水分及溶质运移的规律及其对环境的影响 ,成为当前研究的热点。随着对土壤溶质运移模型研究的深入 ,一方面由于田间土壤特性具有很大的空间变异 ;另一方面 ,在实际应用中 ,往往溶质运移的宏观特征而非微观特征 ,具有更重要的意义。将溶质运移模型与GIS技术结合 ,定量研究空间尺度的溶质运移 ,成为溶质运移研究的必然发展趋势。由于计算机软硬件技术的发展 ,GIS正处于一个高速发展的时期。将GIS与溶质运移模型相结合 ,或者进一步 ,以GIS理论和技术为基础 ,建立基于GIS的溶质运移模型 ,将对溶质运移的规律及其对环境的影响 ,做出更深入和准确的描述。

沙漠腹地人工种植草坪耗水变化的初步研究

利用田间水量平衡方程,本文对塔克拉玛干沙漠腹地人工草坪水分蒸散进行了初步研究。蒸散总量数据显示,部分覆盖(60％)>全裸地>全覆盖(100％)。从日变化数据来看,植物蒸腾由于能消耗更深层次的水分,其强度的减弱要迟于土壤蒸发。由于特殊的自然条件与灌溉方式,本区草坪的蒸散具有自己的特点,部分覆盖草坪的蒸散量最大。水量平衡分析的数据则表明,渗漏水占灌溉水量中相当大的部分,这说明,提高土壤表层的持水能力,可以有效地提高水分利用效率。

古尔班通古特沙漠生境对植物群落格局的影响

沿87°37′09″～88°24′04″E纵穿古尔班通古特沙漠,对44°14′04″～45°41′52″N的范围进行11个样地的地貌景观调查、植被分布参数采集和土壤取样.研究区统计到的植物种数占古尔班通古特沙漠文献资料中植物种数的1/3,出现的植物群落构建了该沙漠大面积成片分布的荒漠植被景观.调查发现,随着宏观生境的空间变化,植物群落作相应的演替.在此基础上,利用因子分析(PCA)和相关分析(CA)查明了沙漠风沙土理化属性,如土壤养分、盐分、水分、碱性(pH)等微生境的异质性仅对沙漠植被草本层片的多样性(PIE 草)产生显著影响.同时,这些微生境因相互拮抗使沙漠环境处于暂时的脆弱平衡之中.

不同施肥模式对绿洲农田土壤微生物群落丰度与酶活性的影响

以中国科学院阜康荒漠生态系统国家野外观测研究站的长期定位试验为平台,利用荧光实时定量PCR(Real-time PCR)技术,对不同施肥模式下的土壤微生物群落丰度进行了测定,并分析了土壤酶活性。结果表明:与无肥处理(CK)相比,20年长期单施化肥(CF)或者化肥配施秸秆(CF/OM)处理均显著增加了土壤氨氧化古菌(AOA)与氨氧化细菌(AOB)的丰度。其中,土壤AOB最低增加了16倍,而AOA最多增加了3倍,表明AOB可能在原位土壤氨氧化过程中发挥了更为重要的作用。尽管CF/OM处理的作物产量与CF处理无显著差异,但该施肥模式在维持作物产量的同时,其土壤微生物主要类群(真核微生物、细菌、古菌)数量最大,土壤有机碳含量最高,大多土壤酶活性高于其他处理,表明化肥配施有机肥有利于保持土壤微生物多样性,对于提高土壤质量具有重要作用。

克里雅河流域荒漠-绿洲交错带3种不同生活型植物的光合特性

利用LI-6400光合仪测定新疆克里雅河流域荒漠-绿洲交错带自然生长的芦苇、柽柳、胡杨叶片的气体交换参数及环境影响因子,通过对比3种植物光合特性的差异及其与环境因子间的关系,探讨3种植物对荒漠环境的适应特性和机制。结果表明:(1)3种植物叶片Pn日变化均呈不对称的双峰曲线,"午休"现象明显,Pn日均值的大小依次为胡杨>芦苇>柽柳,种间差异不显著。(2)Tr、PAR和Gs与3种植物Pn的日变化存在极显著或显著的相关关系,其中影响芦苇Pn的主要因子是Tr、PAR和Gs,作用效应为Tr>Gs>PAR;影响柽柳Pn的主要因子是Tr、Gs,作用效应为Tr>Gs;影响胡杨Pn的主要因子是Tr。(3)3种植物的光合作用对光强和CO2的响应特征可用二次方程描述;光补偿点和饱和点均为柽柳>胡杨>芦苇;CO2补偿点为胡杨>柽柳>芦苇,饱和点为胡杨>芦苇>柽柳。(4)3种植物的表观量子效率在0.0341—0.0411 mol/mol之间,羧化效率在0.0480—0.0546 mol m-2s-1之间。综合比较表明,3种干旱区植物在自然条件下日均净光合速率、光能利用率和CO2同化能力差异不显著,气孔限制是光合"午休"现象产生的主要原因;影响3种植物光合作用的主导因子各不相同,但Tr与Pn间的关系较其它因子更为密切。

NaCl对齿肋赤藓叶肉细胞超微结构的影响

齿肋赤藓(Syntrichia caninervis)是古尔班通古特沙漠苔藓结皮层中的优势物种,对荒漠生态系统的稳定性及功能多样性具有十分重要的意义。利用透射电镜技术对不同浓度Na Cl胁迫下齿肋赤藓叶肉细胞超微结构进行了观察。结果表明:齿肋赤藓叶肉细胞在未胁迫(0 mmol/L)处理下排列疏松,各种细胞结构完整,叶绿体基质排列均匀且叶绿体内含少量淀粉粒和脂质球。在轻度盐Na Cl胁迫(100 mmol/L)下,齿肋赤藓叶肉细胞结构依然保持完整,叶绿体基质均匀,叶肉细胞超微结构仅有较小变化。在中度盐Na Cl胁迫(200、300 mmol/L)下,齿肋赤藓叶肉细胞发生质壁分离,出现晶体结构,且中央大液泡发生破裂;叶绿体由梭形变成椭球形或圆球状,出现空泡化并伴随有轻微的解体;叶绿体类囊体肿胀,脂质球数量增加。在高度Na Cl胁迫(400、500 mmol/L)下,齿肋赤藓细胞的质壁分离加剧,叶肉细胞出现大量泡状结构和膜片层,叶肉细胞死亡;叶绿体片层结构消失,空泡化加重,脂质球数量增加且体积变大,叶绿体内外膜消失,叶绿体大部分解体,在叶肉细胞中几乎看不到叶绿体的存在。上述结果表明,叶绿体膜结构的损伤与盐胁迫下叶肉细胞死亡有密切关系。

荒漠-绿洲土壤微生物群落组成与其活性对比

结合野外观测与实验室研究方法,对比研究了准葛尔盆地南缘盐生荒漠与绿洲农田土壤微生物活性与其群落组成的变化特征,并分析了土壤温度与湿度对荒漠-绿洲土壤微生物活性的影响。结果表明:荒漠开垦为绿洲后,土壤细菌明显增加,真菌无明显变化,放线菌显著减少。细菌在绿洲农田土壤矿化作用中占主导,真菌则在荒漠中占优势,绿洲农田土壤微生物活性(包括真菌与细菌活性)明显高于荒漠。温度对荒漠-绿洲土壤微生物活性的影响只在一定土壤湿度范围内作用显著,绿洲农田受其影响较大;荒漠有机质含量明显高于绿洲农田,但水分与盐分因素抑制了微生物对其的分解和矿化。不同土地利用方式导致了荒漠绿洲间土壤湿度及盐份的较大差异,加之与土壤温度极显著的交互作用,使得开垦后土壤有机碳的易得性增强,微生物群落结构发生显著改变,进而有机碳的矿化速率加快,土壤碳库随之消减。

盐生荒漠地表水热与二氧化碳通量的季节变化及驱动因素

以古尔班通古特沙漠南缘原始盐生荒漠为对象,利用涡度相关法,对原始盐生荒漠地表水热、二氧化碳通量进行了连续观测,对通量的季节变化、浅层土壤水分条件改变对盐生荒漠植物群落水汽、二氧化碳通量以及水分利用效率的影响进行了系统的分析。结果表明:净辐射通量、潜热通量和二氧化碳通量都具有明显的季节变化趋势,而显热通量的季节变化不明显。在有效能量的分配上,显热通量是有效能量的主要输出项。在降水影响期和非影响期,二氧化碳通量没有明显的变化;而在非降水影响期潜热通量明显降低,表明土壤水分处于亏缺状态,但二氧化碳通量并没有降低的趋势,而与前期保持高度的一致性。以此可以推断,该荒漠盐生植物群落并不以降水为主要水分来源,降水后水汽通量和二氧化碳通量变化的不一致性是该原始盐生荒漠独特植物特征决定的。降水影响期原始盐生荒漠植物群落的水分利用效率低于非影响期,是由于降水后土壤蒸发迅速增加,而植物蒸腾与光合并未随之增加造成的。

古尔班通古特沙漠88°E沿线风沙土理化性状的纵向分异

纵穿古尔班通古特沙漠中部对风沙土理化性状分析结果表明:沙漠腹地风沙土含水量低于边部。风沙土颗粒物主要由极细沙-细沙-中沙组成,并且北部较中部和南部粗。个体沙垄垄间地风沙土φ1值最高,垄顶的平均粒径最大。北部风沙土分选性差,绝大多数为极正偏分布,峰态很窄。中部、南部风沙土分选性中等和较好,呈窄峰态和近对称的分布形式。沙漠腹地风沙土全盐含量均较低,pH值适中,二者和沙垄固定程度成一定的正相关。风沙土中有机质、N、P、K等营养物质含量较低。相比之下北部风沙土全K和有机质含量高于中、南部,而植被茂盛的垄间地和垄坡有机质和全N含量一般高于固定、半固定垄顶。局地气象条件、微地形地貌以及植被状况的差异是引起沙漠风沙土上述理化性状空间分异的重要因素。

重新被“激活”的土壤无机碳研究

荒漠区植被稀疏、土壤有机碳含量低,在全球碳循环研究中,一直被忽略。但2006年前后,若干研究显示干旱荒漠区具有潜在的碳汇功能,一直被认为是死碳的土壤无机碳开始受到关注,长期被忽视的干旱荒漠区无机碳碳循环重新进入人们的视野。后续的研究显示,土壤中的溶解性无机碳并非来自土壤本身的碳酸盐,而是来自土壤空气或大气,是现代碳循环的一个重要环节。土壤温度的变化改变了CO2在土壤溶液中的溶解度,催生出一个日出夜进的"无机呼吸"过程。这个"无机呼吸"过程在广义干旱、盐碱土区普遍存在;在土壤生物过程微弱的荒漠区,可以主导地-气界面的碳交换。盐碱土改良过程中溶解性无机碳的淋洗,更可以直接形成储存于地下咸水层的无机碳汇。总之,在生命过程微弱的干旱荒漠区,无机碳过程可以主导地-气界面碳交换与碳汇的形成:尽管这里起关键作用的不是土壤碳酸盐,而是土壤中的溶解性无机碳。

物种多样性及生物量与地下水位的关系--以海流兔河流域为例

以3条样带上117块植被群落调查样方为基础资料,研究了海流兔河流域植被物种多样性及生物量与地下水位之间的关系。结果表明:1)地下水位高低及地貌类型均会影响草本层植物群落组成及优势种构成。滩地样地中,随地下水位降低,优势草本的更替方向为寸草,芨芨草,马蔺,狗尾草,碱茅;沙坡样地中,优势草本的更替方向为大针茅,沙鞭,沙蓬,沙打旺。2)地下水位为1.5 m时是草本植物群落生长发育最适宜区域,物种多样性及丰富度达到最大,而灌木层物种多样性及丰富度随地下水位下降呈现波动变化的特征;当地下水位埋深小于5.0 m时,草本层物种多样性及丰富度明显高于灌木层,在地下水位埋深大于5.0 m时,草本层物种多样性指数开始出现低于灌木层的现象。3)草本植物多样性及丰富度和生物量之间关联性不强,滩地样地中,草本层地上生物量及地下生物量在地下水位为1.8 m时具有最大值,但植物群落结构较为单一;沙坡样地中,地上生物量最大值出现在地下水位为5.0 m的区域内,而地下生物量最大值出现在地下水位为3.5 m时。综上,物种多样性、地上及地下生物量与地下水位都不是简单的线性关系,而是有一个最适水位;高于或低于这个最适水位,多样性和生物量都会下降。

干旱区不同土壤和作物灌溉量的无机碳淋溶特征实验研究

为探讨干旱区作物灌溉对盐碱土无机碳传输的影响,通过选择不同含盐量的土壤,即耕地土(F)、混合土(C)和原生荒漠土(D),分别种植水稻(R)和棉花(C),进行了一个生长季的淋溶实验,并定期收取且分析土壤淋溶液中的可溶性无机碳(DIC)含量。结果表明:(1)水稻处理无机碳的淋溶主要集中在秧苗分蘖期和幼穗发育期,而棉花处理则集中在花铃期和吐絮期;(2)不同含盐量土壤在同一灌溉量下,土壤含盐量越高,其淋溶过程得到的无机碳总量越大,最高约为8.4 g·m^(-2)·a^(-1),最低仅约0.7 g·m^(-2)·a^(-1);(3)同种土壤不同灌溉量,其水稻高于棉花,高出值范围为2.9～4.1 g·m^(-2)·a^(-1);种植作物处理得到的无机碳总量均大于其相应对照处理的量(p<0.05)。研究结果表明,土壤的盐含量及作物灌溉量对土壤无机碳淋溶有重要影响。

沼泽、盐化沙丘过渡带和沙丘生境下芦苇的光合及生理生化特性

对于田地区3种不同生境(沼泽、盐化沙丘过渡带和沙丘顶)芦苇的生长环境特征、光合特性、渗透调节及抗氧化系统的特征进行研究。结果表明:芦苇叶片的Pn日变化在沼泽生境呈单峰曲线,在盐化沙丘过渡带和沙丘顶部均为双峰曲线,光合"午休"现象明显,气孔导度降低是其主要原因。脯氨酸和可溶性糖含量随根区土壤水分减少和盐分加剧增加显著,其中可溶性糖含量变化剧烈,对抵御干旱和盐渍化危害的贡献较大。芦苇叶片超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性随干旱及盐分加剧增加显著,两者对水分亏缺的响应较盐分敏感,且可有效缓解沙丘生境由于缺水所造成的氧化损伤,使丙二醛(MDA)含量维持在相对较低水平。过氧化物酶(POD)活性在沙丘和盐渍化生境内都比较高,对抵抗盐渍化和干旱起着同样重要的作用。

局部根区灌溉对棉花主要生理生态特性的影响

【目的】探讨局部根区不同灌溉模式对棉花主要生理生态特性的影响。【方法】以盆栽棉花为试验材料,比较分根交替灌溉(APRI)、分根固定灌溉(FPRI)和常规灌溉(CK)下,棉花的生长、光合产物分配及相关生理响应。【结果】当灌溉量减少50%时,APRI处理的总生物量仅比CK降低10%左右,而FPRI则降低23%。不同处理的根系总量虽无差别,但APRI和CK处理的吸收根干重明显高于FPRI;APRI的根系分布与CK基本一致,FPRI处理未灌溉一侧的吸收根数量则显著低于灌溉一侧。分根灌溉条件下,棉株的叶片与木质部汁液ABA浓度大幅增加,调控气孔运动,减少蒸腾耗水。【结论】分根交替灌水能刺激棉株吸收根生长,有效调节同化产物在根冠间的比例和分配,是一种切实可行的节水灌溉方式。

非生物过程对盐碱土土壤CO_2通量的影响

从原位土壤CO2通量的观测数据出发,分析了盐生荒漠土壤CO2通量的日、季节变化特征,并针对夜晚负通量的发生,结合灭菌控制实验,定量拆分土壤CO2通量中生物与非生物组分的贡献。结果表明:多枝柽柳冠下土壤CO2通量在整个生长季均显著的高于灌间空地通量(P<0.05),而受双峰日过程影响,冠下和灌间空地土壤CO2通量的季节变化均不明显。但灌间空地土壤CO2通量在夜间表现为负值(CO2由大气进入土壤),原因就在于土壤非生物过程的存在。当土壤含水量为10%时,非生物通量对总通量的贡献介于18.6%～49.2%之间,并随着土壤pH的增加呈线性上升的趋势;相比之下,在风干土中,非生物通量与总通量没有显著的差异,说明土壤越干,非生物过程的影响越大。因此,土壤pH和水分含量是土壤非生物通量的重要影响因子,而非生物过程对土壤CO2通量的影响不容忽视。

分根交替灌水对棉花生长、光合与水分利用效率的影响

应用部分根区干燥(PRD)技术,研究分根交替灌水(APRI)、分根固定灌水(FPRI)与全根系均匀灌水(BPRI)对盆栽棉花的生长、光合和水分利用效率的影响。结果表明:APRI黎明前与正午的叶水势均明显高于FPRI,而与BPRI无显著差异。APRI在叶片水分状况未变化时,显著降低了气孔导度,在维持光合作用不变的情况下,减少蒸腾量,瞬时水分利用效率与FPRI和BPRI相比分别提高了35.86%和63.51%。APRI处理的棉株在干旱复水后由于补偿效应,叶片生长速率和总叶面积较同等灌水量的FPRI分别提高了67.42%和27.16%。同时,干湿交替刺激APRI处理棉株的吸收根生长,其干重是FPRI的1.39倍。分根交替灌水在节水50%条件下,比同水量固定灌水处理的水分利用效率显著提高。

长期施肥对绿洲农田土壤剖面有机碳及其组分的影响

以中国科学院阜康荒漠生态站长期定位试验为平台，对不同施肥模式下绿洲农田土壤有机碳（SOC）、颗粒有机碳（POC）、轻组有机碳（LFOC）及团聚体结合碳的剖面（0～3m）特征进行了研究。结果表明：与荒漠土壤相比，20a长期施肥模式下SOC含量在表层（0～0．2m）土壤中增加了14％～56％，但在下层（0．2～0．6m）减少了15％～33％。在深层（0．6～3m），单施化肥（NPK与N2P2K）与化肥配施秸秆处理（NPKR与N2P2R2）具有不同的变化：SOC含量在前者中降低了5％～9％，在后者中增加了4％～9％，POC与LFOC具有相似变化趋势。所有处理均增加了整个剖面的大团聚体（〉0．25mm）结合碳。然而，44％～87％的SOC分布于粉砂与粘粒组分（〈0．053mm）中，在深层土壤中该比例最大（超过80％），揭示了该组分中SOC含量的维持对于碳固定的重要性。单施化肥处理降低了粉砂与粘粒组分中SOC含量，可能是其深层土壤碳损耗的一个机制。化肥配施秸秆处理在促进SOC含量的增加、大团聚体形成方面具有最好效果，尤其在深层土壤。

绿洲农田不同施肥处理对土壤养分和作物产量的影响

为充分了解绿洲农田农业生态系统养分循环规律,利用长期定位实验的方法,初步探讨了不同施肥处理下,绿洲农田的土壤养分及作物产量变化。结果表明:不同施肥处理对土壤养分含量有明显影响。其中,化肥与有机肥配合施用处理的土壤养分含量最高,无肥CK处理养分含量最低,尤其是化肥与有机肥配合施用处理的有机质、全N和碱解氮分别比对照区平均高1.5 g/kg0、.19 g/kg和10.5 mg/kg,其他各处理养分含量处于二者之间。结果还表明,作物产量与土壤养分含量相关,尤其是与土壤有机质、全N、碱解N的含量关系密切,制约产量的首要养分因素是N素,其次是P素。CK处理由于连年作物吸收及收获带走养分,使土壤的有效养分库消耗很快,致使作物产量逐渐降低。P、K处理作物产量变化趋势和CK处理基本一致,进一步表明了N素是影响绿洲农田作物产量的首要因素。对各处理的土壤养分和作物产量变化研究表明,化肥与有机肥配合施用处理作物产量最高,平均为4 010.8 kg/hm2,因此化肥与有机肥配合施用可能是提高绿洲农田土壤肥力,增加作物产量的最佳施肥方式。