荒漠人工固沙植被区土壤水分的时空变异性

表层土壤水分具有高度的时间和空间变异性。研究的目的:(1)揭示沙坡头人工固沙植被区浅层土壤水分的时空变异性特征;(2)确定驱动土壤水分变异的主要环境因子。在人工固沙植被区内一个4500m2的网格样地上每隔10m设置取样点,在连续7个月的时间内(2005年4～10月),每隔15d用时域反射仪测量各样点表层以下15cm和30cm深度的土壤容积含水量。结果表明,该区网格尺度上浅层土壤水分的分布具有明显的空间变异性,其变异性随着土壤水分含量的降低而减小;相对海拔是驱动土壤水分空间变异的主要环境因子,其作用在降雨后尤为显著,且其对土壤下层的影响比上层更明显;植被和土壤水分含量的相关性时间序列与相对海拔一致——降雨使其相关性增加;土壤质地(土壤粒径分布)和土壤水分含量的相关性时间序列特征与植被和相对海拔相反,且其对土壤上层的影响比下层更明显。因此,在沙坡头荒漠人工固沙植被区,降雨后的短暂湿润期,地形和植被是驱动浅层土壤水分变异的主要影响因子,而随着降雨之后土壤逐渐变干,土壤质地的影响变得更加明显。

不同植被类型沙地表层土壤水分变化特征

通过对沙坡头地区不同植被类型沙地土壤表层水分时空变化特征的研究表明,该区不同植被类型沙地土壤表层水分的分布均符合正态分布,降雨使表层土壤水分的空间变异性减小,空间自相关性减弱,分维数减小,空间自相关范围由干旱时的5 m左右内变化扩大到几十米,土壤表层水分的空间依赖性增强;在土壤表层水分含量极低的情况下,土壤表层水分的空间变异性规律与土壤水分含量的变化规律一致;在土壤水分含量不是很低的情况下,其空间变异性与土壤表层水分含量变化趋势相反,流沙地、柠条地A、柠条地B、油蒿地、1956年人工固沙植被区土壤表层水分空间变异性与土壤表层水分含量关系发生改变的转折点,分别在土壤表层体积水分含量为1.5%,2.5%,3%,3%,4%左右。

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—15cm)和亚表层(15—30cm)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。

荒漠绿洲农田生态系统玉米生育期和产量对不同水肥处理的响应

采用二因子旋转回归设计,研究了灌溉和N肥用量对玉米生育期、生物量和产量的影响。结果表明,在干旱的沙坡头绿洲农田生态系统中,水分是影响玉米生长的首要因素,在一定的灌溉范围内,灌水量的增加能促使玉米生育期提前、生物量和产量增加;N肥对玉米性状的影响较灌溉处于次要地位,但是在一定的灌溉条件下,N肥对玉米的生长仍然起重要作用,大喇叭口期追肥的作用最为显著。

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。

沙漠人工植被区生物结皮类土壤的蒸发特性——以沙坡头沙漠研究试验站为例

沙漠人工植被区的建立有助于生物结皮的形成和发育,它将显著改变植被区土壤的持水性能和蒸发过程。利用室内蒸发法研究了流沙和沙漠植被区生物结皮类土壤的蒸发特性。结果表明,随固沙年限的延长生物结皮层及其下的亚土层逐年增厚、容重下降、土壤持水能力增加,且苔藓结皮优于藻类结皮。当土壤样品完全饱和后,生物结皮土壤的蒸发量明显高于流沙,苔藓结皮高于藻类结皮,并随固沙年限的延长而增加;但是蒸发过程表现出明显的阶段性(p<0.05)。在蒸发的第一阶段(速率稳定阶段),与流沙相比生物结皮的存在有利于蒸发;但在蒸发的第二阶段(速率下降阶段)生物结皮却抑制蒸发。分析后认为,正是生物结皮具有较高的持水能力,在蒸发的第一阶段增加了水分被蒸发的可能性;当土壤干旱时,结皮可以将水分束缚在土壤中从而抑制了蒸发。

腾格里沙漠东南缘苔藓结皮对荒漠土壤种子库的影响

对腾格里沙漠东南缘沙坡头人工植被区和天然植被区苔藓结皮种子库进行了研究.结果表明,土壤种子库密度随着苔藓结皮的发育呈现增加的趋势,天然植被区是24年生人工植被区的3.4倍.种子库中共发现12种植物种子,分属于6科,其中1年生草本植物占70%以上.人工植被区未发现有多年生草本的植物种子,天然植被区多年生草本占20%,半灌木植物在人工植被区和天然植被区分别占20%和10%.人工植被区土壤种子库物种丰富度指数相对较低,而天然植被区物种丰富度指数是人工植被区的2倍;人工植被区土壤种子库物种多样性指数随着结皮的发育略有下降,天然植被区的多样性指数最高,为0.693;人工植被区土壤种子库物种相似性指数为1,相对较高,而人工植物区与天然植被区的物种相似性指数为0.4.苔藓结皮的出现增加了地表粗糙度,有利于对种子的捕获,同时显著地改善了土壤环境,有利于更多植物的定居.

天然固定沙地不同微生境下土壤种子库差异

研究了腾格里沙漠东南缘天然固定沙地不同微生境下土壤种子库的种类组成和种子密度。结果表明:(1)灌丛下土壤种子库的物种丰富度大于灌丛边缘和灌丛间裸地。(2)不同微生境中土壤种子密度因物种而异。就距灌丛中心的距离来说,雾冰藜、刺蓬、地锦、虎尾草、虱子草和冷蒿灌丛下土壤中种子多于裸地,无芒隐子草和狗尾草种子裸地多于灌丛下,小画眉草在距灌丛各距离间土壤种子密度差异不显著。(3)就灌丛的不同方向来说,雾冰藜和刺蓬土壤中种子在东南方向最多,地锦和无芒隐子草土壤中种子密度在西南和西北均大于东南,狗尾草的土壤种子密度东北大于西北,虱子草的土壤种子密度在西南方向最大,冷蒿的土壤种子密度在西南方向最小,小画眉草和虎尾草在各方向间种子密度差异不显著。(4)不同微生境中物种的结籽量对土壤种子分布格局的影响力十分有限。种子离开母株后所经历的传播、消耗等过程在很大程度上打乱了植物结籽量的空间样式。

沙坡头地区固沙植被对土壤酶活性的影响

对腾格里沙漠东南缘沙坡头地区柠条灌丛不同位置（灌丛基部、灌丛间和灌丛外）和土壤深度（0~5 cm和5~10 cm）5种参与碳氮循环土壤酶活性（多酚氧化酶、纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、硝酸还原酶和脲酶）变化和季节动态特征进行研究.结果表明：柠条灌丛的生长能够增加土壤养分和酶活性,灌丛基部土壤酶活性显著高于灌丛间和灌丛外的,除了β-葡萄糖苷酶外,0~5 cm土壤灌丛间酶活性与灌丛外差异不显著;土壤纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、硝酸还原酶和脲酶活性随着土壤深度的增加而减少,多酚氧化酶活性在深层土壤中较高;柠条样地土壤酶活性均与土壤pH无明显相关性;5种土壤酶活性表现出明显的季节变化特征：夏季〉秋季〉春季,说明柠条灌丛的生长能够增加土壤养分,促进土壤碳氮循环,在荒漠区退化土壤的修复中起着重要的作用.

干旱区春小麦发育期反照率变化及其不对称性

反照率是影响农田热量平衡的一个关键因子,也是作物生长监测和产量估测的一个重要参数。为了研究反照率随春小麦发育期的变化规律,探讨地表反照率日变化的不对称性及其影响因子,运用辐射仪对春小麦分蘖、拔节、抽穗、灌浆及成熟等不同发育期的地表反照率日变化进行了观测。结果表明,地表反照率变化的整体趋势是随春小麦发育期的变化而先升(分蘖期至抽穗期)后降(灌浆期和成熟期)。地表反照率的日变化随太阳高度角变化呈现上、下午不对称特征,当太阳高度角小于40°时,上午地表反照率要明显大于下午同样太阳高度角时的反照率,当太阳高度角大于40°时,上、下午地表反照率则逐渐对称。分析推测早晨春小麦叶片表面存在露珠是造成地表反照率日变化不对称的主要原因。研究结果为准确确定干旱区地表反照率及运用地表反照率进行作物生长监测提供一定参考依据。

基于无人机影像的阿拉善东南部荒漠灌丛植被空间格局研究

干旱区灌丛植被空间格局受多种物理和生态过程影响,能够指示生态系统的状态。研究通过量化灌丛斑块大小的空间分布来评估阿拉善高原东南部覆沙荒漠植被生态系统的状态,采用点格局分析法分析灌木种群的相互关系,以阐明不同灌木种在斑块格局形成中的作用,并结合土壤条件及下垫面粗糙度等指标验证评估的准确性,探讨灌丛空间格局差异的内在机理。结果表明,研究区样方2灌丛斑块大小符合截尾幂律分布,其他样方符合对数正态分布,前者的空间结构及生境条件均优于后者,说明植被空间格局可以准确表征生态系统状态。在局地尺度上灌木种内和种间呈现不同的相互关系,以竞争关系为主导是导致斑块破碎化的主要驱动机制。小灌木(如猫头刺)的种内互利关系有利于促进多样化斑块形态的形成,而大灌木(如沙冬青和蒙古扁桃)种间的互利作用则有利于形成异质性更强的复杂空间格局。基于灌丛斑块的空间格局评估生态系统状态,可为保护和恢复生态脆弱区受损植被提供重要的借鉴。

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。

沙坡头地区吸湿凝结水对生物土壤结皮的生态作用

以沙坡头植被固沙区为研究对象,采用野外试验与室内分析相结合的方法,探讨了吸湿凝结水对生物土壤结皮的生态作用.结果表明:在沙坡头人工固沙植被区内,吸湿凝结水90%分布在表层3cm以内,不影响土壤表层水分含量;夜间形成的吸湿凝结水在日间参与了地表水分与大气层水汽的交换过程,弥补了日间蒸发作用导致的土壤水分的散失,使表层土壤水分不会迅速降低.吸湿凝结水形成量与生物土壤结皮中的叶绿素含量呈正相关关系,能够提高该区生物土壤结皮的生长活性,有利于其生物量的积累.

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。

干旱荒漠区不同生活型植物生长对降雨量变化的响应

降水是荒漠生态系统过程和功能的最重要限制因子,荒漠生态系统中的植物物种对生长季降雨的变化极端敏感。根据生长季内每次降雨量,进行不同梯度的人工模拟降雨试验(减雨50%、减雨25%、增雨25%、增雨50%、增雨100%),以自然降雨为对照,研究植物生长对降雨量变化的响应。结果表明:生长季降雨量影响植物的生长和初级生产力,不同生活型植物对降雨量变化的响应显著不同;减雨处理减缓了柠条、油蒿新枝生长,但影响不显著;增雨25%未能显著促进柠条、油蒿新枝生长;50%增雨未能促进柠条新枝生长而能促进油蒿的新枝生长;5—7月,增雨100%能显著增加油蒿新枝生长量,仅能增加柠条6—7月生长量;1年生草本植物地上部分生物量随降雨量增加呈线性增加趋势,减雨50%显著降低了草本植物株高,而其他降雨处理对株高影响不显著。

荒漠地区地表反照率与土壤湿度相关性研究

本试验分别对腾格里沙漠东南缘沙坡头地区流动沙丘和1964年建植的人工固沙植被区生物土壤结皮的地表反照率和土壤湿度进行了同步测定。分析了该区这两种地表类型的反照率与太阳高度角和土壤湿度的相关性,分别提出了地表反照率与太阳高度角和土壤表层（0~2 cm）湿度的经验拟合关系式。结果表明,地表反照率随太阳高度角增加呈指数递减;排除太阳高度角的影响后,地表反照率随土壤湿度的增加也呈指数递减关系;流沙地表反照率对土壤湿度变化的响应要比生物土壤结皮地表敏感。

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(0cm、5cm、10cm和20cm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(0cm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。

我国温带荒漠生物土壤结皮孔隙结构分布特征

对原状生物土壤结皮孔隙结构、孔隙率及其垂直连通性进行室内微观扫描与计算机断层摄影成像分析。结果表明,生物土壤结皮团聚体特征明显,其孔隙率的增大主要是由大孔隙数量的增加而形成,同时,土壤孔隙连通性也随大孔隙数量的增加而增大,生物土壤结皮的发育导致表层土壤具有明显的极其复杂的土壤结构演化特征。

沙坡头地区藓类结皮土壤净氮矿化作用对水热因子的响应

采用室内控制温度（-10、5、15、25、35和40 ℃）和湿度（29%、58%、85%和170%田间持水量，FWC）培养原状土柱的方法，研究腾格里沙漠东南缘天然植被区藓类结皮土壤氮矿化特征及其对水热因子的响应.结果表明： 低温（〈15 ℃）培养时，土壤氮素转化以微生物固持作用为主，〉25 ℃后土壤氮素转化速率显著增加.藓类结皮土壤氮素转化速率及其对温度的敏感性均高于无结皮土壤，且在85%FWC时敏感性最高，表明藓类结皮的存在有利于土壤氮素的转化.随着土壤湿度的增加，土壤氮素转化速率呈先增加后减小的趋势，85%FWC时最大.藓类结皮土壤净氮矿化速率在高温（25～40 ℃）和中等水分条件下（58%FWC和85%FWC）最大，呈现明显的温湿度交互作用.藓类结皮的繁衍和拓殖能够提高土壤的供氮能力，促进氮素循环，有助于土壤生态系统的修复.