渭北旱塬不同年限撂荒地土壤酶活性及其化学计量变化特征

[目的]探究渭北旱塬区不同年限撂荒地的土壤养分、胞外酶活性及其化学计量的变化特征及影响因素,以期为渭北旱塬区撂荒地的改善与管理提供一定的理论依据。[方法]以渭北旱塬不同年限(5 a, 10 a, 20 a, 25 a和33 a)的撂荒地为研究对象,测定了土壤养分和参与土壤碳(C)、氮(N)和磷(P)循环的5种胞外酶活性,随后利用单因素方差分析、土壤胞外酶化学计量学模型和主坐标分析(PCoA)研究不同撂荒年限下土壤养分和胞外酶活性及其生态化学计量的变化规律及影响因子。[结果]随着撂荒年限的增加,土壤C和N获取酶活性显著减小,而P获取酶活性显著增加;土壤C、N和P含量变化与酶活性变化趋势相反。随撂荒年限延长,土壤微生物的C限制得到缓解,P限制逐渐加强。PCoA拟合环境因子分析结果显示:土壤可溶性有机碳(DOC)、总磷(TP)、速效氮(AN)和速效磷(AP)含量是驱动酶活性及其计量比变化的关键因子。[结论]撂荒对土壤养分状况具有显著改善作用,但随撂荒时间延长(20 a以上)会加剧微生物P限制,因此对经过长年撂荒的土地应当适量施用磷肥,以改善其土壤状况。

黄土高原退耕草地演替过程中土壤及微生物碳氮磷化学计量关系时空变化

为系统性探究黄土高原退耕草地演替过程中土壤及微生物碳(C)、氮(N)、磷(P)生态化学计量关系时空变化格局,本研究收集了2000年至2021年期间发表的黄土高原退耕草地演替文献,筛选出3个不同草地恢复研究区的17个长期演替序列,整合分析了土壤及微生物C、N、P含量及其化学计量的时空变化特征及影响因素,结果表明:(1)黄土高原退耕草地土壤及微生物C和N含量随演替进程显著升高,但P含量则无显著变化趋势。同时,土壤及微生物C、N和P的化学计量比(C∶N∶P)均随演替进程发生变化,但相较于土壤C∶N∶P变化,微生物C∶N∶P在整个演替过程中相对稳定。此外,土壤与微生物化学计量不平衡性及微生物熵等指标随演替进程呈增加趋势,表明在演替后期土壤养分质量和微生物养分利用效率均在逐渐降低,不利于微生物的可持续性发展;(2)不同研究区微生物N增长速率有所不同,这是由不同研究区之间海拔高度不同引起的局地温度和降水差异所导致的,具体表现为海拔较低的研究区微生物N增长速率更高。总之,该研究系统地探究了黄土高原退耕草地演替过程中土壤及微生物C、N、P养分含量及化学计量特征的变化趋势,并确定了关键调控因素为区域尺度气候及地形因子。

半干旱区柠条生长与土壤水分消耗过程研究

在黄土高原半干旱区采用工程整地与生物措施相结合的方法 ,进行柠条灌木林建设与土壤水分消耗及调控恢复研究。结果表明 :在半干旱区柠条生长前 6年为幼龄期 ,6～ 14年为中龄期 ,14年后进入老龄期。幼龄期 0～ 80 0cm土壤中未形成干层 ,中龄期土壤干层厚度为 2 4 0～ 2 6 0cm ,老龄期干层为 70 0cm。水平阶整地丰水年土壤水分盈余 4 4 82mm ,对照亏缺 5 1 5～ 79 6mm ;平水年亏缺 5 3 91mm ,对照亏缺 10 3 6 4mm ;干旱年亏缺 10 2 87mm ,对照亏缺 15 3 32mm。不同降水年份土壤水分的补偿深度为 80～ 180cm ,对照为 2 1～ 4 5cm。根据柠条主根、侧根和毛根的根量分布比例得出 ,土壤水分要恢复正常 ,丰水年需要 13年 ,平水年需要 16年以上 ,干旱年约需 2 0年以上 ,而对照无论是丰水年、平水年还是干旱年均需 2

黄土高原草地植被碳密度的空间分布特征

草地是世界上分布最广的植被类型之一,作为陆地生态系统的重要组成部分,参与了全球碳源/汇及碳循环过程,在全球气候变化中扮演着重要角色,并对其产生重大影响。以黄土高原草地植被为研究对象,结合国家退耕还林草与封山禁牧工程的实施,对封禁前后的天然草地和退化草地,采用样带多点调查与多年定位测定相结合的方法,分析了黄土高原不同类型草地植物活体、凋落物和根系碳密度分布格局与地带性规律,系统研究了黄土高原不同草地类型退化草地和封禁草地生物量与碳密度沿海拔及降水梯度的时空变异特征,阐述了影响草地碳密度分布的主要驱动因子及其作用机理。结果表明:4种草地类型3种处理的草地生物量和碳密度自西北向东南均与降雨量呈指数增长趋势,并随海拔降低而显著降低,且二者呈显著的线性回归关系;各草地类型地上/地下生物量与碳密度分布规律均为荒漠草原<丘陵典型草原<梁塬典型草原<草甸草原;封禁11a草地活体植物、凋落物和根系碳密度总量:荒漠草原为7.066 t/hm2,丘陵典型草原为8.080 t/hm2,梁塬典型草原为15.319 t/hm2,草甸草原为20.982 t/hm2,分别是退化草地的14.8、8.33、6.5倍和15.88倍。充分表明,封禁不仅能使草地植被恢复和生物量提高,而且也是草地生产力和碳密度增加的一条重要途径。由此可见,气候干旱和草地退化是影响草地生物量和碳密度的关键因素,系统研究黄土高原封禁草地生物量增长与碳密度变化过程,将会对未来全球气候变化分析作出重要贡献。

半干旱区封禁草地凋落物的积累与分解

针对我国西部典型草原地带,退化草地封禁后凋落物的积累、分解与水分变化过程,进行了为期20a(1982～2002年)的定位试验研究。结果表明:本氏针茅、百里香、铁杆蒿和大针茅草地群落的凋落物积累与厚度的变化趋势,拟合曲线符合指数方程,无论在植物年生长的初期还是末期,其相关性极为显著。随着气温的升高和降雨量的增加,凋落物的分解速率加快,本氏针茅和大针茅群落凋落物的分解率达到峰值需150d,百里香群落需180d,铁杆蒿群落需210d;凋落物在积累与分解过程中,具有吸水和保水的重要功能,可截留大量天然降水,促进土壤水分的缓慢入渗,通常在植物生长的初期和末期,凋落物在自然状态下饱和含水量,本氏针茅群落为112.30%～124.02%;百里香群落为116.61%～134.09%;铁杆蒿群落为124.76%～144.32%。但草地适宜封禁年限为11～15a,有利于草地自然更新和凋落物的积累。

黄土高原半干旱区退化灌草植被的恢复与重建

针对黄土高原半干旱区灌草植被退化严重的关键问题 ,进行了长期的定位研究 ,提出了灌草植被封育、改良、立体配置等快速恢复与重建的技术体系。试验结果表明 :主要草地群落本氏针茅、百里香适宜封育期为 3～ 5a ,产草量可提高 5 1～ 7 5倍。大针茅适宜封育期为 5a ,产草量可提高 1 5～ 5 0倍 ;改良草地最佳组合荒山穴播为本氏针茅 +杂类草、达乌里胡枝子 +本氏针茅群落 ,产草量提高 6 1～ 6 4倍。撂荒地开沟种植为本氏针茅 +冷蒿、本氏针茅 +红豆草、本氏针茅 +达乌里胡枝子群落 ,产草量提高 4 6～ 4 8倍。荒山隔带耕翻种植为芨芨草、本氏针茅 +紫花苜蓿、本氏针茅 +老芒麦、达乌里胡枝子 +本氏针茅群落 ,产草量提高4 5～ 6 5倍 ;灌草立体配置结合工程整地措施 ,建立了以柠条 +芨芨草、沙棘 +草木樨和山桃 +芨芨草为主的集流灌草配置模式 ,现已形成可更新的稳定的灌草群落类型。该体系的组装配套与试验、示范、推广为黄土高原农牧交错区灌草植被的快速恢复提供了重要的科学依据。

黄土丘陵半干旱区天然草地土壤水分调控研究

以黄土丘陵半干旱区天然草地土壤水分为重点,研究封育和未封草地土壤水分的消耗与恢复过程。结果表明:平水年封育草地鲜草产量达5860.7kg/hm2,未封草地鲜草产量仅785.4kg/hm2,植物生长期降水补充量封育草地39.4mm,未封草地29.2mm;在丰水年干物质生产2.65kg/(hm2·mm);平水年1.94kg/(hm2·mm);枯水年仅0.64kg/(hm2·mm)。在未封草地上采用工程整地措施修筑蓄水带和蓄水沟,13年0～500cm土壤含水量为11.3%～13.5%,比对照提高3.0～5.2个百分点,鲜草产量提高5～8倍。采用调控措施集蓄土壤水分是促进植物生长和提高草地生产力的关键。

黄土丘陵区沙打旺草地土壤水分过耗与恢复

研究了黄土丘陵区沙打旺 (Astragalusadsurgens)草地土壤水分的动态规律和恢复过程及人为调控土壤水分的效果。结果表明 :沙打旺在该区生长年限为 6～ 7a,生物量形成的高峰期在第 3～ 4年 ,之后土壤水分大量亏缺 ,生物量逐年下降 ,第 6年生物量和水分均下降到最低点。同时土壤水分的消耗深度与根系的分布相一致 ,土壤干层主要集中在根系分布的密集区 0 .3～0 .8m。随着沙打旺生长年限的延长及根系的下扎 ,土壤干层逐渐加深 ,3～ 6年生沙打旺草地土壤干层平均厚度为 2 .3m;土壤水分要自然恢复到种植前的含水量需要 6～ 7a;通过水平阶和水平沟整地进行人工调控 ,土壤水分比自然恢复可提前 2～ 3a,一般需要 4～ 5

黄土丘陵区紫花苜蓿生长与土壤水分变化

研究了黄土丘陵区紫花苜蓿生物量变化规律和土壤水分过耗与恢复特征 .结果表明 ,紫花苜蓿在退耕地生长年限一般为 1 0年 ,生长的高峰期为第 4年～第 5年 ,到第 6年 ,由于土壤水分过耗严重 ,生物量开始逐年下降 ,草地开始衰败 .紫花苜蓿茎叶生物量的垂直变化 ,在距地面 0～ 35cm之间 ,茎生物量远大于叶生物量 ,茎叶比为 1 .7∶1 ;在 4 0cm高时茎叶比相等 ,在 4 5～ 90cm之间叶生物量远大于茎生物量 ,叶茎比为 1 4 2∶1 .紫花苜蓿土壤干层在生长的前两年不甚明显 ,随着生长年限的延长 ,干层厚度不断增大 ,由第 3年的 1 1 0cm扩大到第 7年的 2 6 0cm ,含水量仅为 4 6 %～ 6 2 % ,土壤水分严重亏缺 .紫花苜蓿退化草地土壤水分的自然恢复过程一般需 5年 ,且随着恢复年限的延长 ,土壤水分逐年提高 .

宁夏森林植被及土壤碳密度分布特征

根据宁夏回族自治区森林资源清查资料以及野外调查和室内分析的结果,对宁夏地区不同森林群落碳密度分布特征进行了研究。结果表明：1）天然林各植被层碳密度均值的大小顺序为：乔木层（57.66 Mg/hm2）〉细根（8.39 Mg/hm2）〉凋落物层（8.34 Mg/hm2）〉草本层（0.23 Mg/hm2）〉灌木层（0.20 Mg/hm2）,乔木层生物量碳密度占植被层总碳密度的77.06%;2）土壤碳密度均值在170.15～354.29 Mg/hm2间变化,以罗山油松＋山杨林最高,贺兰山青海云杉林最低,就土层垂直分布来讲,50～100 cm土层碳积累最多,占整个剖面土壤碳密度的40%左右;3）各天然林生态系统碳密度均值变化范围为221.63～444.77 Mg/hm2,在罗山油松＋山杨林最大,六盘山华山松＋少脉椴林最小;4）宁夏天然林生态系统土壤碳密度是生物量碳密度的4.09倍,由于土壤碳库稳定性高于地上植被碳库,土壤碳密度较高的针阔混交林和阔叶林具有巨大的固碳潜力。

黄土丘陵区山桃灌木林地土壤水分过耗与调控恢复

在黄土丘陵区的荒山荒坡采用工程整地措施 ,进行灌草合理布局与立体配置。研究结果表明 :山桃灌木林生长到第 4年 ,根系的分布深度达 3 2 0～ 3 60cm ,0～ 5 0 0cm土壤含水量比造林前降低了2 1～ 3 3个百分点 ,土壤干层厚度为 1 5 0cm ;生长到第 8年 ,根系的分布深度达 480cm以上 ,土壤干层由第4年 1 5 0cm扩大到 3 0 0cm ,含水量最低为 4 2 % ,最高为 8 4% ;生长的第 1 2年土壤干层明显 ,尤其是 5 0～40 0cm土壤含水量最低为 5 0 % ,最高为 8 6% ,土壤干层厚度达 3 5 0cm ;生长的第 1 6年土壤干层的分布深度在 5 0～ 3 5 0cm ,土壤含水量最低为 4 3 % ,最高为 6 6% ,土壤干层厚度达 3 0 0cm。但通过水平阶、水平沟和鱼鳞坑整地调控 ,0～ 1 0 0cm土壤含水量分别比荒山提高 0 7～ 6 3个百分点 ;1 0 0～ 3 0 0cm提高 0 6～ 4 6个百分点 ;3 0 0～ 5 0 0cm提高 1 4～ 4 6个百分点 ,这充分表明采用合理的整地措施造林 ,土壤水分调控效果显著。

子午岭60年辽东栎林种子质量与森林更新

辽东栎是我国暖温带落叶阔叶林地带的优势乔木树种之一。通过26年的定位监测,对子午岭辽东栎林种子质量消减、种子萌发与环境条件、实生苗时空分布动态以及对其森林更新的影响等方面进行了初步探讨。结果表明:辽东栎林在子午岭半阳坡、半阴坡和阴坡3种类型中,平均完好种子占种子总数的26.65%;霉变种子占18.72%;动物取食虫蛀种子在阴坡远高于半阴坡和半阳坡,占到种子总数的26.32%;已发芽的种子占其总数的28.31%,且半阴坡>半阳坡>阴坡。每年均有大量种子生产,但在生境与动物的共同作用下,种子数量和质量受到很大影响,多达73.35%的种子失去生命力,直接影响实生苗的形成;地表覆盖物虽能促进种子的快速发芽,但对成苗却是一个物理障碍,影响是负作用的,主要影响因子是地表覆盖物的厚度和含水量;在辽东栎林下虽有一定的实生幼苗分布,但数量极少,平均密度仅为140~120株/hm2,且不同立地条件差异显著,严重影响森林的天然更新。

黄土丘陵区沙棘灌木林地土壤水分动态研究

采用生物与工程措施相结合的方法,定位研究了沙棘林地的土壤水分变化动态。结果表明:水平阶、水平沟和鱼鳞坑整地不同立体配置模式土壤水分大幅度提高,0～2.0m沙棘与豆科牧草立体配置的土壤含水量均高于沙棘与禾本科牧草的立体配置;2.0～5.0m沙棘与禾本科牧草立体配置的土壤含水量均高于沙棘与豆科牧草的立体配置。其提高幅度为3%～5%。未采用工程整地措施的沙棘林地,在沙棘生长的第3年,土壤干层的分布深度不甚明显;从第5年土壤干层厚度逐渐加深到1.8m;第7年土壤干层厚度为2.6m;第9年土壤干层厚度为3.1m;第11年土壤干层厚度为2.6m;第13年土壤干层厚度为2.2m。

黄土丘陵区植被恢复重建模式与演替过程研究

在黄土丘陵区,采用封育与重建相结合的方法,按不同坡位建立植被类型配置模式,即坡上部为山桃(Prunus davidiana)或柠条(Caragana korshinskii)+本氏针茅(Stipa bungeana)+芨芨草(Achanatcherum splendens);坡中部为柠条或沙棘(Hippophae rhamnoides)+本氏针茅+芨芨草;坡下部为沙棘或柠条+芨芨草.20多年的定位观测研究表明:人工灌木林、人工草地和天然草地的植物群落结构及种群类型变化差异显著;封育天然草地本氏针茅种群通过种子和根蘖繁殖已占据优势,其演替过程一般分为4个阶段,即荒山荒坡草地(1年)→杂草群聚生长(2～3年)→本氏针茅种群大量出现,杂草和有毒有害植物大幅度消减,(4～5年)→本氏针茅种群稳定阶段(6～8年).

半干旱区不同整地方式与灌草配置对土壤水分的影响

采用工程与生物措施相结合的方法,在黄土丘陵半干旱区进行柠条灌木林的建设与土壤水分过耗及调控恢复的定位试验研究。结果表明:生物调控最佳立体配置模式水平阶整地为柠条-披碱草、柠条-草木樨、柠条-芨芨草类型;水平沟整地为柠条-芨芨草、柠条-草木樨类型;鱼鳞坑整地为柠条-草木樨、柠条-芨芨草、柠条-本氏针茅类型。水平阶整地0～500cm土层的土壤含水量比对照提高1.6％～5.0％;水平沟整地提高1.5％～3.0％;鱼鳞坑整地提高1.1％～2.7％。工程整地栽植5年、10年、15年的柠条灌木林0～500cm土层的土壤储水量年生长初期分别比对照提高了82.84mm、56.63mm、210.66mm,年生长终期增加了15.96mm、67.64mm。50.36mm。灌、草生物量分别比对照提高97.09％～104.9％和320％～650％。

半干旱区退耕地紫花苜蓿生长特性与土壤水分生态效应

本文系统研究了黄土高原半干旱地区不同立地条件下,20年生紫花苜蓿(Meducagi sativaL.)生长变化特征与土壤水分的消耗与恢复过程。结果表明:紫花苜蓿不同生长阶段生产力差异较大,年生长的6-8月份,即在水热同步条件下,紫花苜蓿形成较高地上生物量,为年生长的盛期,但土壤水分消耗过度,降至年最低点;紫花苜蓿产草量不同生长年限均达极显著差异,在山地、塬地和川地3种立地条件下均呈规律性变化特征,即在生长的4～8年间,3种立地条件下紫花苜蓿均为旺盛生长阶段,第10年土壤含水量降到最低,土壤干层厚度高达300～720 cm,土壤水分严重亏缺;10年后随紫花苜蓿的基本衰败,土壤水分开始缓慢恢复;第15～20年,3种立地类型500 cm土层以上土壤水分可恢复到接近种植前的土壤含水量,而500 cm以下土壤通体干燥化严重,水分恢复极为缓慢,且恢复难度较大。因而,在黄土高原半干旱区紫花苜蓿适宜生长年限应为8～10年,第4～8年为苜蓿生长的高峰期。

黄土高原半干旱区集流灌草立体配置与水分调控

该区干旱与水土流失并存 ,降雨量时空分配不均 ,且水热并不同步 (在春夏 ,植物常因缺水而枯死 ) ,致使生态环境建设中恢复植被的难度大。为此 ,采用工程整地措施与灌草立体配置模式 ,发展集流灌草植被 ,调蓄土壤水分 ,促进灌草植被的快速恢复。结果表明 ,在水平阶营造柠条和披碱草 ,在生长初期 0～ 50 0 cm土层含水量可分为 3个明显的层次 ;在生长的第 4年随着灌草根系深扎 ,土壤水分过耗 ,出现明显的干土层 ,分布深度在 1 2 0～ 2 0 0 cm,厚度为 1 0 0 cm。在第 8年干土层扩大到 1 0 0～ 30 0 cm,厚度为 2 0 0 cm。第 1 4年土壤含水量有所回升 ,但幅度不大 ,同第 8年相比 ,仅提高 1 .5～ 2 .0个百分点。水平阶的柠条灌木林随着生长时间的延续 ,其水分贮量变化是否增加 ,仍有待继续研究。该区 0～ 50 0 cm多年土壤贮水量 ,在生长初期 ( 4月份 ) ,1 5年生柠条480 .1 5mm,1 2年生沙棘、山桃分别为 41 4.6mm和 385.4mm,在生长末期 ( 1 0月 ) ,柠条 498.31mm,沙棘 42 3.31 mm,山桃 445.9mm。仅占田间持水量的 30 %～ 58%,接近或略高于凋萎湿度 ,因此 ,目前的土壤贮水量并不能满足灌木林的生长 ,仅能维持其生命。从土壤水分的消耗与贮量分析 ,柠条与禾本科配置是适宜该区建造的优良灌木类型 ,其次为山桃和沙?

渭北黄土区不同立地条件下刺槐人工林群落生物量结构特征

根据黄土区刺槐人工林群落生物量实测资料，比较了不同立地条件下各个径级的林分密度变化状况，分析了生物量在刺槐乔木层、灌木层、草本层和枯落物层的分配特征。结果表明：30年撂荒地、35年坡耕地和30年荒坡地林分密度分别为1050、950和1410株／hm2，在不同的径级分配上各样地均以〈20cm为主，分别占总株数的77．62％、85．79％和81．70％。撂荒地、坡耕地和荒坡地的造林，刺槐群落总生物量分别为146．58、165．76和160．97t／hm2；乔木层生物量占群落总生物量的比例的变化趋势为：撂荒地（78．94％）〈坡耕地（79．57％）〈荒坡地（83．47％）；林下灌草和枯落物生物量占总生物量的16．53～21．07％。3个研究区刺槐人工林林分生长高度、胸径和生物量等综合指标的排序为：坡耕地〉撂荒地〉荒坡地。根据刺槐林植被生长的变化特征，可以判断在黄土区30年左右人工刺槐林群落生长基本达到数量稳定和林分成熟阶段，在该区应进行合理的问伐利用，可获得较高的生物产量，促进林木的生长。

黄土丘陵区小叶杨林地土壤水分过耗动态

针对黄土丘陵区土壤水分不足,小叶杨林生长发育不良的特点,进行了长期定位监测。结果表明,在黄土丘陵区小叶杨的生长影响因子较多,其主要影响因子是土壤水分不足和大气干燥抑制了树木的快速生长与正常发育,这一特点在黄土丘陵区的坡面林地上更加明显。在丰水年小叶杨林地土壤贮水量与荒山相比减少28～101.91mm;平水年土壤贮水量与荒山相比减少41.2～66.6mm;干旱年土壤贮水量与荒山相比减少37.9～57.3mm。生长在峁顶的小叶杨林0～500cm土壤贮水量亏缺为302～612.2mm;生长在山坡中部的小叶杨林土壤贮水量亏缺为394.4～588.6mm;生长在山坡下部的小叶杨林土壤贮水量亏缺为346.6～574.3mm。从小叶杨林地土壤水分的变化和干层的形成看,4～16年生小叶杨林地土壤干层的分布深度平均在80～350cm,干层厚度为270cm,土壤含水量平均不足5.0%,远低于凋萎湿度,所以,从目前黄土丘陵区小叶杨林地土壤水分的变化来看,仅能维持其生命,要想获得较高的生态和经济效益,必须采取工程整地等措施,发展集流林业。