不同放牧管理方式对新疆山地草原植物群落特征的影响

本研究基于巴里坤县国家级山地草原监测站10 a植物群落观测数据,探究了长期不同放牧管理方式(长期禁牧M0、冬季放牧M1和全年放牧M2)对新疆山地草原植物群落特征值、植物多样性及多样性与地上生物量之间关系的影响。结果表明:M0、M1和M2对优势种沙生针茅重要值无显著影响,M1和M2提高了非优势及草地退化的指示物种芨芨草、醉马草的重要值;随着放牧强度的增加,群落高度、盖度、密度、地上生物量及其响应比显著下降;Shannon-Wiener多样性指数、Simpson优势度指数和Pielou均匀度指数在各放牧处理下均无显著差异,但Margalef丰富度指数随放牧强度显著增加;M0处理地上生物量与Simpson优势度指数、Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数负相关,M1处理地上生物量与Margalef丰富度指数负相关。随着处理时间的增加,长期禁牧有利于退化草地的恢复,提高了群落特征值,在一定程度上有利于草地生产力的提高和群落稳定性的维持;放牧会影响生态系统中资源的再分配,导致物种多样性的增加,但是全年放牧管理方式下草地则退化加剧。

天山高寒草原土壤团聚体结构与养分含量对模拟氮磷沉降的响应

为更好地理解高寒草原土壤团聚体结构及其养分含量对氮(N)、磷(P)沉降增加的响应,于2018年开始依托全球营养网络(Nutrient Network)在巴音布鲁克草原生态系统研究站开展模拟氮磷沉降的短期(<5年)氮磷添加控制实验,设置对照(CK)、N添加、P添加、NP交互添加4个处理。N、P添加量均为10 g m^(-2)a^(-1)。于2021年8月采集植物与土壤样品,采用湿筛法分析土壤水稳定性团聚体组成,测定全土和各粒级团聚体有机碳(SOC)、总氮(TN)、总磷(TP)、速效氮(AN)和速效磷(AP)含量。研究结果表明:(1)巴音布鲁克高寒草原各粒级土壤团聚体比例从低到高依次为:0.053—0.25 mm、<0.053 mm、0.25—2 mm、和>2 mm,以>2 mm团聚体占主导,其比例在45.48%—71.81%之间。(2)N添加显著降低了0—10 cm土壤层>2 mm团聚体比例和团聚体稳定性,而P添加则显著降低了10—20 cm土壤层>2 mm团聚体比例和团聚体稳定性。(3)0—10 cm土壤层各粒级团聚体SOC含量显著高于10—20 cm土壤层;N添加显著提高了0—10 cm土壤层各粒级团聚体AN含量与N有效率,但显著降低了AP含量;P添加和NP交互添加总体上对团聚体养分没有显著影响。(4)0—10 cm土壤层团聚体AN含量与地上生物量具有显著的正相关关系;而团聚体AN含量、N有效率分别与AP含量、P有效率呈显著负相关关系;10—20 cm土壤层团聚体TP、AN、AP含量与N、P有效率均呈显著正相关关系。综上,10 g m^(-2)a^(-1)的氮磷添加降低了土壤团聚体稳定性且影响的土壤层不同,N添加和P添加分别影响0—10 cm和10—20 cm土壤层稳定性;N添加驱动了土壤团聚体N元素和P元素的再分配,分别显著提高和降低了土壤团聚体AN、AP的含量;P添加和NP交互添加总体上对团聚体养分影响不显著。

干旱区植物根际土壤养分状况的对比研究

利用根袋模拟实验方法,研究了古尔班通古特沙漠南缘5种常见植物梭梭(Haloxylon ammodendron)、白梭梭(Haloxylon persicum)、刺沙蓬(Salsola ruathenica)、骆驼蓬(Peganum harmala)和骆驼刺(Alhagi sparsifolia)的根际和非根际土壤的pH值及养分含量状况。结果表明:干旱区五种植物均可以通过根系调节降低根际土壤pH,且梭梭根际和非根际的pH值差异显著。有机质含量除梭梭和白梭梭外均在根际显著聚集,其根际聚集率分别为刺沙蓬110.27%,骆驼蓬113.08%,骆驼刺为126.73%。全氮含量在刺沙蓬和骆驼蓬的根际中亏缺显著,亏缺率分别达24.54%和18.75%,而在骆驼刺根际中却显著聚集,聚集率为120.43%。有效氮在根际和非根际中的含量与全氮相反,刺沙蓬和骆驼蓬根际中聚集率分别为178.16%和151.76%,而在骆驼刺根际中亏缺率为45.79%。全磷含量和全钾含量在根际和给根际间均无显著差异。有效磷含量在刺沙蓬和骆驼蓬根际中出现了显著亏缺。速效钾含量在梭梭根际中表现为亏缺,在骆驼刺中表现为富集,而在其余3种植物中差异不显著。总之,5种干旱区植物均表现出不同程度的根际效应,对降低根际土的pH值、提高根际有机质含量有积极作用,对5种不同生活型植物的对比表明梭梭和白梭梭两种荒漠灌木在1 a的盆栽实验中,其根际效应没有草本植物根际效应大。

热岛效应对植物生长的影响以及叶片形态构成的适应性

热岛效应是一种由于地表覆盖改变及人类活动导致的热量在城区空间范围内聚集的现象,是城市气候最明显的特征之一,随着越来越多的人口涌入城市以及伴随而生的超大城市的出现,城市热岛效应将更加凸显,这种环境温度的升高必将影响到各种景观园林植物的生理状态乃至形态结构。选取以生长在热岛点和有大量绿植覆盖的低温点的两种典型园林植物大叶黄杨和丁香作为实验材料,研究了这两种植物叶在城市热岛效应影响下,在热岛点和低温点中的形态特征。结果表明,在热岛点环境温度和二氧化碳浓度显著高于低温点,但其他环境要素差异并不显著。热岛点的大叶黄杨和丁香叶生物量分别是低温点的1.6倍和1.4倍。进一步研究表明,相较于低温点,在热岛点生长的植物叶表现出较低的比叶面积、单位重量和单位面积叶氮含量。生物量在向各部分组织分配时,热岛点的植物叶倾向于将更多的生物量分配给叶肉部分,而减少了对叶柄的生物量投入。

中亚草地NPP时空动态及其驱动因素研究

基于CASA模型和Miami模型计算中亚五国(哈萨克斯坦、塔吉克斯坦、吉尔吉斯斯坦、土库曼斯坦和乌兹别克斯坦)的草地净初级生产力(NPP),旨在探究2001—2019年中亚草地NPP的时空动态及其驱动因素。结果表明:2001—2019年中亚地区草地的实际净初级生产力(ANPP)均值为118.9 g C·m^(-2)·a^(−1);在空间尺度上,平原地区的草地ANPP随纬度增加而呈现由南到北逐渐增加的趋势,从平原到山地草地ANPP随海拔升高呈现明显的增加趋势;在时间尺度上,ANPP总体呈现不显著的增长趋势,近60%区域的草地ANPP未来的变化趋势将与过去相反,但不显著;在中亚草地ANPP增加的区域,人类活动占主导地位;在中亚草地ANPP降低的区域,气候变化是主要驱动力;中亚草地的ANPP与降水呈现显著正相关的区域达到67.8%,温度与中亚草地ANPP的变化关系不显著,降水是影响中亚草地ANPP变化的主要气候因子。

基于遥感时序特征的地表覆被信息提取

地表覆被作为自然过程和人类活动共同作用的重要地表景观特征,对全球或局地气候、水热循环、物质传输及陆面生态系统多样性等影响深远。利用年内时序遥感影像自动提取不同地表覆被类型的方法,以新疆阜康地区为研究目标,组织2016年植被全生长季的Landsat 8 OLI地表反射时序影像,研究不同物候期植被冠层的纹理响应信息,考察研究区典型地表覆被类型在3—11月多波段波谱、归一化植被指数(NDVI)及增强型植被指数(EVI)的时序特征,构建提取地表覆被类型的策略规则,形成时序特征匹配方法,将其应用于2018年研究区地表覆被填图的提取。最后,基于高分辨率卫星影像和野外实地调查对随机选取的2500个样点进行对比验证。结果表明:提取结果和验证数据一致性较好,总体精度为97.2%,Kappa系数为0.9655,且实地考查结果显示本方法在复播作物识别和有效降低单一时相中“异物同谱”现象上展示潜在优势。

古尔班通古特沙漠南缘草本层对积雪变化的响应

草本层是古尔班通古特沙漠植物群落下层层片的构建者,冬季积雪提供了其生长发育所需要的主要水分,积雪的增加或减少对草本植物数量和生物量会产生显著的影响。该研究利用人工增减积雪的方法,在古尔班通古特沙漠南缘设置了5个不同厚度的积雪处理:0积雪、50%积雪、100%积雪、150%积雪和200%积雪,其中100%积雪为自然积雪。采用1m×1m的样方,对草本层片的物种数、盖度、密度、高度进行了调查,还采用收获法测定了草本层片的地上生物量和优势种小花荆芥(Nepeta micrantha)的单株地上生物量。对研究区内13个科29种草本植物的研究表明:1)单位面积出土幼苗数量跟积雪厚度呈显著正相关关系,草本层片的盖度、密度对积雪的变化响应显著,随着积雪增加,草本层片的密度和盖度呈递增趋势,而草本层片的平均高度呈递减趋势,但不同积雪处理间的物种数和总地上生物量没有显著差异;2)积雪厚度与优势种的株高和地上生物量呈显著负相关关系,积雪的增加导致优势种的单株生物量和株高显著降低;3)积雪厚度的变化主要影响了草本层片植物种子萌发的数量,但对物种数量没有显著影响。这表明:虽然积雪是草本植物的主要水分来源之一,但荒漠植物群落的草本植物对积雪的变化具有很强的缓冲能力,即使积雪很少,草本层片的物种构成也不会发生显著变化,草本层片的净初级生产力也保持相对稳定。

准噶尔盆地南缘草本层碳通量及土壤呼吸的变化特征

利用LI-840以及LI-8100土壤呼吸测量仪,对准噶尔盆地南缘草本层片碳通量以及沙丘不同部位的土壤呼吸速率进行了测量,探讨了草本层片碳通量季节动态以及日过程的变化特征,沙丘不同部位土壤呼吸速率的年变化特征以及环境因子对草本层片碳通量以及土壤呼吸速率的影响。结果表明:草本层片碳通量不仅在日尺度上呈现单峰的变化趋势,在季节尺度上也呈现相同的变化趋势。生长旺盛季草本层碳通量日过程变化幅度较大,草本层片净碳交换(NEE)从-2.5~0.02μmol·m^(^(-2))·s^(-1),草本层总生产力(GEP)则从-4.4^-1.1μmol·m^(-2)·s^(-1),而9月份以后则基本维持在0附近。通过分析碳通量与环境因子的关系,草本层片碳通量与土壤温度呈正相关关系,草本层土壤呼吸(ER)与光合有效辐射呈正相关关系,而草本层GEP与光合有效辐射则呈负相关关系。沙丘不同部位(沙丘顶部、中部、底部)土壤呼吸速率年动态变化为双峰型,且不同坡位之间土壤呼吸速率差异显著。

冷荒漠草本植物数量特征对不同水分输入和气象因子的响应

草本层是古尔班通古特沙漠植被的重要组成部分,在维持沙漠稳定、养分循环等方面具有重要意义。水分通常以积雪和降雨形式输入到土壤,输入方式及数量变化对荒漠植物的存活和生长有重要影响。本文以古尔班通古特沙漠南缘草本层为研究对象,利用人工增减积雪的方法,共设置4个积雪处理(0,50%,100%,200%积雪,其中100%积雪为对照),于2009-2016年春季调查草本植物的数量特征和物种丰富度,分析草本植物数量特征对水分变化的响应;同时结合气象数据,分析不同年份一年生荒漠草本植物数量特征与主要气象因子的关系。结果表明:表层土壤含水量与积雪厚度成正比,相应的草本植物的幼苗密度与积雪水当量、表层土壤含水量成正比关系;2009-2016年,年内积雪量的变化对物种丰富度没有显著影响,各积雪处理间物种丰富度差异不显著;2009-2016年自然处理下年际间物种丰富度差异显著,2015年物种丰富度显著小于其余年份。结合气象数据分析发现,物种丰富度年际变化主要受幼苗建成期的降雨调控,并且干旱年份过后的湿润年份物种丰富度不受前一年降水的影响,说明荒漠草本植物层片具有较强的自我调节能力;自然处理下,不同年份草本植物旺盛期的存活数量与大气干旱程度(空气饱和差)呈显著负相关关系(R^2值为0.611,P<0.05),与生长季的降雨量呈正相关关系(R^2值为0.162,P>0.05),说明大气干旱程度更能表征荒漠草本植物生长峰值期的存活情况。

古尔班通古特沙漠6种荒漠草本植物的生物量分配与相关生长关系

选取古尔班通古特沙漠6种优势草本(2种短命植物,2种类短命植物,2种一年生长营养期植物),对比分析了生物量分配及相关生长关系的异同。结果表明:(1)粗柄独尾草(Eremurus inderiensis)和细叶鸦葱(Scorzonera pusilla)的地下生物量较高,根冠比分别为1.412、2.751;小花荆芥(Nepeta micrantha)、琉苞菊(Hyalea pulchella)和雾冰藜(Eremurus inderiensis)、角果藜(Scorzonera pusilla)的地下生物量均较小,根冠比无显著差异,分别为0.150,0.184,0.144,0.101;2种类短命植物具有相似的叶片生物量分配比例,但其余4种植物的叶片生物量分配比例均存在显著差异。(2)6种植物的根冠比随个体增大均呈异速减小,而叶片生物量分配比例与植株大小的关系不一致,表现为异速减少(如细叶鸦葱)或保持恒定(如粗柄独尾草)的趋势。(3)小花荆芥和琉苞菊的地下与地上生物量间为等速生长关系,而粗柄独尾草、细叶鸦葱、角果藜以及雾冰藜则呈现出个体越大地下生物量分配比例越少的格局(异速生长);6种植物的地下与叶片生物量间均为等速生长关系,且具有共同的相关生长指数(1.035)。6种植物的根冠比和叶片生物量分配比例的差异不仅与物种自身的遗传特性有关,还受个体大小的影响;地下与地上生物量分配存在等速和异速生长的差异;叶片与地下生物量间具有相同的生物量分配速率,表现出对干旱荒漠环境的趋同适应。

pH对3种生活型植物根系形态及活力的影响

通过室内水培试验,研究不同生活型植物对干旱区碱性环境的适应性以及对碱胁迫的适应程度。结果表明:随着培养溶液pH的增大,植物体地上部分和地下部分的生长受到不同程度影响,除骆驼蓬鲜重呈先增加后降低趋势外,刺沙蓬和梭梭的鲜重均表现为逐渐降低趋势,从根冠比的结果可以看出,碱胁迫对地上部分的影响大于对根系的影响;根系活力随着pH的增大,其变化也不尽相同,刺沙蓬和骆驼蓬随着pH的增大,其根系活力呈先增大后减小的趋势,而梭梭的根系活力则随着pH的增大呈增大趋势,这说明一定程度的碱胁迫能促进干旱区植物的生长,一旦超过植物对碱的耐受极限时,植物根系就会受到损伤,根系活力降低;梭梭的耐碱能力较其他两种草本植物强。表明碱胁迫对3种生活型植物的生长均有一定影响,同时在一定程度上也形成了对碱胁迫的适应机制。

典型荒漠植物凋落物分解及养分动态研究

采用分解网袋法,对古尔班通古特沙漠南缘粗柄独尾草(Eremurus inderiensis)、尖喙牻牛儿苗(Erodiumoxyrrhynchum)和沙漠绢蒿(Seriphidium santolinum)3种荒漠植物叶、茎和根的分解、养分释放特性进行了研究。结果表明:叶片、茎、根系的质量损失过程均符合指数衰减模型。经过364 d的分解,粗柄独尾草叶、粗柄独尾草根、尖喙牻牛儿苗叶、尖喙牻牛儿苗茎、尖喙牻牛儿苗根、沙漠绢蒿茎、沙漠绢蒿根的失重率分别为41.96%、81.94%、42.18%、29.32%、47.02%、20.66%和20.71%;3种植物根、茎、叶的分解速率存在显著差异,分解速率依次为:粗柄独尾草根>叶;尖喙牻牛儿苗根>叶>茎;沙漠绢蒿根>茎。在整个分解过程中,N和P含量总的趋势表现为释放,叶、根凋落物质量损失与初始N、P含量显著负相关,非生物因素对其分解有重要影响。

两种梭梭出苗对生境土壤基质互换与沙埋深度的响应

以梭梭(Haloxylon ammodendron)、白梭梭(Haloxylon persicum)两种植物为研究对象,采用生境土壤基质互换种植和盆栽控制沙埋深度方法,对其萌发出苗和幼苗建成进行对比研究。结果表明:丘间低地土壤pH、电导率和养分含量均显著高于沙丘顶部,其中电导率(可溶盐含量)相差达5倍;土壤含水量差别不显著。在萌发定居过程中,沙丘顶部幼苗密度白梭梭大于梭梭,而丘间低地则相反;基质互换种植白梭梭和梭梭幼苗的总密度均是原始生境比互换生境高,显示出明显的微生境差异,说明白梭梭对养分贫瘠的沙丘顶部适应性、定居能力比梭梭强;对于盐分含量较高的丘间低地,梭梭的适应性、定居能力则比白梭梭强。两种植物出苗率都随沙埋深度增加而降低,且在同一沙埋深度下,白梭梭幼苗死亡率明显低于梭梭,梭梭在0～3 cm深度有出苗现象,最佳沙埋深度为0.5 cm;白梭梭在0～5 cm深度有出苗现象,最佳沙埋深度为0～3 cm。此外,两种梭梭开始出苗所需时间受沙埋影响显著,沙埋越深,出苗所需时间越长,相同处理下,白梭梭开始出苗所需时间均比梭梭长,但其绝对高度生长率、生物量、根冠比、株高以及主根长度都明显高于梭梭,说明白梭梭耐沙埋能力、在沙生环境下生长能力均比梭梭强。

一年生荒漠植物对土壤氮素的生理响应

土壤氮可利用性的季节性对植物生活史、生长和种间关系有重要影响,可确定氮素可利用性季节变化对卷果涩荠开花物候、个体生长、生物量分配及其与夏季一年生植物播娘蒿的种间关系的影响。试验模拟了均匀供氮、春季供氮和夏季供氮3种氮素可利用性的季节变化模式,并测定了3种模式下卷果涩荠开花物候、株高、生物量分配和叶片养分含量。通过比较盆栽植株在独生和与播娘蒿混生条件下的生长变化,分析不同供氮模式对种间关系的影响。结果表明：（1）供氮模式显著影响了卷果涩荠的开花物候,独生环境下,卷果涩荠的开花振幅在均匀和春季供氮处理下表现为单峰曲线,在夏季供氮处理下呈双峰形。培养方式对卷果涩荠的开花物候具有显著影响,混生下均匀供氮处理的卷果涩荠的开花峰值较独生提前4～5 d,峰值期的开花比例较独生植株高16%。（2）供氮模式和培养方式对卷果涩荠生长具有显著的交互效应。独生环境下,春季供氮处理下的卷果涩荠株高显著高于均匀供氮和秋季供氮处理,混生环境下,供氮处理对卷果涩荠的株高、地上、地下生物量、单株总生物量和根冠比无显著影响。（3）氮供应模式和培养方式对卷果涩荠叶片总氮（TN）和总磷（TP）含量及氮磷比无显著影响。当卷果涩荠与播娘蒿混生时,卷果涩荠对氮素的竞争力优于播娘蒿。结果说明,氮可利用性的季节性会对荒漠草本植物的物候进程、生长及未来的群落组成变化产生影响。