乌兰布和沙漠固沙梭梭林生长季土壤水分动态研究

土壤水分是干旱沙区荒漠植被生长发育的主要限制因子,为了解乌兰布和沙漠固沙梭梭林地的土壤水分动态变化特征,采用烘干法于2021年4—9月对梭梭林生长季土壤水分进行测定。结果表明,梭梭林地0—20 cm土壤含水量0.23%~2.13%,为浅层干沙层;20—80 cm土壤含水量0.36%~3.59%,为中层剧烈变化层;80—120 cm土壤含水量0.45%~1.63%,为深层稳定层。土壤含水量的月变化显示在4月处于土壤水分消耗较弱阶段;5—8月处于土壤水分消耗旺盛阶段;9月处于土壤水分缓慢恢复稳定阶段。土壤水分与土壤水势之间存在明显的对数函数关系(R~2均大于0.514 2)。综上所述,梭梭林地土壤水分垂直分布分层特征明显,时间上变异程度高于空间,具有较强的时间变异性,对该区人工植被建设具有重要意义。

长期增水处理对白刺灌丛沙堆土壤理化性质的影响

【目的】为揭示白刺灌丛沙堆下土壤理化性质对长期增水的响应,对不同增水处理乌兰布和沙漠白刺灌丛沙堆下土壤理化性质进行分析。【方法】在中国林业科学研究院沙漠林业实验中心第二实验场,以白刺灌丛沙堆下土壤为研究对象,以自然降雨量为对照,设置四个增水梯度(增水25%、增水50%、增水75%和增水100%),测定灌丛沙堆下土壤物理性质以及土壤养分含量。【结果】①除对照组土层深度为70~90 cm时有黏粒的分布,增水处理下各个土层均没有黏粒的分布。土层深度为50~70 cm时增水50%处理和增水100%处理较对照组土壤中砂粒含量分别显著增加15.06%和14.59%(P<0.05)。②土层深度为0~2 cm时,各处理组土壤电导率值均大于对照组,增水75%处理下电导率较对照组显著增加59%(P<0.05)。③土层深度为0~70 cm时,各增水处理土壤速效磷含量均高于对照组;土层深度为0~2 cm时,土壤中有机质含量为增水75%处理>增水100%处理>增水50%处理>增水25%处理。【结论】研究结果表明长期增水对白刺灌丛沙堆下土壤粒径、电导率以及土壤中氮、磷、钾含量具有一定程度的影响,但对土壤pH值影响不显著。结果可为预测未来降水变化环境下乌兰布和沙漠白刺灌丛沙堆下土壤理化性质变化提供理论依据。

5种植物根系生物力学特性

为探究根系固土力学机理,于2019年5月初,分别对5种植物0~6 mm直根的相同根径施加70%平均极限抗拉力,进行原位瞬时轴向拉伸受损试验。3个月后,根据其愈伤后存活率、活力值、直根极限应变、弹性模量的变化,与平行对照(未受损)进行比较,分析5种植物根系固土力学特性的共同规律及种间差异。结果表明:愈伤3个月后,试验根存活率、活力值较平行对照均有明显下降,降低值由大到小依次为:沙棘、柠条、杨柴、沙打旺、紫花苜蓿。5种植物在代表根径级为0~1.5 mm时,其在愈伤后直根极限应变均值由大到小依次为紫花苜蓿(14.89±0.98)、沙棘(13.35±0.95)、杨柴(12.68±0.82)、沙打旺(12.66±0.76)、柠条(8.68±0.43);平行对照的直根极限应变均值由大到小依次为柠条(27.76±2.16)、沙棘(16.95±1.36)、杨柴(16.39±1.17)、沙打旺(16.13±1.18)、紫花苜蓿(12.59±0.69)。愈伤自修复后直根弹性模量均值由大到小依次为沙打旺(4.12±0.35)、杨柴(3.61±0.12)、紫花苜蓿(2.79±0.14)、柠条(2.21±0.21)、沙棘(1.64±0.13);平行对照的直根弹性模量均值由大到小依次为柠条(3.89±0.23)、沙棘(2.74±0.19)、杨柴(2.47±0.18)、沙打旺(2.22±0.07)、紫花苜蓿(0.86±0.073)。5种植物根系在受拉受损后经愈伤自修复后发现,草本植物根系恢复抗拉能力比灌木、半灌木强。

不同时间尺度土壤因子与柽柳液流速率关系的差异

【目的】研究土壤因子对柽柳液流的影响及存在时间尺度差异,为不同时间尺度下更为准确的分析柽柳液流的变化规律。【方法】利用PS-TDP8树木液流监测系统及5TM土壤温度与湿度传感器对库姆塔格沙漠东南部柽柳液流速率及土壤因子(土壤含水量SWC及土壤温度Ts)持续5个月同步观测。【结果】月尺度下,Ts_(20cm)是液流速率变化的主要影响因子,单独能解释91.7%的液流速率变化;日尺度下,进入的土壤因子依次为Ts_(20cm)、Ts_(200cm)、SWC_(50cm)、SWC_(150cm)、SWC_(20cm),Ts_(20cm)可以解释液流速率变化的72.1%,5个因子共同可以解释82.9%的液流速率变化,日尺度下对柽柳液流速率影响最大的也是20 cm层土壤温度;小时尺度下,对液流影响最大的是Ts_(20cm),Ts_(20cm)可以解释液流速率变化的37.6%,6个因子共同可以解释55.9%的液流速率变化。随着时间尺度的扩大,与柽柳树干液流显著相关的土壤因子个数有减少的趋势,而对其解释程度则有增加的趋势。【结论】土壤因子模拟计算小时尺度柽柳液流速率需要的参数较多,预测月尺度液流速率需要的参数最少,可靠性最大,能够较好地解释柽柳液流速率变化,月尺度预测柽柳液流速率更加准确。

非生长时期6种植物枝条的抗折力学特性

[目的]对内蒙古自治区中西部非生长时期6种植物枝条抗折力学特性进行研究,为该区防风阻沙植物种的选择及其混交配置提供生物力学方面的科学参考。[方法]采用YG(B)026 H-250型织物强力机和自制夹具,室内进行枝条抗折试验,比较6种植物枝条抗折力和抗折强度,分析枝长和直径对抗折力学强度指标的影响。[结果]①在0.5~2.5 mm测试径级范围,6种植物枝条抗折力随直径的增加而增大,抗折强度则随直径的增加呈幂函数递减;②在测试径级0.5~2.5 mm范围内枝长在60 mm时柠条枝条抗折力、抗折强度最大,其值分别为51.700 N和33.510 MPa,枝长在80 mm时种间抗折力、抗折强度最大为柽柳,其值分别为61.777 N和30.821 MPa,枝长在100 mm时种间抗折力、抗折强度最大为沙柳,其值分别是62.237 N和33.156 MPa。[结论]6种植物枝条在非生长时期其抗折力和抗折强度随着直径、枝条长度的增加其变化特点表现不一致,表明植物种不同、枝长不同则对枝条抗折力、抗折强度的影响亦有差异,这也从另外一方面证明生态修复中只有实现多树种结合的修复方式才是最优水土保持功能实现的模式。

4种不同植被群落类型表土的抗蚀力学特性

[目的]研究黄土高原农林业生产表层土壤水土流失,为该区域及其相似地区生态修复中树种选择及配置提供科学依据。[方法]以杨树+柠条乔灌混交林、杨树纯林、油松常绿针叶林和柠条灌木纯林下4种不同植被群落类型下表土为对象,进行抗剪力学特性研究,并分析土壤含水率对其力学特性的影响力。[结果]在测试表土含水率2.5%~12.5%范围内,4种不同植被类型及裸地对照样地土壤结皮抗剪强度和黏聚力均随着土壤含水率的增加呈增大的趋势,表明在一定范围内表土湿润程度的增加对提高土壤表层抗蚀能力起到积极作用;4种不同植被群落类型表土抗剪强度和黏聚力的值均显著大于裸地的值,说明水土保持的林草措施对表层土壤结构的改善起到了促进作用,从而提高了表层土壤的抗侵蚀能力;在测试含水率2.5%~12.5%范围内随着含水率的增加各样地表土内摩擦角无明显的变化规律。[结论]4种不同植被群落类型中柠条+杨树混交林下表土抗剪强度、黏聚力总体表现最大,这也从另外一方面说明了水土保持的林草措施中营造混交林的优越性。

五种植物根系受损愈伤自修复的力学特性

[目的]本文旨在为选择优良的水土保持植物种类提供一定的基础力学数据。[方法]本文以内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗东部的黑岱沟露天煤矿排土场相同立地条件下用于土地复垦的3~4年生小叶锦鸡儿(Caragana microphylla Lam)、中国沙棘(Hippophae rhamnoides Linn)、杨柴(Hedysarum laeve Maxim)、沙打旺(Astragalus adsurgens Pall)、紫花苜蓿(Medicago sativa L)为研究对象,利用数显式推拉力计和自制便携试验机台,对其根径直根进行原位拉伸试验,研究70%极限拉力受损后待根系愈伤自修复3个月后力学特性的变化特征,以探讨外力机械损伤后根系自修复后力学特性的种间差异性共同规律。[结果]实验组在3个月愈伤自修复后的直根的存活率、活性值、极限抗拉力和抗拉强度均低于平行对照组,且根径与存活率和抗拉强度呈负相关,与极限抗拉力呈正相关。5种植物的种内平行对照和愈伤自修复后的极限抗拉力差异性均显著(P<0.05),而极限抗拉强度则只有小叶锦鸡儿和沙打旺存在显著性差异(P<0.05)。愈伤自修复后抗拉力学特性恢复效应为:紫花苜蓿>杨柴>沙打旺>中国沙棘>小叶锦鸡儿;活性值稳定性顺序为:紫花苜蓿>小叶锦鸡儿>沙打旺>杨柴>中国沙棘。在代表根径级1~1.5 mm范围内,种内平行对照和实验组之间的极限抗拉力和抗拉强度均存在显著性差异(P<0.05),且5种植物平行对照和实验组的直根极限抗拉力和抗拉强度大小顺序均为:小叶锦鸡儿>中国沙棘>杨柴>沙打旺>紫花苜蓿。[结论]草本植物的恢复效应优于半灌木和灌木。

乌兰布和沙漠东北缘小胡杨叶功能性状特征

通过研究不同栽植年限幼龄小胡杨的叶片性状,筛选出适合评价不同林龄适应性的指标。结果表明,小胡杨的叶形以披针形和卵形为主。小胡杨的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和胞间CO_(2)浓度均随林龄的增加而增大,且不同林龄之间的差异显著(P<0.05)。小胡杨各项叶片性状之间均具有极显著的相关性(P<0.01)。净光合速率、气孔导度可以作为评价不同林龄小胡杨叶性状的主要因子,评价结果的可靠性随林龄增加而增加。

沙旱生灌木对干旱胁迫的响应研究进展

干旱区土地沙化问题日趋严重,对区域生态安全造成严重威胁。沙旱生灌木是干旱区优势树种,在遏制土地荒漠化和改善沙化地区生态环境方面发挥着不可替代的作用。研究沙区适生灌木树种的抗旱机理,归纳沙旱生灌木对干旱胁迫的适应特征,对荒漠化防治、生态环境建设具有重要意义。文中从株高、生物量、叶形、气孔等生长形态方面总结干旱胁迫对沙旱生灌木的影响,从渗透调节、抗氧化调节、光合作用等生理过程概述沙旱生灌木对干旱胁迫的响应特征,归纳了沙旱生植物响应干旱胁迫的机制,提出抗旱锻炼、化学调控、微生物调控及生长剂调控等提高抗旱性的途径,并对未来沙旱生灌木耐旱研究的方向进行展望,以期为沙旱生灌木的耐旱研究提供参考。

不同平茬措施下梭梭液流变化及其影响因素

以乌兰布和沙漠东北部不同平茬处理及未平茬梭梭(Haloxylon ammodendron)为研究对象,实时动态监测其液流速率及当地气象因子,研究不同平茬处理梭梭在生长旺盛季(6~8月)不同时间尺度的液流特征及其对气象因子的响应,建立耗水量与气象因子的拟合模型,揭示梭梭平茬后的水分传输规律。利用热扩散茎流计和自动气象站对乌兰布和沙漠不同平茬处理与未平茬梭梭的液流及太阳辐射、空气温度、相对饱和湿度、水汽压差进行监测。结果表明,不同平茬处理(留茬120 cm、留茬90 cm、留茬60 cm)梭梭晴天液流变化呈“几字宽峰型”曲线,未平茬梭梭呈“单峰型”曲线。雨天,液流速率波动非常剧烈,呈“不规则多峰型”曲线,雨天的液流速率低于晴天。未平茬、留茬120 cm、留茬90 cm、留茬60 cm梭梭的日平均液流速率分别为2.3146、3.3334、1.3333、0.7672 cm/h,日均耗水量分别为8.62、13.43、2.40、2.89 kg/d。小时尺度下,太阳辐射是影响平茬及未平茬梭梭液流速率的主要因子;日尺度下,太阳辐射是影响留茬90 cm及未平茬梭梭液流速率的主要因子,空气温度是影响留茬120 cm梭梭液流速率的主要因子,留茬60 cm梭梭的液流速率主要受风速影响;月尺度下,留茬120 cm梭梭耗水量主要受太阳辐射、空气温度影响,留茬90 cm梭梭耗水量主要受相对湿度、太阳辐射影响,留茬60 cm梭梭耗水量主要受风速影响。随着时间尺度的增加,气象因子入选回归方程的数量呈减小趋势,对液流的解释程度呈降低趋势。该研究的拟合方程均达到显著水平,可在不同时间尺度下预测梭梭蒸腾耗水特征。研究结果对明确梭梭平茬后的水分传输规律具有指导意义。

不同林龄小胡杨叶性状研究

通过对小胡杨不同林龄叶结构型性状和功能型性状的测定,探究叶性状与林龄的关系,为评价小胡杨在沙漠绿洲的引种表现提供理论依据。结果表明:不同林龄小胡杨叶面积、叶干重、叶干物质含量、叶长宽比、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO_(2)浓度存在显著差异,叶面积、叶干重、叶干物质含量、叶长宽比与林龄呈极显著线性正相关(p<0.01),比叶面积与小胡杨林龄之间呈极显著线性负相关(p<0.01),净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO_(2)浓度与林龄呈极显著线性正相关(p<0.01)。

不同类型土壤-柠条根系复合抗剪力学特性的比较

为揭示柠条根系固土抗蚀机理,以柠条锦鸡儿与低液限粘土、砒砂岩风化土、含细粒土砂3种土壤类型的根土复合体做为对象进行室内直剪试验,研究3种土壤类型的柠条根土复合体抗剪强度及强度指标,分析其差异性。结果表明:3种不同土壤类型下柠条根土复合体剪切规律均服从摩尔-库仑强度破坏准则。0.05显著水平下,12.5 kpa下根系提高土体抗剪强度优于25 kpa。抗剪强度、残余抗剪强度及二者的强度指标均为柠条根与3种土壤类型根土复合体优于相应素土。抗剪强度、残余抗剪强度、粘聚力及残余粘聚力大小排序为:低液限粘土根土复合体>砒砂岩风化土根土复合体>含细粒土砂根土复合体,内摩擦角和残余内摩擦角大小排序为:含细粒土砂根土复合体>砒砂岩风化土根土复合体>低液限粘土根土复合体。粘聚力、残余粘聚力的增长率区间为9.97%~45.78%,内摩擦角和残余内摩擦角的增长率区间为-4.09%~2.40%。根会增强土壤抗剪强度及残余抗剪强度。柠条根系对提高低液限粘土的抗剪特性作用效果最明显,提升效果最好。粘聚力在根土复合体抗剪强度、残余抗剪强度的增加中起主要作用。

固沙先锋树种沙柳枝条力学特性及其影响因素

以内蒙古干旱半干旱沙区固沙先锋树种沙柳(Salix psammophila)枝条为对象,研究其冬季休眠期抗拉、抗剪与抗弯力学特性,分析枝条长度、直径及其化学组分等对其力学特性的影响,为丰富植物固沙能力的评估指标体系,也为沙柳平茬机具的研制提供生物力学依据。结果显示:在测试径级0.5~2.5mm时,沙柳枝条的极限抗拉力为14.05~52.02N、抗剪力为16.26~80.04N、抗弯力为1.02~3.54N,均随着直径的增大而增大,应力直径递增函数不同;极限抗拉强度为8.96~66.19 MPa、抗剪强度为8.04~39.87 MPa、抗弯强度为1566.46~46.71MPa,均随直径的增大而减小,应力强度-直径递减函数不同。表明直径是影响枝条力学特性的重要影响因子。随着枝条长度的增长,其抗弯强度呈增大的趋势,而抗拉强度和抗剪强度无明显的变化规律;沙柳枝条极限抗拉力均值36.19±3.29N>抗剪力均值50.04±4.54N,枝条极限抗拉强度均值31.01±2.81 MPa>抗剪强度均值16.98±1.54MPa,说明枝条易破坏外力类型为剪切力。沙柳枝条抗拉强度、剪切强度和抗弯强度与纤维素、半纤维素含量呈显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)正相关,与木质素含量呈显著正相关(P<0.05)。试验结果表明影响枝条抗拉、抗剪和抗弯强度的因素中纤维素和半纤维素起主要作用,其次是木质素含量。

3种植物根-土复合体抗剪特性的影响因素

本文采用直剪仪对内蒙古中西部3种乡土植物柠条(Caragana korshinskii Kom)、沙棘(Hippophae rhamnoides Linn.)和杨柴(Hedysarum leave Maxim)的根-土复合体进行不同法向荷载下的剪切试验研究,分析根密度、根径和剪切速率等对根土复合体抗剪特性的影响,揭示3种植物根土复合体抗剪特性的共同规律及其种间差异性,从根系固土力学的角度为该区域水土流失防治的植物措施中树种的选择及其配置提供一方面科学的参考依据;结果表明,在12.5 KPa对应的80 cm土层,3种植物根-土复合体的抗剪强度、黏聚力总体呈现随着根径的增加呈先增大后减小的变化特征。3种植物根-土复合体抗剪强度、粘聚力间相比较大小顺序一致,其中抗剪强度均值大小为柠条17.91±2.7A>沙棘16.8±2.1 B>杨柴15.53±0.7C,粘聚力均值大小顺序为柠条7.81±1.6 A>沙棘7.19±2.33 B>杨柴5.99±2.14 C。根密度对3种植物根-土复合体抗剪强度及其强度指标的影响与根径总体呈现一致的变化特征。3种植物根土复合体在0.8 mm/min的快剪时对应的抗剪强度和黏聚力、内摩擦角均大于0.02 mm/min慢剪时对应的值。表明,土壤含水率在一定范围内的增加可以提高表层土壤的力学性能。通过上述研究结论得出,植物种不同则生物学特性不同,每种植物根系固土力学性质达到最佳时所要求的内在条件(根径、根密度等)和外在条件(剪切速率),既有相同之处也有区别。

水土保持先锋树种沙棘根系固土力学特性

本文以4年生沙棘(Hippophae rhamnoides L.)根系为对象,采用TY-8000伺服式强力机和自制的三点折断夹具进行根系抗折和极限抗拉特性研究,为全面揭示沙棘根系固土抗蚀机理研究提供生物力学方面的参考依据。结果表明在测试根径0.5~4.5 mm范围内,沙棘单根抗折力和极限抗拉力均随着直径的增加呈幂函数递增、单根平均极限抗拉力(90.66 N)大于抗折力(45.98 N),其均值的差值为44.61 N。沙棘单根极限抗拉强度和抗折强度均随着直径的增加无明显变化规律。在各个径级沙棘单根极限抗拉强度均大于抗折强度,在测试根径0.5~4.5 mm范围内单根极限抗拉强度均值(19.97 MPa)与抗折强度均值(8.07 MPa)的差值为11.90 MPa。表明沙棘单根易破坏的外力类型为径向折力。

内蒙古中西部3种乡土植物单根拉伸的疲劳力学特性

以内蒙古中西部3种典型乡土植物柠条(Caragana korshinskii)、沙棘(Hippophae rhamnoides)和紫花苜蓿(Medicago sativa)鲜根为对象,进行单根在瞬时和反复多次重复拉伸2种不同加载方式下的极限拉伸试验,研究3种植物单根疲劳后极限抗拉力学强度指标,比较疲劳前和疲劳后单根极限抗拉力学强度指标的差异性。结果表明,3种植物单根在代表根径级(1-1.5 mm)下重复多次疲劳加载后的极限抗拉强度均大于疲劳前瞬时拉伸极限抗拉强度,其值为柠条:71.14±0.88>26.23±0.15,紫花苜蓿62.1±0.31>48.90±0.35,沙棘:66.67±0.48>51.81±0.76。