黄土高原典型群落近地表特征对坡面流水动力学特征的影响

[目的]阐明植被群落近地表特征对坡面流水动力参数的影响,揭示植被群落近地表特征影响土壤侵蚀过程的作用机制,以期为评估黄土高原草地植被恢复的生态水文效应提供理论指导。[方法]选取黄土高原典型白羊草群落[Bothriochloa ischcemum(Linn.)Keng])和铁杆蒿群落(Artemisia vestita Wall.ex Bess),通过设置不同近地表要素,进行了人工模拟降雨试验(雨强:60 mm/h;降雨历时:60 min)。[结果](1)随植物群落各要素依次减少,流型从缓流变为急流。植被群落覆盖径流流速降低了8.66%~76.79%,径流量减少了-12.45%~49.30%,Darcy-weisbach阻力系数和曼宁糙率系数分别增加了62.55%~4346.92%和33.16%~717.25%。(2)生物土壤结皮对流速降低作用最大,分别较地上部分和根系增加了54.44%~199.32%和225.31%~425.95%;地上部分对Darcy-weisbach阻力系数和曼宁糙率系数增加作用最强,分别较生物土壤结皮和根系增加了175.76%~4676.57%和29.68%~1114.74%。近地表各要素对径流量的影响不一致,白羊草群落地上部分和铁杆蒿群落生物土壤结皮可减少径流量,而其余各要素均可增加径流量。(3)白羊草群落地上部分和根系分别减小流速和增加Darcy-weisbach阻力系数的作用大于铁杆蒿,而生物土壤结皮的作用小于铁杆蒿。白羊草群落地上部分和生物土壤结皮对曼宁糙率系数的增加效应低于铁杆蒿,根系则高于铁杆蒿。白羊草群落地上部分减少径流量作用较铁杆蒿增加了4367.80%;白羊草生物土壤结皮增加产流量的作用较铁杆蒿增加了183.52%。白羊草和铁杆蒿群落的根系均可增加产流量,且白羊草群落增加的作用较铁杆蒿减少了49.77%。[结论]植被地上部分、生物土壤结皮和根系可减小流速、流量;增加Darcy-weisbach阻力系数、曼宁糙率系数,但因植物种类的差异可导致植被群落近地表特征对水动力特征的减少或增加量不同。

白羊草干草产量与主要农艺性状的多元回归及通径分析

对10个不同居群白羊草(Bothriochloa ischaemum(L.)Keng)的干草产量与千粒重、青绿期、株高、节间长、茎粗、花序重和茎叶比共7个主要农艺性状进行了相关性分析、多元回归分析和通径分析,以探寻影响白羊草干草产量的主要农艺性状,为选育高产白羊草品种提供科学依据。结果表明:株高与干草产量成极显著正相关(P<0.01),而且株高对干草产量的直接作用最大(P=0.986),相关系数最高(r=0.774)。因此,株高是决定干草产量的主要农艺性状,选育白羊草高产品种时可首先根据株高对植株进行筛选。

施氮和供水对混播和单播白羊草叶片叶绿素荧光特性的影响

为明确干旱条件下混播和施氮对白羊草[Bothriochloa ischaemum(Linn.)Keng]叶片叶绿素荧光参数的影响,采用盆栽法并设置不同混播比例[白羊草与柳枝稷(Panicum virgatum Linn.)混播比例分别为8∶0、6∶2、4∶4和2∶6]、施氮水平(即不施氮和1 kg干土施0.1 g纯氮)和供水条件(即正常供水和干旱胁迫6 d后复水),对白羊草叶片叶绿素荧光参数的变化进行比较分析;在此基础上,采用一般线性模型分析这3个因素及其交互作用对白羊草叶绿素荧光参数的影响效应。结果显示:正常供水条件下,各处理组白羊草的最大光化学效率(F_v/F_m)、实际光化学效率(Φ_(PSⅡ))、表观光合电子传递速率(ETR)、光化学淬灭系数(qP)和非光化学淬灭系数(NPQ)均无明显变化。干旱及复水条件下,不施氮处理组白羊草的F_v/F_m值在干旱胁迫6 d(即土壤相对含水量最低)时降至最低值,并在复水2 d后恢复至与正常供水条件下相近的水平,而施氮处理组的F_v/F_m值则一直保持与正常供水条件下相近的水平;不论施氮与否,各处理组白羊草的Φ_(PSⅡ)、ETR、qP和NPQ值基本上均表现为在干旱胁迫6 d时达到最高值,并在复水2 d后恢复至正常供水条件下各参数值的90%以上。总体上看,混播白羊草的qP和ETR值均高于单播白羊草,而其NPQ值则低于后者。统计分析结果表明:混播比例、施氮水平和供水条件3个因素间的交互作用对白羊草的Φ_(PSⅡ)、qP和ETR值无显著影响,施氮水平对NPQ值的单独作用、施氮水平和混播比例的交互作用对F_v/F_m值以及施氮水平和供水条件的交互作用对ETR值也无显著影响,但这3个因素的单独作用及两两因素间的交互作用对白羊草其余叶绿素荧光参数均有显著或极显著影响。研究结果表明:一定程度的干旱胁迫有利于提高白羊草叶片PSⅡ反应中心的开放程度、光合电子传递速率和热耗散过剩光能的能力;在干旱胁迫条件下,施氮有助于白羊草叶片维持PSⅡ反应中心的活性和光化学效率;并且,与柳枝稷适度混播可改善白羊草叶片的光合性能,提高其种间竞争适应性。

山西不同居群白羊草主要农艺性状评价

为筛选和合理利用白羊草(Bothriochloa ischaemum(L.)Keng)种质资源提供理论依据,利用主成分分析和聚类分析对采自山西省不同地区的10个白羊草居群的13个主要农艺性状进行分析和评价。结果表明:白羊草各居群间除小穗数外其他农艺性状差异均达极显著水平(P<0.01)。主成分分析得到累计贡献率为86.927%的4个主成分,根据主成分分析结果对不同居群白羊草进行聚类分析,共得到4个类群,其中第1类群即临汾、芮城和太谷这3个白羊草居群综合表现最好。

白羊草主要生产性能构成因子分析

对采自山西省不同地区的10个白羊草居群的10个生产性能指标进行相关性分析和主成分分析,结果表明:10个指标中干草产量变异系数最大(29.90%),株丛密度最小(11.55%);白羊草不同居群间,除株丛密度外其他生产性能指标差异均达到极显著水平(P<0.01);干草产量与株丛密度呈负相关,与花序重、小穗数、单株产量、单株茎重、单株叶重、结实率、茎叶比和千粒重均为正相关,单株产量与单株茎重、单株叶重呈极显著正相关(P<0.01)。主成分分析表明,前3个主成分因子中特征向量最大的分别为单株叶重、千粒重和小穗数,3个主成分因子累计贡献率达到78.609%。

干旱胁迫及复水对白羊草质膜ATP酶和5′-核苷酸酶活性的影响

以白羊草(Bothriochloa ischaemum(L.)Keng)为材料,在干旱胁迫和复水后,通过测定其质膜ATP酶(AT-Pase)活性、质膜5′-核苷酸酶(5′-AMPase)活性,叶片相对含水量(RWC)和丙二醛(MDA)含量的变化来探索其在干旱胁迫和复水后的生理生化变化。结果表明:在干旱胁迫下,白羊草质膜ATPase和质膜5′-AMPase活性呈现先升高后降低的趋势,野生型白羊草的质膜ATPase和质膜5′-AMPase活性变化量较栽培型的大;RWC下降,MDA含量上升。复水后质膜ATPase活性、质膜5′-AMPase活性及MDA含量均下降,但高于断水前,野生型的RWC高于对照,栽培型RWC低于对照,说明干旱胁迫对白羊草造成了不可逆的伤害,对栽培型的伤害大于野生型的。植物的质膜ATPase和质膜5′-AMPase活性随胁迫的加剧而提高,一定程度上可以缓解干旱对白羊草幼苗的胁迫作用,这可能是白羊草抗旱酶促防御机制中的一个重要机制。

山西白羊草染色体核型分析

选用山西白羊草(Bothriochloa ischaemum)种子为材料,采用根尖压片法进行细胞染色体核型分析,为白羊草的种质资源利用及育种提供细胞学依据。观察统计了30个完整的中期分裂相确定染色体数目,并选其中5个分裂相进行核型分析。结果表明,白羊草染色体数为2n=40,核型公式为K(2n)=4x=40=34m+6sm,其中中部着丝粒染色体(m)为17对,近中部着丝粒染色体(sm)为3对,核型类型为1B。核型不对称系数为58.32%。

与达乌里胡枝子混播下白羊草光合对干旱及短期补水的响应

为揭示黄土丘陵区优良乡土草种白羊草[Bothriochloa ischaemum(L.)Keng]和达乌里胡枝子[Lespedeza davurica(Laxm.)Schindl.]混播时的光合生理特征及其与土壤水分的关系,采用盆栽控制试验,按照生态替代法设置了白羊草(B)和达乌里胡枝子(D)6种混播比例组合(2︰10、4︰8、6︰6、8︰4、10︰2、12︰0),标记为B2D10、B4D8、B6D6、B8D4、B10D2、B12D0;设置高水(80%土壤田间持水量,HW)、中水(60%土壤田间持水量,MW)和低水(40%土壤田间持水量,LW)3种水分供应条件,并在白羊草拔节期进行短期补水处理:即分别从中水提到高水(MHW)、低水提到高水(LHW)和低水提高到中水(LMW)。连续测定和比较了不同处理下白羊草光合生理特征——净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和水分利用效率(WUE)的动态变化。结果表明:1)在恒定水分供应条件下,各混播比例中白羊草叶片光合生理参数在HW处理下显著最高,LW处理下显著最低,说明水分是限制其叶片光合作用的主要因子;2)短期补水后,白羊草叶片光合生理参数均是在LHW下增加幅度最大,LMW下增加幅度最小;各混播比例中白羊草光合生理参数在MHW下恢复到稳定水平时间最快,说明较高的补水幅度和土壤前期含水量有利于补水后叶片光合作用提高;3)在B10D2和B8D4混播比例下,白羊草不仅具有较高的Pn、较低的Tr和较高的WUE,且短期补水后Pn和WUE增加幅度较大,Tr增幅较小,说明这两种混播比例有利于改善其光合作用。综合表明,经历短期干旱胁迫后补水,白羊草光合生理活性出现恢复现象,恢复速度和程度与混播比例和补水前土壤水分水平相关。

白羊草光合特性和水分利用效率对土壤水分响应的研究

为揭示黄土丘陵区乡土草种白羊草光合生理生态特征和其水分利用效率对土壤水分的响应关系,本研究采用盆栽控制实验,比较研究白羊草在充分供水、轻度水分胁迫、重度水分胁迫3个水分处理下的光合生理特征、瞬时水分利用效率及生物量的变化情况。结果表明:1充分供水和轻度水分胁迫处理下,光合速率日变化呈"双峰"型曲线并出现明显的光合"午休"现象;2干旱胁迫对地上部分的影响显著高于地下,重度水分胁迫显著增加白羊草根冠比和细根生物量,降低粗根生物量;3水分利用效率在充分供水时受叶片温度影响最大,在轻度水分胁迫时受大气饱和水汽压亏缺的影响最大,在重度水分胁迫时受大气温度的影响最大。

氮添加条件下白羊草种群及近地表生物结皮对土壤入渗性能的影响

以黄土高原典型草地白羊草群落为研究对象,设置不同施氮水平(0、2.5、5、10 g/(m^2·a))模拟氮沉降,通过人工模拟降雨,系统研究氮添加条件下白羊草群落及其近地表特征对土壤入渗过程的影响。结果表明:(1)白羊草种群覆盖可显著延缓产流,且随着近地表生物结皮的参与,延缓产流效果更加明显。白羊草和生物结皮共同作用下(T_2)平均初始产流时间分别是单一白羊草种群(T_1)和裸地对照(T_0)的1.64倍和4.87倍;(2)稳定入渗速率和入渗总量均在较低施氮水平(N_0和N_(2.5))下总体较高;生物结皮可抑制土壤入渗过程,白羊草和生物结皮共同作用下(T_2)稳定入渗速率和入渗总量较单一白羊草种群(T_1)分别减少了6.35%和7.49%;(3)植被及生物结皮特征可显著影响坡面入渗过程,初始产流时间随白羊草盖度、地上生物量和苔藓结皮盖度、高度的增加均呈幂函数增加,随藻结皮盖度的增加呈幂函数下降(P<0.01);稳定入渗速率和入渗总量随生物结皮总盖度的增加而呈幂函数下降,与藻结皮盖度存在显著的DoseResp曲线关系(P<0.01)。本研究以期为黄土高原草地生态水文过程及植被建设提供数据来源和理论依据。