古尔班通古特沙漠及周边区域全新世环境演变研究进展

古尔班通古特沙漠作为中国最大的固定、半固定沙漠,是中国境内受西风环流影响最为明显的沙漠之一,其全新世环境演变过程及其对全球气候变化的响应和反馈,对理解该区现代地表过程与未来环境演变趋势具有重要的科学意义。古尔班通古特沙漠及周边区域全新世环境演变研究的结果明显不同,存在中晚全新世和中全新世降水/湿度变化最优期的分歧,成因机制存在季风深入内陆和西风总体控制的争议。以目前区域已发表的多载体记录为基础,通过降维和集成分析重建了该区全新世气候/湿度变化背景,梳理区域风沙沉积地层年代学时空分布,集成了该区全新世风沙活动历史,进而探讨区域风沙活动与湿度变化的耦合关系。结果表明该区早中全新世(12~6 ka)气候干旱,风沙活动强烈;中晚全新世以来湿度逐渐增加、风沙活动逐渐减弱。通过区域及半球尺度的对比分析,发现该区环境演变过程主要受西风环流的控制。

短命植物分布与沙垄表层土壤水分的关系——以古尔班通古特沙漠为例

于 2 0 0 2年 3月至 2 0 0 2年 8月 ,对古尔班通古特沙漠南部短命植物分布和沙垄表层 30cm厚土壤水分间的关系进行了系统监测和研究 .结果表明 ,早春表层土壤水分在个体沙丘表面的分异直接影响到短命植物的分布 .4月下旬 ,垄间、两坡和垄顶土壤含水率依次为 4 6 2 %、3 98%和 2 0 1% ,相应的短命植物平均盖度于 5月中上旬依次为 5 1 8%、38 2 %和 4 4 % .5月中旬后 ,短命植物的分布又改变了表层土壤水分分布 ,上述各地貌部位的土壤含水率依次为 1 0 0 %、1 90 %和 2 4 5 % ,形成垄顶最高、两坡次之、垄间最差的新的空间分布格局 .

古尔班通古特沙漠腹地春季土壤水分空间分异研究

土壤水分条件是古尔班通古特沙漠荒漠植被发育的最主要的制约因子 ,春季土壤水分对该区植被发育更具决定作用。通过野外标定 ,利用中子水分仪对原始沙丘、工程扰动沙丘不同地貌部位土壤水分动态进行系统监测 ,结果表明 :春季土壤水分受地貌部位和人为干扰等因素影响而出现明显的空间分异 ,整体表现为垄间低地高于垄顶 ,人为扰动沙面又高于有植被覆盖的沙面。春季土壤水分的时间变化表现为初春 (3～ 4月 )土壤水分的补给期和春末夏初 (5～ 6月初 )的土壤水分损耗期。认为植被状况、降雨、地形和人为扰动等因素对土壤水分影响较大。

干旱区生物土壤结皮对种子植物多样性的影响

通过调查古尔班通古特沙漠筑路形成的严重干扰样方与自然状态下轻微干扰样方种子植物多样性的差异,结合人为干扰生物土壤结皮样方的结果,综合生物土壤结皮土壤种子库、结皮上种子萌发、生长以及土壤养分与水分的特征,研究生物土壤结皮对种子植物多样性的影响。结果表明:完整结皮与适度干扰后结皮样方内植物多样性指数D分别为0.3296和0.5291,多样性指数H分别为0.8400和1.2957,差异均达到显著水平;严重干扰样方的多样性指数D和多样性指数H均显著低于轻度干扰样方的对应指标。说明对生物土壤结皮"适度"干扰使其保持在早期发育阶段有利于增加种子植物多样性,而"严重"干扰使结皮变为流沙阶段会降低种子植物多样性。结皮影响种子植物多样性的机理主要在于发育后期的生物土壤结皮会降低土壤种子库,也会抑制多数种类种子萌发,夏秋季结皮深层土壤水分的减少也不利于深根植物的生存,但结皮土壤拥有相对较高的养分条件却能保证一年生短命植物生长和生存。相对于流沙,生物土壤结皮的存在有益于保持相对较高的植物多样性,这可能归功于生物土壤结皮有利于地表稳定性、以及其在防风蚀和土壤形成等方面重要的生态功能,因而,在采取"适度"干扰措施以提高植物多样性之前需要慎重考虑可能带来的不利影响。

生物结皮对5种不同形态的荒漠植物种子萌发的影响

生物结皮广泛分布于干旱、半干旱区,强烈影响着土壤表层理化特性,进而对种子散布、萌发和定居产生影响。目前关于生物结皮与植物种子萌发关系的研究结论存在争议。该文通过室内人工控制实验,研究了生物结皮对古尔班通古特沙漠5种具不同种子形态特征的荒漠植物白梭梭(Haloxylon persicum)、蛇麻黄(Ephedra distachya)、角果藜(Ceratocarpus arenaarius)、涩芥(Malcolmia africana)和狭果鹤虱(Lappula semiglabra)的种子萌发的影响。结果表明,在干燥和湿润两种条件下,生物结皮对不同形态植物种子萌发均具有不同的作用。在干燥条件下,生物结皮显著抑制了角果藜和涩芥种子的萌发(p<0.05),对其它3种植物无显著影响;而湿润条件下,生物结皮显著抑制了白梭梭、角果藜和狭果鹤虱种子的萌发(p<0.05),对蛇麻黄、涩芥则无显著影响。

古尔班通古特沙漠工程防护体系内土壤水分变化规律

古尔班通古特沙漠位于准噶尔盆地腹地,是我国最大的固定与半固定沙漠。近年来在沙漠腹地进行的一系列工程建设项目,不可避免地造成对地表的扰动,并直接影响土壤水分状况。通过对工程防护体系内典型部位和原始沙面的土壤水分进行系统监测,得到土壤水分变化规律。研究结果表明,工程防护体系内土壤含水率整体高于原始沙面的土壤水分。土壤水分含量的季节变化表现为3～4月的补给期、5～7月的失水期、8～10月的弱失水期和11～2月的冻结滞水期。其垂直分布可分为表层30cm的活跃层、30～60cm的过渡层和60cm以下的稳定层。防护体系内坡向和坡度对土壤水分有显著的影响,阴坡明显高于阳坡,陡坡又低于缓坡。

古尔班通古特沙漠沙垄表面的稳定性与顶部流动带的形成

古尔班通古特沙漠是我国惟一受西风气流控制的沙漠,也是我国最大的固定与半固定沙漠。个体沙垄表面的稳定程度从基部至顶部呈现明显的差异。通过分析沙丘的粒度组成、水分动态、土壤植被及生物结皮等下垫面因素的垂直变化,特别是对沙丘表面蚀积过程的实地观测和研究,探讨古尔班通古特沙漠固定、半固定沙垄表面的稳定性和顶部流动带的形成。

古尔班通古特沙漠风沙活动特征与线形工程安全研究

古尔班通古特沙漠是我国第二大沙漠 ,沙丘类型以固定和半固定纵向沙垄为主。垄间和坡中下部沙面较为稳定 ,仅在沙垄顶部存在 10～ 4 0m宽度不等的流动带 ,风沙活动规律独特。近年来在沙漠腹地修筑的公路、引水渠等线形工程 ,不可避免地造成沙垄切割和保护层破坏 ,所引发的工程安全问题引起了人们的普遍关注。通过风况分析和实地观测 ,对沙漠腹地风沙活动特征进行了初步研究 ,同时对线形工程风沙危害进行监测 ,在此基础上提出现有防护体系存在的主要问题与对策。

准噶尔盆地典型地段植物群落及其与环境因子的关系

沿88°E线,南北纵穿新疆北部准噶尔盆地,选择环境梯度明显的典型地段,设置33个具有代表性的野外样方,应用TW INSPAN与DCCA分析样方的物种数据和环境数据。研究结果表明:(1)样方TW INSPAN分类结果的第一级分类将分布于流动、半流动沙丘(垄)上的白梭梭群落与固定、半固定沙地上的梭梭群落区分开来,进一步的分类,可将33个样方划分为12个组。35种优势植物种TW INSPAN第1级分类把沙漠内部植物种与外缘物种分开。第2级分类把沙漠内部垄上与垄间植物种以及沙漠外缘旱生、中生和盐生植物种分开。(2)在各种环境因子中,土壤水分与相对高度(或地面活动性)是影响植物群落分布的最主要环境因子,DCCA第一排序轴反映生境水分环境条件,第2轴反映土壤结构梯度的变化。(3)除相对高度(或地面活动性)与土壤水分外,在沙漠南部外缘的山前冲积、洪积扇扇缘,土壤盐分状况亦为植物生长的重要胁迫因子;在沙漠北部外缘的砾石戈壁平原,基质的机械组成对群落分布格局有重要影响;在沙漠内部,土壤质地、地面坡度对植物群落的分布有较大影响。(4)以沙漠为中心的准噶尔盆地地势相对高度与地面活动性、土壤有机质与土壤粘粒、土壤水分与土壤总盐、pH值、有机质、相对高度之间存在显著相关关系。

古尔班通古特沙漠生物结皮藻类的组成和生态分布研究

通过对新疆古尔班通古特沙漠中9个样地73份生物结皮土样藻类的培养和鉴定,分析了古尔班通古特沙漠中生物结皮藻类的种类组成和生态分布特点。结果表明,该沙漠中有藻类植物49属121种,隶属于蓝藻门、绿藻门、硅藻门和裸藻门。其中蓝藻83种,绿藻20种,硅藻11种,裸藻7种。蓝藻占总种数的68.60%,其中又以丝状种类为优势,占66.27%;绿藻则以单细胞种类为主。在古尔班通古特沙漠不同地带中,其藻类物种多样性和群落组成均有所不同,中部藻类物种最为丰富,北部和南部次之,而东部和西部则明显减少。在沙垄不同部位的分布中,少数种类对地貌部位的选择性不明显,但有些种类在不同地貌部位分布有差异。藻类在结皮不同层次的分布不同,在结皮层中藻类的种类和数量都较丰富,且以丝状种类较多,而在结皮下层藻类的种类和数量明显减少。

准噶尔盆地降水、土壤水和地下水中δ^18O和δD变化特征--以中国生态系统研究网络阜康站为例

本实验的研究材料(融雪水、雨水、土壤水、地下水)采集于2006年3-6月,取自位于古尔班通古特沙漠南缘中国科学院阜康荒漠生态系统研究站及北沙窝实验点,对其氢氧稳定性同位素比率δ18O和δD的测定结果进行了分析,研究了降水、土壤水稳定同位素变化特征,揭示干旱荒漠区降水和土壤水的关系。研究结果表明,表层10cm土壤水受降水的直接影响,其δ18O具有与降水相同变化的趋势;地表浅层土壤水的稳定性同位素比率介于雪水和雨水之间;不同时间剖面土壤水的δ18O和重量含水量均为表层10 cm变化最大,具有向下变幅逐渐减少的趋势。地下水中δ18O在不同季节变化差异不大,地下水有一致、稳定的水源供应。本研究为稳定同位素技术在水循环研究中的应用提供了实例,也为古尔班通古特沙漠生态系统维持与恢复提供科学依据。

古尔班通古特沙漠腹地土壤水分时空分异研究

古尔班通古特沙漠土壤水分补给以积雪融水和雨水为主,土壤水分是维系古尔班通古特沙漠荒漠植被发育最主要的制约因子。选取沙漠腹地典型沙垄为研究区,并分地貌部位布设了土壤水分监测点、植物监测样方以及沙面蚀积监测铁钎和气象观测站,从而形成以土壤水分监测为主的综合监测场。通过野外标定,利用中子水分仪对典型沙垄的不同地貌部位土壤水分动态进行系统监测,结果表明:土壤水分受季节性积雪、降雨、地貌部位、地形起伏、植被盖度等因素的影响而出现明显的空间分异与时间变化。土壤水分的空间差异整体表现为垄间土壤水分高于垄顶,坡下高于坡上。土壤水分的时间变化表现:3～4月为土壤水分的补给期,5～6月为土壤水分快速损耗期,7～10月土壤水分最低,11月～次年2月表层土壤水分积累,而次表层、深层土壤水分相对稳定。

古尔班通古特沙漠生物土壤结皮反射光谱特征分析

通过对野外采样取得的新疆古尔班通古特沙漠中的生物土壤结皮、裸沙和干枯植被进行反射光谱测定,揭示出在干燥条件下各类地物的反射光谱特征。进一步对经过均匀喷洒0.5和1.0mm水后的生物土壤结皮分别进行反射光谱测定,并对比分析了原始的和经水化实验后的生物土壤结皮光谱特征。依据生物土壤结皮的光谱特征,提出利用连续统去除技术估算生物土壤结皮覆盖度的方法,结果表明连续统去除光谱的负对数与生物土壤结皮盖度有很好的相关关系(r2=0.9907)。

古尔班通古特沙漠工程防护体系内的蚀积变化与植被的自然恢复

通过两年的实地监测和研究表明 ,古尔班通古特沙漠工程行为扰动地表后 ,草方格能有效固定沙面 ,并在初始两年形成稳定凹曲面。无人工辅助条件下 ,在草方格设置当年草本植物即可侵入 ,但小乔木和灌木的定居尚需近一步观测研究。线形工程的走向和风况影响植物种的传播 。

古尔班通古特沙漠人工林土壤水分及其影响因素

通过2004年2～12月对古尔班通古特沙漠南缘2年生人工梭梭和沙拐枣混交林内3条典型坡面土壤水分进行了系统监测与研究。结果表明:人工林土壤水分状况受季节性降水、人工林种植密度、地形因子的影响而出现明显的时空分异。在空间上将土壤水分变化划分为三层,0～30cm为活跃层,30～60 cm为次活跃层,60～120 cm为相对稳定层。通过主成分分析,得出地形因子、种植密度对0～30 cm土层土壤水分的影响次序为坡度>坡向>种植密度>高程,30～60 cm土层为坡向>种植密度>坡度>高程,60～120 cm土层为种植密度>高程>坡度>坡向。

古尔班通古特沙漠现代沙漠环境与气候变化

根据北疆降水与温度的时空变化进行了湿润指数计算和时间序列与周期分析 ,论述了北疆气候的变化规律与特征。同时 ,根据沙漠环境与气候变化的相互依从关系 ,利用卫星影像图和野外实地调查订证的方法 ,讨论了古尔班通古特沙漠特殊气候环境条件下的正逆发展过程。分析表明 ,北疆气候自 5 0年代以来虽然温度升高 ,降水略有增加 ,但是气候变化呈现为暖干过程 ;并且古尔班通古特沙漠的流沙化面积不断地增加 ,沙漠化现象日趋严重。同时 ,气候变化是造成该沙漠流沙化面积增加的主要原因 ,人为因素起到了诱发和加速作用。总之 ,无论哪种诱发过程所导致的沙漠化 ,如果不采取积极的防御措施 ,都将给人类生活与生存环境带来极大危害。

古尔班通古特沙漠砂的物理力学性质

野外勘察和大量物理力学性质试验结果表明,古尔班通古特沙漠砂的厚度一般小于200m。粒径较均匀,控制粒径(d60)变化范围在0.12～0.25之间,由北至南,从上到下砂粒直径略有减小。在天然状态下,沙漠砂含水量1%～2%,干密度1.55～1.62g·cm-3,中密状态,低压缩性,渗透系数2.0×10-2～4.0×10-3cm·s-1,临界破坏比降0.9～1.7,破坏形式为流土。抗剪强度指标c=5.0～14.0kPa,φ=29°～34°。承载力特征值100kPa。天然状态的沙漠砂按冻胀率划分为不冻胀性砂,当含水量小于18%时,为不冻胀或弱冻胀性砂。当砂在饱和状态时为冻胀性砂。沙漠砂力学性质的变化主要受干密度和含水量的影响。干密度越大,含水量越小,其力学性质越好。对于沙漠工程,提高沙漠砂的干密度,做好构筑物的防渗排水,避免地基含水量增高,是保证工程设施安全、正常运行的关键。

梭梭次生木质部解剖特征及其可塑性研究

为揭示梭梭对干旱环境的适应性,对古尔班通古特沙漠南缘梭梭次生木质部解剖结构进行观测,研究次生木质部解剖特征的可塑性。结果表明:梭梭次生木质部解剖结构中,导管有宽导管和窄导管2种,导管频率和导管复孔率较高,导管个数较多,导管壁和纤维壁明显增厚,Vulnerability值和Mesomorphy值较小,因此梭梭对干旱环境的适应性强。2种土壤类型中,沙质类型的导管壁厚、导管频率、导管复孔率、导管长度和纤维壁厚显著高于土质类型,而纤维长度则极显著低于土质类型,表明沙质类型梭梭比土质类型具有更强的抗旱性。梭梭次生木质部解剖结构对水分条件具有较强的可塑性,使古尔班通古特沙漠的梭梭具有更宽的生态幅和更好的抗旱性,从而成为该沙漠的优势种。

一株沙漠小球藻不同培养方式的比较

选取了一株从古尔班通古特沙漠分离的小球藻GTD8A1，考察了其在不同碳源下的异养能力以及不同培养方式下的生长情况和蛋白质、总脂含量以及脂肪酸组成的变化。结果表明，此株小球藻分别添加5种碳源时，在不同培养方式下均能生长，其中以葡萄糖和乙酸钠为外加有机碳源时生长能力最好，异养和兼养的生长周期比自养的生长周期缩短60％～80％，生物量比自养提高2—4倍。在以乙酸钠为碳源异养培养时，其蛋白质含量和脂质含量均比自养培养的高出1．5—2倍。气相色谱分析显示，其自养、兼养和异养培养时C18：3含量很高，尤其是自养时其含量达总脂肪酸含量的70％左右，兼养和异养培养时饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸比例增大，C18：3的比例降低。

古尔班通古特沙漠灌丛雾凇的生态水文学效应

对生长于古尔班通古特沙漠东南边缘的梭梭和白梭梭两种植物的小枝与灌丛雾凇量进行了观测,并结合植被调查估算这两种植物对群落雾凇量的贡献量,探讨群落雾凇量与气象要素之间的关系.研究结果表明:在小枝水平上,白梭梭雾凇量是梭梭的1.5倍,但是在灌丛和群落尺度上,梭梭却是白梭梭的1.5和3.6倍.小枝粗细及其生长位置、灌丛形态结构和相对种群密度的差别共同造成两种植物雾淞量不同水平的差异.积雪、低风速、逆温和高湿是形成雾凇的最主要原因,日最高气温(Tma)与群落雾凇量(Rime)相关性最显著,它与日最小比湿(qmi)组成的二元线性方程可以解释Rime 98.50%的变异.在观测期,当Tma>-11.48℃时,Rime随Tma的变化率较大,当Tma<-11.48℃时,Rime随Tma的变化率较小,前者是后者的3.59倍.总之,雾凇能部分补偿雪面蒸发造成的积雪量减少,间接地保护了浅薄的地表积雪,是古尔班通古特沙漠冬季极重要的生态水文学过程.