西北干旱区荒漠植物叶片和细根碳、氮、磷化学计量特征

植物的叶片和细根是植物地上部分和地下部分最重要的营养器官,其碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量特征反映了植物的养分限制状况及叶片与细根间的协同作用,开展叶片与细根化学计量关系的研究,对认识植物养分利用策略及元素间平衡关系有重要意义。对西北干旱区21种荒漠植物叶片与细根C、N、P含量进行了测定,分析了C、N、P含量及其计量比在不同生活型及不同器官间的关系。结果表明:1)西北干旱区荒漠植物叶片与细根C含量相对稳定,叶N、P含量高于细根,说明在干旱生境中,植物对养分的分配侧重于地上部分,以完成其正常的生命活动;叶片与细根的N∶P无显著差异,有明显的保守性,表明植物地上与地下部分养分吸收策略与分配规律具有一致性;2)不同生活型植物叶片和细根的C、N、P含量及C∶N、C∶P存在显著差异,灌木与禾草具有较高的C∶N和C∶P,杂类草具有较高的N、P含量,说明灌木与禾草倾向于保守型养分适应策略,杂类草倾向于快速生长的资源竞争策略;3)21种荒漠植物叶片与细根N、P含量间均存在显著的正相关关系,表明西北干旱区荒漠植物体内N、P元素间存在相互作用;4)植物叶片与细根间C、N、P含量及C∶N、C∶P存在等速生长关系,表明植物光合产物和养分在地上与地下部分间的分配具有平行的比例关系,但这种关系受生活型影响。上述结果表明西北干旱区不同生活型植物在恶劣生境中存在不同的养分适应策略,且地上与地下部分的养分利用策略及分配规律存在协同作用,这为进一步认识西北干旱区荒漠植物的养分利用策略提供了试验基础。

西北干旱区荒漠戈壁两次极端沙尘事件的对比研究

为深入理解极端沙尘暴事件的演变过程和驱动因子,结合多源卫星遥感及再分析数据,挑选2007年3月31日(“3·31”事件)和2021年3月14日(“3·14”事件)爆发于西北干旱区荒漠戈壁的两次沙尘暴事件,对比分析了其时空演变、高低空环流配置、近地面气象要素的变化。结果表明:(1)两次极端事件分别爆发于塔克拉玛干沙漠及戈壁荒漠,均受高低层天气系统影响。其中,“3·31”事件受地面冷锋和高空脊控制,脊前西北冷空气与地面冷锋引起的垂直运动配合,将沙尘往下游输送;而“3·14”事件则受蒙古气旋和高空槽影响,气旋后的偏北风和气旋引发的垂直运动将沙尘卷起至高层大气,并通过槽后西北风将其往下游输送;(2)两次极端沙尘事件均有持续时间长的特点,区别在于“3·31”事件主要受高压脊、均压场和周边地形影响,大气层结稳定,沙尘不易沉降和输送,而“3·14”事件则因中国北部持续性高压导致的偏南风和偏东风阻止了沙尘向下游扩散;(3)两次极端沙尘事件爆发前,塔克拉玛干和戈壁荒漠均出现了高温、降水减少及土壤水分枯竭现象,即强风和干燥土壤。为极端沙尘事件的爆发创造了有利的动力条件和物质基础。

“碳中和”下光伏对西北荒漠生态因子与植被分布的影响

我国的"碳中和"战略将推动西北荒漠区太阳能资源的大规模利用。光伏基地的下垫面结构变化对荒漠土地植物生长的生态要素将产生什么影响,目前尚缺乏系统性认识。本文以腾格里沙漠南沿宁夏中卫市的光伏产业园区为例,通过分析卫星遥感植被指数和已有文献资料发现:2011-2021年间园区内有植被覆盖的像素单元从近乎为0增长至约33%,光伏阵列的建设改变下垫面的能量、温湿度和风场等生态因子是促使植被由无到有发育的决定因素。在满足2060年我国约4.0~4.3万亿kWh光伏发电需求的前提下,最可能情境的光伏建设用地需求为2.4~4.0万km^(2),可促进约1.6~2.6万km^(2)荒漠土地的植被发育。这虽不足以根本改变西北荒漠区的生态格局,但继续深入研究光伏基地中生态因素的变化和效应,对认识西北荒漠区植被发育机制、生态阈值和水资源利用的可持续性有重要意义。

西北荒漠区6种珍稀濒危植物的种子微形态特征

首次报道了我国沙区6种珍稀濒危植物的种子微形态结构的光镜及扫描电镜观察结果。实验结果表明:沙冬青、四合木、半日花等6种珍稀濒危植物的种子微形态特征呈现出丰富的多样性,且大多具有复杂精细的表面纹饰。

不同尺度绿洲环流和边界层特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3.4非静力平衡模式,通过三重嵌套,模拟研究了西北地区不同尺度绿洲环流及边界层特征,发现不同绿洲系统地面能量和水分的输送是不同的,尺度较小的绿洲其地面潜热大,感热相对小。尺度在15km以上的绿洲可以形成绿洲—沙漠环流和绿洲的小气候,有较低的边界层,同时在绿洲边缘的沙漠形成湿气柱。尺度在几公里的绿洲不能形成绿洲—沙漠环流和绿洲边缘的湿气柱。尺度较大的绿洲形成的温度和湿度边界层结构和环流配合,使绿洲形成具有自我保护的绿洲小气候环境,有利于绿洲生态的发展。

春季黄河附近乌海市露天煤矿大气不同粒径粉尘质量浓度分布规律

为探究西北干旱荒漠地区露天煤矿春季各起尘区域内不同粒径粉尘(PM1.0、PM2.5、PM10.0和TSP)质量浓度分布规律及其影响因素,选择内蒙古乌海市典型露天煤矿,在春季(4—5月)对不同区域的粉尘质量浓度进行监测。结果表明:1)有作业时,矿内4种粒径粉尘质量浓度整体均呈现“两峰两谷”变化特征,无作业时仅在清晨和傍晚较高;矿外粉尘质量浓度呈清晨较高,之后持续降低的趋势。2)风速增大、温度和湿度降低会导致矿内粉尘质量浓度增大,其中风速影响最大;矿外粉尘质量浓度与湿度呈显著正相关。3)矿内和矿外大气中所含颗粒物主要为粗颗粒物,其各区域ρ(PM10.0)/ρ(TSP)值分别为0.59~0.69和0.50~0.62,各粒径粉尘在矿内各区域无明显分布差异,但粗颗粒物在矿外各区域间分布差异明显(P<0.01)。4)矿内各区域间粉尘质量浓度相关性较大,且矿区道路与储煤场间的相关性最大;矿外各区域间相关性随颗粒物粒径的增大而增大。在构建矿区粉尘质量浓度预警及防控技术体系时,建议重点考虑道路、矿坑、储煤场等主要作业区所产生的粗颗粒物,同时考虑风速和湿度对矿内外区域的不同影响。

宁夏燃煤电厂周边土壤、植物和微生物生态化学计量特征及其影响因素

大气酸沉降增加对陆地生态系统的影响已得到了广泛证实,但有关酸沉降累积下工业排放源周边植被-土壤系统元素平衡特征及其影响机制的研究较少。燃煤电厂是主要的工业酸排放源之一。因此,以宁东能源化工基地3个燃煤电厂为观测点,研究了电厂周边土壤-植物叶片-微生物生态化学计量特征,分析了叶片和微生物生物量生态化学计量特征与降水降尘S、N沉降量及土壤性质的关系。结果表明:土壤和微生物生物量C∶N∶P生态化学计量特征变异系数较大,叶片各指标的变异系数较小。与受人类活动影响较少的其他同类型区相比,研究区具有较高的土壤有机C水平和N、P供给,且P相对于N丰富。植物可能主要受N限制,而微生物主要受P限制;土壤及微生物元素间均存在极显著的线性关系(P<0.001)。叶片全C与全N、全P均无显著的关系(P>0.05)。叶片全N、全P和N∶P具有高的内稳性。微生物生物量N∶P内稳性较强,但生物量N和P内稳性较弱,对土壤环境的变化反应敏感;SO_(4)^(2-)沉降有助于促进叶片对P的摄取和微生物对C、N、P的固持。少量NO_(3)^(-)沉降有利于叶片N摄取,但持续增加的NO_(3)^(-)沉降可能会使土壤P受限性增强,进而抑制叶片P摄取和微生物生物量积累。土壤酶活性、Ca^(2+)和含水量亦显著影响着植物和微生物元素生态化学计量关系(P<0.05)。因此,今后还需结合多个电厂的土壤性质和植被状况,从较长时间尺度上深入揭示酸沉降增加对工业排放源周边植被-土壤系统元素平衡特征的影响机制。

西北荒漠区土壤氮素组分沿干旱梯度的空间变化

旱区面积占比大,对全球气候变化响应敏感。氮素通常被认为是荒漠生态系统的第二大限制资源,存在不同的形态,然而目前尚不清楚干旱程度如何影响土壤氮素的空间分布。本研究基于中国西北荒漠区54个样点的无机氮、有机氮和全氮数据,结合气候环境数据,探究不同干旱程度下,西北旱区氮素组分的空间变化及驱动要素。结果表明:土壤氮素沿干旱梯度的空间变化存在明显的干旱阈值(0.87),土壤氮素组分的空间变化对干旱程度的响应呈现突变特征;在阈值附近,土壤全氮、有机氮含量和有机无机氮比例急速上升,而硝态氮含量快速下降;干旱阈值前后的全氮和有机氮含量均随干旱增加而显著下降;0~10 cm土层内,土壤全氮和有机氮含量随土层的加深而逐渐增加。干旱程度会直接或通过土壤含水率、电导率和pH间接影响氮素组分的空间变化。

西北干旱荒漠区矿区废弃地近自然地形重塑指标体系构建

地形重塑是矿区废弃地生态重建的基础工程,影响着整个生态重建的效果。近自然地形重塑技术以邻近未扰动的自然地貌为参照进行地形构建,近年来成为矿区土地复垦和生态重建所关注的热点。但在近自然地形重塑时,究竟需要参照自然地形哪些方面的特征、需要用到哪些必要的参数指标、依据哪些指标对地形设计结果进行评价?这些问题尚缺乏系统的讨论。本文以西北干旱荒漠区为目标区域,运用“扎根理论”对这些问题进行了系统的探讨。我们基于大量文献调研和12位专家的半结构式访谈资料,依据“扎根理论”方法进行三层编码,最终构建了矿区废弃地近自然地形重塑的三级指标体系。该指标体系包含3个主类别、8个次类别和26项参数。所制定的参数指标可支撑近自然地形设计流程中的各个环节,并可涵盖矿区地形重塑中多个方面的指标需求。该工作可为进一步深入研究近自然地形重塑方法、完善其技术体系提供有力支撑。

西北干旱荒漠区风蚀气候侵蚀力时空变化特征

土壤风蚀是制约西北干旱荒漠地区社会活动与经济发展的重要因素。为揭示西北干旱荒漠区土壤风蚀气候侵蚀力分布,通过中国区域地面长时间序列气象要素驱动数据,并结合Arc GIS软件分析,评估了该区风蚀气候侵蚀力时空变化与转移特征。研究结果显示:(1)西北干旱荒漠区在降水量、风速以及多年平均温度等气象因素均表现为随年代际递增的背景下,风蚀气候侵蚀力呈现出整体降低,大部分区域C值介于0-100,但在腹地及少数部分区域为增长趋势,C值高于150;(2)月际C值变化差异明显,春夏季最大、其次为冬季,最小为秋季;突变性检验发现风蚀气候侵蚀力在春季变异最强,有4个突变点,且长期处于波动式下降;(3)区域土壤风蚀程度由腹地向四周逐渐减小,且高侵蚀影响面积逐年递增;(4)风蚀气候侵蚀力时空转移变化特征表现为整体为小幅度衰减,但部分地区却表现为增加甚至明显增加趋势。研究成果可为西北干旱荒漠区风沙灾害防治提供相应的理论依据和科技支撑。

西北干旱荒漠区东部人工绿地层状土壤盐渍化特征及其影响因子分析

本本研究以西北干旱荒漠区东部的内蒙古乌海市和宁夏灵武市为研究区,在人工绿地上选取6类土壤剖面以研究其盐渍化特征,即均质砂土(A)、均质壤土(B)、上砂下壤(C)、上壤下砂(D)、夹层型(E)(壤-砂-壤(E1)、壤-粉-壤(E2)、砂-壤-砂-壤(E3))和上壤下石(石块)(F)。此外,采用冗余分析(RDA)的方法分析灌溉因子、土壤物理因子和土层深度对土壤盐渍化的影响。结果表明:(1)各层土壤的全盐量(TS)介于115.5-4945.5mgkg^(-1),A、B、C、D、E和F类剖面分别有6.7%、26.7%、6.7%、20.0%、33.3%和40.0%的土层达到轻度盐化,D、E和F类剖面分别有13.3%、20.0%和20.0%的土层达到中度盐化,F类剖面有40.0%土层达到重度盐化。A、B、D和F类剖面以表聚型为主,C类剖面为底聚型,E类剖面中的剖面E1和E2为底聚型,E3为表聚型;(2)土壤pH介于7.49-9.31,钠吸附比(SAR)介于0.67-15.28;(3)RDA分析结果显示,前两个排序轴反映了74.0%以上的土壤盐渍化特征,能清楚地表明土壤盐渍化指标与影响因子之间的关系。粉粒含量、灌溉频率、黏粒含量、灌溉定额、灌溉频率和土层深度分别是剖面A、B、C、D、E和F土壤盐渍化的最大影响因子,土壤含水率与土壤盐分具有极显著的共空间特性(P<0.01)。

西北干旱区荒漠植被生态需水量估算

基于AVHRR-GIMMS和SPOT-VEGETATION两种NDVI数据计算西北干旱区生长季植被覆盖度指数（fc）,根据该指数划分阈值范围确定荒漠植被面积,并在塔里木盆地进行适用性验证。通过荒漠植被面积和参考作物蒸散量（ET0）,采用潜水蒸发模型,计算西北干旱区1982—2010年荒漠植被生态需水量,以期为今后西北干旱区水资源利用和管理提供科学依据。结果表明：根据fc确定荒漠植被面积,在西北干旱区阈值范围设为0.1~0.35较为合理;1982—2010年西北干旱区荒漠植被面积总体上变化不大,呈现增-减-增的波动趋势。高、低覆盖度荒漠植被面积多年平均值分别为234.3和448.2万hm2;西北干旱区ET0空间分布总体为南疆大于北疆、东部大于西部,其中南疆、北疆及河西地区ET0多年平均值分别为1066.9、975.6和1171.6 mm。根据ET0数据拟合分析计算西北干旱区荒漠植被潜水蒸发量,其中南疆、北疆和河西地区低覆盖度荒漠植被潜水蒸发量多年平均值分别为75、64和82 mm,高覆盖度荒漠植被分别为275、233和299 mm;1982—2010年西北干旱区荒漠植被生态需水量呈减少趋势,以0.1063亿m3·a-1的速率减少,多年平均生态需水量为134.13亿m3。其中高覆盖度荒漠植被需水量多年平均为91.64亿m3,以0.3034亿m3·a-1的速率减少;低覆盖度荒漠植被需水量多年平均为42.49亿m3,以0.1972亿m3·a-1的速率增加。

开垦对西北干旱区荒漠土壤养分含量及主要性质的影响--以甘肃省临泽县为例

本文选择开垦年限约为10年的耕地及自然状态下的荒地作为研究对象,对比分析了开垦对荒漠土壤养分含量以及pH、阳离子交换量的影响。结果表明:荒地开垦为农田后,土壤剖面有机碳、氮、磷、钾含量、CEC、C/N均有不同程度的升高,pH值有所下降;表层土壤受耕作的影响程度大于下层土壤。开垦后土壤0-15cm有机碳增加了359%;全氮增加了367%、全磷增加了47.5%;速效养分也有一定程度的增加,且增加的幅度大于全量。总体来说,耕作活动增加了荒漠土壤养分,在一定程度上改善了土壤质量。