塔里木盆地南缘绿洲-沙漠过渡带8种植物C、N、P生态化学计量特征的季节变化

研究荒漠生态系统中乔木、灌木和草本叶片生态化学计量特征及其随季节变化的规律,旨在阐明不同生活型植物生长发育过程中生态化学计量特征动态平衡及其差异,为荒漠生态系统的保护与管理提供理论依据。选择塔里木盆地南缘绿洲-沙漠过渡带内不同生活型8种植物,在生长季的4—9月连续进行叶片采集,分析叶片C、N、P含量及其计量比在整个生长季的变化。结果表明:(1)整体上,8种植物叶片C含量的季节变化不大,N、P含量在生长初期最高,之后逐步下降,体现了明显的稀释作用,而植物叶片的C∶N、C∶P和N∶P在整个生长季内的变化规律不一致;(2)综合分析8种植物叶片C、N、P含量及其计量比值在整个生长季节内的变异,变异系数由大到小排序为:P(32.39%)>C∶P(25.67%)>N(20.96%)>N∶P(20.42%)>C∶N(19.83%)>C(6.49%);(3)植物叶片C含量的变异主要受物种和生活型的影响,N、P含量及C∶N、C∶P的变异受物种和生长季的影响最大,而N∶P的变异受到生长季与物种的交互影响大于生长季的影响;(4)8种植物叶片N、P含量间存在极显著的正相关关系(P<0.001);P含量则与N∶P间呈现显著负相关(P<0.001),而N含量与N∶P间无显著相关性(P>0.05)。绿洲-沙漠过渡带8种植物叶片碳、氮、磷含量及其化学计量比在生长季因物种而不同,它们在生长季内的变异系数在物种间也存在差异,植物生长更容易受到N元素的限制。

自然光照和荫蔽条件下两种荒漠植物叶片凋落物分解特征研究

塔克拉玛干沙漠南缘环境条件恶劣,土壤养分含量匮乏,植物群落结构和组成较简单,不同环境要素对凋落物分解的影响都存在复杂性和特殊性。为探究极端干旱区凋落物的分解特征,以塔克拉玛干沙漠南缘优势植物种骆驼刺(Alhagi sparsifolia)和花花柴(Karelinia caspia)的叶片凋落物为研究对象,利用凋落物分解袋法,研究在自然光照和遮光处理下两种荒漠植物叶片凋落物质量分解和碳(C)、氮(N)元素含量释放特征。结果表明:(1)两种植物叶片凋落物的质量损失过程均符合指数衰减模型。(2)经过9个月的分解,自然光照下骆驼刺和花花柴凋落物的失重率分别为39.81%和45.43%;遮光处理下两种凋落物的失重率分别为22.22%和20.06%,光照条件下凋落物的分解速率显著高于遮光条件(P<0.05)。(3)在整个分解过程中,两种植物叶凋落物C含量呈释放状态,而其N含量呈现不同的释放状态,骆驼刺叶凋落物N含量呈现富集-释放-富集的状态,花花柴叶凋落物N含量呈现富集状态。综上所述,在极端干旱区,光辐射是影响凋落物分解的主要驱动因素。

不同采收间隔双排油莎豆(Cyperus esculentus)带风场结构与防风效能的模拟研究

油莎豆(Cyperus esculentus)根系发达,具有作为防风固沙作物的巨大潜力。开展不同条带状采收方式下油莎豆带的防风固沙效益研究,对于合理利用油莎豆进行防风固沙具有重要意义。以风洞模拟为手段,分别在6 m·s^(-1)、8 m·s^(-1)、10 m·s^(-1)3种风速下,对隔一带采收一带(H1)、隔一带采收两带(H2)、隔一带采收三带(H3)3种不同油莎豆采收模型在风洞不同位置的风速进行测定,并对不同模型的流场特征、风速加速率及防风效能进行分析。结果表明:(1)3种不同油莎豆采收模型中,气流均在近床面内受油莎豆模型阻挡,风速被急剧削减形成一定面积风影区,H2与H3模型的流场结构稳定性、风影区面积均比H1模型高。(2)随着风速增加,不同模型的防风效能均有所下降。H2与H3模型背风面在不同风速下的平均防风效能没有显著差异,但显著大于H1模型。在采收间距内,H2与H3模型防风效能均>50%,H1模型<40%。(3)从防风固沙效益及流场稳定性来看,H2与H3模型之间没有显著差异且显著大于H1模型。但从经济效益来看,H2模型采收间距减小,经济效益降低。综合防风固沙的生态效益与获取油莎豆的经济效益来看,H3模型为推荐采收方式。本研究通过对不同油莎豆采收模式的防风固沙效益,为利用油莎豆进行防风固沙提供了指导,并为在干旱半干旱地区推广种植油莎豆,获得更大的生态经济效益提供了理论依据。

骆驼刺叶片和根系主要功能性状对水分胁迫的适应

植物通过改变地上和地下器官的功能性状和养分分配响应土壤水分变化。本研究以生长两年的骆驼刺(Alhagi sparsifolia)幼苗为研究对象,设置了4个水分梯度(W1:田间持水量的30%;W2:田间持水量的40%;W3:田间持水量的55%;CK:田间持水量的75%),并分析了骆驼刺叶和根的主要功能性状的变化特征。结果表明:水分的减少显著降低了骆驼刺的叶、茎、刺、地上、地下生物量(P<0.05),而对根冠比的影响并不显著(P> 0.05)。骆驼刺幼苗主要通过减小叶面积、增大比叶面积、减小根体积、增加比根长的生长策略响应水分胁迫。初步说明,骆驼刺能利用自身性状间的协同或权衡作用形成不同的适应策略。在所有水分梯度下,骆驼刺将更多的养分分配在根系中,器官间养分含量呈根>叶>茎>刺的规律;地上与地下之间的养分比值和水分变化正相关。本研究为塔克拉玛干沙漠南缘地区荒漠植被生态恢复提供了理论依据。

不同水氮条件下骆驼刺幼苗生长及氮效率变化特征

在荒漠生态系统氮沉降背景下,研究退化植被幼苗对水分和氮素变化的响应特征,对实现植被恢复和重建具有重要意义。在塔里木盆地南缘对骆驼刺(Alhagi sparsifolia)幼苗通过2年的水分(干旱、中水和湿润)和氮素(不施氮、低氮(51 mg/kg)、中氮(102 mg/kg)和高氮(306 mg/kg))添加试验,研究骆驼刺幼苗干物质累积、生物固氮和氮效率对水氮条件变化的响应。结果表明,骆驼刺幼苗不同器官的干物质累积和吸氮效率对水氮条件变化的响应因生长年份而异,但幼苗整株干物质累积和吸氮效率在2个生长年份的变化趋势却相似。在干旱条件下,骆驼刺幼苗的干物质量、吸氮效率和生物固氮量均在低氮处理下显著增加,之后随施氮量增加而降低。水氮交互可显著提高幼苗干物质累积、吸氮效率和生物固氮量,其中以中水中氮处理的效果最好。水氮添加有降低骆驼刺幼苗氮素利用效率(NUE)的趋势,但在干旱和中水条件下施氮可显著提高幼苗的生物固氮比例,然而生物固氮比例与NUE仅在第2个生长年份呈显著负相关。在2个生长年份,骆驼刺幼苗干物质量与吸氮效率和生物固氮量呈极显著正相关关系,但与NUE和生物固氮比例并无明显相关性。这表明骆驼刺幼苗主要是通过调节吸氮效率和生物固氮量来适应水氮条件变化,进而影响幼苗干物质累积。

气候变化和人类活动干扰下骆驼刺潜在分布格局变化特征

气候变化和人类活动是影响物种分布的最重要因素。骆驼刺是我国荒漠区的重要建群种,建群种的丧失将对荒漠生态系统产生严重损伤。因此预测气候变化和人类活动影响下骆驼刺适宜生境的变化特点对保护我国荒漠生态系统具有重要的意义。本研究采用61个骆驼分布点数据,和21个环境因子数据,运用最大熵模型(MaxEnt)预测骆驼刺当前在有、无人类活动干扰下的适宜生境分布,对影响其分布的环境因素进行了评估。并预测未来(2021—2040,2041—2060,2061—2080,2081—2100)四条共享社会经济路径(SSP126,SSP245,SSP370,SSP585)情景下,骆驼刺潜在分布区的变化特点。研究结果表明,在无人类活动干扰的情况下,骆驼刺适生区面积达132.29万km^(2),覆盖我国西北干旱区的大部分面积。年均降水量、最冷季度平均温、平均气温日较差、年均温、温度季节性、降水的季节性和高程被确定为影响骆驼刺潜在分布区的最重要因素。而在加入人类活动强度因素之后,骆驼刺适生区面积显著下降至71.31万km^(2),且呈现出破碎化状态。此时,年降水量、人类活动强度和高程是影响骆驼刺分布的最重要原因。在未来气候情景下,骆驼刺的适生区将产生一定的扩张。尤其在中高强迫(SSP370)和高强迫(SSP585)情景下,骆驼刺的适生面积将随时间推移产生显著的增加,且这种扩张主要向高纬度和高海拔地区发展。骆驼刺能保留大部分原有生境,仅在内蒙古中西部地区发生少量收缩。在气候变化条件下,骆驼刺能够在西北干旱区生存并扩张,故可将其作为防沙治沙的优良物种进行保护与开发。

和田地区核桃林下经济发展模式初探

林下经济充分利用林下各种资源,合理进行林下种植和养殖,是一种资源多重、高效利用的经济模式,同时可以获得良好的生态效益和经济效益。本文介绍了和田地区林下经济的几种主要模式,强调了当前发展林下经济的几点注意事项。

极端干旱区种植行距对油莎豆生长及土壤特性的影响

为探究油莎豆(Cyperus esculentus)在极端干旱风沙环境中适宜种植行距,本研究在塔里木盆地南缘风沙活动强烈地段设置30 cm,60 cm,90 cm,120 cm等4个种植行距,分析了行距对油莎豆生长及土壤特性的影响。结果表明:油莎豆饲草与块茎产量随行距增加均呈先降低后增加的趋势;株密度与饲草、块茎及根系生物量均在30 cm行距下最大,在90 cm行距最低,但在60 cm与120 cm行距之间没有明显差异;在30 cm行距下,块茎和根系的氮、磷、钾吸收量均显著高于其他处理,相应的其在0~20 cm土层的碱解氮、有效磷和速效钾含量显著下降(P<0.05);油莎豆种植后显著降低了20~40 cm土层盐分累积(P<0.05),但在0~20 cm土层,90 cm和120 cm行距处理的盐分累积却显著增加(P<0.05),且达到轻度盐渍化水平。综合来看,种植行距为30 cm时,油莎豆的生长表现及土壤盐分环境均优于其他处理,可作为该区域的推荐种植行距。

基于机器学习算法的草地地上生物量估测——以祁连山草地为例

草地地上生物量(Aboveground Biomass,AGB)是指导畜牧业生产管理的重要指标,是草畜平衡综合分析的基础。目前,有关祁连山草地AGB反演的研究较少,且多源数据间的尺度差异问题并未得到很好的解决。为了解祁连山草地AGB的空间分布状况,利用Sentinel-2多光谱数据、无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)数据以及2021年植被生长期实测草地AGB数据实现了空天地一体化监测,通过决策树回归(Decision Tree Regression,DTR)、随机森林回归(Random Forest Regression,RFR)、梯度提升决策回归树(Gradient Boosting Regression Tree,GBRT)以及极致梯度提升(eXtreme Gradient Boosting,XGBoost)共4种算法反演草地AGB的适用性分析,利用最优模型反演了祁连山草地的AGB空间分布状况。结果表明:研究区内多种植被指数所表现出的特性有所差异。祁连山地区AGB在空间分布上呈现出由西北向东南递增的趋势,平均AGB为925.43kg/hm^(2)。6种植被指数与实测AGB之间均表现为显著正相关,适合作为祁连山草地AGB遥感反演的指标;XGBoost模型较其它模型具有最高的R^(2)值(0.78)和精度(74.75%)、最低的均方根误差(RMSE,99.74 kg/hm^(2))和平均绝对误差(MAE,71.60 kg/hm^(2)),模型反演效果最好;UAV数据能够提供更加详细的空间细节特征,减小Sentinel-2数据和实地采样数据间的尺度差异;因此,基于6种植被指数与祁连山草地AGB间的相关性,构建XGBoost模型反演研究区草地AGB空间分布状况是具有实践意义的。研究结果将为指导祁连山草地畜牧业的发展和维护草地生态系统的平衡提供一定的参考价值与数据支撑。

疏叶骆驼刺与花花柴互作对氮素固定和根际微生物的影响

植物种间的相互关系通过相关微生物直接或间接的影响来实现。豆科与非豆科植物的互作是研究植物种间关系的理想模型,但是对其互作关系中氮素固定和微生态过程尚不明确。以塔南荒漠优势植物疏叶骆驼刺(Alhagi sparsifolia Shap.)(豆科)和花花柴(Karelinia caspia(Pall.) Less)(菊科)为研究对象,研究了在不同生境(自然和小区)下两者互作对氮素固定和根际微生物的影响。结果表明,在自然和小区两种生存环境下疏叶骆驼刺与花花柴都有氮素转移特征,并且这种转移特征在自然生境下更为明显。在自然生境中从疏叶骆驼刺转移到花花柴的氮素占花花柴总氮的50%左右,而在小区生境中只占30%左右。互作改变了花花柴各组织的化学计量比,在互作条件下花花柴叶片氮素含量比重增加。此外,疏叶骆驼刺与花花柴的互作降低了前者的根际细菌群落的Shannon index,并且改变了其根际土壤细菌的基因功能。互作对花花柴根际微生物群落没有显著影响,但在互作条件下疏叶骆驼刺根际土壤细菌中参与氮素转运的相关基因丰度显著高于单独种植,其中对细根根际土壤细菌的多样性及其基因丰度影响最大。且互作降低了疏叶骆驼刺细根的氮含量。因此,疏叶骆驼刺细根可能是疏叶骆驼刺和花花柴互作的关键部位。本研究为荒漠植被保护与恢复提供了科学依据。

南疆盆地亏缺灌溉和覆膜对油莎豆生物量及产量的影响

研究南疆盆地油莎豆(Cyperus esculentus)滴灌覆膜的效果和最适宜的灌溉制度,为构建南疆盆地油莎豆节水高产管理栽培模式提供参考。通过1 a的试验,在覆膜(M)和不覆膜(NM)条件下,设置3种水分处理水平,即:CK处理(对照,以当地常用灌溉量5316.45 m^(3)·hm^(-2))、T1处理(灌溉量为3431.40 m^(3)·hm^(-2))和T2处理(灌溉量为4133.85 m^(3)·hm^(-2)),灌溉频率为6~10 d,研究覆膜和水分控制对油莎豆生长、品质、产量和水分利用效率的影响。结果表明:(1)油莎豆的密度受水处理的影响显著(P<0.05),而根冠比受水处理影响不显著(P>0.05)。(2)覆膜处理的草粗脂肪、可溶性淀粉、可溶性糖含量比未覆膜平均提高58.82%、3.35%和17.20%,覆膜处理块茎的粗脂肪含量、可溶性淀粉、可溶性糖含量均高于未覆膜的,分别增加了7.48%、2.56%和2.55%,且水处理间差异不显著(P>0.05),但是均在T2处理达到最大。(3)产量和水分利用效率随灌溉量增加呈先增加后降低的趋势,其中覆膜条件下,T2处理的草和块茎的产量最大,分别为3974.55 kg·hm^(-2)和5253.85 kg·hm^(-2),较CK处理分别显著增加6.45%和36.95%(P<0.05),较未覆膜条件下,T2和CK平均产量显著增加29.41%和34.76%(P<0.05),水分利用效率也在T2处理达到最大值,其中覆膜处理下,草和块茎在T2处理的水分利用效率较CK显著提高38.63%和34.33%(P<0.05);与T2(覆膜)处理相比,未覆膜条件下CK、T2处理的草和块茎的水分利用效率分别显著提高38.91%和34.33%(P<0.05),覆膜处理对草的水分利用效率差异不显著(P>0.05),但是对块茎的水分利用效率差异显著(P<0.05)。因此,在覆膜条件下,灌溉定额为4133.85 m^(3)·hm^(-2)(T2)时,不仅提高了油莎豆的品质和产量,也提高了水分利用效率,节约水资源。