土壤碳氮特征沿干旱梯度时空格局及对气候变化的响应——基于中国生态系统研究网络(CERN)长期定位监测数据

土壤碳氮含量及其化学计量特征是表征生态系统碳汇能力和土壤质量的重要指标,在支撑生态系统结构功能以及缓解气候变化中起着关键作用。利用中国生态系统研究网络(CERN)长期定位监测数据,分析了土壤碳氮特征沿干旱梯度的时空规律及其对气候变化的响应。结果表明:空间上,典型荒漠草原生态系统随着干旱加剧,土壤有机碳和全氮含量减少,土壤有机碳对干旱响应的敏感性降低,而土壤全氮对干旱响应的敏感性增加,土壤有机碳随土壤全氮含量的增加而增加。时间上,2005—2018年,荒漠草原生态系统土壤有机碳和全氮含量变化速率沿干旱梯度表现出由负转正的增加趋势,其中,干旱区呈减少趋势,半干旱和半湿润地区呈增加趋势,鄂尔多斯站和沙坡头站呈显著增加趋势。从影响因素来看,土壤碳氮特征对降水量增加的敏感性沿干旱梯度呈现出先增强后减弱的“上凸”抛物线趋势,温度变化对土壤碳氮特征的调控没有表现出明显的干旱梯度效应。土壤碳氮比、土壤有机碳含量、土壤全氮含量对降水量和平均温度变化响应的敏感性均依次降低。不同干旱梯度土壤碳氮特征的变化规律为未来气候变化下生态系统结构与功能预测提供科学依据。

NaCl处理对梭梭生长及生理生态特征的影响

以1年生梭梭幼株为材料,采用盆栽试验研究不同浓度(0,50,100,200,400mmol/L)NaCl处理对梭梭生长状况及同化枝过氧化氢(H2O2)、丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性、水势、可溶性糖和脯氨酸含量的影响。结果表明,低浓度的NaCl处理(50mmol/L)对梭梭的生长具有促进作用,梭梭株高和基茎粗在400mmol/L NaCl处理下较对照显著减少,冠幅面积和同化枝、茎干重在NaCl浓度为≥200mmol/L时较对照开始显著减少,根干重在NaCl浓度为≥100mmol/L时较对照呈显著减少趋势。因此,NaCl胁迫对梭梭根生长的抑制作用大于对冠幅面积,同化枝和茎干重大于对株高和基茎粗。根冠比在NaCl浓度≥100mmol/L时较对照显著减少。H2O2和MDA含量在高浓度NaCl处理下较对照出现积累现象。低浓度NaCl处理下(≤100mmol/L),梭梭同化枝SOD、POD、CAT和APX活性较对照均有所提高,它们协调一致的共同作用,有效地清除植物体内的活性氧(reactive oxygen species,ROS),高浓度的NaCl处理下(≥200mmol/L),CAT和POD活性较对照开始降低,抗氧化酶系统对ROS的清除效率减弱。梭梭同化枝水势随NaCl处理浓度升高而降低。可溶性糖和脯氨酸含量随NaCl浓度增加较对照先上升后降低。

4种荒漠植物的抗氧化系统和渗透调节的季节变化

研究了塔克拉玛干沙漠南缘4种荒漠植物的水势、渗透调节物质和抗氧化系统的季节变化。结果表明,4种荒漠植物的清晨水势和午后水势的最低值出现在7月,最高值出现在6月,说明在此区域,6月植物的水分状况相对较好,7月植物的水分状况最差。骆驼刺的MDA含量和活性氧(O2-和H2O2)积累随着季节变化均呈上升趋势,表明骆驼刺的膜脂过氧化和膜伤害随季节推进逐渐加剧;柽柳、花花柴和沙拐枣的MDA含量和活性氧积累最高峰值分别出现在7月、7月和8月,说明在水分亏缺最严重的7月和8月,植物面临的膜脂过氧化程度亦最高。4种植物的渗透调节物质积累和抗氧化酶活性的变化,与膜脂过氧化几乎同步。其中,柽柳是以脯氨酸和可溶性糖两者的积累来调节细胞质渗透势以适应极端环境,脯氨酸的积累是沙拐枣应对水分胁迫的主要物质之一,骆驼刺是以可溶性糖的积累来应对水分亏缺,花花柴这两者含量都不高,分析可能是以无机离子作为渗透调节物质。4个月SOD、POD和CAT活性的均值排序均为柽柳>沙拐枣>骆驼刺>花花柴,说明在整个生长季中,柽柳的活性氧积累最为严重,其保护酶SOD、POD和CAT对活性氧的清除均起到关键作用。

新疆策勒沙漠-绿洲过渡带不同下垫面地表蚀积变化特征

沙漠-绿洲过渡带天然植被具有良好的防风阻沙效益,对绿洲内部农田起到重要生态保护作用。在新疆策勒沙漠-绿洲过渡带流沙地、半固定沙地、绿洲边缘固定沙地6个不同植被覆盖度样地风蚀、风积变化观测基础上,结合地表风速数据,探讨流沙地、半固定沙地、固定沙地不同植被覆盖度和地形下地表风蚀风积变化特征及其影响因素。结果表明:流沙地表现出较强烈的地表风蚀;半固定沙地整体表现出强烈的地表风积;固定沙地上植被覆盖度越高、植株越高和排列方式越均匀、整体地势越低,单位面积风积量也就越大、风蚀量越小,风蚀主要发生在灌丛沙堆的上风向、侧翼、背风风向的裸低凹沙地表面,较高沙堆侧翼的地表风蚀量最大。植被覆盖度与单位面积风蚀量呈多项式或指数函数关系递减,植被覆盖度与单位面积风积量不呈函数分布,说明除了植被覆盖度外,植株类型、高度、排列方式、地形等都会对地表风积量产生一定影响。

防护林疏透度对近地层大气降尘的影响——以新疆策勒为例

防护林在削弱风速、减少风蚀的同时又可以影响近地层的大气降尘。为探讨防护林疏透度(β)对大气降尘的影响,对新疆杨防护林庇护区0.5m和3m高度降尘进行野外观测,并分析了两个高度降尘量空间分布。结果表明:β大于0.47时,防护林对降尘空间分布没有明显影响,0.5m高度降尘量大于3m高度,且林后3m高度降尘量比较平稳,而林后0.5m高度降尘量出现较大波动;β从0.47下降到0.2时,防护林可以明显影响林后降尘,两个高度降尘量变化趋势相似且平均降尘量差距减小;此段时间,林后两个高度均出现高降尘区,且0.5m高度的高降尘区滞后于3m高度。防护林在中等疏透度时(0.2~0.47)可以明显影响林后水平和垂直方向大气降尘,导致林后出现高降尘区,并促进3m高度降尘,减小两个高度降尘量的差距。因此,应避免将易受降尘危害的作物种植在林后高降尘区。

新疆策勒沙漠-绿洲过渡带水平输沙通量

新疆策勒沙漠-绿洲过渡带的天然植被对绿洲内部的农田起到了很好的保护作用,具有良好的防风阻沙效益。对策勒沙漠-绿洲过渡带的流沙地、半固定沙地、固定沙地的水平输沙通量和风速进行了分析。结果表明:(1)近地表的输沙通量和平均风速从流沙地至半固定、固定沙地大幅度地减少。在0~202.5cm高度范围,半固定沙地、固定沙地水平输沙通量相比流沙地分别少了56.91%、90.23%;在0~70cm高度范围内,输沙通量分别少了85.31%、99.55%;(2)平均风速越大,半固定沙地、固定沙地相比流沙地的输沙通量减少得愈多,流沙地、半固定沙地、固定沙地近地表输沙通量与平均风速分别服从指数、线性和多项式函数关系;(3)策勒沙漠-绿洲过渡带的有效宽度不小于1.74km,才能保护绿洲免受风沙危害。

灌溉虚拟水流动特征及其对气候变化的响应

由于我国水资源的时空分布和社会需求间存在巨大矛盾,地区间农业灌溉虚拟水流动能够有效缓解不同地区的水资源短缺的矛盾,促进水资源向更高效益的产业或地区流动。采用2007年30省(区、市)区域间6部门投入产出表和北京气候中心气候系统模式输出结果,开展了地区间农业灌溉虚拟水流动特征及其对气候变化响应的研究,通过对不同气候变化情景下各省市农产品流动蕴含的虚拟水流量的计算和虚拟水流动对各省市的重要性的评价,量化全国农业灌溉虚拟水输出格局相对水资源分布、虚拟水输入格局相对经济总量分布的不均衡程度。研究发现,采用农业灌溉虚拟水流动强度、输入份额和不均衡程度等评价指标能够对地区间虚拟水流动特征进行良好评价,高虚拟水流动强度省市在气候变化条件下的虚拟水流动强度变幅较其他地区大很多;未来大部分时期虚拟水输入对具有高输入份额省市的重要性还将进一步增加;中国虚拟水输出格局与水资源分布不匹配,气候变化有加重这一状况的趋势。

基于两阶段随机规划方法的绿洲水资源优化配置

选取塔里木盆地南缘和田地区策勒绿洲作为典型研究区,以当前绿洲种植的核桃、红枣及石榴经济林种为重点研究对象,针对绿洲水资源灌溉系统中的不确定性和复杂性,引入概率密度函数和离散区间方法,构建区间两阶段模糊随机规划模型,对各经济林种在各灌季的配水目标进行优化,模拟分析不同林种在不同灌季的最优配置水量。结果表明:灌溉主要集中在夏季与秋季;在策勒河来水量不确定时,春季依然需要少部分水量进行灌溉,应优先灌溉红枣和石榴;夏秋时,主要对红枣与核桃灌溉,同时对石榴的灌溉面积进行动态调节,获得种植业最大收益,系统收益区间为[0.67×10~8,1.32×10~8]元。通过典型案例运用分析,显示该模型不仅充分考虑到不确定性因素对系统收益的影响,风险进行权衡并以区间形式给出优化结果从而获得较为科学的决策方案。

新疆沙漠空间分布格局与类型结构

在对新疆沙漠区域环境特点分析的基础上,基于新疆1∶1 000 000数字地貌图和TM影像数据及Google Earth等资料,利用GIS技术,编制了新疆沙漠分片图与沙漠类型分布图,对新疆沙漠空间分布与类型结构进行了分析。结果表明:①新疆共有577块沙漠,可以划分为35片区。按照区域可分为塔里木盆地沙漠区、准噶尔盆地沙漠区、阿尔泰山沙漠区、准噶尔西部山沙漠区、昆仑山—阿尔金山沙漠区、天山沙漠区6个区;②新疆沙漠面积达428 977.14 km2,占新疆总面积的26.12%;沙漠分布广泛,平原、丘陵和山地均有分布,但各区域的沙漠面积相差悬殊;沙漠在空间上呈聚集分布,主要分布在塔里木盆地和准噶尔盆地;沙漠景观破碎化程度具有很大空间差异性,在塔里木盆地和准噶尔盆地中面积较大沙漠的破碎化程度低,而在山地与两大盆地的过渡地带面积较小的沙漠破碎化程度较高。③新疆沙漠具有独特的地貌类型、稳定性和类型丰富度等类型结构,地貌类型以沙丘和沙垄为主,沙漠植被覆盖度差,以流动性沙丘和流动性沙垄为主,多数沙漠的类型丰富度贫乏,只有少数沙漠类型数量可以达到中等乃至极丰富。

矿业废弃地先锋植物盐生草在镍、铜处理下抗氧化酶系统的变化

采用温室盆栽法,研究镍(Ni)、铜(Cu)单一处理(0、50、100、200、400mg.kg-1)对金昌Ni/Cu尾矿库先锋植物盐生草(Halogeton glomeratus)幼苗Ni、Cu积累、膜脂过氧化程度与抗氧化酶系统的影响。结果表明:盐生草幼苗叶片及根部Ni、Cu含量随土壤中Ni、Cu含量的增加而增加,Ni、Cu含量以根部含量为高;叶片及根部丙二醛(MDA)含量随Ni、Cu处理浓度升高显著增加,膜脂过氧化程度加剧;Ni胁迫下盐生草叶片中仅抗坏血酸酶(APX)活性随Ni浓度增加总体呈增加趋势,在对抗Ni胁迫引起的氧化胁迫方面发挥着主要作用,根部超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、APX和谷胱甘肽还原酶(GR)活性随Ni浓度增加呈上升趋势,在减轻Ni胁迫引起的氧化损伤方面起着重要作用;Cu胁迫下盐生草叶片SOD和APX活性较对照有所增强,在减弱Cu胁迫引起的氧化损伤方面发挥着一定作用,根部上述5种抗氧化酶活性随Cu浓度增加总体呈增加趋势,在缓解Cu胁迫引起的氧化损伤方面发挥着重要作用。

NaCl胁迫对大果白刺幼苗生长和抗逆生理特性的影响

采用盆栽试验,研究了不同浓度(0、50、100、200和400 mmol·L-1)NaCl处理对1年生大果白刺生长状况及叶片过氧化氢(H2O2)、丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性、过氧化物酶(POD)活性、抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性、水势、可溶性糖和脯氨酸含量的影响.结果表明:与对照相比,低浓度NaCl处理(≤50 mmol·L-1)对大果白刺生长没有显著的抑制作用,叶片的SOD、POD、CAT和APX活性均有所提高;高浓度(>50 mmol·L-1)NaCl处理抑制了大果白刺的冠幅面积、分枝数和叶、枝、侧根干质量,叶片的SOD、CAT、POD活性和可溶性糖、脯氨酸含量显著下降.随NaCl处理浓度升高,H2O2和MDA含量增加,叶片水势降低.

NaCl处理对多枝柽柳(Tamarix ramosissima)生长及生理的影响

以1年生多枝柽柳(Tamarix ramosissima)幼株为材料,采用盆栽试验研究不同浓度(0、50、100、200、400mmol·L–1)NaCl处理对多枝柽柳生长状况及叶片过氧化氢(H2O2)、丙二醛(MDA)含量,超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性,水势,可溶性糖和脯氨酸含量的影响。结果表明:低浓度(≤100mmol·L-1)的NaCl处理对多枝柽柳株高、冠幅面积、分枝数和叶、枝干重具有促进效应;高浓度(≥200mmol·L-1)的NaCl处理抑制了多枝柽柳生长,对侧根干重的抑制作用大于对冠幅面积、分枝数、叶干重、枝干重及株高的抑制。H2O2和MDA含量在低浓度(≤100mmol·L-1)NaCl处理下较对照未出现积累现象,随NaCl浓度升高(≥200mmol·L-1)二者含量较对照出现显著积累。低浓度(≤100mmol·L-1)NaCl处理下,多枝柽柳叶片SOD、POD、CAT和APX活性较对照均有所提高,高浓度的NaCl处理下SOD和POD活性开始降低。多枝柽柳叶片水势随NaCl处理浓度升高呈显著下降趋势。低浓度(≤100mmol·L-1)NaCl处理下脯氨酸和可溶性糖含量较对照呈上升趋势。

不同水分条件下疏叶骆驼刺(Alhagi sparifolia)生长及根系分株构型特征

以塔克拉玛干沙漠南缘优势植物种疏叶骆驼刺(Alhagi sparsifolia)为对象,在策勒荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站进行田间试验,对不同水分条件下疏叶骆驼刺幼苗根系生长特征、分株地上部分生长特征、分株根系构型特征进行了研究。结果表明:疏叶骆驼刺幼苗根冠比在不同水分处理之间差异不显著,根系深度随着土壤水分有效性的降低逐渐增加;分株地上部分指标均随土壤水分有效性降低显著减小,除处理B(灌溉量180mm,灌溉1次)和处理C(灌溉量90mm,灌溉2次)之间地上生物量差异不显著外,不同处理之间分株株高、冠幅、地上生物量差异均达到显著水平(p<0.05);不同水分条件下疏叶骆驼刺分株种群密度、分株之间间隔物长度差异显著(p<0.05);随着土壤水分有效性由高到低变化,分株生长格局逐步由"密集型"向"游击型"过渡,分枝角度之间差异不显著,且全部集中在90°左右;通过对分株层土壤水分含量与分株数量的分析发现,二者具有较好的相关性,分株数量随土壤含水量变化呈二次曲线变化。

塔里木河上游绿洲土壤表层盐分特征

土壤盐分空间分布特征及其离子组分关系是了解水盐运移规律的关键,可为提出因地制宜的盐渍土改良措施提供科学参考。在土壤聚盐高峰期,采集了塔里木河上游阿拉尔垦区64个样点的表层(0～20cm)土样,进行盐分指标测定,并采用地统计学和灰关联分析方法研究了土壤盐分的空间分布格局及土壤盐分组成离子对盐分和pH的影响。结果表明:(1)样区土壤含盐量和碱化程度较高,土壤pH具弱变异性,电导率、总盐量和大部分离子含量均具强变异性。(2)电导率、总盐量和大部分离子含量较其他指标的空间变异程度大,结构复杂程度较高。(3)土壤总盐、电导率、Cl-、SO24-、Na+、Ca2+、Mg2+和K+分布趋势较为一致,由西北向东南方向递减,在老农区和原生荒漠地含量较高;土壤pH分布表现为从北向东南方向增加;HCO3-在土壤中含量最低,空间分布规律不明显。(4)对盐分指标间的灰关联度分析表明,对研究区盐分指标影响最大的是SO24-、Cl-和Na+。

多枝柽柳(Tamarix ramosissima)根、冠构型的年龄差异及其适应意义

根、冠构型差异是植物研究中容易被忽视的环节,但其在植物适应环境的过程中扮演着重要角色。对不同林龄多枝柽柳(Tamarix ramosissima)根、冠构型参数的调查研究表明:(1)不同林龄多枝柽柳冠层构型有较大的差异,幼年阶段多枝柽柳小枝分枝率和一级分支长度较小,各级分支直径较大,体现了其适应强风、干旱环境的可塑性变化;(2)随着林龄的增加,多枝柽柳分支率、根系连接长度、各级根系长度和直径明显增加,说明不同生长阶段多枝柽柳通过权衡碳消耗和碳分配采取不同的干旱适应策略,进而导致不同生长阶段干旱适应能力的差异;(3)不同林龄多枝柽柳根系拓扑结构参数无明显差异,均接近鲱鱼骨状分布,但根系连接长度差异显著,体现了其干旱适应能力的差异。

镍、铜对矿业废弃地先锋植物盐生草和骆驼蓬抗氧化物质和渗透调节物质积累的影响

以盐生草(Halogeton glomeratus)和骆驼蓬(Peganum harmala)幼苗为材料,采用盆栽试验研究土壤中不同浓度(0、50、100、200、400mg.kg-1)镍(Ni)、铜(Cu)处理对盐生草和骆驼蓬幼苗过氧化氢(H2O2)、抗坏血酸(ASA)、维生素E(VE)、谷胱甘肽(GSH)、脯氨酸和可溶性糖含量的影响。结果表明,盐生草和骆驼蓬叶片及根部过氧化氢(H2O2)含量随介质中Ni和Cu浓度的增加而增加。Ni胁迫下盐生草叶片中GSH含量随Ni浓度增加呈增加趋势,根部VE含量在高浓度Ni(≥100mg.kg-1)胁迫下显著积累;Cu胁迫下盐生草叶片和根部GSH、ASA和VE含量较对照显著积累,三者协同作用缓解Cu胁迫诱导的氧化损伤。Ni胁迫下骆驼蓬叶片GSH和ASA含量、根部ASA含量较对照显著增加;Cu胁迫下骆驼蓬叶片中GSH和ASA含量随Cu浓度增加呈上升趋势,根部ASA含量较对照显著增加,VE在100mg.kg-1和200mg.kg-1的Cu处理下较对照显著增加。Ni和Cu胁迫使得盐生草和骆驼蓬幼苗脯氨酸和可溶性糖含量较对照显著积累。