盐生荒漠地表水、热与CO_2输送的实验研究

利用安装在准噶尔盆地南缘多汁盐柴类荒漠上的涡度相关系统与配套的微气象观测系统所得数据,分析了显热、潜热与CO2通量的日过程和季节变化特点及各通量间的相互关系。数据显示了一个明显违背植物水分关系一般规律的现象:当水汽(潜热) 通量明确显示土壤水分亏缺时,净光合(CO2通量) 却未受到影响。因此推测当地原生植物的根系在积盐严重的土壤上层没有发育,所以其水分状况与光合能力不受上层土壤干湿的影响,观测到的水汽通量的变化主要由土壤蒸发的变化造成的。

局部根区灌溉对棉花主要生理生态特性的影响

【目的】探讨局部根区不同灌溉模式对棉花主要生理生态特性的影响。【方法】以盆栽棉花为试验材料,比较分根交替灌溉(APRI)、分根固定灌溉(FPRI)和常规灌溉(CK)下,棉花的生长、光合产物分配及相关生理响应。【结果】当灌溉量减少50%时,APRI处理的总生物量仅比CK降低10%左右,而FPRI则降低23%。不同处理的根系总量虽无差别,但APRI和CK处理的吸收根干重明显高于FPRI;APRI的根系分布与CK基本一致,FPRI处理未灌溉一侧的吸收根数量则显著低于灌溉一侧。分根灌溉条件下,棉株的叶片与木质部汁液ABA浓度大幅增加,调控气孔运动,减少蒸腾耗水。【结论】分根交替灌水能刺激棉株吸收根生长,有效调节同化产物在根冠间的比例和分配,是一种切实可行的节水灌溉方式。

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.

盐生荒漠与绿洲农田土壤CO_2通量的对比研究

为定量确定干旱区土地利用变化对土壤CO2通量的影响,采用LI-8100观测了原始盐生荒漠和垦荒农田的土壤CO2通量.结果表明:在整个生长期内,农田土壤CO2通量平均速率为3.19μmol.m-2.s-1,盐生荒漠为0.08μmol.m-2.s-1.农田土壤CO2通量的日过程呈单峰型,盐生荒漠则呈双峰型;农田土壤CO2通量远高于盐生荒漠,盐生荒漠夜间的土壤CO2通量均为负值.绿洲农田最高月均值出现在7月(4.67μmol.m-2.s-1);荒漠最高出现在6月(0.17μmol.m-2.s-1),9月后荒漠土壤CO2通量的月均值降为负值.进一步研究表明:盐生荒漠垦荒前后土壤CO2通量与土壤温度的相关性都随土壤深度增加而减小,而与近地面10cm气温关系最密切;湿润事件对土壤CO2通量具有促进作用.盐生荒漠开垦为农田后不仅改变了土壤CO2通量的量级,且在一定程度上改变了通量的方向.

3种荒漠灌木的用水策略及相关的叶片生理表现

以新疆古尔班通古特沙漠南缘原始盐生旱生荒漠的3种建群灌木多枝柽柳(Tamarixramosissima)、梭梭(Haloxylonammodendron)和琵琶柴(Reaumuriasoongorica)为对象,跟踪自然降雨过程,利用LI-6400光合作用系统和Model3005植物水分压力室测定光合作用和叶水势的变化,以研究浅层土壤水分条件改变对荒漠灌木主要叶片生理特征的影响;并在原始生境中将植株根系完整地深挖取出,进行根系形态结构调查,以确定此3种灌木根系功能型与用水策略。当浅层土壤分别处在水分充足及匮缺的条件下时,测定3种灌木的光合作用响应曲线和日过程曲线,以及黎明前和正午叶水势,结果表明:浅层土壤水分状况变化时,3种灌木的光合能力均没有显著改变;多枝柽柳的叶水势亦没有明显波动;而梭梭和琵琶柴的叶水势却表现出显著差异。在两种功能型根中,多枝柽柳为深根型,生存和生理活动的维持主要依赖于地下水;而梭梭和琵琶柴为非深根型植物,主要水源是降水形成的浅层土壤水,其用水策略是根据水分条件有效调节根系和冠层生长,从而维持正常的光合作用。即荒漠灌木在长期适应的过程中,已形成不同的根系功能型和用水策略;叶水势对浅层土壤水分状况变化的种间差异性响应在一定程度上反映了这一点。同时,此3种荒漠灌木通过不同的个体适应策略都能够实现水分平衡和碳收支的有效调节,这主要体现为浅层土壤水分条件变化时光合响应的种间一致性。

盐生荒漠地表水热与二氧化碳通量的季节变化及驱动因素

以古尔班通古特沙漠南缘原始盐生荒漠为对象,利用涡度相关法,对原始盐生荒漠地表水热、二氧化碳通量进行了连续观测,对通量的季节变化、浅层土壤水分条件改变对盐生荒漠植物群落水汽、二氧化碳通量以及水分利用效率的影响进行了系统的分析。结果表明:净辐射通量、潜热通量和二氧化碳通量都具有明显的季节变化趋势,而显热通量的季节变化不明显。在有效能量的分配上,显热通量是有效能量的主要输出项。在降水影响期和非影响期,二氧化碳通量没有明显的变化;而在非降水影响期潜热通量明显降低,表明土壤水分处于亏缺状态,但二氧化碳通量并没有降低的趋势,而与前期保持高度的一致性。以此可以推断,该荒漠盐生植物群落并不以降水为主要水分来源,降水后水汽通量和二氧化碳通量变化的不一致性是该原始盐生荒漠独特植物特征决定的。降水影响期原始盐生荒漠植物群落的水分利用效率低于非影响期,是由于降水后土壤蒸发迅速增加,而植物蒸腾与光合并未随之增加造成的。

共生条件下三种荒漠灌木的根系分布特征及其对降水的响应

以全根系挖掘法,对共生于原始盐生荒漠生境中的多枝柽柳[Tamarix ramosissima（Ledeb.）]、梭梭[Haloxylon ammoden-dron（C.A.Mey.）Bunge]、琵琶柴[Reaumuria soongorica（Pall.）Maxim.]的根系分布特征进行了研究;对降水引发的湿润-干旱周期中植物同化枝水势、蒸腾速率的变化过程进行了跟踪观测,并据此计算3种植物的水分胁迫效应指数和土壤-植物系统导水度,以最终确定3种植物用水策略和其对降水的响应特征。研究结果表明,多枝柽柳的吸收根系分布范围从地下50cm到310cm,单株平均总吸收根表面积为30249.2cm^2;梭梭的根系分布范围0-250cm,单株平均总吸收根表面积12847.3 cm^2;琵琶柴的根系分布范围0-80cm,单株平均总吸收根表面积361.8 cm^2。多枝柽柳为深根植物,主要利用地下水和深层土壤水,在降水引发的湿润-干旱周期中,其植物水分生理参数对降水无响应。琵琶柴为浅根植物,对降水响应极为显著。梭梭的根系分布特征介于多枝柽柳和琵琶柴之间,对地下水和降水都有利用,对降水响应显著。3种荒漠灌木对降水的响应差异显然与其根系分布、水分利用策略密切相关,在未来降水发生变化的情景下,根系分布特征的差异将决定着植物在水分资源竞争中的地位。具有较强根系形态可塑性的物种,如梭梭,将具有明显的竞争优势。

三种荒漠灌木根系的构形特征与叶性因子对干旱生境的适应性比较

以古尔班通古特沙漠南缘原始荒漠的三种建群灌木多枝柽柳、梭梭和琵琶柴为研究对象,采用挖掘法调查其根系构性特征及其与土壤水分的关系,同时测定其比叶面积(SLA),比叶重(LMA),单位重量叶氮含量(Nmass)及单位面积叶氮含量(Narea)。结果表明,三种荒漠灌木的根系分属不同的功能型,多枝柽柳是深根潜水性植物,琵琶柴是浅根性植物,而梭梭介于两者之间。而且,三种荒漠灌木随着根系分布的由深到浅,即随着土壤水分亏缺的加剧,在叶性因子方面做了一定的适应性调整。这些事实表明,在水分为主要限制因子的干旱生境中,根系构型特征在很大程度上决定了灌木的叶性策略。同时研究表明,荒漠灌木在抗旱和生长之间存在相对平衡的关系。

梭梭对降水的响应与适应机制--生理、个体与群落水平碳水平衡的整合研究

水是荒漠生态系统的首要限制因素。近20年来全球气候变化以及人类活动的加剧,导致古尔班通古特沙漠南缘原始盐生旱生荒漠地区的降水与地下水位正在发生显著的改变;这些改变正导致荒漠植物用水策略的适应性变化,其种间差异性影响着荒漠植物群落组成与生态系统碳水平衡。本研究以中亚荒漠关键种梭梭Haloxylon ammodendron为对象,在生理生态、个体形态与群落尺度整合研究两个优势种对自然生境水分条件改变的响应与适应。实验于2005-2006年生长期开展,在地下水位于5.2-7.9m之间波动的典型原始生境,追踪自然降水过程并设置人工降水梯度。观测生境水分条件变化时光合作用、蒸腾作用、叶水势和瞬时水分利用效率等生理活动的响应;研究根系分布和地上生物量累积等个体形态特征的适应性改变;利用涡度相关系统测定群落碳水通量,从而揭示不同尺度上梭梭的用水策略和碳同化维持机制。实验数据表明,梭梭主要利用降水形成的浅层土壤水维持生存;极为有效的形态调节和较强的气孔控制是其维持光合能力以及适应降水变化的主要机制;适量增多且在生长期内均匀分布的降水可对其产生明显正效应,这预示梭梭可能在未来种间竞争和群落演替中占有优势。本研究表明,应对环境水分胁迫与改变,荒漠植物具有高效的自我协调与适应能力,不同水平调节适应机制之间存在内在协调性;生理、个体、群落尺度整合研究是了解全球变化背景下生态系统过程与植物适应性的有效途径。

植物导水系统对土壤质地与辐射强度的形态性适应研究

以棉花(Gossyp ium herbaceum L.)为实验材料,在全生长期为盆栽植株设置3个土壤质地梯度、3个蒸发力梯度.在播种后50 d和90 d,测定总根长与总叶面积;同时,在90 d时,使用热脉冲探头和HR-33T露点微伏计测定植株茎流和叶水势,并由此确定导水度,以期了解植物导水系统对土壤质地与大气蒸发力的长期适应.结果表明:在蒸发需求相同的条件下,生长在沙土中、单位根导水度低的植株,形成的吸收根要多于生长在粘土中、单位根导水度高的植株;单位叶片导水度在3种不同的土壤中没有显著差别.在土壤质地相同条件下,高蒸发力下生长的植株比低蒸发力下生长的植株产生更多的吸收根、形成更高的单位叶片导水度.最终证实:当土壤质地或大气蒸发力发生变化时,植物个体可以通过导水系统的形态性适应来调节根-叶比例,以达到协调其自身水分供需平衡.

盐生荒漠生态系统二氧化碳通量的年内、年际变异特征

采用涡度相关法,并结合小气候观测,对荒漠生态系统净二氧化碳通量进行了连续3个生长季的观测(2004—2006年),并据此分析了荒漠生态系统净二氧化碳通量及其主要成分GPP和Reco的季节和年际间变化特征。结果表明,在生长季尺度上,各个阶段二氧化碳吸收量的大小分别为:生长旺盛期>生长初期>生长末期,这可能与植物叶面积的大小以及光合有效辐射,大气温度等环境要素有关系。在年际尺度上,3个生长季同阶段的二氧化碳吸收量存在明显差异,生长季初期5月,2004年碳吸收最强,2006年次之,2005年最小。对于生长旺盛期,降水量最大的2004年碳吸收能力最强,正午最大值可以达到-0.12 mg.m-2.s-1,2005年次之,最大值达-0.06 mg.m-2.s-1,仅仅是2004年最大值的1/2,2006年最小,正午吸收的最大值为-0.02 mg.m-2.s-1,生长季末期,3个生长季的月均日变化非常相似,其在正午的最大吸收值也没有显著差异,正午最大吸收量为-0.01mg.m-2.s-1左右,其他时段均在0值附近。即使在降水量相近的两个年份里(2005—2006年),其NEE的最大值出现时间也不一致,2005年NEE的最大月累计量出现在8月和9月,而2006年则出现在6月和7月,这可能与年内降水量分布格局有关。3个生长季荒漠生态系统均表现为净二氧化碳吸收,其吸收量分别为:-236.18g.m-2,-63.07 g.m-2和-91.97 g.m-2。年际差异的形成原因是降水差异造成的一年生草本植物数量变化,不利用降水的建群种应该对此没有贡献。

梭梭萌生与初期存活的关键影响因素

在梭梭的主要分布区——古尔班通古特沙漠南缘,就种子萌发、幼苗存活展开研究,以确定在梭梭萌生初期,决定其成活的关键影响因素。实验于2008年36月进行,设置了9个水分处理(3倍降雪、正常降雪、无降雪条件与人工降雨、自然降雨、无降雨处理的交叉组合),同步监测梭梭萌发、存活数量动态及春季短命植物数量。结果表明,梭梭种子萌发数量与积雪量增加无显著相关关系,短命植物萌发数量与积雪量呈显著正相关。总体水分条件较好时,梭梭幼苗与短命植物萌发数量都增多,但由于短命植物竞争,幼苗成活率未必高;反之,在水分条件较差时,梭梭幼苗与短命植物萌发数量都降低,短命植物消耗的水分减少,梭梭幼苗存活率反而高。也就是说,在梭梭幼苗的生长初期,它在与短命植物的水分竞争中处于劣势,直接的降水增加并不能提高其存活率。

典型荒漠植物凋落物分解及养分动态研究

采用分解网袋法,对古尔班通古特沙漠南缘粗柄独尾草(Eremurus inderiensis)、尖喙牻牛儿苗(Erodiumoxyrrhynchum)和沙漠绢蒿(Seriphidium santolinum)3种荒漠植物叶、茎和根的分解、养分释放特性进行了研究。结果表明:叶片、茎、根系的质量损失过程均符合指数衰减模型。经过364 d的分解,粗柄独尾草叶、粗柄独尾草根、尖喙牻牛儿苗叶、尖喙牻牛儿苗茎、尖喙牻牛儿苗根、沙漠绢蒿茎、沙漠绢蒿根的失重率分别为41.96%、81.94%、42.18%、29.32%、47.02%、20.66%和20.71%;3种植物根、茎、叶的分解速率存在显著差异,分解速率依次为:粗柄独尾草根>叶;尖喙牻牛儿苗根>叶>茎;沙漠绢蒿根>茎。在整个分解过程中,N和P含量总的趋势表现为释放,叶、根凋落物质量损失与初始N、P含量显著负相关,非生物因素对其分解有重要影响。

古尔班通古特沙漠风沙土土壤蒸发特征

土壤表面蒸发是降水的无效损失，其大小直接决定着降水转化为有效土壤水的效率，从而间接决定了植物可利用水分的多寡。在降水稀少的沙漠区，定量认识土壤蒸发的大小和其所占降水的比例显得尤为重要。在2004年全生长期（5～9月）应用自制的微型蒸渗仪（Micro-Lysime-ter）测定了风沙土（有结皮覆盖的丘间低地和裸露沙丘顶部）和对照的荒漠盐碱土的土壤蒸发。结果表明：在相似的气象条件下，风沙土区的丘间低地和荒漠盐碱土的日平均蒸发量分别约是裸露沙丘（风沙土区）的2倍和3倍。整个生长期裸露沙丘的累积蒸发量为18．7mm，丘间低地为38．8mm，荒漠盐碱土为52．1mm。根据整个观测期的累积蒸发量和累积降雨量计算得出的蒸发降雨比分别为：裸露沙丘0．20，丘间低地0．42，荒漠盐碱土0．62，表明裸露沙丘由降水转化为土壤水而储存的比率最高。同时，从数据分析中可以看出：在风沙土区0～5cm土层的含水量对土壤蒸发起决定作用，而盐碱土区的土壤蒸发则受到更深层次土壤水分的影响。裸露沙丘低的土壤蒸发、高的降水转化效率，为植被恢复奠定了良好的基础。因此，裸露沙丘的低蒸发量可以视为植被状况对生态水文过程的一种良性反馈。

土地利用对天山北麓土壤盐渍化的影响

通过野外调查和室内分析,研究了新疆三工河流域平原绿洲耕地、人工林地、草地、灌木林地和盐碱地0-20 cm表层土壤盐渍化特征。结果表明：整个农业绿洲土壤盐分含量均值为9.33 g/kg,其中耕地平均值为6.9g/kg,超过75%耕地样点集中分布在低于2 g/kg的区间,而其它土地利用类型均高于10 g/kg,并且样点分散分布于各盐分等级中,自然和人为活动对不同土地利用类型盐分聚积均有显著作用;随地貌单元,自南向北盐分均值含量增加,在冲洪积扇中上部和地下水溢出带,盐分均值低于3.8 g/kg,而在冲洪积平原区,则高于10 g/kg;由于区域水资源的南北分布格局与利用差异,使得土壤盐分具有中等或强的空间变异性。

分根交替灌水对棉花生长、光合与水分利用效率的影响

应用部分根区干燥(PRD)技术,研究分根交替灌水(APRI)、分根固定灌水(FPRI)与全根系均匀灌水(BPRI)对盆栽棉花的生长、光合和水分利用效率的影响。结果表明:APRI黎明前与正午的叶水势均明显高于FPRI,而与BPRI无显著差异。APRI在叶片水分状况未变化时,显著降低了气孔导度,在维持光合作用不变的情况下,减少蒸腾量,瞬时水分利用效率与FPRI和BPRI相比分别提高了35.86%和63.51%。APRI处理的棉株在干旱复水后由于补偿效应,叶片生长速率和总叶面积较同等灌水量的FPRI分别提高了67.42%和27.16%。同时,干湿交替刺激APRI处理棉株的吸收根生长,其干重是FPRI的1.39倍。分根交替灌水在节水50%条件下,比同水量固定灌水处理的水分利用效率显著提高。

中亚五国咸海流域水资源策略的博弈分析

中亚五国在咸海流域水资源分配与利用上的矛盾,随着社会经济发展对水资源需求的增加而变得日益突出,探寻各国对咸海流域水资源利用的策略,对中亚地区水资源合理分配、可持续发展和地区安全至关重要。运用博弈论方法,分析中亚各国对咸海流域水资源的分配诉求及水政策,梳理各国在咸海流域水资源问题上的合作历程,探讨中亚各国在水资源问题上采取不同策略的利弊得失。认为目前咸海流域利益得不到协调使中亚各国深陷水资源分配困局,"协调博弈"是当前令咸海流域水资源问题走出"囚徒困境"的首选,将会获得最佳报酬。各国相互信任、转变观念,以利益分配取代水量分配,实现真正意义上的国家间合作,才能从根本上解决流域水资源分配与利用的困局。

灌区间盐分变迁与耕地安全特征——以三工河流域农业绿洲为例

针对目前绿洲内部土壤盐渍化问题，以新疆三工河流域农业绿洲为研究区，运用遥感、GIS和地统计学相结合的方法研究了0～20cm土层盐分动态特征与发展趋势。结果表明：流域空间上土壤盐分的理论变异函数拟合符合指数模型，F检验达到极显著水平。Kriging差值及其与同期的土地利用类型图叠加运算表明，整个绿洲区南部阜康灌区耕地土壤盐化面积及盐渍化作用小于北部绿洲阜北灌区，耕地土壤盐分具有显著的局地地带性分布特征，随绿洲耕地南北方向距离的增加土壤盐渍化作用增强。另外南部绿洲耕地农业灌溉具有明显的脱盐作用，随时间尺度的延长，盐渍化作用减弱；而北部绿洲土壤盐渍化作用加强，表现为积盐作用。绿洲受盐害作用的区域主要为北部（阜北灌区）绿洲，通过空间概率模型预测，在长时间范围内，土壤盐渍化依旧是制约北部绿洲耕地生产力的主要因素。通过联合运用变异函数分析、线性回归分析和空间概率分析方法的优势，有效识别了三工河流域农业绿洲空间土壤盐渍化的变化特征与变化趋势，对于认识流域空间单元土壤盐分的变迁具有重要意义。

大气污染物浓度变化特征及潜在源分析——以乌鲁木齐为例

对2017年乌鲁木齐市的气象参数及大气污染物的浓度进行了统计分析,探究了大气污染物的浓度变化特征,运用轨迹聚类分析、潜在源贡献函数(PSCF)和浓度权重轨迹法(CWT)研究了乌鲁木齐市PM_(2.5)的传输路径和潜在源区。结果表明:乌鲁木齐市大气超标污染物主要为PM_(2.5)和PM_(10),除O_(3)外各污染物的浓度均是采暖期高于非采暖期,温度低、风速小、相对湿度大、乌鲁木齐市三面环山、逆温天气是造成采暖期颗粒物污染严重的重要原因;PM_(2.5)区域传输主要来自西北方向,在采暖期受来自尼勒克县、沙湾县、呼图壁县、阜康市的短距离传输气团影响很大;PM_(2.5)潜在源区主要集中于阜康市、和静县、沙湾县、昌吉市、沙湾县、吉木萨尔县、玛纳斯县,乌鲁木齐市PM_(2.5)浓度同时受外来污染物输入和本地污染源排放的影响。

梭梭幼苗死亡与土壤和大气干旱的关系研究

以古尔班通古特沙漠南缘沙漠中的一年生梭梭幼苗为研究对象,对环境气象因子、土壤含水率、幼苗根系垂直伸展状况、幼苗死亡动态进行了全生长期的连续监测研究。结果表明,尽管梭梭幼苗根系伸展迅速,当年可达1.5m,幼苗死亡率动态变化仍然与土壤表层含水率显著相关,而与根区或深层含水率不显著相关。但统计分析结果显示,土壤表层含水率并不总是梭梭幼苗死亡率波动的主导因素。当土壤含水率低至0.82%时,无论大气干旱程度如何,幼苗死亡率都急剧升高;而当土壤含水率高于1.25%时,幼苗可以耐受大气干旱,幼苗死亡只与土壤表层含水率显著相关;当土壤含水率在0.82～1.25%之间时,幼苗死亡率与大气干旱程度(空气饱和差)显著相关。据此我们推测,当土壤表层含水率低于1.25%时,大气干旱主导死亡率的变化;反之,则土壤水分主导。