西北干旱区甜高粱种植水肥配比模式研究

【目的】研究适合西北干旱区甜高粱种植的高产、节水省肥和高经济效益的水肥配比模式。【方法】以河西走廊边缘荒漠绿洲区为研究区,通过农田小区随机区组试验,设置3个灌溉定额梯度6 000 m^(3)/hm^(2)(W1)、7 200 m^(3)/hm^(2)(W2)、8 400 m^(3)/hm^(2)(W3)和3个施肥梯度450 kg/hm^(2)(F1)、600 kg/hm^(2)(F2)、750 kg/hm^(2)(F3)的水肥互交处理方式,共计9种水肥组合,分析不同水肥配比模式对甜高粱生长发育、生物产量、水肥利用效率和经济效益的影响。【结果】(1)灌溉量对甜高粱株高、茎粗和生物产量的影响不显著,但施肥量对上述指标影响显著,且水肥交互作用对株高和生物产量影响显著;(2)W1F3处理下的株高333.1 cm、茎粗22.63 mm、生物产量29.35 t/hm^(2)和灌溉水生产力3.80 kg/m^(3)均最大,分别比最大灌溉施肥量处理组合(W3F3)提高12.16%、11.29%、30.82%和87.19%,且甜高粱产量收益26 418.84元/hm^(2)、纯收益15 850.73元/hm^(2)和产投比2.50%分别比W3F3处理组合提高30.84%、88.17%和45.35%;(3)株高、茎粗、节间数、叶片数、叶片干质量、茎秆干质量、穗干质量和茎秆汁液糖锤度均与生物产量正相关。除甜高粱出汁率外,其他指标对生物产量产生正向直接效应,其中茎粗、株高、叶片数和茎秆干质量对生物产量的正向直接效应高于其他指标。【结论】灌溉量为6 000 m^(3)/hm^(2),施肥量为750 kg/hm^(2),可作为西北干旱区甜高粱种植科学的水肥配比模式。

黑河流域植被水分利用效率时空分异及其对降水和气温的响应

植被水分利用效率(WUE)是衡量植被生态系统碳水耦合关系的重要指标,研究其时空分异特征对区域水资源合理利用及配置有重要意义。基于改进的光能利用率模型CASA,模拟估算了黑河流域2000-2013年植被净初级生产力(NPP),结合ETWatch模型估算的黑河流域2000-2013年蒸散数据ET,进一步估算了黑河流域植被水分利用效率WUE。分析了黑河流域NPP、ET和WUE空间格局和时间变化特征,探讨了WUE变化对降水和气温的相关性。结果表明:1)黑河流域空间上植被NPP在2000-2013年多年平均值为81.05 gC m-2 a-1,ET平均值为133.38 mm,植被WUE平均值为0.448 gC mm-1 m-2。植被NPP、ET与WUE的空间格局基本上类似,均呈现出自上游至下游逐渐减少的分布格局。2)黑河流域2000-2013年间植被平均NPP与平均WUE均呈现显著上升趋势(P<0.05),而ET平均值变化不显著。WUE年际变化斜率与其平均值在空间分布上存在一定的对应关系,空间上植被WUE的高值区同时是其呈增长趋势的主要区域,植被WUE平均值较低的区域其年际变化也趋于稳定。3)不同植被类型的WUE差异较为显著,植被自身受环境影响形成的生理生态参数是其WUE差异的主要原因,不同植被类型WUE平均值关系为:灌丛>草地>森林>农田>沼泽>荒漠。中游绿洲区栽培植被平均WUE仅为0.90 gC mm-1 m-2,因此应当重视提高其对水资源的利用效率。4)整体上黑河流域植被WUE年际变化主要受降水的影响,植被WUE与降水呈负相关的区域主要分布在中游绿洲灌溉区,表明人为活动干扰会削弱气候因素对植被WUE的影响。

荒漠草原带盐碱地优势植物生态位与种间联结

盐碱地是荒漠草原带常见的生境类型之一。本文采用生态位测度、方差比率法、基于2×2列联表的χ~2检验和Ochiai指数的方法,研究了位于荒漠草原带的陕西定边花马池盐湖附近植物群落中26个优势物种、325个种对间水、盐梯度下生态位和种间关联性,探讨了生态位重叠与种间关联性的关系。结果表明:(1)在土壤水、盐梯度上,细枝盐爪爪(Kalidium gracile)、黄毛头(Kalidium cuspidatum)和碱蓬(Suaeda glauca)生态位宽度值均较大,为荒漠草原带盐碱地的主要建群种。(2)生态位较窄的物种之间生态位重叠值较高,共同竞争有限的资源;生态位较宽的物种之间生态位重叠值相对较高,存在竞争关系;而盐角草(Salicornia europaea)和盐地碱蓬(Suaeda salsa)生态位均较宽,但与其他物种重叠程度较低,竞争较弱。(3)优势物种总体联结性为极显著的正联结,但Ochiai指数大于0.6的种对数只占总种对数的17.85%,表明该群落处于相对稳定的演替阶段,但种间关联程度不紧密。(4)土壤水、盐梯度上的生态位重叠值均与Ochiai指数呈极显著的正相关关系,且盐分梯度上相关程度高于水分梯度,但仅通过生态位重叠与联结指数的回归关系难以完全揭示种间联结的内在机制。

干旱区包气带土壤水分运移及其对地下水补给研究进展

包气带是指地表到地下水之间垂直剖面中土壤孔隙没有被水充满、水分处于非饱和状态的区域,是地表水进入地下水的通道。包气带土壤水分运移过程不仅影响到地下水补给,而且与相邻景观之间存在水力联系。评述了干旱区包气带土壤水分运移模拟、地球化学示踪技术、地球物理技术在包气带土壤水分运移研究中的应用、影响包气带土壤水分运移及对地下水补给的因素、包气带水分运移对景观间水分交换的影响等方面的研究进展,提出在未来的研究中,应加强包气带土壤水分运移参数的试验观测及数据库建立、加强包气带土壤水分运移及其对地下水补给的研究,应借鉴地球关键带研究的思路,开展包气带土壤水分运移、溶质运移、地下水补给耦合研究。

基于无人机和MODIS数据的巴丹吉林沙漠植被分布特征与动态变化研究

荒漠植被在减缓沙漠扩张、阻挡风沙入侵绿洲、维护绿洲稳定性方面具有重要意义。通过无人机搭载多光谱相机获取地面样地高分辨率NDVI数据以计算植被覆盖度,结合MODIS-NDVI数据,分析了MODIS-NDVI与无人机获取NDVI数据之间的一致性,进而建立MODIS-NDVI数据与样方植被覆盖度的空间反演模型,以研究巴丹吉林沙漠植被分布特征、动态变化及其对气温、降水的响应规律。结果表明:(1)基于无人机多光谱数据大样方植被覆盖度和MODIS-NDVI数据构建的植被覆盖度反演模型具有较高的模拟精度。(2)研究区总体植被覆盖度较低,空间上呈由东南向西北递减的趋势。(3)植被覆盖度总体呈现上升趋势,沙漠边缘的增速较沙漠内部更为明显,其中沙漠边缘增长率达1.53%/10a,而沙漠内部为0.84%/10a。沙漠边缘57.12%植被出现改善,而沙漠内部植被改善的面积约为21.26%。(4)植被生长主要受制于生长季降水量并呈现出明显的季节变化,此外植被对降水和气温的响应存在一定的滞后效应。

绿洲边缘夹粘沙丘持水特性

夹粘沙丘是指剖面中分布有一层红褐色粘化层的沙丘,其夹粘层埋藏深度常在120—500cm左右,厚度在40—100cm之间,粘粉粒含量达到90%以上。夹粘沙丘人工梭梭固沙植被郁闭度在0.5以上,明显高于相同水热条件下的植被生产力,这可能与夹粘层通过改变土壤持水性及水分状况,从而提高了土壤水分承载力有关。以河西走廊绿洲边缘夹粘沙丘为研究对象,在测定0—8.0m剖面土壤物理性质和土壤水分特征曲线的基础上,计算了土壤孔隙分布和持水特性,研究了剖面中土壤持水性的变化规律及其影响因素。结果表明:(1)夹粘层土壤含水量最高,上覆沙土土壤含水量最少且随深度增加而增加,下伏沙土受地下水毛管作用影响水分含量较高;(2)土壤机械组成决定了不同土层的持水特性,土壤中粘粉粒含量越高,田间持水量和饱和含水量就越大,夹粘层的土壤持水性远高于沙土层;(3)夹粘层是沙丘土壤水分暂时贮存的重要土层,可以为植被提供深层土壤水分,这对绿洲边缘人工固沙植被的生存和繁衍有重要影响,而土壤持水性和毛管作用的强弱决定了夹粘层对沙丘水分调节能力的强弱。本研究为深入理解绿洲边缘雨养固沙植被斑块状分布的机理提供了一定的理论依据。

河西走廊典型荒漠区土壤水分对降水脉动响应的稳定同位素分析

基于稳定同位素技术研究了河西走廊中部典型荒漠区土壤水分对降水脉动的响应。结果表明:降水分布及其δ18 O值都存在显著的季节变化特征,降水事件多发生在夏季,且有较高的δ18 O值,而冬季降水稀少,且δ18 O值偏低。降水以脉动方式输入土壤中,不同量级的降水事件会导致土壤含水量和δ18 O值不同程度的响应。降水入渗后不同深度的土壤含水量和δ18 O值的响应程度和响应时间不同,土壤深度越大,响应程度越小且响应时间越滞后。对比降水δ18 O值和降水后不同深度的土壤水δ18 O值的变化发现,表层土壤能够迅速的对降水做出响应,下层土壤的响应具有滞后性。即这种自上而下的活塞式下渗是该区主要的降水入渗方式。荒漠区土壤水分受降水的调节和控制,但是深层土壤水受小降水事件的影响较小,大降水事件虽然发生频率较小,但是能够对深层土壤水形成有效的补给,对整个荒漠生态系统的可持续发展都具有十分重要的意义。

中亚地区植被净初级生产力时空动态及其与气候因子关系

植被净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)及其对气候变化的响应是全球变化的核心研究内容之一,研究中亚地区NPP的时空格局变化对理解植被—环境的作用机理以及应对全球变化具有重要的意义。基于MOD17A3数据集、气象数据结合GIS分析方法研究中亚地区2000~2014年的植被NPP时空动态特征及其与气候因子的关系。结果表明:①中亚地区空间上NPP的变化范围在0~874 gC/m^2·a之间,平均值为151.90 gC/m^2·a,NPP年总量平均值为482.41TgC(1 Tg=1012 g),NPP平均值与总量均呈现出下降趋势;②中亚地区NPP的高值区主要分布在高纬度地区和东南部高山地区,中部和南部荒漠区则为NPP的低值区;③中亚地区2000~2014年间NPP在空间上总体呈现下降趋势,达到显著下降的区域总体面积的39.89%。NPP呈下降趋势的区域主要集中在哈萨克斯坦的大部分区域,不同分区内以典型草原区最为显著;④中亚地区NPP受降水量的影响作用高于气温,荒漠草原区、典型草原区以及荒漠区主要受到降水量的控制,高山草甸区与高山林地区则受到降水和气温的共同作用。

基于V__Hegyi竞争指数的绿洲边缘人工固沙植被梭梭(Haloxylon ammodendron)的种群竞争

种群动态与种内竞争是植物生态学经典研究核心,特别是对于植被组成相对简单的荒漠,对种内竞争机制的研究有助于深入理解荒漠植被的稳定机制与自组织过程。以河西走廊绿洲边缘最主要的人工固沙植物梭梭(Haloxylon ammodendron)为对象,采用空间代替时间的方法,研究梭梭种群的演变过程及种群竞争强度随建植年龄的变化。选择5个(5~10、10~20、20~30、30~40、>40a)生长阶段的受人为干扰较小的梭梭种群样地,分别设置5个50m×60m样方。选用V__Hegyi竞争指数分析梭梭种群的种内竞争在时间维度上的变化规律。结果表明:研究区梭梭人工林从定植到生长20a左右,梭梭林密度减小了60%左右,生长30~40a左右的梭梭样地出现大量的更新幼苗,导致密度增加,由于梭梭幼苗和部分成年树的死亡,密度再次下降;梭梭基径越大,竞争指数越小,不同径级梭梭竞争指数大小依次为幼苗、幼年树和成年树;梭梭种群竞争强度由大到小依次为30~40、5~10、>40、20~30、10~20a。

荒漠绿洲湿地土壤水热盐动态过程及其影响机制

以甘肃临泽荒漠绿洲湿地为研究对象,通过对土壤温度、含水量、电导率及蒸散量的野外观测,在植物生长期和冻融期分别深入分析水热盐耦合运移过程及其影响因素,探讨水热梯度对盐分运移及其分布格局的控制作用。结果表明:土壤温度整体呈现出春夏季逐渐升高、秋冬季降低趋势。在冻结期,土壤表现为脱盐状态,表层电导率由2.8 mS·cm^(-1)降到1.2 mS·cm^(-1);而在消融期为积盐状态,表层电导率由1.2 mS·cm^(-1)升到3.7 mS·cm^(-1)。在生长期,土壤含水量和电导率波动较为剧烈,表层含水量27%～43%,表层电导率3～5.5 mS·cm^(-1),土壤脱盐、积盐反复出现。全年蒸散量总体呈单峰变化趋势,年蒸散量507 mm;土壤电导率与蒸散量呈正比关系,与地下水位呈负相关关系;蒸散发作用是土壤表层积盐的主要驱动力,而地下水波动影响着湿地脱盐、洗盐过程。因此,荒漠绿洲湿地土壤盐分累积过程是水分运移和热量传输过程发生变化的结果。

黑河下游尾闾区植物群落物种多样性与稳定性格局

黑河下游尾闾区作为西北干旱区典型的脆弱生态系统,其植物群落物种多样性与稳定性对维持该地区生态安全和可持续发展具有重要意义。以黑河下游尾闾区荒漠植被为研究对象,采用K-Means聚类,基于距河道距离及其对应的土壤含水量数据,将黑河下游尾闾区垂直于河道0-4 km区域可分为距河0-0.3 km(T_(0-0.3))、0.3-1.7km(T_(0.3-1.7))和1.7-4.0 km(T_(1.7-4.0))3个距离梯度,研究不同距离梯度下植物群落物种组成、多样性和稳定性特征,并进一步探讨了黑河下游尾闾区主要植物最适宜土壤水分需求。结果表明:(1)近河0-0.3 km区域以耐湿耐盐碱的草本为主,优势种为芦苇(Phragmites communis)、盐爪爪(Kalidium foliatum)、苦豆子(Sophora alopecuroides)和冰草(Agropyron cristatum);距河道0.3-1.7 km区域出现的植物种类数目最多,以乔木为主,兼有灌木和草本,优势种为柽柳和胡杨;距河道1.7-4.0 km区域出现的植物种类数目最少,以极耐旱的灌木和亚灌木等荒漠植被为主,优势种为红砂(Reaumuria songarica)和梭梭(Haloxylon ammodendron)。(2)3个距离梯度下Simpson指数、Pielou指数、Shannon-Wiener指数和丰富度指数R均表现为距河0.3-1.7 km>0-0.3 km>1.7-4.0 km,而植物群落稳定性与物种多样性间呈现出相反的变化趋势,即群落稳定性表现为距河1.7-4.0 km>0-0.3 km>0.3-1.7 km。(3)当黑河下游尾闾区距河0-0.3、0.3-1.7 km和1.7-4.0 km区域植被最适宜土壤含水量分别为27%-31%、15%-22%和4%-7%,有利于维持该区域植物群落物种多样性与稳定性。

河西走廊酒泉绿洲农田防护林格局与结构

绿洲农田防护林可以有效保护绿洲免遭风沙危害,但规格过高的防护林体系不仅消耗水资源,而且有胁地和减产等负面作用,因此在景观尺度上研究农田防护林空间格局、带斑比及其结构是建立节水型绿洲的基础。酒泉绿洲位于讨赖河流域中游、河西走廊西段,是典型的干旱区绿洲。本文选择酒泉绿洲为研究对象,围绕基于遥感数据提取绿洲防护体系的数据源选择与提取方法、绿洲农田防护林体系格局及其尺度依赖性、农田防护林结构等科学问题,探讨了利用遥感数据提取农田防护林属性的方法、分析讨赖河中游农田防护林的空间格局和结构。研究表明:(1)使用哨兵-2A遥感影像,利用防护林与农作物生长的物候差异,选择合适时间的遥感数据,可以有效提取农田防护林信息,能够真实全面地反映绿洲农田防护林网的带斑比及其分布状况,计算结果与实地调查相符;(2)讨赖河中游酒泉绿洲农田防护林以新疆杨为主,农田中超过80%的林网带斑比为2.50%~7.50%,具有明显的随尺度变化特征,表现为0.1~10 km内尺度效应明显,10~20 km内随幅度增加尺度效应减弱,当幅度大于20 km时尺度效应逐渐消失;(3)农田防护林平均树高17.5 m,平均胸径25.7 cm,整体以通风结构为主,林网完整度指数普遍小于0.40,缺网断带现象明显,林网完整度较低。