山西西南部黄土丘陵区典型林分生态化学计量特征

【目的】研究黄土丘陵区典型林分植物-凋落物-土壤的生态化学计量特征,可揭示该地区生态系统植被生长发育的主要限制性营养元素。【方法】选取黄土丘陵区典型人工油松Pinus tabuliformis林、刺槐Robinia pseudoacacia林、侧柏Platycladus orientalis林为研究对象,天然次生辽东栎Quercus liaotungensis林为对照,分析不同林分植物叶、枝、根,凋落物和土壤的生态化学计量特征及其相关性。【结果】①典型林分的乔木各器官碳(C)、氮(N)、磷(P)质量分数从大到小依次表现为叶、枝、根,与C相比,各器官间N、P质量分数变化幅度较大;油松各器官C质量分数显著高于其他林分(P<0.05);刺槐叶、根、凋落物和土壤N质量分数显著高于其他林分(P<0.05),刺槐具有较好的固氮作用。②刺槐叶C/N和C/P显著低于其他林分(P<0.05),叶N/P为14~16,其他林分叶N/P均低于14;凋落物N/P低于25,分解受N元素限制;③典型林分的植物各器官C、N与凋落物C、N显著正相关(P<0.05),而P与凋落物和土壤P无显著相关性;土壤C与凋落物C呈显著负相关(P<0.05),而与凋落物N呈显著正相关(P<0.05);凋落物C/N、C/P与土壤C/N、C/P、N/P分别呈显著负相关(P<0.05)。【结论】黄土丘陵区典型林分植物生长发育和凋落物的分解主要受N元素限制。刺槐具有良好的固氮作用且生长速率较快,在该地区人工林植被恢复中可着重选择和保护。

近60年山西省降雨侵蚀力时空变化特征

[目的]揭示降雨引发区域土壤侵蚀的潜在能力,分析降雨侵蚀力时空变化特征,为区域生态建设和水土流失治理提供科技支撑。[方法]基于近60 a(1960—2020年)山西省气象站点均一化逐日降水数据,采用线性回归及Mann-Kendall非参数检验、Hurst检验和地理信息空间插值等方法对山西省降雨侵蚀力变化趋势和时空分布特征进行分析,探讨了近60年山西省降雨侵蚀力时空变化。[结果]山西省1960—2020年多年平均降雨侵蚀力变化范围为828.29~3002.21 MJ·mm/(hm^(2)·h),最低值出现在1997年,最高值出现在1964年;各站点的降雨侵蚀力年际变化趋势迥异,其中五台山站呈显著下降趋势,除侯马站外,其他站点均呈下降趋势,且Hurst指数均高于0.5,表明该下降的趋势将长期持续;山西省多年平均降雨侵蚀力空间分布呈现东南高西北低的特征,且与降雨侵蚀力与地形存在一定的正相关关系。[结论]山西省大部分地区降雨侵蚀力呈下降趋势,黄河沿线表现为上升趋势,未来水土保持与生态治理工作依旧艰巨,应进一步加强山西省黄河沿线生态建设与水土流失综合治理。

晋西黄土区土地利用对降雨入渗产流模式和优先流分布的影响试验研究

黄土高原退耕还林(草)工程显著改变了河川径流过程,但其作用机制尚不明晰。选取晋西黄土区4种典型下垫面(20年和30年刺槐人工林地、草地、休耕地)分别开展连续3场模拟降雨试验,观测坡面入渗产流过程,并结合染色示踪和图像处理软件技术,分析土地利用类型对坡面降雨入渗产流模式和优先流分布的影响。结果表明:(1)累积入渗量和优先流发育程度均表现为刺槐林地>草地>休耕地,刺槐林地优先流对总入渗的贡献是草地和休耕地的2.5—4.5倍,但优先流贡献均不超过10%,仍以基质流入渗为主。(2)4种用地类型降雨入渗主要补给地表60—70cm土层,前期降雨均匀增加表层土壤含水率,而后期降雨补给深层土壤水分的空间变异性显著增强。(3)刺槐林地产流量及径流系数均显著小于草地和休耕地,且前期含水量对20年刺槐林地的影响较小,而显著影响草地和休耕地径流系数。(4)直径d<1mm的细根显著促进降雨入渗和优先流发育,而d>5mm的粗根与入渗量和基质流量呈显著负相关。较高的土壤初始含水率、容重和粘粒含量会抑制入渗和优先流的发生。研究说明不同土地利用类型将改变降雨入渗产流过程及土壤水运动形式。

干旱胁迫下环境与生理因子对晋西黄土区刺槐人工林树干液流的影响

【目的】探究干旱胁迫对晋西黄土区刺槐人工林蒸腾耗水的影响,揭示干旱胁迫下环境和生理对刺槐蒸腾耗水的调控机制,为晋西黄土区刺槐人工林的经营和水分管理提供理论依据。【方法】以晋西黄土区刺槐人工林为研究对象,通过降雨拦截试验(整个生长季减雨50%),连续监测刺槐的树干液流变化,并同步监测环境因子和水分生理变化,分析环境和水分生理对树干液流的影响。【结果】(1)干旱处理显著降低了刺槐的液流速率(Js),干旱处理下平均Js(0.92 g/(cm^(2)·h))显著低于对照处理下的平均Js(1.87 g/(cm^(2)·h)),但其变化规律相似。(2)干旱处理影响了刺槐的枝、叶相对含水量,且随着干旱处理时间的延长,枝、叶相对含水量降低。不同处理条件下,刺槐枝、叶水势和水容均呈“V”字型变化,干旱处理下的枝、叶片水势(-1.22 MPa、-0.72 MPa)低于对照处理(-1.15 MPa、-0.60 MPa)。干旱处理下枝、叶水容降低,分别为0.52 g/(cm^(3)·MPa)和1.05×10^(-2)g/(cm^(2)·MPa)。(3)刺槐树干液流的变化受气象因子、土壤水分条件和水分生理因子的共同影响,不同处理条件下蒸散的主控因子均为太阳总辐射,干旱处理下枝、叶水容对刺槐树干液流速率的影响减弱,表明相较于干旱处理,对照条件下刺槐更依赖于组织水容储水来满足蒸腾耗水。【结论】研究揭示了干旱胁迫显著降低了刺槐液流速率,但未改变其液流活动规律。刺槐人工林树干液流变化受多种因子的共同影响,主导因子依次为气象因子、土壤水分和水分生理因子。研究结果有助于深入理解干旱条件下人工林的蒸腾耗水过程的变化特征,对评估气候变化条件下黄土区人工林生态系统的稳定性和生态水文过程具有重要意义。

晋西黄土区油松人工林密度和立地对细根特征的影响

【目的】探究不同林分密度、坡度和坡向条件下油松人工林细根(≤2 mm)生物量和细根形态的垂直分布规律,为晋西黄土区植被管理和生态建设评价提供依据。【方法】以油松人工林为研究对象,选择不同林分密度M1(<2000株/hm^(2))、M2(2000~3000株/hm^(2))、M3(3000~4000株/hm^(2))、M4(4000~5000株/hm^(2))、M5(>5000株/hm^(2)),不同坡度(≤20°、20°~30°、30°~40°)和坡向(阴坡和阳坡)的样地,采用根钻法分层获取0~100 cm土层中的细根,对细根生物量密度、根长密度、组织密度、比根长和比表面积的垂直分布特征及其影响因素进行研究。【结果】(1)0~100 cm土层的细根生物量密度随林分密度增大呈单峰变化趋势(M4密度条件下达到最大值606.19 g/m3),不同坡度和坡向条件下细根生物量密度及其垂直分布没有明显变化趋势。细根生物量密度随土层深度增加呈显著递减趋势(P<0.05),主要集中在0~20 cm土层中,占比38%以上。(2)随着林分密度增加,0~100 cm土层的细根根长密度呈单峰变化趋势(M4密度下达到最高值3639.73 m/m^(2)),比根长和比表面积呈先减小后增加的趋势(在M4密度下达到最低值:比根长601 cm/g,比表面积101.09 cm^(2)/g)。坡度和坡向对细根形态及其垂直分布的影响均不显著。垂直方向上,各林分密度0~40 cm土层的细根根长密度占比均在60%以上。在0~20 cm土层,比根长和比表面积随林分密度的增加先减少后增加(P<0.05)。(3)相关性分析显示,林分密度和土层深度对细根生物量密度和细根形态有显著影响。细根生物量密度和根长密度与林分密度、土壤全碳、全氮以及有机碳显著正相关,与土壤深度和C∶N显著负相关。比根长、比表面积与林分密度和土壤有机碳显著负相关,与土壤深度显著正相关(P<0.05)。【结论】林分密度是油松人工林细根特征的关键调控因子,可通过林分管理措施来调整人工林林分密度以及细根生存策略,以此提高油松人工林应对环境胁迫的适应性,为半干旱区人工林可持续经营提供理论支持。

晋西黄土区沟谷不同部位植物多样性

【目的】为了对黄土丘陵沟壑区小流域沟谷进行更精准的保护和修复,从植物多样性和生态位宽度等方面,对沟谷不同地貌部位(沟底、沟阳坡和沟阴坡)的自然恢复能力进行了研究。【方法】通过在山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站进行野外实地调查,分析不同部位植物的群落生长特征及其多样性,比较不同地貌部位植物群落间的相似性。【结果】(1)研究区灌草植物共有40科76属98种,其中灌木17科27属34种,草本29科51属64种。灌木层科属种总数表现为沟阳坡>沟阴坡>沟底,草本层为沟底>沟阴坡>沟阳坡。(2)灌木层优势种为:黄刺玫、荆条、木蓝。草本层优势种为:芦苇、黄花蒿、披针薹草。在灌木层,沟底黄刺玫和杠柳的生态位宽度较大,沟阳坡和沟阴坡中荆条和木蓝的生态位宽度较大。在草本层,沟底芦苇和白莲蒿的生态位宽度较大,沟阳坡和沟阴坡中披针薹草的生态位宽度较大。(3)在沟底、沟阳坡和沟阴坡间Margalef指数、Shannon-Wiener指数、Simpson指数和Pielou指数并未表现出显著差异(P> 0.05)。各群落间Jaccard系数0.50≤q <0.75。Jaccard系数在沟阳坡和沟阴坡间达到最大,为0.630。【结论】整体来看,沟谷的自然恢复能力强,地貌部位中沟阳坡和沟阴坡自然植被恢复能力比沟底强。不同地貌部位的群落组成复杂度表现为沟阳坡>沟阴坡>沟底。沟谷不同地貌部位优势种不同,从沟阳坡到沟阴坡再到沟底,随着光照的减少和水分的增加,优势种由耐旱喜阳植物发展为耐阴植物。

黄土丘陵区典型人工林土壤有机碳储量的分布特征

【目的】人工林作为重要的碳汇资源库,影响着陆地生态系统的碳循环过程。通过分析黄土丘陵区典型人工林土壤有机碳储量的空间分布特征,为准确评估黄土高原的土壤碳汇能力提供基础数据支撑。【方法】以黄土丘陵退耕区吴起县为研究区域,典型人工油松林、山杏林、沙棘林为研究对象,天然草地为对照,应用主成分分析和冗余分析法,探究黄土丘陵退耕区典型人工林0~200 cm土壤有机碳储量的空间分布特征及其影响因素。【结果】(1)不同人工林土壤表层有机碳储量高于深层土壤,0~200 cm土壤有机碳储量表现为山杏(97.145 g/m^(2))>草地(92.418 g/m^(2))>沙棘(68.695 g/m^(2))>油松(61.130 g/m^(2))。沙棘土壤有机碳储量的空间变异程度最大(0.219),草地土壤有机碳储量的空间变异程度最小(0.115);(2)研究区典型人工林土壤有机碳储量与黏粒、粉粒含量呈正相关关系,与砂粒呈负相关关系,全氮、碱解氮对土壤有机碳储量正向效应显著;(3)地形(30.71%)对0~200 cm土壤剖面上土壤有机碳储量垂直变化的相对贡献最大,其中海拔(19.66%)是影响0~200 cm土壤有机碳储量垂直分布的主要因子。【结论】综上,黄土丘陵区典型人工林土壤有机碳储量具有表聚性,土壤机械组成与土壤养分对土壤有机碳储量的影响较为显著。人工山杏林具有较强的土壤碳汇功能,可作为黄土丘陵退耕区生态修复的水土保持树种。

基于DEM的马莲河流域数字地形分析

研究基于DEM的数字地形分析可以为各个领域提供地形分析的基础理论及实现手段。DEM水平分辨率作为重要的尺度参数,是确定地形参数和应用尺度的重要指标。选取陇东黄土高原地区的马莲河流域作为研究对象,应用美国ESRI公司开发的ArcGIS地理信息系统软件,基于数字高程模型进行流域地形特征的提取与分析。研究提取流域的基本地形特征如坡度和坡向,提取流域水系,划分了小流域。通过分析比较,得出DEM水平分辨率对提取的地形特征及水文特征的影响,为马莲河流域的数字地形分析提供了理论依据。

黄土区刺槐和油松人工林土壤微生物PLFA分析

【目的】研究黄土丘陵沟壑区不同人工林恢复对土壤微生物群落结构多样性产生的影响,为该区植被恢复评价提供数据参考。【方法】以山西吉县典型刺槐和油松人工林以及自然恢复的荒草地为研究对象,采用磷脂脂肪酸(PLFA)生物标记法(MIDI系统),分别对土壤表层0～20 cm和20～40 cm土层的PLFA种类进行分析,比较不同人工林植被恢复后土壤微生物PLFA数量以及微生物群落结构的差异,并探讨土壤化学性质对土壤微生物群落结构的影响。【结果】土壤微生物PLFA总量,细菌、放线菌、革兰氏阳性菌和丛枝菌根真菌PLFA含量及多样性指标(Shannon-Wiener、 Simpson及Pielou指数)均呈现出刺槐林最高、油松林次之,且均显著高于荒草地的趋势(P <0.05)。2种人工林土壤中表征环境胁迫的直链饱和脂肪酸/单不饱和脂肪酸(SAT/MONO)值显著低于荒草地(P <0.05)。主成分分析结果显示,不同植被类型及土层深度的土壤微生物群落结构存在差异,且3种植被表层土壤微生物群落结构之间的差异达到了显著水平(P <0.05)。冗余分析和Pearson相关分析结果显示,土壤微生物群落结构变化的主要影响因素是土壤全氮含量和pH值。【结论】刺槐和油松人工林的恢复对土壤微生物群落结构多样性有显著影响,对土壤生态系统的修复具有积极意义。与油松相比,刺槐更有利于土壤微生物状况的改善。

基于仿生材料的根系固土力学机制

根系对土体具有显著的加固作用。由于天然植物根系种类繁多、根构型复杂多变,关于根系影响土体内摩擦角的机制研究相对较少且结论尚不明确。以聚乳酸为原材料,使用3D打印技术制作仿真根纤维、标准砂模拟土体、黄原胶凝胶模拟根系分泌物,使用干燥标准砂模拟土壤排除黏聚力影响,通过室内直剪试验研究黄原胶凝胶质量分数、根截面积比一定时根数量和直径协同变化、根数量和根直径对土体内摩擦角的影响,以分析土体加固机制。结果表明:1)当控制根直径及数量不变,仅改变黄原胶凝胶质量分数时,内摩擦角随黄原胶凝胶质量分数的增加先增加后波动平稳,黄原胶凝胶质量分数的提高可以促进内摩擦角的增加,但这种作用在达到一定程度后便不再明显;2)当根截面积比不变,根系含量和黄原胶凝胶质量分数一定,仅改变根直径和根数量时,随着根数量的增加,即根直径的减小,内摩擦角先增加后减小,整体波动稳定;3)当控制黄原胶凝胶质量分数和根直径不变,仅改变根数量时,随着根数量的增加,内摩擦角整体呈增加趋势,内摩擦角随根数量的增大而增大;4)当控制黄原胶凝胶浓度和根数量不变,仅改变根直径时,随着根直径的增加,内摩擦角整体波动稳定呈增加趋势。综上,内摩擦角随根直径的增大而增大。研究结果可为进一步揭示根系加固土壤的机理提供了理论依据。

近几十年来冀西北山地白桦次生林径向生长对气候变化的响应

研究不同海拔高度天然次生林径向生长特征及其对气候变化的响应,揭示影响山地树木径向生长的主要因子,对于研究气候变化对温带森林生态系统适应性生长、演替和可持续经营的影响具有重要意义。该研究以冀西北山地次生林优势树种白桦(Betula platyphylla)为对象,于研究区海拔1350、1550、1750、1950 m处分别设置样地,采集样木树芯和圆盘,运用树木年轮气候学方法建立白桦天然次生林标准年表,并将年轮宽度指数与气候因子进行相关、多元逐步回归分析。主要结果:(1)1960-2018年研究区气候呈变暖变干趋势,其中1960-1989年为平稳期,1989-2018年为快速期。(2)白桦次生林径向生长在1989年发生改变,年轮宽度指数呈现“增长-下降”的“Λ”形生长趋势。(3)在气候变化平稳期,白桦次生林径向生长在低海拔样地(B1350、B1550)与气温(平均气温、最高气温、最低气温)呈正相关关系,在高海拔样地(B1750、B1950)与上年和当年生长季降水量呈显著正相关关系;在气候变化快速期,低海拔样地(B1350、B1550)白桦次生林径向生长与生长季气温、生长季潜在蒸散发(ET_(0))呈负相关关系,高海拔样地(B1750、B1950)白桦次生林径向生长与生长季及生长季末期ET_(0)呈负相关关系。(4)在气候变化平稳期,温度对B1350、B1550、B1750样地白桦次生林径向生长的贡献率分别为76%、54%、51%,水分的贡献率为24%、46%、49%;在气候变化快速期,温度对B1350、B1550、B1750样地树木径向生长的贡献率分别为58%、41%、38%,水分的贡献率为42%、59%、62%;高海拔B1950样地树木生长始终受水分因子的控制。