沙漠人工植被区生物结皮类土壤的蒸发特性——以沙坡头沙漠研究试验站为例

沙漠人工植被区的建立有助于生物结皮的形成和发育,它将显著改变植被区土壤的持水性能和蒸发过程。利用室内蒸发法研究了流沙和沙漠植被区生物结皮类土壤的蒸发特性。结果表明,随固沙年限的延长生物结皮层及其下的亚土层逐年增厚、容重下降、土壤持水能力增加,且苔藓结皮优于藻类结皮。当土壤样品完全饱和后,生物结皮土壤的蒸发量明显高于流沙,苔藓结皮高于藻类结皮,并随固沙年限的延长而增加;但是蒸发过程表现出明显的阶段性(p<0.05)。在蒸发的第一阶段(速率稳定阶段),与流沙相比生物结皮的存在有利于蒸发;但在蒸发的第二阶段(速率下降阶段)生物结皮却抑制蒸发。分析后认为,正是生物结皮具有较高的持水能力,在蒸发的第一阶段增加了水分被蒸发的可能性;当土壤干旱时,结皮可以将水分束缚在土壤中从而抑制了蒸发。

沙坡头人工植被区微生物结皮对地表蒸发影响的试验研究

微生物结皮是干旱半干旱地区生态系统的重要组成部分,其生态水文过程受到了广泛关注,但对微生物结皮在地表蒸发过程中的作用存在较大的争议。笔者利用微型Lysimeter对沙坡头地区几种典型微生物结皮和流沙地表的蒸发过程进行了试验观测,并与水面蒸发进行了对比分析。结果表明,结皮和流沙地表的蒸发速率随时间的变化趋势基本相同,但在不同的蒸发阶段具有各自不同的特点,总的说来,发育良好的苔藓结皮导致相对较少的无效降水,但在更长的时间维持较高的蒸发速率;流沙和初步发育的降尘结皮导致了较多的无效降水,但由于降水的入渗深度相对较深,需要更长的时间完成蒸发过程。

沙坡头地区沙尘气溶胶质量浓度的试验观测研究

中国北方沙尘气溶胶的理化特征及其气候效应受到了广泛关注,但现有的研究大都是基于较短时段和典型事件的试验观测。本项研究利用大流量采样器和安德森采样器,对沙坡头地区沙尘气溶胶的质量浓度特征进行了长达3a的监测,获得了该地区沙尘气溶胶的年变化特征,并与背景气象资料和降尘观测结果进行了对比分析;针对典型天气过程的观测结果表明,不同天气条件(背景大气、浮尘、扬沙和沙尘暴)下TSP浓度存在倍数关系和量级的差异,其质量浓度随粒径分布特征也明显不同;两种采样器观测结果的对比分析也表明,局地沙尘释放是沙坡头地区大气气溶胶的主要来源,但在沙尘暴过程中,远源沙尘输送的贡献也不容忽略。

腾格里沙漠沙坡头地区固沙植被对生物多样性恢复的长期影响

地处腾格里沙漠东南缘的沙坡头人工固沙植被始建于1956年,46 a来不仅确保了包兰铁路沙漠地段的畅通无阻,而且对区域生态环境的恢复产生了巨大的影响,成为我国干旱沙漠地区交通干线荒漠化防治与生态恢复的成功模式.长期定位监测结果表明:人工固沙植被建立4～5 a后,沙丘表面物理结构初步得到稳定,并由大气降尘形成的无机土壤结皮逐渐演变形成土壤微生物结皮.荒漠藻类、苔藓和地衣等隐花植物在结皮层中得到了大量的繁衍:固沙植被建立46 a后出现藻类24种;苔藓仅有5种,少于天然固定沙丘结皮上的种类,此外,地衣也在植被区发现,这说明固定沙丘景观逐渐趋于稳定的状态;相对于流沙区,固沙植被区近地面风速降低了40%,土壤有机质含量增加了60%,其中氮、磷、钾等荒漠生态系统主要限制养分因子及土壤理化性质得到了改善,沙丘表层成土过程明显;土壤水分循环的时空变异驱动了植被的演变,为大量的草本的侵入和定居创造了条件;此外,对鸟类、昆虫和土壤动物及荒漠动物的生存产生了积极的影响.46 a后,固沙植被区共有鸟类28种,昆虫50种,动物23种.生物多样性的恢复使原有的相对单一的固沙植被演变成一个结构、组成和功能相对复杂的荒漠生态系统.沙坡头地区生态环境在人为促进下的恢复为我国西部生态建设提供了科学依据.

沙坡头地区固沙植被土壤水分动态研究

沙坡头地区始建于 195 6年的无灌溉人工固沙植被 ,是我国交通干线防沙体系的成功模式。利用 40余年的土壤水分定位观测数据 ,分析了不同期间建立的固沙植被土壤水分的时空变化特征及对植被的影响。结果表明 ,固沙植被发展至 9～ 10a后土壤含水量开始明显下降 ,特别是较深层 (>10 0cm)的含水量下降明显 ;0～ 40cm层土壤水分含量与降水相关显著 ,而降水对 40～ 30 0cm层土壤水分的含量影响不显著 ;深根系固沙植物对根际区域水分的利用 ,进一步恶化了固沙区土壤深层的水分状况 ,进而抑制了这些植物的生长和生存 ,间接地影响了原有固沙植被组成和稳定性 ;经过 40多年的演变 ,固沙植被中优势灌木种的盖度从最大盖度 47 6 %降至 6 %～ 9% ,群落中草本和微生物结皮层得到发育。当深根系灌木的盖度降低至 6 %～ 9%时 。

沙坡头地区一年生植物的生理生态特性研究

对腾格里沙漠沙坡头地区一年生植物沙米 (Agriophyllumsquarrosum)、刺沙蓬 (Salsolaruthenica)和虫实(Corispermumdeclinatum)光合作用日变化的研究结果表明 ,沙米的光合速率、蒸腾速率和气孔导度均呈单峰型 ,其最高峰出现在 11:0 0左右。刺沙蓬的光合速率、蒸腾速率和气孔导度均呈“双峰型” ,光合速率、蒸腾速率在 9:0 0有一个峰值 ,而后在 11:0 0有一个谷值 ,13:0 0至 15 :0 0出现一天中的最高峰值 ;而其气孔导度在早 7:0 0是一天中的最高峰值 ,而后在 13:0 0有一个谷值 ,其次高峰出现在 15 :0 0～ 17:0 0 ,与蒸腾作用的日变化表现出密切的相关性。虫实的光合速率只是在早 7:0 0有一较小的高峰 ,其余时间基本维持在较低的水平 ,其蒸腾速率最高峰出现在11:0 0 ,气孔导度最高峰出现在 9:0 0～ 11:0 0 ,15 :0 0为一天中的最小值 ,17:0 0又有所回升 ,而后开始下降。就 3种一年生植物比较而言 ,在早 7:0 0时光合速率相差不大 ,随着气温的升高 ,虫实的光合速率逐渐下降 ,而沙米和刺沙蓬的光合速率逐渐增高 ,比虫实的光合速率提高了 4～ 6倍。刺沙蓬出现了明显的蒸腾午休现象 ,这可能是由于刺沙蓬的叶为肉质叶 ,它对周围环境变化的反应更灵敏 ,其调控机制变得活跃了 。

沙坡头地区固定沙丘结皮层藓类植物的繁殖和生长特性研究

采用撒茎法和分株法2种栽培法培养藓类植物,实验结果表明:①新生枝和原丝体在老茎上反复产生,由原丝体产生配子托;②新生枝和配子托发育成正常的植物体;③生长速率测定表明在培土试验条件下植物体每天增长0 33～0 34mm。研究为固定沙丘结皮层中藓类植物的繁殖和生长提供了实验依据。

沙坡头地区固沙植物油蒿、柠条蒸散状况的研究

应用一组自动称重式lysimeter对腾格里沙漠东南缘沙坡头地区半灌木油蒿 (Artemisiaordosica)与灌木柠条 (Caraganakorshinskii)植丛的蒸散与流沙区蒸发比较 ,在生长季节进行两年连续观测研究。结果表明 ,植丛生长季节蒸散约占同期降水量的 90 %以上 ,根层 2 2 0cm深度以下无降水补给作用。裸沙蒸发量与深沙层补给量分别占降水量的 70 5 %与 12 6 %。湿润年 (P =2 15 8mm ,其中生长季P =183 7mm)生长季内油蒿与柠条植丛日平均蒸散速率接近 ,分别为 0 86mm·d-1,0 87mm·d-1。干旱年 (P =12 1 0mm ,其中生长季P =114 0mm)油蒿植丛日平均蒸散速率降低为 0 6 8mm·d-1,而柠条植丛日平均蒸散速率仍然高达 0 80mm·d-1。由油蒿、柠条植丛月蒸散量比较 ,干旱年柠条在降水相对集中且丰沛的月份具有较高的蒸散量 (如 1991年 8月 ,ET为 6 6 3mm(相当于蒸散速率 2 15mm·d-1) ) ,致使根层年内贮水量亏缺量 (ΔS =- 42 .6mm)较油蒿植丛严重 (ΔS =- 18 7mm)。而油蒿植丛在全生长季保持低下蒸散水平 ,表明由于植物种利用水分的机制不同 ,其植丛ET随年降水变化差异明显。但是 ,较之于湿润年均呈现下降趋势。在湿润年 ,裸沙区日均蒸发量为 0 6 0mm·d-1,而在干旱年 ,其蒸发速率降低为 0 44mm·d-1,相应的月?

沙坡头固沙植被若干土壤物理因子的空间异质性研究

采用地统计学的理论和方法,对沙坡头人工植被表层土壤(0～15 cm, 15～30 cm)物理因子的空间异质性进行了研究.传统统计学分析结果显示:土壤水分、容重平均值在0～15 cm层小于15～30 cm层,毛管持水量、空隙度在0～15 cm层大于15～30 cm层,各因子变异系数在0～15 cm层均大于15～30 cm层.变异函数分析结果表明:土壤水分、土壤容重、土壤毛管持水量和空隙度在0～15 cm层具有明显的空间异质性,表层土壤水分有效变程最大为28.2 m,土壤毛管持水量有效变程最小为13.8 m,各因子自相关部分的空间异质性变化范围在85.3%～99.9%之间,显著大于随机部分的空间异质性.15～30 cm层土壤容重、毛管持水量、空隙度为线性模型.在Kriging插值分析的基础上,绘制了土壤属性各因子的等值分布彩图,清楚直观地表达了各因子在空间上的分布.此外还分析讨论了土壤空间异质性和植被的关系.

沙坡头人工固沙区一年生植物小画眉草繁殖分配研究

沙坡头人工固沙区不同始植年代一年生植物小画眉草(Eragrostis poaeoides)的繁殖分配研究。结果表明:无论在种群水平还是在个体水平上,都反映出:(1) 在不同的始植年代,个体大小与繁殖体大小均不相同,其排列顺序依次为1956年样地>1964年样地>1981年样地>1987年样地;(2) 在不同始植年代下小画眉草有性繁殖分配的大小存在差异,有的甚至达到显著或极显著的水平,小画眉草有性繁殖分配的大小与沙面固定的长短有关(大小依次排序:1956年样地>1964年样地>1981年样地>1987 年样地),1956 年固沙区小画眉草用于繁殖的投资比例达到(70 17±6 24)%,远高于1987年固沙区的(59 18±8 75)%。(3)地上营养器官生物量、茎重、叶片数和叶重在四个年代差异不显著,说明这些指标既受固沙时间长短的影响,也可能受其他因素的控制。通过研究,我们得到以下结论:随着沙面固定时间的延长,一年生植物生存的环境相对好转,一年生植物把更多的资源和能量用于繁殖,增加其种群规模;沙丘固定时间相对短的,一年生植物将把更多的资源和能量用于营养生长,以抵御不利的生长环境。

沙坡头人工植被区陆气耦合模式及生物结皮与植被演变的机理研究

论述了研究陆气相互作用的意义和现状。在以前工作基础上 ,针对腾格里沙漠人工植被区陆气水热传输过程 ,提出了一个多层陆气耦合模式。特别给出了导水率的计算模型和修正后的根系吸水模式 ,考虑了结皮层对于土壤水分入渗的影响以及植被演变的过程。陆气耦合模式分别对大气、植被、土壤作多层划分 ,以助于细致了解沿高度分布的各物理量。同时 ,介绍了当地气候概况和野外观测情况。利用本模式对中国科学院沙坡头沙漠站人工植被区陆气水热交换过程进行了数值模拟 ,模拟结果与实测值吻合较好 ,可为当地合理利用水热资源和治理沙漠提供科学依据。

沙坡头地区固定沙丘一年生植物小画眉草种群动态研究

通过对一年生草本植物小画眉草 (Eragrostispoaeoides)种群动态的研究 ,可以看到小画眉草的萌发和生长以及数量动态对于降水的强烈依赖 ,使得草本植物的萌发具有成批性 ,小画眉草有 4批出苗。开始出苗后由于连日高温干旱 ,致使第一批苗全部死亡。之后 ,由于降水较多且相对较集中 ,出苗、生长发育与自疏死亡成连续过程 ,观察到的是其净结果。由于水分对种群的制约 ,种群间对水分的竞争必然导致自疏现象。一年生草本植物的存活曲线属于C型 ,生活史对策明显表现为r-对策。

包兰铁路沙坡头段人工植被区生境与植被变化研究

综合土壤、气候、植被等诸多因子 ,结合时间尺度上的环境变迁对植被的变化进行了研究。结果表明 ,( 1 )沙子水分随着人工植被建立时间延长而线性地减少 ,30 a后人工植被的水分得以稳定 ,对降水量增加的响应也变弱。 ( 2 )虽然人工植被盖度有所下降 ,但以油蒿为建群种的群落能够适应沙坡头环境的变化 ,不断的自我繁衍 ,保持可持续性。 ( 3)随着环境的变化 ,该地的生物多样性增加了 ;藻类、藓类以及浅根性植物和动物等的侵入 ,使简单的人工植被已演变到多层次的复杂的人工 +自然生态系统。该生态系统能够维持草原化荒漠条件下较高的盖度 ,有利于沙面形成结皮并向成土过程发育 ,从而可保持固沙系统较长时期的稳定。

沙坡头固定沙丘结皮层藓类植物繁殖生物学特性研究

采用撒茎法和芽胞培养土生对齿藓Didymodonvinealis的实验表明 :芽胞由植物体叶腋腋毛顶端细胞反复再生 ,原丝体由芽胞和叶基部细胞产生或由腋毛直接生长为原丝体 ,附着在叶背面的芽胞比未附着芽胞产生的原丝体生长更好 ;老茎不直接生长为植物体 ,产生新生枝后死去。同时 ,实验室培养的真藓Bryumargenteum其植物体、叶和细胞形态特征与野生种有明显差异。为人工促进固定沙丘结皮层的形成提供理论和实验依据。

沙坡头地区农田灌溉和施肥对氮淋溶量影响的研究

对沙坡头农田不同土壤类型养分和水分供给下0～2 m土壤层淋溶液的分析结果表明:不同类型土壤氮淋溶量差异显著( P <0.05);同一类型土壤随水肥供给强度的增加,氮淋溶有增加的趋势,特别是灌水次数、土壤水分含量处理和总灌溉量与氮淋溶量间有强正相关关系( P <0.05);低灌溉水平,氮淋溶量与施肥间无显著相关关系,而高灌溉水平下施肥和灌溉均是主导因子;灌淤土保持田间持水量40%及以下土壤水分所有施肥水平,氮淋溶量间差异不显著( P >0.05);风沙土低水低肥(保持田间持水量20%土壤水分)处理与灌淤土保持田间持水量40%及以下土壤水分处理所有施肥水平无显著差异( P >0.05),而风沙土高水高肥处理与灌淤土所有水肥处理间差异均显著( P <0.05),低水低肥将是风沙土最低的氮淋溶界限,在传统农业条件下对该类土壤进行改良是必要的.

沙坡头人工固沙区油蒿繁殖分配的研究

对沙坡头人工固沙区油蒿(Artemisia ordosica)开花结实期的繁殖分配和生殖枝的生长特点进行了研究,结果表明:2006年8—10月,油蒿生殖枝重、头状花序重都显著增加(P<0.05),但繁殖分配均保持在26%左右;油蒿的繁殖分配与个体大小有一定的关系,地径在0.5cm以上的油蒿个体才能够开始繁殖,繁殖分配大致呈现出在一定范围内随个体增大而上升,然后又随个体继续增大而下降的趋势。对不同建植年代(1956年、1964年、1981年、1987年)样地中油蒿繁殖结构特征和繁殖分配比较发现,1981年样地上油蒿的生殖枝重、单位生殖枝上的头状花序数、繁殖分配都低于其他3个年代,且其他3个年代的样地间无显著差异(P>0.05)。这表明,人工固沙区油蒿种群的繁殖不仅受固沙时间的影响,而且受其他因素的制约。

沙坡头地区人工植被油蒿种群结构与更新的研究

采用野外调查和比较分析的方法 ,对沙坡头地区人工植被油蒿种群的结构和更新进行了研究。通过对不同固沙起始年代油蒿种群大小结构的分析发现 ,幼树个体的数量较多 ,中等大小的成年个体数量少 ,老龄个体的数量极少。年限较短的人工植被区油蒿幼树个体的数量多于年限较长的人工植被区 ,而油蒿幼苗的数量则呈相反的趋势。油蒿幼苗在不同的地形中分布数量也不同 ,丘间地有较多的幼苗 ,背风坡幼苗特别少。油蒿成年个体在人工植被区中呈均匀分布 。

从植被演替和抗风性研究包兰线沙坡头段人工植被稳定性

运用群落演替与风沙流因子分析相结合的方法论证了群落的稳定性。在沙坡头地区,以油蒿为主的人工群落在长期的自然演替过程中已达到与生境条件相互适应的动态稳定过程。通过沙坡头与周边地区植被演替的比较研究,表明了该地区现有植被正形成(或已形成)偏途顶极序列,该植被在相当长的时间内会稳定存在,这些演替可促使沙坡头地区的人工植被向更为稳定的人工+自然复合生态系统以及自然生态系统方向变化。此外,风洞实验结果显示,沙坡头现有主要植被和地表能够抵抗较大风沙流胁迫,已形成了能够忍耐沙尘暴的生态系统。

沙坡头人工植被固沙区天然降水的入渗和分配研究

土壤、植被冠层与大气界面间 (SVAT)物质传输过程日益成为水文学研究最感兴趣的领域 ,降水量的迁移与转换是非灌溉区SVAT主要的物质传输过程。干旱半干旱区稀疏灌丛蒸散量占降水量的 90 %以上 ,因此对降水入渗与水分在土壤内植物根际区再分配的研究显得十分重要。试验于 2 0 0 1年 8月 1 7日至 9月 30日在中国科学院沙坡头试验站进行 ,主要观测人工植被荒漠灌木柠条 (Caraganakorshinskii)灌丛固定沙丘降水入渗与再分配过程。结果表明 :在 7次不连续降水过程中 ,土壤入渗深度与降水强度呈简单线性相关关系 ,土壤入渗速率约为降水强度的 1 0倍。当次降水过程中降水强度小于 0 46mm·h- 1 时 ,土壤入渗速率约为 0cm·h- 1 ,此时的降水对沙区土壤基本上没有水分补给作用。受荒漠灌木柠条根系吸水作用的影响 ,其根系密集剖面深度 40～ 1 4 0cm内降水水分入渗积累不明显。降水入渗速率及入渗深度受土壤剖面初始含水率多寡而变化 ,干燥土壤剖面有助于提高瞬时入渗速率。降水以后随着时间的推移 ,人工固沙区微环境内空气温度、湿度等气象条件适宜 ,柠条生长进入相对旺盛阶段 ,其根系密集层 1 4 0cm深度处土壤含水率在总体上下降的过程中 ,表现出昼消夜长的趋势 ,试验期间翌日8:0

宁夏沙坡头荒漠生态环境鸟类季节性消长研究

20 0 0年 1 0月至 2 0 0 1年 9月逐月对宁夏沙坡头地区荒漠景观鸟类进行了统计。调查区包括三种景观 :荒漠半荒漠 ,居民点和人工固沙林。对 65种鸟类的食性、居留型以及在各景观中的季节性变化作了分析。虽然各景观中分布的鸟类物种数差异不大 :荒漠半荒漠景观 42种 ,居民点景观 41种 ,人工林景观 43种 ,但各景观中的鸟类种类、密度和季节性变化差异显著 。