毛乌素沙地不同类型生物结皮与下层土壤酶活性及土壤碳氮磷化学计量特征

生物结皮在土壤养分累积和循环中起着重要作用。土壤酶活性能敏感地指示土壤的恢复程度,是衡量沙区生态恢复与健康的重要生物学指标。采用时空互代法,以毛乌素沙地不同演替阶段生物结皮（藻结皮、混生结皮和藓结皮）为研究对象,通过测定生物结皮及下层土壤的物理化学性质和酶活性,探讨不同演替阶段的生物结皮对土壤酶活性和碳氮磷化学计量特征的影响。结果表明：生物结皮的进展演替可显著提高结皮层脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性（P<0.05）;结皮类型显著影响酶活性,藓结皮下层土壤的酶活性最高（P<0.05）;3类生物结皮间有机碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、C/N、C/P、N/P差异显著;生物结皮层SOC、TN、TP、C/N、C/P、N/P均显著高于下层土壤。环境因子对生物结皮及下层土壤酶活性变异影响大小排序为TN>速效钾（AK）>SWC>TP>C/P>SOC>碱解氮（AN）>pH>容重（BD）>速效磷（AP）,影响酶活性的主导因子是TN、TP、AK。碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性与SOC、TN、AN、C/P、N/P正相关,而脲酶和蔗糖酶与AK、TP、AP正相关。但pH、BD、Por与这4类酶活性均负相关。生物结皮的进展演替可促进结皮层及下层土壤的理化性质及酶活性的提升,但对结皮层的提升显著高于下层土壤。     

沙漠生物土壤结皮演替对微生物群落结构和土壤酶活力的影响

为了解沙漠生物土壤结皮（BSCs）演替过程中微生物群落结构及土壤酶活力变化特征,以库布齐沙漠不同演替阶段BSCs（对照样地、藻结皮、藻藓混生结皮和藓结皮）为研究对象,通过高通量测序分析BSCs中细菌、固氮菌和真菌群落组成、多样性以及土壤酶活力变化,探讨不同演替阶段BSCs对土壤微生物群落结构和土壤酶活力的影响。结果表明：随BSCs演替等级提高,优势细菌由蓝细菌门（对照样地：36.1%;藻结皮：46.9%;藻藓混生结皮：30.7%）转变为变形菌门（藓结皮：36.2%）;优势固氮菌由伪枝藻属（藻结皮：80.2%）转变为斯科曼氏球菌属（藓结皮：60.6%）;真菌担子菌门丰度（藻结皮：1.0%;藻藓混生结皮：5.0%;藓结皮：13.5%）随BSCs正向演替逐渐提高。藓结皮中细菌、固氮菌和真菌特有OTU数量较对照样地、藻结皮和藻藓混生结皮分别提高1.8～8.3、1.9～33.0倍和1.8～33.0倍;沙漠BSCs正向演替阶段微生物多样性提高顺序为固氮菌>细菌>真菌;土壤微生物多样性增加显著提高了土壤参与碳、氮循环的纤维素酶、蔗糖酶和脲酶活力（P<0.05）。随着沙漠BSCs演替...     

生物结皮演替对黄土高原水蚀风蚀交错区土壤氮素转化及微生物活性的促进效应北大核心CSCD

以黄土高原风蚀水蚀交错区六道沟小流域的生物结皮为研究对象,探索了土壤氮素含量、氮转化相关酶活性及微生物数量对生物结皮演替的响应规律及其在不同土层上的变化特征。结果表明:生物结皮演替显著增加了结皮层的有机碳(SOC)和NO3--N含量(P<0.05);结皮演替后期阶段的总氮(TN)、NH4+-N含量也逐渐增加;除脲酶、亚硝酸还原酶外,结皮层中固氮酶活性、蛋白酶活性、硝酸还原酶活性均随结皮演替呈显著增加趋势(P<0.05);微生物量碳和氮(MBC、MBN)亦随生物结皮演替而呈显著升高趋势(P<0.05);细菌、真菌同样在结皮演替后期数量增加。生物结皮层的土壤养分、酶活性和微生物数量等多数指标显著高于结皮下层土壤;生物结皮下层土壤的SOC含量、硝酸还原酶活性显著高于裸地下层,但不同结皮类型的下层土壤之间无显著差异;苔藓结皮下层土壤的脲酶活性和MBN最高,显著高于藻结皮和裸地下层土壤。土壤碳氮含量、微生物量与氮转化相关酶活性之间多数具有显著的相关关系。在生物结皮演替过程中,土壤SOC的积累增加了微生物量与细菌、真菌数量,氮功能微生物提高了氮素含量和相关酶活性,在氮素积累和转化过程中发挥着关键作用,为植物的繁衍与生长提供了宝贵的养分,促进黄土高原水蚀风蚀区的水土保持与地表稳定。     

干旱沙区生物结皮对土壤膨胀的影响北大核心CSCD

土壤膨胀通过改变土壤结构和水文过程影响土壤系统抵抗力和恢复力。生物结皮可以加速土壤形成,改变土壤理化性质,但生物结皮的形成和发育过程如何影响土壤膨胀还不清楚。本文借助空间取样替代时间的方法和模拟降水(0、1、3、5、10 mm)法,以腾格里沙漠南缘4个年代的固沙植被带(64、39、33、0年)的5种演替阶段的生物结皮(蓝藻、藻-地衣混生、真藓、土生对齿藓和齿肋赤藓)及其土壤为研究对象,旨在阐明生物结皮的形成和发育过程对土壤膨胀的影响及其对降水的响应。结果表明:(1)生物结皮的形成增加了土壤膨胀高度,结皮后土壤的平均膨胀高度是流沙的94倍,平均0.939 mm;(2)不同演替阶段生物结皮均随着其发育年龄的增加显著增加土壤膨胀高度(P<0.05),主要体现在两个方面,在同一植被区,从初级阶段到高级阶段生物结皮的膨胀高度逐渐增加(P<0.05),其中土生对齿藓结皮最显著,同一种结皮在不同植被区,随植被年龄的增加,发育39年的生物结皮膨胀高度增加最显著,其中以藻-地衣混生结皮最显著(P<0.05);(3)降水量增加显著增加生物结皮覆盖下土壤的膨胀高度(P<0.05),藓类结皮对降水量的敏感性最强,特别是对3 mm以内的降水;(4)冗余分析表明生物结皮演替阶段是干旱沙区土壤膨胀的最关键因子(RDA 1:88.21%,RDA 2:6.49%)。     

腾格里沙漠东南缘生物土壤结皮对土壤理化性质的影响

生物土壤结皮是荒漠生态系统地表景观的重要组成部分,在沙化土地恢复和流沙固定中起着重要作用。研究了腾格里沙漠东南缘固沙植被区不同类型生物土壤结皮理化性质及结皮发育对下层土壤性质的影响。结果表明：结皮层厚度、孔隙度、黏粉粒和田间持水量以及有机碳、无机碳、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾含量和电导率均表现为藓类结皮 > 混生结皮 > 地衣结皮 > 藻类结皮;砂粒含量和容重表现为藻类结皮 > 地衣结皮> 混生结皮 > 藓类结皮。结皮下0~2 cm和2~5 cm土层理化性质表现出与结皮层相同的变化规律。总体上,生物土壤结皮对下层土壤理化性质的影响表现为藓类结皮和混生结皮大于地衣结皮和藻类结皮;而结皮对下层土壤理化性质的影响随土壤深度的增加而减小。生物土壤结皮的拓殖和发育是荒漠生态系统成土过程和土壤质量的关键影响因素。     

毛乌素沙地藓、藻结皮生态功能对比

生物结皮在荒漠生态系统中发挥着重要的生态功能,不同类型生物结皮有机体组成和比例不同,生态功能差异巨大。针对毛乌素沙地发育稳定阶段的藓、藻结皮,通过野外调查监测及室内指标测算,深入分析了两类生物结皮对土壤含水量、风蚀量和养分含量的影响尺度,并采用综合指标评价模型定量比较了二者的生态功能差异。结果表明：（1）两类生物结皮下土壤含水量随着土层深度呈现出先增大后波动下降的趋势,0—100 cm深度两类生物结皮下的土壤含水量差异显著（P<0.05）,在0—80 cm深度,藓结皮的土壤含水量大于藻结皮,在90—100 cm则相反;（2）相比裸地,藓结皮和藻结皮影响下土壤风蚀量分别降低了156.0%和136.6%,但二者未达到显著差异;（3）两类结皮影响下土壤养分含量差异显著（P<0.05）,表现为藓结皮下土壤全氮、全磷、有机质含量分别为藻结皮的3.3、3.5、2倍;（4）生物结皮生态功能综合得分藓结皮>藻结皮>裸地（1.60>-0.64>-9.78）。本研究证实了荒漠生态系统中不同类型生物结皮生态功能的差异及其在保持水土和营养物质循环方面贡献程度的优劣,突出了在生物结皮探索工作中关于其类型或组成精准细分的重要性。     

沙坡头地区生物土壤结皮-土壤系统生长季氮矿化动态

以腾格里沙漠东南缘沙坡头天然植被区藻地衣混生结皮和无结皮土壤为对象,采用野外原状土柱封顶埋管法,研究土壤硝态氮、无机氮、净硝化速率和净氮矿化速率的季节动态特征。结果表明:藻地衣混生结皮和无结皮土壤有效氮含量和净氮转化速率存在明显的季节动态,表现为生长季高峰期 > 生长季初期,夏季7月和8月土壤有效氮和净氮转化速率最大;两个样地土壤在生长季不同时期有效氮和净氮转化速率也存在差异。生长季初期,藻地衣混生结皮和无结皮土壤硝态氮和无机氮含量无显著差异,且温度是影响土壤氮素转化的关键环境因子。生长季高峰期,两个样地土壤有效氮含量和净硝化速率均表现为无结皮 > 藻地衣混生结皮,且水分和温度分别是影响土壤氮硝化和矿化过程的关键环境因子。由此可见,藻地衣结皮的繁衍在一定程度上抑制了土壤氮的硝化过程,因而可以减少养分的散失,是养分贮存的重要机制。     

干旱沙区土壤结皮发育对草本植物土壤种子库的影响北大核心CSCD

为了探讨干旱沙区土壤结皮发育对草本植物土壤种子库的影响,以巴丹吉林沙漠南缘已发育土壤结皮的区域为场所,通过野外调查与土培萌发的方法,对土壤结皮不同发育阶段的地表特征及草本植物土壤种子库特性进行了研究。结果表明:(1)结皮前期向藓类结皮的演替导致地表微形态、结皮层厚度均出现明显的变化,并在不同发育阶段间呈现出一定的差异性(P<0.05)。(2)随着土壤结皮不断演替,种子库中沙生物种逐渐退出、旱生物种陆续出现,优势种演变为画眉草(Eragrostis pilosa)、雾冰藜(Bassia dasyphylla)→画眉草、雾冰藜、盐生草(Halogeton glomeratu)→画眉草、盐生草→画眉草。(3)在土壤结皮整个演替过程中,种子库密度、物种多样性指数均出现了先增大后减小的变化趋势(峰值在藻类-地衣结皮阶段),地衣-藓类结皮阶段(或更高)各指标值均显著小于结皮前期(P<0.05);同时,种子库水平分布逐渐均匀化、垂直分布趋于结皮层,种子库与地上植被物种相似性明显降低。因此认为,土壤结皮发育不仅通过增强地表稳定性、改变地表微形态影响种子库的空间分布,还通过改变土壤生境条件影响地上植被对种子库的贡献能力。     

科尔沁沙地人工林下结皮发育对表土特性影响的研究

通过野外取样和室内分析相结合,对科尔沁沙地不同生长年限人工林下土壤结皮的理化性质及结皮发育对表层土壤特性的影响进行了初步研究。结果表明,3 a、15 a生杨树林下分别发育了物理结皮、地衣结皮和苔藓结皮,15 a、25 a生樟子松林下均发育了苔藓结皮,结皮的厚度、紧实度、水分、粘粉粒含量及全效、速效养分等随物理结皮向苔藓结皮的发育依次增加。同时,结皮的存在增加了其下层土壤颗粒组成中的极细沙和粘粉粒含量,富集了结皮下土壤的有机质、全N、全P、速效N、速效P等养分,而且结皮对下层土壤的这些影响作用从物理结皮、地衣结皮到苔藓结皮呈逐渐增长的趋势。同一结皮下土壤粘粉粒含量、养分含量在0—5 cm范围内由表及里呈递减趋势,但均高于对照无结皮层相对应的值。25 a生樟子松林下发育的苔藓结皮及其下层土壤的理化状况明显优于其他人工林下结皮的情况。     

人为踩踏生物土壤结皮对土壤酶活性的影响

土壤酶活性是衡量荒漠区生态恢复程度的重要生物学指标。为揭示人为踩踏生物土壤结皮对土壤质量的影响，分别采集腾格里沙漠植被固沙区未踩踏、中度踩踏和重度踩踏结皮下0~5 cm和5~15 cm土样并测定土壤脲酶、转化酶、过氧化氢酶、脱氢酶、碱性磷酸酶和蛋白酶的活性，通过土壤酶活性反映人为踩踏对荒漠区土壤质量的影响。结果表明：人为踩踏藻-地衣和藓类结皮可导致土壤脲酶、转化酶、过氧化氢酶、脱氢酶、碱性磷酸酶和蛋白酶活性的降低，且这些土壤酶活性与踩踏程度呈线性负相关。除踩踏程度外，土壤酶活性也受结皮发育阶段和土壤深度的影响；人为踩踏的藓类结皮下6种土壤酶的活性显著高于踩踏藻-地衣结皮（P<0.05），表明演替晚期的藓类结皮比早期的藻-地衣结皮具有更强的抗踩踏干扰能力；踩踏生物土壤结皮下0~5 cm土层的土壤酶活性显著高于5~15 cm土层（P<0.05）。此外，无论季节更替，土壤酶活性均表现为未踩踏>中度踩踏>重度踩踏，且踩踏或未踩踏结皮下土壤酶活性均表现明显的季节变化，夏季最高、秋季次之、春季再次之、冬季最低。腾格里沙漠人工植被区和天然植被区人为踩踏生物土壤结皮可降低土壤酶活性，表明踩踏生物土壤结皮可导致土壤质量下降和荒漠生态系统的退化。保护荒漠区的生物土壤结皮将有利于该区土壤及荒漠生态系统的恢复。     

生物土壤结皮对荒漠区土壤微生物数量和活性的影响

生物土壤结皮对荒漠生态系统的维持与改良发挥着重要作用。土壤微生物可敏感地指示土壤质量,是衡量荒漠区生态健康程度的重要生物学特征,而对荒漠区生物土壤结皮与土壤微生物关系知之甚少。本研究设计了两组对比试验。一组以腾格里沙漠东南缘的1956、1964、1981、1991年的植被固沙区结皮下的沙丘土壤为对象,以流沙区和天然植被区为对照。另一组以植被固沙区人为干扰生物土壤结皮下的沙丘土壤为研究对象,以未干扰结皮下的沙丘土壤为对照。结果表明：腾格里沙漠东南缘植被固沙区的藻-地衣和藓类结皮均可显著提高土壤可培养微生物的数量和基础呼吸（P<0.05）;适度人为干扰生物土壤结皮不会显著影响土壤可培养微生物的数量和基础呼吸,而严重人为干扰结皮可显著降低土壤可培养微生物的数量和基础呼吸,指示严重人为干扰结皮可导致荒漠区土壤质量下降;土壤可培养微生物的数量和基础呼吸也因结皮演替阶段的不同而有所不同,演替晚期的藓类结皮下土壤微生物数量和基础呼吸显著高于演替早期的藻-地衣结皮（P<0.05）;土壤可培养微生物的数量和土壤基础呼吸与固沙年限均存在显著的正相关关系,随着沙丘固沙年限的增加,结皮层增厚,结皮下土壤微生物数量及基础呼吸显著增加（P<0.05）;生物土壤结皮下土壤可培养微生物数量和基础呼吸呈现显著的季节变化,表现为夏季>秋季和春季>冬季。因此,腾格里沙漠东南缘植被固沙区的生物土壤结皮提高了土壤微生物数量和活性,表明生物土壤结皮有利于荒漠区土壤及荒漠生态系统的恢复。     

荒漠区踩踏生物土壤结皮对土壤微生物量的影响

土壤微生物量可敏感指示土壤质量，是衡量荒漠地区生态恢复程度的重要生物学指标，而有关荒漠区人为踩踏生物土壤结皮与土壤微生物量关系的研究相对缺乏。以腾格里沙漠东南缘的人工植被固沙区和天然植被区人为踩踏生物土壤结皮下的沙丘土壤为研究对象，分别采集未踩踏、中度踩踏和重度踩踏结皮下0~5 cm和5~15 cm土样并测定土壤微生物量碳和氮。结果表明：人为踩踏藻-地衣结皮和藓类结皮可减少生物土壤结皮下土壤微生物量碳和氮，且土壤微生物量碳和氮随踩踏程度的增加而减少，重度踩踏显著减少土壤微生物量碳和氮（P<0.05），土壤速效磷、速效氮、全磷和全氮的损失是导致土壤微生物量碳和氮减少的重要因子。除踩踏程度外，土壤微生物量碳和氮也受结皮演替阶段的影响。人为踩踏的藓类结皮下土壤微生物量碳和氮显著高于藻-地衣结皮（P<0.05），表明演替晚期的藓类结皮比演替早期的藻-地衣结皮抗干扰能力更强；无论季节如何更替，土壤微生物量碳和氮均表现为未踩踏 > 中度踩踏 > 重度踩踏；人为踩踏结皮下土壤微生物量碳和氮均表现明显的季节变化，夏季 > 秋季 > 春季 > 冬季。腾格里沙漠人工植被固沙区和天然植被区人为踩踏生物土壤结皮可减少土壤微生物量，表明人为踩踏生物土壤结皮可引起土壤质量下降，导致荒漠生态系统的退化。因此，保护荒漠区生物土壤结皮有利于荒漠生态系统的修复。     

极端降雨事件对不同类型生物土壤结皮覆盖土壤碳释放的影响

于2011年5-8月,选择腾格里沙漠东南缘人工固沙植被区藻类、藓类和混生结皮覆盖的土壤为对象,研究了极端降雨量(降雨量44.7 mm、强度0.04 mm,min-1)、极端降雨强度(降雨量8.3 mm、强度0.55 mm·min-1)及普通降雨(降雨量16.3 mm、强度0.02 mm·min-1)条件下的碳释放过程.碳释放量的测定采用Li-6400-09土壤呼吸室,降雨结束后立即开始观测,直到呼吸速率恢复到降雨前水平时停止观测.结果表明:极端降雨(降雨量和降雨强度)结束初期藻类和混生结皮覆盖土壤的呼吸速率受到明显抑制,藻类结皮覆盖土壤呼吸速率分别为0.12 μmol·m-2·s-1和0.41 μmol·m-2·s-1,混生结皮覆盖土壤呼吸速率分别为0.10 μmol·m-2·s-1和0.45μmol·m-2·s-1;而极端降雨对藓类结皮覆盖土壤的影响不明显,呼吸速率分别为0.83 μmol·m-2·s-1和1.69μmol·m-2·s-1.这说明处于演替高级阶段的藓类结皮能够很好地应对短期的极端降雨事件.     

生物土壤结皮固沙理论与实践

生物土壤结皮是由土壤微生物、藻类、地衣和苔藓等孢子植物类群与土壤颗粒形成的有机复合体,在全球干旱区地表广泛分布,是干旱地表生物覆被层的主要构建者。生物土壤结皮是荒漠植物群落演替的先锋类群,能够提高荒漠地表的稳定性,固定碳和氮等营养元素,增加土壤肥力,并在保持土壤水分方面发挥重要作用,因此在干旱区受损地表的生态修复方面具有广阔的应用前景。通过分析组成生物土壤结皮的物种更替与维持其结构的胶结方式转变之间的生态关系,阐释了生物土壤结皮固沙的生物学基础,提出在人工结皮恢复实践中,应选择以本地优势物种（如具鞘微鞘藻、齿肋赤藓和银叶真藓等）为目标种的生态学原则,并通过对目标物种的纯化、培养,完成由实验室至温室的扩繁过程,实现逐级扩大生产,为野外固沙应用提供充足种源。阐述了结皮野外接种恢复的最适物种组成、物理化学方式结合的组合模式,提出应从地表稳定性、土壤养分和结皮物种多样性等方面进行生长状况评估,梳理了中国在结皮人工恢复领域的研究进展和面临的问题与挑战,阐释了利用人工培养生物土壤结皮开展生态修复的应用前景。     

荒漠藓类结皮边缘效应下土壤肥力的灰色关联度分析

干旱半干旱地区土壤资源呈现高度异质性，植被分布斑块化成为该生态系统的普遍现象。藓类结皮是荒漠地表生物土壤结皮的主要类型，自然状态下藓类结皮通常呈现出典型的斑块状分布特征。应用灰色系统理论，以新疆北部古尔班通古特沙漠藓类结皮层土壤为研究对象，将藓类结皮斑块从中心至边缘划分3个圈层，通过对土壤的理化性质、酶活性、微生物生物量及微生物群落碳源利用等16项指标进行分析，利用灰色关联度分析法定量分析了藓类结皮斑块3个圈层的土壤肥力，并进行综合排序。结果表明：（1）藓类结皮斑块边缘圈层的土壤有机质、全氮、全钾、脲酶、过氧化氢酶、微生物生物量碳氮、平均吸光值（AWCD）均显著低于内部两个圈层，全磷、速效氮、速效磷、速效钾含量及pH值、碱性磷酸酶、蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶活性均不受边缘效应的影响，在3个圈层无显著差异。同时，土壤各项指标在斑块内部两个圈层均无显著差异。（2）藓类结皮斑块3个圈层土壤肥力的关联度值依次为中心圈层（0.65） > 中间圈层（0.59） > 边缘圈层（0.47），藓类结皮斑块结皮层的土壤肥力从中心至边缘逐渐降低。藓类结皮斑块状分布显著影响土壤肥力，导致土壤肥力空间异质性程度增大，从而可能影响荒漠植物群落，尤其是草本植物群落的空间分布格局。     

生物土壤结皮对风沙土和黄绵土膨胀特性的影响

作为重要的土壤物理性质，膨胀性在影响土壤导水性、持水性、抗蚀性以及土壤结构的形成和发育等方面发挥着重要作用。为了探讨生物土壤结皮（BSCs）土壤的膨胀特性及其主要影响因素，针对黄土高原风沙土和黄绵土两种典型土壤，利用膨胀仪测定并比较了有、无藓结皮及其在不同因素（初始含水量、干湿循环、冻融循环、温度）下膨胀率的差异，分析了BSCs对土壤膨胀性的影响及其与环境因素和BSCs性质的关系。结果显示：风沙土上藓结皮的膨胀率为1.93%，较无结皮增加了8.65倍；而黄绵土上藓结皮的膨胀率为2.05%，与无结皮相比降低了76.68%。藓结皮的生物量和厚度与其膨胀率在风沙土上均呈线性正相关关系（P < 0.05），在黄绵土上分别呈二次函数（P=0.02）和线性正相关关系（P=0.02）。初始含水量同时影响了土壤最大膨胀率和稳定膨胀时间，影响程度风沙土远大于黄绵土（包括藓结皮和无结皮）；干湿循环次数对无结皮土壤膨胀率的影响程度大于藓结皮土壤，其中风沙土和黄绵土上无结皮的膨胀率分别是50.00%~620.00%和-2.28%~10.81%，而两种土壤上藓结皮的膨胀率分别是-5.70%~10.88%和-10.24%~-21.46%；冻融循环下4种土壤的膨胀率均有不同程度的降低，降幅为0~18.54%。黄绵土无结皮的膨胀率受温度影响程度较大，50℃下黄绵土无结皮的膨胀率分别是25℃和35℃下的1.17倍和1.21倍。BSCs显著地改变了风沙土和黄绵土表层的膨胀性，其影响的程度和方向取决于土壤类型。同时，BSCs的膨胀性受含水量、温度、干湿以及冻融循环等关键因素影响。     

贡嘎山营养元素和重金属的生物地球化学研究现状与展望

本文对贡嘎山地区营养元素和重金属的生物地球化学循环的研究现状进行了总结,在此基础上探讨了未来须关注的热点和方向。目前围绕贡嘎山生态系统的碳(C)、氮(N)生物地球化学循环研究主要开展了C和N的分布特征、储量、凋落物中元素的归还与释放等方面的工作;磷(P)的生物地球化学研究包括不同海拔梯度和土壤演替阶段土壤P的形态、生物有效性、迁移转化及其影响因素、成土作用和微生物作用对土壤P的生物有效性的影响等;重金属的生物地球化学研究主要围绕重金属的赋存特征、来源、影响因素和潜在生态风险等方面。未来需要将大气-水-土壤-植物-微生物系统作为一个整体,系统研究养分元素的生物地球化学循环过程和机制以及重金属的迁移转化和关键控制因素,加强各元素生物地球化学循环耦合关系研究,建立多种元素循环的耦合模型,为山地生态安全和生态修复提供理论基础。     

沙坡头植被固沙区生物结皮对土壤水文过程的调控作用

生物结皮的土壤水文过程一直是学术界比较关注的争议性问题。通过对生物结皮的生态调查和水文物理实验分析、野外人工模拟降雨条件下的土壤水动力学试验、以及天然降雨后土壤水分的动态监测,分析了生物结皮对降雨渗透、土壤水分再分配和土面蒸发等土壤水文过程的调控作用,认为:(1)生物结皮层不仅降低了水分渗透速度和深度,还引起了土壤水分渗透的不稳定性,即指状流的出现;(2)生物结皮的逐年发育使土壤水分的分配格局和分配过程发生了很大变化,土壤水分再分配过程有明显的浅层化趋势,即生物结皮的降雨拦截作用;(3)生物结皮通过降低反射率和提高毛管作用,大大提高了土面蒸发。生物结皮对土壤水文过程的调控作用正在深刻地改变着固沙区的土壤水环境。     

干旱沙区生物土壤结皮覆盖土壤CO2通量对脉冲式降雨的响应

水分是干旱区生态过程中主要限制因子,降水可通过改变土壤的干湿状况直接影响土壤的生态过程,继而引起土壤碳库的变化。生物土壤结皮作为干旱区主要的地表覆盖物,其自身不但可以进行呼吸作用,还能充分利用有限的水分通过光合作用固碳,改变土壤圈与大气圈之间的碳交换通量。通过模拟0、2、5、8、15 mm降雨,利用红外气体分析仪,对腾格里沙漠东南缘人工固沙植被区主要的生物土壤结皮覆盖土壤净CO₂通量进行了原位测定,探讨生物土壤结皮覆盖土壤CO₂释放和光合固定CO₂(吸收)共同作用下的土壤净CO₂通量对模降雨的响应特征。结果表明:(1)降雨会迅速激发生物土壤结皮覆盖土壤CO₂释放,降雨激发CO₂释放速率和有效时间取决于降雨量,降雨量越高,激发程度越低,激增的生物土壤结皮覆盖土壤CO₂释放(源)效应有效时间随降雨量的增加而延长;降雨激发的土壤碳释放总量随着降雨量的增加显著增加,且藓类结皮覆盖土壤碳释放总量显著高于藻类结皮(P<0.05)。(2)降雨引起生物土壤结皮覆盖土壤CO₂吸收速率在初期呈单峰变化,后逐渐回归到降雨前的水平,随降雨量的增加,CO₂吸收的效应的时间越长,峰值越高;降雨量越高,生物土壤结皮光合碳固定量越多,当降雨量增加到15 mm时,藻类结皮光合碳固定量显著低于8 mm时的碳固定量;降雨量<5 mm时,藓类结皮光合碳固定量显著低于藻类结皮(P<0.05),≥5 mm时,藓类结皮光合碳固定量显著高于藻类结皮(P<0.05)。(3)干旱荒漠地区生物土壤结皮覆盖土壤,在无降雨的干旱期表现为较低水平的净碳排放效应,不同程度降雨的初期阶段都有短暂的增加土壤碳的汇效应,且碳汇效应的时间随降雨量的增加而延长;适度的降雨会降低长期干旱藻类结皮覆盖土壤向大气的碳排放量,而过高或过低的降雨都会不同程度地增加藻类结皮覆盖土壤向大气的碳排放,降低土壤碳的储量。不论降雨量大小,降雨都会增加藓类结皮覆盖土壤更多碳向大气排放,但随着降雨量的增加,源效应逐渐减弱。降雨量≤8 mm时,藓类结皮覆盖土壤净碳排放总量显著高于藻类结皮(P<0.05),当降雨量>8 mm时,藓类结皮覆盖土壤净碳排放量显著低于藻类结皮覆盖土壤(P<0.05)。因此,干旱区在估算生物土壤结皮覆盖土壤与大气碳交换对降雨的响应规律时,应该充分考虑降雨量大小对生物土壤结皮碳固定量和土壤碳释放组分的效应,明确降雨事件大小对不同类型生物土壤结皮覆盖土壤与大气之间碳交换的作用。     

科尔沁沙地持续放牧和不同强度放牧后封育草场中生物结皮生物量和土壤因子的变化

通过对科尔沁沙地放牧后封育样地和放牧样地生物结皮生物量的研究,探讨了不同样地生物结皮生物量的变化规律及其与环境因子的相互关系。结果表明,封育样地藓类和藻类植物的生物量显著高于放牧样地;在封育样地内,轻度、中度放牧封育区显著高于重度放牧封育区（P＜0.05）。封育样地生物结皮的土壤微生物量碳、氮含量高于放牧样地,并且各样区藓结皮土壤微生物量碳、氮含量显著高于藻结皮（P＜0.05）。在封育样地内表现为轻度、中度放牧封育区土壤微生物量碳、氮含量较高,重度放牧封育区含量较低,体现出不同强度放牧封育停牧后对土壤微生物量碳、氮影响的滞后效应。藻类植物的生物量与结皮厚度、有机质含量和粉黏粒呈极显著正相关（P＜0.01）,与细沙呈显著正相关（P＜0.05）,与粗沙呈极显著负相关（P＜0.01）。藓类植物的生物量与结皮厚度、有机质含量、粉黏粒呈显著正相关（P＜0.05）,与粗沙呈负相关,但不显著。藻类植物的生物量与土壤因子之间的相关性更为密切。