腾格里沙漠人工固沙植被区浅层土壤水分对降水和生物结皮的响应

选择腾格里沙漠东南缘人工植被区3种典型的地表覆被类型（藓类结皮、藻类结皮和流沙）土壤为对象,选取发生在7月和9月的两次降水事件,研究浅层土壤（3、5、10 cm）水分入渗与再分布过程。结果表明：浅表层3 cm深度土壤水分在降雨初期均表现为跳跃式增加,而在降雨中后期由于土壤剖面不同深度水势梯度减小,降水入渗速率降低,土壤水分仅呈现小幅波动。在两次降水事件中,藓类结皮和藻类结皮对降水入渗的阻碍作用比较显著,入渗速率表现为沙土 > 藻类结皮 > 藓类结皮;从水分再分布看,生物土壤结皮的存在致使水分再分配过程表现出明显的浅层化;降水过程结束后,结皮促进水分的蒸发损失,从而减少植被可利用水分含量。人工固沙植被区广泛发育的生物土壤结皮对降水入渗与再分布过程以及土壤水量平衡具有重要影响。     

饱和流沙和苔藓结皮在蒸发过程中的水分特征研究

利用Star-1微型水分蒸发测定系统（SC-DLO,Wageningen, Netherlands）研究了饱和流沙（后文简称流沙）和苔藓结皮（取自1956年人工固沙植被区）蒸发过程中水势、蒸发量和水分特征曲线的变化特点。研究发现,流沙和苔藓结皮的水势在蒸发过程中呈现出各自特点,而且其蒸发的持续时间也具有明显差异;流沙和苔藓结皮的蒸发量都经历了先稳定,后增加,最后又降低三个过程,但流沙的蒸发量比同期纯水稍高,而苔藓结皮与纯水基本无明显差异;在相同吸力条件下,流沙释放的植物可以利用的有效水比苔藓结皮多近1/5,故苔藓结皮的持水能力明显强于流沙。对流沙和苔藓结皮蒸发过程中的水势、蒸发量和不同吸力条件下土壤体积含水率所做的统计分析表明:流沙和苔藓结皮的水势和不同吸力条件下土壤的体积含水率具有显著性差异,而两者的蒸发量没有明显差异。     

固沙植被区典型生物土壤结皮类型下土壤CO2浓度变化特征及其驱动因子研究

对固沙植被区典型分布的藻类结皮、藓类结皮和流沙下不同深度的土壤气体采样,主要研究和讨论了不同类型生物土壤结皮下土壤CO2浓度的变化特征,及土壤温度和土壤水分对它的影响。结果表明,藻类结皮和藓类结皮在0~40 cm处的土壤空气CO2浓度平均值基本保持在600~1 100 μmol·mol-1之间,大于同一深度流沙下土壤CO2浓度值,但三者之间的差异并不显著。土壤温度与土壤CO2浓度呈正相关关系,且在表层相关性最强,具体表现为流沙>藓类结皮>藻类结皮。土壤水分对土壤CO2浓度的影响在表层0~5 cm为流沙>藻类结皮>藓类结皮,但在下层10~40 cm处为藻类结皮>藓类结皮>流沙。     

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。     

不同初始盐分浓度下土壤盐结皮的形成过程及其对蒸发的影响机理

土壤盐结皮对土壤水文过程具有重要影响,初始盐分浓度（Initial salt concentration, ISC）的差异会对盐结皮的形成过程产生不同程度的影响,从而导致土壤蒸发的差异。但目前不同ISC下盐结皮形成过程对土壤蒸发的影响机理尚不明确。因此,通过试验模拟与理论分析相结合,动态监测及分析不同ISC下砂土的盐结皮形成、蒸发、土壤表面温度动态变化过程,以期阐明不同ISC下盐结皮形成过程及其对土壤蒸发的影响机理。结果表明：ISC越高,盐结皮在土壤表面出现的时间越早,覆盖率越大,且在同样光照强度和光照时间条件下土表温度增幅越小,蒸发量也越小;对数函数能较好地拟合不同ISC与累积蒸发量之间的关系（R²>0.90）;随着ISC的增加,盐结皮对土壤蒸发抑制效率从24.14%（10 g·L^-1）增大到71.99%（250 g·L^-1）。ISC会显著影响盐结皮形成的过程,并通过影响土表温度的变化进而导致土壤蒸发出现巨大差异。     

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%)。     

不同固沙区结皮中微生物生物量和数量的比较研究

沙地生态系统是温带干旱区、半干旱区的重要草地类型, 沙地的稳定性是生态系统健康的重要条件。在中国科学院沙坡头沙漠试验研究站, 笔者对不同程度固沙区结皮和流动沙丘表层中的微生物生物量和数量进行了比较研究。结果表明: 自然和人工植被固沙区结皮及流沙表层的微生物数量分布不同, 细菌数量比真菌和放线菌数量多数百倍, 在所有微生物类群中, 细菌数量最大, 微生物总数的变化取决于好气性细菌数量的多少, 但生物量却与之不同。在不同程度固沙区结皮中, 微生物生物量大小依次排列为: 自然植被区>1956年人工植被区>1964年人工植被区>1982年人工植被区>流沙区, 微生物生物量在自然植被固沙区中最多, 分别是1956年、1964年、1982年人工植被固沙区和流沙区的2.63、4.17、9.25和44.29倍, 表明微生物生物量随人工植被的栽植年代增加而增大, 在流动沙丘中最小, 而菌丝生物量方面是1956年人工植被固沙区已与自然植被固沙区十分接近。微生物生物量和数量与沙丘固定程度、人工植被栽植年代、结皮厚度、苔藓种类等均呈正相关, 人工植被栽植年代越长, 结皮越厚、微生物生物量和数量也越大。在不同年代人工植被固沙区结皮中, 微生物生物量和数量与相对稳定的自然植被固沙区相比, 仍未达到稳定状态。     

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。     

干旱半干旱地区土壤微生物结皮的生态学意义及若干研究进展

土壤微生物结皮广泛存在于干旱半干旱地区，且具有重要的生态学意义。文章对微生物结皮的形成、发育过程的特点，以及它对微生境的影响，包括对土壤理化性质、风蚀水蚀的抗性、土壤水分时空分布特点、养分及微量元素地球生物化学循环等土壤学过程和对植被的影响与作用等方面的国内外研究进展进行了综述，并对一些有争议研究结论进行了分析；探讨了土壤微生物结皮在中国干旱沙漠地区生态恢复中的地位及作用。     

生物土壤结皮中微生物群落特征综述北大核心CSCD

生物土壤结皮(也称生物结皮)是联结荒漠区地表生物成分与非生物成分的纽带,它不仅是荒漠区生物多样性的“热点”,也是退化生态系统修复的“工程师”。生物结皮的拓殖不仅能稳定地表,影响土壤水文过程,对土壤形成起着重要作用,还对荒漠区土壤碳氮循环等产生重要影响。蓝藻、细菌、真菌和古菌等微生物在生物结皮形成和发挥生态功能过程中发挥重要作用。本文系统总结了全球寒漠、冷漠和热漠生物结皮中微生物的组成和群落特征,厘清了主要生物气候区不同演替阶段的生物结皮中主要微生物物种,对相关微生物的研究进展和存在问题进行了分析,最后从微生物相互作用角度为明确关键枢纽微生物种提出了建议,以期对筛选潜在高效固沙菌种、培育人工结皮促进受损生态系统恢复提供参考。     

干旱、半干旱地区微生物结皮土壤水文学的研究进展

微生物结皮与土壤水文过程的关系一直是微生物结皮研究中最具争议性的热点问题。文章对国内外这一领域的研究进展进行了综述, 系统地介绍了微生物结皮在降雨入渗、水分保持和土面蒸发等土壤水文过程中的功能, 总结了微生物结皮土壤水文学研究中的各种观点, 针对不同观点之间产生的争议, 作者认为微生物结皮的时空特殊性、复杂性以及研究手段和方法的多样性是产生争议的主要原因。最后, 从试验方法和研究目标上对该研究领域进行了展望。     

Wind tunnel simulation of aeolian sandy soil erodibility under human disturbance

Inappropriate anthropogenic activities such as overcultivation and overgrazing of steppe and excessive collection of fuelwood are largely responsible for current desertification in China. However, quantitative information concerning the impacts of human disturbance on soil erosion remains sparse. This study investigated aeolian sandy soil erodibility under human disturbance by wind tunnel simulation. The fixed aeolian sandy soils were taken from an artificial vegetation protective system on mobile dunes at the southeastern edge of the Tengger Desert. The results indicate that: (1) human disturbance such as cultivation can accelerate the erodibility of the fixed aeolian sandy soil. The ratio between total soil loss from the undisturbed soil and the cultivated soil is about 0.004; (2) surface vegetation and microbiotic crust are the main factors responsible for the natural wind erodibility of the fixed sandy soil. Wind erosion rate increases with decreasing percent of the vegetation and crust cover; (3) the grain size distribution shows a higher percentage of particles in the range >1.0 mm and a lower percentage in the range <0.05 mm for the cultivated sandy soil than for the undisturbed fixed sandy soil.     

微生物结皮对两种一年生植物种子萌发和出苗的影响

在温室中对两种一年生植物的种子在微生物结皮和流沙对照上的萌发和出苗状况进行了实验.结果表明:在湿润和干燥状况下,苔藓结皮和藻结皮对种子萌发和出苗状况的影响,完整的和破坏的苔藓结皮和藻结皮对种子萌发和出苗状况的影响,总的来说雾冰藜(Bassia dasyphlla)在完整的苔藓结皮和破坏的两种结皮中出苗率均较高.完整致密的藻结皮能阻止雾冰藜的根接触土壤从而对其出苗设置了物理屏障.小种子植物小画眉草(Eragrostics poaeoides)因其种子较大,种子植物有相对大的土壤接触面积和具有特殊的结构须根,从而较容易克服结皮造成的物理屏障,穿透完整致密的结皮层而到达土壤.在破坏的微生物结皮中小画眉的出苗率略有降低.水分处理仅对雾冰藜的出苗有显著影响.在湿润处理下雾冰藜的出苗率要高于在干燥处理下的.因此,自然状况下年降雨量和分配状况的差异可能会影响这两种植物每年幼苗出苗率的差异,进而会影响到这两个种群在人工固沙区分布格局的差异.     

土壤生物结皮蒸散特征研究

土壤生物结皮在沙漠地区植被恢复和重建中具有重要的生态学意义。通过对3种土壤生物结皮[包括真藓（Bryum argenteum）、黑对齿藓（Didymodon nigrescens）和藻类结皮]在对照和3个不同水分条件下进行蒸散量以及蒸腾指标的观测,结果表明：①3种土壤生物结皮蒸散量日变化过程呈现单峰型,各个处理间峰值出现时间和蒸散量变化幅度差异较大;真藓对照组峰值为0.473 g/10 cm2,出现时间为11：00时。黑对齿藓结皮和藻类结皮蒸散量日变化趋势和真藓一致。真藓和藻类结皮在17：00时蒸散量出现负值,分别为-0.009 g/10 cm2和-0.010 g/10 cm2,说明其出现吸湿凝结水的现象;②真藓结皮的蒸腾速率日变化曲线呈现不明显的“双峰型”,说明其存在蒸腾“午休”现象;黑对齿藓和藻类结皮蒸腾速率的日变化曲线呈现“单峰型”,峰值出现的时间依含水量的下降而推后;③气孔扩散阻力和蒸腾速率为负相关关系;④蒸散作用和影响因子的相关性分析表明光量子和流量显著影响着结皮的蒸腾速率,而气孔阻力和相对湿度与蒸腾速率呈现负相关性。     

干扰对生物土壤结皮及其理化性质的影响

生物土壤结皮作为荒漠地区特殊环境的产物,具有较强的抗风蚀、水蚀功能,也是干旱荒漠地区植被演替的重要基础。随着人类活动的加剧,生物土壤结皮也受到不同类型和不同程度的干扰,主要包括放牧、火烧、车辆碾压等形式。干扰对生物土壤结皮的影响主要表现在生物土壤结皮结构及盖度的变化、土壤理化性质的改变、土壤微生物数量及活性的变化等几个方面。放牧对土壤物理性质的影响还没有一致的结论,除了干扰的程度还与土壤含水量有关系。火烧虽然改善了土壤结构,但是破坏了地表植被的盖度,而且恢复比较困难,也加速了外界侵蚀的力度,对土壤化学性质也有显著影响。机械碾压的破坏力最强,且没有任何的积极意义。     

沙坡头人工固沙植被生态系统土壤恢复研究进展

土壤是荒漠生态系统的重要组成部分,沙化土地的治理与恢复是人们关注的重点。沙坡头人工固沙植被区的土壤经过50 a的恢复,已得到显著的发育。结皮及亚表土层厚度随固沙年代的增加而增大,土壤颗粒组成中粘粒和粉粒含量增多,土壤容重降低,有机质和氮、磷、钾等营养元素含量增加,流动风沙土已发育成为钙积旱成土。本文探讨了降尘、生物土壤结皮和土壤微生物对土壤恢复的影响,分析土壤发育与人工植被演替的相互作用,并提出了今后的研究重点方向。     

土壤微生物结皮对两种一年生植物幼苗存活和生长的影响

在温室实验和野外调查中,分析了两种一年生草本植物小画眉草(Eragrostics poaeoides)和雾冰藜(Bassia dasyphylla)的幼苗在苔藓结皮、藻结皮和流沙上的存活和生长状况。两种植物的幼苗存活率均表现出在苔藓结皮上最高而在流沙基质中最低。两种植物幼苗存活率与土壤表层水分含量呈正相关关系。与小画眉草相比较,雾冰藜的幼苗在萌发后根生长较为迅速,在3种土壤类型中和干湿两种水分处理下,雾冰藜较小画眉草均具有较高的幼苗存活率。在干燥处理下,生长在有结皮土壤中的两种植物的植株干重大约是生长在无结皮土壤中植株的5倍。增加水分能降低植株幼苗的死亡率,促进植株生长;增加水分也能在一定程度上减弱因土壤基质差异对幼苗存活和幼苗生长的影响。因此,在自然状况下年降雨量的多少和分配状况的差异可能会影响这两种植物每年幼苗存活率和生长状况的差异,进而会影响到这两个种群在人工固沙区盖度和分布格局的差异性。     

Soil restoration research advances of artificial sand-binding vegetation ecosystem in the Tengger Desert,Northern China

Soil plays an important role in desert ecosystem, and is vital in constructing a steady desert ecosystem. The management and restoration of desertified land have been the focus of much discussion. The soil in Shapotou desert region has developed remarkably since artificial sand-binding vegetation established in 1946. The longer the period of dune stabilization, the greater the thickness of microbiotic crusts and subsoil. Meanwhile, proportion of silt and clay increased significantly, and soil bulk density declinced. The content of soil organic matter, N, P, and K similarly increased. Therefore, soil has developed from aeolian sand soil to Calcic-Orthic aridisols. This paper discusses the effects brought about by dust, microbiotic soil crust and soil microbes on soil-forming process. Then, we analyzed the relation between soil formation and sand-binding vegetation evolution, in order to provide a baseline for both research on desert ecosystem recovery and ecological environment governance in arid and semi-arid areas.     

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。