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。     

天然固定沙地与人工固沙植被区土壤种子库的比较研究

土壤种子库是退化生态系统植被恢复重建的重要基础,研究土壤种子库特征对于阐明退化生态系统受损与恢复机理具有重要的科学意义。通过野外土样采集、野外种子萌发定位跟踪调查和室内周期性种子萌发实验,对腾格里沙漠东南缘人工固沙植被区和天然固定沙地的土壤种子库特征进行了对比研究。结果表明：人工固沙植被区土壤种子库包含21个物种,分属于8科;天然固定沙地土壤种子库有33种植物,属于11科。人工固沙植被区以一年生植物为主,天然固定沙地以多年生植物为主。人工固沙植被区的种子总密度明显低于天然固定沙地,但不同物种种子的密度变化存在显著差异。人工固沙植被区的物种丰富度和多样性指数均较天然固定沙地低。人工固沙植被区和天然固定沙地的土壤种子库与地上植被物种的相似性系数分别为0.73和0.71。尽管人工固沙植被区土壤种子库存在少量多年生植物种子,但仍未发展到以多年生草本植物为主的群落演替阶段,说明人工固沙植被区的植物多样性恢复尚需要漫长的过程。     

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1956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(>100cm)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40~300cm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,深层土壤可维持一个相对稳定的低含水量。     

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。     

生物土壤结皮对土壤微生物量碳的影响

微生物量碳是土壤有机碳的重要组成部分,是判别退化系统生态修复的重要指标之一。为了探明生物土壤结皮对土壤微生物量碳的影响,以腾格里沙漠东南缘的人工固沙区不同生物土壤结皮覆盖的沙丘土壤为研究对象,根据固沙年限的不同将样地分为4个不同的区进行采样(1956、1964、1981年和1987年固沙区),并以流沙区为对照。与流沙区相比较,54龄、46龄、29龄和23龄固沙区的真藓结皮和藻结皮的存在均可显著提高其下土壤微生物量碳（P<0.05）,且固沙年限与结皮下土壤微生物量碳存在正相关关系;真藓结皮和藻结皮对其下土壤微生物量碳的影响仅限于0~20 cm的土层,随着土层的加深,其影响逐渐减弱,到20~30 cm土层与对照相比已无显著差异（P>0.05）。因此,对生物土壤结皮的干扰可能会造成土壤微生物量碳的损失。     

高寒沙地乌柳(Salix cheilophila)林根系分布特征

对青海共和高寒沙地植被恢复区不同林龄(6年、11年、16年和21年)乌柳(Salix cheilophila)人工防护林根系分布及根量进行了调查、测定,同时测定了土壤有机质含量的垂向变化。结果表明:①不同林龄乌柳林根系主要由中根和细根构成,其数目占土壤剖面根系总数的90%以上,其中又以直径小于2.0mm细根所占比例最高,细根占剖面根系总数的50%以上;②各林龄乌柳根系在0~50cm土层分布较为集中,在30cm以下土层,根量随深度的增加逐渐减少,6年生乌柳林根系垂直分布在0~130cm,20年生乌柳可达200cm,随植被恢复时间的增长,各林龄根量显著增加(p0.05);③各林龄乌柳林有明显发达的垂直主根,属典型的垂直状根系,随植株不断生长,根系表现出深根性;④以不同深度根系重量作为解释变量,以土壤有机质含量作为响应变量,回归结果显示不同林龄乌柳林根系重量显著影响土壤有机质含量(p0.001),这也为评价沙地植被改良土壤功能提供了依据。     

半干旱区沙地沙蒿生物量及根系分布特征研究

沙蒿是中国西北半干旱地区主要的固沙植物,其根系分布影响包气带水分运移过程,准确的植被特征和根系密度分布对根系吸水模型的建立十分重要。采用整体挖掘法获取不同层位的根系和根际土壤含水量,引入冠级和龄级的概念对沙蒿根系分布特征进行研究。分析结果表明：沙蒿种群以低龄级沙蒿占优,其根系生物量随龄级呈'S’型增长;根系长度分布和均一化根系密度分布均符合对数正态分布,最大值出现在浅层土壤20 cm处;沙蒿生长不依赖于地下水,其根系主要利用包气带中的水分,持续干旱条件下,为满足蒸腾作用根系出现两种调节方式：（1）横向生长增加根系量,利用横向土壤剖面的水分。（2）浅层根区由于水分胁迫造成的吸水量减少由深部相对湿润的根区补偿。因此沙蒿根系吸水模型中的根系密度分布函数应为对数正态分布,且吸水过程不仅依赖于根系密度分布,同时受土壤水分的影响。     

荒漠人工植被区典型生物土壤结皮的固碳模型研究

生物土壤结皮（BSC）是荒漠生态系统组成和地表景观的重要特征,在荒漠系统碳的源-汇功能中发挥着重要的作用。本文以沙坡头人工植被区两种典型的BSC（苔藓结皮和藻类结皮）为研究对象,通过对土壤水分的连续测定,确定BSC光合和呼吸作用的有效湿润时间及其与土壤水分、温度和太阳辐射的关系,建立了土壤水分驱动下的固碳模型。以2012年5月19—25日为例,计算了苔藓结皮和藻类结皮在试验期间的日固碳量,并估算了两类结皮的年际固碳量。结果表明:苔藓结皮和藻类结皮由于自身水文物理性质的差别显著影响到其下层土壤水分和温度的变化;降雨是BSC固碳活性的重要来源,并且苔藓结皮更容易受到非降雨水（如雾水、凝结水等）的影响而使其固碳潜力大于藻类结皮。初步估算苔藓结皮和藻类结皮的年固碳量分别可以达到33.33 g·m-2·a-1和14.01 g·m-2·a-1,其中由非降雨水所引起的固碳量达到了6.58 g·m-2·a-1和2.65 g·m-2·a-1,分别占到了全年固碳量的19.7%和18.9%。充分肯定了BSC在荒漠人工植被区碳汇的功能。     

沙石质建筑垃圾不同覆盖方式防风固沙效益

为了解沙石质建筑垃圾不同覆盖方式防风固沙效益,在野外对不同覆盖方式的风蚀风积量、风沙流特征、土壤水分、植被生长状况进行了观测研究。结果表明：（1）不同覆盖方式年风蚀量较流沙减少了91%以上,其中平铺覆盖方式固沙效果好于带状和方格覆盖方式。平铺覆盖方式和流沙风沙流结构呈幂、指数函数分布,带状、方格覆盖方式呈多项式函数分布;（2）不同覆盖方式较流沙显著提高了土壤容积含水率（P<0.05）,平铺方式保水效果好于方格和带状覆盖方式。覆盖度30%平铺、1.5 m×1.5 m方格和宽1.5 m带状土壤各层平均容积含水率比流沙分别提高了3.1%、2.8%和1.5%;（3）不同的覆盖方式较流沙显著增加了植被盖度（P<0.05）,其中平铺方式群落多样性指数最高。覆盖度30%平铺植被盖度较流沙提高了5%。1.5 m×1.5 m方格覆盖方式植被群落多样性指数最低,植被盖度最高,较流沙提高了14%。     

人工固沙区土壤碳分布及其与土壤属性的关系

选择腾格里沙漠东南缘沙坡头地区不同年代建立的人工固沙林（1964、1981、1990年）及临近的流动沙丘,对0~3.0 m剖面上的土壤进行取样和分析,以探讨固沙植被的建立和发展对土壤碳（有机碳和无机碳）分布的影响及其与土壤属性的关系。结果表明：在流动沙丘建立人工固沙植被近50年后,表层（0~0.1 m）土壤有机碳和无机碳含量均明显增加,土壤有机碳含量为1.95 g·kg^-1,是流动沙丘的6.67倍,无机碳含量为4.19 g·kg^-1,是流动沙丘的1.46倍。将土壤剖面划分为3层后（0~0.4,0.4~1.0、1.0~3.0 m）分析显示,从流动沙丘到1964年固沙区,土壤有机碳密度显著增加（0.18 kg·m^-2到0.52 kg·m^-2）,且浅层（0~0.4 m）的增加快于深层（1.0~3.0 m）;同时,浅层有机碳密度在整个剖面中所占比例显著增加（14.3%到30.4%）,而深层减少（64.8%到51.6%）。浅层和深层无机碳密度均有增加趋势,但差异不显著。冗余分析显示,土壤细颗粒含量、水分有效性、总氮含量、总磷含量、pH值和电导率与土壤碳密度关系密切,解释了土壤碳密度86.2%的变异。土壤有机碳密度与土壤细颗粒、总氮总磷含量及水分有效性、电导率极显著正相关（P<0.001）;土壤无机碳密度与土壤细颗粒、总磷含量及水分有效性、总氮含量显著正相关（P<0.05）。在1.0~3.0 m和0~3.0 m剖面上,土壤有机碳密度与土壤水分含量分别存在显著和极显著的负相关关系（P<0.05和P<0.01）。     

半干旱黄土丘陵区退化人工林群落结构 调整下细根特征分析

根系尤其细根在植物的生长发育中起着重要作用，以甘肃省定西市巉口镇龙滩流域的白 杨及山杏 2 种典型退化人工林为研究对象，研究了人工林群落结构调整后形成的白杨+5 年生油 松、白杨+10 年生油松及山杏+云杉、山杏+樟子松混交林与单一纯林相比不同深度、不同径级下细 根的根长密度、根面积密度、根生物量密度、比根长及比根面积，以期揭示不同人工林恢复模式下 的细根分布特征。结果表明：（1）混交恢复模式起到了一定的积极作用，大部分混交林相较于纯林 细根的根长密度、根面积密度及根生物量密度在土壤表层均有所提高。混交林细根在浅层的占比 得到了提高，且随恢复年限的增加而升高。（2）细根根长密度、根面积密度及根生物量密度与土壤 全碳、全氮、含水量及有机碳之间以及比根长及比根面积与土壤全碳、土壤全氮及有机碳之间均存 在显著正相关关系。     

荒漠地区地表反照率与土壤湿度相关性研究

本试验分别对腾格里沙漠东南缘沙坡头地区流动沙丘和1964年建植的人工固沙植被区生物土壤结皮的地表反照率和土壤湿度进行了同步测定。分析了该区这两种地表类型的反照率与太阳高度角和土壤湿度的相关性,分别提出了地表反照率与太阳高度角和土壤表层(0～2 cm)湿度的经验拟合关系式。结果表明,地表反照率随太阳高度角增加呈指数递减;排除太阳高度角的影响后,地表反照率随土壤湿度的增加也呈指数递减关系;流沙地表反照率对土壤湿度变化的响应要比生物土壤结皮地表敏感。     

Recovery of topsoil physicochemical properties in revegetated sites in the sand-burial ecosystems of the Tengger Desert, northern China

Recovery in soil properties and processes after sand burial in the Tengger Desert, northern China, was documented at five different-aged revegetated sites (1956, 1964, 1973, 1982, and 1991) and at a reference site with native vegetation, which had never been damaged by sand burial and was enclosed for grazing. The proportions of silt and clay, depth of topsoil and biological soil crusts, and concentrations of soil organic C, K, total N and total P increased with years since revegetation. Most characteristics of topsoil (0–5 cm) characteristics had recovered to 60% of those measured at the reference site by 50 years after sand-binding vegetation had been established. Exceptions were electrical conductivity and contents of sand, silt, CaCO₃ and organic C, which recovered to 20–40% of the values at the reference site. The difference in annual recovery rates of soil properties between the two most recently revegetated sites (0–14 years) was greater than the difference between the two oldest revegetated sites (43–50 years). Best-fit asymptote models showed that the estimated times for the soil properties in the 50-year-old site to reach the same levels as in the reference site (i.e. an undisturbed, native steppified desert ecosystem) would be between 23 and 245 years, but for some properties even maximum recovery after > 50 years still fell significantly short of the level at the reference site. These results suggest that soil recovery is a slow process in an extremely arid desert environment, and therefore the conservation of soil habitat is a crucial issue for land managers.     

共和盆地中间锦鸡儿人工林根系的分布特征

采用剖面法对青海共和盆地中间锦鸡儿（Caragana intermedia）人工林的根系进行调查,分析5 a、9 a和25 a根系的生物量、比根长和根长密度的垂直分布格局,同时测定土壤含水量的垂直变化。结果表明:①不同林龄中间锦鸡儿人工林的吸收根（d≤1 mm）和输导根（d>1 mm）的主要分布范围不同。5 a、9 a和25 a吸收根主要分布土层分别是10～30、10～50 cm和10～60 cm,输导根主要分布土层分别是10～50、10～60 cm和10～90 cm。②随着林龄的增加,根系的吸收根、输导根的总生物量、总比根长和总根长密度均显著增加（P<0.05）;各林龄根系中的吸收根比输导根具有更高的比根长和根长密度（P<0.05）。因此,吸收水分和养分的能力随着林龄增加而增大。③中间锦鸡儿人工林根系,尤其是吸收根的分布影响土壤水分变化,吸收根集中分布土层的土壤含水量显著降低。     

Assessment on environmental quality of heavy metals in agricultural soils of Chongming Island, Shanghai City

The environmental quality of heavy metals (Pb, Cd, Cr, As, Hg) in agricultural surface soil of Chongming Island was assessed by national, local and professional standards based on a large scale investigation, in which 28 samples from vegetable plots, 65 samples from paddy fields and 9 samples from watermelon fields were collected from whole island area. Results showed that the average concentration of Pb, Cd, Cr, As and Hg was 21.6 mg·kg-1 , 0.176 mg·kg-1, 69.4 mg·kg-1, 9.209 mg·kg-1 and 0.128 mg·kg-1, respectively. Compared with the background value of Shanghai City soil, except for Pb and Cr, all the other heavy metals average concentrations in Chongming Island agricultural surface soil exceeded their corresponding natural-background values. The concentrations of Cd, As and Hg were 33.0%, 1.2% and 26.3% higher than the background value of Shanghai City, respectively. In addition, inverse distance interpolation (IDW) tool of GIS was also applied to study the spatial variation of heavy metals. The results indicated that most of agricultural soil quality was good, and the ratio of ecological, good soil, certified soil and disqualified soil were 1.26%, 97.1%, 1.47% and 0.12%, respectively. About 10.1%, 85.7%, 27.0%, 55.4% and 55.2% soil samples exceeded the Pb, Cd, Cr, As and Hg background value of Shanghai City, respectively. Among these three land use type soils, vegetable soil was most seriously polluted by heavy metals, which is probably related to the over-application of pesticides. The annual deposition fluxes of Pb, Cd, As and Hg were 7736 μg·m-2·a-1, 208 μg·m-2·a-1, 2238 μg·m-2·a-1 and 52.8 μg·m-2·a-1, respectively. Crop straw burning was the important source of heavy metals of atmospheric deposition, and atmospheric deposition contributed a lot to heavy metals in agricultural soil in Chongming Island.     

Vertical distribution of fine roots of Tamarix ramosissima in an arid region of southern Nevada

To increase our understanding of soil water and nitrogen use strategies of invasive Tamarix ramosissima during dry seasons, the vertical distributions of fine roots and their associations with soil properties were examined in the Virgin River floodplain, southern Nevada, United States. We measured morphological traits of fine roots, such as fine-root mass density, fine-root length density, specific root length and specific root area at 10 cm increments to a depth of 2 m. Soil properties were analyzed at 20 cm increments. More than 60% of fine root length and biomass was concentrated at depths between 20 and 60 cm. Soil nitrogen (N) concentration had strong and positive relationships with fine-root mass and length densities, suggesting that the fine-root distribution may be influenced by soil N availability. A weak but positive relationship was observed between soil moisture and fine-root mass density. Soil salinity had no relationship with root morphological traits. These findings suggest that T. ramosissima fine roots may contribute to N uptake from the upper soil layers during dry seasons. This might be an important advantage over native riparian tree species in arid riparian areas of the southwestern United States.     

塔克拉玛干别里库姆沙漠根管砾幕形态及分布

陆生高等植物死亡后，在漫长的地质演化过程中，经过水、沙土共同作用形成植物根管，根管在风、沙共同作用下风蚀为沙漠地表根管大颗粒，成片的根管大颗粒在沙漠中形成根管砾幕，这一新的风沙地貌类型广泛分布于塔克拉玛干别里库姆沙漠。基于野外采样、无人机近景航测和Landsat8 OLI遥感影像等数据，应用形态学及空间统计分析方法，定量分析了塔克拉玛干别里库姆沙漠根管砾幕的形态特征及空间分布。结果表明：（1）研究区内根管形态极不规则，质地坚硬，以片状、管状、粒状分布于塔克拉玛干别里库姆沙漠；（2）研究区内根管砾幕形态从南向北、自西向东均以椭圆形为主，受丘间地形状影响，部分区域根管砾幕形态呈月牙形、圆形或不规则多边形，总体来看，研究区内根管砾幕形态特征空间差异显著；（3）研究区南北向根管砾幕破碎度47.78%~48.74%，根管颗粒分布平均密度9 925粒·m^-2，东西向根管砾幕破碎度19.00%~70.80%，根管颗粒分布平均密度9 357粒·m^-2，南北向根管砾幕中根管颗粒分布平均密度大于东西向，破碎度范围小于东西向；（4）研究区根管砾幕空间分布整体由南至北呈增大-减小-增大，自西向东呈先增大后减小。     

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.     

毛乌素沙地飞播植被现状与评价

从飞播所采用的植物种、播区沙丘类型和植被现状等方面,对毛乌素沙地30多年来不同沙丘类型区域飞播后植被的生长发育和沙丘的固定情况进行了分析与评价。实地考察与分析表明:毛乌素沙地飞播比较成功的植物种有羊柴、籽蒿和花棒。在比较平缓的沙丘区域,飞播后植物可迅速占满整个播区,沙丘可得到全部固定;当播区沙丘形态以新月形沙丘链为主,或新月形沙丘链与格状沙丘并存,沙丘高度在5~10m时,飞播后植物首先在丘间地和沙丘中下部定居,并逐渐扩大其定居范围,最终飞播植被仍能占满整个播区(个别高大沙丘例外);当播区沙丘形态以格状沙丘为主,沙丘高度在10m以上,飞播植物仅能在丘间地和沙丘下部定居,而且很难扩展其定居范围,这种沙丘类型区飞播后至多只能达到半固定水平。