生物土壤结皮对温带荒漠植物凋落物分解的影响

环境和微生物群落的变化会影响凋落物的分解过程。生物土壤结皮是干旱荒漠区地表普遍存在的生物覆盖，对土壤物理化学性质有显著影响，但对于是否影响荒漠植物凋落物分解缺乏深入了解。选择8种在古尔班通古特沙漠广泛分布的荒漠植物（白梭梭Haloxylon persicum、梭梭Haloxylon ammondendron、黑沙蒿Artemisia ordosica、粉苞菊Chondrilla piptocoma、羽毛针禾Aristida pennata、刺沙蓬Salsola ruthenica、紫翅猪毛菜Salsola affinis、钩刺雾冰藜Bassia hyssopifolia），分析生物土壤结皮覆盖对这8种凋落物质量损失率和分解速率的影响。结果表明：生物土壤结皮和植物种对凋落物质量损失率有极显著影响（P<0.01），生物土壤结皮的存在增大了荒漠植物凋落物质量损失率，不同物种的分解率差异显著。8种植物凋落物的质量损失率在结皮覆盖条件下为13.67%~64.56%，去除结皮处理下为13.58%~54.13%。其中，结皮覆盖条件下白梭梭、梭梭、紫翅猪毛菜的质量损失率（46.12%、41.26%、64.56%）显著高于去除结皮处理（35.85%、36.97%、54.13%，P<0.05）。生物土壤结皮的存在缩短了凋落物的半分解和95%分解时间，缩短长度随物种差异而不同，受凋落物的初始全碳和全氮含量调节。荒漠地表生物土壤结皮对植物凋落物分解具有促进作用，且这种作用具有显著的种间差异，地表生物土壤结皮的存在对初始全碳含量较低而全氮含量较高的凋落物促进作用更明显。     

“一带一路”区域气候变化事实、影响及可能风险

“一带一路”区域国家经济、政治发展极不平衡,随着全球气候变暖,区域内的自然环境、气候资源、水资源等都将面临着显著而复杂的变化,并且干旱、洪涝等多种气候灾害是“一带一路”区域可持续发展和重大基础设施建设面临的重大威胁之一。目前,“一带一路”倡议已经进入实质性建设阶段,沿线地区的气候变化及其灾害风险关乎“一带一路”倡议能否顺利实施及亚投行的投资安全。在此背景下,2016—2018年中国科学院地球科学学部实施了“‘一带一路’区域气候变化问题”咨询评议项目,项目针对该区域气候变化的事实、未来变化预估、气候变化的可能影响以及带来的潜在风险等问题进行了系统的调研,并开展了若干分析和研究。经过两年的努力,项目组完成了有关进展报告四份,包括一份总报告和三份分报告。本文扼要地概括和介绍了项目取得的主要成果。     

古尔班通古特沙漠土壤养分空间分异与干扰的关系

对干扰条件下古尔班通古特沙漠土壤养分空间分异特征进行了研究。分析土壤养分的变化趋势,及干扰与植被和土壤养分之间的关系。研究表明:沙漠边缘至沙漠腹地,全N、全P和全K含量、EC、总盐,可溶性离子HCO-3、SO2-4及Ca2+呈增加趋势。CO2-3、Mg2+、 Cl-、Na+4种离子含量较低,变化规律不明显。除全K含量随公路里程呈较连续的增加外,其他养分条件在公路里程25—75 km ,80—125 km和大于125 km的范围内的变化趋势都呈现高\?低\?显著增高的波动过程,分析表明这种波动性的变化是由干扰造成的。干扰因子数与生物结皮盖度呈显著负相关,但与植物种类与植物盖度都达到了显著正相关的水平。除与pH值呈正相关外,干扰因子数与土壤养分指标都呈负相关,其中与全K、全P、全N和EC的负相关接近于显著或极显著水平。随公路里程增加,生物结皮呈现从地衣苔藓藻类地衣地衣苔藓的过渡,这与土壤养分条件和干扰因子数相对应。人类活动是导致彩克沙漠公路里程80—125 km范围沙漠土壤养分条件的降低的主要原因,受水源和居住地的影响,该段沙漠人类放牧活动影响的最大范围为里程125—145 km之间。人类在沙漠活动的加强会增加沙漠生态干扰源和干扰强度,最终降低沙漠土壤的养分条件。     

古尔班通古特沙漠生物结皮小尺度分异的环境特征

古尔班通古特沙漠广泛存在的生物结皮,对地貌部位有极强的选择性分布,其实质是生物对环境条件综合适应的一种生态表现。2002年3~11月在个体沙丘表面初步开展了生物结皮类型小尺度环境分异规律研究。结果表明:苔藓结皮、地衣结皮和藻类结皮依次分布于垄间、沙垄两坡中部和坡上部,从垄间往垄顶,生物结皮盖度逐渐减小,厚度变薄,抗压性减弱。苔藓结皮分布区的物质组成以细沙和极细沙为主,春季表层土壤水分在5%以上,短命植物广泛发育,基质稳定;坡中部的地衣结皮分布区以细沙为主,春季表层土壤水分在4%左右,短命植物亦有广泛分布,地表受风沙活动影响较小;沙垄上部和顶部的藻类结皮分布区,是沙垄表面活动性最强和土壤水分最差的区域,物质组成以中沙为主,高等植物中白梭梭为优势种,可见藻结皮是三类结皮中最能适应恶劣环境的生物结皮类型。     

反硝化-分解模型在荒漠土壤CH4和N2O通量估计中的应用

甲烷(CH₄)和氧化亚氮(N₂O)等温室气体通量具有高度时空变化特点,通过野外站点直接测量耗时且费力。为弥补监测方面不足,解析变化环境下反硝化-分解模型(DNDC)模拟值和样地原位观测值之间的对应关系,探讨模型在温室气体预测方面的潜力具有意义。本文选择古尔班通古特沙漠,对氮沉降影响下荒漠土壤CH₄和N₂O通量进行了模拟估计,并与实测数据进行了对比分析。结果表明：DNDC模型可较好地模拟荒漠土壤N₂O通量的变化,模拟值与实测值显著相关(P<0.001);而模型对荒漠土壤CH₄吸收量的变化模拟效果不显著,但模拟的年累计吸收量与真实值较为符合。DNDC模型敏感性试验分析表明,随着年平均气温、土壤有机碳(SOC)含量和施氮量的增加,土壤N₂O排放量和CH₄的吸收量显著增加;年降水量对土壤N₂O和CH₄通量变化影响不显著;土壤容重与土壤N₂O排放量和C...     

古尔班通古特沙漠苔藓结皮中可培养细菌多样性特征

在不同类型的生物土壤结皮中,苔藓结皮蓄水能力、抗机械干扰和固沙的能力最强,在受损沙地的人工修复中发挥着更为重要的生态作用。通过挖掘具固氮、固沙等功能的重要菌株资源可改善苔藓结皮的土壤结构、增强苔藓植物抗旱性、提高苔藓生长。前期工作中发现集中分布于垄间低地的苔藓结皮中微生物数量远高于沙垄其它部位的结皮,但究竟是哪些特殊类群的细菌对苔藓结皮的生态功能产生影响尚不清楚。本文对苔藓结皮中数量占绝对优势的细菌多样性进行了进一步的分析,结果表明:(1)分离、纯化的25株菌可初步归为3门3纲4目6科6属,未见新属。其中,芽孢杆菌属(Bacillus)占绝对优势(52%);(2)进一步的blast同源性分析表明,25株菌可归为18个OTUs(OperationalTaxonomicUnit),未见疑似新种(同源性均97%),其中芽孢杆菌属OTU比例最高(39%);(3)将结果与前期工作中地衣结皮可培养细菌多样性进行了对比分析,发现该沙漠苔藓结皮中的可培养细菌Shannon-Wiener多样性指数为2.77,高于地衣结皮(2.55)。这与苔藓结皮具有更强的抗风蚀能力和更高的蓄水能力有关。而硅酸盐细菌在两类结皮中均存在,该类菌株将与苔藓植物协同固沙,推进生物土壤结皮的发育。     

温度和光照对3种雀麦属(Bromus)植物种子萌发的影响

旱雀麦(Bromus tectorum)原产于欧亚大陆,18世纪传入北美,并成为该地区的入侵植物。然而,同为雀麦属的扁穗雀麦(Bromus catharticus)和无芒雀麦(Bromus inermis)并不具有旱雀麦的入侵性。本研究设置高温、低温和黑暗等处理,探讨温度和光照对3种植物种子萌发的影响,旨在从种子萌发的角度揭示旱雀麦的入侵性。结果表明：温度和光照对旱雀麦和扁穗雀麦种子的发芽率均无明显影响(p>0.05);高温和黑暗处理显著提高了无芒雀麦种子的发芽率(p<0.05),对旱雀麦、扁穗雀麦和无芒雀麦种子的发芽势、发芽指数、日均发芽率、发芽系数、发芽峰值和发芽值有一定的促进作用,而低温处理则表现出相反的效应;高温和黑暗处理对3种植物种子的平均发芽天数和萌发持续时间有一定降低的作用,而低温处理则表现出相反的效应。同一处理下旱雀麦种子萌发各项指标均优于另两种植物,这可能是旱雀麦具有较强入侵性的重要原因。     

藓类结皮斑块面积与环境因子的关系

古尔班通古特沙漠生物结皮占该沙漠总面积的30%左右,苔藓结皮是其中的优势者,在防风固沙、捕获隐匿降水和水土保持方面发挥着重要的生态作用。自然状态下,该沙漠苔藓结皮多以镶嵌式或纯群状斑块分布,本文从斑块尺度出发,以斑块面积为指标,分析了该沙漠藓类结皮斑块的分布格局和特征。结果表明:（1）在调查的7 372个藓类结皮斑块中,有6 930个斑块的面积在100 cm2以内,占总斑块数目的94%,面积在100 cm2以上的斑块约为442个,占总斑块数的6%。（2）本研究共调查了143 223 cm2苔藓结皮,其中100 cm2以下的小斑块面积约为57 289 cm2,占总调查面积的40%;其次是大小在100~200 cm2的斑块,面积约为32 941 cm2,占总调查面积的23%;大小在200 cm2以上的斑块面积约为50 128 cm2,占总面积的35%。面积较大的斑块主要分布在沙漠东南部,西北部藓类结皮斑块面积较小,这一变化特征与苔藓结皮在区域尺度的优势发育区一致。（3）藓类结皮斑块面积大小与粒径在0.2 mm以下的土壤含量正相关,大粒径的土壤不利于藓类结皮形成较大的斑块。（4）藓类结皮斑块面积与主要灌丛盖度呈微弱负相关,与土壤有机质、全氮、速效钾、可溶性钙含量显著正相关,这与区域尺度的报道一致。     

荒漠藓类结皮层中齿肋赤藓形态结构适应性及其原丝体发育特征

 在实验室内通过光镜与扫描电镜相结合的手段观察了新疆古尔班通古特沙漠藓类结皮层的优势物种——齿肋赤藓(Syntrichia caninervis Mitt.)的形态结构特征及其原丝体发育的全过程,并分别从藓类植物生长发育所必经的配子体和原丝体两个阶段对齿肋赤藓形态结构与荒漠干旱的生态环境之间的适应性关系进行了探讨。研究结果表明,①植物体密集丛生;叶片边缘强烈背卷,两面均具马蹄形细疣;中肋粗壮并突出叶尖成白色长毛尖。②原丝体系统的细胞短粗,细胞质高度浓缩,液泡较小,细胞壁较厚;原丝体系统具有短枝群。     

脱水对生物结皮中齿肋赤藓光合色素含量和叶绿体结构的影响

通过脱水对生物结皮中齿肋赤藓叶绿体结构特征和光合色素含量的影响研究,结果表明,在脱水过程中,齿肋赤藓光合色素含量及叶绿体结构变化特征表现为4个阶段:①启动期,脱水0～2 h,光合色素含量与完全湿润时差异不显著(P>0.05),此时透射电镜下叶绿体中基粒片层结构和类囊体清晰,纵向排列,叶绿体双层膜系统保持完好;②快速增加期,脱水2～6 h内,光合色素含量快速升高,在脱水6 h 时达最大值,此时叶绿体结构发育最为充分,嗜锇颗粒数量最多且集中分布;③相对稳定期,脱水6～10 h,光合色素含量在达到最大值后,逐渐降低,但差异不显著(P>0.05),叶绿体结构依然完整;④缓慢衰退期,脱水10 h后,直至完全干燥,光合色素含量逐渐降低,完全干燥时叶绿体趋于解体。研究还表明,齿肋赤藓光合色素含量变化明显滞后于形态结构变化,其含量在完全湿润时并非最高,而在脱水6 h时(RWC为26.4%)达最大值,而后随含水量降低而降低,与种子植物光合色素含量随含水量降低不同,这可能与其内部结构修复有关,再水化后光合色素完全恢复,说明齿肋赤藓光合色素对水分的响应是可逆的。