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。     

沙坡头站雨养人工生物防护体系水平衡研究五十年

中国沙漠科学以沙坡头为标志在水平衡研究领域走过了 50 a的历程。理性认识从最初了解水环境发展到今天不同尺度的土壤植被大气连续体的水分运动、迁移、平衡和转换的综合研究;实验设备从最初的土钻、烘箱、天平改善成今天的均衡式张力计、中子水分仪、时域反映仪(TDR)、人工气候生长箱、生态系统降水模拟设备等,使水平衡研究初步达到人工模拟的实验条件;试验场地从无控的流动沙丘、固沙区到蒸渗池、Lysimeter、水分平衡观测场、自动定点监测系统。50 a的研究初步明确了人工雨养生态系统水平衡演变的过程和机理。水环境变化趋势预测、微量水循环研究和生物水分调控技术研发将成为水平衡关注的新焦点。     

沙漠人工植被区土壤蒸发测定

在2003年生长季,应用自制的微型蒸渗仪(Micro Lysimeter)、大型称重式蒸渗仪(Lysimeter)和TDR对比测定沙漠油蒿(Artemisia ordosica)和柠条(Caragana korshinskii)人工植被区与裸沙土壤蒸发,结果表明:在沙漠人工植被区由于植被比较稀疏,土壤蒸发不受植株的遮阴的影响,但不同样地的蒸发量是有差异的,而样地和位置间的互作不显著。为提高蒸发测定精度,建议微型蒸渗仪勤于换土,尤其是在大降水发生之后;将横插式 TDR探头改为竖插式能探测到小降水后的蒸发量。在沙漠区有很大比例的蒸发发生在紧接降水之后。以微型蒸渗仪的测定结果为主,结合大型称重式蒸渗仪的测定结果推算出整个试验期间的裸沙、油蒿和柠条样地的蒸发量为 111.6mm、93.8 mm和99.3 mm,油蒿和柠条样地的蒸发量分别占同期蒸散量的45.1%和43.6%;油蒿和柠条样地均以8月份日蒸发量0.93 mm·d^-1和1.10 mm·d^-1最高,5月份日蒸发量0.30 mm·d^-1和0.28 mm·d^-1最低。     

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 Krig ing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(Agriophyllum squarrosum)、刺沙蓬(Salsola ruthenica)和虫实(Corispermum declinatum)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11:00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9:00有一个峰值,而后在11:00有一个谷值,13:00至15:00出现一天中的最高峰值;而其气孔导度在早7:00是一天中的最高峰值,而后在13:00有一个谷值,其次高峰出现在15:00~ 17:00,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7:00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11:00,气孔导度最高峰出现在9:00~ 11:00,15:00为一天中的最小值,17:00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7:00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,利用蒸腾午休来降低植物水分散失的效率,保证叶片相对稳定的含水量。沙米和虫实的蒸腾速率变化不如刺沙蓬大, 且蒸腾速率的日变化仍表现为单峰型, 从这一点来说, 沙米和虫实对干旱环境的反应不如刺沙蓬敏感。     

沙漠人工植被降水截留特征研究

2004年4~10月,选择两种主要固沙(半)灌木为研究对象,观测了植物冠层在自然降水条件下的截留量和穿透冠层的降水量,并模拟了它们与降水参数间的关系.结果表明:试验期间共降水110.9 mm,50%的降水量<2 mm,80%的降水量<6 mm,以短暂而零星的小降水为主,降水次数呈偏态分布.由于植物冠层的截留而使柠条和油蒿冠层下的降水量极显著地小于降水量(P≤0.01).与油蒿相比,具有高大冠层结构的柠条冠层下的降水量在大多数情况下显著高于油蒿的(P≤0.05);两种植物冠层下方不同部位对降水穿透量的影响结果差异不显著(P>0.05)、显著(P≤0.05)和极显著(P≤0.01)约各占1/3;试验期间柠条和油蒿的冠层截留总量分别为10.7 mm和3.7 mm.两种植物冠层下穿透降水量与降水量和降水历时的多元回归方程达到极显著水平(P<0.0001),但逐步回归分析表明穿透降水量与降水历时的关系不明显(P>0.05),因而提出了穿透降水量与降水量间的线性公式(P<0.0001)能更好的表达这种关系;两种植物冠层截留量与降水量呈指数关系(P<0.05),理论上当降水量无穷大时截留量接近于常数项,即柠条冠层的最大截留量为3.5 mm,油蒿冠层的最大截留量为1.0mm.     

油蒿不同部位水分关系研究

应用植物PV技术研究油蒿（Artemisia ordosica Krasch）不同部位（营养枝、生殖枝、1年生枝、2年生枝、3年生枝、根系）的持水性能及其在SPAC系统的水分运移中的作用。结果表明：油蒿不同部位具有相似的水分生理特点,但各参数差异比较明显。随着木质化程度的增加,枝条（除生殖枝）饱和时最大渗透势（Ψ100π）、初始质壁分离时的渗透势（Ψ0）、相对水分亏缺（D0RW）、相对渗透水分亏缺（D0ROW）、束缚水含量（Vb）、细胞组织最大弹性模量（εmax）及ΔΨ（Ψ100π－Ψ0）逐渐增大,而自由水含量（Vf）则逐渐减小。生殖枝的Ψ100π、Ψ0、D0RW、D0ROW则大于其他枝条,根系的Ψ100π、Ψ0、D0RW、D0ROW、Vb、εmax均大于枝条,而Vf和ΔΨ小于枝条。随木质化程度增加,枝条的总水容（C）逐渐减小。C表现出两段性,在膨压消失前,枝条的水容（C1）变化不大,而在膨压消失后枝条水容（C2）随木质化程度增加而减小;总体来看,生殖枝的水容大于其他枝条,而根系水容最大。在水分胁迫条件下,木质化程度低的枝条,其较小的束缚水含量（Vb）及弹性模量（εmax）和较大的水容（C）不利于其保持体内水分以及较高的水势和膨压;而木质化程度高的枝条,其较高的束缚水含量及坚硬厚实的细胞壁则有利于其保持体内水分;根系较大的Vf和C,表明其容易失水的特性,有利于SPAC系统水分传输。     

流沙固定过程中土壤-植被系统演变

包兰铁路横穿腾格里沙漠沙坡头段,全长45 km,年降水量186 mm;流动沙丘相对高度20 m,以每年4 m的速度向东南方向移动。无灌溉条件下、工程措施与生物措施相结合的防沙固沙工程体系始建于1956年,近半个世纪以来该体系确保了包兰铁路畅通无阻。几十年的土壤植被系统演变正影响着整个防护体系。植被在从人工系统向自然系统的演变中经历了覆盖度从增加到减少的自疏过程、从灌木到半灌木到草本的变化;土壤从流动风沙土向钙积旱成土发育,地表生物结皮发育;降水在生态系统中的再分配过程已经彻底改变,新的水分平衡格局明显影响现有防沙固沙体系。     

3种不同生境芦苇叶表皮微形态和叶绿体结构特征分析

 以生长于中国西北腾格里沙漠边缘的3种芦苇,沙丘芦苇(沙芦)、戈壁盐湖芦苇(盐芦)和水生芦苇(水芦)为材料,通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜的观测,对3种生境芦苇叶片上表皮表面形态结构、叶肉细胞以及叶绿体结构进行了研究。结果发现,3种芦苇在其长期适应各自生境的过程中,其叶片表面形态结构和叶肉细胞均发生了适应性改变。与水生芦苇相比较,两种陆生型在适应各自极端生境的过程中,通过气孔下陷、减少气孔密度、缩小气孔口径、并在表面形成高密度的绒毛状蜡质晶体结构等途径减少蒸腾,提高植物对各自干旱或盐渍生境的适应。盐芦比沙芦这种适应性特征更加明显, 并在表面形成有类似于盐腺的特殊结构。同时,沙芦和盐芦叶绿体主要以长梭状而非水芦的圆形或椭圆状形态存在,并且叶绿体中淀粉粒数量增多(特别是盐芦)。这些不同生境中发生的可塑性适应调整可能通过感受环境条件的变化而参与了芦苇对长期干旱或盐渍生境的适应。     

盐胁迫对盐芥悬浮培养细胞超微结构的影响

 以盐芥悬浮细胞为实验材料建立“悬浮细胞/盐胁迫”体系,并运用透射电镜技术对盐胁迫下盐芥悬浮细胞超微结构的变化进行了观察。结果表明,未胁迫下,盐芥细胞中各细胞器结构完整; 300 mM NaCl胁迫6 h后,开始出现质壁分离,细胞质具有较高的电子密度; 胁迫12 h后,出现明显的质壁分离现象,线粒体数目增多,多数变成月牙形 ,内部模糊不清,高尔基体失去正常形态,变得松散,“反式”面分泌小泡以“出芽”方式出现,同时发现胞内有“吞噬泡”存在。实验说明盐芥悬浮细胞能短时间耐受高浓度(300 mM)的氯化钠胁迫,当胁迫时间延长为12 h,细胞受损严重,亚细胞水平表现在细胞超微结构的改变,细胞“自我吞噬”可能在盐芥细胞盐胁迫响应过程中发挥重要作用。