固沙植被区两类结皮斑块土壤呼吸对降雨脉冲的响应

与降水事件密切相关的土壤水分有效性是荒漠生态系统土壤呼吸的重要驱动因子。研究了固沙植被区以藓类和藻类为主的生物土壤结皮斑块土壤呼吸对模拟降雨(5、10、20 mm)的响应。结果表明:3种降雨量对不同结皮斑块土壤呼吸均有显著的激发作用, 但2种土壤的响应特征不同。藓类结皮斑块土壤呼吸速率在降雨后0.5 h达到最大值, 而藻类结皮斑块土壤在降雨后2 h达到最大值, 其呼吸速率分别是降雨前土壤呼吸速率的43~58、21~25倍,随后, 两类结皮斑块土壤呼吸速率逐渐下降并恢复到降雨前水平。随着降雨量的增加, 藓类结皮斑块土壤最大呼吸速率和平均呼吸速率显著增大, 而藻类结皮斑块土壤则无明显变化; 2种土壤碳释放量均随着降雨量的增大而增加。在相同降雨条件下, 藓类结皮斑块土壤呼吸速率峰值和平均值及碳释放量均显著大于藻类结皮斑块土壤。表明生物土壤结皮和降雨量均对荒漠生态系统土壤呼吸起着重要的调控作用。     

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.     

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。     

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。     

以数码照相法估算生物土壤结皮盖度

生物土壤结皮(BSC)是由藻类、地衣、苔藓和土壤中微生物形成的一类有机复合体,是干旱荒漠地区主要的地表覆被类型。由于藻、地衣和苔藓呈非连续性斑块状分布,准确估算它们的盖度比较困难。传统的估算方法主要是样方法和遥感影像法,样方法在野外操作中虽然比较精确但是费时,遥感影像法虽然快速但是误差大。本文试图通过数码照相法获取BSC地表分布信息,然后利用最大似然监督分类法对苔藓结皮、地衣结皮和藻结皮盖度进行分类计算,并用野外原位调查进行验证。结果表明,本文采用的照相法与传统样方法的相关性达到了94.45%,照相法可以有效地用于BSC盖度的估算,提高了盖度估算的效率。     

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。     

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。     

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。     

苔藓结皮复配凹凸棒基高吸水性固沙材料的生理特性

综合性固沙技术在荒漠治理方面有着良好的发展前景。通过研究荒漠苔藓与凹凸棒基高吸水性树脂固沙材料的复配质量比与接种量对苔藓结皮的生长状态与生理特性的影响,探索和优化生物固沙与化学固沙技术相结合的技术途径。结果表明：温度和光照一定时,荒漠苔藓与凹凸棒基高吸水性固沙材料以质量比1∶4复配,以接种量500g·m^-2洒于沙面,所形成的苔藓结皮发育状况最佳。     

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。     

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。     

荒漠区食细菌线虫对生物土壤结皮下土壤微生物量的影响

为探明荒漠区土壤食细菌线虫与生物土壤结皮下土壤微生物量的关系,以腾格里沙漠东南缘的人工植被固沙区生物土壤结皮覆盖的沙丘土壤为研究对象,采集藻-地衣结皮和藓类结皮下0—10 cm土样,并以每克土壤15、30、45、60、90、120、150条的食细菌线虫密度接种,以未接种线虫的土样为对照,经一段时间的培养后测定接种和未接种食细菌线虫土壤的微生物量碳和氮。结果表明：无论藻-地衣结皮还是藓类结皮下的土壤,每克土壤90条以内的土壤食细菌线虫均可显著提高土壤微生物量碳和氮（P<0.05）,但随着土壤食细菌线虫的繁殖或过量接种,其与土壤微生物量之间呈现出由正相关性向负相关性的转变;此外,结皮类型也显著影响土壤微生物量碳和氮的含量（P<0.05）,发育晚期的藓类结皮下土壤微生物量碳和氮均高于发育早期的藻-地衣结皮。因此,在腾格里沙漠人工植被固沙区藻-地衣结皮和藓类结皮下,一定密度的土壤食细菌线虫能显著提高土壤微生物量,指示适当密度的土壤食细菌线虫可促进荒漠区土壤修复和改良。     

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.     

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。