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。     

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。     

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。     

科尔沁沙地人工林下结皮发育对表土特性影响的研究

通过野外取样和室内分析相结合,对科尔沁沙地不同生长年限人工林下土壤结皮的理化性质及结皮发育对表层土壤特性的影响进行了初步研究。结果表明,3 a、15 a生杨树林下分别发育了物理结皮、地衣结皮和苔藓结皮,15 a、25 a生樟子松林下均发育了苔藓结皮,结皮的厚度、紧实度、水分、粘粉粒含量及全效、速效养分等随物理结皮向苔藓结皮的发育依次增加。同时,结皮的存在增加了其下层土壤颗粒组成中的极细沙和粘粉粒含量,富集了结皮下土壤的有机质、全N、全P、速效N、速效P等养分,而且结皮对下层土壤的这些影响作用从物理结皮、地衣结皮到苔藓结皮呈逐渐增长的趋势。同一结皮下土壤粘粉粒含量、养分含量在0—5 cm范围内由表及里呈递减趋势,但均高于对照无结皮层相对应的值。25 a生樟子松林下发育的苔藓结皮及其下层土壤的理化状况明显优于其他人工林下结皮的情况。     

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。     

生物型凹凸棒基高分子固沙材料的复配效果

由于具有提高沙土的稳定性和保水性等特征,复合高吸水性固沙材料在荒漠化土地治理方面具有一定的潜力和应用前景。研究了蓝藻结皮在不同比例凹凸棒基高分子固沙材料中的生长状态和生理特性。结果表明:蓝藻结皮与经4 mol·L^-1硫酸改性后的凹凸棒基高分子固沙材料以1∶3质量比配比生长情况最佳;比较了复配材料喷洒量为400、500g·m^-2处理下蓝藻叶绿素a、丙二醛、可溶性蛋白及可溶性糖含量等生理指标,喷洒量为500 g·5m^-2的蓝藻结皮与经4 mol·L^-1硫酸改性后的凹凸棒基高分子固沙材料生理特性较好。     

中国人工蓝藻结皮研究进展北大核心CSCD

沙漠化是中国面临的主要生态环境问题之一。持续遏制沙漠化、修复沙化土地是中国生态建设的紧迫任务。通过人工植被种植、机械固沙、化学固沙和工程固沙的方式进行生态恢复和沙漠化防治是中国主要的治沙方法和途径,但也存在一定的局限性,如水分限制和环境污染等。在生态文明建设和绿色发展的背景下,对固沙和沙化土地治理方法提出了更高的要求。生物土壤结皮(Biological soil crusts,BSCs)广泛分布在中国沙区,能够在气候干旱、辐射强、降水量极低的沙漠地区生长,不仅能够减少沙面的侵蚀,还能增加土壤肥力,提高土地质量,控制沙面径流入渗平衡。蓝藻是BSCs形成的先锋物种,并在BSCs发育后期的物种形成和演替中发挥着重要作用。然而,自然条件下BSCs形成往往需要10~20 a,因此通过人工培育加速BSCs形成,即人工生物土壤结皮固沙技术,可显著缩短固沙时间、加速生态恢复速率。基于近年来中国学者对人工BSCs,尤其是人工蓝藻结皮的研究,从固沙蓝藻种选择、培养方式/模式、人工蓝藻结皮属性、影响因子以及其应用进行综述,分析当前研究的主要进展,并展望未来人工蓝藻结皮的研究方向,以期为中国人工BSCs的研究提供依据。     

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。     

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。     

不同有机溶剂萃取生物结皮中叶绿素a效率的比较研究

参照水体中浮游植物叶绿素a的萃取测定方法,运用丙酮、乙醇、二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基亚砜（DMSO）4种有机溶剂对不同土质不同发育阶段自然和人工生物结皮中叶绿素a的萃取效率进行了比较研究。结果发现,不同有机溶剂从生物结皮中萃取叶绿素a的效率存在极显著差异（P<0.001）,而乙醇法的离散度最低;取样量对萃取效率总体上没有显著影响（P>0.05）,但在具体的测定中与萃取效率之间存在负相关。4种方法中,DMSO法对藻类占优势的结皮萃取率最高,DMF法对自然结皮的萃取率仅次于DMSO法,在人工结皮中最低;乙醇法和丙酮法的萃取效率普遍较低,而且与结皮属性之间没有明显规律。     

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。     

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。     

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。     

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。     

荒漠藓类结皮边缘效应下土壤肥力的灰色关联度分析

干旱半干旱地区土壤资源呈现高度异质性,植被分布斑块化成为该生态系统的普遍现象。藓类结皮是荒漠地表生物土壤结皮的主要类型,自然状态下藓类结皮通常呈现出典型的斑块状分布特征。应用灰色系统理论,以新疆北部古尔班通古特沙漠藓类结皮层土壤为研究对象,将藓类结皮斑块从中心至边缘划分3个圈层,通过对土壤的理化性质、酶活性、微生物生物量及微生物群落碳源利用等16项指标进行分析,利用灰色关联度分析法定量分析了藓类结皮斑块3个圈层的土壤肥力,并进行综合排序。结果表明:(1)藓类结皮斑块边缘圈层的土壤有机质、全氮、全钾、脲酶、过氧化氢酶、微生物生物量碳氮、平均吸光值(AWCD)均显著低于内部两个圈层,全磷、速效氮、速效磷、速效钾含量及pH值、碱性磷酸酶、蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶活性均不受边缘效应的影响,在3个圈层无显著差异。同时,土壤各项指标在斑块内部两个圈层均无显著差异。(2)藓类结皮斑块3个圈层土壤肥力的关联度值依次为中心圈层(0.65)>中间圈层(0.59)>边缘圈层(0.47),藓类结皮斑块结皮层的土壤肥力从中心至边缘逐渐降低。藓类结皮斑块状分布显著影响土壤肥力,导致土壤肥力空间异质性程度增大,从而可能影响荒漠植物群落,尤其是草本植物群落的空间分布格局。