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。     

退化生态系统土壤微生物种群数量和分布对植被恢复的响应

通过生态退化区不同植被恢复类型对土壤微生物种群数量和分布的影响研究,揭示植被恢复过程中土壤微生物种群的变化.结果表明,沙米荒地、白沙蒿、柠条、沙冬青、人工乔木林+樟子松土壤微生物种群数量和分布明显不同,土壤细菌、真菌、放线菌种群数量差异显著(P<0.05),细菌种群数量最高,其次为放线菌,真菌种群数量最小.通过主成分分析,影响该保护区土壤三大类微生物种群总数量的主要因子是植被、土壤有机质、pH、土壤速效钾、土壤水分含量、土壤全磷和速效磷、土壤放线菌、土层深度、土壤真菌种群数量和土壤全氮含量.     

沙坡头人工固沙植被生态系统土壤恢复研究进展

土壤是荒漠生态系统的重要组成部分,沙化土地的治理与恢复是人们关注的重点。沙坡头人工固沙植被区的土壤经过50 a的恢复,已得到显著的发育。结皮及亚表土层厚度随固沙年代的增加而增大,土壤颗粒组成中粘粒和粉粒含量增多,土壤容重降低,有机质和氮、磷、钾等营养元素含量增加,流动风沙土已发育成为钙积旱成土。本文探讨了降尘、生物土壤结皮和土壤微生物对土壤恢复的影响,分析土壤发育与人工植被演替的相互作用,并提出了今后的研究重点方向。     

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）。     

人工固沙植被区土壤水分动态及空间分布

土壤水分是干旱区固沙植被生长发育最主要的限制因子,了解其动态变化特征对沙区人工植被建设具有重要意义。本研究利用EnviroSMART土壤水分监测系统,于2009-2013年对宁夏沙坡头地区人工固沙植被区的土壤水分动态进行连续监测。结果表明:(1)降水对土壤水分状况及动态变化有较大的影响。土壤水分总体处于过度消耗状态,在非生长季,土壤水分没有明显的回升现象。(2)生长季初期(4-5月)为土壤水分弱消耗阶段;生长旺盛期(6-8月)为土壤水分快速消耗阶段,水分变化波动较剧烈,空间异质性最强;生长季末期(9-10月)的土壤水分处于相对稳定状态。(3)土壤水分随深度增加呈“S”形变化趋势,浅层的土壤含水量明显高于其他深度,200 cm深度土壤含水量较低且年际间变化不大(1.53%~2.10%)。湿润年份土壤水分剧烈变化的土层深度为0～100 cm,而干旱年份为0～20 cm。(4)相对于干旱年份,湿润年份的土壤含水量不但较高,而且水分变化波动较为剧烈。当土壤水分较低时,其变异性会随着土壤水分含量的增加而增加。(5)试验区灌木盖度在5年间呈下降趋势,一年生草本受降水量影响年际变化较大。受降水时空分布影响的土壤水分是沙坡头人工植被演替的重要驱动力。     

绿洲边缘人工固沙植被自组织过程

在对植被自组织过程研究进展评述的基础上,研究了河西走廊荒漠绿洲边缘人工固沙植被格局40年来自组织及种群自疏过程,发现在干旱区,特别是降水量200mm以下的荒漠区,绿洲边缘雨养或者降水和地下水共同维系的沙丘人工植被也会发生自组织过程,原来基本均匀栽植的植被出现斑块化,最大斑块面积、斑块密度、斑块聚集度在20~30a出现,但种群自疏过程并未遵循随植被发育年龄变化的规律,而与生境与绿洲的距离及生境地下水埋深显著相关。未来应加强在气候变化和人类干扰条件下植被格局发生突变的阈值范围的研究,也应加强干旱区人工植被自组织过程及其变化等的研究。     

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。     

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。     

固沙植被区生物土壤结皮中蓝藻群落的多样性

采用非培养法对腾格里沙漠沙坡头固沙植被区的蓝藻多样性进行了研究,通过蓝藻通用引物PCR扩增其16S rDNA序列并构建16S rDNA文库,对阳性克隆进行测序、比对分析和构建系统发育树,同时通过Shannon-Weaver多样性指数、Chao和ACE丰富度指数及Simpson优势度指数对蓝藻多样性进行比较分析。结果表明:腾格里沙漠沙坡头地区蓝藻可分为5大类:颤藻目(Oscillatoriales,64.55%),色球藻目(Chroococcales,1.82%),念珠藻目(Nostocales,16.36%),宽球藻目(Pleurocapsales,6.82%)和未分类蓝藻(10.45%)。人工固沙植被区经过57年的恢复,蓝藻群落Chao和ACE丰富度指数均明显小于天然植被区(恢复逾100年),而且其群落结构与天然植被区仍然存在着统计学显著差异的区别,说明荒漠区生态系统微生物多样性的恢复是一个长期的过程。     

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。     

横断山区土壤相对湿度时空分异

以1992～2010年横断山区16个观测站土壤相对湿度资料为基础,通过Kriging插值法分析土壤相对湿度季节分异和空间分异特征。结果表明:横断山区年土壤相对湿度自1992年以来整体呈波动增加趋势,年际变化倾向率为0.51%/a;横断山区土壤相对湿度表现为西南和东北部较高,东南和西北部较低,中部土壤相对湿度增加趋势强于边缘,深层土壤的相对湿度整体大于浅层土壤。春、夏季土壤相对湿度增加趋势比秋、冬季明显。     

Changes of Soil Erosion and Possible Impacts from Ecosystem Recovery in the Three-River Headwaters Region,Qinghai, China from 2000 to 2015

Soil erosion poses a great threat to the sustainability of the ecological environment and the harmonious development of human well-being. The revised universal soil loss equation (RUSLE) was used to quantify soil erosion in the Three-River Headwaters region (TRH), Qinghai, China from 2000 to 2015. The possible effects of an ecosystem restoration project on soil erosion were explored against the background of climatic changes in the study area. The model was validated with on-ground observations and showed a satisfactory performance, with a multiple correlation coefficient of 0.62 from the linear regression between the estimations and observations. The soil erosion modulus in 2010-2015 increased 6.2%, but decreased 1.2% compared with those in the periods of 2000-2005 and 2005-2010, respectively. Based on the method of overlay analysis, the interannual change of the estimated soil erosion was dominated by climate (about 64%), specifically by precipitation, rather than by vegetation coverage (about 34%). Despite some uncertainties in the model and data, this study quantified the relative contribution of ecological restoration under global climatic change; meanwhile the complexity, labor-intensiveness and long-range character of ecological restoration projects have to be recognized. On-ground observations over the long-term, further parameterization, and data inputs with higher quality are necessary and essential for decreasing the uncertainties in the estimations.     

基于优化GeoCA模型的土壤侵蚀时空变化模拟——以福建省长汀县为例

土壤侵蚀动态监测是侵蚀研究体系中的重要内容, 目前研究主要集中在强度评价以及趋势预测两方面, 其中, 地理元胞自动机(Geo-Cellular Automata, GeoCA)是最常用的土壤侵蚀趋势模拟模型, 但是现有研究主要基于邻域计算规则, 强度模型的数学意义, 而忽视了元胞自身发生变化的可能性, 不能完全体现土壤侵蚀演变的复杂性, 这些问题不仅降低了模拟的精度, 而且使得趋势预测与侵蚀评价两者间的融合性降低, 不利于完整的研究体系形成。本研究认为土壤侵蚀时空变化趋势是其自身侵蚀状态、自然条件以及邻域转换规则共同作用决定, 从而设计元胞侵蚀强度指数算法、元胞侵蚀强度函数以及元胞邻域转换函数, 对传统GeoCA进行了优化, 并在GIS与遥感技术支撑下, 以福建省长汀县为研究区, 设计了上述算法的整合模型, 对福建省长汀县30 年来土壤侵蚀时空演替过程进行了测算与分析。研究结果显示: 长汀县土壤侵蚀最严重的地区主要分布在以河田镇为中心的汀中地区, 20 世纪90 年代以来, 土壤侵蚀治理工作成效显著, 改善趋势明显加快, 至2000 年以后有所放缓。预计至2020 年, 土壤侵蚀区的比重将从1990 年的约40%下降至约20%。通过比较, 整合算法的精度达到72.7%, 高于单纯的侵蚀强度评价算法以及传统GeoCA模型, 证明优化GeoCA不仅是进行土壤侵蚀时空演变模拟研究的有效手段, 更为土壤侵蚀这一复杂地理系统的元胞表述规则研究进一步深入提供了思路。