青藏高原高寒草甸区土壤水分的空间异质性

通过网格(10m×10m)取样,用地统计学方法研究了青藏高原高寒草甸覆盖区域(110m×90m)浅层剖面(0~40cm)土壤水分的空间异质性特征。结果表明:在高寒草甸覆盖区0~30cm深度范围内,土壤水分均存在高度空间异质性,其中87.3%~74.9%的空间异质性是由空间自相关部分引起的,主要体现在201m以下尺度,10m以下随机因素对空间异质性作用较小;30~40cm土壤水分空间异质性由10m以下尺度随机因素导致的占42.3%,而自相关部分的空间异质性(57.7%)体现在10~87.2m尺度。随土层深度的增加,分维数D有逐渐增大的趋势,说明随深度增加高寒草甸区土壤水分自相关空间异质性程度在降低,而随机因素导致的空间异质性程度在增加。从4层的C₀/(C+C₀)值来看,10~20cm这一层的值最小,表明在这一层的系统变量的空间自相关性程度最高。说明高寒草甸区0~30cm土层的土壤水分含量是受降水、植被发育、根系分布、土壤特性和人为干扰等影响,其空间异质性主要受自相关因素控制,而30cm以下的土壤水分受自相关因素和随机因素共同控制。     

高寒草甸土壤水分的影响因子及其空间变异研究

以黄河源区典型高寒草甸草地类型为对象,运用旋转主成分分析法对影响高寒草甸土壤水分的植被盖度、群落高度、土层根系深度、草地类型等9个环境因子进行了分析,将这些环境因子分为4个主成分因子依次为:立地与草地类型因子、植被因子、坡向风速因子和地形因子.同时,采用统计方法对于不同深度土壤水分进行了统计分析,揭示了土壤水分在整个土壤剖面上的空间变异可划分为:速变层(0~30 cm)、活跃层(40 cm)、次活跃层(50 cm)和相对稳定层(60 cm).     

祁连山疏勒河上游高寒草甸CO2通量变化特征

采用涡动相关法对疏勒河上游高寒草甸生态系统2009年CO2通量进行连续观测.结果表明:疏勒河上游高寒草甸CO2通量呈明显的日和月变化特征.生长季CO2通量具有明显的日变化过程,其中吸收峰值从5月的10:00时逐步推后到7月的12:00左右,CO2通量排放峰值则出现在21:00-22:00.其中,最大吸收和排放速率均出现...     

高寒草甸区典型景观单元土壤养分空间变异性研究

应用GIS技术和地统计学空间内插法,对黄河源区达日县跨热洼尔玛流域高寒草甸小流域典型景观单元土壤有机质、全氮和全磷的空间分布特征进行了研究.结果表明: 高寒草甸土壤养分(全氮、有机质、全磷)最佳拟合模型为球状模型;在小流域尺度范围内,土壤养分空间变异性依次为: 全氮＞有机质＞全磷;其中高寒草甸土壤全氮含量具有强空间变异,块金系数(C0/(C0 C))为23.5%,有机质和全磷属于中等空间变异,其块金系数(C0/(C0 C))分别为35.9%、41.7%;全氮、有机质和全磷的有效变程分别为2 133 m、1 412 m和1 239 m.区域土壤养分影响因素分析显示: 不同植被覆盖下土壤有机质和养分的积累和平衡状况存在差异,其空间变异主要受海拔、地形、坡度、植被、根系分布状况等因素影响.     

青藏高原高寒草甸土壤水分运移机制

查明青藏高原高寒草甸区土壤水分运移机制,对正确理解土壤水分迁移过程、提高高寒草甸重建效率具有重要指导意义。通过开展土壤剖面负压、地温观测等原位试验,结合气象资料,对土壤剖面地温、含水率及总水头特征进行分析。结果表明,土壤的冻结期起始于10月,解冻期起始于4月;地温最高值出现在植物生长旺盛期8月,最低值出现在1月;1～3月土壤水分呈固态,6～10月土壤水分呈液态,处于稳定变化阶段,4～5月、11～12月土壤水分呈固液转化态,含水率变化幅度较大,处于过渡阶段。随着气温升高及降水量增加,6～8月水热同季有利于高寒草甸生长,属于高寒草甸主要生长阶段;春季土层由表及深土壤解冻,冻土层滞水性能保障了返青期春旱牧草生长的水分需求;深秋季节的由表及深的土壤冻结,深层土壤水分随水汽发生的表聚作用保障了牧草生长的水分需求,也是高原生态系统能够维持稳定的原因之一。     

高寒草地植被覆盖变化对土壤水分循环影响研究

土地覆盖变化对流域水平衡的影响是流域水学和生态水学研究的关键问题之一。以黄河源区两个典型小流域为研究对象，通过对流域不同植被类型与植被覆盖土壤的水分含量、入渗过程、蒸散发特征的测定，研究了高寒草地植被覆盖变化对土壤水分循环的影响．结果表明：广泛分布于青藏高原河源区的高寒草甸草地，植被覆盖度与土壤水分之间具有显的相关关系，尤其是20cm深度范围内土壤水分随植被盖度呈二次抛物线性趋势增加；在保持其原有的植物建群和较高覆盖度时，土壤上层具有较高持水能力，降水通过表层向深层土壤的渗透速度缓慢，且具有较均匀的土壤水分空间分布，水源涵养功能明显；高寒草甸草地退化后的高山草甸土壤趋于干燥，持水能力减弱，即使进行人工改良以后，土壤水分含量与持水能力也不会有明显改善．保护河源区原有高寒草甸草地对于河源区水过程意义重大。     

基于SHAW模型的祁连山高寒草甸土壤水分储量及通量的模拟研究

高寒草甸是祁连山国家公园青海片区的重要植被类型之一,量化该下垫面土壤水分储量及交换过程是评估区域水源涵养功能的关键科学基础。基于2017年8月1日至2018年7月31日的祁连山南麓高寒草甸生态系统水热特征的连续观测数据,对SHAW(simultaneous heat and water)模型进行了参数优化,分析了0～100 cm土壤水分储量及通量的变化特征及环境影响。结果表明:SHAW模型可以相对准确地模拟高寒草甸土壤温、湿的季节变化特征,土壤水分的模拟效果略好于土壤温度的模拟效果。日均0～100 cm土壤水分储量(SWS_0-100)为(274.99±19.57,平均值±标准差)mm,5—10月植被生长季的平均SWS_0-100较非生长季低21.92 mm。SWS_0-100的季节变异主要受控于群落叶面积指数的正效应和蒸散发的负效应,二者通过调控浅层(0～20 cm)和中层(20～60 cm)土壤水分储量间接影响SWS_0-100。日均0～100 cm土壤水分通量(SWF_0-100)...     

青藏高原多年冻土活动层土壤水分对高寒草甸覆盖变化的响应

对青藏高原高寒草甸30%、60%和93%三种覆盖度下,多年冻土活动层的土壤水分随季节变化的观测研究,结果表明:多年冻土活动层土壤水分分布对植被覆盖变化响应强烈.年内不同时期,植被覆盖度为65%和30%的土壤表层20cm深度内水分含量及分布相似,每次降水后30%覆盖度土壤水分的变率略大于65%覆盖度的;而93%覆盖度土壤水分在年内解冻开始到冻结前均小于前两种覆盖类型;植被覆盖度越小,土壤冻结和融化响应时间越早,响应历时也越短;浅层土壤冻结和融化对植被覆盖度的响应程度较强,接近深层土壤冻结和融化对植被覆盖度的响应程度降低.覆盖度为30%和65%土壤水分在整个冻结过程的减少幅度比93%覆盖度土壤大10%～26%,而融化期水分增加幅度更大为1.5%～80%;土壤冻融的相变水量对植被覆盖度变化响应明显,植被覆盖度降低,土壤冻结和融化相变水量增大.由于受植被蒸腾与地表蒸散发和土壤温度梯度的影响,融化期土壤剖面的水分重新分配,总体上呈现水分向剖面上部和底部迁移,剖面中部60～80cm深度左右的土壤出现"干层".     

青藏高原坡面冻土土壤水分空间变异特性

为深入揭示坡面冻土水分运移规律及其主要影响因子,以青藏高原巴颜喀拉山北坡为例,结合冻融变化过程,研究不同地形条件冻土土壤水分空间变异特征,利用分类回归树模型（CART）和典范对应分析（CCA）识别影响坡面冻土土壤水分空间异质性的主控因子及其相互作用关系。研究结果表明:①受坡面地形与冻融过程影响,冻结期坡面冻土土壤水分侧向流动减弱,以垂直迁移为主,上坡位含量高于下坡位,反之,融化期上坡位含量则低于下坡位。②影响坡面冻土土壤水分的主要环境因子为高程、土壤质地、土壤温度和植被覆盖度,但在不同冻融阶段下其影响因子存在差异,在冻结状态下主要因子为高程、土壤质地和土壤温度,其相对贡献率分别达到19.97%、19.45%和9.56%;在融化阶段下主要因子为高程、植被覆盖度和土壤质地,其相对贡献率分别为37.4%、14.9%和10.7%。③ 0~20 cm浅层深度上影响坡面冻土土壤水分的主要因素为坡度、高程和植被覆盖度,其相关系数分别高达0.941 2、0.903 9和0.563 1;中下层深度上其主要影响因素较为复杂。     

三江源高寒草甸不同退化阶段植被和土壤呼吸特征

通过监测三江源玛沁县高寒草甸2017年度植被特征及土壤呼吸通量, 探讨了不同退化阶段植被群落、 土壤呼吸特征及其协同关系, 并分析了土壤呼吸的温度敏感性。结果表明： 随着高寒草甸退化程度加剧, 禾本科植物重要值降低, 毒杂草显著增加（P<0.05）; 植被盖度、 物种数、 多样性指数显著下降（P<0.05）, 重度退化阶段的地上生物量比轻度、 中度退化阶段降低了25.36%、 22.37%（P<0.05）; 在中度退化条件下, 均匀度指数和地下生物量显著增多（P<0.05）。在各退化阶段, 土壤呼吸年内均呈单峰式变化过程, 表现出生长季高、 非生长季低的特征, 植物生长旺季（7 - 8月）最高, 且与5 cm深度处土壤温度之间呈显著指数关系（P<0.05）; 2017年轻度退化、 中度退化和重度退化阶段的土壤呼吸碳排放总量分别为626.89 gC·m^-2、 386.66 gC·m^-2、 393.81 gC·m^-2; 同时, 土壤呼吸与植被群落演替具有显著的协同性, 随着退化程度加剧土壤呼吸速率下降。轻度退化、 中度退化、 重度退化阶段土壤呼吸的温度敏感性系数（Q₁₀）分别为2.82、 3.54和2.35, 表明中度退化条件下的温度敏感性最强, 重度退化条件下最弱。     

黄土高原退耕坡地土壤水分空间变异性研究

以神木生态观测站为例,利用经典统计学方法对黄土高原退耕坡地土壤水分在空间三维不同方向和不同位置的空间变异性进行了研究,并对空间变异的尺度和时间依赖性等问题进行了探讨,以便为坡地水分管理和植被恢复提供参考。研究结果表明土壤水分在垂直方向和水平方向(垂直于坡长方向)的平均变异程度为弱变异;而在东西方向(坡长方向)、二维平面和三维空间上为中等变异性;土壤水分沿坡长方向从坡顶到坡脚表现出先减小后增大的趋势,且在各坡位变异程度不一,呈现出变异程度为坡上>坡中>坡下的趋势;土壤水分沿南北方向表现为阴坡>山脊>阳坡的明显趋势,其变异程度为阳坡>阴坡;在40~200 cm土层深度内,土壤水分在垂直方向表现出先减小后增大的趋势,且在各土层的变异程度与各层平均土壤水分成明显的正相关。     

牧压梯度下高寒杂草类草甸土壤持水能力及影响因素分析

以祁连山南麓坡地夏季牧场高寒杂草类草甸为研究对象,进行了封育对照（CK,禁牧）、轻度放牧（LG）、中度放牧（MG）和重度放牧（HG）下土壤持水能力及影响因素的分析. 结果表明：牧压梯度下0～10 cm层土壤最大持水量和毛管持水量均在LG最大,土壤自然贮水量LG略小于HG;而在10～20 cm和20～40 cm持水量均在HG最大,说明放牧对表层土壤的持水能力影响比深层更明显. 0～10 cm层土壤容重随牧压强度增加而增大,较深层次土壤容重基本一致,表明放牧对较深层土壤容重造成的影响远小于表层. 牧压梯度下植被地上地下生物量、枯落物、地表半腐殖质随放牧强度增大而减少;0～10 cm土壤有机质含量在MG最大,CK最小,10～20 cm和20～40 cm层土壤的有机质含量CK最大,说明不同土层有机质含量对牧压梯度的响应有所不同. 土壤持水量与多种因素有关,主要受到地下生物量、有机质和容重等因素的影响,表明随放牧强度增大,践踏使土壤表面硬度增加,土壤空隙度减少,同时家畜过度采食使地面植被覆盖降低而增加土壤水分的蒸发. 这些综合作用下引起放牧地土壤持水能力降低.     

祁连山疏勒河上游芨芨草根际可培养细菌群落特征研究

以疏勒河上游不同海拔芨芨草根际土壤样品为研究对象,研究了不同海拔土样中细菌分布特征及其影响因素. 结果表明：研究区域芨芨草根际土壤可培养细菌种群密度变化范围为1.7×10⁷~10.8×10⁷ CFU·g^-1,平均值为6.4×10⁷ CFU·g^-1,随海拔的升高呈先下降后上升的趋势;可培养细菌数量与土壤全氮、脲酶、蔗糖酶含量呈极显著正相关关系,与有机碳、磷酸酶含量呈显著正相关关系;同时,pH值也是影响细菌数量与多样性的一个重要因素. 通过16S rDNA基因测序及构建系统发育树,研究区域可培养细菌归类为15个属,其中芽孢杆菌属和假单胞菌属为优势菌属.     

祁连山高寒草原碱性土壤固氮微生物数量及固氮基因(nifH)群落结构研究

对祁连山高寒草原碱性土壤可培养固氮菌数量、 固氮基因(nifH)群落结构及其理化性质进行了研究. 结果表明: 固氮菌数量在土层0~40 cm处于3.6×10⁵~0.21×10⁵CFUs·g^-1之间, 除了海拔3 001 m的土样AQ4外, 其他3个土样固氮菌数量随着土壤深度的加深而减小. 固氮菌数量与地下生物量呈显著正相关性, 与有机碳、 可溶有机氮、 速效磷和速效钾呈正相关性, 而与pH值和全盐呈负相关性. 通过基因测序得到的37个固氮基因nifH克隆中, 蓝藻门占41%, 变形菌门占8%, 厚壁菌门占14%, 未知菌株占37%; 蓝藻门在除了AQ4外的土样中普遍存在, 并且是AQ1的优势固氮菌群. 此外, 还发现了4个新的nifH基因, 分别是AQ1-12(KC412109)、 AQ4-3(KC412133)、 AQ4-4(KC412133)、 AQ4-5(KC412133), 其中后三者是土样AQ4的优势种群.     

高寒草甸土壤微生物功能多样性对积雪变化的响应

积雪是高寒地区不可忽视的生态因子,不仅直接影响土壤温度、水分,而且间接影响土壤微生物群落组成和多样性。为研究高寒草甸生态系统中土壤微生物对积雪变化的响应,于2013年11月至2014年7月在青藏高原东缘红原县高寒草甸,通过人工堆积的方法建立4个不同积雪梯度,以自然积雪量为对照（CK）,2倍于自然积雪量（S1）、3倍于自然积雪量（S2）、4倍于自然积雪量（S3）。运用Biolog-Eco板法研究不同积雪梯度下土壤微生物功能多样性,并测定积雪变化对土壤温度和土壤养分的影响。结果表明：积雪期内,0~10 cm土层土壤温度随着积雪量的增加而降低,而10~20 cm土层随积雪量增加先降低后升高。增加积雪量处理后0~10 cm土层全磷（TP）、有机碳（SOC）显著增加（P<0.05）;而10~20 cm土层仅S3下全氮（TN）、TP、SOC增加。每孔平均变化率值（Average well color development,AWCD）在0~10 cm土层表现为CK > S2 > S1 > S3,而10~20 cm表现为S2 > S1 > CK > S3。在0~10 cm土层,S3处理显著降低了土壤微生物多样性McIntosh指数、Shannon-Wiener指数和Pielou指数（P<0.05）; 10~20 cm土层,S1和S2处理下多样性指数显著增加（P<0.05）。主成分分析显示：氨基酸类和酚酸类是微生物利用的主要碳源类型。相关性分析表明：多样性指数与TP、SOC、碳氮比（C/N）显著负相关（P<0.05）,氨基酸类碳源与TP、C/N显著负相关（P<0.05）。因此,冬季积雪一定程度上影响着土壤温度和土壤养分,进而影响高寒草甸土壤微生物群落功能多样性。     

多年冻土区活动层土壤水分对不同高寒生态系统的响应

土地覆被变化对土壤水分的影响是生态水文学和流域水文学研究的关键问题,基于长江源典型多年冻土区不同高寒草地土壤水分的观测,结合降水、生物量（包括地上和地下）和土壤理化性质,研究了活动层土壤水分变化对不同高寒生态系统的响应. 结果表明：高寒草甸生物量、土壤养分含量均比高寒草原高,且对降水响应更为强烈,致使高寒草甸土壤水分变异性弱于高寒草原. 在土壤完全融化阶段,高寒草甸土壤活动层存在一个低含水层（50 cm左右）和两个相对高含水层（20 cm和120 cm）,但高寒草原土壤水分在活动层剖面上有随深度逐渐增大的一致性趋势;在秋季冻结过程中,高寒草甸土冻结起始日滞后于高寒草原土3~15 d;在春季融化阶段,高寒草原土更高的含冰量需要更多的融化潜热. 此外,表层土壤中（0~20 cm）,高寒草甸土比高寒草原土有更大的持水特性,而在活动层中下部则呈现完全相反的结果,不同高寒生态系统的演替改变了土壤的水热迁移过程.     

黄土高原区域尺度土壤水分空间变异性

土壤水分是黄土高原植物生长发育和生态环境重建的主要限制因子。为揭示黄土高原区域尺度深层土壤水分的空间变异性,在黄土高原共布点234个,采集深剖面土壤水分样品12198个。采用经典统计和地统计学相结合的方法系统分析了土壤水分的分布规律、变异特征及影响因素。结果表明:①黄土高原地区土壤水分在水平方向上表现出由东南向西北递减,在垂直方向上(0~500cm)表现出先减小后增加的分布特征;②土地利用对区域尺度土壤水分的数量及垂直分布规律具有显著影响;③土壤水分在不同土层深度(0~500cm)的变异系数、空间异质比等参数的垂直分布均呈先减小后增加趋势,这些参数在表达土壤水分变异的效果上具有一致性。相关结果对黄土高原区域尺度水土过程调控、生态水文过程研究具有一定参考价值。     

祁连山大野口流域土壤水热空间变化特征研究

土壤水热对水源涵养功能的发挥影响较大,为了研究流域空间上的水源涵养功能变化规律,在祁连山大野口流域布设90个土壤水热监测探头,对已取得的100多万个数据采取相关分析、变异系数等方法,研究土壤水热空间的变化特征.结果表明:随海拔增大,土壤水分呈波动性增大趋势,增大率约为2.35%·(100m)^-1,土壤温度呈波动性降低趋势,降低率约为0.74℃·(100m)^-1.半阴坡土壤水分比半阳坡高1.2倍、比阳坡高1.7倍,半阳坡土壤水分比阳坡高1.4倍.半阴坡土壤温度比半阳坡低1.6倍、比阳坡低2.2倍,半阳坡土壤温度比阳坡低1.3倍.土壤水分与其深度呈二次函数的抛物线变化关系,土壤温度与其深度呈线性函数关系,深度每增加10 cm,其温度降低约0.536℃.亚高山灌丛林比乔木林土壤水分高1.5倍、比草地高1.7倍,乔林比草地土壤水分高1.2倍.亚高山灌丛林比乔木林土壤温度低1.6倍、比草地低2.3倍,乔木林土壤温度比草地低1.4倍.高海拔半阴坡灌丛林土壤温度变化最剧烈,低海拔阳坡草地土壤变化较小.研究成果可为探索流域水资源管理及利用提供科学依据和参考资料.