土壤斥水性及其生态水文效应研究进展

土壤斥水性是指水分不能或很难湿润土壤颗粒表面的物理现象。土壤斥水性是一个全球性现象,可以出现在各种气候背景、土壤类型和植被覆盖条件下,并且影响到地表水文过程的诸多重要环节,因此受到广泛关注。有关土壤斥水性的研究是表面科学、生物学、土壤学以及物理学等学科交叉的前沿研究领域,已成为国际生态水文学研究的重要核心科学问题。复杂...     

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。     

荒漠草地4种灌木生物量分配特征

生物量是植物积累能量的主要体现,其在各器官中的分配是植物对环境适应的结果,反映了植物的生长策略。生物量分配会影响不同碳库之间的碳周转,进而影响陆地生态系统碳循环。选取腾格里沙漠东南缘荒漠草地的4种优势灌木种,采用全挖法在个体水平上研究了各器官的生物量以及地下-地上生物量关系(根冠比R/S),试图揭示生物量在各器官中以及地下-地上的分配格局。结果表明:不同物种生物量在地上部分各器官中的分配策略不同;R/S也不相同,其中红砂（Reaumuria soongarica）最大(中值为0.972),珍珠（Salsola passerina） (中值为0.744）和驼绒藜（Ceratoides latens）(中值为0.670)次之,盐爪爪（Kalidium foliatum）最小(中值为0.179),这表明4种灌木具有各自独特的生长策略。随着灌木的生长,冠幅和生物量不断增大,R/S呈下降趋势,说明植物在开始生长阶段对限制性的水分和养分可能有更高的竞争需求。4种灌木的根系分布在不同种间也存在差异,盐爪爪根系较浅(主要分布在0～30 cm土层),其次是珍珠（主要分布在0～50 cm土层),驼绒藜和红砂的根系分布较深(主要分布在0～70 cm土层)。驼绒藜、红砂和珍珠的地下-地上生物量分配模式支持等速生长假说,而盐爪爪的地下-地上生物量分配模式则不支持该假说。4种灌木的地上生物量与地下生物量(经对数转换)均呈极显著的线性相关关系(p<0.001),决定系数介于0.81~0.93之间,这一相关关系可以应用于对荒漠草地地下生物量的估算。本结果有助于进一步研究荒漠生态系统的生物量分配格局和碳循环。     

盐胁迫下红砂愈伤组织的抗氧化能力与耐盐性研究

通过测定不同梯度盐胁迫下红砂愈伤组织中超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶（CAT）的活性,以及丙二醛(MDA)含量和细胞膜透性,探讨了红砂抗氧化能力与耐盐性的关系。结果显示:随着盐胁迫浓度增加,红砂愈伤组织中MDA 含量比对照增加0.84%~51.03%,SOD、POD和CAT活性分别比对照提高9.83%~51.98%、26.4%~140.2%和44.74%~216.34%。表明红砂可以通过上调SOD、POD和CAT等保护酶的活性来响应盐胁迫,并以此降低盐胁迫诱导的膜脂过氧化程度,从而提高其耐盐性。     

逐渐干旱胁迫下生物土壤结皮中真藓和土生对齿藓的活性氧清除机制

真藓(Bryum argenteum)和土生对齿藓(Didymodon vinealis)是腾格里沙漠南缘沙坡头地区生物土壤结皮中重要的藓类植物组成成分。我们以真藓和土生对齿藓为材料,研究了逐渐干旱胁迫下两者的活性氧(ROS)清除机制及其差别。结果表明,逐渐干旱胁迫下,真藓的H2O2含量略微升高,丙二醛(MDA)含量显著下降,可溶性蛋白含量变化不大。在逐渐干旱胁迫下,真藓以过氧化氢酶(CAT)为主,超氧化物歧化酶(SOD)为辅,清除其体内活性氧自由基(ROS),抗坏血酸过氧化物酶(APX)和过氧化物酶(POD)作用不明显,而谷胱甘肽还原酶(GR)和还原性谷胱甘肽(GSH)则主要在中度干旱胁迫下起作用。逐渐干旱胁迫下,土生对齿藓的H2O2和MDA含量均显著上升,而可溶性蛋白含量显著下降。在逐渐干旱胁迫下,土生对齿藓以GSH为主,SOD、CAT为辅,清除其体内ROS,APX和GR的作用不明显,而POD则主要在中度干旱胁迫下起主要作用。     

阿拉善高原灌木种的丰富度和多度格局对环境因子变化的响应：极端干旱荒漠地区灌木多样性保育的前提

灌木作为群落优势植物生活型是干旱荒漠系统区别于半干旱草原或草地生态系统的最显著的特征之一．位于我国北方典型干旱区的阿拉善高原其稀疏的植被覆盖介于15％～30％,且主要由多样的灌木组成,草本植物层片受到极端干旱气候条件、风蚀、过度放牧以及沙埋等因素的限制．采用无偏对应分析（DCA）和二维点图（biplot）法探讨了灌木物种的丰富度和多度格局对生境条件变化的响应,并利用逐步回归分析方法分析了物种多样性和环境因子之间的关系．阿拉善高原灌木种分布对生境条件的响应可归纳为4种生态类型,其主要源于不同灌木独特的生物学特性、土壤质地和土壤含水量梯度的变化．对灌木物种丰富度和多度格局起决定性作用的因子是深层土壤的含水量,并不支持在半干旱区草地土壤质地特性决定木本植物多样性格局的观点．除了深层土壤含水量,灌木种的多度还与土壤有机质和全氮含量有显著的正相关关系,与土壤pH呈负相关关系．以上结果意味着减少黑河中游农业用水对于位于下游的阿拉善西部荒漠灌木物种多样性保育是至关重要的．此外,减少高原中部地下水的过度开采、协调城市和绿洲水资源的利用、增加贺兰山对高原东部的水资源供给,确保整个高原深层土壤水分的稳定性是今后该区灌木物种多样性的保育的重要前提．     

生态水文阈值在中国沙区人工植被生态系统管理中的意义

中国北方风沙区是全球沙漠化发展和生态退化最为严重的地区之一。利用植被固沙是遏制沙化土地扩张和生态重建与恢复的主要途径,但人工植被的稳定维持是可持续性风沙治理所长期面临的挑战。作为人工植被生态系统管理的依据,对生态水文阈值的认识及界定具有重要的理论和实践意义。本文以固沙植被中人工种植的灌木和乔木（仅限东部沙区）的盖度与深层土壤水分含量互馈互调作用的长期变化为依据,基于对中国不同气候带沙区典型人工植被系统生态和水文过程的模拟,通过建立生态水文模型初步界定了不同沙区适宜于人工植被生态系统管理的生态水文阈值,对现有沙区固沙植被的生态系统管理和未来风沙区植被建设具有一定的借鉴意义。     

荒漠地区两种生态型芦苇叶片的抗氧化生理特性分析

以生长于腾格里沙漠南缘的沙丘芦苇（沙芦,DR）和戈壁盐湖芦苇（盐芦,GSR）为研究对象,以水生芦苇（SR）为对照材料,研究荒漠地区两种生态型芦苇在各自自然生境下改变体内还原状态的抗氧化机制。结果表明,沙芦和盐芦的脂质过氧化水平高于水芦,过氧化氢和一氧化氮含量也高,类胡萝卜素与叶绿素的比率增加,且盐芦高于沙芦。这表明沙芦和盐芦的体内氧化水平高于水芦,盐芦的氧化程度更高。抗氧化系统酶活性的响应分析表明,沙芦和盐芦叶片中总抗氧化能力大于水芦,超氧化物歧化酶、抗坏血酸过氧化物酶和一氧化氮合酶活性也高于水芦,但过氧化氢酶和谷胱甘肽还原酶活性没有明显的差异,而过氧化物酶活性却比水芦低。与质膜渗透调节能力相关的Na+/K+-ATP酶和Ca2+/Mg2+-ATP酶活性在盐芦中明显高于沙芦和水芦。这表明芦苇在干旱和盐渍条件下忍受诱导的次级氧化胁迫的能力提高。     

土壤质地与埋深对白刺群落主要伴生植物出苗的影响研究

在田间条件下,研究了3种土壤质地与5个埋深对白刺群落主要伴生植物苦豆子、黄花矶松、沙蒿、油蒿和红砂出苗的影响,为白刺群落恢复、优良植物的筛选及其种群扩展提供理论依据与技术支撑。试验研究表明,尽管白刺群落主要伴生植物在田间的出苗率均较低,但各植物的出苗能力明显不同。土壤质地仅对伴生植物苦豆子、沙蒿和黄花矶松出苗有显著影响,而埋深处理对伴生植物出苗均有显著影响。不同土壤质地与埋深处理的平均出苗率以苦豆子最高,红砂、沙蒿和黄花矶松次之,油蒿最低;不同土壤质地的最高出苗率,沙土以沙蒿最大,沙壤土以黄花矶松最大,黏土以红砂最大;出苗适宜埋深,苦豆子为1.0~2.0 cm,沙蒿、黄花矶松、油蒿和红砂为0.5 cm。研究结果表明,选择适宜的植物及其人工促进技术对退化白刺固沙植被的恢复至关重要。     

荒漠地区生物土壤结皮的水文物理特征分析

通过室内压力陶土板系统测定土壤含水率与基质势的关系与Star-1土壤水分物理特征测定系统确定非饱和土壤水力传导度的方法,结合应用van Genuchten公式模拟,分析了位于腾格里沙漠东南缘包兰铁路沙坡头段人工生态防护体系生物土壤结皮的水文物理特征,确定了其水分特征曲线、非饱和土壤水力传导度、非饱和弥散系数,并与原始沙丘沙进行比较。结果表明,生物土壤结皮的持水能力是沙丘沙的3~9倍。当土壤基质势在-1~-3 000 cm的较高范围变化时,生物土壤结皮平均非饱和水力传导度低于沙丘沙(约为12%);而当土壤基质势在-3 000~-15 000 cm的较低范围变化时,沙丘沙的平均非饱和水力传导度又大大低于生物土壤结皮(约为91.0%)。正是由于生物土壤结皮特殊的质地与结构,使其非饱和水力传导度随着土壤基质势的降低,以及土壤含水量的减少,而趋于增大。与原始沙丘沙比较,生物土壤结皮独特的水文物理特点决定了它对荒漠地区土壤微生境的改善与促进作用,特别是通常情况下的高持水能力与低土壤基质势条件下的较高非饱和水力传导度,能够提高浅层土壤水分的有效性,有利于人工生态防护体系主要组分浅根系灌木、草本植物与小型土壤动物的生存繁衍。