沙坡头人工植被固沙区天然降水的入渗和分配研究

土壤、植被冠层与大气界面间(SVAT)物质传输过程日益成为水文学研究最感兴趣的领域,降水量的迁移与转换是非灌溉区SVAT主要的物质传输过程.干旱半干旱区稀疏灌丛蒸散量占降水量的90%以上,因此对降水入渗与水分在土壤内植物根际区再分配的研究显得十分重要.试验于2001年8月17日至9月30日在中国科学院沙坡头试验站进行,主要观测人工植被荒漠灌木柠条(Caragana korshinskii) 灌丛固定沙丘降水入渗与再分配过程.结果表明:在7次不连续降水过程中,土壤入渗深度与降水强度呈简单线性相关关系,土壤入渗速率约为降水强度的10倍.当次降水过程中降水强度小于0.46 mmh-1时,土壤入渗速率约为0 cm*h-1,此时的降水对沙区土壤基本上没有水分补给作用.受荒漠灌木柠条根系吸水作用的影响,其根系密集剖面深度40～140 cm内降水水分入渗积累不明显.降水入渗速率及入渗深度受土壤剖面初始含水率多寡而变化,干燥土壤剖面有助于提高瞬时入渗速率.降水以后随着时间的推移,人工固沙区微环境内空气温度、湿度等气象条件适宜,柠条生长进入相对旺盛阶段,其根系密集层140 cm深度处土壤含水率在总体上下降的过程中,表现出昼消夜长的趋势,试验期间翌日 8:00时土壤含水率值略高于前一日20:00时水分值 0.1%～0.3%.     

沙坡头生态水文学研究进展及水量平衡自动模拟监测系统

在中国科学院野外站网络重点科技基础设施建设项目的支持下,沙坡头沙漠研究试验站建成了以36台大型称重式蒸渗仪为主体的中国北方不同气候带沙区水量平衡自动模拟监测系统——Lysimeter群。概述了沙坡头生态水文学研究进展。介绍了Lysimeter群建设的科学目标、构建思路、建设内容和预期研究方向。Lysimeter群由大型称重式蒸渗仪、各类探头、移动大棚和降水模拟器等组成,具有集成性和唯一性。该平台可全自动模拟控制降水和地下水位,量化植物水分来源;自动监测蒸散发、植物蒸腾、土壤水渗漏、土壤水分、温度和电导率等。该平台的建成将提升在不同尺度上认知中国沙区生态和水文过程、植被重建的生态水文学和环境胁迫生理生态学机理等相关领域的研究能力,回答不同沙区土壤水分植被承载力和人工植被稳定性维持的生态水文阈值等国家在防沙治沙实践中所面临的核心科学问题。     

芳香植物——蒙古莸的生态生理特性及其栽培技术

蒙古莸是半荒漠沙区的珍贵芳香植物之一, 不仅具有药用价值, 而且还可提取芳香油。本文从生态、生物学、水分生理等几个方面, 论证了它对沙区环境有较强的适应性, 适宜在人工固定、半固定的沙丘上生长, 可作为一个新的固沙植物种在生产中应用。     

种子预处理对唐古特白刺出苗和幼苗生长的影响

 采用不同方法对唐古特白刺种子预处理,以不处理为对照,再行60 ℃浸种24 h后育苗,通过测定出苗动态和生长指标,探寻促进白刺种子出苗和幼苗生长的技术途径。结果表明,唐古特白刺种子出苗率变化动态均呈“S”型曲线,符合Logistic曲线方程,出苗质量随种子处理不同而异,出苗期为38～55 d,极限出苗率为30.2%～57.8%。沙搓和沙碾均可显著提高白刺种子出苗质量,为培育壮苗奠定良好基础,出苗率较对照分别提高15.6%和13.4%,出苗势分别提高60.1%和6.9%,出苗指数分别提高35.2%和13.2%,活力指数分别提高41.5%和23.3%。尤其沙搓种子出苗集中,较对照缩短5 d。而掐尖、20%醋酸和5%碱水浸泡均抑制发芽。将种子与沙子混合后手搓和棍碾压均可破坏白刺种子坚硬致密的内果皮结构,破除休眠,促进出苗和幼苗生长,但需注意的是沙碾操作不当会造成种子内部结构被破坏。     

腾格里沙漠东南缘4种灌木的生物量预测模型

灌木生物量模型是预测灌木生物量最有效的方法。选择腾格里沙漠南缘荒漠生态系统中常见的4种灌木（驼绒藜(Ceratoides latens)、盐爪爪(Kalidium foliatum)、珍珠猪毛菜(Salsola passerina)、红砂(Reaumuria soongarica)）为研究对象,以株高（H）和冠幅（C）的复合因子灌木体积（V）为自变量,通过回归分析,分别构建了4种灌木和混合物种的叶、新生枝、老龄枝、地上部分、地下部分和整株生物量的预测模型。通过决定系数（R2）、估计值的标准误（SEE）和回归检验显著水平（p＜0.05）筛选出了最优的生物量估测模型。结果显示:4种灌木的生物量模型主要以幂函数W=aVb为最优模型,少数以三次函数W=a+bV+cV2+dV3为最优模型。灌木生物量与V之间呈极显著的相关关系（p＜0.001）,决定系数较高,分别为:叶片（0.775＜R2＜0.866）,新生枝（0.694＜R2＜0.840）,老龄枝（0.819＜R2＜0.916）,地上部（0.832＜R2＜0.917）,地下部分（0.74＜R2＜0.808）,全株（0.811＜R2＜0.912）,说明预测模型可以应用于此4种灌木的生物量估算。不同物种之间及不同器官之间的生物量模型存在差异,在实际使用中,要根据物种来选择相应的模型。生物量模型的建立有助于全面估算荒漠生态系统的生物量,并进一步评估生态系统不同碳库的碳存储量与碳循环。为有效提高荒漠草地碳储量、合理实施生态系统管理和人为干预提供科学依据。     

草原化荒漠植被草本层片植物对人工施加氮素的响应

水分是干旱区生态过程的第一非生物限制因子,土壤氮由于直接影响着生物生产力和土壤生态过程而被认为是仅次于水分的限制因子。利用人工施加氮肥的控制试验研究了荒漠植被草本层片植物在多度、物种丰富度、高生长以及地上部分生物量等群落学特征对不同施肥处理的响应。结果表明,在施肥量分别为12.5、25、50 g·m-2时,样方植物多度和物种丰富度在施肥当年和第二年较对照均有不同程度的降低,且施肥量越高,降低越明显,这一结果支持来自典型草地和森林植被生物多样性对氮素增加或氮降沉增加响应的结论,即氮素的增加会使生物多样性减少。地上部分生物量对施氮肥的响应在施肥当年(年降水量为多年平均值的1.4倍)和第二年(年降水量为多年平均值的0.7倍)表现出相反的规律,即施肥当年随着施肥量的增加生物量显著增加,而在第二年则显著减小,说明水肥耦合同样有利于荒漠生态系统生物生产力的提高。氮素对植物高生长的影响不明显,各施肥梯度与对照相比均无显著性差异(P>0.05),这可能主要取决于荒漠草本植物本身固有的生物学特性。     

紫外辐射增强对不同发育阶段荒漠藻结皮光合作用的影响

 以腾格里沙漠东南缘自然植被区、51龄和26龄人工植被区藻结皮为研究对象,模拟研究了2%紫外辐射增强对不同发育阶段结皮叶绿素a含量(Chl-a)和净光合速率的影响。结果表明:①紫外辐射增强显著抑制了51龄和26龄人工植被区藻结皮的Chl-a含量(P<0.05),紫外辐射增强后不同发育阶段藻结皮的Chl-a含量无显著差异(P<0.05); ②紫外辐射增强显著抑制了3个植被区藻结皮的净光合速率(P<0.05),紫外辐射增强处理后,自然植被区,51龄和26龄人工植被区藻结皮的最大净光合速率分别为1.8、2.2 μmol·m-2·s-1和1.9 μmol·m-2·s-1,比对照分别下降了21%~49%,12%~22%和24%~59%。方差分析表明,紫外辐射增强后,3个发育阶段的藻结皮净光合速率无显著差异(P<0.05)。本研究表明,紫外辐射增强通过降低荒漠藻结皮的光合色素含量,减少了结皮的净光合速率,从而会对荒漠区藻结皮的生产力产生影响。     

生物土壤结皮：荒漠昆虫食物链的重要构建者

干旱荒漠地区由于水分因子的限制,其植被分布以不连续的高等植物斑块与隐花植物及其结皮的斑块镶嵌为其主要特征,构成了独特的荒漠植被景观格局。作为荒漠生态系统的主要组成者,荒漠昆虫与生境的关系,特别是与高等植物之间的食物链关系已得到大量的文献报道。本文基于野外调查和实验室模拟观测,发现了尖尾东鳖甲(Anatolica mucronata)对藓类结皮有取食现象,哈蛃(Haslundichilis sp.)对地衣结皮有取食现象。证实了生物土壤结皮直接参与了荒漠昆虫食物链和食物网的构成,为深入了解生物土壤结皮在荒漠生态系统中的功能和地位提供了实验证据。     

干旱区土壤植被系统恢复的生态水文学研究进展

干旱区约占地球陆表面积的40%以上,所支撑的复杂多样的生态系统是全球陆地生态系统的重要组成,水是干旱区诸多生态系统过程的驱动力和关键的非生物限制因子。生态水文学作为新兴的交叉学科,为客观、全面地诠释干旱区植被与土壤系统相互作用与反馈机理提供了新的理念和途径,同时,也为干旱区以植被建设为主的生态恢复实践提供了理论基础。以沙坡头沙漠研究试验站在腾格里沙漠东南缘荒漠化草原和草原化荒漠过渡带的长期定位监测研究为例,分析、综述了我国在干旱区生态水文学研究领域所取得的主要成绩和相关进展,重点讨论了沙地植被从组成、结构和功能群演变等多层次上对土壤生态水文过程的响应,以及植被对土壤环境和水循环的长期反馈作用和调控机理;将生物土壤结皮首次作为影响植被-土壤系统水文过程的重要环节来考虑,对其发挥的生态水文功能的相关研究进行了总结;归纳了基于水量平衡的干旱区生态恢复理论模式及其在实践中的应用。     

沙坡头地区农田灌溉和施肥对氮淋溶量影响的研究

对沙坡头农田不同土壤类型养分和水分供给下0~2 m土壤层淋溶液的分析结果表明:不同类型土壤氮淋溶量差异显著(P < 0.05);同一类型土壤随水肥供给强度的增加,氮淋溶有增加的趋势,特别是灌水次数、土壤水分含量处理和总灌溉量与氮淋溶量间有强正相关关系(P < 0.05);低灌溉水平,氮淋溶量与施肥间无显著相关关系,而高灌溉水平下施肥和灌溉均是主导因子;灌淤土保持田间持水量 40%及以下土壤水分所有施肥水平,氮淋溶量间差异不显著(P > 0.05);风沙土低水低肥(保持田间持水量20%土壤水分)处理与灌淤土保持田间持水量 40%及以下土壤水分处理所有施肥水平无显著差异(P > 0.05),而风沙土高水高肥处理与灌淤土所有水肥处理间差异均显著(P < 0.05),低水低肥将是风沙土最低的氮淋溶界限,在传统农业条件下对该类土壤进行改良是必要的。