黄土高原藓结皮覆盖土壤导水性能和水流特征

生物结皮具有特殊的水文物理性质,为探究其对土壤水分渗透性和水流特征的影响,以黄土高原风沙土和黄绵土上3种典型地表覆盖类型(裸地、藓结皮、藓结皮-草本植物混合)为对象,采用环刀法和染色示踪法对其导水性质与水流特征进行探究。结果表明:藓结皮对2种土壤类型0~5 cm土层土壤理化性质影响较大,与裸地相比土壤容重降低了9.85%~10.00%,土壤黏粒含量增加了1.01~1.29倍,表层有机质含量提高了2.73~3.02倍;藓结皮使0~5 cm土层土壤饱和导水率降低了61.32%~88.89%,而在5~10 cm土层饱和导水率则有明显上升。另外,由于草本植物的影响,藓结皮-草本植物0~5 cm土层与藓结皮土壤相比土壤饱和导水率提高了1.32~6.43倍;黄绵土藓结皮与藓结皮-草本植物的染色面积比均高于裸地,且水分下渗深度增加了10 cm,而风沙土藓结皮与风沙土裸地的染色面积比差异不明显。综上所述,藓结皮和藓结皮-草本植物的存在改变了表层土壤水分渗透性以及水流运动特征和水分下渗深度,影响着黄土高原土壤水分保持和生态恢复。     

毛乌素沙地南缘沙区水分入渗特征及其影响因素

水分入渗是土壤水分循环的重要环节。为探明毛乌素沙地生物结皮覆盖沙区水分入渗特征及其影响因素,采用双环法测定不同类型地表(裸沙、浅灰色藻类结皮、黑褐色藻类结皮和藓类结皮,依次用BS、LC、DC和MC表示)水分入渗速率及其土壤理化性质。结果表明:1与BS相比,LC、DC和MC样地初始入渗率分别减少了37.7%、59.2%和73.6%,稳定前平均入渗率分别减少了37.5%、62.2%和81.3%,稳定入渗率分别减少了13.6%、67.4%和78.9%,累计入渗量分别减少了25.8%、61.3%和78.6%。2不同类型地表达到稳定入渗所需的时间在3~8 min;相关性分析结果显示,水分入渗速率与砂粒和土壤容重呈正相关关系,与粉粒、黏粒、结皮厚度、结皮抗剪强度、结皮层容重和有机碳含量呈负相关关系。3主成分分析结果表明,黏粒、结皮抗剪强度和土壤容重是影响该地区水分入渗速率的主要因子。因此,生物结皮在沙丘表面的形成和发育过程中,通过改变土壤的理化性质,减缓了该地区水分入渗速率,增加了降水的径流流失风险。     

毛乌素沙地不同类型生物土壤结皮-土壤呼吸的季节变化特征

2018年以毛乌素沙地西南部发育良好的苔藓结皮和藻类结皮为研究对象,以流沙作为对照,采用土壤碳通量测定,系统观测了不同季节生物土壤结皮-土壤呼吸的日动态,探讨了生物土壤结皮-土壤呼吸与环境因子之间的关系,分析了季节变化对生物土壤结皮-土壤CO2释放量和温度敏感性的影响。结果表明:(1)不同季节生物土壤结皮-土壤呼吸速率均呈"单峰"曲线,但其峰值出现的时间存在差异,春季和夏季不同类型生物土壤结皮-土壤呼吸速率峰值出现时间均为13:00左右,但冬季和秋季,藻类结皮-土壤和流沙呼吸速率出现时间为15:00左右,滞后于春季和夏季2 h。(2)不同季节,不同类型生物土壤结皮-土壤CO2日释放量:苔藓结皮藻类结皮流沙,且达到显著水平(P0.05)。(3)春季至冬季,生物土壤结皮-土壤CO2日释放量呈先增加后降低的趋势,主要表现为:夏季春季秋季冬季,且达到显著水平(P0.05)。(4)通过对不同季节生物土壤结皮-土壤呼吸速率与环境因子的主成分分析,与5 cm土壤温度相比,2 cm土壤温度是不同季节生物土壤结皮-土壤呼吸的主要影响因子,其次为近地层空气湿度。(5)不同季节生物土壤结皮-土壤呼吸速率与2 cm土壤温度的关系均可用指数模型较好的描述,以该函数为基础计算呼吸的温度敏感性,发现温度敏感性的变化范围为1.33～3.85;随季节的变化,温度敏感性呈先降低后升高的趋势:冬季秋季春季夏季,即温度越高,生物土壤结皮-土壤呼吸的温度敏感性越低。     

生物结皮对荒漠草本植物群落结构的影响

通过人工去除生物结皮试验,分析古尔班通古特沙漠生物结皮对常见荒漠草本植物群落结构的影响。根据人为去除生物结皮的试验结果,结合生物结皮对种子萌发、幼苗存活以及土壤养分和水分等影响,综合分析生物结皮对草本植物多样性的影响。结果表明:尖喙牻牛儿苗(Erodium oxyrrhynchum)、条叶庭荠(Alyssum linifolium)、琉苞菊(Hyalea pulchella)、荒漠庭荠(Alyssum desertorum)及旱麦草(Eremopyrum triticeum)的生物量总和占总生物量的90%以上,是该沙漠的优势草本植物。去除生物结皮后,草本植物的植被高度、物种丰富度和多样性指数都显著提高;但是,植被盖度、密度和群落生物量却显著降低。说明生物结皮的存在改变了古尔班通古特沙漠南缘荒漠草本植物的群落结构,植被盖度和群落生物量提高,这对于防风固沙、稳定沙面具有重要的生态意义。     

旱区灌溉棉田土壤呼吸昼夜变化特征及其与土壤温度的关系

本试验以裸地为对照,通过对土壤剖面CO2浓度的监测,研究了旱区灌溉棉田土壤呼吸的昼夜变化规律及其与土壤温度的关系。主要结果如下:(1)土壤及根际呼吸均呈"V"型昼夜变化特征,最小值出现在16∶00~17∶00之间,而土壤微生物呼吸昼夜变化趋势与之相反;(2)土壤微生物呼吸产生的CO2通量在土壤升温阶段略高于降温阶段,相对的,根际呼吸在土壤升温阶段产生的CO2通量低于降温阶段,并形成一个明显的逆时针圆圈;(3)棉花根际呼吸对土壤呼吸的平均贡献率为47%。以上结果说明,在建立土壤呼吸与土壤温度相关关系模型的过程中,需要区分根际呼吸和土壤微生物呼吸,充分考虑土壤温度变化对土壤呼吸各组分影响的差异性。     

荒漠结皮对土壤水分状况的影响

本研究针对鄂尔多斯沙地生物结皮进行调查 ,利用人工喷水模拟降雨分析结皮对土壤入渗性能的影响。研究表明 :生物结皮能显著地降低土壤水分的入渗速率。在去掉结皮时 ,表层下 5 cm处的土壤含水量在 1 0分钟时即开始显著增加 ,而有结皮时 ,此处的含水量则在 1 5分钟时才开始显著增加。利用圆盘入渗仪测定有结皮和无结皮条件下的土壤饱和导水率表明 :固定沙丘间地有生物结皮的土壤饱和导水率范围是 :2 9.1 0 - 82 .2 1 mm/ h;半固定沙丘有微弱结皮时饱和导水率为 1 43.5 4 - 2 30 .2 5 ;去掉结皮后土壤的饱和导水率可显著上升数倍 ,无结皮的流沙的饱和导水率最高。     

北方农牧交错带沙地生物结皮研究

为了解我国北方农牧交错带生物结皮的生态意义,本文以宁夏盐池为例,采用样线调查法进行结皮及植被调查,并在有结皮和无结皮覆盖两种情况下进行入渗试验。研究表明:北方半干旱区生物结皮对植物生长存在先促进、后抑制的过程。在风蚀环境条件和不稳定的土壤条件下,生物结皮的出现可创造适合植物生长的微环境,为植物的生长提供了条件。方差分析显示有结皮时的植被盖度明显高于无结皮覆盖的植被盖度。当环境条件改善时,结皮开始抑制植物的生长,两者存在一种显著的线性负相关关系。研究区从封育边缘到核心,结皮盖度为核心>边缘,植被盖度正好相反,两者的相关系数高达-0.920;生物结皮对入渗具有明显的阻碍作用,结皮盖度与入渗深度之间呈线性负相关,相关系数为-0.765,说明结皮的存在使土壤水分呈现浅层化趋势。     

黄土高原生物结皮形成过程中土壤胞外酶活性及其化学计量变化特征

生物土壤结皮在增强土壤抵抗水蚀风蚀能力、改善土壤养分等方面发挥着重要作用,土壤胞外酶活性可作为土壤生化反应强度的微生物指标,对理解荒漠生态系统微生物参与的养分循环过程具有重要意义.选取黄土高原神木县六道沟小流域5个生物结皮发育阶段(裸沙地、全藻结皮、藻-藓混生结皮、藓-藻混生结皮、全藓结皮)的土壤作为研究对象,研究生物...     

古尔班通古特沙漠不同类型生物结皮对草本植物多样性影响

选择古尔班通古特沙漠的北部(一号点)、中部(二号点)、南部(三号点)3个不同样点的裸沙和藻结皮、地衣结皮与苔藓结皮3种生物结皮类型,对比研究了草本植物多样性的差异性及其主要环境影响因素。结果表明:(1)不同生物结皮类型的土壤理化性质有明显差异,土壤有机质、全氮、全磷、全钾含量以及黏粒、粉粒和细沙的含量随生物结皮演替显著上升,而中沙和粗沙的含量呈显著下降趋势,在沙漠不同区域呈现明显的空间异质性,二号样点中裸沙和藻结皮的养分含量和pH明显低于一号点和三号点。(2)草本植物的物种丰富度和Shannon-Wiener指数随生物结皮发育呈明显上升趋势,草本植物的物种组成、群落结构在不同类型生物结皮和沙漠不同区域均具有显著差异。(3)在土壤理化特征中,有机质、速效P和全K含量,以及pH和粉粒含量是影响草本植物分布的关键因子。(4)不同类型生物结皮之间的微地形和种类组成差异、种子生物学特性以及生物结皮在不同尺度下的土壤环境异质性共同影响草本植物在生物结皮中的物种组成和丰度,最终导致草本植物群落结构在生物结皮中的演替变化。     

土壤水分对毛乌素沙地油蒿群落演替的影响

采用空间代替时间的方法,对毛乌素沙地三种不同演替阶段的油蒿(Artemisia ordosica)群落(半固定沙地油蒿群落、具生物结皮的油蒿群落、油蒿+本氏针茅群落)的群落特征及生物量、叶片气体交换过程、不同土层(0-10cm、10-20cm、20-40cm、40-60cm、60-80cm)土壤含水量、根系垂直分布等进行测定.结果表明:油蒿群落演替是油蒿与草本植物竞争、生物结皮发育、土壤发育以及土壤水分垂直变化等生物非生物因素综合作用的结果.随着油蒿群落演替的发展,群落物种数、草本层盖度和生物量、群落总盖度逐渐增加,而油蒿个体数、油蒿盖度、油蒿叶生物量以及生物土壤结皮盖度则先增加后减少,油蒿根系有向下分布的趋势,0-10cm土层逐渐以草本植物根系占优势.土壤水分是毛乌素沙地油蒿群落演替的主要驱动力,通过影响油蒿叶片气孔导度和净光合速率,以及根系垂直分布影响油蒿在群落中的竞争力.不同演替阶段油蒿群落土壤水分低值区不同,半固定沙地油蒿群落0-10cm和20-40cm土壤含水量最低,具生物结皮的油蒿群落10-20cm土壤含水量最低,而油蒿+本氏针茅群落60-80cm土壤含水量最低.     

3种保水措施影响下的风沙土水盐及地温特征

对塔克拉玛干沙漠腹地不同保水措施(覆膜、覆沙、喷施Guilspare)和裸地(对照)土壤水分、盐分分布及耕作层温度的变化特征进行了分析.结果表明:夏季采取保水措施能够抑制土壤蒸发,提高土壤的蓄水保墒能力.同时,还能起到抑制土壤盐分表聚的作用,明显地改变了风沙土水盐空间分布,降低表层盐分被淋溶至林木根系层的概率.保水措施...     

毛乌素沙地东南缘不同类型沙丘土壤水分分布特征

通过对横山县境内毛乌素沙地东南缘的实地考察,根据植被类型和植被覆盖度,将沙丘分为裸露流动沙丘、灌木覆盖沙丘、乔木覆盖沙丘,分别在各类沙丘不同地貌部位实施4 m深度钻孔取样,并进行含水量测试和粒度分析,研究沙地土壤含水量变化。结果表明:对于垂直方向0～4m深度的沙地、灌木和乔木覆盖沙丘平均含水量变化为:丘间洼地>迎风坡>背风坡,而裸露流动沙丘平均含水量变化为:丘间洼地>背风坡>迎风坡;不同类型沙丘在各地貌部位不同层段含水量变化差异明显,变化趋势不统一。沙丘的地貌部位相同,地表的植被类型和覆盖度差异是影响沙地土壤含水量的重要因素,测试结果显示,迎风坡含水量为:灌木覆盖沙丘>乔木覆盖沙丘>裸露流动沙丘;背风坡含水量为:灌木覆盖沙丘>裸露流动沙丘>乔木覆盖沙丘;丘间洼地含水量为:灌木覆盖沙丘>乔木覆盖沙丘>裸露流动沙丘。灌木覆盖沙丘土壤含水量变异系数最大,水分含量在不同层位波动较大,裸露流动沙丘和乔木覆盖沙丘含水量波动差异较小。沙丘上生长的灌木和乔木明显地改变了沙丘含水量的变化特征,灌木比乔木对沙丘含水量及其垂向变化的影响更显著。灌木对地表大气中的粉尘有较强的拦截能力,灌木沙丘平均的粉砂和黏土含量高,灌木的覆盖有利于沙地的土壤化进程和保持沙地水分,在沙地绿化过程中,应充分考虑灌木植物的作用。     

土壤冻融温度影响下棉田水盐运移规律

以新疆北部常年膜下滴灌棉田为研究对象,探讨整个冻融过程中温度对土壤水盐运移规律的影响。研究结果表明：气温对土壤温度的影响随着土壤深度的增加而不断减小,滞后时间不断延长,并且气温对冻土的消融速度远远快于冻结速度,上层冻土消融速度快于下层。土壤水分受温度的影响较大,在冻结期,土壤水分从非冻结层向冻结层缓慢运移;在消融期,下层土壤水分在蒸发作用下不断向上运移。通过监测分析得知,温度间接影响盐分运移,在冻结期,土壤水分运移缓慢,土壤盐分运移变化较小;在消融期,土壤水分运移较为活跃,土壤盐分运移变化较大。在温度快速上升的情况下,土壤水分不断上移, 120～150 cm土壤盐分迅速向上扩散,上层土壤盐分不断增加,威胁膜下滴灌棉田可持续种植。     

毛乌素沙地三种下垫面土壤吸湿凝结水量的比较

为探讨半干旱区不同下垫面对土壤吸湿凝结水量的影响,采用称重法研究了毛乌素沙地开发整治研究中心院内臭柏群落、油蒿群落和裸地三种下垫面土壤吸湿凝结水量的变化特征。结果表明:植被可以改变试验点的温湿度,裸露沙地凝结量小于有植物区;臭柏群落形成吸湿凝结水最多,油蒿次之,裸地最少;同一下垫面中的凝结水量,地表以上20cm处的>10cm处>地表处。     

季节性冻融期覆砂对太谷农田土壤含水率时空变化的影响

研究了冻融期砂层覆盖对剖面土壤含水率的影响。野外试验于2016年11月—2017年3月在山西省太谷均衡实验站进行，主要监测3种地表处理剖面0~100 cm土壤含水率，各处理分别为无覆盖（LD）、0.5~1.5 mm粒径（XS）和1.5~2.0 mm粒径砂层覆盖（CS）。结果表明：冻融期砂层覆盖及土壤水分冻融使得XS和CS处理土壤剖面出现两个水分高值区，即近地表（15.40%~21.79%）和剖面20~40 cm间（15.99%~19.94%）；砂层覆盖对近地表有储水效果，储水效果随土壤深度增加而逐渐减小。覆砂处理对地表处储水效果最佳，平均土壤含水量较LD处理高8.45%~10.94%。覆砂对剖面0~40 cm有明显的储水效果，平均土壤含水率较LD处理高1.56%~1.62%。 40 cm以下3种处理土壤含水率相差较小，平均土壤含水率差值为0.09%~0.40%；砂层覆盖储水效果还与砂层粒径有关，XS处理0~5 cm储水效果优于CS处理，其土壤含水率高于CS处理0.57%~2.39%；地表砂层覆盖可以平抑地表土壤含水率变化，覆砂处理地表土壤含水率变幅较LD处理低约4.42%。     

黄土地与沙地生物结皮的发育特征及其生态功能异同

基于课题组已有研究成果,选取陕北水蚀风蚀交错区内气候条件相同但土壤质地迥异的试验区,探讨黄土地和沙地生物结皮发育特征及其生态效应的异同。结果表明:(1)苔藓结皮是2种土地生物结皮的重要类型,其中,黄土地的优势藓种为尖叶对齿藓[Didymodon constrictus(Mitt.)Saito.]、真藓(Bryum argenteum Hedw.)、狭网真藓(B.algovicum Sendt.);沙地的优势藓种为黄色真藓(B.pallescens Scheich.)、弯叶真藓(B.recurvulum Mitt.)、银叶真藓(B.argenteum Hedw.)。沙地乔灌植物下生物结皮盖度(77.5%)、厚度(11.8 mm)及容重(1.9 g·cm~(-3))均高于黄土地生物结皮,而黄土地多年生草本植物下生物结皮抗剪强度(26.5 k Pa)高于沙地生物结皮,总体上,沙地生物结皮发育的更好。(2)黄土地的入渗增幅和0~200 cm剖面的平均土壤含水率增幅均显著高于沙地(P0.05),且在旱季和雨季其0~200 cm剖面的平均土壤含水率增幅分别比沙地高1.4%和1.9%。(3)两地生物结皮均表现出了较好的减蚀作用,其减蚀效率分别为81.0%和90.6%。     

土壤吸附作用对土壤水分有效性的影响

围绕土壤结皮生物是否可以对夜间土壤吸附水输入产生响应展开研究。假定-1.5 MPa作为土壤水分有效性的临界值,通过观测降水后清晨和午后0~3 cm土壤含水量,分析土壤水分的有效性和空间异质性;并利用连续记录气象数据,建立表层土壤含水量与水汽压饱和差数量关系。结果表明:土壤吸附作用提高了土壤水分对土壤结皮生物的有效性,并延长了土壤结皮生物对降水脉冲的响应时段。在古尔班通古特沙漠东南部的不同部位,凝结吸附作用对沙面水分条件影响很大(特别是干旱季节),水分条件由好到坏依次为:沙垄西坡面、沙垄垄顶、沙垄东坡面和垄间低地。     

Wind-proof and sand-fixing effects of Artemisia ordosica with different coverages in the Mu Us Sandy Land,northern China

Wind erosion is a key global environmental problem and has many adverse effects. The Mu Us Sandy Land of northern China is characterized by an arid climate, where vegetation patches and bare sand patches are usually distributed mosaically, and aeolian activities occur frequently. Vegetation plays a significant role in controlling wind erosion. Artemisia ordosica is the most dominant native plant species in the Mu Us Sandy Land. It is urgent to study the wind-proof and sand-fixing effects of Artemisia ordosica in the Mu Us Sandy Land. This study analyzed the wind-proof and sand-fixing effects of Artemisia ordosica based on the field data of wind regimes, aeolian sediment transport, and surface change of Artemisia ordosica plots with four coverages (denoted as site A, site B, site C, and site D) in the Mu Us Sandy Land during the period from 1 June 2018 to 29 June 2019. The coverages of Artemisia ordosica at site A, site B, site C, and site D were 2%, 16%, 29%, and 69%, respectively. The annual average wind speeds at 2.0 m height above the ground for site A, site B, site C, and site D were 3.47, 2.77, 2.21, and 1.97 m/s, respectively. The annual drift potentials were 193.80, 69.72, 15.05, and 6.73 VU at site A, site B, site C, and site D, respectively. The total horizontal aeolian sediment fluxes during the period from 2-3 June 2018 to 6 June 2019 at site A, site B, site C, and site D were 4633.61, 896.80, 10.54, and 6.14 kg/m, respectively. Site A had the largest surface changes, and the surface changes at site B were significantly weaker than those at site A, whereas the surface changes at site C and site D were minimal. The results indicated that Artemisia ordosica significantly reduced the wind speed, drift potential, aeolian sediment transport, and surface changes. The higher the coverage of Artemisia ordosica is, the more obvious the effects of wind-proof and sand-fixing. Wind erosion would be effectively controlled in the Mu Us Sandy Land if the coverage of Artemisia ordosica is greater than 29%. These results provide a scientific basis for evaluating the ecosystem service function of Artemisia ordosica and the vegetation protection and construction projects in the Mu Us Sandy Land.     

土壤微生物在生物结皮形成中的作用及生态学意义

在荒漠地区的固定、半固定沙地和流动沙地上,微生物、藻类植物及地衣、苔藓植物能参与并形成生物结皮,其在干旱和半干旱荒漠地区具有重要生态意义。其中土壤微生物因其极强的适应性和生存能力,在生物结皮形成各阶段都起着积极的作用。土壤微生物的生长和活性与土壤酶活性的变化具有良好的相关性,它的组成、分布和数量因沙丘类型和沙土层深度的不同而有所变化,也受到季节和植被的影响。土壤微生物的生理代谢活动及数量变化可以改变沙土表面理化性质,在土壤结皮的形成、植物营养的转化过程中发挥积极作用,为植物生长创造了良好的条件。     

不同覆盖模式下土壤返盐及水盐运移规律

干旱地区地表蒸发引起土壤水分的散失是造成盐分表聚的重要原因之一,土壤表层进行覆盖处理可改变地表结构,从而影响土壤水分蒸发和盐分迁移过程,本研究旨在通过野外田间试验,研究不同覆盖模式下土壤返盐及水盐运移规律。结果表明:土壤表层进行不同覆盖处理均可有效抑制土壤水分蒸发,土壤保水效果为:覆砂+覆膜覆秸秆+覆砂覆砂覆秸秆+覆膜无覆盖(CK);随土层深度的增加,土壤含水率减小的趋势逐渐减缓。不同覆盖处理也可有效抑制土壤盐分表聚,缩小盐分在土壤中迁移的范围;覆盖处理的土壤盐分向上迁移主要发生在0~20 cm范围内,无覆盖处理在0~35 cm范围内,覆盖后可较好地抑制土壤返盐。综合考虑认为砂石覆盖模式是较适合该试验区的覆盖模式。