黄土高原林(草)生态工程作用机理及模型验证

【目的】分析林(草)生态工程对生态环境影响的作用机理,提出生态退化和治理的因子触发-响应机制模型,为黄土高原植被修复和生态重建提供理论参考。【方法】根据生态恢复的相关原则、方法与理论,结合近年来的研究与实践经验,提出黄土高原生态环境退化形成与治理的因子触发-响应机制模型,分析黄土高原生态系统与干扰因子的相互作用机制和生态退化机理,并对该模型进行初步验证。【结果】通过构建黄土高原生态退化的因子触发-响应机制模型,认为黄土高原本身维持生态系统自我发展的主导力脆弱,系统演变过程受干扰因子作用而偏离生态演替顶级的趋势提前。严重退化的黄土高原生态系统通过适时、适宜的人为设计,可使治理措施与生态系统产生良性触发,促进植被的正向演替,将生态系统导入良性循环。模型验证结果表明,黄土高原植被恢复措施总体上使该地区生态系统处于良性触发态势,明显提高了地表植被覆盖度,改善了土壤的理化性质,提高了生物多样性。但良性触发的主导因子是封山禁牧,人工造林短期内由于耗竭土壤水分、生物多样性低等原因而处于恶性触发态。【结论】黄土高原生态修复应充分考虑"生态系统-干扰因子"的响应机制,使治理措施与生态系统产生良性触发,充分发挥封山禁牧的良性触发作用,以修复退化的生态环境、减小人工造林的负面影响。     

黄土丘陵区退耕植被细根生物量及其碳氮磷库动态变化

为揭示黄土丘陵区不同退耕植被细根季节动态,选取刺槐（Robinia pseudoacacia）、柠条（Caragana korshinskii）以及撂荒3种退耕模式为研究对象,采集0～50 cm土层细根,分析其生物量及C（碳）、N（氮）、P（磷）库的生长期变化。结果显示：刺槐、柠条及撂荒地细根生物量,C,N,P含量及储量在生长期内变化显著（P<0.05）,其中细根生物量与C,N,P储量先减小后增加,而细根C,N,P含量先增加后减少;刺槐与柠条细根生物量,C,N,P含量及储量在生长期内均显著大于撂荒地;相关性分析结果表明,细根C储量与土壤C储量、细根N储量与土壤N储量、细根P储量与土壤P储量均显著正相关,尤其是细根N储量与土壤N储量相关性达到极显著水平。综上,黄土丘陵区刺槐、柠条与撂荒3种退耕模式细根生物量及其碳氮磷库存在显著季节变化,细根碳氮磷库通过季节变化显著提高土壤C,N,P储量尤其是土壤N储量,且刺槐与柠条提高效果优于撂荒草地。     

有机溶剂预处理对麦秆厌氧发酵产气的影响

目前,通过对秸秆进行化学预处理后产沼气的研究越来越多,其中以酸碱作为预处理试剂最为常见,但酸碱试剂对设备腐蚀较严重且对环境造成二次污染,故试验选择在厌氧发酵过程中可以被微生物分解的有机溶剂甲醇、丙酮进行预处理。为此,利用自行设计的可控性恒温发酵装置,以小麦秸秆为发酵原料,通过p H值、VFA、甲烷含量、还原糖等指标分析了秸秆经不同浓度的甲醇、丙酮处理后其厌氧发酵产气效率的变化。结果表明:浓度为3%、4%、5%的甲醇、丙酮预处理后的秸秆的累积产气量较对照组均有所提高。其中,5%丙酮处理秸秆后的发酵效果最好,较对照产气量增加了81%;经5%甲醇处理组的秸秆甲烷含量达到68%。     

鸡粪、猪粪与秸秆混合厌氧发酵配比参数优化

以鸡粪、猪粪、麦秆和玉米秆为发酵原料,采用混料设计和中心组合试验设计对鸡粪、猪粪、麦秆和鸡粪、猪粪、玉米秆原料混合厌氧发酵进行了优化。混料设计以3种原料为自变量,中心组合设计以鸡粪与猪粪的比例和碳氮比为自变量,均以甲烷产量为响应变量。结果表明,3种原料混合厌氧发酵的甲烷产量显著高于单一原料及两种原料混合发酵;多原料间在发酵过程中的协同作用提高了甲烷产量,在优化配比下,各试验组实际甲烷产量分别是其期望值的1.62、1.70、1.66和1.73倍。混料设计和中心组合设计均可优化混合原料发酵的原料配比,但中心组合设计具有更广泛的适用性。     

生态导向的西部地区城镇体系宏观布局研究

通过对西部地区城镇体系布局进行生态分析,指出进行生态化布局的必要性,构建了以自然生态空间为布局基质,在各省区经济增长点发展组团式城镇群,而各组团城镇群沿西部城市干线网络化布局的生态调控方案。     

黄土高原人工植被对局地小气候影响的效应研究

研究人工植被对局地小气候影响的效应,是评价人工林草工程生态效应的主要表征之一.利用定点观测的方法,对安塞县退耕地上建立的人工植被和撂荒形成的自然植被群落进行了大气温湿状况、土壤水热状况等小气候特征的观测分析,并以裸露农地为对照,比较人工植被和撂荒植被对小气候的影响效应.结果表明:退耕还林营造人工林后,下垫面的变化引起局地水热循环的变化,具体表现为降温效应、增湿效应、改土效应和阻风效应,尤其是在植被生长旺盛的夏季,人工植被区近地层1.0 m处日均气温明显下降,低于撂荒植被区2.2℃;日均相对空气湿度增大,高于撂荒植被区1.97%;日平均风速降低,日均减风效益高于撂荒植被区28%,同时,土壤导热性能提高,土壤物理性质得到改良.局地小气候环境的改善,说明人工林草工程这一措施对脆弱生态的恢复改造有明显的效果.     

黄土丘陵区退耕还林土壤不同大小颗粒固碳过程与速率

为揭示黄土丘陵区退耕还林土壤固碳过程及其变化机制,采用物理分组法探讨了安塞纸坊沟退耕15~45 a刺槐与柠条林地土壤砂粒、粉粒、黏粒截存有机碳的效应与速率。结果表明,对比坡耕地,两种退耕林地土壤颗粒结合碳含量均随退耕年限延长显著增加,并且表层0~10 cm土壤增幅最高,10~60 cm各土层增幅基本接近。退耕15~45 a期间,刺槐与柠条林0~20 cm土层均以粉粒碳密度增速最高,分别达0.21、0.11 Mg/(hm2·a),砂粒碳和黏粒碳增速相近,平均分别为0.13、0.06 Mg/(hm2·a)。同样的变化发生在0~60 cm土层,但各颗粒碳密度增速为0~20 cm土层的1.6~2.5倍。按此增速到退耕45 a时柠条林地砂粒碳、粉粒碳、黏粒碳相比坡耕地分别增大了2.6、1.1、0.8倍,刺槐林地则分别增大了8.3、2.2、2.8倍,并且对总有机碳累积贡献的平均比率为:砂粒碳(23%)等于黏粒碳(26%)且均小于粉粒碳(51%)。此外碳库管理指数比碳库活度与土壤总有机碳库变化有更显著的线性相关性。综上分析,该区域退耕刺槐林比柠条林土壤有更强的固碳效应,两种林地均以粉粒碳为主要固碳组分,以砂粒碳周转速率最快。     

黄土丘陵区不同退耕还林地土壤有机碳库差异分析

为揭示不同人工还林地影响土壤碳库储量、质量的效应及差异特征,探讨了黄土丘陵区不同退耕还林地土壤有机碳及其组分质量分数、密度及碳库管理指数(CMI)的变化情况。结果表明:退耕12a后,与坡耕地相比,不同还林地主要提高了0～40cm土层总有机碳质量分数,增幅总体为沙棘>刺槐>山杏>杨树>撂荒,且在0～10cm土层增幅最高(71.1%～156.9%),20～40cm土层增幅最低(23.5%～68.9%)。这也使不同还林地0～100cm土壤总有机碳密度均显著增加。0～100cm土层活性有机碳密度增幅为山杏、杨树(平均106.8%)>刺槐、沙棘(平均55.4%)>撂荒(9.9%),而非活性有机体碳密度增幅则为沙棘(43.0%)>刺槐、山杏、杨树(平均22.1%)>撂荒(14.2%),这与不同还林地影响各土层活性与非活性有机碳质量分数和分布差异大有关。与坡耕地相比,山杏、沙棘及刺槐使0～20cm土层CMI平均增加1.28倍,杨树和山杏则使20～100cm土层CMI增加1.20～2.49倍。综上所述,退耕还林具备提升土壤碳库及其质量的潜力,且短期内总体以沙棘提升碳库效果较佳,山杏改良碳库质量较好。     

生态导向的西部地区城镇体系宏观布局研究

通过对西部地区城镇体系布局进行生态分析,指出进行生态化布局的必要性,构建了以自然生态空间为布局基质,在各省区经济增长点发展组团式城镇群,而各组团城镇群沿西部城市干线网络化布局的生态调控方案。     

陕北黄土丘陵区不同植被类型群落多样性与土壤有机质、全氮关系研究

为探讨陕北黄土丘陵区不同植被类型物种多样性与土壤有机质、全氮的关系,在野外调查和室内分析的基础上,采用相关性分析对5种不同植被群落特征、多样性、土壤碳氮之间的关系进行研究。结果表明：植物群落组成主要为菊科、禾本科和豆科,这3大科植物在该区具有较强的生态适应性;不同植被类型群落Gleason丰富度指数为30 a撂荒地最大,16 a撂荒地最小,Simpson指数、Shannon-wiener指数和Sheldon均匀度指数均为30 a刺槐林（Robinia pseudoacacia）最大,16 a撂荒地最小;土壤有机质、全氮含量均随土层深度增加而递减,其平均含量在0~30 cm和30~100 cm土层从大到小为30 a刺槐林>30 a撂荒地>16 a刺槐林>30 a柠条林（Caragana microphylla）>16 a撂荒地,30 a刺槐林表现出较好的土壤碳氮累积效果。相关性分析结果表明,不同植被类型群落物种多样性与土壤有机质、全氮之间显著相关（P<0.05）,表明土壤有机质和全氮是影响植物群落组成和多样性的关键生态因子。