白羊草光合特性及非结构性碳水化合物含量对 CO2 浓度倍增和干旱胁迫的响应

【目的】 探明 CO₂ 浓度倍增对干旱胁迫下白羊草光合特性及非结构性碳水化合物含量的影响,为未来大气 CO₂ 浓度升高以及干旱、半干旱地区水分亏缺等逆境下白羊草的生长提供理论依据和技术参数。 【方法】 盆栽试验采用裂区设计,研究了黄土丘陵区典型草本植物白羊草光合特性和非结构性碳水化合物 (NSC) 及其组分 (可溶性糖和淀粉) 的含量对不同 CO₂ 浓度 (400 μmol/mol 和 800 μmol/mol) 和不同水分处理 [35%～40% FC (重度干旱胁迫)、55%～60% FC (轻度干旱胁迫) 和 75%～80% FC (对照)] 的响应。 【结果】 CO₂ 浓度倍增和干旱胁迫对白羊草光合–光响应曲线参数和 NSC 及其组分含量有显著影响,但 2 个因素之间没有显著的交互作用。CO₂ 浓度倍增显著提高了白羊草叶片最大净光合速率 (P_max )、表观量子效率 (AQY)、光饱和点 (LSP) 和光补偿点 (LCP)(P < 0.01),而干旱胁迫则显著降低了P_max 、AQY 和LSP (P < 0.01)。CO₂ 浓度倍增和干旱胁迫均提高了白羊草地上部分可溶性糖含量。在正常 CO₂ 浓度条件下,与对照相比,轻度干旱胁迫和重度干旱胁迫均显著降低了白羊草地上部分和根系部分淀粉含量。CO₂ 浓度倍增使对照、轻度干旱胁迫和重度干旱胁迫处理下白羊草地上部分淀粉含量分别提高了 17.4%、44.2% 和 18.7%,根系部分淀粉含量分别提高了 17.3%、88.4% 和 54.4%。轻度和重度干旱胁迫均显著降低了正常 CO₂ 浓度条件下白羊草根系部分 NSC 含量。CO₂ 浓度倍增显著提高了对照处理和轻度干旱胁迫处理下白羊草地上部分以及轻度干旱胁迫处理和重度干旱胁迫处理下白羊草根系部分 NSC 含量。在正常 CO₂ 浓度下,轻度和重度干旱胁迫导致白羊草地上部分和根系部分可溶性糖含量与总 NSC 含量比值的显著提高。在倍增 CO₂ 浓度下,重度干旱胁迫显著提高了白羊草地上部分可溶性糖含量与总 NSC 含量的比值,而对照处理和轻度干旱胁迫处理无显著差异。 【结论】 干旱胁迫促进了白羊草体内淀粉向可溶性糖的转化,导致可溶性糖含量的升高和淀粉含量的降低。CO₂ 浓度倍增促进了白羊草地上部分和根系部分淀粉和 NSC 含量的积累,为干旱胁迫下白羊草生理代谢活动所需可溶性糖提供了来源。CO₂ 浓度升高能够缓解干旱胁迫造成的不利影响,提高了白羊草的抗旱性。      

黄土高原丘陵区地形和土地利用对土壤有机碳的影响

土壤有机碳(SOC)作为土壤中重要的组成部分及植物生长的主要元素,在地球生态系统中起着举足轻重的作用,是全球环境尤其是气候变化的重要影响因素。以黄土高原王茂沟小流域为研究对象,通过间隔为150m经纬网格分5层采集0～100cm土壤样品,采集土壤样品包括4种地形(坡顶、坡上、坡中、坡下)和5种土地利用类型(坡耕地、林地、草地、灌木、梯田),共采集土壤样品1 540个,探讨地形和土地利用方式对黄土丘陵沟壑区小流域SOC含量和分布影响,并通过Kriging插值计算流域内SOC空间分布。结果表明,黄土丘陵第一副区王茂沟小流域在0～100cm土层中,SOC平均含量坡上(4.49g·kg~(-1))和坡中(4.30 g·kg~(-1))含量最高,其次为坡下(3.97 g·kg~(-1)),坡顶SOC含量最低(3.34g·kg~(-1));坡耕地SOC含量最低。林地(4.31 g·kg~(-1))、梯田(4.25 g·kg~(-1))、草地(4.12 g·kg~(-1))和灌木(3.82 g·kg~(-1))分别较坡耕地(3.47 g·kg~(-1))SOC含量增加24.2%、22.4%、18.7%和10.1%。表层SOC更易受到环境因子的影响,梯田等水土保持措施可明显固存深层(20cm)SOC。方差成分估计表明,土地利用、地形、深度以及土地利用与地形的交互作用对流域剖面SOC含量空间分布有着极显著的影响(P0.01),其中地形对SOC含量的贡献率最高(32.50%)。土地利用与地形的交互作用在各因子的交互作用中表现出对SOC含量变异解释度最高(7.4%)。流域SOC在空间上呈斑块分布,随着深度的增加,流域SOC的空间分布向均一性发展。研究结果为黄土区水土保持措施规划及退耕还林的固碳效益评价提供了科学依据。     

不同降雨强度下黄土区冻土坡面产流产沙过程及水沙关系

为了明确降雨对冻土坡面侵蚀的作用机理,探讨冻土和未冻土在不同水力条件下侵蚀之间的差异。通过室内模拟降雨试验,采用3种降雨强度(0.6,0.9,1.2 mm/min)对比定量研究冻土坡面和未冻土坡面产流产沙过程及水沙关系。结果表明:在0.9、1.2 mm/min雨强下,冻土坡面的产流时间相对对照坡面提前了18.7,6.4 min。冻土坡面径流量、侵蚀量均远大于对照坡面,在0.9,1.2 mm/min雨强下径流量分别是对照坡面的1.16,1.19倍,侵蚀量分别是对照坡面的10.40,6.40倍。随着降雨进行,坡面产生不同程度的细沟,其中,冻土坡面相比对照坡面细沟出现时间分别缩短了18 min,22 min,且冻土坡面细沟侵蚀量占总侵蚀量的79%～92%,此比例大于同雨强下的对照坡面。两种坡面的累计径流量与累计产沙量之间满足y=kx+b的线性关系,在细沟间侵蚀阶段,冻土坡面的k值是对照坡面的8.48～9.02倍,而在细沟侵蚀阶段,则为对照的3.68～7.50倍。研究结果表明细沟侵蚀是冻土坡面土壤侵蚀率增大的主要原因,而冻结层的阻水作用是导致坡面上细沟出现时间提前的最重要因素。该研究可以为完善土壤侵蚀机理研究提供一定的参考价值。     

黄土丘陵区撂荒农耕地土壤有效态微量元素演变特征

【目的】探索农耕地撂荒对土壤微量元素演变特征的影响,为该地区植被恢复中土壤质量评价和生态恢复的持续健康发展提供科学依据。【方法】以黄土丘陵区不同撂荒年限的坡耕地为研究对象,分析农耕地撂荒后不同坡向土壤4种有效态微量元素的变化趋势。【结果】黄土丘陵区坡耕地撂荒后,阴坡由于土壤温度较低,含水量较大,植被生长旺盛。有机碳、全氮、有效锰、有效铁、有效锌含量变化规律性较强,表现为在演替前期变化较小,而后期随撂荒年限的延长而显著增加,有效铜则随撂荒年限呈降低趋势。阳坡土壤有机碳、全氮及4种有效态微量元素含量则随年限呈波动变化。不同演替阶段土壤微量元素密度变化不同,阳坡土壤有效铁和有效锌密度在演替前10年明显高于阴坡,而在10年后显著低于阴坡;有效铜密度在前5年略低于阴坡,5年后明显高于阴坡。【结论】黄土丘陵区坡耕地撂荒20年后,虽然4种土壤有效态微量元素含量有所提高,但仍处于低或极低水平,因此黄土丘陵区通过自然演替来改善土壤微量元素状况还需要较长的时间。     

黄土丘陵区梯田果园土壤水分特征

在干旱半干旱地区,土壤水分是影响作物生长和植被恢复的重要生态因子。采用土钻法对黄土丘陵区纸坊沟流域坡耕地、 梯田和梯田果园20032010年雨季前后的土壤水分状况进行了连续测定,旨在明确梯田种植果树后对土壤水分的长期动态效应,为黄土丘陵区梯田果园的可持续发展提供指导意义。结果表明, 坡改梯措施可明显减小0300 cm土层土壤储水量增量的年际变异,提高土壤含水量,减小土壤储水亏缺度,增大降雨对100300 cm土层土壤储水亏缺补偿度;梯田果园化后0300 cm土层土壤储水量增量的年际变异呈现较大幅度的波动, 200 cm以下土壤含水量明显减小,土壤储水亏缺度增大,土壤储水亏缺补偿度由20% 降为－10%。由此可见,梯田的蓄水保水量不足以供给果树的蒸腾耗水量,梯田果园化后将导致土壤水分的持续减少,可能导致土壤干层的形成。     

青海省生态修复关键区识别及修复分区划分

[目的] 基于“整体保护、系统修复、综合治理”的治理思路识别生态修复优先空间抑制生态退化,是区域社会—经济协调发展、筑牢生态安全屏障和推进生态文明建设的重要举措。[方法] 以青海省为研究区,通过土地利用强度、土地利用重心迁移反映城市化进程,定量评估2005—2020年7项生态系统服务、生态敏感性和生境退化度,提出基于“生态系统服务簇—生态敏感性-生境退化度”识别生态修复优先空间,将内部缺陷和外界胁迫相结合,划定5类生态修复优先区并提出相应修复策略。[结果] 青海省2005—2020年产水深度分别为125.1,106.9,80.0,135.4 mm,水源涵养深度稳定在15 mm左右。粮食产量由1.42 t/hm²提升至2.02 t/hm²,防风固沙能力由2.42 t/hm²提升至4.59 t/hm²,土壤保持能力由85.90 t/hm²下降至65.30 t/hm²;青海省生态系统服务簇可划分为生态宜居和谐簇、水土耦合协调簇、生态源地保育簇、自然生态修复簇、防风固沙功能簇5类。基于双变量自相关识别生态恢复优先点结果可知,青海省主要关键生态恢复点和自然生态恢复点面积分别占5.26%和2.55%,其中关键生态恢复点和生态宜居簇增加区域在空间上分布基本吻合。[结论] 青海省生态修复优先区集中在生态环境脆弱的西北荒漠地区、高海拔山区、水源地和河流沿岸及人类活动较频繁的河湟谷地和天峻县、兴海-玛多—曲麻莱县一带。     

CO2浓度升高、干旱胁迫和氮沉降对白羊草光响应曲线的影响

为揭示白羊草(Bothriochloa ischaemum (L.) Keng.)对全球气候变化的光合生理特征响应规律,采用盆栽控制试验,研究了白羊草在不同CO₂浓度、水分条件和施氮水平下叶片的叶绿素含量和光响应曲线特征。结果表明:随CO₂浓度升高和施氮量增加,白羊草叶片SPAD值,最大净光合速率(P_max),表观量子效率(AQE)和光饱和点(LSP)均呈增加趋势;干旱胁迫降低了SPAD值,P_max和LSP。多因素方差分析表明,CO₂浓度,水分处理和施氮水平对SPAD值,P_max和LSP有极显著影响,施氮水平对AQE有极显著影响。CO₂浓度和水分处理对P_max,AQE和LSP有显著的交互作用;CO₂浓度和施氮水平对P_max,AQE和光补偿点(LCP)有极显著的交互作用;水分处理和施氮水平对P_max,AQE和LSP有极显著的交互作用。RDA分析表明氮素是影响白羊草光合特征的最重要因素。全球CO₂浓度升高和氮沉降增加对干旱胁迫引起的白羊草光合速率下降有显著的缓解作用。     

黄土区典型小流域包气带土壤水同位素特征

通过野外调查与室内试验相结合的方法,对王茂沟流域降水及5种土地利用类型土壤剖面稳定氢氧同位素特征进行对比分析,为黄土区土壤水分运移机制、模型参数识别及生态保护与重建提供科学依据。结果表明:(1)降水与5种土地利用方式下土壤水中δD和δ~(18) O的变化范围分别为(-118.08‰)~(-14.37‰),(-16.13‰)~(1.41‰)和(-92.36‰)~(-34.98‰),(-12.48‰)~(-5.01‰),平均值分别为-37.36‰,-5.65‰和-60.18‰,-7.81‰。(2)不同土地利用类型的土壤水氢氧同位素变化存在显著性差异,土壤通透性草地梯田林地坝地坡耕地,表层土壤水分的蒸发分馏程度梯田草地坝地坡耕地林地。(3)林地和草地"优先流"现象明显,草地"优先流"程度最大,林地能显著延伸"优先流"发生路径。(4)草地、林地和梯田分别在160,200,200cm土层及以下氢氧同位素值相对稳定,坝地和坡耕地可能对地下水水质与补给造成较大影响。     

坡面植被格局对坡沟系统能量调控及水沙响应关系的影响

通过室内放水冲刷试验,研究在坡沟系统土壤侵蚀过程中,不同坡面植被格局对能量的调控作用及其对水沙响应关系的影响,并建立不同坡面植被格局下基于能量参数的侵蚀产沙方程,深入了解能量与侵蚀产沙之间的响应关系。结果表明:(1)相比于裸坡,在坡面有植被覆盖的情况下,径流功率大幅度降低,植被能够有效地削减径流功率,起到保护土壤的作用;在不同时刻下,不同坡面植被格局的单位水流功率在坡面较小,进入沟道后单位水流功率急剧上升,呈"N"形曲线分布,经过SPSS软件分析,坡面植被格局对单位水流功率的影响不显著(P0.05);坡面植被格局对径流能耗的变化基本没有影响,不同时刻,不同坡面植被格局下坡面上每个断面的径流能耗在1 500~2 000J保持不变,在进入沟道后径流能耗急剧上升,达到4 800J左右;(2)在坡沟系统的坡面上种植植被可以有效地起到蓄水减沙的作用,当草带位置距坡顶2m时(格局F)的蓄水效益最好,达到19.07%,当草带位置距坡顶6m时(格局B)的减沙效益高达69.02%;(3)不同坡面植被格局下坡沟系统的累积产流量与累积产沙量之间满足M=aQb的幂函数形式,而且相关系数a和b可以作为蓄水减沙效益的指示指标;(4)在不同坡面植被格局下,坡面平均输沙率与径流功率满足D=cω+d线性函数关系。     

氮素添加和干旱胁迫下白羊草碳氮磷化学计量特征

【目的】氮素和水分是干旱半干旱区生态系统的主要限制因子,研究两者交互作用对干旱半干旱区植物碳（C）、氮（N）、磷（P）化学计量特征的影响有助于深入了解干旱半干旱生态系统对全球变化的响应。【方法】以黄土丘陵区退耕地典型草本植物白羊草（Bothriochloa ischaemum）为研究对象,采用盆栽控制试验,设置添加氮0（对照）、2.5 g/（m2a）（低氮）、5.0 g/（m2a）（高氮）三个水平;供水处理设75%~80% FC（充分供水）、55%~60% FC（轻度干旱胁迫）和35%~40% FC（重度干旱胁迫）三个水平。测定了白羊草地上部分和根系碳氮磷含量,讨论了氮素和水分供应对其化学计量特征的影响。【结果】氮素添加和干旱胁迫对白羊草地上部分和根系碳含量无显著影响,氮素添加使白羊草地上部分氮含量提高9.7%~48.8%（P 0.001）,而干旱胁迫使其降低2.8%~28.3%（P 0.001）。氮素添加和干旱胁迫对白羊草根系氮含量的影响表现为正常水分条件下氮素添加使根系氮含量提高25.0%~26.1%（P 0.01）,而干旱条件下氮素添加无显著作用。氮素添加和干旱胁迫使白羊草地上部分磷含量分别降低17.4%~31.8%和12.0%~22.1%（P 0.001）。氮素添加和干旱胁迫对白羊草地上部分C:N的影响表现为在干旱胁迫条件下氮素添加使地上部分C:N降低24.9%~32.9%（P 0.05）,在正常供水条件下氮素添加无显著影响。氮素添加对根系部分C:N有显著影响,在正常供水条件下氮素添加使根系部分C:N降低19.8%~24.5%（P 0.05）。氮素添加和干旱胁迫使白羊草地上部分C:P分别提高24.4%~42.3%和12.2%~31.0%（P 0.001）,对根系C:P无显著影响。氮素添加显著提高白羊草地上部分N:P,干旱胁迫对白羊草地上部分N:P无显著影响。氮素添加和干旱胁迫对白羊草根系部分N:P表现为在正常供水条件下氮素添加使根系部分N:P提高26.8%~54.8%（P 0.05）,在干旱胁迫条件下氮素添加无显著影响。【结论】氮素添加条件下白羊草C:P和N:P的提高表明氮沉降增加一定程度上改善了土壤供氮状况,进一步加剧了磷素限制作用。氮素增加条件下干旱胁迫对N:P无显著影响,表明白羊草的生长将逐渐受到氮素和磷素的共同限制。