探索森林土壤中的养分限制对森林抚育和管理具有重要意义,然而目前关于黄土高原刺槐人工林植被恢复过程中微生物受到的养分限制的研究并不充分.本研究为探究黄土高原刺槐林土壤中微生物养分的限制情况,在陕西省永寿县选择不同造林时间(15、25、35、45年)的刺槐人工林以及林地旁边的摞荒坡耕地(对照)为研究对象,分析了不同林龄下土壤有机质、全氮、全磷含量,以及与土壤碳、氮、磷循环相关的β-1,4-葡萄糖苷酶(BG)、纤维二糖水解酶(CBH)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)和磷酸酶(AP)活性的变化特征,通过化学计量和酶计量解析土壤养分限制状况.结果表明:土壤pH随植被恢复由碱性变为酸性;全磷在刺槐植被恢复的0～25年间逐渐降低;土壤有机碳、全氮和酶活性在0～25年间呈上升趋势.土壤全磷、有机碳、全氮、AP和LAP在25～45年间逐渐降低;NAG、BG、CBH在25～45年间先增加再降低.植被恢复过程中刺槐林的(BG+CBH)/(LAP+NAG)、(BG+CBH)/AP、(LAP+NAG)/AP均高于全球尺度的平均值.本研究区刺槐恢复过程中矢量长度小于1且逐渐增大,表明微生物碳限制逐渐增强;矢量角度大于45°且整体上降低,表明土壤微生物受磷限制且磷限制逐渐减缓,未出现微生物氮限制.刺槐人工林植被恢复过程中土壤理化性质变化明显,造林时间序列影响了土壤微生物的养分限制状况.

为探究刺槐人工林根际和非根际土壤微生物元素利用效率的季节差异及其影响因素,在黄土高原选取3个季节(春季、夏季、秋季)人工林根际和非根际土壤为研究对象,测定土壤理化性质、微生物生物量和酶活性等指标,计算化学计量失衡、矢量特征及元素利用效率.结果表明,季节动态显著影响化学计量失衡,根际和非根际C:N失衡在季节上均表现为先增加后降低的趋势,而C:P和N:P失衡则相反.矢量长度和矢量角度的变化表明根际与非根际土壤微生物均在夏季受到较强的碳、氮限制,而在春、秋季受到较强的磷限制.季节动态对微生物元素利用效率有显著影响,其中碳利用效率在夏季最低,而氮、磷利用效率在夏季最高.偏最小二乘路径模型结果表明,根际和非根际土壤微生物均通过矢量特征和胞外酶活性间接地影响元素利用效率,而非根际土壤微生物化学计量失衡对元素利用效率有直接影响.研究结果有助于深入理解人工林根际和非根际土壤微生物的养分利用机制,为生态脆弱地区的人工林管理提供理论依据.

为探究不同人工林型微生物残体碳(Microbial necromass carbon,MNC)对土壤有机碳组分的积累贡献及影响因素,在黄土高原选取刺槐林、山杏林、油松林为研究对象,分析了三种人工林0-60 cm 土层真菌残体碳(Fungal necromass carbon,FNC)、细菌残体碳(Bacterial necromass carbon,BNC)、MNC 对颗粒态有机碳(Particulate organic carbon,POC)和矿物结合态有机碳(Mineral-associated organic carbon,MAOC)的积累贡献及其影响因素.结果表明:(1)三种人工林POC、MAOC中FNC、BNC、MNC含量均随土层深度的增加而降低;(2)刺槐林和山杏林MNC对MAOC的积累贡献(60.9％,52.0％)高于POC(33.5％,49.5％),其中FNC对MAOC的积累贡献分别是BNC的4.4和2.5倍,油松林在0-10 cm 土层MNC对POC的积累贡献(73.8％)高于MAOC(48.2％),其中FNC对POC的积累贡献是BNC的3.5倍,而在10-60 cm 土层MNC对MAOC的积累贡献(30.9％)高于POC(24.4％),其中FNC对MAOC的积累贡献是BNC的3.4倍;(3)总有机碳和全氮含量与MNC/POC、MNC/MAOC呈显著正相关关系(P＜0.05),黏粒含量与MNC/MAOC呈显著正相关关系(P＜0.05),pH值、砂粒含量与MNC/MAOC呈显著负相关关系(P＜0.05).说明黄土高原三种人工林0-60 cm 土层MNC主要贡献MAOC的积累,油松林0-10cm 土层除外,且与细菌残体碳相比,真菌残体碳在土壤有机碳组分积累中的贡献更大,土壤总有机碳、全氮、黏粒、砂粒含量、pH值是影响该区不同人工林型微生物残体碳贡献土壤有机碳组分积累的主要因素.

晋西黄土区具有典型的残塬沟壑地貌特征,该地区植被恢复时间较长,探究植被恢复对土壤理化性质的长期影响,以及开展环境因子长期定位观测,对实现区域生态修复与保护具有重要意义.以晋西黄土区四种典型植被恢复林地(辽东栎次生林地、刺槐人工林地、油松人工林地、侧柏人工林地)为研究对象,测定 2006 年、2012 年、20017 年不同土层(0-10 cm、10-20 cm、20-40 cm、40-60 cm、60-80 cm、80-100 cm)土壤理化性质(有机碳、全氮、全磷、全钾、酸碱度、土壤容重、砂粒、粉粒、黏粒),采用主成分分析、冗余分析、相关性分析等统计方法,探讨长期植被恢复下土壤中各因子的变化和相互作用规律,分析不同植被类型对土壤属性时空异质性的影响.结果表明:在长期植被恢复过程中,不同林分土壤有机碳和全氮含量会表现为初期增加,然后下降.土壤全钾和全磷含量则是先减少后增加,植被恢复增强了土壤有机碳和全氮的积累.土壤的酸碱度、容重、砂粒、粉粒、黏粒的变化则不明显,这些属性在植被恢复期内受到的外部影响较小.总体来说,长期植被恢复增加了土壤养分含量、土壤砂粒、土壤粉粒,降低土壤容重、土壤黏粒.相比人工林,辽东栎次生林改善土壤结构、增加土壤肥力的效果最好.冗余分析表明,不同植被类型长期恢复条件下,影响土壤养分含量最主要的属性存在差异,刺槐的土壤粉粒、侧柏的土壤容重对多年土壤养分变化的贡献度最高.本研究结果可为黄土残塬区的长期植被恢复实践工作的生态效益评估提供数据支持和理论依据.

凋落物所处的土壤微环境是影响其分解的关键因素之一,然而在黄土高原广泛栽植的刺槐人工林中,土壤微环境随林龄增加如何改变、其对凋落物分解过程的影响趋势尚不清楚.为明确上述问题,以油松凋落物(典型的难分解凋落物)和白三叶凋落物(易分解)为对象,分别在林龄为 10、20、33 a和 43a的刺槐林地土壤表面进行为期 592 d的模拟分解试验,检测凋落物分解特征以及地表土壤理化生物学性质随林龄增加的变化趋势,并分析凋落物分解速率与土壤微环境指标间的关系.结果表明:(1)随林龄增加,油松凋落物的分解速率呈先小幅降低后提高的趋势,白三叶凋落物的分解速率持续提高(P＜0.05);(2)总体而言,随林龄增加林地表层土壤温度呈先降后增趋势,土壤湿度、有效磷含量和pH持续降低,而速效氮含量持续提高(P＜0.05);(3)林龄增加显著改变了林地土壤微生物群落结构,特别是在各分解时间点时均导致真菌属的明显演替现象.土壤中 9种凋落物分解酶的总酶活性和木质纤维素酶活性均在分解第108 天时随林龄增加呈先降后增趋势,而在分解第389 天和第592天时持续提高(P＜0.05).(4)油松凋落物分解速率仅与土壤总酶活性、真菌群落结构和铵态氮含量呈显著正相关,白三叶凋落物分解速率则与总酶和木质纤维素酶活性、细菌和真菌群落结构、温度和铵态氮含量显著正相关,而与土壤湿度和pH显著负相关(P＜0.05).综上所述,刺槐林龄增加引起的土壤理、化和生物微环境变化总体倾向于加速凋落物的分解过程.

人工植被恢复是喀斯特退化山地生态修复的重要途径之一.本研究探讨了喀斯特山地滇柏(Cu-pressus duclouxiano)纯林、刺槐(Robinia pseudoacacia)纯林和滇柏-刺槐混交林等3种类型人工林和未造林地(对照)的土壤养分含量和土壤酶活性及其相关性,为该地区选择适宜的造林树种和方式、改善林地土壤质量提供参考依据.结果表明:(1)4种类型样地土壤均呈碱性,且人工林土壤pH值均显著低于未造林地;人工林土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷含量均显著高于未造林地;全钾、速效钾含量均显著低于未造林地.(2)除碱性磷酸酶外,其余4种土壤酶活性均在滇柏-刺槐混交林中最大.3种类型人工林土壤脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性均高于未造林地.(3)脲酶、多酚氧化酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶等受土壤养分影响的主要因素不同,过氧化氢酶活性与养分指标之间相关性不显著.(4)冗余分析结果表明,土壤全氮、全磷对喀斯特不同类型林分土壤酶活性影响显著,能解释酶活性变异的60.7％,酶活性-养分特征关系方差累计贡献率为78.8％.喀斯特退化山地营建的人工林植被可提高林地土壤养分含量与酶活性,从而改善土壤质量,并为进一步提高人工林生态系统服务功能和稳定性,改善区域生态环境质量奠定基础.

在全球气候变化背景下,区域降水格局正在发生改变,对森林生态系统生产力和水文过程将产生重要影响.为揭示降雨量减少对树木蒸腾耗水特征及其响应环境因子的影响,本研究以黄土高原半湿润区主要造林树种刺槐(Robinia pseudoacacia)为对象,在减雨样地林分行间布设人工减雨板减少约47％的降雨输入,采用Granier型热扩散探针测定树干液流动态,并同步监测太阳辐射、空气温度、相对湿度、降雨事件和土壤含水量等环境因子,分析了树干液流对减雨处理及季节性土壤水分变化的响应特征.结果表明:减雨处理显著降低了刺槐液流通量密度标准化值,处理第3年标准化液流通量密度显著低于对照样地;减雨样地刺槐标准化液流日变化峰值时间早于对照样地,表明减雨样地刺槐较早实施了气孔调节,改变了其与气象因子的时滞时间;标准化液流通量密度响应蒸腾驱动因子的拟合方程参数值在样地间呈极显著差异,显示减雨样地刺槐响应气象因子的敏感性有所降低.降雨量的改变不仅影响林地土壤水分状况,还会对刺槐蒸腾耗水及其对环境因子的响应产生影响.

基于黄土高原中部地区降水梯度上(绥德 447mm,延安 531mm,宜君 603mm)的乔灌木年轮材料,通过树木年轮气候学方法分析了不同降水条件下,乔木刺槐(Robinia pseudoacacia)、山杏(Armeniaca sibirica),灌木酸枣(Ziziphus jujuba)、白刺花(Sophora davidii)径向生长的气候敏感性差异.结果表明:(1)绥德、宜君酸枣标准年表的相关统计参量明显偏低,个体生长一致性较差,年轮材料中包含的气候信息较少,这表明绥德和宜君地区的酸枣对本地气候条件已高度适应,径向生长受气候影响较小.(2)刺槐、山杏、酸枣、白刺花均在森林草原过渡带(延安)表现出较高的气候敏感性,气候要素对各物种径向生长的解释率在该地区最高.除绥德、宜君酸枣外,各样点的乔灌木气候——生长关系均存在"时滞效应".整体上研究区内酸枣气候敏感性最差.在绥德和宜君地区,灌木气候敏感性明显弱于乔木.(3)乡土物种山杏、酸枣、白刺花在三个采样点均对长期干旱胁迫不敏感,对当地环境具有较强的生态适应性.人工物种刺槐在延安地区,从上年生长季末至当年生长季结束持续对干旱胁迫响应敏感,而在绥德和宜君地区则对干旱胁迫不敏感.刺槐、山杏、白刺花在宜君地区与温度的响应特征整体上发生明显趋势转换,温度对刺槐、白刺花的负反馈减弱正反馈增强,而对山杏的正反馈减弱负反馈增强.

刺槐是广泛分布于黄土高原的典型水土保持植物.以黄土丘陵区甘肃天水吕二沟小流域为研究区,分析了刺槐径向生长过程及其对气候因子的响应,并开展了利用刺槐年轮估算小流域年径流量、年输沙量的适用性评估.研究表明:(1)吕二沟刺槐人工林的径向生长随林龄呈明显的下降趋势,在幼龄林阶段(1-10 a)刺槐处于快速径向生长期((4.17±0.74)mm/a),之后逐渐下降,中龄林、成熟林、过熟林阶段(11-40 a)平均生长速率为(2.31±0.41)mm/a,较前期下降了 44.60％.刺槐胸高断面积增量(BAI)在1-10 a平均以(5.46±2.13)cm2/a的速度生长,在11-40 a仍保持上升趋势但年际间生长波动较大,生长速率平均为(10.80±1.95)cm2/a,流域刺槐生长并未发生明显衰退.(2)刺槐的径向生长与温度多呈负相关,与降水、相对湿度及帕默尔干旱指数(PDSI)多呈正相关.其中刺槐径向生长与上年8月、9月(P＜0.05)及当年7月均温、最高温呈显著负相关(P＜0.01),与当年5月最低温呈显著正相关(P＜0.05);与当年6月、7月降水量和上年8月、当年7月相对湿度呈显著正相关(P＜0.05),与当年3月相对湿度显著负相关(P＜0.05);与上年6月、上年10月—当年1月及当年3月—8月PDSI显著正相关(P＜0.05),干旱胁迫明显抑制流域刺槐生长.(3)1978-2017年吕二沟流域年径流量、年输沙量呈减少趋势,年际间波动较大,存在明显丰枯阶段.流域径流输沙受降水量影响显著,且径流输沙显著正相关(P＜0.001).(4)利用刺槐年轮估算吕二沟流域年径流量、输沙量效果良好(P＜0.02),方法可行.比较而言,相对自然条件下即人类干扰较少时径流输沙估算优于人类活动影响时期.利用树轮宽度反演水文过程可为缺乏水文观测资料区域提供参考.

分析植被恢复对黄土高原人工林生态系统服务的影响,对黄土高原新一轮植被恢复和可持续发展有重要意义.通过文献搜索对已发表的92篇文献中的241组对照试验结果运用整合分析方法,以黄土高原不同气候区内不同恢复年限的刺槐林为代表,选取土壤水分、碳和植物多样性三个指标评价黄土高原刺槐林的生态系统服务变化.结果表明:与对照相比,种植刺槐林后整体上显著提高了土壤碳储量和植物多样性,相对增长率分别为81.30％和32.60％(P＜0.05),而土壤储水量显著下降,相对变化率为-35.58％(P＜0.05);半湿润地区土壤储水量相对变化率(-22.98％)(P＜0.05)和植物多样性相对增长率(149.1％)(P＜0.05)显著高于半干旱地区,土壤碳储量相对增长率(57.21％)(P＜0.05)低于半干旱地区;刺槐林土壤储水量、碳储量和植物多样性的相对变化率随恢复年限增加依次为-27.57％、-41.80％、35.92％,16.84％、78.58％、156.27％和 51.38％、26.37％、27.56％.