土壤微生物是连接地上植被和土壤养分循环的关键枢纽,然而对于毛乌素沙地生态恢复过程中植被和土壤对微生物群落的影响还不明确.本研究以流动沙丘为对照(0年),以10、30、50和70年的柠条固沙林土壤为研究对象,将磷脂脂肪酸(PLFA)标记法与灌木、草本植物和土壤因子结合,探究不同恢复年限下土壤微生物群落特征的变化规律及其调控因子.结果表明:随着恢复年限的增加,生态恢复效应指数显著增加.0、10、30、50 和 70 年的总 PLFA 含量分别为 47.75、55.89、63.53、67.23 和 82.29 nmol·g-1.随着生态恢复指数增加,细菌含量和革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌比均显著增加;革兰氏阴性菌群落含量和真菌与细菌比均显著下降.灌木、草本植物和土壤因子能解释土壤微生物群落72.4％的变异,其中土壤因子的贡献高于植被因子.毛乌素沙地土壤微生物群落的总PLFA含量随恢复年限的增加而增加,并且土壤含水量、酸碱度、全氮和土壤有机碳为影响土壤微生物群落特征的主要驱动因子.随着毛乌素沙地柠条固沙林恢复年限的增加,主要由土壤因子驱动的土壤微生物群落结构发生显著变化.

多枝柽柳作为干旱荒漠区重要的防风固沙灌木,其长期与风沙作用过程中形成了柽柳灌丛沙堆,在维持区域生态环境稳定及遏制沙漠蔓延方面发挥着重要作用.以古尔班通古特沙漠西南缘地区不同发育阶段沙堆上生长的多枝柽柳(Tamarix ramosissima)为研究对象,以空间序列代替时间序列的方法模拟沙堆堆积发育过程,揭示多枝柽柳生理特征对沙堆不同堆积发育阶段的响应及适应机制.结果表明:(1)在沙堆堆积发育过程中,多枝柽柳叶片相对含水量(RWC)及自由水/束缚水(Vs/Va)均呈先上升后下降的变化,其中,在增长阶段沙堆上最高,衰退阶段沙堆上最低,水分饱和亏(WSD)则呈相反趋势;组织含水量(TWC)呈逐渐上升的变化,清晨水势(ΨPD)及正午水势(ΨMD)呈逐渐降低的变化.(2)在沙堆堆积发育过程中,多枝柽柳的光合有效辐射(PAR)、叶片温度(TL)、光合电子传递速率(ETR)以及调节性能量耗散[Y(NPQ)]日变化均呈先上升后下降的变化,衰退阶段沙堆上多枝柽柳各参数的日均值最大;各发育阶段沙堆上多枝柽柳的非调节性能量耗散[Y(NO)]日变化均呈先下降后上升的变化,实际光化学效率[Y(Ⅱ)]日变化均呈"N"型,且Y(Ⅱ)日均值大小依次为增长阶段沙堆(0.489)＞稳定阶段沙堆(0.463)＞雏形阶段沙堆(0.455)＞衰退阶段沙堆(0.439).(3)气温(TEMP)和PAR与叶片Y(Ⅱ)均呈显著负相关,与ETR均呈显著正相关;Y(Ⅱ)与ETR、Y(NO)与Y(NPQ)均呈现显著负相关;PAR、TEMP是影响不同堆积阶段沙堆上多枝柽柳生理特性的主要环境因子.综合分析表明,在沙堆堆积发育过程中,多枝柽柳可通过调节光合作用和水分利用之间的协同关系来响应微环境的变化,从而减少其脱水风险以实现最大程度资源利用.

水分是干旱沙区植被重建和恢复的主要限制性因子,土壤有效水分含量直接影响植物木质部水分运输能力.但是不同水分条件下不同物种、不同年龄木质部水力特性和叶片气体交换的差异以及土壤水分含量对其影响的相关研究目前尚不明确.因此,该研究以10年和30年树龄人工固沙区的柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)和中间锦鸡儿(C.liouana)为实验材料,研究它们在旱季和雨季下水力特性和光合特性的差异及其关系.研究结果表明,树龄对柠条锦鸡儿和中间锦鸡儿木质部导水率、导水率损失百分比、叶片水势和相对含水量等无显著的影响,而土壤水分含量对其功能性状的影响较显著.树龄和土壤水分含量均对灌木叶片光合作用有显著影响,但在土壤水分条件良好的情况下树龄对其影响不显著.此外,土壤含水量与叶片水分含量和木质部茎比导水率之间呈显著的正相关关系;木质部导水率与叶片水分状态和气孔导度也存在显著的正相关关系,而光合速率与木质部导水率和叶片水分含量存在显著正相关关系,这表明土壤水分含量通过影响木质部导水率和栓塞程度而直接影响了叶片水分状况和光合碳同化能力.总而言之,柠条锦鸡儿和中间锦鸡儿的木质部导水能力和叶片光合碳同化能力显著地响应了土壤水分含量的变化.

在腾格里沙漠东南缘选取2、5、8、34a和57 a的不同年限人工固沙植被区为研究样地,以流动沙地为对照,利用陷阱诱捕法调查了不同样地地面节肢动物的群落组成及多样性特征,阐明了固沙植被区地面节肢动物多样性对植被演替的响应规律.结果表明:(1)此次调查共获得地面节肢动物15685头,隶属于15目40科44个类群.随固沙年限的增加,地面节肢动物优势类群数基本无变化,常见类群数和稀有类群数分别增加了 0.5-2.5倍和0.25-2.75倍;捕食性、植食性和杂食性地面节肢动物类群数均呈上升趋势,分别增加了 0.5-3倍、0.2-4.2倍和0.3-1.67倍.(2)地面节肢动物总个体数表现为8 a和57 a固沙植被区显著高于流动沙地(P＜0.05),分别是流沙地的3.85倍和3.03倍;类群数和多样性指数均表现为57 a和34 a固沙植被区显著高于其他年限固沙植被区(P＜0.05),且57 a固沙植被区地面节肢动物类群数显著高于34 a固沙植被区(P＜0.05).(3)草本植物密度、土壤有机碳和灌木高度是影响固沙植被区地面节肢动物群落组成及多样性分布的主要因子,解释率分别为48.1％、25.2％和9.1％.草本密度、土壤有机碳与地面节肢动物个体数、类群数和多样性指数均呈显著正相关(P＜0.05);灌木高度与地面节肢动物个体数呈显著正相关,与类群数和多样性指数呈显著负相关(P＜0.05).综上所述:地面节肢动物对固沙植被不同演替阶段环境条件的选择和适应性不同.流动沙地经人工固沙后,可以提高地面节肢动物的多样性,且34 a固沙时间是地面节肢动物多样性保持相对稳定的关键时间节点.

在库布齐沙漠东段选取人工油蒿+杨柴半灌木混交林、人工柠条锦鸡儿灌木林和人工沙柳灌木林3种人工固沙灌木林为对象,以流动沙地为对照,研究了不同人工固沙灌木林土壤微生物生物量碳和氮、土壤微生物数量、土壤养分变化特征及其相互间的关系,并运用综合指数法对不同人工固沙灌木林的土壤恢复效果进行评价.结果表明:与流动沙地相比,3种人工固沙灌木林土壤有机质、全氮、全磷、速效氮、速效磷含量均有不同程度的提高,表现为油蒿+杨柴林地＞柠条锦鸡儿林地＞沙柳林地,且均随土层加深而依次降低;3种人工固沙灌木林土壤微生物数量、微生物生物量碳和氮均较流动沙地有不同程度的提高,油蒿+杨柴林地土壤微生物生物量碳氮和细菌相对数量高于柠条锦鸡儿林地和沙柳林地,而真菌与放线菌相对数量则表现为柠条锦鸡儿林地＞沙柳林地＞油蒿+杨柴林地;影响3种人工固沙灌木林土壤细菌相对数量、微生物生物量碳和氮的因素是土壤有机质、全氮、全磷、速效氮、速效磷含量及C/N,而放线菌、真菌相对数量主要受土壤全磷、速效氮和速效磷含量的影响;不同人工固沙灌木林土壤质量排序为:油蒿+杨柴林地＞柠条锦鸡儿林地＞沙柳林地＞流动沙地,表明不同人工固沙灌木林的建植均能提高沙漠土壤质量,其中营造油蒿+杨柴半灌木混交林对提高土壤综合质量效果最好.

人工绿洲是干旱区主要的自然景观之一,为了维护绿洲稳定而营建的防护林强烈改变地表生态水文过程,进而影响着地上和地下生物多样性.然而,以往的研究对地上植被关注较多,而对土壤动物研究较少.以张掖绿洲外围人工固沙植被群落和天然固沙植被群落为研究对象,探讨人工固沙植被恢复对荒漠地表节肢动物群落组成及多样性的影响及不同动物类群对植被变化的响应模式.研究表明,天然固沙植被群落转变为人工固沙植被群落显著降低了地表节肢动物数量,但提高了地表节肢动物类群丰富度和多样性,这在5月份表现尤为明显.植被类型对地表节肢动物群落的影响不同,8月人工柽柳林群落地表节肢动物活动密度、类群丰富度和多样性均显著高于人工梭梭林群落.人工固沙植被恢复显著降低了适应荒漠环境的拟步甲科甲虫,而蚁科和部分蜘蛛的数量显著增加,它们对人工固沙植被恢复的响应模式不同决定了群落结构及多样性的变化规律.此外,研究还发现一些地表节肢动物类群对不同生境具有强烈的指示作用,如拟步甲科等可指示荒漠生境,潮虫科等可指示梭梭林生境,而蠼螋科和狼蛛科等可指示柽柳林生境.综上所述,人工栽植固沙灌木形成的固沙植被群落导致了一些适应荒漠环境的地表节肢动物类群的数量降低,但也为更多的地表节肢动物类群提供了适应栖居环境和充足的食物资源等,从而提高了地表节肢动物的多样性.

中间锦鸡儿(Caragana intermedia)耐旱、耐寒、耐盐碱,是西北干旱地区的重要固沙灌木,筛选其优良抗逆境基因,可以作为林草基因工程的基因源.该研究在中间锦鸡儿干旱胁迫转录组文库中找到1条CiPUB22 (plant U-box 22)基因的cDNA全长序列,CiPUB22基因包括1 260 bp开放阅读框,编码419个氨基酸.实时荧光定量PCR结果表明,在脱水、盐和ABA处理1h后CiPUB22基因表达量上升并达到最高水平,分别为对照表达量的12倍、35倍和7倍,干旱处理后12d达到最高值,为对照的2.5倍,表明CiPUB22的转录水平受非生物胁迫诱导.构建CiPUB22基因的过表达载体并转化野生型拟南芥,对转基因纯合体株系抗逆性分析发现,在150 mmol/L NaCl、1 μmol/L ABA和400 mmol/L甘露醇处理下,过表达株系的萌发率均低于野生型,说明过表达CiPUB22基因降低了拟南芥在种子萌发过程中对盐和渗透胁迫的耐受性.

在青藏铁路沿线进行植被恢复不仅可以促进沙质土壤理化性质的改善,同时植物的防风固沙功能对铁路的安全运营起到了重要作用,具有显著的生态和经济效益.通过对青藏铁路西格段沿线5种不同类型恢复模式下土壤及植被的调查,分析不同恢复措施对林下植物多样性以及土壤理化性质的影响.结果表明:人工林恢复模式的地上生物量和生产力因林龄和林分配置不同而不同,小叶杨(Populus simonii)-柽柳(Tamatix chinensis)林生产力最高(1.92t·hm-2·a-1),其次为柽柳纯林(1.87 t·hm-2·a-1);各模式均增加了林下植物的多样性,其中:沙棘(Hippophaer hamnoides)-柠条(Caragana korshinskii)林内有6科8属8种植物,柽柳纯林有7科9属10种,但不同模式下优势种不同.5种恢复模式均提高了土壤水分含量;人工灌木林在改善土壤碱化程度上比乔木林效果更好:沙棘-柠条林和柽柳纯林表层(0～20 cm)土壤pH分别降低了1.05和0.75;5种恢复模式均提高了土壤有机质含量,并且表现出由表层向深层逐渐减小的“表聚”现象,柽柳纯林土壤有机质增加最为明显:表层含量达12 g·kg-1,比恢复前增加了近1倍.这一研究结果为青藏铁路沿线的沙漠化防治和植被恢复中恢复模式的选择提供了理论依据.

为科学认识科尔沁沙地优势固沙灌木的生态适应性和固沙植被演变规律,该研究对科尔沁沙地流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘和丘间低地的优势固沙灌木小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)和盐蒿(Artemisia halodendron)进行野外调查,研究了这两种固沙灌木的叶片氮(N)、磷(P)化学计量特征、灌丛土壤养分状况以及内稳性特征.结果 表明:1)与盐蒿相比,灌木小叶锦鸡儿具有较高的叶片N含量及N∶P,而P含量仅为盐蒿的1/2;2)两种优势固沙灌木灌丛下土壤的全N、全P含量及速效N、速效P含量高于该地区土壤的平均水平,小叶锦鸡儿灌丛下土壤养分含量显著高于盐蒿灌丛下土壤;3)盐蒿叶片N、P化学计量内稳性指数(H)表现为HP＞HN∶P ＞HN,说明盐蒿更易受土壤N的限制;小叶锦鸡儿叶片N、P化学计量内稳性指数表现为HN∶P＞HN＞HP,意味着小叶锦鸡儿更易受土壤P的限制.在N含量较低的沙化草地,HN较高的固沙灌木小叶锦鸡儿比盐蒿更具生长优势,对于该地区生态恢复及保护具有不可替代的作用.然而,小叶锦鸡儿额外吸收的N,使其生长过程可能易受P的限制,因此在沙地恢复过程中应注意土壤P的供应.

为揭示固沙林发育过程中土壤固碳效应与有机碳库稳定性特征,基于时空替代法,采集陕北毛乌素沙地治沙区从半固定沙地到林龄分别为22、32、53年乔木和灌木林地表层土壤,分析了土壤总有机碳、氧化活性碳和惰性有机碳含量,以及矿化碳排放、分解比例的变异特征.结果表明:相比半固定沙地,22～53年灌木和乔木林土壤总有机碳增幅来自惰性碳,分别为3.5～6.2和3.2～7.7 g·kg-1,来自氧化活性碳的分别为2.8～3.4和1.3～2.8 g·kg-1,并且灌木和乔木林土壤氧化活性碳所占比例未发生显著变化,分别维持在37.0％和26.8％,但土样经恒温培养60 d后,该比例分别下降至25.7％和17.4％.培养结束时,2种林地22～53年土壤有机碳矿化率无显著差异;所有固沙林样地矿化碳的损失有76.9％ ～ 98.7％来自于氧化活性碳,仅1.3％～23.5％来自于惰性碳.与最高碳分解速率相比,土壤碳累积释放量与β-葡萄糖苷酶、脱氢酶活性的相关性更强,但酶活性在32～53年林地无显著差异.综上,随着固沙林林龄增加,土壤有机碳趋向少排多存碳的稳定性特征,乔木固沙林固碳效果优于灌木固沙林.