为揭示高寒半干旱区不同降雨强度对植被差异下沙化土地土壤含水量变化过程的影响.以青海共和盆地东缘黄沙头乔木、灌木和裸地为研究对象,基于2020、2021和2022年5月-9月植物生长季土壤含水量、降雨量和细根分布监测数据,分析2020年、2021年、2022年各生境0-200 cm深度土壤水分对小雨、中雨、大雨的响应.连续动态监测结果表明,大雨、中雨条件下,随土层深度的增加土壤水分对降雨的响应时间延长.乔木林和灌木林土壤水分对中雨、大雨最大响应深度为70 cm、100 cm,裸地对中雨、大雨最大响应深度为50 cm、100 cm.随土层深度的增加,小雨对乔木、灌木、裸地土壤水分的补充作用逐渐降低;中雨对灌木林土壤水分的补充作用逐渐降低,乔木林与之相反;大雨时乔木林、灌木林变异系数呈现S型变化,因此大雨对其土壤水分的补充存在明显的分层利用现象.不同植被类型土壤水分空间变化差异以及对降雨的响应受植被冠层截留对降水再分配的影响,土壤含水量与环境因子间的主成分分析表明,郁闭度、叶面积指数、150-200 cm 土壤容重、细根生物量密度、根表面积密度、根长密度、比根长是反映研究区土壤水分的显著因子(P＜0.05).研究表明不同降雨强度植被土壤含水量存在明显差异,高寒半干旱区沙化土地乔、灌植被的建植可提升深层土壤储水能力;结果可为沙化土地恢复和水土流失防控提供科学依据.

植物根系由不同根序组成,然而,它们的解剖结构对生境干旱化的响应是否一致尚不清楚.本研究于藏东南东达山矮生嵩草(Kobresia humilis)高寒草甸沿生境干旱化梯度设置6个样方,采集矮生嵩草根系.采用石蜡切片法,运用方差分析和主成分分析,比较不同土壤水分生境中矮生嵩草一、二级根序解剖结构的差异及可塑性强弱.结果表明:一、二级根序间解剖结构组成无明显差异,其中横切面表皮细胞近似长方形,排列紧密,面积较大(87.6～126.0 μm2);一、二级根序解剖结构对生境干旱化的响应不一致,一级根中表皮细胞面积和厚度、皮层厚度(含厚壁组织与薄壁组织)均与土壤含水率呈显著负相关,而二级根呈显著正相关(P＜0.05);一级根表皮占径比在土壤水分梯度间的差异显著,其他解剖结构差异不显著,二级根解剖结构(除皮层厚壁组织外)的占径比在土壤水分梯度间均存在显著差异;一级根皮层薄壁组织厚度可塑性最强,皮层厚壁组织厚度可塑性最弱;二级根横切面面积可塑性最强,中柱面积可塑性最弱.总之,矮生嵩草根系表皮、皮层解剖结构对土壤水分梯度变化的可塑性强,但不同根序解剖结构对生境干旱化的响应机制不同,表现出其潜在的储水能力或吸水能力,根序法为研究根系的生境适应提供了新的思路.

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％.

干旱半干旱区灌木、半灌木等木本植物的分布面积持续增加(灌丛化)显著改变了原有植被景观及生态过程,但缺乏对长期封育过程中灌木物种取代草本物种进而影响草地群落组成、结构和功能的研究.为揭示长期封育措施下典型草原灌丛化特征及地上/地下植物群落的响应规律,研究通过对宁夏云雾山典型草原同一封育草地不同时间(2010年、2016年、2021年)植物群落(物种重要值、丰富度、多样性和生物量)和土壤特性(土壤容重、土壤水分及储水量、养分、pH)的定点观测,探讨了长期封育过程中灌木物种矮脚锦鸡儿(Caragana brachypoda)驱动的植被和土壤特性变化.结果表明,(1)灌木矮脚锦鸡儿已经取代草本植物成为封育草地的优势种,群落中灌木生物量、总生物量以及盖度、高度显著增加,但对植物密度的影响较小;(2)灌丛化过程中草地群落Patrick丰富度指数、Simpson优势度指数和Shannon-Wiener多样性指数显著降低,而Pielou均匀度指数显著增加;(3)灌丛化引起土壤深层(60-100 cm)容重显著增大,土层储水量随土层深度的增加呈先减少后增加的趋势;(4)灌丛化使得土壤有机碳含量在浅层(0-60 cm)显著增大;土壤全氮含量在深层(60-100 cm)显著增大;土壤全磷含量在各土层都显著增加.研究发现,草地灌丛化改变了群落地上-地下过程,且植被和土壤的响应可能存在不同步性.研究结果可为群落演替和草地稳态理论以及灌丛化草地的适应性和可持续管理提供一定的理论和实践支撑.

黄土高原退耕还林(草)工程实施20年来,长期苹果种植导致了普遍的土壤干层和大量的硝态氮累积,严重制约了农业和区域经济可持续发展.因此,明确不同树龄苹果园改种粮食作物后对深层土壤干层恢复(土壤水分变化)、土壤硝态氮累积与运移的影响,对于黄土高原土壤质量改善和农业可持续发展具有重要意义.以渭北旱塬为研究区,选取10、15、20、30a树龄的苹果园以及对应树龄苹果园改种为2、5a和6a粮食作物为研究对象,通过对比分析各样地0—10m剖面的土壤含水量、土壤储水量和硝态氮含量的差异,基于空间换时间的方法定量评估苹果园改种为粮食作物后对于深层土壤水氮的影响.结果表明:(1)不同林龄苹果园改种粮食作物后土壤水分迅速恢复,在2年之内均可恢复到7.0m左右深度.(2)改种后土壤储水量对于改种后土壤硝态氮累积量的直接影响最显著,不同林龄苹果园改种粮食作物后,土壤剖面中硝态氮随着土壤水分的恢复发生了不同程度的淋失.改种前苹果园种植年限对于改种后土壤硝态氮累积量起决定性作用,改种前林龄越长,改种后硝态氮累积量越大、淋失深度越浅.(3)土壤累积硝态氮的淋失滞后于土壤水分的向下运动.可见,不同林龄苹果园改种粮食作物后土壤水分均迅速恢复,加速了硝态氮的淋失,然而土壤水分与硝态氮的向下运动并不一致.在进行改种时需要综合考虑土壤水分恢复的同时硝态氮迅速淋失造成土壤质量下降的问题.研究对合理优化土地利用结构以及改善土壤质量等具有深远的意义.

以科尔沁沙地固定沙丘-丘间低地景观单元为研究对象,在植被生长旺盛期且长时间干旱条件下,对中等降雨(22.6 mm)前后不同微地形土壤水分分布特征和降雨补给情况进行分析.结果表明:水平方向上,降雨前后不同部位0～ 90 cm深度平均土壤水分有显著差异,雨前其大小顺序为丘间低地(10.30％)＞沙丘下部(1.18％)＞沙丘顶部＞(0.98％)＞沙丘上部(0.75％);雨后沙丘顶部、上部、下部和丘间低地土壤水分分别增加了2.33、3.50、1.77和0.34个百分点;垂直方向上,降雨前后土壤水分的深度分布与水平位置有关;雨前表层土壤水分均很小,沙丘顶部、上部分别在40～100、20～50和120～200 cm深度有较弱的高值区,沙丘下部和丘间低地土壤水分随深度增大,直至饱和含水量;雨后沙丘顶部、上部、下部、丘间低地土壤储水量增加的深度范围分别是0～ 110、0～110、0～50和0～ 90 cm,其储水量增量分别占降雨的12.4％、13.3％、9.7％和14.6％,其中丘间低地0～ 10 cm土层储水量增量显著高于沙丘顶部和上部,其他深度不同部位储水量增量差异不显著(P＜0.05);在长时间无降雨条件下,沙丘顶部和上部土壤水分状况趋于恶化,有必要采取一定间伐措施,使土壤水分维持动态平衡,才有利于植被恢复和沙漠化逆转.

为探索不同阶段保护目标下的河道内生态需水量,以北京市房山区琉璃河为研究区域,基于琉璃河湿地工程的特殊性,在同一工程项目中不同阶段创新应用环境需水量和生态需水量两种方法,分别计算在截污工程完成前满足水质要求的河道内环境需水量和截污工程完成后满足以生态修复及维系为目标的河道内生态需水量.结果表明:①在考虑景观娱乐水量的情况下,二者一次生态需水量均为196.78万m3;②以消纳污水为目标的河道内,在考虑河道稀释及自净能力的情况下,利用水环境容量法计算净化需水量为30.39万m3/d,景观娱乐需水量为180.43万m3,河道内的土壤储水量为16.136万m3,水体年蒸发量为78.03万m3,日均0.21万m3,水体渗透量21.69万m3,日均渗漏量0.03万m3;③以生态修复及维系为目标的河道中,河道内的水生生物栖息地需水量为71.73万m3.④在截污工作未完成之前,琉璃河内需每日注入30.39万m3/d的湿地出水以保持水质.在不同保护目标下,如何依据河流实际情况,满足不同的需求,完善生态需水的计算方法,维持生态系统的稳定健康,将是未来关注的重点.

水分收支是对水循环要素降水、蒸发蒸腾、径流以及土壤贮储水量变化等的定量刻画,对水资源的可持续开发及利用至关重要.基于黑河流域阿柔观测站2014和2015年水文气象观测数据,运用水量平衡理论,定量的评估了高寒草甸生态系统的水分收支动态,并结合双源模型对高寒草甸生态系统蒸散发(植被蒸腾和土壤蒸发)进行拆分及评价.研究结果表明(1)在生长季(5-9月)植被蒸腾是高寒草甸生态系统主要的耗水形式,2014和2015年生长季平均蒸散比(T/ET)分别为0.74和0.79;(2)土壤水分的剧烈变化主要发生在0-40 cm处,且受冻融过程影响显著;(3)在降水较多的年份(2014)高寒草甸生态系统水分收支基本平衡,且不受冻融影响的月份(6—9)有地表径流产生约42 mm;在正常年份(2015),生态系统呈现水分亏缺,亏缺量约为134mm,6-9月约亏缺26 mm;(4)模型估算蒸散发(ET)与实测蒸散发具有很好的一致性,相关系数可达0.90,敏感性分析表明模型输入变量对蒸散发(ET)及蒸散比(T/ET)产生的误差较小,双源模型可以很好地实现对高寒草甸生态系统蒸散发(ET)的拆分.

植物夜间液流是指在夜间通过植物根、茎、叶的液流量.通过对不同物种、生境条件和生态系统的野外观测,发现植物普遍存在夜间液流现象.阐述了夜间液流的大小和组成,并从夜间液流的生理意义、影响因素以及生态水文效应方面对已有的研究进展进行了综述和分析.夜间液流占到全天液流量的比例一般为5％-20％.夜间液流包括夜间的茎干补水和夜间的蒸腾作用两个过程,但是目前没有确切的研究或技术将两个过程区分开来.虽然总体上夜间液流占全天液流量的比例较少,但是夜间液流的储水作用和蒸腾作用对植物生长有重要的生理意义:夜间储水作用提高了夜间茎干水势,减少了木质部栓塞化的形成,加强了植物对干旱环境的适应;而蒸腾作用在营养物质和氧气的运输,以及水力提升等方面有重要的作用.影响夜间液流的因素较多,气象因素是主要的环境驱动因子,而土壤水分对夜间液流的影响与生境有关;夜间液流还受到物种和生境条件的影响.由于夜间液流的发生,对不同尺度的生态水文过程产生了影响.未来的研究可进一步探索在全球气候变化条件下,夜间液流与植物生理过程的关系,定量评估夜间液流对生态水文过程的影响,深入研究夜间液流对环境变化的响应.

由人类活动所导致的锡林郭勒草原草场退化、土地沙化等问题日趋严重,区域土壤水资源评价及其科学管理显得尤为重要.为确定锡林郭勒典型草原不同放牧条件对深层土壤剖面水分动态及降水入渗补给的影响,选取1979年以来禁牧(UG79)、1999年以来禁牧(UG99)和持续放牧(CG)3个小区6个土壤剖面,基于不同深度土层的质量含水量、C1浓度等数据,分析了放牧对深层土壤水分特征的影响,且利用氯质量平衡法估算了降水入渗补给量.结果 表明:1)禁牧可以提高土壤含水量,且禁牧时间越长,效果越显著,尤以表层最为明显.整个土壤剖面(0-5 m)土壤质量含水量的平均值表现为UG79＞UG99＞CG,但各处理间差异不显著;0-2 m UG79处理土壤剖面质量含水量分别比UG99和CG处理高26.6％和33.7％,储水量分别高87.19 mm和82.52 mm,且UG79处理与UG99、CG差异显著,但UG99与CG之间差异不显著;除局部地区受土壤颗粒组成影响含水量不同外,各处理2-5 m土层含水量和储水量差异较小;2)不同处理土壤含水量影响因素不同,0-2 m土层含水量主要受地表植被状况和土壤性质的综合影响,而2-5 m土层则主要受土壤颗粒组成的影响,但随着禁牧年限的增加,土壤有机质(SOM)含量对土壤水分的影响越来越大.UG79整个土壤剖面含水量与土壤颗粒含量和SOM含量呈极显著相关关系,UG99与CG处理0-2 rn含水量与SOM含量呈极显著相关关系,2-5 m土壤含水量与土壤颗粒含量呈极显著相关关系,而与SOM含量相关性不显著;3)氯质量平衡法估算得出年降水入渗补给率为UG79＞ UG99＞ CG,35年和15年禁牧分别将降水入渗补给率提高了130.2％和44.5％;考虑干沉降的不确定性,研究区年降水入渗补给率为1.95-7.61 mm·a-1,仅占年降水量的0.55％-2.13％.总之,禁牧能够增加土壤含水量和储水量,增加降水对土壤水分的补给,但降水不是该区地下水的主要补给源.