雨水蓄集系统是黄土丘陵区广泛用于提高水资源利用效率、减少水土流失的生态工程措施,而生物结皮作为一种潜在的集雨面制作材料,其集雨汇流的效果及关键影响因子尚不明确.本研究针对黄土丘陵区风沙土发育的藻类和藓类生物结皮,以裸土为对照,分别开展了 40、60、80和100 mm·h-1降雨强度下的野外模拟试验,比较了不同降雨强度条件下裸土与生物结皮集雨面的初始产流时间、累积集雨量和集雨效率的差异,并进一步揭示了影响生物结皮集雨效果的关键因子.结果表明:生物结皮集雨面显著降低了初始产流时间,且藓结皮效果显著优于藻结皮.当雨强为40～100 mm·h-1、坡度为40°时,藓结皮的初始产流时间比藻结皮和裸土分别降低了 49.7％～77.5％和89.7％～110.0％.生物结皮集雨面显著增加了累积集雨量和集雨效率.当雨强为100 mm·h-1、坡度为40°时,与裸土相比,藓结皮和藻结皮的累积集雨量分别增加了29.6％和7.8％,集雨效率分别提高了 25.7％和6.8％.方差分析表明,坡度、雨强和地表覆盖类型均能显著影响集雨效率,且除坡度与雨强外其他因素间交互作用显著.此外,集雨面坡长、坡度及生物结皮培育方式等是布设集雨小区时需统筹考虑的关键影响因子.综上,黄土丘陵区生物结皮集雨面具有良好的集雨效率且藓结皮集雨效果更佳,随着坡度和雨强增加其集雨效率更优.

近年来,黄河中游许多流域径流量呈现减少的趋势,这与区域大规模的植被恢复密切相关.但是,汾河源区径流量却呈现了增加的相反趋势,有关变化环境对该区域径流及其组分的影响机制尚不明晰.因此,研究选取汾河源区北石河流域为研究区域,利用 9 种数值模拟法对 1962-2018 年河川径流进行分割并分析其适用性,采用Mann-Kendall检验法和累积距平法对径流、地表径流及基流进行了趋势分析和突变检验,评价了植被恢复和气候变化对径流及其组分的影响.结果表明:(1)在 9 种数值模拟法中,Lyne-Hollick滤波法的估算精度相对较高,其日基流过程线能较好地反映基流的滞后性和稳定性,因此更适用于研究区的基流估算;(2)流域多年平均径流深、地表径流深、基流深和基流指数分别为 181.2 mm、67.4 mm、113.8 mm和 0.68,基流是径流的主要组成部分.流域年径流和年地表径流均呈现不显著的增加趋势,而年基流呈现显著的增加趋势,基流的增加是径流变化的主要直接原因,三者的突变时间均出现在1994 年左右;(3)降水的变化引起了径流、地表径流及基流的增加,降水增加是径流变化的主导因素(贡献率为 78.1%—79.4%),而植被恢复引起了径流和基流的增加以及地表径流的减少,其主要原因在于植被恢复能够促进降水入渗,减少地表径流,同时北石河流域的土壤和地貌条件使增加的降水入渗量更多地形成了基流,植被恢复的基流增加效应超过了地表径流减少效应,从而最终增加了径流总量.研究结果可为汾河源区植被合理恢复及水资源可持续利用提供科学依据.

盐碱土壤环境是限制猴樟引种推广的主要因素,脯氨酸是植物适应盐碱胁迫过程中主要的渗透调节物质,筛选并鉴定出调控脯氨酸合成的转录因子对于猴樟耐盐碱分子机理研究具有重要意义.以猴樟实生苗为材料,在水培培养基础上,采用0 mmol/L和 10 mmol/L的Na2CO3 溶液分别进行处理,选取处理 6 h、48 h的根系组织,提取总RNA,构建盐碱胁迫诱导的猴樟根系酵母cDNA文库;以猴樟根系总DNA为模板,克隆CbP5CS启动子序列,采用Y1H酵母单杂交技术筛选出与CbP5CS启动子存在互作的蛋白,并通过高通量测序技术鉴定出调控猴樟脯氨酸合成的转录因子.结果表明,所构建的cDNA文库库容为 4.88×107 CFU/mL,总克隆数为 9.76×107 CFU,文库插入片段平均长度在 1 000 bp左右,cDNA片段重组率为 100%,符合酵母杂交试验的要求.克隆出的CbP5CS启动子序列长 2 012 bp,成功构建出诱饵质粒pHIS2-CbP5CS,利用共转化方法从文库中筛选到 31 个与CbP5CS互作的EST序列.经酵母回转验证,31个EST序列均与CbP5CS存在互作.经NGS测序和BLAST比对搜索,获得6个转录因子基因,分别为锌指CCCH结构域蛋白 25 异构体 x1、AtbHLH104、转录因子 TFIIIC、RING/FYVE/PHD锌指超家族蛋白、GATA型锌指转录因子家族蛋白、AtbHLH96.以上结果为进一步研究植物脯氨酸代谢响应盐碱胁迫的分子机制奠定基础.

植物可利用水分是决定沙生灌木生长的主要因子,生物土壤结皮(简称生物结皮)在降雨期影响降水入渗,而在干旱期改变土壤蒸发,从而影响土壤水分分布,最终可能影响灌木水分吸收.然而,关于不同降水条件下生物结皮对灌木水分吸收和水分胁迫的影响机制认识不清.以油蒿为研究对象,基于试验数据和1990—2019年气象数据,采用数学模拟,定量研究了毛乌素沙地不同降水条件下生物结皮对土壤水分分布和油蒿水分吸收的影响,评价干旱期生物结皮对油蒿水分胁迫的影响.结果表明:与无结皮处理相比,生物结皮处理的土壤蒸发降低了5.1％;生物结皮改善了干旱期的土壤水分条件;生物结皮降低了植物水分胁迫的比例,平均降低比例为8.1％;生物结皮提高了植物水分吸收,平均增加比例为12.8％;生物结皮和对照植物水分吸收的比值随季节降水量的增加而降低,均值为1.13.综上,生物结皮的出现并未消极地影响沙生灌木的水分吸收.研究结果有助于理解生物结皮与灌木的共生或竞争关系.

沟头是沟蚀的主要活跃部位,严重影响沟头溯源侵蚀发生.为明确典型植被沟头根系分布及土壤物理和力学特征,本研究以自然植被恢复沟头和人工植被恢复沟头为对象,分析0～1 m不同土层土壤入渗、根系分布以及根-土复合体物理和力学性质特征.结果表明:不同植被沟头土壤容重和总孔隙变异较小,容重在1.10～1.37 g·cm-3,土壤总孔隙在48.3％～58.4％;各入渗指标总体随土层增加呈减小趋势,自然植被恢复沟头不同土层入渗速率在20～30 min趋于稳定,人工植被恢复沟头在40 min趋于稳定,人工植被恢复沟头的稳定入渗速率、平均入渗速率总体大于自然植被恢复沟头;根长密度、根表面积密度、平均直径均随土层的增加呈降低趋势,除20～40 cm 土层,自然植被恢复沟头的根长密度、根表面积密度、平均直径皆小于人工植被恢复沟头,两种植被沟头根系主要由0～0.5 mm根系构成,占总根长的84.2％～93.6％;在垂直深度上,随着含水率的增加,黏聚力随土层由上至下迅速线性衰减,变化范围为0.42～22.67 kPa,在相同含水率条件下,人工植被恢复沟头平均黏聚力总体大于自然植被恢复沟头.本研究揭示了植被对沟头溯源侵蚀的阻控作用,可为该区域有效防治水土流失提供科学基础.

水资源短缺是影响黄土高原雨养农业发展的关键性因素,雨水资源开发是缓解该地区水资源短缺的有效措施.本研究利用管式TDR系统监测21年红富士老果园0～ 300 cm土层土壤含水率变化,分析了雨水集聚深层入渗(RWCI)系统下黄土高原旱作山地果园土壤水分时空分布特征.结果表明:RWCI系统能够显著增加果园土壤含水率,特别是40 ～ 80 cm土层(土壤含水率低值区)土壤含水率,在该区域,不同设计深度(40、60和80 cm)RWCI处理(RWCI40、RWCI60和RWCI80)年均土壤含水率分别较鱼鳞坑(CK)处理提高75.3％、85.4％和62.4％,分别较裸露坡地(BS)处理提高39.2％、47.2％和29.1％.RWCI40、RWCI60和RWCI80处理土壤水分入渗最大深度分别为80、120和180 cm,显著深于CK处理(60 cm),其中土壤水分变化幅度最大的土层分别主要发生在0～60、0～ 100和0～120 cm.在果树整个生育期内,RWCI处理土壤平均含水率(0～300 cm)以RWCI80处理最大,其次是RWCI40和RWCI60处理.总体来看,RWCI系统是黄土高原实现雨水资源化和农业高效用水的有效措施.

通过圆盘入渗试验,探讨不同改良剂施用量下土壤入渗特性的变化,揭示添加生物炭和聚丙烯酰胺(PAM)对海涂围垦区盐碱土水力学参数、孔隙特征及不同级别孔隙水流贡献率的影响.结果表明:单施2％生物炭,土壤饱和导水率比对照增加46.4％;盐碱土饱和导水率随PAM施用量增加而减小.单施2％生物炭使土壤总有效孔隙度和半径＞100 μm的有效孔隙度分别增加8.3％和10.2％.单施PAM时,土壤总有效孔隙度和不同半径孔隙有效孔隙度均有减小趋势,其中,PAM梯度为1‰时最明显,减幅高达88％以上.施用生物炭和PAM后,半径＜100 μm的孔隙的水流贡献率呈下滑趋势,半径＞500 μm的孔隙对土壤水流运动起主导作用.

以青藏高原东北缘高寒草甸为对象,研究不同放牧强度下植物群落和土壤因子的变化,以及群落物种分布与土壤物理结构和化学养分因子的定量关系.结果表明:放牧导致优势种为垂穗披碱草和大针茅的原植物群落发生分异,高强度放牧样地优势种变为矮生嵩草和阴山扁蓿豆,低强度放牧样地变为垂穗披碱草和冷地早熟禾.随放牧强度增加,物种丰富度、重要值和生物量均显著降低.各放牧强度样地重要值的物种序列均可用对数模型进行拟合;随放牧强度增加,植物重要值累积到占整个群落重要值50％时,需要的物种数降低.土壤速效P、速效K、紧实度、含水量、稳定入渗速率和大团聚体指标随放牧强度显著变化,但变化规律不一致.CCA排序表明,土壤紧实度是放牧作用下影响群落物种分布格局的最关键因子.方差分解表明,土壤因子共解释群落物种分布变异的30.5％,其中土壤物理性状单独解释群落物种分布的22.8％,对群落物种分布的贡献率最高,主要影响放牧干扰下高寒草甸植物群落物种的分布格局.

薇甘菊(Mikania micrantha)是华南地区危害最严重的外来入侵杂草,对天然次生林及其他生境造成了极大危害.为了探明本地植物粉葛(Pueraria lobata var.thomsonii)对薇甘菊进行替代控制的可能性,本实验设置了3个水分水平(土壤含水量低于10％、60-70％和120-130％)分别模拟干旱、正常水分(对照)和涝害,比较了粉葛与薇甘菊对干旱和涝害胁迫的生理响应差异.结果表明,在干旱胁迫条件下,薇甘菊的总生物量显著降低,为对照的72％.在涝害胁迫条件下,粉葛的总生物量与对照相比上升了16％,薇甘菊则下降了15％.在干旱条件下,粉葛的根冠比、叶绿素含量均显著高于对照(P＜0.05),恢复正常水分后仍维持在较高水平;薇甘菊的根冠比则与对照无显著差异(P＞0.05),仅叶绿素含量显著高于对照(P＜0.05),在恢复正常水分后低于正常水平.这可能与粉葛体内积累了较多的渗透调节物质脯氨酸和可溶性糖有关.在涝害条件下,粉葛的丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量约为对照的2.1倍,薇甘菊则为对照的3.0倍;恢复正常水平后,薇甘菊和粉葛的MDA含量仍维持在较高水平,分别为对照组的1.72倍和1.45倍,显示粉葛受涝害影响的膜脂过氧化水平低于薇甘菊.可见,粉葛比薇甘菊有更强的抗干旱能力和抗涝害能力,对水分胁迫有更强的抗逆性,抵抗力指数也印证了这一点.这为选用粉葛对华南地区天然次生林林缘或林窗生境薇甘菊的替代控制提供了理论支持.

土壤渗透能力是影响土壤侵蚀的重要因素之一,是反映土壤水源涵养及调节功能的重要指标,目前对于亚热带山地草甸土壤渗透性方面研究较少.江西武功山草甸是亚热带山地草甸的典型代表,以面积广和分布基准海拔低的特点,在华东植被垂直带谱中具有典型性和特殊性,但是人为干扰和过度旅游开发使武功山脆弱的山地草甸出现严重退化和破碎化态势.以武功山不同海拔及旅游干扰程度山地草甸土壤为研究对象,分别测定0-20 cm和20-40 cm土层土壤的初渗率、稳渗率、平均入渗率、前60分钟渗透总量、温度、湿度、容重、最大持水量、最小持水量、毛管持水量、pH、有机质、速效氮、速效磷、速效钾等理化指标,分析不同海拔及干扰程度草甸土壤渗透性特征,探讨影响土壤渗透性的相关因子,为亚热带地区退化草甸的修复及可持续经营提供参考.结果表明:(1) 1600-1800 m范围,随着海拔升高,土壤渗透性呈降低趋势,在1900 m范围土壤渗透性又有所提高,各海拔土壤渗透性排序为1600 m＞1700 m＞1900 m＞1800m.(2)随着干扰程度增强,草甸土壤渗透性呈降低趋势,各干扰程度的土壤渗透性排序为无干扰＞轻度干扰＞中度干扰＞重度干扰.(3)所有草甸分布区0-20 cm土层的土壤渗透性均高于20-40cm土层,初渗率＞平均入渗率＞稳渗率.(4)通用经验模型更适合武功山草甸土壤水分入渗过程,Horton模型次之,Philip模型和Kostiakov模型拟合效果都比较差.(5)土壤渗透性与土壤湿度、毛管持水量呈显著正相关(P＜0.05),与容重呈显著负相关(P＜0.05),初渗率及平均入渗率与速效氮含量显著正相关(P＜0.05),稳渗率、平均入渗率、渗透总量与速效钾含量呈显著正相关(P＜0.05).