内蒙古干旱区是我国高原生态屏障的重要组成部分,其生态环境直接关系我国北方生态安全.为了解研究区生态系统蒸散发分割对于干旱的响应,本研究利用涡度相关数据构建SiB2模型,对植被蒸腾(T)、地表蒸散发(ET)等变量进行模拟,同时分别基于通量站涡度相关数据和SiB2模型模拟计算蒸腾与蒸散发比值(蒸腾比,T/ET).结合标准化降水蒸散发指数(SPEI),分析研究区不同干湿条件下蒸散发及蒸腾比的变化.结果表明:研究区蒸散发受干旱影响显著,蒸散发量与干旱程度呈负相关,在严重干旱或极端干旱时,干旱对蒸散发的影响滞后时间增长;根据SiB2模型计算的研究区2003-2012年蒸腾比与干旱程度相关性较强,在较为湿润的年份(2003),T/ET达到最高值0.64,表明此时植被蒸腾在陆地蒸散发中占据主导地位;在较为干旱的年份(2005),T/ET值为0.39,表明在干旱胁迫下植被蒸腾减少,土壤蒸发占蒸散发量的主导地位;在持续干旱情况下,T/ET和ET的波动范围均较小,表明植被在干旱情况下能根据外界环境进行自我调节,对维持生态系统稳定有一定的作用.研究结果对于推动区域水资源合理配置、提高干旱区水分利用效率具有一定意义.

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.

降雨是黄土高原地区土壤水分的最主要来源.为探明降雨减少对黄土高原半湿润区土壤养分和土壤微生物群落的影响,以刺槐人工林为研究对象,通过搭设透光遮雨板将部分穿透雨导流至样地外,实施了4年减少总降雨输入约47％的处理,测定了在不同降雨条件下林地的土壤养分含量、土壤微生物多样性及群落结构特征,分析了土壤养分和土壤微生物对降雨减少的响应.结果表明:减雨处理4年后(1)处理样地土壤有机碳、全氮、全磷含量均低于对照样地,全氮含量差异达到显著水平(P<0.05).(2)对照样地生长季和非生长季土壤微生物多样性差异不显著,减雨处理样地非生长季的细菌均匀度显著低于处理样地生长季和对照样地非生长季(P<0.05);降雨减少对细菌和真菌的群落结构有显著影响(P<0.05),降雨减少显著降低了酸杆菌门(Acidobacteria)的相对丰度,提高了放线菌门(Actinobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、子囊菌门(Ascomycota)和被孢霉门(Mortierellomycota)的相对丰度(P<0.05).(3)土壤有机碳、全氮含量与部分细菌相对丰度显著相关,土壤全氮含量与被孢霉门真菌相对丰度显著正相关(P<0.05).综上所述,减雨处理4年对土壤养分含量影响较弱,对细菌多样性影响显著,对细菌和真菌群落结构有显著影响,且土壤养分含量与土壤微生物相对丰度之间存在相关关系,研究结果为进一步探讨降雨量持续减少对黄土高原半湿润区人工林的影响提供了理论参考.

植物多样性是植物群落维持生态系统稳定的基础.虽然荒漠草原植被稀少,但其在防风固沙等方面仍发挥着不可替代的生态服务功能,然而对荒漠植物多样性如何响应长期极端降水量变化尚缺乏深入理解.该研究依托2014年在宁夏荒漠草原设立的降水量变化(减少50％、减少30％、自然、增加30％和增加50％)的野外实验样地,研究了2020年5-10月植物生物量和物种多样性的变化特征,分析了二者与土壤性质的关系.随着生长季推移,植物群落生物量、Patrick丰富度指数和Shannon-Wiener多样性指数呈先增加后降低的时间动态,Pielou均匀度指数和Simpson优势度指数无明显的变化规律.与自然降水量相比,降水量减少对植物生物量和多样性影响较小,尤其是降水量减少30％的处理下;多数情况下,降水量增加刺激了苦豆子(Sophora alopecuroides)、短花针茅(Stipa breviflora)、白草(Pennisetum centasiaticum)等物种生长,提高了植物生物量,但亦未明显改变植物多样性(尤其是降水量增加30％的处理下).对植物生物量影响显著的土壤因子包括脲酶活性、温度、含水量、pH、磷酸酶活性和蔗糖酶活性,对植物多样性影响显著的土壤因子包括含水量、电导率和脲酶活性.该研究结果意味着,连续7年降水量变化下,研究区植物对适度甚至极端干旱有强的适应性;降水量适度增加提高了土壤水分有效性,增强了离子移动性,刺激了酶活性,促进了植物生长.然而,降水量持续增加导致植物生物量增加,植物耗水增大,使得生长季后期土壤水分不足,导致部分植物提前完成生命周期.

高寒草毡层是高原寒区自然植被下形成的松软而坚韧且耐搬运的表土层,认识其生态功能是促进草牧业生产休养保护和工程施工主动利用的前提.通过对青藏高原东部若尔盖高原植被的广泛调查,在布设沼泽、退化沼泽、沼泽化草甸、湿草甸、干草甸和退化草甸水分梯度群落样地,以及亚高山草甸、亚高山灌丛草甸、高山灌丛草甸和高山草甸海拔梯度群落样地的基础上,通过对不同类型群落样地草毡层容重、土壤颗粒组成和土壤有机碳(S0C)含量的测定分析,比较了水分和海拔梯度下草毡层固碳能力.结果表明,草毡层厚度平均为30cm,沼泽湿地草毡层容重最小,SOC含量在300g/kg以上;退化草甸容重最高,SOC含量显著下降.不同群落草毡层SOC密度在10---24kg C/m2之间,随着土壤水分有效性的降低而降低;高山灌丛草甸草毡层SOC密度比草甸高15％.研究得出,保持草毡层稳定的质量含水量阈值为30％,SOC含量阈值为30g/kg;高寒植被草毡层在沼泽到草甸的退化演替中,容重、紧实度变大,有机碳含量减少,碳密度和碳储量下降;灌丛草甸的固碳能力大于草甸,但灌丛草甸的生产功能降低;保持可持续发展的草地生产能力,维护固碳生态功能,需要防止草毡层退化,抑制草甸向灌丛草甸演替.

细根对土壤水分含量变化十分敏感,增加和减少降水直接影响土壤水分含量.为探索细根对降水变化的响应,该文从48篇己发表的国内外研究论文中搜集到202组数据,通过meta分析的方法揭示细根生物量、生产量、周转率、根长度密度、比根长及细根分解对增加和减少降水的一般响应规律,用加权响应比评价降水对细根各指标的影响效应,降水变化对细根分解的影响用土壤微生物生物量碳的响应比衡量.结果表明:1)不同类型植物的细根对降水变化的响应程度不同,灌木细根的响应强于乔木.2)细根各指标对降水变化的响应存在土层空间异质性,并且降水变化量为50％时细根响应最显著.降水增加50％时,显著增加20-40 cm土层的细根生物量和0-10 cm土层的细根比根长,降水减少50％时,显著减少20-40 cm土层的细根生产量和增加0-10 cm土层的细根根长度密度.3)降水变化实验持续时间的长短会影响细根的响应程度,短期实验中细根通过形态适应对降水变化做出应对,而长期实验中细根通过重新分配生物量对降水变化做出响应.4)增加降水促进了细根养分归还,致使土壤微生物得到了充足的底物资源,提高了自身活性,使细根分解加快.

为了探讨极小种群野生植物日本荚蒾(Viburnum japonicum)对干旱胁迫的响应,以日本荚蒾二年实生苗为材料进行盆栽控水实验,设置正常供水(CK)、轻度干旱(LS)、中度干旱(MS)和重度干旱(SS)4个水分处理,研究持续干旱处理对日本荚蒾幼苗光合生理特性的影响.结果表明:在CK、LS、MS水分梯度下,日本荚蒾幼苗生长正常,但在SS胁迫下受影响明显,植株全部死亡.各胁迫阶段叶片净光合速率(Pn)、SPAD值、最大净光合速率(Pnmax)、表观量子效率(AQY)、暗呼吸速率(Rd)表现出随水分梯度的降低而减小,光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)则相反,各水分梯度下AQY随时间延长逐渐上升,SS处理幼苗在胁迫45d及以后Pn均为负值.最大光化学效率(Fv/Fm)在胁迫过程中变化范围较小;实际光量子效率(ΦPSⅡ)、电子传递速率(ETR)、光化学猝灭系数(qP)随土壤水分的减少而降低,非光化学猝灭系数(NPQ)逐渐上升,LS、MS与CK间变化幅度较小,但SS与CK间差距逐渐增大.结果表明在轻度和中度干旱下日本荚蒾幼苗表现出一定的适应性和耐干旱能力,而长期重度干旱则对幼苗影响较为严重.

玉米是世界三大粮食作物之一,玉米生产在中国粮食安全与畜牧业发展中具有举足轻重的作用.干旱是夏玉米生产最主要气象灾害,及时准确地获取干旱信息对夏玉米安全生产至关重要.以夏玉米郑单958品种为材料,设置充分供水和拔节期开始土壤水分持续减少两种水分处理,研究夏玉米对土壤水分持续减少的响应及其转折点阈值,为夏玉米干旱识别与监测提供依据.结果表明,土壤水分持续减少10d后生理指标开始陆续受到胁迫,20d后生物量积累受到抑制,30d左右形态特征开始受到胁迫.夏玉米生理指标中最先受到胁迫的是顶端第1片完全展开叶的含水量和水势,生物量积累指标中为茎生物量,形态指标中为叶数.夏玉米顶端第1片完全展开叶的含水量或水势、茎生物量和叶数开始受到土壤干旱过程胁迫的时间阈值分别为11、21、27d,水分亏缺阈值分别为34、66、86mm,土壤相对湿度阈值分别为64％、56％和52％.表明夏玉米对土壤干旱过程的响应首先表现为生理特征变化、其次为生物量积累变化、最后为形态特征变化.研究结果可为客观辨识夏玉米干旱的发生发展及监测预警提供参考.

在2014-2015年遮雨棚下种植甘薯品种‘济薯21’,以全生育期正常灌水(WW)为对照,研究了全生育期(DS)、发根分枝期(DS1)、蔓薯并长期(DS2)和快速膨大期(DS3)干旱胁迫对甘薯光合作用、产量和耗水特性的影响.结果表明:DS、DS1、DS2和DS3的生物产量分别比WW降低31.3％、21.2％、19.6％和7.7％,收获指数分别降低19.9％、14.5％、14.1％和6.5％,薯干产量分别降低45.3％、33.1％、31.3％和14.2％.栽后100 d,DS、DS1、DS2和DS3的叶面积系数分别比WW减少77.1％、60.1％、39.2％和17.1％;栽后90 d,叶片光合速率分别比WW降低56.7％、26.6％、18.7％和9.5％.干旱胁迫降低了甘薯垄间的日蒸发量、蒸腾速率、耗水量和日耗水量,降低了土壤水利用效率而提高了灌溉水利用效率.干旱胁迫通过降低叶面积系数和光合速率,减少了生物产量及其向块根的分配,进而导致薯干产量显著降低.干旱胁迫时间越早、持续时间越长,对叶面积系数和光合速率,以及生物产量和收获指数的不利影响越大、导致减产幅度越大,水分利用效率越低.在有限的灌水条件下,甘薯生产中应尽可能减少前期干旱.

全球气候变化背景下,大气氮沉降和降水变化日益显著,其对荒漠草原凋落物分解的影响存在很大的不确定性.采用裂区设计,设置主区为自然降雨、增雨30％和减雨30％3个水分处理,副区为0(N0)、30(N30)、50(N50)和100 kg·hm-2·a-1(N100)4个氮素水平,经过21个月(2016年1月-2017年10月)水氮处理,研究水氮共同作用对荒漠草原常见物种猪毛菜、短花针茅和木地肤3种植物凋落物分解的影响.结果表明:3种凋落物干物质残留率随时间增加而减少,用Olson负指数衰减模型拟合效果较好,凋落物分解系数(k)大小为猪毛菜＞短花针茅＞木地肤.增雨30％N100处理分解系数最高,为0.028.单因素处理下,增雨30％和N50的凋落物分解最快.水氮共同作用下,增雨30％N100处理凋落物分解最快.3种凋落物初始化学全氮含量大小为猪毛菜＞短花针茅＞木地肤,猪毛菜和短花针茅k值与全氮含量呈显著正相关;全碳含量、纤维素含量、木质素含量、C/N、木质素/N和纤维素/N大小为木地肤＞短花针茅＞猪毛菜,猪毛菜k值与各指标均呈显著负相关,短花针茅和木地肤k值与C/N、木质素/N和纤维素/N均呈显著负相关.猪毛菜分解最快,木地肤分解最慢.适量的水、氮添加有利于荒漠草原凋落物的分解,可以促进土壤养分循环,对荒漠草原可持续发展及生态平衡有积极作用.