柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)是晋西北丘陵风沙区主要的退耕还林植物,在维持群落物种多样性、生态系统稳定和土壤环境恢复等方面发挥着非常重要的作用.为探究不同林龄柠条锦鸡儿人工林生态系统碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量特征与叶片光合作用和土壤环境因子之间的相互关系,该研究以晋西北丘陵风沙区不同林龄(0、6、12、18、40和50年)柠条锦鸡儿人工林植物叶片和土壤为研究对象,分析了柠条锦鸡儿叶片和土壤C、N、P化学计量的变化特征及其相互关系.结果表明:1)随着林龄的增加,柠条锦鸡儿叶片C、N含量显著增加,P含量呈先增加后减少的趋势,叶片的C、N、P含量分别在434.14-452.26、15.72-28.11、1.32-1.95 g·kg-1之间,其中叶片C、N含量均在林龄50年达到最大值,而叶片P含量在林龄18年达到最大值;叶片C∶N呈先增加后减少的趋势,林龄18年达到最大值,N∶P呈显著增加趋势,林龄50年达到最大值.叶片的光合色素(叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和总叶绿素含量)随着林龄增加呈显著下降的趋势,叶片的C、N含量对光合色素含量变化具有显著的影响.2)土壤含水量在0-20 cm土层呈先增加后减少趋势,尤其在林龄18年之后显著下降;0-20 cm土层中的土壤有机碳(SOC)和全氮(STN)含量随着林龄的增加而增加,土壤全磷(STP)含量无显著变化.土壤C∶N、C∶P和N∶P随着林龄的增加呈增加的趋势.3)柠条锦鸡儿人工林土壤含水量与SOC和STN含量具有显著正相关关系,SOC和STN含量之间也呈显著的正相关关系;柠条锦鸡儿叶片N和P含量具有显著正相关关系;叶片C、N含量与土壤SOC、STN、STP含量之间均呈显著正相关关系,与土壤含水量呈负相关关系,叶片化学计量比与土壤化学计量比之间呈显著正相关关系.随着林龄的增加,柠条锦鸡儿人工林主要受P含量及土壤含水量的影响.该研究结果对系统了解柠条锦鸡儿人工林生态系统的养分变化,养分调控和抚育管理具有指导意义.

晋西北丘陵区受干旱大风气候以及人为活动的影响,土壤肥力较低,土壤质量退化严重,不同的土地利用和管理方式,因植被覆被、人为活动等不同,对土壤质量产生影响不同.为了更好地了解晋西北地区不同土地管理方式对土壤质量的影响,于山西省北部忻州市五寨县,研究不同管理方式对土壤肥力、土壤酶活性、微生物群落结构及多样性的影响,以及微生物与土壤环境因子的关系,为晋西北地区土地管理和生态建设提供参考.研究中设置4种土地管理方式:苜蓿样地(MX)、免耕样地(MG)、翻耕样地(FG)和荒地(HD),采用野外采集土壤样品、室内测定和分析的研究方法,其中土壤pH值利用电位法测定,土壤有机碳(OC)采用重铬酸钾氧化-分光光度法测定;土壤硝态氮、铵态氮利用全自动间断化学分析仪测定,其原理为紫外分光光度和靛酚蓝比色法.土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性分别采用KMnO4滴定法、3,5-二硝基水杨酸法、苯酚钠-次氯酸钠比色法、磷酸苯二钠比色法测定,采用高通量测序测定土壤细菌和真菌的群落组成,利用统计分析软件SPSS和Canoco以及QIIME、USEARCH和Uclust生物信息软件分析不同土地管理方式对土壤质量的影响.结果 表明,不同土地管理方式对土壤化学性质、土壤酶活性、细菌和真菌的群落结构及多样性均有影响.苜蓿和免耕2种土地管理方式可显著提高表层土壤养分并增加土壤酶活性;4种土地管理方式共有9个细菌门和11个真菌门,细菌相对丰度较大的为变形菌门、放线菌门和酸杆菌门,真菌的子囊菌门相对丰度最大;苜蓿和免耕样地土壤细菌和真菌群落丰富度和多样性都较高,荒地土壤细菌和真菌群落丰富度较低,但多样性较高;RDA分析结果表明,土壤pH、NH4-N和NO3-N含量和过氧化氢酶活性对细菌群落影响较大,pH、有机碳含量、蔗糖酶、脲酶和过氧化氢酶活性对真菌群落影响最大.苜蓿和免耕2种土地管理方式能够提高土壤质量,是晋西北地区较为适宜的管理措施.

农牧交错带草地生态系统兼受农业和牧业的影响,属于脆弱生态系统,尤其是养分贫瘠的盐碱化草地,其生态系统结构和功能对外界干扰的响应更加强烈.位于晋西北地区的农牧交错带盐碱化草地,地理位置独特,区别于天然牧区草地生态系统.由于毗邻农田,农业氮肥的过量使用促进了活性氮气体排放,同时使得农牧交错带草地土壤碳氮循环发生改变.刈割是北方农牧交错草地生态系统的主要管理方式,为了深入探究氮添加和刈割管理方式对农牧交错带草地碳循环的影响,进一步厘清该区域草地生态系统的碳动态问题,该研究设置了一个不同形态氮添加和刈割的裂区实验,测定土壤呼吸对不同形态氮肥添加和刈割的响应,为进一步科学管理该区域草地提供可靠的依据.实验样地位于山西省右玉县境内的“山西农业大学农牧交错带草地生态系统野外观测研究站”,于2017年设置不同形态氮添加和刈割处理,实验处理包括对照(不刈割和刈割)、尿素添加、缓释尿素添加、刈割+尿素添加、刈割+缓释尿素添加,每种处理6个重复,共36个小区.在不同处理条件下测定土壤呼吸速率、土壤温度、土壤水分、土壤微生物生物量、土壤无机氮含量、植物地上和地下生物量,并计算土壤累积碳排放量及CO2通量.研究结果表明:(1)短期(2017-2018年)尿素和缓释尿素的添加显著提高了该地区土壤呼吸速率和土壤累积碳排放量.与添加缓释尿素相比,添加尿素处理下的土壤呼吸速率和累积碳排放量更高;(2)刈割显著降低土壤呼吸速率和累积碳排放量;(3)短期氮添加和刈割的交互作用对土壤呼吸速率没有显著影响.因此,短期氮添加促进了北方农牧交错带盐碱化草地土壤碳释放,刈割抑制土壤呼吸,降低了累积碳排放量,这可能是由于刈割移除地上植物,减少了凋落物的输入,底物减少导致土壤微生物活性降低.但是随着处理时间的延长,氮添加和刈割对该农牧交错带盐碱化草地土壤碳动态的影响还有待进一步探究和发现.

预测未来气候变化对生态系统功能的影响至关重要.黄土高原气候暖干化的加剧使得与此相关的环境因子对优势种功能性状的影响愈发明显.本文通过冗余分析研究了晋西北黄土丘陵区草地土壤、地形因子对9个优势种及非优势种功能性状的影响.结果 显示:土壤、地形因子对优势种功能性状产生关键作用,但对非优势种功能性状影响小.土壤含水量和速效磷含量是影响优势种功能性状的关键因子,土壤含水量与优势种株高呈正相关,与相对分枝数呈负相关;土壤速效磷含量与优势种叶片氮含量、单株干重和比叶面积呈正相关,与叶片碳氮比和叶干物质含量呈负相关.海拔是影响优势种功能性状的主要地形因子,海拔与优势种叶干物质含量、相对分枝数呈正相关,与株高、叶片碳含量、叶面积呈负相关.以上结果表明,未来气候暖干化使得黄土丘陵区植物多采取资源维持型策略来适应土壤水分及养分减少的环境.

晋西北丘陵风沙区生态环境脆弱,是我国风沙活动危害最为严重的地区之一.本文以晋西北典型丘陵风沙区0(撂荒地)、6、12、18、40和50年生人工柠条为研究对象,分析了不同林龄柠条的土壤含水量、地上和地下生物量、个体形态特征、生长繁殖及光合生理特征,研究0～50年长时间序列人工柠条的生长和繁殖动态特征.结果 表明:人工柠条林土壤水分变化与柠条林龄密切相关.6年生柠条的土壤水分较低,6～18年生柠条由于冠幅增加,降低了近地表的风速和太阳辐射,减少了土壤水分的蒸发,土壤水分呈上升趋势,18 ～ 50年生柠条的生物量快速积累,植物蒸腾量和根系对水分的吸收量大幅度增加,土壤水分不断降低,到50年则下降至最低水平(11.1％);6～18年生人工柠条以地下根系生长为主,18 ～40年生柠条以地上部生长为主,40年生柠条的生物量维持在较高水平,冠幅和株高达到最高,生长状态达到最佳,40～50年生柠条的冠幅和株高显著降低,生长进入衰退期;柠条的光合能力(叶绿素a、b,类胡萝卜、素和总叶绿素含量)随着种植年限的增加逐渐下降,尤其在18年后显著下降;柠条种子的数量和质量从6年生到40年生不断上升,40年生达到最大;与6～12年生柠条相比,30～40年生柠条能产生更多个体质量小的种子.萌发试验表明,在相同年限,柠条的小种子比大种子的萌发速率更高,表明柠条繁殖策略有从前期(6～12年生)K策略向后期(30 ～ 40年生)r策略转化的趋势,而从50年生开始,柠条种子数量和质量显著下降,人工柠条的生长和繁殖出现退化.

基于1985—2017年化肥施用量和作物播种面积,采用化肥施用环境风险评价模型,探讨了山西省化肥施用及环境风险的时空变化特征.结果表明,山西省化肥施用总量在1985—2017年间整体呈增加趋势,2017年山西省化肥施用强度为285.14 kg·hm-2,大多数地区农田化肥投入过量;其基本趋势是从晋北到晋南逐步增加,晋西北投入少、晋东南投入高.总化肥施用强度极值比为2.4,氮肥、磷肥和钾肥的极值比分别是1.9、2.7和3.4.全省11个地市氮磷钾投入比例是1:0.69:0.62,不尽合理.山西省2017年化肥施用环境总风险指数为0.52,呈低度环境风险;氮、磷、钾肥施用的环境风险指数分别为0.50、0.58和0.55.氮肥施用的环境风险处于安全状态;磷肥的环境风险区域集中在晋东南和晋中地区,钾肥的环境风险区域集中在晋东南和运城地区,均呈现中度、严重风险程度并有成片聚集特征.研究结果有利于调控山西农田施肥合理分布并进行分区指导,制定不同施肥方案,协调粮食增产和生态保护间的关系,为防治农业面源污染提供决策参考.

树木叶片的水力效率和安全性会对水分条件的改变做出一定的响应,进而影响树木的生长和分布,然而叶导水率(Kleaf)和叶水力脆弱性(P50)对不同水分条件的响应模式及其影响因素尚不清楚.该研究选取了晋西北关帝山和黑茶山两种水分条件下的8种树种,测量其水力性状、叶片导管和形态性状,比较两地不同树种的Kleaf和P50的变化,分析叶片水力效率和安全性之间的权衡关系,并探讨叶片水力性状在不同树种及水分条件下的响应模式及其驱动因素.结果 表明:对同一树种而言,湿润的关帝山叶最大导水率(Kmax)和P50均高于干旱的黑茶山;对同一地区而言,从在高水分条件下生长的树种到在易干旱环境生长的树种,Kmax和P50均逐渐下降.Kmax、 P50、膨压丧失点水势(TLP)之间均存在显著相关关系.两地叶片P50与导管密度、导管塌陷预测值((t/b)3)、叶片厚度、比叶质量显著正相关,与导管直径、叶面积显著负相关,不同树种的Kleaf和P50与叶导管性状的关系大于叶形态性状.同一树种的关帝山到黑茶山P50变化量(δP50)与比叶质量和叶干物质含量在两地的变化量显著正相关,同一树种δP50与叶形态性状变化量的关系大于与叶导管性状的.以上结果表明:随着水分条件变差,叶片水力效率降低,水力安全性提高,不同树种叶片水力效率与安全性之间存在一定的权衡关系,不同树种叶水力性状的差别受叶导管性状影响的程度大于受叶形态性状的影响,同一树种叶水力安全性对水分条件变化的响应主要依靠叶形态性状的驱动,树木在提高自身叶水力安全的同时增加了叶构建的碳投资.

人工固沙植被群落的稳定是评价干旱半干旱风沙区植被恢复成功的重要标准.该研究运用模糊综合评判理论,对晋西北丘陵风沙区坡面尺度下(坡上、坡中、坡下)7种人工固沙优势植物的稳定性进行分析,选取优势植物生长状况、土壤质量、林下植物生物量和多样性以及Godron指数4项指标,通过计算其隶属度平均值来评价植物的稳定性.结果表明:(1)乔木油松枝叶生物量最大(1 457.1 g),灌木柠条枝叶生物量最大(1 429.1 g),各优势植物坡下枝叶生物量最大.(2)灌木表层(0～20 cm)土壤水分优于各乔木表层土壤水分,同时不同植物林均表现出坡下土壤水分最大;各植物表层土壤有机质、解碱氮、速效钾、速效磷基本都远高于撂荒地,其中乔木油松和灌木柠条各土壤养分指标显著高于其他植物,且不同植物林下养分也表现为坡下最优.(3)林下植物生物量乔木青杨最大(87.2 g),灌木柠条最大(50.4 g),坡下生物量最大;林下植物丰富度指数乔木青杨最高,林下植物多样性指数和均匀度指数乔木樟子松和油松最高,灌木中林下植物各多样性指数基本相近.(4)Godron指数:乔木中刺槐的交点坐标离群落稳定点最近,灌木中柠条交点坐标离群落稳定点最近.综合各指标的隶属度平均值得到乔木稳定性指数排序为:油松(0.69)＞刺槐(0.67)＞青杨(0.66)＞樟子松(0.39)＞旱柳(0.28),灌木稳定性排序为:柠条(0.82)＞紫穗槐(0.64),乔灌木植物稳定性均远高于撂荒地(0.20).研究认为乔木油松和灌木柠条稳定性最高,是西北丘陵风沙区适宜的造林树种,而坡下则是更优的种植坡位选择.该研究结果可为晋西北丘陵风沙区域以至于黄土高原人工固沙植被恢复和科学管理提供依据.

以晋西北丘陵风沙区不同种植年限(6、12、18、40和50年)人工柠条的3种大小类型种子为对象,分析不同年限柠条种子形态特征,从繁殖策略的角度探讨人工植被恢复潜力.结果表明:人工柠条的结实量随着种植年限的增加总体呈上升趋势,在种植50年达到最大值(584粒·株-1);种子长度、种子宽度、种子形状指数随着种植年限的增加总体呈下降趋势,在种植50年达到最小值(5.09 mm、2.76 mm、0.05);种子萌发率随种植年限的增加呈上升-下降-上升的波动变化趋势,在种植12年达到最大值(97.2％).结实量与种子重量呈显著负相关.种子萌发率与种子重量密切相关,重量小的种子萌发率低,更易于形成持久种子库.相关分析表明,结实量与株高、地上生物量和地下生物量呈显著正相关;种子形状与新枝数呈显著负相关.这表明随着种植年限的增加,柠条繁殖对策由种植前期(6～12年)大种子较多的K策略向种植后期(18～50年)小种子逐渐为主的r策略转变,即柠条既要保证繁殖体数量,又要保证繁殖体的持久性,从而产生了数量更多的小而圆的种子.