为进一步明晰乌兰布和沙漠天然梭梭(Haloxylon am modendron)种群动态和空间分布特征,该研究以乌兰布和沙漠天然梭梭林为研究对象,采用静态生命表、存活曲线、生存分析和空间分布格局指数等方法分析种群动态与内在生活史特征和外在干扰之间的互动关系,探讨梭梭种群波动特征及其存续机制,以揭示天然梭梭种群动态及空间分布特征,为梭梭种群的合理保护与种群恢复提供依据.结果表明:(1)乌兰布和沙漠天然梭梭种群龄级结构呈倒"J"形,为增长型,但相邻龄级个体数量波动性较大;种群年龄结构数量变化动态指数Vpi=17.43,受随机干扰时种群年龄结构动态指数Vpi'=1.02,种群年龄结构对随机干扰的敏感性指数Pmax=5.88,说明种群对外界干扰较为敏感.(2)研究区天然梭梭种群的存活曲线趋于Dccvcy-Ⅱ型,各年龄级种群有相近的死亡率;生存函数、累积死亡率、死亡密度在第Ⅰ～Ⅹ龄级(基径＜10 cm)变化较大,且在第Ⅰ～Ⅸ龄级危险率较高;生存函数、累计死亡率、死亡密度在第Ⅺ～ⅩⅢ龄级(基径≥10 cm)趋于稳定,危险率在第X龄级后逐渐增加,种群动态呈现出低龄级间个体数量波动大,高龄级衰退的特征.(3)研究区天然梭梭种群密度在328.57～942.86株/km2之间,平均为706.34株/km2,种群空间分布大多呈聚集分布.研究表明,乌兰布和沙漠在现阶段环境气候条件下,适宜梭梭种群的生长,而且在不受人为干扰的情况下,梭梭种群能够稳定存续,可以抵抗一定的气候风险.建议减轻人为干扰对低龄级种群数量的影响,在局部梭梭林衰退严重区可参考天然梭梭种群密度与空间分布型建植人工梭梭林.

基于野外样地调查数据,通过分析静态生命表、存活曲线、动态指数等参数,结合时间序列模型,研究了人工梭梭种群年龄结构动态,旨在预测人工梭梭种群演替趋势,为退化人工梭梭种群恢复与重建提供理论依据.结果表明:(1)民勤绿洲荒漠过渡带人工梭梭种群的年龄结构近似于"金字塔"型,幼龄林个体占总物种数的90.1％;(2)人工梭梭种群存活曲线趋近于Deevey-Ⅱ型,为稳定型种群.不同区域人工梭梭种群的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ龄级个体死亡率和消失率最高;(3)动态量化结果显示人工梭梭种群总体均表现为增长型,对外界干扰敏感性较强;(4)时间序列预测分析表明,在未来2、4个龄级时间后,种群Ⅱ、Ⅳ龄级个体数量大幅度增加,人工梭梭种群发展趋势较好.民勤绿洲荒漠过渡带人工梭梭种群为稳定增长型种群,种群具有一定的自然更新能力.针对该种群幼龄个体死亡率较高的问题,未来建议加强对第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ龄级幼株的精准抚育管理,通过人为辅助措施提高幼苗的保存率,促进人工梭梭林的可持续发展.

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.

应用Granier热扩散探针测定民勤绿洲荒漠过渡带梭梭人工林的树干液流,将液流与饱和水汽压差(VPD)和光合有效辐射(PAR)数据分别进行逐行错位分析,探讨树干液流与环境因子之间的时滞效应.结果表明:梭梭日液流速率呈现明显的季节变化,6月平均液流速率最大,8月平均液流速率最小.生长季(5-9月)梭梭树干液流与光合有效辐射、饱和水汽压差存在明显的时滞,树干液流滞后于PAR 80 min,提前于VPD 114 min,且不同月份的时滞长短存在差异.尽管梭梭树干液流在日尺度上更加依赖于PAR的变化,但在白天,树干液流与饱和水汽压差间有更紧密的关系.梭梭生长季树干液流与VPD或PAR之间的时滞与树形因子(袜高、地径、50 cm处直径、枝下高、冠幅)及夜间液流量的相关性均不显著.

以古尔班通古特沙漠西部退化梭梭林为研究对象,野外取样调查和实验室检测分析相结合,探讨退化梭梭群落植物分布及多样性特征,并结合土壤理化性质分析引起梭梭群落退化的主要环境因素.结果显示:(1)退化梭梭群落共有6种多年生植物,其中梭梭在各样地均有分布,其分布频度达到60％以上的样地数占总样地数的80％.盐生假木贼在60％的样地中有分布,而柽柳、白刺、淡枝沙拐枣和翼果驼蹄瓣仅在个别样地有分布且分布频度较低.(2)退化梭梭群落Shannon-Wiener指数变化幅度为0-1.25,Simpson优势度指数大于0.5的样地数占总样地数的90％,而仅有9个样地的Pielou均匀度指数大于0.5.(3)相关分析表明梭梭群落盖度与0-40 cm土层中的有机质、电导率、氯离子(Cl-)、土壤含水量有显著的正相关关系.(4)主成分分析发现0-40 cm土层的有机质、电导率、Cr含量、土壤含水量对群落物种多样性指数均产生显著的负作用,而40-80 cm土层的有机质、电导率、Cl含量、土壤含水量对群落物种多样性指数均产生显著的正作用.因此认为,古尔班通古特沙漠西部优势物种梭梭退化群落植物多样性简单,随着梭梭退化,表层土壤理化性质变劣,对群落中不同物种的种子萌发、幼苗建立产生影响,影响了植物分布和多样性组成,进而导致梭梭群落物种多样性的变化.

为了探明民勤绿洲边缘梭梭林衰败过程中土壤种子库演变特征及其与地上植被的关系,以民勤西沙窝——民勤治沙综合试验站1987年建植的未衰败(ND)、轻度衰败(SLD)、中度衰败(MD)以及重度衰败(SD)梭梭林为对象,通过野外调查及室内萌发的方法对林地土壤种子库物种组成、密度、物种多样性及其与地上植被的关系进行了研究.结果表明:1)梭梭林由未衰败向重度衰败演变过程中,种子库草本植物物种数先急剧增大再缓慢减小(峰值在SLD阶段),木本植物物种数先急剧减小再保持恒定;种子库优势种呈现出由沙生植物向沙旱生植物演替的趋势;大部分林地种子库与地上植被物种间存在较高的相似性.2)梭梭林衰败过程中,草本植物种子库密度呈现出急剧增大后缓慢减小趋势,SLD、MD及SD的密度分别是ND的2.57、2.32、2.28倍;木本植物种子库密度处于持续增大状态,SLD、MD、SD的密度分别是ND的5.25、11.38、14.74倍;种子库与地上植株密度间存在正相关关系,其中,草本植物为对数曲线,木本植物为二次函曲线.3)梭梭林从衰败初期(SLD)演变到后期(SD),种子库中草本植物物种多样性指数Dma、Dsim、H'、Jsw均呈现出先稳定后变化的状态,而木本植物的4种指数一直呈现出减小的趋势;种子库草本植物物种多样性指数变化趋势与其地上植被存在差异,但其变化幅度基本一致;种子库木本植物与地上植被的物种多样性指数变化趋势完全一致,其种子库的变化幅度小于地上植被.基于以上结果得出,民勤梭梭林衰败过程中林地植物群落发生了由沙生植物向沙旱生植物的演替,林地植被与土壤种子库间存在很强的依赖性,衰败梭梭林林地土壤种子库具有较高的植被恢复能力.

内陆干旱区人口数量急剧增加驱动了绿洲快速扩张,扩张方式主要包括:灌木地、林地和农地扩张,尚缺乏绿洲扩张方式对土壤生物多样性和生态系统服务功能影响的研究.本文以河西走廊黑河中游张掖绿洲为研究区域,选择绿洲边缘天然草地及其转变的人工梭梭(Haloxylon ammodendron)灌木地(无灌溉)、人工杨树(Populus gansuensis)林地(灌溉)、玉米(Zea mays)地(灌溉+施肥)为研究对象,测定了4种生境土壤食物网中9种优势功能类群的密度以及反映土壤生态系统功能特征的有机碳储量、氮储量、磷储量与土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶活性.主要结果如下:(1)灌木地扩张显著降低了甲螨、植食性昆虫密度,增加了跳虫、捕食性螨密度和真菌的OTUs,对其余类群无显著影响;林地扩张增加了捕食性节肢动物、植食性昆虫、捕食性螨、跳虫、甲螨的密度及细菌和真菌OTUs,对其余类群无显著影响;农地扩张增加了蚓类、捕食性节肢动物、捕食性螨、跳虫、甲螨的密度及细菌和真菌的OTUs,对其余类群无显著影响.(2)林地和灌木地扩张显著提高了土壤有机碳储量和氮储量,而农地扩张显著提高了土壤有机碳储量、氮储量和磷储量.(3)3种扩张方式显著提高了土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶活性,玉米地和杨树林地土壤酶活性的增幅高于灌木地.人工绿洲扩张方式显著和有差异地改变了土壤食物网结构及其生态功能水平,该结果对建立基于土地利用结构优化调控的人工绿洲生物多样性保护管理新方法具有重要意义,并为人工绿洲生态系统功能稳定性评价研究提供了基础资料.

明确荒漠-绿洲过渡区土壤呼吸及其温湿度敏感性特征,对了解干旱、半干旱地区土壤碳循环有重要意义.本研究采用LI-8100 土壤呼吸观测系统对河西走廊典型荒漠-绿洲过渡区荒漠梭梭林地、绿洲农田、人工杨树林地3 种不同土地利用类型的土壤呼吸进行1年的观测.结果表明,3 种土地利用类型全年平均土壤呼吸为人工杨树林地( 2.20 μmol CO2·m-2·s-1 ) ＞绿洲农田( 1.61 μmol CO2·m-2·s-1 ) ＞荒漠梭梭林地( 0.40 μmol CO2· m-2·s-1 ),造成不同土地利用类型土壤呼吸显著差异的原因主要与土壤有机碳含量有关. Lloyd-Taylor 指数模型能够较好拟合土壤呼吸季节性变化与温度的关系.3 种不同土地利用类型的土壤呼吸均在低温时( 非生长季) 较高温时( 生长季) 对温度变化更敏感.在全年尺度上,不同土地利用类型的土壤呼吸与土壤温度呈极显著正相关( P＜0.01); 荒漠梭梭林地、绿洲农田的土壤呼吸与土壤水分呈极显著正相关( P＜0.01),人工杨树林地土壤水分低于6％时和高于6％时,土壤呼吸与土壤水分分别呈极显著正相关( P＜0.01) 和显著负相关 ( P＜0.05).本研究结果为干旱区绿洲化过程土壤碳循环的研究提供了基础数据.

基于涡动相关系统观测的民勤绿洲荒漠过渡带梭梭人工林生态系统通量资料,定量分析了2018年生长季(5-10月)碳通量变化特征及其影响因子,为民勤梭梭人工林生态系统碳源/汇的评估提供基础数据.结果表明:生长季净碳交换量在日尺度上呈对称的“U”型曲线变化;在季节尺度上,呈双峰曲线变化规律,各月均为碳汇,总固碳量为34.38 g C·m-2,且9月固碳量较高,为12.31 g C·m-2,7月最低,为0.89 g C·m-2.白天生态系统净碳交换随光合有效辐射的增加而增加,符合直角双曲线关系,但当饱和水汽压差大于2.5 kPa时,增加程度减弱.生态系统呼吸与气温呈较好的指数关系,其温度敏感性系数为1.7.整个生长季期间,白天和夜间的净碳交换量均与土壤温度呈显著相关.

通过梭梭林下黄花补血草种群调查,研究土壤结皮发育过程中的无结皮沙地(前期NSC1、后期NSC2)、物理结皮沙地(前期PSC1、后期PSC2)和生物结皮沙地(前期BSC1、后期BSC2)的黄花补血草种群发育格局特征,以揭示梭梭林下土壤结皮发育对黄花补血草种群发育的影响以及植被恢复技术.结果表明:(1)梭梭林下土壤结皮的发育对黄花补血草的种群密度具有显著的促进作用,在BSC1样地达到最大,而对个体冠幅具有前期促进后期抑制的作用,在NSC2样地达到最大,故导致种群总盖度变化不稳定.(2)种群个体发育值呈先增加后减小的趋势,在NSC2样地达到最大;在NSC1-NSC2过程中,土壤结皮发育对种群个体发育具有促进作用,其值逐渐增大,而在NSC2-BSC2发育过程中,土壤结皮发育对种群个体发育的抑制作用逐渐增强,其值逐渐减小.(3)黄花补血草种群优势级层位于较低级层,随着土壤结皮的发育,呈先增加后减小的趋势,其峰值在BSC1样地,而种群级层越高,该级层的峰值则逐渐向土壤结皮发育前期移动,其峰值在NSC2或PSC1样地.研究认为,梭梭林下土壤结皮发育对黄花补血草种群密度具有促进作用,但对种群内植株个体发育具有前期促进后期抑制的作用,该结论对梭梭林下黄花补血草植被恢复具有积极的指导意义.