沙化问题是影响草原地区生产与牧民生活的重要环境问题.草原作为重要碳库和养分库,沙化过程可能会对其土壤碳、氮库产生重要影响.为探讨沙化过程对高寒草地土壤碳、氮储量的影响,采用空间序列代替时间演替的方法研究了藏北高原高寒草地沙化过程中驱动土壤碳、氮储量变化的因素.研究发现:(1)轻度、中度和重度沙化阶段土壤总碳、全氮储量无变化,而极重度沙化阶段碳氮流失严重(分别下降69％和55％,P＜0.05).(2)群落地上生物量随沙化程度加重逐渐降低,重度和极重度沙化草地根系生物量显著下降(分别下降47％和99％,P＜0.05).土壤容重、砾石含量随沙化程度加重呈逐渐增加趋势,而总碳、全氮含量和含水量逐渐下降,说明沙化过程导致土壤粗粒化和贫瘠化.(3)进一步分析发现,影响土壤总碳储量的因子中排前三位依次是土壤砾石含量、土壤含水量和植物地上生物量,影响土壤氮储量的因子依次是土壤砾石含量、含水量和土壤微生物丰度.综合这些研究结果,沙化过程植物群落生产力的改变对土壤碳、氮影响较小,主要受土壤砾石含量与含水量等因子驱动.沙化过程中土壤碳、氮储量存在转化阈值(重度到极重度沙化阶段),故潜在沙化高寒草地的早期防护有利于土壤碳汇的维持.

随着气候变化及人类活动,原本脆弱的荒漠草原迎来更大的荒漠化风险,其景观格局演变受到众多学者关注.选取 1990-2019 年Landsat影像数据为信息源,采用景观指数研究方法和GIS空间分析、格网技术手段,研究苏尼特右旗景观格局时空变化特征.结果表明:(1)研究区以草地为主题景观,其中天然草地景观为优势景观类型.1990-2005年主要是天然草地景观与沙地景观、盐碱地景观相互转化;2005-2019 年天然草地景观大范围转出为封育草地景观.(2)1990-2019 年景观破碎度增大,基质景观所占比例不断减少,斑块形状趋于复杂,丰富度增加,异质性增强,聚集连片度下降.(3)研究区中北部浑善达克沙地分布带 1990-2005 年沙化严重,破碎程度加大.干燥剥蚀层状高平原2005-2019 年受人类活动影响大,基质景观优势度下降,景观破碎程度增高,空间异质性增强.南部低山丘陵区除东南部耕地景观不断被分割,整体景观保持完整连续.研究结果可为苏尼特右旗的资源环境保护、利用与管理提供科学、合理的参考依据.

沙化草地的恢复与重建是干旱半干旱区生态建设的重要内容,分析荒漠草原沙漠化过程中土壤非保护性有机碳分配比例的变异规律对于探讨沙化草地恢复机制具有重要的理论价值.以干旱、半干旱地区荒漠草原不同沙化阶段的土壤为研究对象,分析土壤粗颗粒有机碳、细颗粒有机碳、轻组有机碳含量和分配比例的分布特征、土壤非保护性有机碳转化为保护性有机碳的速率.结果表明:荒漠草原发生逆向演替后,土壤细颗粒有碳含量和分配比例表现为固定沙地＞荒漠草地＞半固定沙地＞流动沙地;粗颗粒有机碳含量表现为荒漠草地＞半固定沙地＞流动沙地＞固定沙地,粗颗粒有机碳分配比例表现为流动沙地＞半固定沙地＞荒漠草地＞固定沙地;轻组有机碳含量和分配比例递减.颗粒有机碳、轻组有机碳、土壤有机碳对草地沙漠化的敏感性不同,颗粒有机碳较轻组有机碳和土壤有机碳敏感性强,其中细颗粒有机碳较粗颗粒有机碳敏感性强.随着草地沙漠化程度的增强土壤非保护性有机碳分配比例呈下降趋势,表明草地沙漠化降低土壤质量.荒漠草地退化至流动沙地土壤非保护性有机碳转化为保护性有机碳的速率整体呈上升趋势.

川西北高寒草地生态地位突出但沙化严重,为了解其在沙化治理恢复中的碳通量变化机制,于2016年草地生长季节(7-9月)在红原县沙化草地治理恢复区分别选择恢复初期、恢复中期、恢复后期、未恢复治理4类沙化草地,利用仪器LI-8100测定CO2通量,并分析影响碳通量变化的因素.结果表明,随着治理恢复程度的加深,沙化草地碳汇功能逐渐增强,恢复初期、中期、后期样地在生长季净生态系统CO2交换量(NEE)分别为-1.61、-3.55、-4.38 μmol m-2s-1,恢复初期到中期碳通量变化最为剧烈,提高了约120.50％.恢复治理也使沙化草地生态系统呼吸(ER)和土壤呼吸(SR)加强(P＜0.05).7月中下旬,各恢复梯度样地NEE、ER和SR分别达到峰值,之后随生长季延长,各指标均接近零.生长季7-9月期间,对照样地碳通量日动态变化平缓,均表现为全天排放;在各恢复治理阶段沙化草地中,碳通量日动态均呈单峰型格局,且随着沙化恢复的进程,日动态峰值绝对值显著升高(P＜0.05),表现出更强的碳汇能力.回归分析表明,碳通量与植被盖度、地上生物量、土壤0-5 cm含水量达到极显著正相关(P＜0.01),与0-5 cm壤温度相关性较弱,表明在川西北高寒沙化恢复草地生长旺季,与0-5 cm土壤温度相比,0-5 cm土壤含水量对碳通量的影响更大.综上所述,沙化治理显著提高了川西北高寒沙化草地生长季的固碳能力,且在恢复中期,受植被恢复和表层土壤(0-5 cm)含水量状况改善的影响,固碳能力显著提升.

为研究高寒湿地、草甸的退化及恢复与土壤微生物碳代谢功能多样性的关系,以及影响土壤微生物碳代谢功能多样性的关键因素,利用BIOLOG Eco微平板法,分析了甘肃玛曲地区5类(湿地、沼泽化草甸、高寒草甸、退化草甸、人工恢复草甸)14个退化与恢复样地的土壤微生物对单一碳源的利用情况.结果表明,从湿地到沙化草地的逐渐退化过程中,草甸的土壤微生物群落代谢活性差异显著;主要是由于在湿地干化过程中,微生物活性逐渐升高,沼泽草甸土壤微生物活性最高;随着草甸不断退化,微生物活性逐渐降低,沙化草地最低;而人工补播恢复使土壤微生物活性有所增加,表明退化对微生物碳代谢功能多样性造成显著影响,人工恢复措施在一定程度上提高了土壤微生物活性.聚合物类(吐温40、吐温80、环状糊精、肝糖)、氨基酸类及碳水化合物类是土壤微生物主要利用的碳源.冗余分析结果显示,土壤的碳氮比、含水量、有机碳、全氮、容重、氮磷比、pH及植被覆盖度是影响土壤微生物碳代谢功能多样性的关键因子.因此,可用土壤碳代谢功能多样性变化评价高寒湿地及草甸的退化和恢复及其变化程度.

为了查明沙化高寒草地生态恢复过程中土壤动物群落的变化趋势,2015年9月在若尔盖选取重度沙化草地和中度沙化草地各2块,对重度沙化草地采取施加牛粪+补播草种+翻耕,中度沙化草地施加牛粪处理.2016年9月对两种生态恢复样地及其各自对照样地土壤节肢动物、线虫以及植物群落和土壤物理性质进行调查.结果表明:生态恢复1年后两种沙化草地的植物群落和土壤物理性质得到显著改善.两种生态恢复措施下沙化草地土壤节肢动物和线虫群落结构与对照样地间存在明显差异,群落密度均显著高于对照样地(P＜0.05).土壤节肢动物类群数和Shannon指数均增加,Simpson指数降低,但仅重度沙化草地与对照地间有显著差异(P＜0.05).土壤线虫类群数和Shannon指数显著高于对照样地(P＜0.05),Simpson指数显著低于对照样地(P＜0.05).多元回归分析结果表明,植物群落高度、盖度与土壤动物群落密度和多样性指数有显著相关(P＜0.05).研究表明,施加牛粪等生态恢复措施能够有效提高沙化高寒草地的土壤动物群落多样性,土壤线虫对生态恢复措施的响应比土壤节肢动物更敏感.

草地沙化与植物群落演替关系对高寒草地生态系统功能和结构的维持具有重要的意义.以长江源区七渡口沙化高寒草地为研究对象,基于野外植物群落物种组成及地形因子调查数据,运用数量分类与排序等方法,探究了沙化高寒草地植物群落特征及其与微地形环境因子的关系.结果表明:60个调查样方中出现29个植物种,隶属16科,27属.赖草、细叶亚菊、绳虫实等植物种的出现指示高寒草地沙化处于进展之中,植被群落向旱生方向演替.物种标准频度分布在不同微地形表现各异,总体上优势种比例低于稀有种,植被群落处于高度演替阶段.TWINSPAN将沙化高寒草地划分为7个群丛类型:Ⅰ赖草+阿尔泰狗娃花+牛耳风毛菊Leymus secalinus+ Heteropappus altaicus+ Saussurea woodiana,Ⅱ赖草+喜马拉雅嵩草+绳虫实Leymus secalinus+Kobresia royleana+Corispermum declinatu,Ⅲ赖草+披碱草+细叶亚菊Leymus secalinus+Elymus dahuricu +Ajania tenuifolia,Ⅳ赖草+高山野决明Leymus secalinus+ Thermopsis alpina,Ⅴ老芒麦+早熟禾Elymus sibiricus+ Poa annua,Ⅵ老芒麦+批碱草Elymus sibiricus+Elymus dahuricus,Ⅶ绳虫实Corispermum declinatum.7个群丛在DCA排序图上的分布呈现一定的规律性.CCA排序结果表明,坡度和坡向是沙化高寒草地物种分布的微地貌主导因子.

生态空间是指以提供生态系统服务为主要目标的地域范围,确定生态空间范围是协调保护与发展、保障生态服务持续供给的基础.长江流域是中华民族的摇篮与中国文化发祥地之一,是中国经济发展的重要增长极,以及具有全球意义的生物多样性热点区.以长江流域为对象,探讨面向流域生态空间规划的方法与管理对策.研究中,选择生态系统服务指标(水源涵养、洪水调蓄、水质净化、水土保持和生物多样性维护)和生态敏感性指标(水土流失、石漠化和土地沙化),基于流域水文路径分析和与其关联的生态系统服务的受益人口,提出一种流域尺度的生态空间规划方法.研究结果显示,长江流域生态空间面积为102.25万km2,占长江流域总面积的57.42％,森林占52.87％,灌丛占19.51％,草地占18.96％,湿地占4.26％,保护了79.47％的水源涵养功能,86.99％的洪水调蓄功能,78.09％的水质净化功能,80.60％的水土保持功能,以及86.49％的自然栖息地.在生态空间规划的基础上,进一步探讨了长江流域生态保护红线的格局,现阶段生态保护红线面积为59.25万km2,占长江流域总面积的33.27％,其中上游占比59.24％,中游和下游分别占比38.05％和2.71％.本文提出的规划方法与研究结果,不仅可以为长江流域生态空间规划、保障流域生态安全和促进流域经济社会可持续发展提供依据,还可以为其他流域的生态空间的规划提供参考.

为科学认识科尔沁沙地优势固沙灌木的生态适应性和固沙植被演变规律,该研究对科尔沁沙地流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘和丘间低地的优势固沙灌木小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)和盐蒿(Artemisia halodendron)进行野外调查,研究了这两种固沙灌木的叶片氮(N)、磷(P)化学计量特征、灌丛土壤养分状况以及内稳性特征.结果 表明:1)与盐蒿相比,灌木小叶锦鸡儿具有较高的叶片N含量及N∶P,而P含量仅为盐蒿的1/2;2)两种优势固沙灌木灌丛下土壤的全N、全P含量及速效N、速效P含量高于该地区土壤的平均水平,小叶锦鸡儿灌丛下土壤养分含量显著高于盐蒿灌丛下土壤;3)盐蒿叶片N、P化学计量内稳性指数(H)表现为HP＞HN∶P ＞HN,说明盐蒿更易受土壤N的限制;小叶锦鸡儿叶片N、P化学计量内稳性指数表现为HN∶P＞HN＞HP,意味着小叶锦鸡儿更易受土壤P的限制.在N含量较低的沙化草地,HN较高的固沙灌木小叶锦鸡儿比盐蒿更具生长优势,对于该地区生态恢复及保护具有不可替代的作用.然而,小叶锦鸡儿额外吸收的N,使其生长过程可能易受P的限制,因此在沙地恢复过程中应注意土壤P的供应.

沙化草地土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量特征及其对植被生产力与多样性的影响对于认识草地沙漠化过程中土壤与植被的互馈关系,以及沙漠化发展的生态学机理具有重要的意义.通过对科尔沁沙地75个沙化样地的野外调查,研究了科尔沁沙地不同程度沙化草地的表层土壤C、N、P化学计量特征及其与生产力和多样性的相关关系.结果 表明:1)科尔沁沙地沙化草地表层土壤具有较低的有机C、全N、全P含量及C∶N、N∶P和C∶P,平均值分别为1.39 mg/g、0.117 mg/g、0.079 mg/g和7.50、2.22、16.91;草地沙漠化过程中,土壤有机C、全N、全P含量显著降低的同时,C∶N、N∶P和C∶P亦显著降低,表明土壤有机C、全N、全P在沙漠化过程中的损失是不同步的;2)科尔沁沙地沙化草地表层土壤有机C、全N、全P元素间均呈显著正相关,具有一定的耦合关系,且土壤有机C和全P间的耦合关系不随沙漠化的发展而发生改变;3)草地沙化过程中,土壤养分的损失限制着草地生产力,而土壤N∶P较全N、全P含量更能反映土壤养分对生产力的限制作用;4)沙化草地土壤全N含量与物种丰富度间具有显著正相关关系,而土壤全P含量与其无显著相关性;多样性指数与全N、全P含量间均具有显著正相关关系;相对于土壤全N、全P含量,N∶P能更好地反映养分平衡对物种多样性的影响作用.