土壤微生物是连接地上植被和土壤养分循环的关键枢纽,然而对于毛乌素沙地生态恢复过程中植被和土壤对微生物群落的影响还不明确.本研究以流动沙丘为对照(0年),以10、30、50和70年的柠条固沙林土壤为研究对象,将磷脂脂肪酸(PLFA)标记法与灌木、草本植物和土壤因子结合,探究不同恢复年限下土壤微生物群落特征的变化规律及其调控因子.结果表明:随着恢复年限的增加,生态恢复效应指数显著增加.0、10、30、50 和 70 年的总 PLFA 含量分别为 47.75、55.89、63.53、67.23 和 82.29 nmol·g-1.随着生态恢复指数增加,细菌含量和革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌比均显著增加;革兰氏阴性菌群落含量和真菌与细菌比均显著下降.灌木、草本植物和土壤因子能解释土壤微生物群落72.4％的变异,其中土壤因子的贡献高于植被因子.毛乌素沙地土壤微生物群落的总PLFA含量随恢复年限的增加而增加,并且土壤含水量、酸碱度、全氮和土壤有机碳为影响土壤微生物群落特征的主要驱动因子.随着毛乌素沙地柠条固沙林恢复年限的增加,主要由土壤因子驱动的土壤微生物群落结构发生显著变化.

景观格局是影响植物物种多样性(PSD)和功能多样性(PFD)变化的重要驱动因素.然而,目前对景观格局动态的作用机制仍然不清楚.浑善达克沙地固定沙丘、半固定沙丘、流动沙丘、丘间低地、湖泊和建设用地镶嵌分布,形成了复杂的景观格局,是揭示这种机制的理想地区.本文对该地区2008-2017年的遥感图像进行处理,对PSD和PFD进行实地调查和分析,采用Spearman相关性分析和广义线性混合模型识别了对PSD和PFD有显著贡献的景观格局指数;采用结构方程模型解析了景观格局动态变化对PSD和PFD的直接和间接效应.结果表明,PSD和PFD均受2-4年前景观格局的影响.PSD主要受形状指数、面积和边缘指数以及聚集指数的重要影响,PFD主要受形状指数和聚集指数的影响.由于环境过滤和扩散限制,欧氏邻近距离指数和分离度指数是描述PFD的良好指标.综上,在世界干旱和半干旱地区土地的景观规划、管理和生物多样性保护过程中,必须考虑景观的动态和演变.

气候变化与人为干扰加剧景观破碎化进程,导致产生一系列相互隔绝的“生境岛屿”.本研究以科尔沁沙地流动沙丘18个不同大小丘间低地为研究对象,将丘间低地视为“生境岛屿”,探讨“生境岛屿”面积对植物种分布格局的影响,并基于此提出物种多样性保护方案.结果表明:物种对生境破碎化的敏感性不同,第Ⅰ类物种主要分布在小面积岛屿(如乌丹蒿、芦苇、野豌豆);第Ⅱ类物种主要分布在大面积岛屿(如胡枝子、画眉);第Ⅲ类物种主要分布在中面积岛屿(如刺藜、苦参);第Ⅳ类物种在大岛、中岛、小岛均有分布(如黄柳);在累加岛屿面积相同时,总物种数为中岛组合＞组合岛＞大岛组合＞小岛组合;沙生植物物种数为组合岛＞中岛组合＞大岛组合＞小岛组合;草甸植物物种数为中岛组合＞组合岛＞大岛组合＞小岛组合;草原植物物种数为组合岛＞中岛组合＞大岛组合＞小岛组合.探讨“生境岛屿”面积对植物多样性及其分布格局的影响将为半干旱沙区植物多样性保护提供理论依据.

凋落物是植被土壤系统之间重要的物质和能量通道之一,在生态脆弱区植被和土壤修复过程中发挥着特殊的功能和作用.以科尔沁沙地流动沙丘、固定沙丘和草地为对象,通过连续测定9个生长季凋落物量,并结合气温与降水量数据,研究沙地生态系统不同生境的凋落物年际和年内动态及其调控因子.结果表明:不同生境植被年凋落物大小依次为:流动沙丘(9.01 g·m-2)＜固定沙丘(67.46 g·m-2)＜草地(119.55 g·m-2).凋落物总量年际动态波动明显,固定沙丘年际变化呈“双峰”曲线,草地年际变化呈“W”型曲线.凋落物量年内变化均表现为“U”型曲线,在4和9月出现高峰值.降水量和气温对固定沙丘和草地凋落物量月际动态影响显著,而对不同生境条件下凋落物量年际变化影响均不显著.气温是影响该沙地生态系统生长季(4-9月)凋落物量月动态的主要因素.

植被化学计量特征表征植物营养限制.它是否会影响物种多样性需要进一步探究.本研究以宁夏哈巴湖国家级自然保护区沙地油蒿群落和沙柳群落为对象,计算了植被碳(C)、氮(N)、磷(P)含量,分析了植被C、N、P生态化学计量特征对沙地植物群落物种多样性的影响.结果表明:在流动沙丘和半固定沙丘生境中的沙柳群落,物种多样性Simpson指数与植被C/N值存在显著的负相关关系,而与植被N/P值的相关性不显著;在半固定沙丘和固定沙丘生境中的油蒿群落,物种多样性Shannon指数与N/P值存在显著正相关关系,而与C/N值存在显著负相关关系.结合C、N、P生态化学计量特征与冗余分析可知,油蒿群落和沙柳群落的植被P含量对物种多样性的影响不同,导致两个群落的植被N/P值对物种多样性产生不同的影响.

为研究沙地退化植被封育恢复过程中植被特征的动态变化规律,分别于2011年、2013年和2015年8月中旬在流动、半固定、固定沙丘和沙质草地上开展了3次植被特征调查.结果表明:2011-2015年,流动沙丘优势植物沙米(Agriophyllum squarrosum)的优势度逐渐降低,半固定沙丘优势植物差巴嘎蒿(Artemisia halodendrom)的优势度波动下降、一年生植物优势度有所增加;固定沙丘和草地中一年生植物的优势度有所下降,多年生植物所占比例逐渐增加;随着退化植被封育恢复,植被盖度、物种丰富度、凋落物量和地上-地下生物量明显增加;2011-2015年,4种生境上的平均凋落物量和半固定沙丘的植被盖度逐年增加,而物种丰富度和地上生物量表现出波动变化趋势,地下生物量年际间变化不显著;沙地退化植被封育恢复过程中,物种丰富度与植被盖度、地上生物量、凋落物量、地下生物量和总的植物生物量呈极显著线性正相关.沙地退化植被封育恢复过程中植物群落组成和优势种的动态变化,反映了沙地植物群落的正向演替与群落结构复杂化的趋向;沙地退化植被的封育恢复导致了物种多样性与生物量的线性正相关.

栖息地退化会使环境中蜥蜴的可利用食物资源发生改变.采用剖胃法对内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗和达拉特旗地区采集的草原沙蜥样本进行了食性分析.对固定沙丘、半固定沙丘和流动沙丘三类样地中77个实胃样本的652只(套)食物进行鉴定和分析的结果表明,这些食物主要为节肢动物,分为35类,隶属3纲11目32科;也在少部分个体(4.69％)的胃容物中发现少量(1.95％)植物碎片.上述三类栖息地中,草原沙蜥对蚁科、蚜科、瓢虫科、叶蝉科和茧蜂科昆虫均有较大的捕食比例;但相比固定沙区栖息地,草原沙蜥在半固定及流动沙丘中增减的食物种类均比较多,导致草原沙蜥在流动沙区与其他两类样地之间有较大的食物相异性.从固定沙丘、半固定沙丘到流动沙丘,随栖息地荒漠化程度的增加,草原沙蜥捕食食物类群的丰富度逐步减少,辛普森优势度指数相应地下降,但营养生态位宽度、香农威纳多样性指数和皮洛均匀性指数却在流动沙丘栖息地上明显增大.这表明鄂尔多斯地区的草原沙蜥是以捕食昆虫等节肢动物为主、兼食极少量植物的杂食性动物.栖息地荒漠化所致的环境变化显著地影响草原沙蜥的食物组成,使其觅食的食物种类逐步减少.

沙地的土壤深漏是沙地水分循环及水量平衡中的重要环节,对这一分量的准确测算,能够增进对沙地降雨的分配、转移及运输过程规律的认识.利用土壤深层水量渗漏测试记录仪(YWB-01),对毛乌素沙地典型的流动沙丘50、100 cm和200 cm的3个层次的土壤渗漏水量进行定点实时监测,定量分析降雨条件下沙地土壤渗漏特征,得出以下结论:(1)在降雨条件下,2016年4-6月3个沙层的渗漏过程都不明显,从7月开始,渗漏过程与降雨过程的一致性随沙层的增加而逐渐减弱;(2)随沙层深度的增加,累计渗漏天数以及连续渗漏天数在增加,累计渗漏水量、最大日渗漏水量逐渐减小,渗漏水量的波动也逐渐减小;渗漏水量＞10 mm的天数和渗漏水量所占的比例明显减少;(3)对降雨量和各沙层渗漏水量日、周、半月、月累积量之间进行相关分析和线性拟合后发现,越往深处渗漏水量对降雨的响应越弱,月渗漏水量与月降雨量的关系更密切.

土壤氮素形态的转换主要由相关微生物驱动完成,其中由氨氧化细菌(AOB)主导的氨氧化过程是硝化作用的限速步骤.在土地沙漠化正逆过程中,植被和土壤条件的变化也会对土壤微生物群落产生显著影响.本研究在科尔沁沙地典型地区选择小叶锦鸡儿天然群落、30年生小叶锦鸡儿人工固沙群落和流动沙丘为对象,以amoA基因为标记,采用克隆文库和Q-PCR技术,研究了沙地小叶锦鸡儿群落土壤氨氧化细菌多样性和菌群结构及其变化特征.结果表明:小叶锦鸡儿群落土壤氨氧化细菌多样性较低,均为亚硝化螺菌属(Nitrosospira);在土地沙化正逆过程中,土壤氨氧化菌群结构的变化主要体现在数量上,而基本组分变化不大;流动沙丘上重建小叶锦鸡儿植被可恢复土壤氨氧化菌群结构;土壤全氮和全磷是影响AOB群落结构的主要环境因子.

该研究以科尔沁沙地半流动沙地4种典型灌木(小叶锦鸡儿、东北木蓼、黄柳、差巴嘎蒿)灌丛下的土壤为研究对象,分析不同灌木类型各土层碳、氮、磷含量及其生态化学计量比的垂直分布特征以及各指标间的相关关系,以阐明同一环境条件下不同灌木类型组成的植被对土壤营养元素的影响与反馈能力,为沙漠化治理和生态恢复提供指导.结果表明:(1)4种典型植物灌丛下0～80 cm土层SOC、TN、TP平均含量分别在0.90～2.18 g/kg、o.19～0.32g/kg、o.27～0.32 g/kg之间,其中东北木蓼灌丛下0～80 cm土壤SOC、TN、TP平均含量最高,且土壤SOC、TN含量与小叶锦鸡儿的差异不显著,但两者均显著高于其他植物灌丛;土壤TP平均含量在不同灌木类型间均不显著.(2)4种植物灌丛下土壤SOC、TN、TP含量随土壤深度增加而下降,表层(0～10 cm)土层受植被类型影响显著(P＜0.05),同一灌丛0～10 cm土层与其他各土层间差异显著(P＜0.05),且随着土层深度的增加土层间的差异减弱.(3)各灌木类型下的土壤SOC、TN呈“倒金字塔”的分布模式,但TP含量随土壤深度变化相对不明显,呈“圆柱体”的分布模式.(4)小叶锦鸡儿下各土层C∶N、C∶P平均比值最高,其次是东北木蓼、黄柳,差巴嘎蒿最低;C∶N、C∶P、N∶P的比值均随土壤深度增加而下降,不同灌木类型之间的差异也随土壤深度增加而减弱;其中各灌丛下土壤C:P随着土壤深度呈急剧减小趋势,且土壤C∶P、N∶P垂直递减的速率比C∶N快.(5)相关分析表明,土壤SOC、TN、TP相互之间呈显著正相关关系,C∶N、C∶P比值主要受土壤SOC含量的影响,N:P比值主要受到土壤SOC、TN含量的影响,C∶P比值对土壤C∶N、N∶P比值影响显著.研究发现,不同灌木对半流动沙地的土壤质量的改善修复作用差异显著,且东北木蓼和小叶锦鸡儿的适应性强、对土壤养分的积累更加明显.