为进一步研究砒砂岩区不同雨型下植被格局对坡面土壤侵蚀特征的影响,基于野外径流小区原位观测试验与景观生态学相结合的方法,通过对比分析不同坡面的植被斑块格局指数与产流产沙之间的相关关系,阐明植被格局对砒砂岩坡地降雨侵蚀的影响.结果表明:(1)该地区降雨可划分为3类,根据各植被坡面产流产沙能力,得出降雨侵蚀力表现为:雨型Ⅱ(长历时、大雨量、大雨强)＞雨型Ⅲ(短历时、小雨量、中雨强)＞雨型Ⅰ(中历时、中雨量、小雨强).降雨量和最大30min雨强与产流产沙量呈显著或极显著关系,相关系数0.695以上,是预测该区域水土流失的主要降雨因子.(2)各坡面水土保持能力与降雨类型有关,不同雨型下3种植被坡面减流减沙率分别达0.42％、20.8％以上,不同植被格局坡面减沙效益优于减流效益,3种植被坡面的减流能力为:雨型Ⅰ＞雨型Ⅲ＞雨型Ⅱ.(3)3种植被坡面的径流泥沙模数由小到大依次为:均匀分布＜聚集分布＜随机分布,对比区域多年平均径流泥沙模数,3种植被坡面能够减少侵蚀达21.33％以上.(4)景观形状指数和分离度指数是影响坡面产流产沙的主要格局因子,相关系数分别达0.884和0.825以上.产流、产沙量与坡面植被斑块分离度呈显著正相关,与景观形状指数呈显著负相关.坡面产流量(Y1)与斑块分离度(SPLIT)和景观形状指数(LSI)的关系式为Y1=8.247SPLIT-6.605LSI+38.928,R2=0.905.以上结果表明植被斑块间的分离度越小,形状越复杂,坡面阻力增大,抗侵蚀能力越强.研究成果可为生态恢复过程中植被斑块格局的优化提供理论依据和数据支撑.

砒砂岩区是黄土高原区水土流失最为严重的地区之一.砒砂岩区沙棘人工林有良好的水土保持功能,沙棘林下草本植物是该人工林生物多样性的重要组成部分.目的是探明砒砂岩区人工沙棘林下草本物种多样性与环境的关系,依据生境条件的差异,沙棘林被划分为7个类型.野外调查记录了各类型所处的地形条件,采用样方法调查了每个样地草本的生物多样性,并取土样测定其养分和水分状况.采用Patrick指数、Pielou指数、Shannon指数、Simpson指数对砒砂岩区不同立地类型人工沙棘林下草本植物进行了物种多样性分析,并通过CCA、PCCA方法研究了物种分布与环境的关系.结果表明:(1)砒砂岩区不同立地类型人工沙棘林下草本层优势种不同,阴坡混交林物种数最多为23种,阳坡混交林Pielou指数最高为0.89,阴坡纯林和混交林Shannon指数均为最高,Simpson指数没有明显差异.(2)影响砒砂岩区人工沙棘林下草本物种的分布的环境因子顺序为地形因子＞土壤因子＞灌木层因子,其中坡向、坡度、土壤含水量、土层厚度、郁闭度、混交结构所占解释量较大.本研究可为当地沙棘人工林生物多样性保护和植被建设提供基础数据.

以人工种植在内蒙古砒砂岩区3年生中国沙棘根系为研究对象,运用分形理论和统计分析方法,对不同生境条件下沙棘根系分形参数、根长、根数、根系质量、根冠比等进行研究.结果表明:土壤水分对砒砂岩区沙棘根系构型影响最显著,其次是坡度,坡位对沙棘根系构型影响最小.砒砂岩区沙棘适宜种植在土壤含水率为8％左右的坡腰或坡底,坡腰坡度以30°～35°为宜.随土壤含水率的增加沙棘根冠比逐渐减小,随坡度的增加根冠比先增大后减小,随坡位的上升根冠比也表现出先增后减的趋势.沙棘在干旱贫瘠的坡腰具有根系发达、根冠比高的特征,符合固土护坡树种的基本特征与要求.

[目的]揭示巨菌草种植前及其不同生长时期对砒砂岩地区土壤基本理化性质及细菌群落结构的影响,为更好应用巨菌草改良砒砂岩地区土壤提供理论依据.[方法]运用Illumina MiSeq高通量测序技术,在门、属水平上比较砒砂岩地区巨菌草不同生长时期对土壤细菌结构及多样性的影响.[结果]巨菌草种植后,三块样地的含水量在巨菌草分蘖期最低,在成熟期达到最高,土壤有机含量有所增加,土壤pH值变化不明显.细菌菌群结构:各样地的土壤细菌在巨菌草种植前及其生长的四个时期,门水平上的优势菌群均为放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria);在属水平上,含量最高的是未分类(unidentified)的细菌.Alpha多样性及群落组成丰度分析表明,三块样地种植巨菌草后,其细菌多样性和物种丰度均比种植前高,农田地土壤细菌多样性和物种丰度在巨菌草拔节期达到峰值,在分蘖期土壤细菌数量最大,比种植前土壤细菌数量高出8倍多,达2.09× 107 CFU/g干土,山顶地土壤细菌多样性和物种丰度在巨菌草分蘖期达到峰值,河滩地土壤细菌多样性在巨菌草苗期达到峰值,其丰富度在拔节期达到最大.[结论]砒砂岩地区土壤细菌群落结构在巨菌草不同生长时期相似,巨菌草能明显促进砒砂岩地区土壤细菌菌群多样性和丰富度,能有效提高土壤有机质含量,但砒砂岩地区各样地土壤细菌多样性、数量和有机质含量达到峰值的时期不同.

利用2000-2018年的MODIS-EVI数据,基于像元二分模型计算植被覆盖度,利用数字高程模型(DEM)数据从高程、坡度和坡向等方面分析西北砒砂岩区植被覆盖度的地形效应.结果 表明:2000-2018年西北砒砂岩区植被覆盖度(FVC)相对较低,平均按2.43·a-1的速率递增,FVC正距平年主要有12年,其中以2018年和2013年相对最高,负距平年主要有7年,其中以2001年和2000年相对最低.砒砂岩区FVC空间分布由东南向西北逐渐降低,但不同类型砒砂岩区FVC存在较大差异,其中裸露砒砂岩区FVC相对最低,覆沙砒砂岩区次之,覆土砒砂岩区相对最高;2000-2018年砒砂岩区FVC的平均变化率为0.0031,植被生长状况趋于改善.高程-坡向效应表明,裸露砒砂岩和覆沙砒砂岩区坡向分别在高程≤1000 m和＞1500 m处对FVC的影响较大,覆土砒砂岩区坡向对FVC的影响较小,但在高程1200～1300 m处影响较大.坡度-坡向效应表明,砒砂岩在坡度≤15°时,FVC的坡度坡向效应不明显,坡度＞25°时裸露砒砂岩和覆沙砒砂岩的阴坡和半阴坡FVC大干阳坡和半阳坡;覆土砒砂岩坡度＞15°时,半阴坡和半阳坡的FVC大于阴坡和阳坡.

十大孔兑砒砂岩区为鄂尔多斯北部水土流失最为严重的地区之一,土壤侵蚀发生、发展极大影响了区域水、土资源开发利用.应用通用土壤侵蚀模型(Universal Soil Loss Equation,USLE)计算了区域土壤侵蚀模数,采用整体回归拟合和分段回归拟合的方法对研究区植被盖度和土壤侵蚀模数的关系进行了分析并识别土壤侵蚀模数阈值和对应植被盖度.结果 表明:2000-2017年十大孔兑砒砂岩黄土区土壤侵蚀模数在时间尺度上呈现复杂的变化趋势,多年土壤侵蚀模数平均值为29.31 t hm-2 a-1;最大和最小值分别为65.6 t hm-2 a-1和10.95 t hm-2 a-1.从总体来看,土壤侵蚀模数随着植被盖度增加呈极显著抛物线型变化趋势(P＜0.001);在坡度级别分别为＜5°、5-10°和＞10°时,土壤侵蚀模数阈值(18.18 t hm-2 a-1、34.29 thm-2 a-1和74.56 t hm-2a-1)对应植被盖度分别为11.42％、16.51％和16.5％.结果 解释了砒砂岩黄土区土壤侵蚀模数不仅受到了USLE模型中诸因子的影响,而且也受到了土壤可侵蚀量限制.此外,判断区域土壤侵蚀与植被盖度关系时应高度关注较大侵蚀量年份.

砒砂岩区土壤侵蚀剧烈、生态环境脆弱,其复合侵蚀综合治理备受关注.以内蒙古准格尔旗二老虎沟小流域为研究对象,对该小流域不同地形位置的土壤物理性质和水分特征进行研究.结果显示:(1)土壤容重在空间上属弱变异性,变异系数为0.09,土壤含水量、吸湿水以及土壤砂粒、粉粒、黏粒的变异系数分别为0.17、0.57、0.15、0.34、0.30,均属中等变异强度.(2)不同坡向,土壤吸湿水和土壤水分变化均为阴坡＞阳坡,阴阳坡土壤容重相差0.01 g/cm3;不同坡位土壤容重为坡中最大,坡上次之,坡下最小,坡面土壤含水量从坡顶到坡下依次为11.29％、12.18％、12.27％、13.22％,土壤吸湿水从坡上到坡下依次减小且相差0.3％.方差分析显示坡向对土壤物理性质的影响不显著(P＞0.05),而坡位对土壤吸湿水、容重、黏粒和植被种类都产生显著影响(P ＜ 0.05).(3)土壤物理性质在沟头和沟口变化相对稳定,而上中游位置变化相对活跃.土壤容重、吸湿水和黏粒在不同断面上具有显著差异(P ＜ 0.05).(4)相关分析表明土壤物理性质和植被盖度及植被种类之间相关性明显.综上所述,砒砂岩区不同地形位置土壤物理性质呈现不同的变化特征,结果可为评价当地的土壤性质以及合理利用土壤资源提供科学依据.

鄂尔多斯高原砒砂岩区土壤贫瘠、水土流失强烈,土壤氮素养分也是该区域植被恢复重建的主要限制因子.该研究以3种乡土种芨芨草(Achnatherum splendens)、长柄扁桃(Amygdalus pedunculata)和沙棘(Hippo-phae rhamnoides)与2种外来种掌叶大黄(Rheum palmatum)和杂交狼尾草(Pennisetum americanum×P.pur-pureum)为研究对象,采用田间试验方法,分析比较鄂尔多斯砒砂岩区5种潜在适生植物在4个施氮水平[对照N0、低(NL,0.1 g N/kg风干土)、中(NM,0.2 g N/kg风干土)、高(NH,0.3 g N/kg风干土)]下个体生长表现和氮素利用相关指标的差异,旨在从氮素利用角度以及物种选择与施氮干预两方面为区域植被恢复重建提供理论依据.结果表明:(1)5种植物的个体生长表现在中等施氮水平下最佳,试验期间掌叶大黄、芨芨草、长柄扁桃、杂交狼尾草和沙棘在中等施氮水平下的株高和生物量分别增加10.00、41.41、38.95、151.45、41.08 cm和52.84、60.55、75.36、668.67、142.86 g.(2)5种植物在4个氮素水平下的平均氮素利用效率(NUE)为1154.42 g·g-1,各施氮水平下,沙棘、掌叶大黄、长柄扁桃、杂交狼尾草和芨芨草的NUE分别为1546.16、1429.45、1389.75、731.09、675.65(g·g-1),且5种植物的NUE存在显著的种间差异,各施氮水平下植物的NUE综合表现为:沙棘、掌叶大黄、长柄扁桃大于杂交狼尾草、芨芨草.(3)氮素水平对5种植物NUE的影响显著,以中等施氮下最高,且5种植物不同施氮水平的NUE综合表现为:中氮>对照、高氮>低氮.(4)在影响NUE的两种乘项构成因素中,5种植物因生活型等方面的差异呈现出较为明显的氮素生产力(NP)和平均滞留时间(MRT)间的权衡,其中作为速生植物类引进的杂交狼尾草倾向于通过提高氮素生产力来提高氮素利用效率;而大型灌木类本地种——沙棘和长柄扁桃则偏向于通过提高滞留时间来提高氮素利用效率.研究认为,在砒砂岩区植被恢复物种选择和施氮干预中,建议栽植沙棘和长柄扁桃;并且适度施氮有助于提高区域适生植物氮素利用效率,促进植被恢复重建.

黄土高原砒砂岩区是我国水土流失最为严重的地区之一,油松(Pinus tabuliformis)是该区水土保持与水源涵养的优势乔木.以几种不同立地类型人工油松林为对象,应用Levins生态位宽度指数、Pianka生态位重叠指数和冗余度分析(RDA),研究林下草本群落生态位特征及其与环境的相互响应.结果表明:所调查的150个油松林下草本样方中,共发现31种草本植物,隶属于11科24属,阳性旱生植物居多.不同立地类型人工油松林下草本群落生态位特征不同,生态位宽度指数及生态位重叠指数均表现阳坡大于阴坡,平坡好于斜缓坡,但整体指数均较小,表明物种对环境资源利用程度较低,种间竞争度不大,群落处于相对稳定状态.通过对比典范对应分析(CCA)及冗余度分析(RDA),RDA排序更能较好揭示生态位特征与环境因素的关系,得出乔灌层郁闭度、土壤有机质、土壤含水率和坡度是林下草本群落生态位特征各异的主导环境因子.

砒砂岩区地形破碎,生态环境恶劣,降水量少且以暴雨为主,研究该区植被覆盖变化及环境驱动因子作用机制对区域植被建设具有重要的理论意义.基于1999-2018年的NDVI数据分析了砒砂岩区近20年植被覆盖度时空变化特征,利用了地理探测器方法量化分析了不同环境因子对植被覆盖度的影响.结果表明:1)近20年砒砂岩区平均植被覆盖度为42.3％,时间尺度上1999-2018年区域植被覆盖度呈增加趋势,平均上升幅度为0.086/10 a,空间尺度上植被覆盖度呈现从东南向西北递减的空间分布特征;2)近20年区域植被覆盖整体得到改善要比退化的区域面积大,45.5％的区域面积植被覆盖度极显著增加,主要分布在砒砂岩区东部区域,该区植被覆盖度未来变化趋势将以持续性改善为主,但仍有约41.6％的植被将由改善向退化方向变化;3)降水、土壤水分和气温是影响砒砂岩区植被覆盖空间分布的主导环境因子,且降水同其他环境因子的交互作用对植被覆盖影响最大.