为了阐明固沙过程中蚂蚁群落结构分布特征及其对土壤性质的影响,在腾格里沙漠固沙植被区选取流动沙地以及 5a、8 a、34 a和 57a固沙植被区为研究样地,对不同样地蚂蚁群落的个体数、类群数以及蚁丘内外土壤理化性质进行测定,进而分析了不同样地蚂蚁群落分布特征及其与土壤因子间的关系.结果表明:(1)固沙植被区蚂蚁群落中的优势类群为掘穴蚁(Formica cunicularia),个体数占比为 78.87%.(2)57 a固沙植被区蚂蚁密度显著低于 8a和 34a固沙植被区(P＜0.05);5 a固沙植被区蚂蚁类群数显著低于其他植被区(P＜0.05).(3)57 a固沙植被区蚁丘中土壤含水量、土壤黏粒和土壤全钾显著高于非蚁丘,而土壤电导率和土壤粉粒显著低于非蚁丘(P＜0.05).8 a和57a固沙植被区蚁丘中土壤pH显著高于非蚁丘,8 a固沙植被区蚁丘中土壤有机碳显著高于非蚁丘,8 a和34a固沙植被区蚁丘中土壤全氮显著高于非蚁丘(P＜0.05).(4)蚂蚁群落组成与土壤粒径、电导率、pH、有机碳、全氮、全磷和有效磷含量的相关关系显著;偏RDA 结果表明,蚂蚁类群数是影响固沙区土壤理化性质的主要限制因子.综合表明,腾格里沙漠不同固沙年限植被区蚂蚁群落组成差异较大,更丰富的蚂蚁群落有利于改善土壤质地,促进土壤理化性质向良好的方向发展,对实现荒漠生态系统恢复起到推进作用.

在腾格里沙漠东南缘选取2、5、8、34a和57 a的不同年限人工固沙植被区为研究样地,以流动沙地为对照,利用陷阱诱捕法调查了不同样地地面节肢动物的群落组成及多样性特征,阐明了固沙植被区地面节肢动物多样性对植被演替的响应规律.结果表明:(1)此次调查共获得地面节肢动物15685头,隶属于15目40科44个类群.随固沙年限的增加,地面节肢动物优势类群数基本无变化,常见类群数和稀有类群数分别增加了 0.5-2.5倍和0.25-2.75倍;捕食性、植食性和杂食性地面节肢动物类群数均呈上升趋势,分别增加了 0.5-3倍、0.2-4.2倍和0.3-1.67倍.(2)地面节肢动物总个体数表现为8 a和57 a固沙植被区显著高于流动沙地(P＜0.05),分别是流沙地的3.85倍和3.03倍;类群数和多样性指数均表现为57 a和34 a固沙植被区显著高于其他年限固沙植被区(P＜0.05),且57 a固沙植被区地面节肢动物类群数显著高于34 a固沙植被区(P＜0.05).(3)草本植物密度、土壤有机碳和灌木高度是影响固沙植被区地面节肢动物群落组成及多样性分布的主要因子,解释率分别为48.1％、25.2％和9.1％.草本密度、土壤有机碳与地面节肢动物个体数、类群数和多样性指数均呈显著正相关(P＜0.05);灌木高度与地面节肢动物个体数呈显著正相关,与类群数和多样性指数呈显著负相关(P＜0.05).综上所述:地面节肢动物对固沙植被不同演替阶段环境条件的选择和适应性不同.流动沙地经人工固沙后,可以提高地面节肢动物的多样性,且34 a固沙时间是地面节肢动物多样性保持相对稳定的关键时间节点.

贺兰山作为守护西北生态安全的最后一道屏障,既遏制了腾格里沙漠的东移,又削弱了西北寒流的侵扰,其植被功能对于维护区域气候变化和北方干旱荒漠带生态安全具有重要意义.以气象、NDVI和植被类型为输入数据,利用CASA模型模拟2000-2020年贺兰山地区NPP值并估算了该地区的植被固碳量,探讨了植被固碳功能的空间分异特征及其主要驱动因子.结果表明:(1)2000-2020年间贺兰山地区植被固碳量显著增加,植被固碳功能得到提升.空间上呈现四周低中间高、西部低东部高、南部低北部高的分布特征;(2)植被固碳量随海拔升高呈现先增后减的趋势,且东西坡差异明显;随着坡度的增加,东西坡植被单位面积固碳量增加;(3)研究区温度、降水及潜在蒸散发对植被固碳的驱动能力有差异性,其中降水为主要驱动因子;贺兰山大部分土地利用类型转换对植被固碳功能的提升有促进作用.本研究以期为贺兰山地区的生态建设提供科学参考.

藓结皮作为干旱半干旱地区生物土壤结皮发育演替的稳定阶段,参与了荒漠生态系统的物质循环和能量流动,为微生物多样性的维持提供了微生境.了解藓结皮植物-土壤连续体不同粒径土壤微生物群落多样性对认识藓结皮的生态过程具有重要意义.本研究采用Illumina MiSeq技术对藓结皮植物-土壤连续体以及结皮下层不同粒径土壤微生物多样性和群落结构进行了分析.测序结果得到10,730个细菌变异序列(ASVs)和3,035个真菌ASVs.藓结皮附着土细菌群落α多样性指数低于结皮下层,而藓结皮附着土真菌群落α多样性指数显著高于结皮下层和结皮抖落土.藓结皮层常见的细菌门有放线菌门、变形菌门、绿弯菌门、酸杆菌门、蓝细菌门、拟杆菌门,结皮下层土壤常见的细菌门有放线菌门、变形菌门、绿弯菌门、酸杆菌门,藓结皮附着土细菌群落变形菌门和拟杆菌门相对多度高于不同粒径藓结皮抖落土及藓结皮下层土.藓结皮层和藓结皮下层常见的真菌门有子囊菌门和担子菌门.藓结皮附着土与不同粒径抖落土在细菌群落微枝形杆菌属(Microvirga)、红色杆菌属(Rubrobacter)、苔藓杆菌属(Bryobacter)、土壤红杆菌属(Solirubrobacter)、地嗜皮菌属(Geodermatophilus)、鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)、芽生球菌属(Blastococcus)、诺卡氏菌属(Nocardioides)、Rubellimicrobium、贫养杆菌属(Modestobacter)相对多度存在显著差异,藓结皮附着土与不同粒径抖落土在真菌群落曲霉属(Aspergillus)、Knufia、Darksidea、粉褶蕈属(Entoloma)、Monosporascus、Bhatiellae、亚隔孢壳属(Didymella)、链格孢属(Alternaria)、Cladosporium、镰刀菌属(Fusarium)相对多度上存在显著差异.藓结皮附着土细菌和真菌共现性网络比不同粒径藓结皮抖落土和藓结皮下层土细菌和真菌共现性网络更复杂且连通性更好.这些研究结果有助于在微环境尺度探究生物土壤结皮参与荒漠生态系统生物地球化学循环的微生物多样性的变化规律.

以巴丹吉林、腾格里、乌兰布和及库布齐沙漠的柠条锦鸡儿成熟叶片为研究对象,采用石蜡切片法,观察叶的横切结构,使用Motic Images Plus 2测定叶片厚度、栅栏组织细胞长和上、下表皮厚度等指标,分析比较4个沙漠的柠条锦鸡儿小叶解剖结构差异.结果表明:(1)生长环境不同,柠条锦鸡儿小叶在表皮、叶肉和叶脉结构上都存在差异,以巴丹吉林沙漠与库布齐沙漠的差异性最为显著.(2)干旱环境下,叶片变小、变厚,栅栏组织和维管束组织更为发达,巴丹吉林沙漠最为干旱,叶片最厚,栅栏组织细胞层数最多、细胞最长,导管列数最多;库布齐沙漠水分条件最好,叶片最薄,栅栏组织细胞最短且层数最少,导管列数最少.(3)对柠条锦鸡儿小叶解剖结构的各项指标与环境参数进行相关分析发现,温度和降水是影响柠条锦鸡儿小叶解剖结构变化的主要因素.

荒漠生态系统环境的复杂性及其高度的空间异质性是土壤碳储量估算结果不确定性的重要因素.通过调查取样和室内分析,研究了腾格里沙漠东南缘10种主要荒漠草地群落各土壤层(0-5、5-10、10-20、20-30、30-50、50-70和70-100 cm土层)的土壤有机碳(SOC)含量、垂直分布特征和影响因素,以及0-5、0-20、0-50和0-100 cm土层剖面的土壤有机碳密度(SOCD).结果显示,灌木群落是SOC含量的重要影响因素,各土层SOC含量在10种群落间均存在显著差异.从土壤表层到深层,SOC含量主要表现为由高至低和先升高后降低两种特征.SOC含量与黏粉粒含量、全氮(N)、全磷(P)和电导率呈显著的正相关关系,与砂粒含量呈显著的负相关关系.各群落之间,0-5、0-20、0-50和0-100 cm土层剖面的SOCD均存在显著差异,其平均值分别为0.118、0.478、1.159和1.936 kg·m-2.这一结果低于全球和全国草地SOCD的平均值,利用全国数据或该研究的平均值可能会高估或低估区域土壤有机碳储量,因此利用不同群落的SOCD能增加荒漠地区土壤有机碳储量估算的确定性.

本研究对腾格里沙漠东南缘沙坡头地区藓结皮土壤样品进行了宏基因组测序,以揭示该地区藓结皮土壤中参与固碳、固氮等生态功能的微生物基因及其代谢通路.结果表明,藓结皮土壤中细菌域微生物最多,其次为古生菌域和真核生物域.在细菌域中,放线菌门(Actinobacteria)数量最多,其次是变形菌门(Proteobacteria)和蓝细菌门(Cyanobacteria).基于eggNOG和KEGG数据库对构建的非冗余基因集进行功能预测,藓结皮土壤中微生物基因多样性和代谢路径多样性高.藓结皮土壤中与固氮相关的代谢通路丰度低可能是藓结皮固氮量微弱的根本原因,造成利用大气中氮气合成氨的生态功能减弱.而藓结皮已经形成的氮库主要通过硝酸盐还原途径将硝酸盐还原成铵盐,可能用于藓结皮微生物组自身的氨基酸合成,也可能为藓类植物的生长提供有效氮源.

为了明确草方格人工固沙造林植被恢复过程中土壤颗粒组成、分形维数及对土壤理化性质的影响,以腾格里沙漠东南缘2016年(1 a)、2013年(4 a)和1987年(30 a)草方格固沙林为研究样地,以周围流动沙地为对照(CK),研究了草方格固沙造林后植被恢复过程中土壤颗粒组成、分形维数及与土壤理化性质的作用关系.结果表明:100～ 250、250～500 μm土壤颗粒含量较高,分别为42.5％ ～ 80.1％、12.5％～42.2％;50～ 100μm土壤颗粒含量居中,为0.2％ ～20.8％;＜2和2～50 μm的土壤颗粒含量次之,分别在0～ 1.3％和0～ 22.7％;而500～1000 μm的土壤颗粒含量较低,在0.3％以下.＜2和2～ 50 μm土壤颗粒仅在30 a固沙林有分布;50～ 100 μm土壤颗粒分布为30 a最高,4a和1 a居中,而CK最低;100～250 μm土壤颗粒分布依次为4 a＞1 a＞CK＞30 a;250～500 μm土壤颗粒分布为CK＞1 a＞4 a＞30 a;但500 ～1000 μm土壤颗粒在各样地分布均较少,且不同样地之间无显著差异.研究区土壤颗粒分形维数为0.54～2.59,并且不同样地间存在显著差异,表现为30 a最高,4 a与1 a居中,而CK最低.土壤颗粒分形维数与土壤黏粒、粉粒、极细砂粒含量呈极显著正相关,而与土壤中砂粒呈极显著负相关.土壤颗粒分形维数与土壤电导率、有机碳、全氮和碳氮比均呈极显著正相关,而与土壤pH和含水量无相关性.土壤中＜2、2～50、50～100 μm颗粒与土壤电导率、有机碳、全氮和碳氮比均呈极显著正相关,而250～500 μm土壤颗粒与上述4个土壤指标和土壤含水量呈显著负相关.500～1000 μm土壤颗粒与土壤含水量亦呈极显著负相关.在腾格里沙漠东南缘地区利用草方格进行人工固沙植被建设,可有效促进土壤颗粒细粒化,长期演变导致土壤黏粒和粉粒及土壤分形维数显著增加,促使土壤有机碳和全氮含量提高,有利于土壤理化性质改善和促进沙漠化治理.

以孑遗濒危植物四合木(Tetraena mongolica Maxim)为对象,利用MaxEnt模型和Bioclim模型预测其在我国的潜在适生区,结合刀切法及环境变量响应曲线评估影响四合木分布的主导环境因素,运州ArcGIS软件自然间断法对其适生等级进行划分.结果 显示:四合木主要分布于我国新疆、西藏、甘肃、宁夏、内蒙古、青海、陕西、山西、河北、辽宁、吉林和黑龙江等省区;在中国的适生区面积为1.49×106 km2,高适生区集中在乌海市毛乌素沙地、阿拉善左旗腾格里沙漠、阴山南部和贺兰山低山地区;2050年四合木潜在分布区将向内蒙古地区北部和东北地区西部方向缩减;两个模型的受试者工作特征曲线下的面积(AUC值)平均值均达到0.8以上,预测结果较准确;环境因子评估结果显示,影响四合木分布的主要环境因子是最冷季度的平均降水是和年温的变化范围,其次是降水量变异系数和温度季节性变化的标准差.

稳定性是生态系统的基本特征之一,也是决定生态系统兴亡的重要特征.宁夏中卫沙坡头国家级自然保护区是位于干旱沙漠区以荒漠为背景的自然保护区,具有脆弱性(生态与环境)、过渡性(草原向荒漠、沙漠向城市)与复合性(自然与人工生态系统并存)的特点,对其进行生态系统稳定性评估研究,对于维护腾格里沙漠西南缘生态安全和实现宁夏中卫市社会经济持续健康发展具有重要意义.在总结国内外生态系统稳定性评估研究基础上,基于稳定性三维内涵(恢复力稳定性、抵抗力稳定性和演替稳定性)、评估指标构建(原则与逻辑框架及指标体系)、评估方法确立(红绿灯综合评估法)等,针对性地开展沙坡头国家级自然保护区生态稳定性示范性评估,发现:1)近20年19个单项指标中,多数指标情况趋于变好,少部分进一步恶化,保持基本稳定仅两个.2)影响生态系统稳定性的要素由群落组成为主转变为以生境条件为主;2001年、2005年、2007年、2010年、2012年和2014年6个关键年份中,生态系统稳定性3个内涵对稳定性的贡献基本以抵抗力稳定性或恢复力稳定性为主.3)保护区整体生态稳定指数ESI由0.41增至0.661,稳定状态从临界到稳定,总体上保护区生态系统稳定性增强.这主要得益于长期的治沙防沙与生态修复工程实施、大规模推沙造林、各种生态监测和维护、大规模取黄河水灌溉等.