掌握植物的水分利用特征及植物间的水源关系对实现荒漠草原地区可持续的植被恢复至关重要.本研究以荒漠草原灰钙土生境(胡杨、中间锦鸡儿和短花针茅)和风沙土生境(胡杨、北沙柳和赖草)中的5种优势植物为对象,测定植物木质部水、土壤水、地下水和降雨中稳定同位素(δ2H和δ18O),并结合不同深度的土壤含水量和根系数据,使用MixSIAR模型对植物的水分利用特征进行定量分析.结果表明:生长季内5种植物主要利用土壤水,且在不同生长阶段会利用不同层次的土壤水.灰钙土生境中,胡杨的水源在整个生长季变化最大,生长季初期(5-6月)主要利用60～100 cm 土壤水,生长旺盛期(7-8月)水源下移至100～200 cm 土壤水,而在生长季末期(9月)水源又上移至0～20 cm 土壤水;中间锦鸡儿在生长季初期主要利用60～100 cm 土壤水,但在生长旺盛期和末期上移至0～20 cm 土壤水;短花针茅在生长季初期和末期主要利用20～60 cm 土壤水,而在生长旺盛期上移至0～20cm 土壤水.在风沙土生境中,胡杨在生长季初期主要利用60～100 cm 土壤水,但在生长旺盛期和末期上移至0～20 cm 土壤水;北沙柳在生长季初期和生长旺盛期主要利用60～100 cm 土壤水,但在生长季末期下移至100～200 cm 土壤水;赖草整个生长季都主要利用20～60 cm 土壤水.土壤含水量、降雨的季节变化及植物的根系分布都会影响植物的水分利用特征.在整个生长季中,灰钙土生境中的乔木、灌木和草本3种优势植物间存在水文生态位分离,促进了其对水分的分配和利用;风沙土生境中对应的3种优势植物间存在水文生态位重叠,导致其对水分的激烈竞争(特别是乔木和灌木间).因此,在进行植被恢复时必须同时考虑物种特征和土壤特性,引入具有互补性水分利用特征的物种组合,才能实现荒漠草原地区的物种多样性和植被恢复的可持续性.

在全球气候变化影响下,中国西北部干旱半干旱荒漠区降水格局发生显著变化,表现为极端降水和干旱事件增多,对荒漠植物群落结构和功能的影响引发广泛关注.以毛乌素沙地典型荒漠灌草植被黑沙蒿群落为研究对象,利用人工遮雨装置进行小区降水控制,设置降水量(W-:减水30％,对照组W:自然降水,W+:增水30％)和降水间隔(对照组T:降水间隔5d,T++:降水间隔15d)的双因素完全随机控制实验,监测各降水处理下黑沙蒿群落物种组成和生产力.结果表明:(1)与降水间隔5d的对照组相比,降水间隔期的延长显著提高了灌木和杂草的重要值,而降低了禾草的重要值.(2)与对照组自然降水相比,降水量的增加提高了黑沙蒿植物群落的多样性.(3)降水量的增加或降水间隔的延长均可以提高黑沙蒿的地上初级生产力.延长降水间隔会增加深层土壤的含水量,这有助于黑沙蒿对土壤水分的利用进而促进其生产力积累并增强了其在群落中的优势度.

植物的叶片和细根是植物地上部分和地下部分最重要的营养器官,其碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量特征反映了植物的养分限制状况及叶片与细根间的协同作用,开展叶片与细根化学计量关系的研究,对认识植物养分利用策略及元素间平衡关系有重要意义.对西北干旱区21种荒漠植物叶片与细根C、N、P含量进行了测定,分析了 C、N、P含量及其计量比在不同生活型及不同器官间的关系.结果表明:1)西北干旱区荒漠植物叶片与细根C含量相对稳定,叶N、P含量高于细根,说明在干旱生境中,植物对养分的分配侧重于地上部分,以完成其正常的生命活动;叶片与细根的N∶P无显著差异,有明显的保守性,表明植物地上与地下部分养分吸收策略与分配规律具有一致性;2)不同生活型植物叶片和细根的C、N、P含量及C∶N、C∶P存在显著差异,灌木与禾草具有较高的C∶N和C∶P,杂类草具有较高的N、P含量,说明灌木与禾草倾向于保守型养分适应策略,杂类草倾向于快速生长的资源竞争策略;3)21种荒漠植物叶片与细根N、P含量间均存在显著的正相关关系,表明西北干旱区荒漠植物体内N、P元素间存在相互作用;4)植物叶片与细根间C、N、P含量及C∶N、C∶P存在等速生长关系,表明植物光合产物和养分在地上与地下部分间的分配具有平行的比例关系,但这种关系受生活型影响.上述结果表明西北干旱区不同生活型植物在恶劣生境中存在不同的养分适应策略,且地上与地下部分的养分利用策略及分配规律存在协同作用,这为进一步认识西北干旱区荒漠植物的养分利用策略提供了试验基础.

草地灌丛化现象在草地生态系统上广泛发生.放牧是人类利用草原的重要方式,通过分析不同载畜率下荒漠草原灌木种群及其邻近土壤养分含量的变化,可研究放牧干扰下不同灌木种群的耐牧特性,对深入了解荒漠草原植物群落演替机制具有重要意义.以荒漠草原灌木小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)、半灌木驼绒藜(Ceratoides latens)及小半灌木冷蒿(Artemisia frigida)和木地肤(Kochia prostrata)(下称为"灌木")为研究对象,探究不同载畜率下各个灌木种群的密度、高度、盖度及地上生物量(下称为"数量特征值")及其邻近土壤养分含量.结果表明:冷蒿的数量特征值均随着载畜率的增加而降低,其他植物种群的数量特征值均在CK或LG区出现最大值,且不同灌木邻近土壤养分含量随着土壤深度的增加而下降(P＜0.05).不同灌木邻近土壤全氮含量随着载畜率增加而下降;冷蒿邻近有机碳含量在CK区最高,小叶锦鸡儿邻近速效磷含量在HG区最高,其余灌木邻近有机碳、速效磷含量在LG区最高.灌木种群数量特征与土壤养分的关系为:土壤有机碳与冷蒿和驼绒藜的高度、盖度、地上生物量呈正相关,土壤速效磷与木地肤高度、地上生物量呈显著负相关.因此,载畜率均会对灌木植物种群的数量特征值及其邻近土壤养分含量产生影响.

为比较干旱荒漠区城市绿化灌木和荒漠乡土灌木在夏季热浪期的受损差异和其对高温和热浪冲击响应机理的不同,在新疆北疆 2022 年夏季热浪期末期,测定了 9 种荒漠乡土灌木和 8 种城市绿化灌木的 4 种水分相关功能性状(水力、叶片、光合和碳经济性状),同时调查植株受损程度.调查结果表明,荒漠乡土灌木接近 74%的个体在夏季热浪中未受损伤,但有 56%的城市绿化灌木个体受损;水力和叶片性状方面,荒漠灌木的枝叶水势、干物质含量和导管直径的平均值低于城市绿化植物,而枝比导率、准稳态导水率、胡伯尔值、比叶面积、导管密度呈相反态势.在碳经济和光合性状方面,荒漠乡土灌木的可溶性碳含量和水分利用效率高于城市绿化灌木(P＜0.05),但气孔导度成相反模式(P＜0.05),而淀粉和结构性碳含量、蒸腾速率无显著差异(P＞0.05);荒漠乡土灌木的性状整合度(G=0.39)高于城市绿化植物(G=0.20),且前者的关键节点个数,以及其与其他性状显著关联的个数均高于后者.结果表明,2022 年夏季热浪引起荒漠乡土灌木的受损程度低于城市绿化灌木;荒漠植物在水力性状和性状整合方面存在优势,其水分吸收、运输和减少蒸腾失水的能力要强于城市绿化灌木,热浪影响下更易存活;相对城市绿化灌木,荒漠灌木可以协调功能性状间的关系,采取更多样化的适应机理将降低夏季热浪的负面影响.本研究可为干旱地区城市绿化灌木筛选以及区域生态保护政策制定提供科学参考.

无定型碳酸钙对植物生长具有重要意义,草原-荒漠过渡区主要建群植物体内无定型碳酸钙含量特征目前尚不明确.本文测定了宁夏哈巴湖国家级自然保护区和宁夏吴忠市红寺堡区主要植物叶片碳酸钙含量.结果表明:草本植物碳酸钙含量之间有显著差异,而灌木碳酸钙含量之间没有差异显著;对于草本植物,演替初期建群植物沙蓬(Agriophyllum squarrosum)和猪毛菜(Salsola collina)、演替中期建群植物赖草(Aneu-rolepidium dasystachys)和白草(Pennisetum centrasiaticum)、演替后期建群植物长芒草(Stipa bungeana)和糙隐子草(Cleistogenes squarrosa),随进展演替,不同演替阶段植物碳酸钙含量逐渐降低;典型草原演替后期建群种体内碳酸钙含量显著高于荒漠草原演替后期建群种;油蒿(Artemisia ordosica)幼龄阶段叶片碳酸钙含量显著高于成龄和老龄阶段,沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)、小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)和紫穗槐(Amorpha fruticose)3种豆科灌木不同冠层部位叶片碳酸钙含量之间差异不显著.草原-荒漠过渡区不同演替阶段草本植物体内碳酸钙含量的显著变化是植物长期适应环境的结果.

垫状驼绒藜(Krascheninnikovia compacta)群落分布于人迹罕至的极端寒冷、干旱的高海拔地区,是青藏高原高寒荒漠最为典型且分布较广的植被类型.该群落已有的研究多为定性描述,均未提供珍贵的样方数据.本文以2018、2019及2022年野外调查数据和相关文献资料为基础,记录整理了垫状驼绒藜群落的空间分布、群落特征、群落结构及其气候等环境特征,构建了垫状驼绒藜群落数据集.数据集结果显示:(1)垫状驼绒藜群落主要分布在青藏高原的中昆仑山、北天山、阿尔金山、当金山山口;(2)垫状驼绒藜群落的高度、盖度、生物量和物种丰富度均相对较低,22个典型样地共记录到种子植物29种,分属11科22属;其生活型以地面芽植物居多,共18种,占植物总种数的62.07％,主要为多年生禾草和多年生杂类草;(3)群落结构简单,恒有度＞50％的仅有垫状驼绒藜,灌木层、草本层都未出现次优势种,伴生种、偶见种居多(93.10％);(4)群落垂直结构可划分为2层,第一层是以垫状驼绒藜为主的稀疏垫状小半灌木,第二层是稀疏的草本层;(5)群落的生长环境具有气候寒冷、降水少且集中于最暖季的高寒荒漠气候特点.本数据集是国内目前已知唯一垫状驼绒藜群落数据集,是揭示垫状驼绒藜群落物种组成和结构等特征的重要凭证,数据集中的地理气候信息和群落物种信息可为垫状驼绒藜群落研究及《中国植被志》的编研提供基础数据.

局域取样单元对beta多样性的贡献可用于测度每个局域群落物种组成的生态特异性(ecological uniqueness).温带荒漠生态系统广泛分布于全球干旱和极端干旱区域,极易受到气候变化和人类活动的影响.然而目前温带荒漠植物群落生态特异性大尺度地理分布格局及其形成机制的系统研究还很缺乏,制约着我们对荒漠植物群落多样性维持机制的认知.本文在温带灌木、矮半乔木及草原化灌木荒漠等6个中国温带荒漠区的主要地带性植被类型中设置了948个样方,通过开展系统的野外调查采样和室内分析,以及量化每个取样单元对beta多样性的贡献,并结合土壤和气候变量等环境数据,探讨了中国荒漠植物群落生态特异性大尺度地理分布格局及其影响因素.结果表明:(1)温带荒漠植物群落生态特异性存在显著的经度、纬度和海拔分布格局,随着经度增加显著降低,但随着纬度或海拔的升高呈现出先下降后增加的变化趋势;(2)土壤、气候、群落特征(植物物种丰富度和群落盖度)对植物群落生态特异性都有着显著的单独影响,植物群落生态特异性随着物种丰富度增加呈先下降后上升的变化趋势;经度、土壤、气候和植物群落特征共同解释了温带荒漠植物群落生态特异性33.5％的空间变异,其中气候因子有着更强的单独解释率.上述结果说明环境过滤和中性过程以及其他未知过程共同调控了温带荒漠植物群落的生态特异性大尺度分布格局的形成,且气候和土壤因素的过滤作用有着重要影响.

为探究古尔班通古特沙漠2种灌木不同空间位置"肥岛"效应,以该沙漠优势灌木——准噶尔无叶豆(Eremosparton songoricum)和沙拐枣(Calligonum mongolicum)为研究对象,以灌木根部为中心按20(A)、60(B)、100(C)、140 cm(D)向外延伸设置样点,每个样点按3个土层深度(0

目前对于荒漠灌木光能利用效率(LUE)的季节变异及其调控因素,尤其是其生物调控因素的认识非常有限,导致了荒漠生态系统生产力模型的不确定性.拟验证假设:长期干旱环境下,典型荒漠灌木油蒿光能利用效率日均值(LUEday)的动态变化与叶片性状的季节性调整有关.试验采用Li-6400便携式光合仪定期测量了油蒿生长季叶片LUEday的季节动态及相关叶性状指标,探究叶性状对LUEday的影响.结果表明:LUEday的季节波动范围为0.003-0.017 mol/mol,整体变异系数(CV)为38.75％.完全展叶期LUEday均值相比生长季平均值降低17.37％,相比展叶期和落叶期时降低30％;8个叶性状的季节变异幅度差异较大,其中总叶绿素含量(Chl)、类胡萝 卜素含量(Car)和叶氮含量(LNC)均表现出较大的季节变异性(CV≥ 20％),叶碳含量(LCC)和叶片相对含水量(LRWC)的变异程度最低(CV＜7％).LRWC与所有叶片化学性状(Chl、Chl a/b、Car,LNC和LCC)均存在显著相关,表明其变化与叶片的养分吸收、光合色素合成以及碳同化的运输过程密切相关;油蒿LUEday的相对变化与LRWC、Chl a/b和LNC显著正相关,而LRWC和LNC的季节动态受空气温度(Ta)和土壤含水量(VWC)的共同调节,Chl a/b的季节波动主要由浅层土壤含水量(10 cm VWC)控制.以上研究结果强调,在未来预计极端的气候事件(如极端干旱和持续热浪事件)发生更频繁的旱地场景中,时间尺度植物叶性状对于土壤干旱和高温的适应性调整应当被充分考虑到旱地生态系统的通量建模方案中.该结果将为构建叶片尺度的光合生理模型与厘清LUE的生物调控机制提供理论依据.