探究风蚀区草地、林地和农田土壤有机碳物理组分及其影响机制,可为风蚀区土地的碳固定与科学利用、防风措施制定以及坡耕地农田肥力修复提供科学依据.本研究在黑龙江省齐齐哈尔市梅里斯区风沙土风蚀区选取相邻近的草地、林地和坡长约350 m、坡度约5°的坡耕地农田(自下而上每100 m分别设为下坡段、中坡段和上坡段),研究0～15cm 土层团聚体有机碳和密度分组有机碳的分异.结果表明:风蚀区草地、林地和农田土壤＞2 mm团聚体均遭到破坏,＜0.053 mm团聚体显著高于其他粒级团聚体;与草地和林地土壤相比,农田各粒级土壤团聚体、密度分组有机碳含量以及重组有机碳占比均显著减少.农田上坡段＞2 mm团聚体被完全破坏,各粒级团聚体及密度分组有机碳含量均随坡面的上升逐渐下降,重组有机碳占比逐渐减小,轻组有机碳占比逐渐增加.土壤有机碳和速效钾是影响团聚体稳定性、团聚体有机碳含量和密度分组有机碳含量的关键因子,且团聚体有机碳的流失使团聚体稳定性下降.综上,相比草地和林地,东北风蚀区农田土壤团聚体稳定性、团聚体有机碳含量、密度分组有机碳含量以及重组有机碳占比均降低,坡耕地随坡段的上升,团聚体有机碳含量、密度分组有机碳含量以及重组有机碳占比均降低.在风蚀区植树、保护与扩大草原面积、增加坡耕地有机物料施用等是稳固和提高土壤碳储量、改善土壤结构、提升土壤质量的有效途径.

植物功能性状及性状间权衡关系对揭示植物生长策略、资源分配模式以及探讨其生理生态过程的内在机制具有重要意义,但针对雌雄异株植物功能性状对其生境响应的性别差异却鲜有报道.以雌雄异株植物黄柳当年生末端小枝为研究对象,从枝水平、叶水平比较雌雄植株功能性状及性状间权衡关系对风蚀环境响应的性别差异.结果显示:小枝水平上,对照环境下雌雄植株茎干重-总叶干重之间的权衡均倾向于总叶干重,风蚀环境下则倾向于茎干重,且雌株权衡值分别为雄株的4.3倍和3.7倍;雌雄植株茎干重-总叶面积的权衡在各生境下均偏向于茎干重,两性的权衡值差异不大.叶水平上,相同叶片干重下,风蚀对雄株叶片面积生长的抑制作用更显著;雌株叶片干重与叶柄干重呈等速生长关系,而雄株呈小于理论值1的异速生长关系,且在风蚀环境中,相同叶柄干重下,雌株叶片干重的累积速率比雄株快.研究表明,黄柳雌雄植株小枝各功能性状间的关系对风蚀环境具有不同的响应,雌株比雄株更倾向于将资源投资在光合器官生长中,且风蚀对雄株光合器官生长的抑制作用更显著.

探究干旱砾漠区不同地貌单元植物群落特征及其驱动力,对干旱区不同地貌单元针对性的自然植物群落保护措施制定与合理的人工恢复植物群落构建具有重要意义.该研究分析了干旱砾漠区砾漠戈壁、风蚀残丘、风沙地和河谷地4种微地貌单元植物群落结构、组成与多样性特征,并基于土壤和微气象因子监测探究了不同地貌单元影响植物群落变化的主要生态因子.结果表明:(1)干旱砾漠区植物群落呈斑块状分布,垂直结构1～2层,生活型主要以1年生植物和小灌木为主;不同地貌单元中砾漠戈壁灌木约占45%,风蚀残丘和风沙地1年生植物约占50%,河谷地植物群落包含所有统计的5种生活型,其中包括少量乔木和藤本植物.(2)干旱砾漠区河谷地的植物群落覆盖度、植株密度、群落多样性和稳定性最高,风蚀残丘次之,在植物分布稀疏的砾漠戈壁和群落结构最简单的风沙地植物群落多样性和稳定性最低.(3)土壤含水率、有机质、可溶性盐和地表温度是影响干旱砾漠区植物多样性、生产力和群落稳定性的主要因子,除此之外,风蚀残丘的土壤容重、砾漠戈壁和风沙地的地表风速也是影响各自微地貌单元植物群落特征的主要因子.综上所述,干旱砾漠区生态受损后应依据不同微地貌单元中影响植物群落的主要生态因子制定相对应的植被恢复措施,如砾漠戈壁地貌减小地表温度、通过土壤质量改善在风蚀残丘和风沙地恢复建群种、河谷地生态用水的维系等.

为明确微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)在西北地区修复重金属污染土壤的最佳胶结轮次,针对西北强蒸发、高风蚀环境,选择宁夏回族自治区中卫市某铜银矿为研究区,开展了利用纺锤型赖氨酸芽孢杆菌(Lysinibacillus fusiformis)诱导碳酸钙沉淀的适宜菌剂量和菌剂喷施频次研究.采用纺锤型赖氨酸芽孢杆菌菌液(OD600=2.02)、尿素及氯化钙制成胶结液(分别胶结1～6次,以T1-T6表示,每次用量140 mL),针对研究区重金属尾矿土,探究不同胶结轮次对尾矿土重金属含量及赋存价态、理化指标的影响,利用XRD分析不同注浆轮次下尾矿土中碳酸钙晶体类型.结果表明:T4～T6尾矿土中Cr、As、Hg含量差异不显著(P＞0.05),T6时电导率、铵根离子、碳酸钙沉淀量最大(6271.67 μS·cm-1、15.45％、0.09μg·g-1),pH最小.T4时Cu与可还原态Cr、As和可氧化态Hg呈极显著负相关(P＜0.01),Cr与可还原态Cu、弱酸提取态Hg呈显著正相关(P＜0.05).尾矿土 pH及重金属总量均影响重金属赋存形态.综上,基于MICP技术探究胶结轮次对尾矿区重金属修复效果的影响,以重金属总量、有效形态及理化指标等因素为基础,综合考虑室外大规模修复治理的经济效益,发现4次胶结效果较好,为MICP技术高效治理修复干旱区土壤污染提供理论依据.

生物土壤结皮在黄土高原的水土保持、养分补给等方面发挥着重要生态功能.固氮微生物是固氮过程的关键功能群,影响着土壤氮素平衡,然而黄土高原水蚀风蚀交错区严重的水土流失导致土壤养分大量损失,尤其是氮素.该区域生物结皮广泛发育,它们在干旱半干旱区土壤氮素积累过程中起着重要作用.但是该区域生物结皮不同发育阶段中的固氮潜力、固氮微生物群落多样性及其关键环境控制因子尚不清楚.以黄土高原水蚀风蚀交错区为研究区,三种生物结皮类型和裸地对照为研究对象,采用Illumina HiSeq平台对nifH基因扩增产物进行生物信息学分析,揭示了固氮潜力及微生物群落多样性的分布规律.结果表明,生物结皮演替显著影响固氮酶活性、nifH基因丰度和固氮微生物α-多样性,各值均在苔藓结皮最高,显著高于其它演替阶段,且生物结皮层高于结皮下层土壤.在固氮微生物群落组成上,裸地以变形菌门的红螺菌目、酸硫杆菌目和根瘤菌目为主;而在藻结皮、地衣结皮和藓结皮阶段,均表现为蓝藻门的念珠藻目占绝对优势,是固氮微生物的关键类群,其中Trichormus、念珠藻属是优势固氮物种;与藻结皮、地衣结皮相比,藓结皮中念珠藻目的相对丰度显著降低,而变形菌门的红螺菌目、酸硫杆菌目和根瘤菌目的丰度明显上升.除此之外,蓝杆藻属、鱼腥藻属、斯克尔曼氏菌属、瘤胃梭菌属在藻结皮、地衣结皮、藓结皮也占明显优势.念珠藻目以及Trichormus的丰度与固氮酶活性、nifH基因丰度呈显著正相关关系,而与红螺菌目、酸硫杆菌目、梭菌目、根瘤菌目呈显著负相关;Trichormus相关的物种在黄土高原生物结皮氮输入过程中可能发挥着关键作用.生物结皮演替通过改变土壤pH值、有机质、全氮、含水量等理化特征而影响了微生境,通过环境筛选和物种重排作用对固氮微生物群落进行综合调控,其中pH与土壤全氮(TN)发挥着关键作用.

在生态系统防风固沙功能研究中,土壤湿度因子是重要参量之一.传统方法多使用气象站点观测的潜在蒸发量、降雨量和灌溉量等估算土壤湿度,在空间连续性和数据可利用性方面均具有较大局限.基于遥感技术在土壤湿度探测方面的发展,本研究选择4种土壤湿度的遥感指标(MODIS蒸散比值法、SMAP 土壤湿度比值法、可见光-短波红外干旱指数法、遥感湿度指数法)对修正风蚀方程模型(RWEQ)中的土壤湿度因子的计算过程做出改进,并利用改进后的算法分析辽西北地区2001-2021年防风固沙服务的时空变化及驱动因素.结果表明:MODIS蒸散比值法计算的土壤湿度与传统气象方法的相关性最高,二者经拟合后得到的公式可用于RWEQ模型中土壤湿度因子的计算改进.2001-2021年,辽西北地区防风固沙能力呈现北部及东部地区较强、中部及西部地区较弱的空间分布特征.经Mann-Kendall趋势检验,辽西北地区72.7％的区域防风固沙能力呈上升趋势.应用地理探测器模型进行驱动因素分析发现,防风固沙能力的变化是一个多因素相互作用的过程,受土壤类型、年均风速以及经济发展水平的影响较大,且各驱动因素之间的交互作用对防风固沙的影响高于单因素的影响.本研究结果可为RWEQ模型估算做出改进,同时为辽西北地区长时间的生态功能形成机制与驱动力分析提供技术支撑.

基于遥感数据、气象数据、土壤数据以及社会统计数据,运用改进后的风蚀流失量模型定量评估了2010—2015年艾比湖湿地不同景观格局变化下防风固沙功能.结果表明:①景观动态度在2010—2015年增减波动性最大,以建设用地景观、滩地景观和沼泽地景观表现显著,戈壁景观和沙地景观波动幅度最小;②景观格局转移矩阵中,2000—2010年,各景观类型出现不同程度的减少,主要转向滩地景观,2010—2015年,主要转向旱地农田景观;③防风固沙价值量以旱地农田景观增长最显著,较2000年增加了3.01倍;④对比分析了改进后的风蚀流失量模型在本研究区的适用性,结果较好,表明植被覆盖度与防风固沙量存在显著相关性,随着时间的推移,各景观格局类型受人为活动影响加大,林地景观的防风固沙机能在减弱,而盐碱地景观则在增强.

以黄土高原水蚀风蚀交错区黄绵土和风沙土上发育30年的典型藓结皮为对象,分6层采集0～12 cm土层土样,研究了藓结皮对不同土层4种水解酶活性的影响及其与土壤养分的关系.结果表明:与无结皮相比,黄绵土藓结皮的脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶和蛋白酶活性分别提升了2.4、7.6、20.7、2.4倍,而风沙土藓结皮的这4种水解酶活性分别提升了3.5、22.2、22.3、2.0倍;黄绵土和风沙土藓结皮的体积含水量分别降低了6.5％和0.8％,温度分别降低了0.8和2.5℃;黄绵土藓结皮的有机质、碱解氮和速效磷含量分别提升了2.5、2.9和3.6倍,风沙土分别提升了3.6、3.0和6.6倍.4种水解酶的活性与土壤养分含量呈显著正相关,与土壤含水量呈显著负相关;而土壤温度与脲酶活性呈显著正相关,与蛋白酶活性呈显著负相关.黄土高原水蚀风蚀交错区2种土壤藓结皮均能显著提升水解酶活性,这是藓结皮加速土壤养分周转的重要因素;通过改变土壤含水量和温度等酶促反应条件间接影响酶活性,是藓结皮促进土壤酶活性的重要途径.

该试验以黄土高原风蚀水蚀区的典型代表六道沟流域为研究区,选取了2种典型灌木柠条(Caragana kor-shinskii)和沙柳(Salix psammophila)为研究对象,测定其茎秆水和不同层次土壤水分的δD值及叶片的δ13C值,利用IsoSource模型分析2种植物对不同层次土壤水分的利用比例,并同步测定叶片水势、气孔导度、光合速率和蒸腾速率等生理生态因子,分析2种灌木在不同季节的水分来源及生理生态适应机制.结果表明:(1)柠条和沙柳的水分利用策略随季节波动,在不同季节对不同土层水分的利用比例存在差异.(2)旱季柠条和沙柳主要利用40~80 cm土层的土壤水,利用比例分别为48.1% 和49%.(3)雨季柠条主要利用表层0~10 cm和浅层10~40 cm的土壤水分,利用率约为57.5%;雨季沙柳主要利用浅层10~40 cm的土壤水,利用比例达76%.(4)旱季柠条和沙柳的水分亏缺严重,其叶片水势、气孔导度、光合速率和蒸腾速率均小于雨季,而水分利用效率均大于雨季.研究发现,柠条和沙柳在旱季均主要利用深层土壤水分,雨季更倾向于利用浅层土壤水分;柠条和沙柳均能够通过降低气孔导度减小水分损失来获得较高的碳同化速率,维持较高的水分利用效率以适应干旱环境,均表现出较强的适应能力.

利用模拟降雨控制试验(对照、降雨增加45％和减少50％),研究了黄土高原水蚀风蚀交错带典型灌木沙柳和柠条茎水力学特性对模拟降雨改变的响应,以揭示两种灌木对未来降雨改变的适应性.结果表明:沙柳茎比导水率(Ks)、比叶导水率(K1)和Huber值对增水有显著响应,而对干旱无显著响应;柠条黎明前和正午叶水势、水分传输效率(Ks及K1)对干旱有显著响应,但对增水无响应.两种灌木不同处理间抵抗栓塞能力无显著差异,沙柳不同处理间正午原位栓塞程度亦无显著差异,而柠条干旱处理正午原位栓塞程度显著增大.沙柳增水处理导管直径和导管面积占边材面积的比例显著增加,干旱导致沙柳导管密度显著增大,水力直径变小;柠条增水处理的木质部结构无明显改变,干旱导致其导管密度和木材密度显著增加.说明增水提升了沙柳的水力功能,而长期干旱显著降低了柠条水力功能,预测在未来气候旱化条件下,柠条的水力适应性可能不如沙柳.