陕北水蚀风蚀交错区小流域苔藓结皮的空间特征及其影响因子

生物结皮是旱区普遍存在的活性地被物,在生态系统中发挥重要的生态功能,研究其发育特征与形成机理是有效管理和利用该资源的基础。退耕还林（草）工程实施以来,黄土高原地区生物结皮大面积发育,但相比荒漠地区,相关的研究工作还较薄弱。生物结皮的发育具有过程的复杂性和空间的分异性,诸多荒漠地区的研究结果不能直接外推至黄土高原地区。鉴于此,论文选择黄土高原典型小流域,通过全面调查和测算分析,应用GIS 软件,探讨了生物结皮的空间特征及其影响因子。结果表明：①流域内藓类共有2 科8 属13 种,狭网真藓、真藓、尖叶对齿藓分布最广;②苔藓结皮占绝对优势,面积为4.18 km²,占流域面积的60.7%,主要分布在干扰少、侵蚀弱、水分好的梁峁坡或梁峁顶上;③土壤、植被、坡向均对苔藓结皮的发育有显著影响。同黄土地相比,沙地苔藓结皮的覆盖度高、呈连片分布。乔、灌植被下的生物结皮发育优于草本群落,植被盖度对苔藓结皮产生先促进后抑制的作用（拐点约在覆盖度30%处）。总体上,阴坡生物结皮的覆盖度、厚度均高于阳坡。     

黄土丘陵区退耕地生物结皮对土壤理化性状的影响

以黄土丘陵区易形成生物结皮的阴坡自然撂荒地为研究对象,运用时空互代法,通过野外调查结合室内分析,研究了不同年限(1～13a)撂荒地上生物结皮的形成对0～20cm剖面土壤含水量、容重、地表粘结力、水分渗透性、有机质含量以及土壤全量和速效养分含量等基本理化性状的影响。结果表明,生物结皮的形成可显著影响0～20cm土层土壤的理化性状,表现为:①退耕后,由于生物结皮的形成,退耕地较农地土壤渗透性显著降低,0～20cm土层土壤含水量随退耕年限的延长经历了一个先增后减的变化过程,导致了10a以上退耕地土壤含水量的降低;②生物结皮可显著提高退耕地土壤表面粘结力,10a以上退耕地保留结皮土壤的粘结力是初始退耕地和/或除掉结皮层土壤粘结力的6倍以上,退耕地表面粘结力的增强与退耕后土壤自然沉实以及容重增加关系不大;③生物结皮的形成导致了退耕地土壤渗透性的降低,保留结皮的土壤,其稳定渗透系数(K10)随退耕年限延长而降低,除掉结皮,K 10随退耕年限延长而增加;④生物结皮的形成,使土壤有机质、全氮含量剖面分布呈表聚现象,随退耕年限的延长,表聚现象更趋明显,土壤全磷亦有弱表聚现象。生物结皮层的形成,还可提高结皮层土壤速效养分含量。     

陕北水蚀风蚀交错区生物结皮的形成过程与发育特征

生物结皮的形成发育具有明显的时空分异性,荒漠地区的诸多研究结果不能直接推演至黄土高原地区。研究黄土高原生物结皮的形成过程与发育特征,是对全球生物结皮认知的重要补充,也是揭示其生态功能的基础。论文选择陕北黄土高原水蚀风蚀交错区的典型小流域,通过定位动态观察和全面调查测算,探讨生物结皮的发育过程。结果表明：①流域内生物结皮经历了由退耕裸地—物理结皮—生物结皮的发育阶段。退耕撂荒的第1 年,物理结皮便迅速形成;第2 年,土表颜色明显变深,藓结皮开始发育。流域内藓结皮占绝对优势,发育稳定后（15 a）覆盖度可达90%。②不同发育年限生物结皮的物种组成及种数差异很大。发育初期（<6 a）发现苔藓植物2 科4 属5 种,其中芦荟藓（Aloina rigida (Hedw.) Limpr.）和短喙芦荟藓（A. brevirostris (Hook. & Grev.) Kindb.）为先锋优势种。发育稳定的生物结皮（15 a）鉴定出苔藓植物2 科8 属13 种。其中,丛藓科占6 属8 种,以对齿藓属（Didymodon）的尖叶对齿藓（D. constrictus (Mitt.) Saito）、黑对齿藓（D. nigrescens (Mitt.) Saito）、硬叶对齿藓尖叶变种（D. rigidulus Headw. var. ditrichoides (Hedw.) Zand.）所占种数最多。不同阶段的藓结皮均有藻类伴生,发育初期（<6 a）的藓结皮中鉴定出藻类植物26 科35 属50 种。③水热同期的雨季是生物结皮形成的关键时期。发育2 a 的生物结皮厚度达到6.3 mm,超过稳定结皮厚度（9.8~11.8 mm）的50%,抗剪强度约30 kPa。发育初期（<6 a）,容重无明显变化（1.40~1.43 g·cm^-3）,发育稳定（15 a）后容重下降到1.0~1.3 g·cm^-3。该区生物结皮的形成过程同荒漠区类似,但表现出发育速度快、稳定周期短的特点;藻类、苔藓组成及其优势种[坑形细鞘丝藻（Leptolyngbya foveolara）、尖叶对齿藓]与荒漠区明显不同。     

陕北水蚀风蚀交错区生物结皮对土壤酶活性及养分含量的影响

论文以陕北水蚀风蚀交错区六道沟小流域的生物结皮为对象,研究分析了其对土壤酶活性和土壤养分特征的影响。结果表明:生物结皮对土壤酶活性和土壤养分的影响主要体现在结皮层。结皮层的土壤脲酶和过氧化氢酶活性分别为下层(0～2 cm)土壤的1.56和1.31倍,碱性磷酸酶活性提高幅度最大,为结皮下层的3.72倍;生物结皮能显著提高结皮层土壤有机质、全氮及速效氮含量(P0.05),研究中结皮层土壤有机质、全氮、速效氮含量分别为15.67 g.kg-1、0.65 g.kg-1和22.51 mg.kg-1,而其下0～2 cm层土壤则分别为5.54 g.kg-1、0.30 g.kg-1和14.6 mg.kg-1;生物结皮对土壤速效磷和速效钾的影响不明显(P0.05);生物结皮层土壤pH值为8.08,低于其下0～2 cm层土壤(pH值为8.32,P0.05)。总之,生物结皮的形成和发育可以改善表层土壤的生物化学性质,对该区植被的恢复与重建具有积极意义。     

生物结皮的发育演替与微生物生物量变化

生物结皮在荒漠地区的生态恢复中具有重要的生态学意义,且不同发育演替阶段的结皮具有不同的生态功能.通过野外调查、显微观察结合微生物定量分析对腾格里沙漠东南缘沙坡头地区生物结皮的发育演替进行了研究.结果表明该地区的生物结皮一般按照"藻结皮→地衣结皮→藓结皮"的模式发育演替.随着结皮的发育演替,光合生物生物量逐渐增加,微藻生物量却呈现先增加后减少的趋势.其中,具鞘微鞘藻(Microcoleus vaginatus)作为结皮藻类中的第一优势种,在藻结皮中生物量最大,达到0.33 mm3·g-1,而爪哇伪枝藻(Scytonema javanicum)和(一种)念珠藻(Nostoc sp.)在晚期的地衣结皮中生物量达到最大.另外,研究发现异养微生物生物量在藻结皮中开始增加,但在地衣结皮中呈下降的趋势,最后在藓结皮中异养微生物生物量再次增加并达到最大.其中细菌数量的增加与结皮有机碳、Na+含量的增加显著相关(P<0.05),真菌数量的增加与K+、Na+含量的增加显著相关(P<0.05).本研究观察了沙坡头地区生物结皮发育演替的模式,并从环境适应与功能需求的角度探讨了生物结皮发育演替过程中微生物生物量的变化特征,对于理解结皮的发育演替以及荒漠化地区生态恢复过程中结皮的维护管理具有重要的理论与实践意义.     

科尔沁沙地沙丘恢复过程中典型灌丛下结皮发育特征及表层土壤特性

通过野外取样和室内分析相结合,对科尔沁沙地不同沙丘典型灌丛下结皮发育及结皮下表层土壤特性进行了初步研究.结果表明,半流动沙丘的差巴嘎蒿、半固定沙丘的小叶锦鸡儿、固定沙丘的冷蒿以及固定沙丘丘底的小红柳灌丛下分别发育了物理结皮、藻、地衣及苔藓结皮,结皮的厚度、硬度、水分、＜0.05 mm粘粉粒含量、有机质、全N、全P、速效N和速效P等指标在沙丘生境中为半流动沙丘＜半固定沙丘＜固定沙丘＜固定沙丘丘底,在结皮类型中为物理结皮＜藻结皮＜地衣结皮＜苔藓结皮,各结皮间养分含量和粒径分布差异极显著(P＜0.01).结皮下层土壤的养分及细颗粒含量随结皮发育进展呈增长趋势.同一沙丘结皮下0～5 cm范围内土壤容重、粘粉粒、养分含量由表及里呈递减趋势,且均高于同层流动风沙土.在4种灌丛的7类结皮中,固定沙丘丘底的小红柳灌丛下发育的苔藓结皮及其表土的养分、细颗粒含量明显高于其它沙丘灌丛下的结皮.     

黄土丘陵区不同土地利用类型下生物土壤结皮的入渗效应

为揭示黄土丘陵区BSCs(生物土壤结皮)的入渗特征,以甘肃省定西市安家沟小流域为例,选择荒草地、沙棘灌丛和油松林3种典型土地利用类型进行采样,采用环刀模拟法研究不同土地利用类型下苔藓结皮和地衣结皮对水分入渗的影响. 结果表明:①不同土地利用类型下的2种BSCs均明显减少初渗速率和达到稳渗所需时间,初渗速率降幅最小值、最大值分别出现在油松林、荒草地下地衣结皮;荒草地、沙棘灌丛苔藓结皮稳渗速率相对裸土分别增加2.4%、10.0%,而二者地衣结皮明显降低稳渗速率,降幅分别为45.2%和55.0%,油松林下苔藓结皮和地衣结皮稳渗速率均增幅为18.2%. ②苔藓结皮在3种土地利用类型下均促进土壤水分入渗,其入渗量调控率在荒草地、沙棘灌丛和油松林下分别是1.0%、10.0%和0.7%;而地衣结皮在荒草地和沙棘灌丛下明显阻碍水分入渗,其入渗量调控率的绝对值分别为43.9%和50.0%,在油松林下的入渗量调控率则为16.5%. ③Horton模型对生物土壤结皮入渗过程拟合效果最好,较适于描述本区具有生物结皮覆盖的土壤入渗特征.      

基于光谱分析的生物结皮提取研究——以毛乌素沙地为例

利用典型地物高光谱数据和TM遥感影像,对毛乌素沙地处于旺盛生长期(7-9 月)的由苔藓结皮主导的生物结皮进行了提取研究.结果表明:① 苔藓结皮在生长期具有与绿色植物相似的光谱曲线变化趋势;红边参数显示,二者除红边位置非常接近外,红边振幅、红边宽度和红边面积差异均较大;在近红外区域,苔藓结皮比绿色植物的反射率低很多;苔藓结皮无明显的553 nm反射峰;低盖度苔藓结皮(33%)、藻类结皮和植被枯落物在整个波段光谱曲线比较接近,与裸沙相比,三者反射率均较低.② 基于TM影像,用生物结皮指数(BSCI)、归一化植被指数(NDVI)、监督分类和坡度分级相结合的方法提取生物结皮,发现苔藓结皮的像元面积为0.72×10⁴ km²,占研究区总面积的6.43%.     

不同类型生物结皮对坡面产流特征的影响

生物结皮是黄土高原地区坡面水土流失不可忽略的影响因素,目前生物结皮对坡面产流特征的影响仍不明确.在陕北神木县六道沟小流域通过径流小区放水试验,以裸地为对照,研究了浅色藻结皮、深色藻结皮、混合结皮(藻+藓)以及藓结皮4 种类型生物结皮对坡面产流特征的影响.结果表明:① 浅色藻结皮、深色藻结皮和混合结皮较裸地显著降低了初始产流时间,三者的初始产流时间较裸地分别减少89.0%、96.2%和96.0%;而藓结皮则较裸地显著增加了初始产流时间.② 浅色藻结皮和混合结皮较裸地显著延长了退水持续时间,其退水持续时间分别是裸地小区的2.28和2.13倍;而深色藻结皮的退水持续时间与裸地差异不显著.③ 深色藻结皮和藓结皮的径流流速较裸地分别降低了29.1%和67.3%;藓结皮的径流流速显著低于其他生物结皮小区;各生物结皮小区的径流深与裸地均无显著差异;浅色藻结皮的径流深显著高于深色藻结皮.④ 不同类型的生物结皮较裸地明显改变了坡面产流过程和径流量;浅色藻结皮小区的径流系数显著高于裸地,深色藻结皮和混合结皮小区的径流系数较裸地差异不显著;浅色藻结皮小区的径流系数是深色藻结皮小区的2.44 倍,差异显著;放水时段内,藓结皮小区没有径流流出.以上结果表明,生物结皮是坡面产流特征的重要影响因素,影响程度与生物结皮的发育阶段和生物组成有关.     

人工生物结皮的发育演替及表土持水特性研究

为了解接种蓝藻对荒漠地区表土持水特性的改善作用,对库布齐沙漠东缘达拉特旗地区人工接种蓝藻后形成的生物结皮进行了发育演替及持水特性研究.结果表明,在人工接种荒漠蓝藻之后,藻结皮能够很快形成,并在一些微环境下藻结皮直接演替为藓结皮(接种2~3 a后).随着结皮的发育演替,表土生物量、多糖含量、厚度以及孔隙度增加,而土壤容重减小;同时,形成结皮之后表土质地也发生了明显的变化,其中沙粒含量逐渐减少,粉粒、黏粒含量增加.实验还发现随着结皮的发育演替,表土含水量与饱和持水量都呈增加的趋势,即:藓结皮>藻结皮>流沙,藻结皮中的含水量(饱和持水量)为流沙中的1.1~1.3倍,藓结皮中的含水量(饱和持水量)为流沙中的1.8~2.2倍.相关分析表明表土含水量及饱和持水量与表土生物量、多糖含量、厚度、容重、粉粒和黏粒含量呈正相关,与表土孔隙度和沙粒含量呈负相关.通过逐步回归分析发现影响含水量的主要因素为表土黏粒的含量,而影响饱和持水量的主要因素为表土孔隙度.     

不同植被恢复模式对黄土丘陵区侵蚀土壤微生物量的影响

为了解侵蚀环境下植被恢复对土壤微生物量的影响,以典型侵蚀环境黄土丘陵区纸坊沟流域生态恢复30年植被长期定位试验点为研究对象,选取坡耕地为参照,分析了植被恢复过程中土壤微生物量、呼吸强度、代谢熵及理化性质的演变特征。结果表明,侵蚀环境下植被恢复后土壤微生物量碳、氮、磷显著增加,增幅分别为109.01%～144.22%、34.17%～117.09%和31.79%～79.94%,微生物呼吸强度增加26.78%～87.59%,代谢熵降低57.45%～77.49%,微生物量的增大和活性增强进一步促进了土壤性状的改善。相关性分析结果显示微生物量碳、磷、呼吸强度与土壤养分相关性极为密切,显然,土壤微生物量可以作为评价土壤质量的生物学指标。不同植被恢复模式对土壤质量改善作用不同,总体来说混交林作用效果最好,刺槐和柠条纯林次之,荒草地和油松纯林较差,在人工促进生态恢复过程中应持以混交林为主,纯林为辅的原则。     

黄土区植被恢复对土壤物理性质的影响

以黄土区延河流域为研究区域,研究了近40a来植被恢复对土壤容重、孔隙度和饱和导水率等13个土壤物理性质指标的影响.结果表明：随着植被恢复年限增加,土壤容重降低,而土壤孔隙度、>0.25mm团聚体含量、持水性和入渗性能等增大.但在40a内对土壤质地无显著影响.植被恢复对土壤物理性质的影响随恢复年限的增加而增强,随着土层深度的增加而减弱.土壤的容重、>0.25mm团聚体含量和饱和导水率可作为植被恢复生态效应评价的主要物理指标.由于水分等条件的限制,该区柠条林和草地对土壤物理性质的改善优于刺槐林,建议该区植被恢复应以营造次生灌木林和草地为主.     

黄土高原不同生态系统水土保持服务功能评价

以土壤保持量为评估指标,应用修正通用土壤流失方程,评估了黄土高原水土保持生态系统服务功能,分析了近20 a 来的黄土高原土壤保持量的空间分布及其动态变化,对于揭示全球气候变化背景下黄土高原林草植被建设的生态成效具有重要的科学价值和现实意义。结果表明：1990-2010 年黄土高原平均单位面积土壤保持量为305 t·hm^-2·a^-1,年均土壤保持总量为190×10⁸ t。1990-2000 年农田、草地和林地生态系统平均单位面积土壤保持量分别为249、285 和640 t·hm^-2·a^-1,2000-2010 年平均单位面积土壤保持量分别增加了14.6%、2.9%和7.4%。黄土高原草地和林地的土壤保持率分别为83%~88%和94%~97%。农田生态系统土壤保持量的空间分布特征表现为黄土丘陵沟壑区和黄土高塬沟壑区较大,农灌区和河谷平原区偏低;草地和林地生态系统土壤保持量的空间分布特征表现为沿东南向西北减少的变化趋势。与1990-2000 年不同,2000-2010 年农田、草地和林地生态系统土壤保持量的空间变化特征表现为较为明显的增长趋势,尤其是黄土丘陵沟壑区陕西榆林、延安地区和山西吕梁山区一带。     

不同植被恢复模式对黄土高原丘陵沟壑区土壤水分生态效应的影响

研究了渭北黄土高原丘陵沟壑区内侧柏、荆条、20年刺槐、4年刺槐、4年苜蓿、农地不同植被恢复模式土壤水分生态效应,结果表明:不同的植被恢复模式土壤容重均低于对照农田,减小幅度为16%~8%,孔隙度增加,总孔隙度增幅为24.5%~8.1%,毛管孔隙度增幅为1.2%~13.9%,非毛管孔隙度增幅为20.5%~90.0%;土壤持水性比农地增加33%~7.5%;水分补给量在0~2m范围内,侧柏、荆条、4年刺槐是农地的2、1.5、1.71倍,20年刺槐和苜蓿比农地低22.5%和31.4%;0~1m内,侧柏、荆条、4年刺槐分别是农地的2.16、1.78、1.85倍,20年刺槐、苜蓿为农地的25%和62.3%;>0.25mm水稳性团聚体含量比农地增加56.84%~30.72%;土壤结构破坏率农地最高为41.09%,其它植被为6.67%~25.73%。相关性分析表明土壤容重、总孔隙度、水分特征曲线a、水稳性团聚体含量、结构破坏率相关性显著。不同植被土壤水分生态效应不同,除20年刺槐、苜蓿土壤水分补给量小于对照农地外,其它各项指标均显著优于农地。     

半干旱黄土丘陵区土壤结皮的地表水文效应

黄土高原广泛分布的土壤结皮对地表水文过程有重要影响.以定西黄土丘陵区安家沟小流域内的土壤结皮为研究对象,基于野外采样和水文模拟实验等技术,探讨不同土壤结皮类型对地表水文过程的影响.结果表明:①与裸地相比,有结皮覆盖的地表土壤容重较小,土壤持水能力显著增强,其增加幅度为裸地的1.4～1.9倍;②土壤结皮可有效拦截降雨,以苔藓结皮的拦截能力最强,其次为混生结皮和地衣结皮,无结皮覆盖的裸地抵御降雨冲击的能力最差;③模拟实验显示,土壤结皮能在一定程度上增加水分入渗速率及总入渗量.有结皮覆盖的平均地表入渗速率是裸地的近2倍,而其累计入渗总量也远远高于裸地.     

黄土坡耕地退耕还林后土壤性质变化研究

退耕还林是治理黄土高原水土流失的根本措施。论文以退耕历史较长的黄土丘陵沟壑区安塞县为例,选取不同类型植被恢复和不同恢复年限的退耕样区,探讨了退耕还林还草对土壤理化性质的影响。结果表明,坡耕地退耕后,遭侵蚀破坏的土体构型渐趋恢复,土壤容重、pH值减小,毛管孔隙度、饱和含水量等增大;土壤有机质增加了2.75倍,碳增加了27.29%,氮增加了46.79%;而且,土壤速效养分增加的速度大于土壤全量元素增加的速度。土壤质量恢复效益最大的是刺槐林地,其次是柠条灌木地,最小的是撂荒地。混交林土壤全氮含量最高,柠条最利于铵态氮、硝态氮和亚硝态氮的积累。不同类型植被,土壤速效养分的差异比土壤全量元素间的差异明显。随恢复时间的增加,土壤结构不断得到改善,土壤有机质、全碳、全氮以及主要离子含量呈明显增加趋势,土壤速效养分增加更明显。土壤有机质在植被恢复5年以上开始明显增加,土壤碳、氮和速效养分则在10年以后增加明显。