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。     

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.     

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.     

黄土丘陵区生物结皮对土壤物理属性的影响

生物结皮在干旱、半干旱地区广泛发育。迄今,有关生物结皮发育过程中土壤物理属性的响应仍不明确。论文采用野外调查与室内分析相结合的方法,定量研究不同生物量生物结皮对土壤物理属性的影响。结果表明:①生物结皮的发育能够细化土壤,当生物结皮由初期藻结皮演替至60%~80%苔藓结皮时(5等级),生物结皮层粗砂粒含量降低了86%;②随着生物结皮生物量的增加,生物结皮层土壤容重和硬度较初期分别降低了15%和68%,田间持水量和孔隙度分别增加了36%和14%;生物结皮层粘结力是下层土壤的6~7倍;③生物结皮的发育对土壤物理属性的影响与生物量有关,当苔藓生物量达2.91±0.12 g/dm²时,其土壤物理属性基本稳定。研究结果为揭示生物结皮抗侵蚀机理提供了科学参考。     

基于氨氮,硝氮及乙酸条件下Anammox菌的培养

为探讨Anammox菌在氨氮、硝氮及乙酸条件下的富集特性,采用某城市污水处理厂A²/O系统中的生物填料作为MBBR的载体直接启动并运行.结果表明,在NH₄⁺-N、NO₃^--N及乙酸为基质的培养条件下,Anammox菌可在部分反硝化和厌氧氨氧化协同作用下快速富集.经过130d的富集培养,MBBR处理负荷（以N计）达到920.79mg/（m²·d）,Anammox活性（以NH₄⁺-N计）达到3 018.19mg/（m²·d）.高通量结果显示,经富集培养后,Ca.Brocadia占比从0.89%增至27.80%,为Anammox菌的主导菌属;Thauera占比从0.01%增至6.75%,Flavobacterium占比从0.29%增至11.72%,为部分反硝化菌的主导菌属.     

基于氨氮,硝氮及乙酸条件下Anammox菌的培养

为探讨Anammox菌在氨氮、硝氮及乙酸条件下的富集特性,采用某城市污水处理厂A²/O系统中的生物填料作为MBBR的载体直接启动并运行.结果表明,在NH₄⁺-N、NO₃^--N及乙酸为基质的培养条件下,Anammox菌可在部分反硝化和厌氧氨氧化协同作用下快速富集.经过130d的富集培养,MBBR处理负荷（以N计）达到920.79mg/（m²·d）,Anammox活性（以NH₄⁺-N计）达到3 018.19mg/（m²·d）.高通量结果显示,经富集培养后,Ca.Brocadia占比从0.89%增至27.80%,为Anammox菌的主导菌属;Thauera占比从0.01%增至6.75%,Flavobacterium占比从0.29%增至11.72%,为部分反硝化菌的主导菌属.     

SMBBR处理焦化废水性能及菌群结构响应关系

采用特异性移动床生物膜反应器（SMBBR）处理焦化废水,连续监测生物反应器处理性能.通过HS-GC/MS和Illumina高通量测序探究污染物降解与生物膜菌群结构的响应关系;利用CCA分析废水变量对微生物菌群结构的影响关系.结果表明,系统稳定运行50d时总酚去除率达96.62%,100d时硫氰化物和氰化物完全降解,其中酚、硫氰化物和氰化物对NH₄⁺-N的降解具有毒性抑制作用.HS-GC/MS结果显示,经过好氧处理后,80%以上的有机物被完全去除,其中包括全部酚、部分含N、O杂环化合物和长链烷烃等.测序结果表明,反应时间的不同,生物膜菌群丰度和多样性存在差异.反应期间Proteobacteria（变形菌门）相对丰度最高（20.57%~34.55%）,促进了苯酚的降解;优势菌属为norank_f_ODP1230B8.23、unclassified_o_Micrococcales、norank_f_Anaerolineaceae;此外,Thauera（陶厄氏菌属）、Ottowia、unclassified_o_Rhizobiales（根瘤菌属）和Thiobacillus（硫杆菌属）为系统中苯酚、SCN^-和CN^-的降解优势菌.CCA分析表明,pH值与Nitrospira（硝化菌属）正相关性最大,有效控制pH值可有助于硝化反应的稳定运行.本文研究结论可为生物膜法处理焦化废水提供理论依据.     

雅江河谷防沙治沙工程近地表特性——林下植被特性、生物结皮及土壤养分变化特征

采用对比分析和时空互代法,从植被配置模式（杨树+砂生槐、砂生槐、花棒、藏沙蒿）、工程年限（6,10,30a）2个方面,研究了雅鲁藏布江（简称雅江）河谷防沙治沙生态工程实施过程中林下植被特性、地表生物结皮及土壤养分等变化特征.结果表明,工程年限为10a的乔灌（杨树+砂生槐）、灌木（砂生槐、花棒）型样地较草本（藏沙蒿）更有利于提高林下植物多样性,且杨树+砂生槐样地的林下植被地上生物量、枯落物量、地下生物量、土壤有机质、全氮与全磷含量均显著高于其他3种样地.藏沙蒿样地的生物结皮最为发育,花棒样地次之,杨树+砂生槐样地无结皮.随年限延长,杨树+砂生槐样地林下植物多样性、枯落物量、地下生物量、土壤有机质、全氮及全磷含量呈增加趋势,生物结皮仅在6a样地中有发育;砂生槐样地地上生物量、地下生物量、生物结皮逐渐增加,但植物多样性、全氮含量呈下降趋势,枯落物量、有机碳及全氮含量呈先增加后减小规律.不同配置模式中,杨树+砂生槐乔灌型样地各项指标综合表现最佳,并随工程年限延长,对促进河谷沙地植被演替、提高植被生产力、提升沙地肥力等作用愈强.建议该区防沙治沙工程中应推广杨树+砂生槐乔灌型模式为主.     

古尔班通古特沙漠1970-2000年代生物结皮覆盖变化研究

生物结皮是古尔班通古特沙漠主要的地表覆盖类型,也是维持其地表稳定的重要生物因子。论文利用20世纪70年代中期、80年代末期及21世纪初的遥感影像,通过生物结皮指数提取了古尔班通古特沙漠在相应时期内的生物结皮空间分布。在此基础上,分析了研究区近30年来生物结皮空间分布的变化特征;利用景观分析软件Fragstats计算了各个时期内结皮覆盖的景观指数熏并对其变化特征进行了分析。结果表明:由于新疆气候增湿、增暖明显,近30年来结皮发育良好。但由于油田开采、水利工程建设、牲畜放牧等人类活动的加强,结皮发育受到较为严重的干扰,区域内结皮斑块破碎化程度加大。     

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.      

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。     

植被演替下植物组成多样性和群落稳定性与土壤团聚体的关系

为揭示植被自然恢复过程中植物组成多样性和群落稳定性与土壤团聚体的关系,防治水土流失,提高土壤质量.通过野外调查采样,确定并分析黄土高原近150年植被演替不同阶段的植被特征与土壤团聚体数据.结果表明：该过程共有种子植物39科99属128种,优势科是菊科、蔷薇科、禾本科和豆科,优势属是蒿属,单种属是该过程植物属的主体,出现频率较高的植物有大披针薹草、胡枝子、白刺花、水栒子、青蒿、虎榛子、辽东栎、茶条枫、油松、绣线菊、狗娃花等.植物地理成分在属级水平上有11个分布区类型8个变型,温带性质明显,热带性质（R值）与温带性质（T值）的比值（R/T）随恢复年限的增加而降低,R值与R/T值显著正相关,热带成分扩散分布受到限制.植物丰富度呈单峰曲线,在恢复年限为40~70年时最高.依照不同恢复年限对群落稳定性进行排序：70>120>135>150>40>10>20>0年.R值与植物种系分化度（SD值）极显著正相关,T值与稳定性极显著正相关.>5mm粒径团聚体与受热带性质物种驱动的植物丰富度有关.>0.25mm粒径团聚体总体上与群落稳定性保持一致,均受温带性质物种维持.大披针薹草、胡枝子、白刺花是该区植被演替过程中维持群落稳定性的关键种和具有潜在提高土壤大粒径团聚体比例的功能植物,植被近自然恢复、土壤质量提升和土壤侵蚀防治,可以考虑增加这3个物种.     

晋西南黄土高原区植被覆盖度变化及其生态效应评估

水土流失和生态退化是黄土高原区面临的严峻问题,已经严重制约了经济发展。基于TM和OLI数据,分别估算晋西南黄土高原区的植被覆盖度（FVC）和遥感生态指数（RSEI）,定量分析了晋西南黄土高原区的植被和生态恢复效果,并提出需要重点治理的区域。研究结果表明：（1）15年间晋西南黄土高原区的植被覆盖度和遥感生态指数都呈现增加的趋势,FVC指数从2002年的42.69%增加至2017年的47.67%,RSEI指数由2002年的45%增加至2017年的52.5%,反映出研究区生态质量有了明显提高;（2）除研究区内芝河流域、汾河谷地和沁河流域的生态质量出现严重退化外,研究区大部分区域的FVC指数和RSEI指数都呈改善趋势,因此需对芝河流域、汾河谷地和沁河流域加大生态治理力度;（3）除研究区汾河谷地外,其余地区植被覆盖度和遥感生态指数的变化趋势基本吻合,汾河谷地由于冬小麦大面积种植,植被覆盖度得到一定程度改善,但遥感生态指数并没有明显改善。     

生物土壤结皮的生物学功能及其修复研究

生物结皮是由土壤微生物、藻类、地衣和苔藓植物等孢子植物类群与土壤形成的有机复合体.它们可加速荒漠地区生态系统的演巷过程,预示荒漠亿生境的转变,对干旱、半干旱荒漠地区具有重要生态意义.本文综述了生物土壤结度的种类、分布和形成机理,介绍其对干旱地区物质循环、水文状况、土壤稳定性、石漠化治理等方面所表现出的生物学功能,并对干...     

喀斯特石漠化山区苔藓多样性及水土保持研究

喀斯特石漠化已成为制约我国西南地区可持续发展的重要生态环境问题. 以云南芝云洞山区苔藓植物为研究对象,于2012年1月进行调查和样地设置,共采集样品75份,采用经典形态分类法进行鉴定,分析苔藓多样性及其对水土保持的贡献. 结果表明:苔藓植物有11科25属53种;苔藓植物种数为无石漠化区(34)＞轻度石漠化区(14)＞中度石漠化区(12)＞强度石漠化区(7),丰富度指数也为无石漠化区(2.8748)＞轻度石漠化区(0.1941)＞中度石漠化区(-1.1767)＞强度石漠化区(-1.8923). 石漠化区苔藓植物相似性指数相差较小,其中强度石漠化区与中度石漠化区的相似性指数为0.3750,强度石漠化区与轻度石漠化区为0.3077,中度石漠化区与轻度石漠化区为0.3846;而石漠化区与无石漠化区相似性指数相差较大,其中无石漠化区与强度和轻度石漠化区的相似性指数分别为0.0714和0.0952. 强度、中度和轻度石漠化区与无石漠化区均匀度指数分别为0.5900、0.5133、0.4899和0.6107. 6种优势苔藓植物(长叶纽藓、卷叶湿地藓、东亚小石藓、黑扭口藓、卵叶青藓和狭叶湿地藓)的生物量、成土量和饱和吸水量分别在0.962~9.546、1.294~40.181、8.890~82.571g/m2之间,表明可以将苔藓植物作为该类地区的先锋植物.      

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。