Institute of Soil and Water Conservation,Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources
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葡萄分层地下滴灌滴头布设深度优化
No full text不同树龄葡萄根系的差异使得地下滴灌系统在布设应用中存在一定困难。为解决该难题，本研究采用室内试验和HYDRUS-2D数值模拟相结合的方法，以宁夏和关中两大葡萄产区为例，研究了两种土质条件下分层地下滴灌土壤水分运动规律，提出了分层地下滴灌带最佳布设深度。研究结果表明，HYDRUS-2D模拟值与试验实测值具有良好的吻合度。地下滴灌带的埋深直接影响土壤水分的分布，两种土质下湿润体内部处于最佳含水率区间的土壤体积随滴头间距的增加而增大。通过适当增大浅层滴头埋深并减小深层滴头埋深可减小表层水分无效损耗。从避免水分无效消耗以及提高湿润体与根系匹配效果等角度出发，建议关中地区葡萄单滴头灌溉且适宜滴灌带布设深度为20 cm；宁夏贺兰山地区滴灌带布设深度以15 cm和45 cm为宜。</p
Soil Enzyme Stoichiometry and Microbial Community of Degraded Meadow on Northern Tibet
No full text由于气候变化和人类活动的影响，草地生态系统的大规模退化已经引起相关学者的广泛关注。尤其在环境条件脆弱和生态系统结构不良的青藏高原地区，严重的草地退化现状不但危及区域生态安全，还影响着牧区经济的可持续发展。土壤退化是草地退化的核心，土壤退化意味着草地生产力和环境调节能力的下降，探究土壤性质的变化对于土壤质量的表征和明确草地退化机理有重要意义。本研究选取西藏自治区当雄县不同退化程度（未退化、轻度退化、中度退化和重度退化）的高寒草甸为研究对象，采用常规分析方法和高通量测序技术，系统分析了土壤理化性质和生物学性质的变化趋势，明确了微生物量和酶计量学特征、微生物群落结构和氮循环功能基因的驱动因素，为藏北高寒草甸的退化机理研究和修复措施制定提供了一定的科学依据和参考价值。主要研究结果如下：
1. 不同退化程度高寒草甸生物量和理化性质特征
轻度退化会促进植物的生长，而重度退化会大大降低草甸的生产力。草甸退化降低了土壤养分含量，其中重度退化土壤有机碳、全氮和全磷含量与未退化相比分别降低67.4%、56.2%和36.2%，硝态氮、速效磷和速效钾在中度退化显著降低，与轻度退化相比分别降低59.2%、23.4%和10.1%。碳氮比（C/N）、碳磷比（C/P）和氮磷比（N/P）在轻度退化、中度退化和重度退化中均低于未退化草甸。
2. 不同退化程度高寒草甸土壤微生物量和酶活性及生态化学计量学特征
相较于未退化草甸，微生物量碳（MBC）、微生物量氮（MBN）和微生物量磷（MBP）在重度退化降低了41.4%~73.9%。碱性磷酸酶（ALP）升高，未退化β-1,4-葡萄糖苷酶（BG）和β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）活性显著低于轻度、中度和重度退化，纤维二糖水解酶（CBH）和亮氨酸氨基肽酶（LAP）活性在轻度退化最低。ln（BG+CBH）：ln（NAG+LAP）为0.55~0.91，ln（NAG+LAP）：ln（ALP）为0.73~0.97，偏离了全球均值1.41和0.44；向量长度和角度分别在中度退化和轻度退化最高，说明草甸退化过程中微生物受P限制强于N限制，而中度退化时受C限制相对较强。微生物量及其计量学特征受有机碳、全氮和全磷共同驱动，酶计量学特征总体上受pH、硝态氮和铵态氮共同驱动。
3. 不同退化程度高寒草甸土壤微生物群落结构及多样性特征
随退化程度的加剧，细菌Chao1指数升高，真菌Chao1指数先升高后降低，在中度退化最高，Shannon指数无显著差异。细菌和真菌的β多样性在不同退化程度间表现出显著差异。门水平上，退化过程中占主导优势的细菌群落为变形菌门（Proteobacteria）（23.0%~35.7%）、放线菌门（Actinobacteria）（21.4%~27.6%）、酸杆菌门（Acidobacteria）（11.7%~22.3%）、拟杆菌门（Bacteroidetes）（2.6%~16.4%）、绿弯菌门（Chloroflexi）（5.9%~7.3%），其峰值分别出现在中度退化、轻度退化、未退化、轻度退化和未退化；占主导优势的真菌群落为接合菌门（Zygomycota）（54.8%~69.4%）、子囊菌门（Ascomycota）（26.1%~41.7%）、担子菌门（Basidiomycota）（1.8%~6.0%），其峰值分别出现在重度退化、轻度退化和未退化。Mantel分析表明，速效磷是驱动土壤细菌群落结构变化的主要因素。
4.不同退化程度高寒草甸氮循环功能基因丰度及多样性特征
轻度退化会提高硝化基因（amoA-AOA和amoA-AOB）和反硝化基因（nirS、nirK和nosZ）的α多样性。氮循环功能基因的丰度随退化程度的加剧呈倒“V”型变化，除nosZ在轻度退化最高外，最大值均出现在中度退化，而重度退化为最低，草地退化可能使硝化作用和反硝化作用加强。其中，amoA-AOA的拷贝数约是amoA-AOB的271.2~329倍，nirS的拷贝数约是nirK的41.9~111.2倍，说明研究区内AOA和nirS占主导地位。氮循环功能基因的多样性特征受草甸生物量、土壤养分和化学计量比共同驱动，其中pH、有机碳、全氮和化学计量比是硝化基因的主要影响因子，地上/地下生物量、全磷和速效磷是反硝化基因的主要影响因子。</p
黄土高原生态系统碳储量现状及固碳潜力评估
No full text全球气候变化背景下，陆地生态系统在碳循环过程中扮演着重要角色。黄土高原生态环境脆弱，水土流失现象严重，随着退耕还林（草）等生态恢复工程的实施，显著提高了黄土高原植被覆盖度，必将改变生态系统的固碳能力。因此，科学准确地进行碳储量现状评估与固碳潜力预测，探明其空间分布及驱动因素对于黄土高原生态保护政策以及碳增汇措施的制定实施具有一定的指导作用。本文以黄土高原实测碳密度样点数据为基础，使用克里金空间插值的方法对黄土高原不同生态系统碳密度空间分布进行绘制，并以此为基础估算了黄土高原碳储量现状；结合气象、地形、植被、土壤等环境因子数据，使用相关分析与路径分析的方法，分析了黄土高原生态系统碳库空间分异的主控因子和贡献强度；以黄土高原生态系统碳储量现状图为基础，估算了对当前环境因子及土地利用方式不变的情况下生态系统可达到的最大碳储量和固碳潜力，以期为应对气候变化和服务区域碳中和目标提供科学依据。取得主要进展如下：
（1）明确了黄土高原生态系统碳储量现状及其空间分布特征。黄土高原地区森林、草地、农田总碳储量约为2.265 Pg，地上生物量、地下生物量、土壤有机碳库储量分别为0.422、0.319和1.524 Pg，森林、草地、农田生态系统碳储量分别为0.978、1.086和0.205 Pg，各生物气候区之间表现为Ⅰ半湿润森林区＞Ⅱ半湿润半干旱林草区＞Ⅲ半干旱典型草地区＞Ⅳ干旱半干旱荒漠草地区＞Ⅴ干旱荒漠区，不同生态系统碳储量空间分布格局总体均呈自东南向西北逐渐减少的趋势，黄土高原总生态系统碳储量空间分布与草地生态系统更为相似，且林草生态系统中，碳储量空间格局主要由土壤有机碳库空间分布所决定。
（2）剖析了黄土高原生态系统碳库空间分布的主要影响因素及贡献。在整个黄土高原尺度上，气象（年均气温、年均降水）、海拔、地形（坡度）、土壤质地（粘粒含量）、植被归一化指数（NDVI）等因子分别解释了地上生物量碳库、地下生物量碳库、非农田土壤有机碳库及农田土壤有机碳库碳储量空间变异的12%、8%、44%和32%，其中，对地上生物量碳库影响最大的环境因子为海拔，其直接及总作用均最大；对于地下生物量碳库，MAT对其直接及总的作用均最大；对非农田土壤有机碳库总影响最大的因子为MAP，但海拔的直接作用最大；对于农田土壤有机碳，土壤粘粒含量为总作用最大的因子。
（3）预测评估了黄土高原生态系统的固碳潜力及其空间分布格局。黄土高原地区林草农生态系统未来可达到的最大碳储量约为4.42 Pg，固碳潜力约为2.155 Pg，地上生物量碳库、地下生物量碳库及土壤有机碳库的固碳潜力分别为0.420 Pg、0.319 Pg、1.417 Pg，土壤碳库对固碳潜力贡献最大；森林、草地、农田生态系统固碳潜力分别为0.957 Pg、1.103 Pg、0.091 Pg，即黄土高原地区固碳潜力主要在草地与森林生态系统，草地略高于森林生态系统；各生物气候区之间，Ⅱ半湿润半干旱林草区固碳潜力及固碳潜力指数均最大。黄土高原地区未来可达到的最大碳储量空间格局与碳储量现状相似，呈自东南向西北逐渐减小，但其空间分布更为连续，固碳潜力指数空间格局与碳储量空间格局在大部分地区整体呈相反的趋势。
综上表明，黄土高原地区生态环境虽已得到一定恢复，但其碳密度水平仍远低于国家平均水平，且空间分布极不均匀。未来，为了提高生态系统的碳增汇潜力，应根据黄土高原不同地区生态系统固碳潜力的空间异质性，综合考虑当地环境条件，因地制宜制定管理措施，逐步实现生态系统的精细化管理，为我国生态文明建设做出更大贡献。</p
延河流域实际蒸散发时空特征及其归因分析
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实际蒸散发（Actual evapotranspiration，ETa）是水量平衡中的一个主要支出项，影响着地表生态系统中水分循环、植物生长发育和能量循环等环节。1990年以来，实际蒸散发在气候和土地利用的双重影响下发生了剧烈变化。本研究基于延河流域水文、气象数据和6期土地利用数据，探究基于蒸散互补相关原理模型在ETa估算中的适用性，采用趋势分析、突变检验、周期分析、敏感性分析、贡献量分析等方法，研究ETa时空特征，并估算气候和土地利用对实际蒸散发变化的贡献。取得的主要结论如下：
（1）蒸散互补相关原理适用于延河流域实际蒸散发的计算，率定后的平流-干旱（AA*）模型表现最佳。实际蒸散发和潜在蒸散发的相关系数为-0.27，且存在明显的互补相关关系，蒸散互补相关理论适用于延河流域。AA*模型在率定期的方差均方根（RMSE）最小、纳什系数（NSE）最大，在验证期的绝对偏差（MAE）和RMSE较小、NSE最大，AA*模型对实际蒸散发模拟结果的精度最高。率定后AA*模型的最优参数分别为1.033和0.867。
（2）延河流域多年平均实际蒸散发量为459.33 mm，总体呈上升趋势（p<0.1），变化特征空间差异显著。实际蒸散发呈东南高、西北低的分布规律；蒸散的高值区域随着时间逐渐向西偏移，低值区域逐渐向南偏移；实际蒸散发增长率呈现自西北向东南逐渐减少的分布规律。
（3）延河流域实际蒸散发对气候因子敏感系数的大小具有显著空间差异，且分布规律与气候因子空间分布相似。实际蒸散发与温度、相对湿度、太阳辐射的变化一致，与风速的变化相反，敏感程度依次为湿度、太阳辐射、温度、风速。温度敏感性呈东南大于西北的规律，湿度敏感性自西北向东南呈现阶梯式增强，风速敏感性由西向东呈现高-低-高的分布规律，太阳辐射敏感性呈现自流域西北向东南逐渐变大的分布规律。
（4）结合气候敏感系数和气候因子变化趋势计算贡献值才能准确地分析实际蒸散发变化的原因。相对湿度和太阳辐射对实际蒸散发的增加为负贡献，温度和风速对其上升为正贡献，负贡献量小于正贡献量使实际蒸散发呈上升趋势。温度敏感系数不是最大的，但其显著的上升趋势使其对延河流域实际蒸散发增加的正贡献量最大，实际蒸散发呈上升趋势的主导气候因子为温度，流域内各区域实际蒸散发变化的主导因子存在明显的差异。
（5）土地利用方式的变化导致实际蒸散发的变化，土地利用的空间分布格局决定着实际蒸散发的空间分布规律。延长和志丹地区的耕地面积显著减少，普遍转化为草地和林地，实际蒸散发较高；安塞地区林草地面积显著增加，实际蒸散发有所增加；延安地区建筑面积显著增加，实际蒸散量低。</p
Influence of Meteorological Factors on the Potential Evapotranspiration in Yanhe River Basin, China
No full textInfluence of Engineering Disturbance on Soil Anti-Erodibility and Soil Anti-Scourability of Loess
No full text为研究工程扰动对黄土抗蚀性和抗冲性的影响，以兰州市城关区北山为研究区，选取1年填方样地（T1a）、5年填方样地（T5a）、7年挖方样地（W7a）和天然草地（C）4个样地采原状土样，在室内使用干筛-湿筛法测定土壤团聚体相关指标研究土壤抗蚀性，用抗冲槽研究土壤抗冲性，并分析了影响土壤抗蚀性和抗冲性的因素。结果显示，各样地表层（0—10 cm）土壤水稳性团聚体的平均质量直径（MWDw）和＞0.25 mm团聚体占比[w(δ>0.25)w]表现为C＞W7a＞T5a＞T1a，土壤团聚体破坏率（PAD）表现为T1a＞T5a＞W7a＞C，挖填方样地表层土壤水稳性团聚体颗粒分形维数（Dw）均值为2.82，C样地Dw为2.74，C样地表层土壤的抗蚀性显著强于挖填方样地；T5a和W7a样地中下层土壤（10—20 cm和20—30 cm）MWDw和w(δ>0.25)w显著低于表层土壤；各样地表层土壤抗冲系数W7a＞C＞T5a＞T1a，W7a和C样地的值较为接近。影响土壤抗蚀性与抗冲性的主要因素有土壤电导率、有机质和根系，土壤生物结皮也会影响土壤抗冲性。这些影响因素与挖填方样地搁置年限密切相关，即随着挖填方样地搁置年限增长，这些因素逐渐发生变化有益于受扰动土壤MWDw和w(δ>0.25)w的增加以及PAD的降低，其表层土壤的冲刷强度慢慢接近草地。工程扰动会显著降低黄土的抗蚀性和抗冲性，应当做好必要的水土保持措施以降低土壤侵蚀风险。</p
基于CLUE-S模型的青海省海西蒙古藏族自治州土地利用变化模拟研究
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土地利用变化通过与生态环境以及人类活动等的相互作用不断加速全球变化，成为关乎区域经济发展和人类福祉的重要命题。在土地利用变化的相关研究中，模型模拟是理解土地利用变化机理，明晰土地利用变化过程，揭示土地利用变化驱动因子，预测未来土地利用变化格局的重要工具。本研究将青海省海西蒙古藏族自治州作为研究区域，基于2000年、2010年与2020年3期土地利用数据，提取林地、耕地、草地、水域、未利用地和城乡、工矿、居民用地（城工居民用地）6种土地利用类型，于土地利用数量结构、土地利用程度、土地利用转移矩阵以及土地利用分形特征4方面分析海西州土地利用变化情况；基于CLUE-S模型，以2010年数据为基础，模拟2020年土地利用情况以对模型适用性进行分析，在此基础上以2020年土地利用现状数据为基础，构建CLUE-S模型对海西州2035年土地利用变化进行模拟预测。研究结果有助于深入了解海西州土地利用变化规律，可为海西州生态环境建设、土地的合理利用和经济的可持续发展提供更准确、科学的依据。主要结论如下：
（1）草地和未利用地在海西州土地利用结构中占主导地位。2000-2020年间，未利用地、林地面积减少，草地面积先增加后减少，水域、耕地及城工居民用地面积增加；2000-2010年间，草地主要由城工居民用地和水域转入，水域主要由城工居民用地转入，林地主要向草地和未利用地转移；2010-2020年，水域主要由城工居民用地转入，未利用地主要向城工居民用地转移。研究区土地利用类型图斑结构趋于简单化，边界形态分布越来越规则。
（2）间隔层次，2000-2020年研究区内土地利用变化强度明显降低。2000-2010年区域土地利用变化强度呈现快速变化，2010-2020年为慢速变化；地类层次， 2000-2010年与2010-2020年水域与城工居民用地变化活跃，未利用地变化相对稳定；转移层次，2000-2020年间，草地-耕地、城工居民用地-林地、城工居民用地-水域、林地-城工居民用地、未利用地-城工居民用地与未利用地-水域等的转移过程呈现出稳定的倾向性系统转化模式。水域-林地、未利用地-草地、未利用地-林地的转移呈现出稳定的避免性系统转换模式。
（3）以2010年土地利用现状数据为基础，运用CLUE-S模型模拟2020年土地利用变化情况，计算得出Kappa指数为93.02%，模拟精度较高，表明CLUE-S模型适用于海西州土地利用变化模拟。以2020年土地利用现状数据为基础，对海西州2035年土地利用变化进行模拟。模拟结果显示2000-2010间年草地面积增加，2010-2035年减少；2020-2035年其余土地利用类型基本遵循未利用地与林地减少，城工居民用地、水域与耕地增加的原则发生变化。空间分布格局变化方面，城工居民用地与水域扩张最为明显，其中城工居民用地主要扩张区域集中分布在经济发展较为迅速的城市周围以及河流沿岸；此外耕地扩张亦较为明显，其增加的面积主要来自未利用地；草地、林地变化相对较小，主要与其周围用地类型发生不同程度的转化。
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Aridity stimulates responses of root production and turnover to warming but suppresses the responses to nitrogen addition in temperate grasslands of northern China
No full text黄土丘陵区两典型森林群落及主要建群种蒸腾耗水特征研究
No full text 黄土高原地区是我国生态恢复和环境保护的重点区域。近年来，随着各项植被恢复措施的实施，植被覆盖度明显提升，生态环境得到了显著改善。同时，植被与水土资源的矛盾也对生态系统的可持续性产生潜在影响。在植被恢复和全球变化背景下，深入解析该区典型森林群落和主要建群种的水分利用特点及其对干旱的适应性具有理论和现实意义。本研究以黄土丘陵区两典型森林群落（辽东栎天然次生林和刺槐人工林）和主要树种（辽东栎、侧柏、山杏、细裂槭、刺槐和杜梨）为研究对象，通过连续多年的林分生长调查、树干液流监测，以及对气象、土壤等环境因子的同步观测，探究了两群落及主要树种在季节尺度和年份尺度上的蒸腾耗水特征，分析了主要树种的树干液流变化动态及其对环境因子的响应；结合对各树种叶部形态学和生理学指标（叶片持水力、比叶面积、黎明前和正午叶水势、叶片稳定碳同位素丰度）的测定分析，揭示了各树种的水分利用特点。主要结论如下：
（1）供试树种树干液流通量密度的日变化特征总体上与蒸腾驱动因子（太阳辐射和空气水汽压亏缺）呈相同趋势。随着生长季物候变化，各树种的日平均液流通量密度表现为生长季前期（5‒6月）逐渐升高，中期（7‒8月）达到最高值，后期（9‒10月）逐渐下降至较低水平的变化趋势。
生长季6‒9月，各树种单株日蒸腾量与太阳辐射、空气水汽压亏缺和空气温度显著正相关（P<0.05），与空气相对湿度显著负相关（P<0.05）。相较于土壤含水量较低时期，各树种在土壤含水量较高时期的液流通量密度日最大值显著增加（P<0.05），而液流通量密度到达日最大值的时间除刺槐和杜梨显著推迟外（P<0.05），其它树种均无明显变化（P>0.05），说明水分条件的改善能够明显促进蒸腾水平的提高；刺槐和杜梨对土壤水分变化的响应更加剧烈。
（2）在形态学特征上，比叶面积在树种之间存在显著性差异，各树种比叶面积多年平均值排序为刺槐（18.83 m2/kg）>辽东栎（13.69 m2/kg）>山杏（13.40 m2/kg）>杜梨（12.68 m2/kg）>细裂槭（12.60 m2/kg）>侧柏（5.15 m2/kg）。在生理学特征上，各树种叶片失水速率由高到低分别为刺槐（2.91 %/h）、山杏（1.25 %/h）、辽东栎（1.22 %/h）、细裂槭（1.06 %/h）、杜梨（0.91 %/h）、侧柏（0.42 %/h）。表明侧柏的叶片持水能力最强，刺槐的叶片持水能力最弱，其余树种相近。黎明前叶水势、正午叶水势和蒸腾拉力在树种间和不同月份之间均达到极显著差异（P<0.01），表明同时受树种特性和土壤水分变化的影响。辽东栎和侧柏的蒸腾拉力（分别为0.98‒1.65 MPa和0.55‒1.30 MPa）小于其它树种，说明辽东栎和侧柏对环境因子变化的敏感性较低。叶片稳定碳同位素丰度随着土壤含水量的增加而下降，在树种、月份和年份之间差异极显著（P<0.01），反映了树种间水分利用效率的不同。
对各树种树干液流变化特征和叶部形态学生理学指标的比较分析表明，侧柏、细裂槭、辽东栎和山杏对空气相对湿度变化的敏感性较强，对土壤水分变化敏感度较低，表现出保守型的水分利用策略；而杜梨和刺槐对空气相对湿度变化的气孔敏感性较低，对土壤水分变化较敏感，水分利用策略趋向于冒险型。
（3）试验期间（2011‒2019年）研究区年降雨量为418.2‒891.0 mm，年潜在蒸发散为932.5‒1082.6 mm，蒸腾驱动因子（太阳辐射和空气水汽压亏缺等）平均值季节变化规律性基本稳定。辽东栎天然次生林和刺槐人工林日平均土壤含水量的连续多日变化动态相近，年平均土壤含水量与年降雨量为显著正相关关系（P<0.05）。试验期间，辽东栎林分平均胸径和总边材面积分别增加了4.5 cm和1.10 m2/ha；刺槐林分平均胸径和总边材面积分别增加了1.0 cm和0.22 m2/ha。
（4）2011‒2019年间（除2012年）辽东栎天然次生林生长季的林分乔木层年蒸腾耗水量为51.3‒105.2 mm。辽东栎个体在林分耗水量中占的比例基本保持稳定水平，表明辽东栎林处于稳定的生长阶段。刺槐人工林生长季的林分蒸腾耗水量为57.2‒72.0 mm。
两典型林分月蒸腾耗水量主要受物候变化和气象因子的影响，与叶面积指数、月平均太阳辐射、月平均空气温度和月总潜在蒸发散之间存在显著正相关关系（P<0.05），与月总降雨量和月平均土壤含水量之间无明显关系（P>0.05）。年尺度上，辽东栎林年蒸腾耗水量与年潜在蒸发散呈显著负相关关系（P<0.05），与前一年的降雨量为显著正相关关系（P<0.05），与当年降雨量和年平均土壤含水量关系不显著（P>0.05）；刺槐人工林年蒸腾耗水量与年平均土壤含水量之间存在显著正相关关系（P<0.05），与年潜在蒸发散、当年降雨量和前一年降雨量无显著相关关系（P>0.05）。
两林分的蒸腾耗水量在干旱和湿润年份表现出对气象因子不同的响应特征。林分日蒸腾量与太阳辐射和空气温度的关系适用线性方程拟合，与空气水汽压亏缺的关系适用指数饱和曲线拟合。刺槐林中，林分蒸腾量与太阳辐射、空气温度的拟合方程斜率在干旱和湿润年份的差异不显著（P>0.05），林分蒸腾量与空气水汽压亏缺拟合关系的参数b达到显著性差异（P<0.05），而参数a的差异不明显（P>0.05）；辽东栎林中，湿润年份林分蒸腾量与气象因子拟合关系的相关系数（R2）大于干旱年份，拟合关系的相关参数在干旱和湿润年份的差异均达到显著水平（P<0.05）。
研究结果表明，两林分主要树种的水分利用特点不同，侧柏、辽东栎、山杏和细裂槭倾向于保守性利用水分，而刺槐和杜梨的水分利用方式较为冒险。受长期土壤水分亏缺的影响，刺槐林蒸腾耗水的整体水平、气孔调节能力和生长状况减弱，对环境因子变化的敏感性降低，林分整体呈现水分供求矛盾，应开展适宜的经营管理措施加以调整。辽东栎表现出较强的气孔调节功能；在年份尺度上林分蒸腾耗水与土壤水分条件耦合良好，可以较好地维持林分水分平衡，保持稳定生长。</p