科尔沁沙地樟子松人工林土壤呼吸对水分变化的响应

土壤是陆地生态系统最大的碳库，其碳储量是大气碳储量的两倍。土壤呼吸是土壤碳库的最大输出途径。在干旱半干旱区降雨格局以及土壤水分条件的变化对土壤呼吸的影响具有重要意义。本研究以半干旱区科尔沁沙地东部樟子松人工林为研究对象，通过室内培养模拟研究、野外降雨量控制研究和降雨频率模拟及干湿交替模拟试验，研究了科尔沁沙地半干旱人工林生态系统土壤呼吸对水分变化的响应趋势，探讨了降雨格局变化对土壤呼吸的影响，结果表明： （1）土壤呼吸速率随温度和土壤含水量的升高分别呈指数和线性增长；温度和土壤含水量分别影响着土壤呼吸对土壤水分和温度的敏感性； （2）降雨量变化影响土壤呼吸日动态变化，降水量增加30%，土壤24h释放CO2量升高了35.9%，当降水量减少30%时，土壤24h释放的CO2量降低了59.6%，而且干旱降低了土壤呼吸日动态变化的幅度； （3）降雨量变化对土壤呼吸月季动态具有一定影响。降雨量增加30%，8~10月土壤总呼吸CO2释放速率升高40.7%~166.4%，土壤异养呼吸CO2释放速率升高40.5%~194.3%；降雨量降低30%使降雨较频繁的8月份土壤总呼吸CO2释放速率降低34.0%~70.0%，土壤异养呼吸CO2释放速率下降20.9%~ 64.0%，而在降雨较少的9~10月份降雨量的减少对土壤呼吸则没有显著影响； （4）降雨量的变化对土壤总呼吸和异养呼吸温度敏感性有一定影响。当降雨量减少30%时，土壤总呼吸的Q10值由5.4下降到2.22，土壤异养呼吸的Q10值由4.84下降到1.81； （5）用温湿度耦合作用经验模型Rt = 0.307e0.0064（W·T）来描述三个降雨处理样地土壤呼吸速率与土壤温度及土壤含水量的关系，可以解释土壤呼吸速率变异的80.2%； （6）在较高的温度条件下，降雨频率增加一倍时，土壤呼吸速率将升高约24%；当温度较低时，降雨频率对土壤呼吸速率的影响不显著； （7）土壤呼吸随着干旱程度的增加而逐渐下降，但当进行降水模拟后，土壤呼吸值迅速升高，可升高降水前的41.0% ~ 128%，而后又迅速下降，呈现明显的脉动（pulse）效应。

全球变化背景下科尔沁沙地生态系统C、N循环过程

工业革命以来，由于人口的快速增加和人类活动的强烈干扰（主要包括煤炭、石油等石化燃料的燃烧、化肥生产和使用）导致土地利用/覆被变化、大气CO2浓度升高、N沉降等一系列全球环境变化问题。有关陆地生态系统生物地球化学循环，尤其是陆地生态系统C、N循环及其耦合过程方面的研究成为全球变化科学研究领域的重要内容。 干旱/半干旱地区占地球陆地总面积的1/3。与湿润地区相比较，干旱/半干旱地区生态系统稳定性比较差，往往属于生态脆弱区。因此，全球变化对干旱/半干旱地区生态系统影响更加敏感。科尔沁沙地位于我国北方干旱/半干旱地区，是我国典型的农牧交错区和生态脆弱区。科尔沁沙地是世界上人口密度最高的干旱/半干旱地区之一，人类活动对其影响剧烈。然而，有关科尔沁沙地生态系统C、N元素生物地球化学循环过程对土地利用/覆被变化、N沉降等全球变化响应及其反馈机制的研究非常缺乏。因此，本文以科尔沁沙地退化沙质草地、农田、不同年龄樟子松和杨树人工林等生态系统为对象，开展了造林、模拟N沉降和凋落物管理对生态系统C、N元素循环过程影响的研究。 在科尔沁沙地东南缘，以退化沙质草地、樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）人工林（15、24和30年生）、杨树（Poplus xiaozhuanica）人工林（7、11和15年生）为对象，研究草地转变为林地对生态系统C、N储量影响；以退化草地、榆树疏林草地和32年生樟子松人工林为对象，比较草地造林对土壤C、N循环过程及其土壤微生物性状的影响；以农田和5、10、15年生杨树人工林为对象，研究退耕还林对生态系统C、N储量和循环过程影响；以35年生樟子松人工林为对象，模拟研究N沉降和凋落物管理对生态系统C、N循环过程影响。通过上述研究，得到以下主要结果： （1）草地生态系统总C储量为34.38 Mg ha-1，15、24和30年生樟子松人工林生态系统总C储量分别为43.56、60.45和66.59 Mg ha-1，7、11和15年生杨树人工林生态系统总C储量分别为34.54、48.26和78.77 Mg ha-1；与农田相比，退耕5年的杨树人工林生态系统总C库储量下降13%，而10年和15年杨树人工林分别增加了176%和5倍；随着人工林年龄的增加，地上植被生物量C库储量占生态系统总C库储量的比例逐渐增加，并主要分配在树干。草地生态系统总N库储量为2.54 Mg ha-1，15、24和30年生樟子松人工林生态系统总N库储量分别为1.96、2.10和2.19 Mg ha-1，7、11和15年生杨树人工林生态系统总N库储量分别为2.27、1.84和2.60 Mg ha-1；与农田相比，退耕5年的杨树人工林生态系统总N库储量下降32%，而10年和15年杨树人工林分别增加了47%和76%；农田和草地造林后生态系统N储量依然主要分配在土壤中。 （2）草地和农田造林后土壤C、N库储量的变化受多因子的影响，例如林龄、树种种类以及立地条件等。农田和草地造林初期，土壤C、N库储量表现出下降趋势，随着林龄的增加，土壤C、N储量逐渐恢复。草地营造樟子松人工林30年后，0–60 cm深度土壤C、N储量依然显著低于草地；与草地相比，15年生杨树人工林土壤C、N储量差异不显著。在立地条件较好的情况下，10年杨树人工林土壤C、N储量已显著高于农田；然而，在立地条件相对较差的情况下，15年杨树人工林土壤C、N储量仍然与农田相比差异不显著。 （3）土地利用变化能够强烈地改变土壤C、N循环过程。与草地或疏林草地相比，32年生樟子松人工林土壤C、N、P含量显著降低；土壤C、N矿化过程发生显著变化，并且受季节变化的影响；在不同季节，土壤微生物量碳含量、代谢熵（qCO2）、微生物熵（MBC/TOC）以及土壤酶活性等在不同土地利用条件下表现出规律不一致。同样，农田退耕杨树人工林能够显著影响土壤C、N矿化过程，土壤无机氮（铵态氮+硝态氮）含量，土壤微生物量碳含量以及土壤微生物活性。草地造林在一定程度上导致土壤质量下降。而农田造林有利于土壤质量改善，尤其在在立地条件较好情况下。 （4）N添加增加对沙地樟子松人工林地上和地下C、N元素含量影响不大；N添加1年后，仅林下植被C、N含量显著增加，高氮处理（N15）凋落物N含量显著增加。N添加抑制了沙地樟子松人工林凋落物的早期分解和N、P元素释放。5、6、8和9月份土壤无机N含量均随着N输入增加表现出一定程度的增加，然而，7月份N添加导致土壤无机N含量降低。N添加对土壤潜在N矿化速率影响不显著。7和8月份N添加影响土壤C矿化速率，而其它月份影响不显著。低氮处理（N5）有利于增加土壤微生物量碳含量，而高氮处理（N15）在一定程度上降低土壤微生物量碳含量。 （5）凋落物输入变化（凋落物添加和凋落物移出）在一定程度上改变了35年生沙地樟子松人工林生态系统C、N循环过程。凋落物移出（C0）增加了林下植被C含量，降低了树木叶片N含量。凋落物移出抑制了凋落物分解和P元素的释放，而增加了C元素的早期释放速率，对N元素释放过程影响不显著。凋落物输入变化对不同月份土壤无机N含量和土壤N矿化过程影响均不显著。仅在6月份凋落物移出显著抑制了土壤C矿化速率，其它月份差异均不显著。凋落物管理对土壤微生物量碳含量影响不显著。 以上研究结果表明，土地利用变化、N沉降和凋落物输入改变等能够影响半干旱地区沙地生态系统C、N储量和循环过程。尤其是土地利用变化强烈改变沙地生态系统C、N储量、分配格局和循环过程，并且受到多因子的影响。科尔沁沙地樟子松人工林生态系统C、N元素生物地球化学循环存在密切的耦合关系。今后有必要进一步结合3S技术、同位素技术、模型模拟以及分子生物学技术等，从微观-宏观不同尺度上，研究半干旱地区沙地生态系统C、N循环过程对全球变化的响应及其反馈机制。

降雨量变化对科尔沁沙地东南部樟子松人工林主要生态过程的影响

水分条件是影响植物生长最主要的限制因子，降雨量变化作为全球变化的一个重要组成部分，其对干旱半干旱区陆地生态系统的影响甚至超过CO2浓度和温度的升高以及它们的共同作用对生态系统的影响。樟子松人工林是科尔沁沙地东南部主要的防风固沙林类型，研究未来降雨量变化对会对樟子松人工林产生怎样的影响，对樟子松人工林的可持续经营和科学管理有重要意义。本研究以樟子松人工林为研究对象，通过搭建遮雨棚，铺设灌溉设施，野外原状样地模拟三个降雨量梯度：降雨量减少30%、天然降雨量和降雨量增加30%，从樟子松人工林下土壤生态系统、樟子松针叶生理特性、樟子松的生长和林下植被结构与生产力三个角度研究降雨量变化对樟子松人工林主要生态过程的影响，主要结论如下： （1）以土壤矿质N含量为土壤N有效性的指标，2007年的数据表明降雨量减少时土壤N有效性显著升高，降雨量增加时土壤N有效性显著降低，出现了“水、N有效性的不同时性”，即土壤水分有效性高时N有效性低，而N有效性高时水分有效性低，这可能是该地区植物生长的主要限制因子，而不是简单的水分限制或者N素限制。 （2）降雨量降低时，樟子松针叶的丙二醛（MDA）含量显著升高，针叶N含量降低，樟子松光合速率下降，同时，樟子松针叶的叶绿素含量大部分月份不受降雨量减少的影响，而且针叶脯氨酸和可溶性蛋白含量升高，超氧化物歧化酶（SOD）活性的升高，表明了樟子松对水分胁迫的生理生态适应机制。 （3）降雨量减少时樟子松林下植被总盖度显著降低，优势种由黄蒿和狗尾草演变为绿珠藜和黄蒿；降雨量增加时樟子松林下植被总盖度显著升高，优势种演变为艾蒿。降雨量减少和增加时物种多样性都显著降低，导致了生物多样性丧失。 （4）降雨量减少时樟子松和其林下植被的生长由于水分胁迫都受到了抑制，樟子松的高生长和粗生长速率减缓，林下植被的ANPP和地下部分生物量降低，进而导致樟子松人工林的地上部分C储量降低；樟子松的成长速率减缓和林下植被地上地下生物量的降低意味着生态系统凋落物量和死亡根系的减少，这直接导致了土壤有机碳含量的降低，即土壤有机碳储量的降低；综合降雨量减少导致的樟子松人工林的地上部分C储量降低和土壤有机碳储量的降低，我们的结果表明降雨量减少导致樟子松人工林C储量降低，同样的道理，降雨量增加导致樟子松人工林C储量升高。 （5）降雨量减少时，保护凋落物可以增加地表覆被，抑制地面水分蒸发，地表凋落物还能起到蓄水保水的作用，提高土壤水分有效性；降雨量增加时保护凋落物可以增加土壤养分（尤其是N）的输入，提高土壤养分的有效性。

封育措施对科尔沁沙地植被恢复的影响

过度放牧是科尔沁地区土地沙化的主要原因之一。围栏封育可以有效的抑制牲畜对植被的破坏，促进沙地植被恢复，从而改善区域的生态环境。本文以科尔沁沙地主要固沙植被——小叶锦鸡儿群落为研究对象，采用空间序列代替时间序列的方法，对比分析了不同封育年限和自然放牧条件下小叶锦鸡儿群落的土壤种子库特征、植被群落结构及空间异质性、土壤理化性质和土壤水分动态，较系统地探讨了封育措施对沙地植被恢复的影响。 研究结果表明：(1) 封育措施促使固沙植被区土壤种子库密度显著增加，自然放牧的小叶锦鸡儿群落封育2年、6年和12年后土壤种子库密度分别提高了15.7%、482.5%和728.1%；土壤种子库的物种多样性和均匀度随着封育时间的增加而降低；封育和放牧条件下小叶锦鸡儿群落土壤种子库均为聚集分布，封育措施降低了土壤种子库的空间异质性。(2) 封育措施对沙地植被恢复具有显著的促进作用，封育6年和12年后总植株密度分别提高了108.0%和239.3%，草本植物盖度分别提高了261.6%和271.6%；封育2年后群落的物种多样性增加，封育6年后群落的物种多样性和均匀度随着封育时间的增加而降低；放牧条件下小叶锦鸡儿群落植株密度具有强烈的空间自相关性，封育后空间自相关性降低。(3) 封育措施显著改善了土壤的养分状况，放牧地封育后土壤表层(0~10cm)的有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷和速效钾含量均有不同程度的增加；封育区土壤含水量在0~10cm及40~60cm深度高于放牧区，在10~40cm及60~120cm深度低于放牧区；土壤含水量随着封育时间的增加而逐渐减少，但封育措施对土壤含水量的影响并不显著。

科尔沁沙地丘间低地植物种间关联研究

丘间低地植物种间关联研究有助于阐述丘间低地植物种间替代的机制。丘间低地面积对植物种间关联关系的影响、沙丘固定对丘间低地植物种间关联关系的影响研究对沙区植被恢复和植物多样性保护具有重要意义。但是，目前还未发现相关研究报道。 作者以科尔沁沙地为研究对象，选择流动沙丘区和固定沙丘区丘间低地面积系列，通过将植物划分为沙生植物、沼泽-草甸植物和草原植物三种生态组群，运用χ2检验和AC关联系数对植物的种间关联关系进行了分析。在流动沙丘区，随丘间低地面积的增大，沙生植物之间的关联性从正关联转变为负关联。当丘间低地面积小于0.5ha时，所有沙生植物之间都呈正关联；当丘间低地面积大于2ha时，所有沙生植物都呈负关联。大部分沙生植物与沼泽-草甸植物之间呈强烈的负关联。在固定沙丘区，随丘间低地面积的增大，草原植物之间种间关联表现为关联性从正关联转变为负关联；或始终呈正关联，但关联强度逐渐减小。大部分草原植物与沼泽-草甸植物之间呈强烈的负关联。不管在流动沙丘区还是在固定沙丘区，随丘间低地面积的增大，|AC| ≤ 0.3的种对数占所有种对数的百分比增大，|AC| ≥ 0.7的种对数占所有种对数的百分比减小。当丘间低地面积相同时，固定沙丘区丘间低地中|AC| ≤ 0.3的种对数占所有种对数的百分比小于流动沙丘区，|AC|≥ 0.7的种对数占所有总对数的百分比大于流动沙丘区。 本研究表明：1）丘间低地面积增大导致种间关系松散；2）沙丘固定导致丘间低地植物种间关系更加紧密。

章古台沙地人工林树木养分再吸收与利用效率

以科尔沁沙地章古台地区人工林树种樟子松（Pinus svlvestris var．mongolica）、油松（Ptabulaeformis）、赤松（Pdensora）和彰武小钻杨（Populusxiaozhuanica）以及11、20、29、45四个年龄樟子松树木为材料，从植物N、P、K、Ca、Mg养分方面探讨了树木对贫痔生境的适应能力。结果表明：针叶树樟子松、赤松、油松叶片N、P、K含量的季节特征相似。叶片N含量各季节变化较小，而叶片P、K含量在2003年总体表现出逐渐增加的趋势。四个年龄樟子松叶片的养分含量季节特征相似。樟子松叶片的平均N和P含量显著（P＜0.05）高于赤松，油松最低，而三者N：P比和K含量无显著差别。彰武小钻杨叶片的N、P、K含量显著高于针叶树。樟子松叶片N、P、K的再吸收效率与能力及利用效率均低于油松和赤松，而Mg的再吸收效率与能力及利用效率均高于两种树种。反映了樟子松对N、P、K养分的保存·利用和减少损失量的能力均低于油松和赤松，而对Mg的保存和利用能力则强于两种树种。结合叶片凋落造成的年养分损失量大小差异，对N、P、K供应不足生境的适应能力大小为：油松＞赤松＞樟子松。针叶树N、P、K、ca、Mg的再吸收能力和利用效率都显著高于落叶树彰武小钻杨，反映出针叶树更能适应贫瘠环境的特点。随着樟子松年龄的增加，叶片的N、P、K、Mg再吸收效率和能力都表现出了下降的趋势，反映了樟子松对贫瘩生境的适应能力随着年龄的增加而下降。同时，随着年龄的增加樟子松叶片单位N、P、K、Mg养分的生产力水平下降，表现了在养分利用上的衰退特征。对树木叶片N:P比、养分再吸收效率与能力及利用效率进行分析和比较，表明研究区最限制树木生长的养分可能为N，P的限制作用还不突出。人为干扰造成大量N、P、K养分从森林生态系统中损失。树木叶片N的年再吸收量与总的N年损失量相当，反映了在剧烈人为干扰条件下，养分再吸收对于树木的生长和生存具有更加重要的作用。

科尔沁沙地西部草甸植物繁殖对策

本文以科尔沁沙地西部草甸植物为研究对象，从草甸植物的繁殖体形态学、种子萌发特征、花期和果期、结种量和土壤种子库等方面分析了草甸植物的繁殖对策，探讨了草甸植物的繁殖对策与放牧、割草等干扰的关系。研究结果表明：（1）在科尔沁沙地西部草甸植被中，开花早，结果早的植物能够更好的适应自由放牧和秋季割草；（2）科尔沁沙地西部草甸割草草地极小粒种子的植物密度比大粒种子和小粒种子的植物密度小；在放牧草地小粒种子植物密度远远大于大粒种子和极小粒种子的植物密度；（3）在实验室条件下，64种草甸植物种子萌发能力的差异明显；小粒种子、长形或圆锥形种子、具芒和冠毛的繁殖体一般具有高的萌发能力；放牧草地一般由高萌发能力的一年生植物和低萌发能力的多年生植物组成；割草草地一般由低萌发能力的一年生植物和高萌发能力的多年生植物组成；（4）自由放牧草地土壤种子库密度小于秋季割草地，放牧草地种子库密度与地上植物出现频率和多度相关不显著，而割草地种子库物种与地上植物多度具有显著的相关性（r＝0.76，P＜0.01）；〔5）在科尔沁沙地西部草甸植被中，20种草甸植物具有持久种子库，其中豆科植物和一年生植物占据较大的比例。

沙地樟子松人工林稳定性研究

本文分析了生态系统稳定性的含义、影响稳定性的时间空间尺度和干扰因子；对人工林稳定性的内涵作了解释，提出了人工林稳定性的评价标准；以此作为稳定性研究的理论依据。首先分析了影响沙地樟子松人工林稳定性的各种干扰因子，通过对沙地樟子松人工林造林成活、生长情况、对不良外界环境的抗御能力、对环境影响作用的大小、林分生产力和林分结构的评价分析。最后提出维持沙地人工林稳定的对策。

FLOW-PIPE-SEEPAGE COUPLING ANALYSIS OF SPANNING INITIATION OF A PARTIALLY-EMBEDDED PIPELINE

The initiation of pipeline spanning involves the coupling between the flow over the pipeline and the seepage-flow in the soil underneath the pipeline. The pipeline spanning initiation is experimentally observed and discussed in this article. It is qualitatively indicated that the pressure-drop induced soil seepage failure is the predominant cause for pipeline spanning initiation. A flow-pipe-seepage sequential coupling Finite Element Method (FEM) model is proposed to simulate the coupling between the water flow-field and the soil seepage-field. A critical hydraulic gradient is obtained for oblique seepage failure of the sand in the direction tangent to the pipe. Parametric study is performed to investigate the effects of inflow velocity, pipe embedment on the pressure-drop, and the effects of soil internal friction angle and pipe embedment-to-diameter ratio on the critical flow velocity for pipeline spanning initiation. It is indicated that the dimensionless critical flow velocity changes approximately linearly with the soil internal friction angle for the submarine pipeline partially-embedded in a sandy seabed.

盘式吸渗仪吸渗率计算方法比较

选用盘径为5 cm和15 cm的盘式吸渗仪,对杨凌土(粘土)和神木砂黄土(砂壤土)两种质地的土壤在0、-3、-6、-9-、12 cm水头5种负压下进行了室内吸渗实验,分析了不同盘径和负压对累积吸渗量的影响;并选用4种吸渗率公式对这两种质地土壤吸渗率进行了计算,以Vandervaere法为参考方法对该4种方法的适用性进行了分析。结果表明,在相同的时间内,两种土壤5 cm盘径下的累积吸渗量均大于15 cm盘径下的累积吸渗量,砂黄土累积吸渗量大于相同负压下土累积吸渗量;在4种吸渗率计算方法中,无论土还是砂黄土,Haverkamp公式所得吸渗率值与参考方法最接近。

黄土高原坡地苹果园土壤肥力及矿质氮累积分析

采用田间取样与室内分析相结合的方法,研究了黄土高原坡地苹果园肥力状况与矿质氮累积。结果表明,坡地苹果园土壤肥力低,氮、磷严重缺乏,钾相对丰富,土壤属于砂壤土,通气性强,保肥、保水性差。0—60cm土层土壤有机质含量为9.24～28.12g/kg,全氮为0.22～0.60g/kg,速效磷为0.17～16.08mg/kg,速效钾为80.06～168.39mg/kg;黄土高原坡地苹果园中NO3-—N有深层累积分布,累积深度大于2m,在180—200cm层最高累积量达249.61kg/hm2,而NH4+—N无深层累积。不同施肥处理对土壤剖面中的NH4+—N和NO3-—N含量分布影响不同,对NH4+—N含量和分布影响不明显,但不同施肥方式对NO3-—N含量分布影响显著。施加氮肥促进NO3-—N深层累积,施加磷肥有助于降低土层中的NO3-—N含量,缩小富集量的分布范围。

沙地马铃薯不同灌溉方式的经济效益分析

从投资回收期和益本比2个方面,对靖边县沙地马铃薯半固定式喷灌、滴灌、大型喷灌机喷灌3种灌溉方式进行经济效益分析,在经济分析的基础上,采用层次分析法,对3种灌溉方式进行综合效益评价。结果表明,半固定式喷灌、滴灌、大型喷灌机喷灌的投资回收期分别为2.1 a,0.6 a,0.9 a,效益费用比分别为2.6,7.9,7.6,滴灌的经济效益十分明显;3种灌溉方式的优劣排序为:滴灌最好,半固定式喷灌次之,大型喷灌机喷灌较差。

侵蚀细沟水力学特性及细沟侵蚀与形态特征的试验研究

本文进行了一系列水槽试验 ,研究不同长度的侵蚀细沟在坡度及入流量影响下的浅水水流水力学特性、侵蚀量及细沟的形态特征 .所采用的土壤材料为砂壤土 ,试验使用四种入流流量 ,四种坡度 ,四种细沟长度 .记录水流速度、沟宽及径流中的泥沙含量 ,并用多元回归方法分析了它们与坡度、入流量或它们的交互项之间的关系 .提出了一种数学模型来描述试验中沟宽的周期性形态变化 .提出了通过试验得出的不同细沟长度的产沙量来确定水流输沙能力的方法 ,并得出出测定输沙能力的采样长度为 2～ 4m ,通过对细沟形态变化分析进一步说明了所确定的水流输沙能力采样长度的正确性

TDR研制与应用方面的若干进展

通过分析近年来国内外关于TDR的文献,总结了TDR研制与应用方面的若干新进展,概括了在使用TDR时应注意的几个问题。结果表明,线圈型TDR探针可很好地解决TDR探针在物理长度上的限制;多功能TDR探针可用来同时测定含水量与基质势、含水量与土壤热学性质、含水量与盐度和温度。当温度在5～45℃之间变化时随着温度的升高,TDR在沙壤土中测定的土壤含水量降低,而在粘壤土和有机质含量高的土壤测定的土壤含水量值升高。TDR探针应以合适的角度插入土壤,同时尽量避免摇摆、两探针不平行插入等误操作。