模拟降雨下初始含水量对砂黄土硝态氮迁移特征的影响

利用室内人工模拟降雨,研究了不同初始含水量砂黄土在降雨条件下入渗-径流、土壤侵蚀,以及NO3--N随径流流失和土壤深层淋溶特征。结果表明,初始含水量对产流时刻的影响在相对含水量为49.4%和76.9%之间存在一个转折点,高初始含水量较低含水量产流提前大约15 min;土壤侵蚀量随着土壤初始含水量的增加而增加,相对含水量为97.1%时,侵蚀泥沙量分别是相对含水量22.9%时的2.8倍,49.4%时的2.3倍,76.9%时的1.5倍。初始含水量高的处理径流初始NO3--N浓度高,随后各处理均衰减很快,10 min左右NO3--N含量趋于雨水本底值;土壤初始含水量越低,NO3--N被淋洗的程度越严重,土壤剖面中NO3--N的浓度峰越深。对于黄土高原坡地砂黄土NO3--N迁移特征来看,按照NO3--N迁移数量,随径流和泥沙流失量比向土壤深层迁移的数量小。说明在降雨条件下,NO3--N主要通过土壤深层淋溶损失,且土壤初始含水量越低其损失越严重。针对黄土高原降水量小、分布集中的特点,采取措施增加入渗,蓄积水分,在一定含水量下施肥,以提高氮肥利用率,降低NO3--N的淋溶。

黄土丘陵区沟谷地植被恢复群落特征研究

对黄土丘陵区2个不同沟向沟谷地植被群落特征进行样方调查,统计分析沟谷地植物物种频度和植物种群相似系数。调查共记录植物81种,隶属31个科,菊科、禾本科和豆科物种分别占物种总数的19.75%、16.05%和14.81%;封禁20年左右的沟谷地植被演替表现出良性演替的趋势;目前该沟谷地植物群落生活型中草本植物仍占主导地位,尤其是多年生草本,而灌乔生活型植物也已占有重要地位。灌乔木树种对植物群落多样性和结构等方面具有重要影响,沟谷地植被分布的斑块格局较为突出,不同沟向沟谷地的灌乔植物种的重要值构成格局存在一定差异,南北沟向较西东沟向分配均匀;沟向不同,沟谷地所形成的植被种群相似性具有一定差异,主要是由于受到一些伴生种和罕见种的影响。此研究对掌握该地形植被演替方向,明确植被恢复任务和目标具有一定意义。

陕北风沙滩地区紫花苜蓿地下滴灌带埋设深度初步研究

研究了半干旱沙区不同滴灌带埋设深度下紫花苜蓿的生长特性。通过试验研究分析了滴灌带埋设深度对紫花苜蓿植株高度、茎粗、分枝数、根系生长、根系密度和产量等生长特性的影响。采用主成分分析法对不同滴灌带埋设深度的紫花苜蓿等生长特性进行了综合评价。结果表明,滴灌带不同埋设深度对苜蓿各个生育期生长特性指标影响不同。在苗期,埋设深度为10 cm的处理,有利于苜蓿生长。从分枝期起,埋设深度为30 cm的处理优于其它处理;在整个生育期内,不同埋设深度对苜蓿生长特性影响的综合评判结果为:埋深30 cm>埋深20 cm>埋深10 cm>埋深40 cm。

云南大山包黑颈鹤(Grus nigricollis)越冬行为和保护研究

从2006 年10 月24 日至2007 年4 月9 日，采用固定样线法和瞬时扫描法， 对在大山包国家级自然保护区（N27°18′38″～27°29′15″，E103°14′55″～103°23′49″） 内越冬的黑颈鹤种群进行了越冬行为、日间活动节律和越冬栖息地利用的详细调 查，同时对黑颈鹤的春季迁徙行为和冬季黑颈鹤的死亡现象进行了观察和分析。 这些研究有助于我们了解黑颈鹤是采取何种行为模式和栖息地利用模式来适应高 海拔、低温度的环境，同时对如何有效地保护越冬黑颈鹤和合理规划保护区功能 区域有重要的指导作用。 将黑颈鹤的越冬行为分为：取食（Feeding）、搜寻（Searching）、警戒（Vigilance）、 争斗（Fight）、行走（Walk）、飞行（Flight）、休整（Maintenance）和其它（Others） 八种，越冬期间最主要的行为是取食（53.05±4.93）％，其它行为依次为：搜寻 （10.38±1.34）％、警戒（18.75±2.65）%、休整（10.32±4.93）％、行走（4.90±1.59） ％、飞行（1.70±0.38）％、争斗（0.36±0.25）％、其它（0.55±0.41）％。单因素 方差分析（One-Way ANOVA）分析表明越冬期间黑颈鹤日间各时间段（1h）和各 月份间行为差异极显著（P<0.05），并呈现出规律的变化。黑颈鹤的取食、警戒、 搜寻行为具明显的早（10:00-11:00）、晚（17:00-18:00）两个活动高峰，中午 13:00~14:00 最低；而休整行为正好相反，呈现出中午高峰、上午和下午低谷的趋 势；另外几种行为节律性表现不明显。黑颈鹤越冬期主要行为的节律变化是受环 境温度变化影响的，温度高时黑颈鹤增加了修整时间减少了取食时间，而温度低 时则减少了修整时间增加了取食时间以维持能量需求，湿度是通过温度对黑颈鹤 产生影响的。每天黑颈鹤都随着太阳的升起开始觉醒，于07:18±0:15 飞离夜栖地， 大雾的天气影响了黑颈鹤的外出觅食，与之相适应的是黑颈鹤相应的推迟了出飞 时间。黑颈鹤所采取的所有行为都表现出了对大山包特殊环境的适应。 在大山包黑颈鹤所利用的栖息共有耕地（farmland）、草地（grassland）、沼泽 （marsh）和浅水水域（water area）四类。选择指数分析表明黑颈鹤对水域有极大 的偏好，其次为沼泽湿地，再次为耕地，而对草地表现为负选择，并且在越冬期 间的各月份之间，对不同栖息利用比率保持一致。这提示我们在进行保护区规划 的时候应该适当增加前三种栖息地的面积以满足黑颈鹤的越冬需求。主成份因子 分析表明黑颈鹤倾向于选择距夜栖地和水源较近、人流较少、干扰较小、无坡或缓坡的低海拔栖息地。处于不同越冬地的越冬黑颈鹤根据当地的实际情况采取不 同的栖息地利用，说明黑颈鹤具有较强的环境适应能力。 调查期间记录到了三只带有彩环的黑颈鹤个体，其中有两只佩戴有卫星发射 器，发射器编号分别为64309 和64311。大山包黑颈鹤种群数量变动的春季和秋季 高峰是由于处于不同越冬地的黑颈鹤迁徙造成的，同时也说明了大山包是在滇东 北和黔西北越冬的黑颈鹤的集散地。黑颈鹤的春季迁徙一般集中在3 月下旬至4 月上旬，在晴朗、微风的上午10:00-11:00 迁徙的黑颈鹤数量最多，说明了天气条 件对黑颈鹤迁徙的重要性。 大山包保护区内的高压输电电线和通信电缆对越冬黑颈鹤构成了极大的威 胁。观察期间共有7 只黑颈鹤因撞上输电电线而死亡，除去一只没有外伤的成体 之外，成幼比例为1:1，大都发生在天气较为恶劣的12 月-2 月之间。发生撞死黑 颈鹤的时候保护区内都有不同程度的大雾笼罩，由于大雾的影响造成可视条件下 降，加之黑颈鹤飞行的机动性差（翼载量大、展弦比不大），造成了黑颈鹤的伤亡.

辽西北沙地土壤水分动态及预测

水分是沙漠化地区植被恢复和沙地治理的主要制约因素，也是沙漠化地区生态环境的重要影响因子，深入研究辽西北沙地土壤水分动态变化规律，掌握沙地水分动态变化趋势，建立适宜的土壤水分预测模型，对沙地有限水资源的合理调控和高效利用以及沙地生态系统的恢复与重建具有重要意义。 本文以辽西北沙地流动沙丘、固定沙丘和丘间洼地为对象，研究了不同沙地类型的土壤水分的时空动态变化，提出了不同沙地类型的主要治理与利用措施，分析了沙地水分的主要影响因素，建立了辽西北沙地流动沙丘0-60cm的土壤水分BP神经网络预测模型，针对BP网络模型实际应用中存在收敛速度慢、易陷入局部极小值等不足，将遗传算法优化BP网络引进土壤水分预测领域，提高了预测精度。研究结果表明，辽西北沙地土壤水分的年内分布与降雨分布同型，可分为春季失水阶段、夏季补给阶段和秋季弱失水阶段；在深度上，可分为干沙层（一般为0~20cm）、水分变化活跃层（20~60cm）和水分稳定层（60cm以下）。分析结果表明，流动沙丘的含水量高于固定沙丘和丘间洼地，表明随着固沙植被的建立和演变，沙地土壤水分呈现下降趋势，土壤水分不足成了植被生长的主要阻碍。因此，要通过采取配置耗水性弱、耐旱性强的植物群落等治理措施，努力维持沙地生态系统的水分平衡。同时，在分析流动沙丘土壤水分动态变化特征及主要影响因素的基础上，建立了流动沙丘0-60cm土壤水分预测BP模型和遗传BP模型，其绝对误差分别为0.35和0.18，相对误差分别为11.53%和5.65%，两模型用于土壤水分预测是可行的，而且遗传BP模型精度明显高于BP模型。

沙地樟子松水分生理生态特征及其适应性——以科尔沁沙地东南缘为例

沙地樟子松天然分布于大兴安岭以西的呼伦贝尔草原红花尔基一带，分布范围虽然相对狭窄，但其具有重要的防风、固沙等生态功能，而且，该区沙地樟子松林的分布范围正呈现不断扩大的趋势。然而，在引种区（科尔沁沙地东南缘），20世纪70~80年代曾经引起国际关注的沙地樟子松人工林，自从90年代初以来，逐渐出现了以枯梢、生长下降，甚至死亡等为特征的衰退现象。与此同时，沙地樟子松人工造林仍在北方干旱、半干旱沙区大面积推广。面对如此具有重要防风固沙作用并在大范围推广的沙地樟子松人工林，解释其为何衰退，其机理如何，回答现存沙地樟子松人工林发展方向及培育等理论和实践问题，成为目前面临的巨大挑战。 本论文在对沙地樟子松天然分布区与引种区野外调查、气候差异性对比分析的基础上，结合对引种区沙地樟子松幼苗、幼树及中龄林的水分生理生态过程实验，研究了沙地樟子松在引种区自然条件和干旱胁迫下的光合生理和水分生理生态特征；重点分析了水势、气孔导度等生理因素和土壤含水量、光合有效辐射、气温、空气相对湿度等生态因素对净光合速率、蒸腾速率的影响。结果表明： 1）较低、较长的低温和降雪覆盖有利于沙地樟子松更好的生长；运用De Martonne干燥度指数对气候类型进行划分，沙地樟子松引种区（科尔沁沙地东南缘）生态系统应为草地或疏林草地生态系统。 2）引种区近50 a来年平均温度存在着明显的线性上升，平均每10 a增温0.185 ℃；该区年平均降水量没有显著的变化趋势，但是，在过去的50 a里，该区平均每15 a 左右出现1次大旱。 3）在引种区多年年平均降水量条件下，沙地樟子松幼苗80%以上的时间处于受胁迫的状态，17%的时间处于不受水分胁迫的状态，而仅有1%左右的时间处于不能利用土壤水分的状态；在不同密度、不同年龄的沙地樟子松人工林中，土壤可溶性盐总量都很低，对沙地樟子松林木生长不会造成盐分胁迫；由于地下水位的急速下降，目前，引种区大部分地方地下水不能被沙地樟子松所利用。 4）随着模拟年降水量的减少，沙地樟子松幼苗的生长明显受到抑制，针叶水势、蒸腾速率、光合速率均有下降，各部分生物量积累明显降低；当模拟年降水量低于350 mm时就已经对沙地樟子松的生长产生了较大的限制。 5）在科尔沁沙地东南缘，影响沙地樟子松生理生态特征的主要因素为水分条件，特别是在树高生长旺季以及生长末期，而在生长中期，主要是光照和水分共同影响沙地樟子松的生长；在沙地樟子松天然分布区（红花尔基），影响沙地樟子松生长季节中期生理生态特征的主要因素也是水分和光照条件，这与在科尔沁沙地东南缘樟子松生长中期观测到的结论一致。然而，与天然沙地樟子松相比，引种区沙地樟子松每天干物质的积累增加为天然分布区的3~13倍，每天蒸腾耗水量为天然分布区的7~19倍。 综合以上对引种区的生态气候、水分条件以及沙地樟子松本身生理生态特征的分析结果得出，引种区与天然分布区水、热差异导致引种区沙地樟子松在年内的生长期延长（与天然沙地樟子松相比），以及在生长季节每天蒸腾耗水量的剧增及耗水时间的延长；同时，在引种区由于年内降水分布极不均衡，冬季降雪覆盖少，导致4、5、9三个月份的水分极度亏缺，该季节引种区水分亏缺严重限制了沙地樟子松的生长。大面积营造纯林、地下水位急剧下降（目前，引种区大部分林地的沙地樟子松已不能利用地下水）以及引种区每15 a左右一次的特殊干旱是导致沙地樟子松死亡的最直接原因。从个体水平上来说，近50 a的引种驯化，沙地樟子松并没有完全表现出适应引种区生长环境的迹象。最后，基于以上对沙地樟子松人工林衰退分析的基础上，提出了对现存沙地樟子松人工林总体经营的方向及具体经营对策。

科尔沁沙地东南部固沙林土壤磷素研究

土壤养分的持续供应是生态系统可持续性发展的基础，尤其在土壤贫瘠地区。土壤磷素被认为是干旱区生态系统的潜在限制性养分因子，但目前半干旱区土壤磷素的深入研究很少。针对半干旱区生态系统恢复方式、人工防护林可持续性经营等关键问题，本论文旨在弄清处于半干旱区的科尔沁沙地东南部沙地人工林土壤磷素转化的主导过程及影响因素，并从土壤磷素可持续供应的角度来评价研究区生态系统的可持续发展。 以处于无人为干扰下、立地条件基本一致的科尔沁沙地东南部的有代表性的生态系统为研究对象，包括原生植被榆树（Ulmus macrocarpa）疏林草地，退化草地，油松（Pinus tubulaeformis Carr.）人工林、樟子松（Pinus svlvestris var. mongolica）人工林和小叶杨（Populus simonii）人工林。系统全面的研究了土壤磷素状况及其季节变化，并深入探讨了樟子松人工林土壤磷素转化及其影响因素（林龄、密度、土壤冻融）。主要结论如下： （1）研究区风沙土表层0~20 cm全磷（<0.2 g kg-1）和活性无机磷含量（<3 mg kg-1）都极低，有机磷占全磷的50%以上，是土壤磷的主要组分。凋落物分解、有机磷矿化和微生物周转是有效磷的主要来源，与这些过程有关的土壤的生物过程控制着土壤磷素转化。Ca-P（钙结合的磷酸盐）的溶解也是速效磷的次要来源，而Al-P（铝结合的磷酸盐）和Fe-P（铁结合的磷酸盐）是活性无机磷库。凋落物分解对有效磷供应起首要作用（尤其在人工林中），凋落物分解的年磷归还量是10 cm层矿质土壤有效磷供应量的1.7~3.4倍。 （2）土壤含水量是影响土壤磷素供应的关键环境因子，而冻融作用对土壤微生物磷和活性无机磷含量无显著影响。 （3）与各人工林相比，榆树疏林草地具有高效的养分循环和较强的土壤磷素保持能力，其退化大幅度降低了土壤持水能力和肥力。而在退化草地上营造以针叶树种为主的人工纯林及针阔混交林进一步降低了土壤全磷含量。从土壤磷素可持续供应的角度来看，在干旱贫瘠地区不宜营造高密度的人工林。研究区的植被恢复，应该选取磷素利用效率高，而养分周转较快的植被类型。这样，不需要集中的人为管理，就能使生态系统达到一种自我维持的良性循环状态。 （4）樟子松的生长受到土壤磷素供应的限制，当年生叶片无机磷浓度比全磷浓度能更准确、直接地反映土壤供磷水平的变化。为满足林分的需求，樟子松的根系活动能够增强根际微生物和磷酸酶活性以促进有机磷的矿化，同时能降低根际土壤pH值以促进Ca-P的溶解。随着林分的发展，活性无机磷含量无显著变化，但土壤磷库（主要是总有机磷）逐渐耗竭，有机磷的矿化潜力也逐渐降低。这表明，随着林分发展，磷素对樟子松人工林的限制性逐渐增强。 （5）为保证已有人工林的可持续发展，必须通过间伐、保护地被物、施肥来调节养分需求与归还之间的平衡，维持地力，保证土壤养分的持续供应。其中保护林下凋落物尤为重要。为防止地力衰退，该地区樟子松林的最大密度（以每公顷胸高断面积为密度指标）应保持在24.1~26.6 m2 ha-1。

科尔沁沙地小叶锦鸡儿群落固沙作用的研究

建立人工植被是科尔沁沙地退化生态系统恢复与重建的基础，也是土地沙漠化防治的有效措施。本文以科尔沁沙地典型固沙灌木植物种——小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)为研究对象，采用空间序列代替时间序列的方法，比较系统地研究了小叶锦鸡儿生长发育特征、更新途径，以及小叶锦鸡儿群落的固沙作用，并从水量平衡角度探讨了小叶锦鸡儿固沙植被的土壤水分状况和蒸散量变化。 研究结果表明：(1) 在生长季，小叶锦鸡儿的生物量在7月份达到最大值，且其生长发育速度与降水量相关；人工平茬和自然萌孽是小叶锦鸡儿主要且有效的更新途径。(2) 小叶锦鸡儿群落对近地表风速具有显著的阻滞作用，群落内总输沙量及各层输沙量均明显低于流动沙丘，小气候得到明显改善。(3) 6年生、11年生和22年生小叶锦鸡儿群落对土壤理化性质均有明显的改善作用。土壤中微沙(0.05～0.1 mm)和粘粒(<0.05 mm)含量增加，表层(0～10 cm)土壤容重减小，孔隙度和饱和含水率增大，土壤持水能力提高；土壤有机碳、全氮、碱解氮、全磷、有效磷和有效钾含量均有不同程度增加，尤以表层增加幅度最大，并且灌丛对养分有明显的富集效应。(4) 与天然小叶锦鸡儿群落的土壤含水量相比，人工小叶锦鸡儿群落内土壤含水量较低，且呈现出随植被生长发育年限增加而不断减少的趋势；在生长季，人工植被区绝大部分的降雨量都通过蒸散作用丧失，各试验样地蒸散量呈现单峰型曲线模式。

科尔沁沙地东南部地区主要植物叶片性状研究

以科尔沁沙地44种主要植物为研究对象，分别测定了叶片厚度、面积、体积、比叶面积、叶干物质含量、叶氮含量（单位重量的和单位面积的）、叶磷含量（单位重量的和单位面积的）、叶钾含量（单位重量的和单位面积的）、单位重量叶氮再吸收效率、单位重量叶磷再吸收效率和单位重量叶钾在吸收效率16种叶性因子，分别从叶片光合作用，水分生理及养分再吸收方面探讨不同植物对生境的适应能力，为当地生态环境恢复中植物选择与配置提供理论依据。结果表明： 不同生长型植物在叶片形态性状和叶片养分再吸收效率上没有显著差异，这说明不同生长型植物在光合作用、养分保存能力上对环境的适应机制存在较大重叠。不同生长型植物在叶片功能性状上差异显著，乔木主要是通过减弱光合作用，减缓生长速度，延长养分从衰老叶片的转移时间来适应贫瘠生境；草本植物主要是通过增强光合作用，加速叶片养分和干物质周转，提高对衰老叶片养分的再吸收速度来适应生境；灌木的生存策略介于乔木和草本之间。 豆科植物对土壤氮贫瘠的适应能力和对水分的利用效率显著高于非豆科植物；而非豆科植物对氮的保持能力和对干旱胁迫的适应能力显著强于豆科植物；禾本科草本植物的叶氮含量显著高于非禾本科草本植物；非禾本科草本植物对钾再吸收效率显著大于禾本科草本植物，说明非禾本科草本植物表现出对钾营养高度的保存能力，对钾胁迫的适应力强于禾本科草本植物。以上结果表明不同功能型植物具有不同的适应对策。 对4种典型生境中主要植物的叶片性状比较发现，除农田外，其它3种生境中植物叶片性状均未出现显著的差异。而农田植物仅在叶片形态性状上显著高于其它生境，造成这种现象的原因：一方面可能是相对其它叶片性状来说，植物叶片形态易受生境要素的影响，另一方面可能是由于该生境中物种种类较少。但从整体来看，土壤特征以及植被差异对叶片性状的影响不大。 植物对叶氮、磷和钾的再吸收效率之间呈显著的正相关，这与某些学者的研究结论是相矛盾的，以后可在更广泛的范围内进行验证。另外，植物对氮和磷的再吸收效率显著大于对钾的再吸收效率。这一方面说明了植物对氮、磷和钾的再吸收效率机制不同，另一方面可能是由于研究区土壤氮和磷营养缺乏，植物为了满足自身养分需求而采取的一种生存对策。根据植物对氮、磷和钾再吸收效率平均值大小顺序，可推测3种养分对植物生长的限制作用顺序是氮＞磷＞钾，氮可能是影响科尔沁沙地植物生长最强的营养元素。

科尔沁沙质草地土壤养分空间变异研究

本试验以科尔沁改良和退化草场为对象，以网格20 m × 20 m（140 ×140 m2），深度为0-20 cm，分两次取样，每次采集128个土样，对土壤养分空间变异状况进行系统研究。结果表明：改良草场土壤有机质、全氮、全磷的平均含量均大于退化草场；而碱解氮、速效磷以及交换性钾、钠、钙、镁的平均含量低于退化草场；8月份碱解氮、速效磷、交换性钾、钠、钙、镁的平均含量与4月份相比均有不同程度的降低。各向同性变异函数分析表明，土壤养分存在空间相关性；最佳理论模型为球状模型、指数模型和高斯模型；除全磷和4月份交换性钾外，改良草场土壤各养分指标的变程均大于退化草场。各向异性变异函数分析表明，改良和退化草场土壤各养分指标在不同方向上的空间自相关性主要受结构性因素的影响；不同取样时间对养分各向同性和各向异性最佳理论模型选择的影响比较小，而对变程的影响比较大，改良和退化草场土壤碱解氮、速效磷和交换性钾的变程8月份大于4月份。克里格插值制图直观地反映出改良和退化草场土壤养分的分布格局存在较大差异，退化草场土壤各养分指标的异质性高于改良草场，不同处理土壤碱解氮、速效磷、交换性钾、钠、钙、镁4月份的异质性强于8月份；结合克里格插值图取样可以最大程度地减少由随机取样的盲目性所带来的误差，从而提高了样本的代表性和准确性。

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。

基于MODIS数据的草地生产力估算研究

草地在广大的干旱、半干旱地区是重要的可更新资源，草地生产力是草地质量评价最重要的指标之一，不仅体现草地生态系统的稳定性及生物种群的多样性，而且在畜牧业的发展及生态建设方面都有极其重要的参考价值和指导意义。本文以内蒙古通辽市科尔沁半干旱草地生态系统为研究对象，通过生长季野外生物量调查，结合遥感植被指数建立该区域三类草地系统的经验估产模型；同时利用遥感植被指数建立的植被光合模型（VPM）模拟草甸草地区域总初级生产力（GPP），为区域畜牧业的发展、生态环境评价及生态恢复提供基础数据。主要结论有： （1）对2000—2006年MODIS的8 d合成归一化植被指数（NDVI）资料和逐日气象资料的分析结果显示：季节变化过程中，研究区水汽压与NDVI的相关程度明显大于降水量；积温和累积降水量共同控制着各年草地的返青速度，草地快速生长期（6、7月）的降水量对NDVI年最大值的影响比年总降水量更显著；时滞分析表明，水汽压对之后约12 d的NDVI有持续的显著影响，平均气温的时滞为11~15 d，降水对NDVI影响的累积和时滞双重效应可达36~52 d。 （2）根据野外生物量调查结果和MODIS数据,分别采用归一化植被指数（NDVI）、增强植被指数（EVI）和修正的土壤调节植被指数（MSAVI）对草甸草地、半退化草地以及沙丘草地三种类型的草地分别建立了生物量估算模型，其拟合优度系数分别为：0.704、0.537、0.723，经F检验其相关性均达到显著水平（P<0.01）。 　　（3）由于引入了草地生长阶段光合生理的季节动态，VPM模拟的总初级生产力（GPPVPM）和涡度相关法观测的总初级生产力（GPPobs）结果有很好的一致性，GPPVPM（1506.54C•m-2）略低于GPPobs（1615.38gC•m-2）。表明VPM可用于半干旱草地总初级生产力的模拟，从而实现对通量观测GPP的尺度扩展，为区域或全球生态系统总或净初级生产力的模拟提供高时间、空间分辨率的准确模拟。