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林冠穿透雨空间异质性及其时间稳定性特征的全球量化

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应用生态学报 2024年第6期35卷 1543-1552页

作者：王倩袁川张亚峰胡彦婷王一郭立刘琴蔡忠银浙江农林大学林业与生物技术学院杭州311300 西南大学地理科学学院重庆金佛山喀斯特生态系统国家野外科学观测研究站重庆400715 陕西延安森林生态系统国家定位观测研究站北京100085 中国科学院西北生态环境资源研究院沙坡头沙漠研究试验站兰州730000 中南林业科技大学生命科学与技术学院长沙410004 国际竹藤中心竹藤资源与环境研究所国家林业与草原局/北京市共建竹藤科学与技术重点实验室北京100102 四川大学山区河流保护与治理全国重点实验室成都610065 南京信息工程大学地理科学学院南京210044 云南大学国际河流与生态安全研究院昆明650500

林冠穿透雨空间异质性(即不同冠层位置穿透雨量的非均一性)及其在一定时间段内的持续性(即时间稳定性)关系着土壤水分补给数量和效率,通过影响资源有效性作用于植物个体竞争和群落演替。本研究基于关键词检索并分析整理了Web of Scienc... 详细信息

林冠穿透雨空间异质性(即不同冠层位置穿透雨量的非均一性)及其在一定时间段内的持续性(即时间稳定性)关系着土壤水分补给数量和效率,通过影响资源有效性作用于植物个体竞争和群落演替。本研究基于关键词检索并分析整理了Web of Science和中国知网数据库2000—2022年发表的554篇相关主题论文数据,量化并对比了全球不同气候带和植物功能型的穿透雨数量、空间异质性及其时间稳定性特征。结果表明:全球范围内旱区穿透雨比例(72.0%±13.6%)小于湿润(75.1%±9.3%)和半湿润区(79.9%±10.4%),热带(80.9%±14.6%)高于暖温带(74.2%±7.5%)和冷温带(74.1%±14.6%),灌木(68.9%±14.9%)小于乔木(76.7%±9.1%),但阔叶植物(75.2%±11.1%)和针叶植物(75.1%±9.9%)、常绿植物(76.7%±10.0%)和落叶植物(74.7%±11.9%)的林冠穿透雨比例接近,其空间变异系数在上述不同干湿区、温度带和植物功能型之间差异均不显著。穿透雨空间分布格局易保持相对稳定,冠层结构是影响其时间稳定性的主导因子,但缺乏不同时间尺度上典型地理单元(即地理环境条件基本一致的空间单元)之间的对比。建议未来研究通过向上延展至基于全球的空间尺度规律汇总,向下延展至基于过程的时间尺度机制分析,刻画穿透雨空间分布动态变化,并统一观测规范来增进不同研究之间的可参比性,以高效推进林冠穿透雨研究,为保护自然、管理人工、恢复受损生态系统提供生态水文依据。

关键词：穿透雨空间分布时间稳定性气候带植物功能型

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腾格里沙漠东南缘不同生境白刺(Nitraria)灌丛沙堆的空间分布格局

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环境科学 2008年第7期29卷 2046-2053页

作者：贾晓红李新荣中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙坡头沙漠试验研究国家站兰州730000

运用地统计学和数量生态学方法,从维持天然白刺灌丛稳定性和持久生态效益角度出发,对腾格里沙漠东南缘不同生境白刺灌丛沙堆的空间异质性进行了研究,分析了不同生境白刺固沙生态效益.结果表明,生境地下水埋深和白刺植株发育状况的差异... 详细信息

运用地统计学和数量生态学方法,从维持天然白刺灌丛稳定性和持久生态效益角度出发,对腾格里沙漠东南缘不同生境白刺灌丛沙堆的空间异质性进行了研究,分析了不同生境白刺固沙生态效益.结果表明,生境地下水埋深和白刺植株发育状况的差异直接影响了白刺耐沙埋的能力,间接地影响了白刺沙堆的固沙效应.湖盆低地白刺种群的植株盖度、密度和生物量显著高于山前冲积扇区（p〈0.01）,植株高度则相反,且无显著差异（p〉0.05）.湖盆低地的半固定生境沙堆高度平均为1.20m,单个沙堆积沙体积平均为88.19 m^3,固定生境的山前冲积扇沙堆高度平均为1.14 m,单个沙堆积沙体积平均为33.16 m^3.不同生境条件下,白刺沙堆的斑块大小和分布存在明显差异（p〈0.01）.湖盆低地的白刺灌丛沙堆趋向于大斑块、小密度,空间自相关距离较长,而山前冲积扇区相反.湖盆低地由自相关因素引起的沙堆大小和积沙体积空间异质性占主要部分,分别体现在1.2-84 m和1.2-505 m尺度;而山前冲积扇的随机因素引起的沙堆大小和积沙体积空间异质性占到100%,在100 m以下尺度该区白刺灌丛沙堆大小和积沙体积具有恒定的变异,其空间分布格局在这个尺度无规律体现呈随机分布.

关键词：白刺沙堆空间分布固沙效应

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草原化荒漠带人工固沙植丛区土壤水分动态

水科学进展 2004年第2期15卷 216-222页

作者：王新平康尔泗张景光李新荣中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙坡头沙漠试验研究站甘肃兰州730000

研究土壤水分动态有助于在水文过程与生态格局之间建立定量的联系。以大型自动称重式蒸渗仪为试验设施,对草原化荒漠带固沙植丛区与无植被沙区土壤水分动态及蒸散发进行对比研究。结果表明,观测期内植丛区及无植被沙区土壤水分变化均与... 详细信息

研究土壤水分动态有助于在水文过程与生态格局之间建立定量的联系。以大型自动称重式蒸渗仪为试验设施,对草原化荒漠带固沙植丛区与无植被沙区土壤水分动态及蒸散发进行对比研究。结果表明,观测期内植丛区及无植被沙区土壤水分变化均与降水过程高度相关,油蒿与柠条植丛区总蒸散量大体相当,平均蒸散速率分别为1 31mm/d,1 22mm/d。受固沙植物种生育期差异与降水年内分配变化的综合影响,当经历连续30多天无雨期时,柠条植丛区土壤水分骤降,根系密集区土壤体积含水率降低至0 5%以下,平均蒸散速率由前期的2 2mm/d降至0 6mm/d。油蒿植丛区土壤体积含水率在1%左右变化,平均蒸散速率由1 8mm/d降为0 9mm/d,仍高于柠条植丛区达50%。无植被沙区土壤体积含水率保持在大于2%的水平,平均蒸发速率由1 1mm/d减小至0 4mm/d,平均为0 78mm/d,约为植丛区平均蒸散速率的60%。土壤深层渗漏量达113 4mm,占降水量的40 5%,渗漏速率平均为0 63mm/d。人工固沙植被有效地利用了这部分降水资源,使得植丛区土壤水分无深层渗漏。

关键词：荒漠带人工固沙植丛土壤水分水分平衡蒸散发

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黄土高原西北部集雨水利用的投资与效益分析

水科学进展 2004年第6期15卷 813-818页

作者：张志山魏兴琥李新荣王新平谢忠奎中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙坡头沙漠试验研究站甘肃兰州730000

以黄土高原西北部为研究区,通过中国科学院皋兰生态农业试验站2000-2001年雨水集流试验与春小麦、西瓜、西兰花和黄瓜的补灌试验,对各种集流场的年产流率和集流费用、蓄水窖(池)的贮水费用、作物产量和水分利用效率、以及各作物集雨微... 详细信息

以黄土高原西北部为研究区,通过中国科学院皋兰生态农业试验站2000-2001年雨水集流试验与春小麦、西瓜、西兰花和黄瓜的补灌试验,对各种集流场的年产流率和集流费用、蓄水窖(池)的贮水费用、作物产量和水分利用效率、以及各作物集雨微灌的投资、产值与单方水产值进行了比较分析。结果表明:各集流面平均集流费用和各蓄水窖(池)的平均贮水费用都很高,分别为1 07元/m3和5 08元/m3,且贮水费用显著高于集流费用。净产值和单方水产值的大小顺序依次为日光温室黄瓜、大田西兰花、砂田西瓜和大田小麦。如把人工计算在内,大田小麦不进行补灌,其净产值为负值,进而补灌导致了净产值的大幅度减小。集雨水用于微灌砂田西瓜、西兰花和日光温室黄瓜都能产生很好的经济效益。并提出了日光温室集水贮水高效用水的"一池一窖"模式。

关键词：黄土高原集雨水集流费用贮存费用作物利用产值

干旱半干旱地区人工固沙灌木林生态系统演变特征

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生态学报 2005年第8期25卷 1974-1980页

作者：王新平李新荣肖洪浪张景光张志山中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙坡头沙漠试验研究站兰州730000

应用实验生态学方法分析了沙坡头地区栽植于1956、1964、1981、1987年的无灌溉人工植被固沙群落浅层土壤分形特征、植被盖度、物种特征、生物量、土壤水分、土壤微生物,以及群落土壤物理和土壤养分特征,并与流动沙丘进行比较.结果表明,... 详细信息

应用实验生态学方法分析了沙坡头地区栽植于1956、1964、1981、1987年的无灌溉人工植被固沙群落浅层土壤分形特征、植被盖度、物种特征、生物量、土壤水分、土壤微生物,以及群落土壤物理和土壤养分特征,并与流动沙丘进行比较.结果表明,在干旱半干旱的草原化荒漠地区,首先利用半隐蔽式草方格沙障对流动沙丘进行固定,然后栽植灌木柠条、花棒等和半灌木油蒿,经过40多年的稳定演变,该区域逐渐形成由矮灌木与草本植物覆盖,以及隐花植物与微生物土壤结皮复合的固定沙丘景观.在人工植被固沙防护体系稳定演变过程中,浅表层土壤的细粒化和养分富集化特征,微生物土壤结皮与亚表层土壤厚度,以及浅表层土壤体积含水率均随固沙年限的延长趋于显著增加.而土壤微生物数量、植被盖度、植物种数等生物群落学属性在固沙年限达40a左右时,已趋于最大,尔后呈缓慢下降趋势.随着固沙年限的增加,灌木树种不断衰退减少,当固沙年限逾17a之后,群落生物量增至峰值后略有下降.土壤分形维数与土壤粘粒含量呈显著正相关关系,流动沙丘被人工植被固定年代越久远,浅表层(0～3cm)土壤粘粒含量(4.50%)越高,其分形维数越大(D=2.4083),表明人工植被固沙防护体系浅表层土壤结构变得越紧实,流动沙丘(D=2.0484)在人工植被的固定作用下,发生逆转的趋势越显著,沙丘日趋固定.

关键词：草原化荒漠荒漠植被分形维数土壤性状

沙坡头地区藓类结皮土壤净氮矿化作用的季节动态

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应用生态学报 2015年第4期26卷 1106-1112页

作者：虎瑞王新平潘颜霞张亚峰张浩陈宁中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙坡头沙漠试验研究站兰州730000

以腾格里沙漠东南缘天然植被区藓类结皮和无结皮土壤为对象,采用野外原状土柱封顶埋管法对无机氮库和净氮转化速率的季节动态特征进行研究.结果表明:藓类结皮和无结皮土壤有效氮含量和净氮转化速率存在明显的季节变化特征,不同月份间差... 详细信息

以腾格里沙漠东南缘天然植被区藓类结皮和无结皮土壤为对象,采用野外原状土柱封顶埋管法对无机氮库和净氮转化速率的季节动态特征进行研究.结果表明:藓类结皮和无结皮土壤有效氮含量和净氮转化速率存在明显的季节变化特征,不同月份间差异显著.在非生长季,3和10月土壤有效氮含量和净氮转化速率显著高于其他月,氮矿化过程以固持态为主,两样地间土壤净氮转化速率无显著差异;在生长季,土壤有效氮含量和净氮转化速率显著增加,6—8月时达到峰值,分别为17.18 mg·kg-1和0.11 mg·kg-1·d-1.两样地土壤净硝化速率和净氮矿化速率在各月间差异显著,均表现为藓类结皮土壤>无结皮土壤.土壤铵态氮和硝态氮含量4和5月时表现为藓类结皮土壤(2.66和3.16 mg·kg-1)>无结皮土壤(1.02和2.37mg·kg-1);6—9月则表现为无结皮土壤(7.01和7.40 mg·kg-1)>藓类结皮土壤(6.39和6.36mg·kg-1).藓类结皮的繁衍与拓殖能够调节土壤有效氮含量、促进土壤氮矿化过程,是影响土壤氮素循环的重要生物因素.

关键词：藓类结皮土壤净氮矿化封顶埋管法季节动态

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荒漠地区生物土壤结皮的水文物理特征分析

水科学进展 2006年第5期17卷 592-598页

作者：王新平肖洪浪张景光李新荣康尔泗中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙坡头沙漠研究试验站甘肃兰州730000

通过室内压力陶土板系统测定土壤含水率与基质势的关系与Star-1土壤水分物理特征测定系统确定非饱和土壤水力传导度的方法,结合应用van Genuchten公式模拟,分析了位于腾格里沙漠东南缘包兰铁路沙坡头段人工生态防护体系生物土壤结皮的... 详细信息

通过室内压力陶土板系统测定土壤含水率与基质势的关系与Star-1土壤水分物理特征测定系统确定非饱和土壤水力传导度的方法,结合应用van Genuchten公式模拟,分析了位于腾格里沙漠东南缘包兰铁路沙坡头段人工生态防护体系生物土壤结皮的水文物理特征,确定了其水分特征曲线、非饱和土壤水力传导度、非饱和弥散系数,并与原始沙丘沙进行比较。结果表明,生物土壤结皮的持水能力是沙丘沙的3~9倍。当土壤基质势在-1^-3 000 cm的较高范围变化时,生物土壤结皮平均非饱和水力传导度低于沙丘沙(约为12%);而当土壤基质势在-3 000^-15 000 cm的较低范围变化时,沙丘沙的平均非饱和水力传导度又大大低于生物土壤结皮(约为91.0%)。正是由于生物土壤结皮特殊的质地与结构,使其非饱和水力传导度随着土壤基质势的降低,以及土壤含水量的减少,而趋于增大。与原始沙丘沙比较,生物土壤结皮独特的水文物理特点决定了它对荒漠地区土壤微生境的改善与促进作用,特别是通常情况下的高持水能力与低土壤基质势条件下的较高非饱和水力传导度,能够提高浅层土壤水分的有效性,有利于人工生态防护体系主要组分浅根系灌木、草本植物与小型土壤动物的生存繁衍。

关键词：生物土壤结皮水文物理特征非饱和土壤水力传导度非饱和土壤弥散系数

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湿润持续时间对生物土壤结皮固氮活性的影响

生态学报 2011年第20期31卷 6116-6124页

作者：张鹏李新荣胡宜刚黄磊冯丽赵洋中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙坡头沙漠试验研究站兰州730000

土壤可利用氮是干旱半干旱区生态系统中除水分之外的关键限制因子,研究湿润持续时间和温度变化对温性荒漠藻类结皮和藓类结皮固氮活性的影响,对于深入认识和准确评价全球变化大背景下生物土壤结皮对区域生态系统的氮贡献至关重要。通过... 详细信息

土壤可利用氮是干旱半干旱区生态系统中除水分之外的关键限制因子,研究湿润持续时间和温度变化对温性荒漠藻类结皮和藓类结皮固氮活性的影响,对于深入认识和准确评价全球变化大背景下生物土壤结皮对区域生态系统的氮贡献至关重要。通过野外调查采样,在一次较大降水事件发生后,利用开顶式生长室,采用乙炔还原法连续测定了沙坡头地区人工植被区和天然植被区两类典型生物土壤结皮固氮活性的变化,分析了湿润持续时间和模拟增温对其固氮活性的影响。研究结果表明:在经历31d持续干旱,降水发生后第4天两类结皮的固氮活性达到最大,此后随样品水分含量下降,至第10天其固氮活性将至最低;结皮固氮活性与水分含量之间呈显著的二次函数关系,其固氮活性随水分含量的增加呈先上升后下降的趋势,藻类结皮的固氮活性显著高于藓类结皮;短期模拟增温并不能显著提高其固氮活性,增温主要通过加速结皮水分散失来影响其固氮活性。上述结果反映了水分是控制生物土壤结皮固氮活性的关键因子,而实验前样品所经历的环境条件则决定了降水发生后其到达最大固氮速率的时间,野外长期观测结合控制严格的室内实验才能准确评价生物土壤结皮对区域生态系统的氮贡献。

关键词：生物土壤结皮乙炔还原法湿润持续时间固氮活性固氮

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干旱区春小麦发育期反照率变化及其不对称性

农业工程学报 2011年第12期27卷 120-125页

作者：张亚峰王新平潘颜霞虎瑞中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙坡头沙漠试验研究站兰州730000 中国科学院研究生院北京100049

反照率是影响农田热量平衡的一个关键因子,也是作物生长监测和产量估测的一个重要参数。为了研究反照率随春小麦发育期的变化规律,探讨地表反照率日变化的不对称性及其影响因子,运用辐射仪对春小麦分蘖、拔节、抽穗、灌浆及成熟等不同... 详细信息

反照率是影响农田热量平衡的一个关键因子,也是作物生长监测和产量估测的一个重要参数。为了研究反照率随春小麦发育期的变化规律,探讨地表反照率日变化的不对称性及其影响因子,运用辐射仪对春小麦分蘖、拔节、抽穗、灌浆及成熟等不同发育期的地表反照率日变化进行了观测。结果表明,地表反照率变化的整体趋势是随春小麦发育期的变化而先升(分蘖期至抽穗期)后降(灌浆期和成熟期)。地表反照率的日变化随太阳高度角变化呈现上、下午不对称特征,当太阳高度角小于40°时,上午地表反照率要明显大于下午同样太阳高度角时的反照率,当太阳高度角大于40°时,上、下午地表反照率则逐渐对称。分析推测早晨春小麦叶片表面存在露珠是造成地表反照率日变化不对称的主要原因。研究结果为准确确定干旱区地表反照率及运用地表反照率进行作物生长监测提供一定参考依据。

关键词：作物监测生长春小麦地表反照率发育期日变化不对称