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黄土高原生物土壤结皮分布时空分异特征

应用生态学报 2024年第3期35卷 739-748页

作者：赵允格吉静怡张万涛明姣黄琬雲高丽倩西北农林科技大学水土保持科学与工程学院陕西杨凌712100 中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室陕西杨凌712100

生物土壤结皮(生物结皮)是黄土高原广泛分布的生物地被物,在调节生态系统稳定性和多功能性方面具有重要作用。目前黄土高原生物结皮区域分布特征鲜有报道,限制了该区生物结皮生态功能的评估。本研究基于课题组2009—2020年间5次黄土高... 详细信息

生物土壤结皮(生物结皮)是黄土高原广泛分布的生物地被物,在调节生态系统稳定性和多功能性方面具有重要作用。目前黄土高原生物结皮区域分布特征鲜有报道,限制了该区生物结皮生态功能的评估。本研究基于课题组2009—2020年间5次黄土高原不同降水量带388个样点的生物结皮分布特征调研资料,分析了该区不同退耕年限、降水量、地形(坡向和坡位)和退耕方式(还乔、还灌和还草)下生物结皮的盖度、组成及其影响因素。在此基础上,借助机器学习和空间建模方法,绘制了黄土高原250 m×250 m分辨率生物结皮及组成分布图,分析了黄土高原生物结皮区域空间分布特征。结果表明:黄土高原地区林草地的生物结皮平均盖度为47.3%,其中,藻结皮占25.5%,藓结皮占19.7%,地衣结皮占2.1%,具有明显的时空变化特征。在时间上,对特定区域,生物结皮盖度随封禁年限的延长呈波动式下降,其中,藻结皮和藓结皮盖度呈明显的反向波动。在年内,生物结皮盖度在湿润季节略高于干旱季节。在空间上,风沙区生物结皮盖度较高,且以藻结皮为主,土石山区生物结皮盖度较低。降水量和退耕方式显著影响生物结皮盖度和组成的空间分布,坡向和坡位的影响相对较小。生物结皮的空间分布与土壤有机碳、pH和质地有关。本研究描述了黄土高原区域生物结皮分布的时空分异特征,可为该区生物结皮研究提供数据支持。

关键词：生物结皮随机森林环境因素分布格局空间预测

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高浓度CO对土壤有机碳矿化的影响

土壤学报 2024年

作者：汪若瑶李媛媛夏彬高子惠赵允格许明祥西北农林科技大学水土保持科学与工程学院中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心/黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室

土壤气体CO2浓度常高于大气，目前土壤有机碳矿化相关研究多在大气或模拟大气CO2浓度增加条件下展开，可能导致研究结果与土壤剖面实际有机碳矿化过程有所偏差，土壤中高浓度CO2如何影响有机碳矿化尚不清楚。采用室内培养试验，设置CK(... 详细信息

土壤气体CO2浓度常高于大气，目前土壤有机碳矿化相关研究多在大气或模拟大气CO2浓度增加条件下展开，可能导致研究结果与土壤剖面实际有机碳矿化过程有所偏差，土壤中高浓度CO2如何影响有机碳矿化尚不清楚。采用室内培养试验，设置CK(400μmol·mol-1，大气水平)、800、2 000、4 000、6 000和8 000μmol·mol-16个CO2浓度梯度，研究不同浓度CO2对土壤有机碳矿化的影响。结果表明：1)土壤中高浓度CO2(2 000～8 000μmol·mol-1)显著抑制土壤有机碳矿化，矿化速率降低6.27%～45.61%，累积矿化量降低1.72%～40.82%;2)土壤中较低浓度的CO2(800μmol·mol-1)显著促进土壤有机碳矿化，矿化速率增加4.26%～16.75%，累积矿化量增加了17.37%～48.43%;3)土壤中CO2浓度影响了活性有机碳组分的含量，在一定CO2浓度范围内，土壤微生物生物量碳（MBC）含量较CK显著增加，可溶性有机碳（DOC）含量较CK显著降低，易氧化有机碳（EOC）含量变化不显著；4)CO2浓度与有机碳矿化特征、EOC显著负相关，与DOC显著正相关，与MBC无显著相关性；5)在温湿度适宜条件下，CO2浓度对土壤有机碳累积矿化量贡献率达22.93%。综上，高浓度CO2通过影响土壤有机碳易利用性碳源，显著抑制了土壤有机碳矿化，可能是维持土壤有机碳稳定的重要因素之一。

关键词：高浓度CO 土壤有机碳有机碳矿化活性有机碳组分有机碳稳定性

内蒙古农牧交错区典型黑土坡耕地土壤侵蚀空间分布特征

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水土保持研究 2024年

作者：邹惠杰刘刚舒成博孙波刘亚张琼郭珍中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室中国科学院水利部水土保持研究所中国科学院大学西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室四川华标测检测技术有限公司

[目的]定量了解内蒙古典型黑土区土壤侵蚀速率,探究该区域土壤侵蚀空间分布特征,阐明土壤侵蚀坡面和区域空间分布规律,以期为区域水土流失治理提供参考。[方法]采集内蒙古农牧交错区（海拉尔区、额尔古纳市和牙克石市）典型黑土坡耕地... 详细信息

[目的]定量了解内蒙古典型黑土区土壤侵蚀速率,探究该区域土壤侵蚀空间分布特征,阐明土壤侵蚀坡面和区域空间分布规律,以期为区域水土流失治理提供参考。[方法]采集内蒙古农牧交错区（海拉尔区、额尔古纳市和牙克石市）典型黑土坡耕地的土壤样品,利用137Cs示踪技术计算各采样点土壤侵蚀速率,结合小波分析的方法研究土壤侵蚀在坡面的分布特征。[结果]（1） 3个坡面所有采样点137Cs含量均小于背景值（1 984.24 Bq/m2）,表现为所有坡面土壤流失。（2） 3个地区的采样坡面平均侵蚀速率表现为:海拉尔[6 533.37 t/（km2·a）]>额尔古纳[4 174.35 t/（km2·a）]>牙克石[2 765.87 t/（km2·a）]。相同坡面的3个纵向断面的平均侵蚀速率相近,同一断面侵蚀速率的变异程度较高。（3）土壤侵蚀速率沿坡长呈强弱交替的周期性变化,但周期长度并不固定。大部分纵向断面存在周期长度为80～160 m和160～200 m的大小两个周期。部分纵向断面只存在一个周期长度为100～120 m的周期。[结论]该地区土壤侵蚀在坡面尺度表现为全坡面侵蚀且在纵向呈现周期性特征,在区域尺度呈现从东到西逐渐增加趋势。

关键词：土壤侵蚀典型黑土农牧交错带小波分析

外源有机物料性质对黑土农田土壤微生物碳组分的影响

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植物营养与肥料学报 2024年第5期30卷 980-995页

作者：王子郡黄菁华麦建军胡斐南赵世伟中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心陕西杨凌712100 中国科学院水利部水土保持研究所陕西杨凌712100 中国科学院大学北京100049 西北农林科技大学/黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室陕西杨凌712100

【目的】探索在不同性质和用量的有机物料输入后黑土农田微生物碳组分的变化规律及其对土壤有机碳的贡献,明确东北黑土农田固碳的微生物过程,为黑土培肥和可持续发展提供理论支持。【方法】采用室内培养方法,供试黑土采自黑龙江省克山... 详细信息

【目的】探索在不同性质和用量的有机物料输入后黑土农田微生物碳组分的变化规律及其对土壤有机碳的贡献,明确东北黑土农田固碳的微生物过程,为黑土培肥和可持续发展提供理论支持。【方法】采用室内培养方法,供试黑土采自黑龙江省克山试验站的典型黑土农田,供试有机物料包括玉米秸秆(S)、生物炭(B)、水溶性有机肥(D),各有机物料均设3个施用量水平(低量、中量和高量),并以施化肥(F)和不施肥(CK)为对照,共计11个处理。在培养开始后的第5、15、30、60、105天分别采样,测定土壤有机碳(SOC)含量、微生物生物量碳(MBC)含量、细菌生物量(Ba)、真菌生物量(Fu)和微生物残体碳(MRC)含量。细菌与真菌生物量以其特征磷脂脂肪酸含量表征,微生物残体碳由不同土壤氨基糖含量表征的细菌与真菌残体量转换计算。【结果】与CK和F处理相比,3类有机物料输入均增加了土壤SOC、MBC和MRC含量,提升了MRC对SOC的贡献(MRC/SOC)。土壤MBC和MRC含量随秸秆和生物炭施用量的增加而提升,随水溶性有机肥施用量的增加而下降。在105天培养期内,所有处理MBC、MRC峰值均出现在培养第30、60天,3个有机物料分别以S3、B3和D1的提升效果最大。与CK相比,培养105天时S3、B3和D1处理的MBC分别提高了39.1%、8.2%和28.9%,真菌残体碳(FRC)含量分别提高了47.9%、43.5%和58.1%,S3和D1处理的细菌残体碳(BRC)含量分别提高了18.5%和16.5%。9个有机物料C/N和全氮(TN)含量与微生物碳组分的回归分析发现,有机物料C/N低于29.89、28.57时,分别与培养105天的MBC和BRC呈正相关关系,高于该阈值时呈负相关关系(P土壤微生物生物量碳和残体碳含量及其对有机碳的贡献,且高施用量时效果更显著;氮含量和碳氮比值低的生物炭增加了土壤有机碳含量,促进了真菌生物量和残体碳增加,但未提升微生物生物量碳对有机碳的贡献;含氮量高的水溶性有机肥低施用量时有利于提升微生物生物量碳和残体碳含量及其对土壤有机碳的贡献,但高施用量作用相反。因此,增加秸秆和生物炭投入量,控制水溶性有机肥投入量有利于微生物碳组分的积累,促进土壤有机碳的固定。

关键词：东北黑土有机物料含氮量有机物料碳氮比土壤有机碳微生物残体碳微生物生物量碳

斑块面积对干燥-复水条件下藓类植物生理活性的影响

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生态学报 2024年第5期44卷 2081-2088页

作者：乔羽赵允格高丽倩井海梦张珺雨西北农林科技大学资源环境学院杨凌712100 中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室杨凌712100

干扰会导致生物结皮斑块破碎并退化。为明确生物结皮斑块破碎诱发生物结皮退化机理,以黄土丘陵区土生对齿藓(Didymodon vinealis)结皮为研究对象,研究了干燥-复水条件下,单株和直径1 cm、2 cm、3 cm、4 cm、5 cm的藓结皮斑块内土生对齿... 详细信息

干扰会导致生物结皮斑块破碎并退化。为明确生物结皮斑块破碎诱发生物结皮退化机理,以黄土丘陵区土生对齿藓(Didymodon vinealis)结皮为研究对象,研究了干燥-复水条件下,单株和直径1 cm、2 cm、3 cm、4 cm、5 cm的藓结皮斑块内土生对齿藓的干燥速率、渗透调节物质、丙二醛和光合色素含量等的变化,以期揭示干扰后生物结皮退化的生物学机理。结果表明(1)除单株外,干燥速率随斑块面积减小而增加,直径1 cm斑块内藓的干燥速率是直径5 cm的2倍。(2)反复干燥-复水25天后,直径小于5 cm的斑块内藓的可溶性糖、可溶性蛋白和叶绿素含量低于直径5 cm斑块内藓的含量,丙二醛含量随斑块面积变化无明显规律。(3)干燥速率与斑块面积、可溶性糖、可溶性蛋白及叶绿素含量均呈极显著负相关。以上结果表明,藓结皮斑块面积通过影响斑块内藓类植物干燥速率进而影响其渗透调节和光合作用能力。藓结皮斑块面积减小,藓类植物干燥速率增大,生理活性降低,是藓结皮斑块破碎诱发其退化的原因。研究从藓类植物生理的角度,阐明了干扰后藓类植物衰亡的生理学原因,为生物结皮的保护和管理提供了科学依据。

关键词：藓结皮斑块面积干燥速率光合色素渗透调节

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高原鼠兔洞穴对土壤入渗的影响及机制

水土保持研究 2024年第5期31卷 243-249页

作者：王迪钱嘉鑫朱妮李珂欣毛佳怡赵理荣刘玉中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心中国科学院水利部水土保持研究所中国科学院大学西北农林科技大学水土保持科学与工程学院黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室

[目的]探究高原鼠兔洞穴对高寒草甸土壤入渗性能及其相关因素的影响，以揭示其对高寒草甸生态系统水分循环和土壤水文功能的潜在作用。[方法]以高寒草甸高原鼠兔洞穴不同部位作为研究对象，包括洞口(PE)与洞道(PB),对照为无高原鼠兔洞... 详细信息

[目的]探究高原鼠兔洞穴对高寒草甸土壤入渗性能及其相关因素的影响，以揭示其对高寒草甸生态系统水分循环和土壤水文功能的潜在作用。[方法]以高寒草甸高原鼠兔洞穴不同部位作为研究对象，包括洞口(PE)与洞道(PB),对照为无高原鼠兔洞穴分布的未扰动高寒草甸(AM),用单环法对土壤入渗速率进行测定。[结果](1)高原鼠兔洞穴促进高寒草甸土壤入渗速率，相比于未扰动高寒草甸，洞口和洞道初始入渗速率分别升高377.63%和189.47%,稳定入渗速率分别升高314.29%和220.00%(p高原鼠兔洞穴破坏高寒草甸土壤结构，相比于原生高寒草甸，洞口表层土壤总孔隙度和毛管孔隙度分别显著降低4.69%和16.27%,但非毛管孔隙度显著升高22.47%,洞口和洞道团聚体平均重量直径分别显著降低20.09%和9.45%,土壤有机质含量显著降低，各部位大小依次为未扰动高寒草甸>洞道>洞口(p高原鼠兔洞穴主要通过影响高寒草甸草毡层根系促进土壤入渗，根系生物量是影响初始入渗速率和稳定入渗速率的主导因子，标准化总效应分别为-0.717和-0.539。[结论]鼠兔洞穴一定程度上有利于高寒草甸生态系统的水分循环，但同时也破坏了高寒草甸原本的土壤结构，加剧高寒草甸退化风险。

关键词：高原鼠兔洞穴土壤性质土壤入渗高寒草甸三江源区

黄土高原典型维管植物冠层下生物结皮的分布与预测

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应用生态学报 2024年第09期 2571-2580页

作者：刘宁鱼舜尧张采月赵允格中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心中国科学院水利部水土保持研究所中国科学院大学西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室

维管植物可影响生物结皮的生存环境，进而影响其分布，目前鲜有研究关注维管植物的冠层特征与生物结皮空间分布特征的关系。本研究以黄土高原水蚀风蚀交错区为研究区，调查了维管植物冠层下方生物结皮的分布特征，采用相关性分析和随机... 详细信息

维管植物可影响生物结皮的生存环境，进而影响其分布，目前鲜有研究关注维管植物的冠层特征与生物结皮空间分布特征的关系。本研究以黄土高原水蚀风蚀交错区为研究区，调查了维管植物冠层下方生物结皮的分布特征，采用相关性分析和随机森林重要性排序的方法，分析了维管植物冠层特征与生物结皮空间分布的关系，基于随机森林模型构建了维管植物冠层下生物结皮面积的预测模型。结果表明:1)研究区生物结皮类型以藻结皮为主，藓结皮次之。2)维管植物冠层影响生物结皮空间分布，生物结皮主要分布在270°～315°和315°～360°两个方位，在90°～135°和135°～180°两个方位分布较少。3)径向上，生物结皮盖度由维管植物根部向冠层边缘表现出逐渐升高的趋势。4)冠层下生物结皮面积与维管植物冠层面积、长冠幅、短冠幅呈极显著正相关。5)冠层面积、长冠幅、短冠幅对冠层下生物结皮的重要性分别为13.7%、12.1%和11.9%，株高和物种类型的重要性较低，分别为6.7%和4.4%。6)随机森林模型在基于维管植物特征对生物结皮的预测中表现良好，预测精度为0.59（R2），均方根差为1.2 m2，能够应用于维管植物冠层下生物结皮面积的预测和估算。本研究为进一步理解半干旱气候区维管植物与生物结皮之间的关系及生物结皮空间分布预测提供了理论依据。

关键词：维管植物生物结皮冠层特征空间分布随机森林

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黄土丘陵区典型草本根系特征对土壤抗剪特性的影响

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水土保持研究 2024年第3期31卷 153-159页

作者：田愉琴王兵汪建芳白洁中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心陕西杨凌712100 西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室陕西杨凌712100 中国科学院大学北京100049

[目的]探讨退耕还林(草)工程实施20年以来,退耕地植物根系特征对土壤抗剪特性的影响,旨在为新时期黄土高原植被恢复和水土保持效益评估提供参考。[方法]选取黄土高原丘陵沟壑区不同演替阶段6个典型草地和2个人工草地,采集土壤表层(0—5 ... 详细信息

[目的]探讨退耕还林(草)工程实施20年以来,退耕地植物根系特征对土壤抗剪特性的影响,旨在为新时期黄土高原植被恢复和水土保持效益评估提供参考。[方法]选取黄土高原丘陵沟壑区不同演替阶段6个典型草地和2个人工草地,采集土壤表层(0—5 cm)土样120个,测定土壤抗剪特性、土壤性质和根系特征指标。[结果](1)各样地土壤容重无显著的差异(p>0.05),毛管孔隙度、总孔隙度和土壤含水量存在显著差异(p土壤含水量最低。(2)不同演替阶段须根系植物根长密度和表面积密度较大在不同演替阶段均大于直根系植物,须根系植物根体积密度除演替初期外均小于直根系植物,人工草地沙打旺上述根系特征参数均不同程度小于自然撂荒草地。(3)各样地平均根土复合体抗剪强度相较于素土增加了22.11%~46.22%,但自然撂荒草地平均抗剪强度差异不显著(p>0.05)。人工草地黏聚力整体低于自然撂荒草地,不同演替阶段内摩擦角均表现为须根系植物大于直根系植物(1.07,1.25,1.23倍)。(4)黏聚力随总孔隙度(R^(2)=0.82)或根体积密度(R^(2)=0.47)的增加呈线性增大,内摩擦角随土壤容重的增加呈线性减少(R^(2)=0.39)。[结论]在植被恢复过程中,土壤性状、根系特征及根系构型对土壤抗剪特性有一定影响。

关键词：土壤性状根系特征黏聚力内摩擦角

麦季不同施磷量对麦玉和麦豆轮作体系作物产量及磷效率的影响

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水土保持学报 2024年

作者：寇心悦桑丽智沈玉芳西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室西北农林科技大学资源环境学院中国科学院大学水土保持与生态环境科技研究中心

[目的]为研究麦季不同施磷量对陕西关中地区不同轮作体系作物产量和磷肥效率的影响,明确实现不同轮作体系作物高产高效的适宜麦季磷肥施用量。[方法]以麦玉和麦豆2个轮作体系为研究对象,设置5个施磷(P2O5)水平:0,75,150,225,300 kg/hm2... 详细信息

[目的]为研究麦季不同施磷量对陕西关中地区不同轮作体系作物产量和磷肥效率的影响,明确实现不同轮作体系作物高产高效的适宜麦季磷肥施用量。[方法]以麦玉和麦豆2个轮作体系为研究对象,设置5个施磷(P2O5)水平:0,75,150,225,300 kg/hm2,分析2021—2022年和2022—2023年轮作周年作物产量、磷肥利用效率、土壤有效磷含量及其与施磷量之间的关系。[结果]与不施磷处理(0 kg/hm2)相比,试验2年仅麦季施磷处理显著增加麦玉和麦豆轮作体系小麦、玉米、大豆和周年产量(P土壤有效磷含量分别为20.07,16.15 mg/kg。2个轮作体系的磷肥农学效率、磷肥偏生产力、磷肥回收效率、磷效率指数(PEI)均随施磷量的增加而降低;施磷75 kg/hm2麦玉和麦豆轮作体系的PEI分别为施磷150 kg/hm2处理的1.24,2.02倍,麦豆的PEI降低更显著。综合考虑粮食安全、环境安全和肥料利用率,以95%的小麦最高产量为实际目标,对应的麦玉和麦豆轮作体系施磷量分别为115,95 kg/hm2,可实现磷肥回收效率以及较低的磷盈余,同时保证麦玉和麦豆轮作体系周年产量分别达到最大产量的96.23%,95.43%;麦豆轮作体系具有较低的施磷量需求。[结论]对不同轮作体系应从作物丰产、肥料高效利用和基于零盈余的管理政策考虑,进行合理的磷肥施用,以在满足作物—土壤磷养分的协调供应、保证作物高产的同时,提高磷效率。

关键词：施磷量麦玉轮作麦豆轮作产量磷肥效率