毛烏素沙地東南緣沙漠化演變機(jī)制與植物的耐脅迫性研究.pdf

1、沙漠化作為當(dāng)今世界社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的重大問題，在國內(nèi)和國際社會引起了廣泛的關(guān)注。本研究以陜北榆林地區(qū)毛烏素沙地東南緣沙質(zhì)草地沙漠化演替階段空間序列為主線，通過實地觀測和實驗分析，從自然狀態(tài)下土壤、植被性質(zhì)的變化展開沙漠化演變機(jī)制的研究，探討在不同沙漠化階段土壤因子的響應(yīng)機(jī)制與植物群落結(jié)構(gòu)、功能的演變機(jī)制，并闡明二者在維持植被和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的作用；基于植物逆境生理響應(yīng)的耐脅迫類型劃分突出了植物種群對生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)性關(guān)系，為不同沙漠化

2、階段植被的修復(fù)提供理論依據(jù)；最后，運用RS和GIS手段將過程的研究提升為對過程的格局研究，基于NDVI提取植被蓋度，并據(jù)此對不同沙漠化類型草地進(jìn)行劃分，提出不同沙漠化類型區(qū)治理和保護(hù)的建議和措施。
　　 以此為研究主線，得出研究結(jié)論如下：
　　 (1)沙漠化過程中，土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)均呈現(xiàn)出規(guī)律性響應(yīng)。隨沙漠化程度的加劇，土壤沙粒含量、容重、C/N增加，土壤粘粒、粉粒、含水量、有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳、全氮、脲酶、過氧化

3、氫酶、多酚氧化酶呈降低趨勢；對土壤各指標(biāo)的相關(guān)性分析表明，土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)特性存在密切的內(nèi)在相關(guān)性。對土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性狀的演變規(guī)律進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，隨沙漠化程度的加劇，土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和功能的完備性均遭到破壞，土壤質(zhì)量下降，土壤環(huán)境惡化；同時，土壤退化也使得沙漠化程度進(jìn)一步加劇。
　　 (2)沙漠化過程中，植被結(jié)構(gòu)和功能特征退化，植被穩(wěn)定性狀況不斷變差。隨沙漠化程度的加劇，植被群落發(fā)生了逆行演替，從非沙漠化階段的多年生

4、禾草類逐步演變?yōu)橹囟壬衬A段的一年生雜草類；植被蓋度、密度、物種豐富度、多樣性指數(shù)均呈下降趨勢，地上生物量呈先升高后降低趨勢；混合植物(優(yōu)勢種)有機(jī)質(zhì)含量變化規(guī)律不明顯，全氮含量在沙漠化進(jìn)程中逐漸降低；植被穩(wěn)定性指數(shù)不斷降低，穩(wěn)定性狀況變差。
　　 (3)對沙漠化過程中土壤、植被的演變特征分析發(fā)現(xiàn)，土壤、植被要素是相互依賴、協(xié)同演進(jìn)的。植被的進(jìn)展演替依賴于良好的土壤環(huán)境，而土壤環(huán)境同樣需要處于進(jìn)展演替中的植被來不斷改善，因此，

5、土壤——植被系統(tǒng)之間的相互作用決定了沙漠化的正、逆過程。沙漠化過程中，眾多土壤屬性指標(biāo)的測定值在Ⅱ、Ⅲ階段出現(xiàn)了增降幅的突變，植被屬性指標(biāo)的觀察和測定值在Ⅲ、Ⅳ或Ⅳ、Ⅴ階段出現(xiàn)了降幅的突變，表明沙漠化過程是一個漸變到突變的過程，由于植被對土壤環(huán)境的內(nèi)在適應(yīng)性，使得植被退化過程滯后與土壤的退化過程；分析發(fā)現(xiàn)，土壤、植被屬性突變的關(guān)鍵銜接階段為Ⅲ階段，即輕度沙漠化階段，說明該階段是沙漠化嚴(yán)重或恢復(fù)的重要轉(zhuǎn)折階段，故維持或營造該階段土壤——植

6、被系統(tǒng)的和諧與穩(wěn)定是沙漠化修復(fù)的關(guān)鍵。
　　 (4)沙漠化過程中，不同植物在不同階段對沙漠化的響應(yīng)不同，表現(xiàn)出的受損程度和抗逆性能也有所差異。本氏針茅(Stipabungeana)葉片含水量、葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量均呈降低趨勢，質(zhì)膜相對透性和丙二醛含量持續(xù)增加，脯氨酸含量也在波動中上升，超氧化物酶、過氧化氫酶和過氧化物酶活性也反應(yīng)敏感，呈先增加后迅速降低的趨勢，表明其在沙漠化進(jìn)程中生理受損嚴(yán)重，對生存環(huán)境要

7、求嚴(yán)格；糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)的生理響應(yīng)與本氏針茅相似，表現(xiàn)出較差的耐脅迫性；達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica)葉片含水量最初基本穩(wěn)定，Ⅳ階段后降低，葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量均減少，質(zhì)膜相對透性和脯氨酸含量均上升，丙二醛含量呈先增后降再增的趨勢，但變幅較小，超氧化物酶、過氧化氫酶活性變化趨勢與丙二醛一致，過氧化物酶活性反應(yīng)不敏感，表明其膜系統(tǒng)受到一定程度的損傷，但自身具

8、有適應(yīng)性反應(yīng)，受損程度較小；油蒿(Artemisiaordosica)葉片含水量最初有所降低，Ⅱ階段后回升，葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量也表現(xiàn)出先減少后增加的趨勢，質(zhì)膜相對透性和脯氨酸含量先有所上升，Ⅲ階段后基本穩(wěn)定，丙二醛含量輕微波動，變化不大，超氧化物酶、過氧化氫酶和過氧化物酶活性反應(yīng)一致，均呈現(xiàn)出先升后降再升的變化趨勢，協(xié)同抑制膜質(zhì)過氧化作用，膜受損并不明顯；牛心樸子(Cynanchumkomarovii)各生理指

9、標(biāo)的響應(yīng)與油蒿基本一致。
　　 (5)對共有種各生理指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，植物種自身生理指標(biāo)之間存在著密切的內(nèi)在聯(lián)系和相互作用規(guī)律，但不同植物種的相關(guān)性分析結(jié)果存在較大差異，表明不同植物種是通過不同的內(nèi)部適應(yīng)機(jī)理來形成抗性機(jī)制的。在分析了共有種各生理指標(biāo)之間錯綜復(fù)雜的應(yīng)變關(guān)系基礎(chǔ)上，運用主成分分析對每種植物種提取三種負(fù)荷最大的生理指標(biāo)作為其耐脅迫類型劃分的依據(jù)，對五種共有植物種進(jìn)行分類：本氏針茅和糙隱子草為敏感受損型，其最初都

10、能對沙漠化脅迫做出積極的應(yīng)對反應(yīng)，但當(dāng)脅迫達(dá)到一定程度，植物全面受損；達(dá)烏里胡枝子為積極耐受型，其在沙漠化過程中表現(xiàn)出輕度的受損性狀，但能通過積極的應(yīng)對來適應(yīng)沙漠化環(huán)境，使其并未遭受不可逆轉(zhuǎn)的傷害，脅迫程度在其承受閾值之內(nèi)；油蒿和牛心樸子為真正的抗逆型植物，其抗性指標(biāo)能協(xié)同作用，受損性狀不明顯，對較為嚴(yán)重的沙漠化具有良好的適應(yīng)性。
　　 (6)應(yīng)用RS和GIS手段，選取典型區(qū)進(jìn)行沙質(zhì)草地沙漠化程度空間格局劃分。以沙漠化土壤、植被

11、演替分析和植物耐脅迫性研究為理論基礎(chǔ)，根據(jù)沙漠化程度類型劃分圖，提出沙漠化保護(hù)和治理建議：非沙漠化階段和潛在沙漠化階段區(qū)域應(yīng)加強(qiáng)保護(hù)；輕度沙漠化階段和中度沙漠化階段區(qū)域應(yīng)注重飛播育草，增加植被，防風(fēng)固沙，改善土壤；重度沙漠化階段區(qū)域應(yīng)使用工程措施設(shè)置沙障固沙。
　　 在開展沙漠化演變機(jī)制與植被耐脅迫類型的研究中，主要從以下幾個方面實現(xiàn)了對以往研究內(nèi)容和方法的突破：
　　 (1)從土壤、植被的共同變化深入揭示了沙漠化的演變

12、過程，并認(rèn)為輕度沙漠化階段是沙漠化恢復(fù)和轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵階段。
　　 (2)以植物生理指標(biāo)作為植物耐脅迫類型的劃分依據(jù)，并應(yīng)用主成分分析方法找出貢獻(xiàn)最大的三種生理指標(biāo)，是對植物群體分類的新嘗試。
　　 (3)通過對過程的格局的研究，實現(xiàn)了具體理論研究與不同沙漠化類型區(qū)治理的結(jié)合。
　　 綜上所述，本研究一方面通過對沙漠化過程中土壤性質(zhì)、植被結(jié)構(gòu)、功能和穩(wěn)定性等方面的變化研究系統(tǒng)揭示了沙漠化的演變機(jī)制；另一方面以植物生理