全 文 ：ISSN 1000-0933
CN 11-2031/Q
中国生态学学会 主办
出版
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ica.cn
生
态
学
报
中国科学院生态环境研究中心
第 31卷 第 14期 Vol.31 No.14 2011
生态学报
Acta Ecologica Sinica第三
十
一
卷
第
十
四
期
二
○
一
一
年
七
月
2011-14 2011.7.6, 4:58 PM1
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 31 卷 第 14 期摇 摇 2011 年 7 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
厦门市三个产业土地利用变化的敏感性 黄摇 静,崔胜辉,李方一,等 (3863)……………………………………
黄河源区沙漠化及其景观格局的变化 胡光印,董治宝,逯军峰,等 (3872)………………………………………
岩溶山区景观多样性变化的生态学意义对比———以贵州四个典型地区为例
罗光杰,李阳兵,王世杰,等 (3882)
……………………………………
……………………………………………………………………………
基于城市地表参数变化的城市热岛效应分析 徐涵秋 (3890)……………………………………………………
北京市土地利用生态分类方法 唐秀美,陈百明,路庆斌,等 (3902)………………………………………………
长白山红松臭冷杉光谱反射随海拔的变化 范秀华,刘伟国,卢文敏,等 (3910)…………………………………
臭冷杉生物量分配格局及异速生长模型 汪金松,张春雨,范秀华,等 (3918)……………………………………
渔山岛岩礁基质潮间带大型底栖动物优势种生态位 焦海峰,施慧雄,尤仲杰,等 (3928)………………………
食物质量差异对树麻雀能量预算和消化道形态特征的影响 杨志宏,邵淑丽 (3937)……………………………
桂西北典型喀斯特区生态服务价值的环境响应及其空间尺度特征 张明阳,王克林,刘会玉,等 (3947)………
隔沟交替灌溉条件下玉米根系形态性状及结构分布 李彩霞,孙景生,周新国,等 (3956)………………………
不同抗病性茄子根系分泌物对黄萎菌的化感作用 周宝利,陈志霞,杜摇 亮,等 (3964)…………………………
镧在草鄄菇鄄土系统中的循环与生物富集效应 翁伯琦,姜照伟,王义祥,等 (3973)………………………………
鄱阳湖流域泥沙流失及吸附态氮磷输出负荷评估 余进祥,郑博福, 刘娅菲,等 (3980)………………………
柠条细根的分布和动态及其与土壤资源有效性的关系 史建伟,王孟本,陈建文,等 (3990)……………………
土壤盐渍化对尿素与磷酸脲氨挥发的影响 梁摇 飞,田长彦 (3999)………………………………………………
象山港海域细菌的分布特征及其环境影响因素 杨季芳,王海丽,陈福生,等 (4007)……………………………
近地层臭氧对小麦抗氧化酶活性变化动态的影响 吴芳芳,郑有飞,吴荣军,等 (4019)…………………………
抑制剂和安全剂对高羊茅根中酶活性和菲代谢的影响 龚帅帅,韩摇 进,高彦征,等 (4027)……………………
南苜蓿高效共生根瘤菌土壤的筛选 刘晓云,郭振国,李乔仙,等 (4034)…………………………………………
汉江上游金水河流域土壤常量元素迁移模式 何文鸣,周摇 杰,张昌盛,等 (4042)………………………………
基于地理和气象要素的春玉米生育期栅格化方法 刘摇 勤,严昌荣,梅旭荣,等 (4056)………………………
日光温室切花郁金香花期与外观品质预测模型 李摇 刚,陈亚茹,戴剑锋,等 (4062)……………………………
冀西北坝上半干旱区南瓜油葵间作的水分效应 黄摇 伟,张俊花,李文红,等 (4072)……………………………
专论与综述
鸟类分子系统地理学研究进展 董摇 路,张雁云 (4082)…………………………………………………………
自然保护区空间特征和地块最优化选择方法 王宜成 (4094)……………………………………………………
人类活动是导致生物均质化的主要因素 陈国奇,强摇 胜 (4107)…………………………………………………
冬虫夏草发生的影响因子 张古忍,余俊锋,吴光国,等 (4117)……………………………………………………
自然湿地土壤产甲烷菌和甲烷氧化菌多样性的分子检测 佘晨兴,仝摇 川 (4126)………………………………
研究简报
塔里木河上游典型绿洲不同连作年限棉田土壤质量评价 贡摇 璐,张海峰,吕光辉,等 (4136)………………
高山森林凋落物分解过程中的微生物生物量动态 周晓庆,吴福忠,杨万勤,等 (4144)…………………………
生物结皮粗糙特征———以古尔班通古特沙漠为例 王雪芹,张元明,张伟民,等 (4153)…………………………
不同海拔茶园害虫、天敌种群及其群落结构差异 柯胜兵,党凤花,毕守东,等 (4161)…………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*306*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*33*
室室室室室室室室室室室室室室
2011鄄07
封面图说: 内地多呈灌木状的沙棘,在青藏高原就表现为高大的乔木,在拉萨河以及雅鲁藏布江沿岸常常可以看到高大的沙棘
林和沼泽塔头湿地相映成趣的美丽景观。
彩图提供: 陈建伟教授摇 国家林业局摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 31 卷第 14 期
2011 年 7 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 31,No. 14
Jul. ,2011
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:中国科学院知识创新工程项目(KZCX2鄄YW鄄336);国家自然科学基金项目(40771032);国家重点基础研究发展计划(2009CB421303)
收稿日期:2010鄄03鄄26; 摇 摇 修订日期:2011鄄03鄄28
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: xqwang@ ms. xjb. ac. cn
王雪芹,张元明,张伟民,杨东亮.生物结皮粗糙特征———以古尔班通古特沙漠为例.生态学报,2011,31(14):4153鄄4160.
Wang X Q, Zhang Y M, Zhang W M, Yang D L. The aerodynamic roughness length of biologicalsoil crusts:a case study of Gurbantunggut Desert. Acta
Ecologica Sinica,2011,31(14):4153鄄4160.
生物结皮粗糙特征
———以古尔班通古特沙漠为例
王雪芹1, *,张元明1,张伟民2,杨东亮1,3
(1.中国科学院生物地理与生物资源重点实验室 /中国科学院新疆生态与地理所, 乌鲁木齐摇 830011;
2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 敦煌戈壁荒漠生态与环境研究站,兰州摇 730000; 3.中国科学院研究生院 北京摇 100049)
摘要:空气动力粗糙度可以反映地表气流与下垫面的相互作用。 古尔班通古特沙漠是我国最大的固定、半固定沙漠,其间广泛
分布的生物结皮在稳定地表和改善环境方面意义重大。 对未经扰动的 4 种类型生物结皮进行表面微形态观察,并通过风洞实
验确定动力粗糙度 z0和摩阻风速 u*,结果表明:(1)不同生物结皮类型,其组成和表面微形态等都具有明显差异。 藻结皮以表
面致密光滑为显著特征,由藻类分泌物和藻丝体粘结细粒物质所形成;地衣结皮表面藻类和真菌形成的叶状体匍匐沙面生长,
呈现三维生长方式,形成有明显凹凸的壳状覆被;苔藓结皮以苔藓植物体密集丛生为特点,地上部分出现了茎叶分化,有一定的
柔韧性。 (2)就动力粗糙度的大小而言,是按地衣结皮>藻类鄄地衣结皮>苔藓结皮>藻结皮的顺序排列的,z0平均值依次为
(6郾 589依0. 850)mm、(4. 179依0. 239)mm、(2. 542依0. 357)mm和(0. 393依0. 220)mm,与定床裸沙面的(0. 042依0. 019)mm相比,生
物结皮 z0值提高了 10—150 倍。 随着风速的增大 z0值有所减小,其中以地衣结皮的减小趋势较为明显。 (3)由风速廓线对比发
现,4 类生物结皮对气流阻滞作用的差异主要局限于 4 cm 以下的高度范围,风速越大这种差异也越大。 各类生物结皮摩阻风
速 u*随风速增大而增大,其中藻结皮的增大速率明显低于其它 3 类结皮,说明藻结皮随风速增大的阻滞效应较其它 3 类结皮
要差。 (4)在净风条件下,地衣结皮具有最好的防风效果,其次为藻类鄄地衣结皮和苔藓结皮,藻结皮最差。 当生物结皮破损后,
床面结构和气流性质将发生变化,对空气动力学粗糙度和摩阻风速产生的影响将有待于进行更深入的研究。
关键词:生物结皮;表面微形态;动力粗糙度;风洞实验;古尔班通古特沙漠
The aerodynamic roughness length of biologicalsoil crusts:a case study of
Gurbantunggut Desert
WANG Xueqin1,*, ZHANG Yuanming1, ZHANG Weimin2, YANG Dongliang1, 3
1 Key Laboratory of Bioresource and Biogeography in Arid Land, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, CAS, Urumqi 830011, China
2 Dunhuang Gobi Desert Ecological and Environmental Research Station, Cold and Arid Regions of Environmental and Engineering Research Institute, CAS,
Lanzhou 730000, China
3 Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: The Gurbantunggut Desert, the largest fixed and semi鄄fixed desert in China, is covered by well鄄developed
biological soil crust, formed by different combination of mosses, lichens, algae, fungi, cyanobacteria and bacteria.
Biologically, this kind of crust differs a lot from physical soil crust in physical and chemical properties, and it serves as one
of the biological factors contributing to the sand fixation in the Gurbantunggut Desert. Additionally, biological soil crust
plays a significant role in desert ecosystem, involving in the process of formation, stabilizing and fertilizing soil, preventing
erosion by water or wind, increasing the possibility of vascular plants colonization, and being responsible for the
stabilization of sand dunes. In recent years, researchers have focused on the interactions between surface winds and crust
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surfaces, which can be characterized by aerodynamic roughness length. In this paper, an experimental study was carried out
to investigate the microstructures of four different types of biological soil crust surface through microscopic examination. The
soil samples were collected using the dustpan鄄like iron boxes (30cm伊20cm伊10cm), which were pushed into the ground to
collect undisturbed soil samples covered by representative biological soil crust (moss crust, lichen crust, algal crust and
algal鄄lichen crust respectively) and bare sand for control. The aerodynamic roughness length ( z0 ) and friction velocity
(u*) were determined in a wind tunnel. The results indicated that: (1) the species composition and surface features of the
biological soil crust varied with their development stages. Algal crust, with compact and glossy surface, was an intricate
network of filamentous cyanobacteria and exopolysaccharides that binds and entraps sand grains and conglutinated fine
particles. Lichen crust had a rugose and pinnacled surface appearance, on which the thallus generated by algae,
cyanobacteria and fungi creeped along soil surface and manifested as a three dimensional leaflike cover. Moss crust surface
was quite flexible and characterized by densely and caespitosely moss plants that differentiates into stems and leaves. (2)
The mean aerodynamic roughness length of lichen crust, algal鄄lichen crust, moss crust and algal crust are (6. 589依0. 850)
mm, (4. 179依0. 239)mm, (2. 542依0. 357)mm and (0. 393依0. 220)mm, respectively. The values tended to be 10—150
times larger than that of fixed sandy bed. The aerodynamic roughness lengths of all crusts surfaces decreased with free鄄
stream wind velocity. (3) From wind velocity profile we concluded that the block effects of crusts on air flow are mainly
limited to no more than 4cm height from bed. The friction velocity of crusts increased with wind velocity, which means that
the block effect of crusts on air flow tended to be better with increasing of wind speed. (4) Generally speaking, under clean
wind condition the lichen crust had the best effect to control wind blow, followed by algal鄄lichen crusts and moss crust,
while algal crusts had the lowest effect. Disturbances of the crusts will modify the surface features and wind鄄sand flow, and
their effects on aerodynamic roughness and friction velocity need further investigated in future. This study will help us to
improve our understanding of the aerodynamic roughness length of biological soil crust in arid areas and provide valuable
scientific information that can be utilized in policy鄄making for the management of desert ecosystem.
Key Words: biological soil crusts; microstructure of crust surface; aerodynamic roughness length; wind tunnel experiment;
Gurbantunggut Desert
在研究近地表气流与下垫面的相互作用时,研究者们通常引入粗糙度的概念。 动力粗糙度是地表风速减
小到零的某一几何高度[1],反映下垫面在气流作用下的阻力特征,已被广泛地用于表征各种类型地表的空气
动力学性质,如:沙质粗糙、雪质粗糙、水质粗糙、砾石粗糙和植被粗糙等[2鄄4]。 随着全球沙漠化威胁的日益加
重,空气动力学粗糙度也倍受风沙科学研究者的关注,所取得的一系列成果为深入理解不同床面风沙活动形
成机制和建立有效的风沙危害防治措施提供了理论依据[5鄄10]。
生物结皮是由土壤微生物、藻类、地衣和苔藓等孢子植物类群与土壤形成的有机复合体,广泛分布于世界
干旱、半干旱地区,在理化学和生物学特性上明显区别于松散沙土,具有重要的生态功能及地学效应[11鄄15]。
由微生物分泌物及孢子植物丝状体和假根将细小沙粒固结在一起,极大提高了生物结皮抵抗风蚀的能力。 相
当一部分研究关注于生物结皮层的微结构及对沙粒的黏结作用[16鄄20],有助于从生物效应方面揭示生物结皮
的抗风蚀和水蚀作用,但是却忽略了生物结皮的表层结构与气流的相互作用。 生物结皮具有区别于松散沙物
质、砾石和植物覆盖等的特殊床面结构,在气流作用下的阻力特征亦有其特殊性,进而影响到地表风蚀的发生
及沙物质的搬运和堆积。 由于空气动力学粗糙度 z0在表征地表障碍物对气流阻滞作用中反映最为敏感,因此
被公认为是研究下垫面与大气间物质和能量交换过程首先要确定的基本参数[6]。 摩阻风速是描述气流层之
间剪切作用的物理量,取决于气流层之间的速度梯度。 古尔班通古特沙漠是我国最大的固定、半固定沙漠,其
间广泛分布的生物结皮是稳定地表的重要生物因子[19]。 本文选择未经人类活动扰动的典型生物结皮类型,
对表面微形态进行观察,研究其床面结构特征,通过风洞实验测定风速廓线,计算空气动力学粗糙度和摩阻风
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速,这对于理解生物结皮与气流的相互作用以及生物结皮具体应用于风沙防治实践具有重要的意义。
1摇 区域概况与研究方法
1. 1摇 区域概况
古尔班通古特沙漠位于准噶尔盆地腹地,是我国最大的固定、半固定沙漠。 主要沙丘类型为半固定沙垄,
长度数百米到 10 km不等,近南北走向,高度 10—50 m不等。 沙垄中下部和垄间低地沙面稳定不变,沙垄顶
部普遍有 10—40 m宽度不等的流动带。 该沙漠年积温 3000—3500 益,年降水量 70—150 mm,潜在年蒸发量
2000 mm以上,冬季有 20 cm厚的稳定积雪,为典型的内陆干旱气候。 白梭梭(Haloxylon persicum)为古尔班通
古特沙漠的优势种,占据沙丘中上部,丘间低地和沙丘中下部为蛇麻黄群落(Ephedra distachya),其下普遍存
在短命植物和生物结皮。
古尔班通古特沙漠生物结皮以南部区域发育最好,面积大且呈连续分布,由南向北、向西和向东变得破
碎[21鄄22]。 在个体沙垄表面,生物结皮又存在明显的选择性分布[23],从沙垄顶部向两坡延伸,开始出现发育较
弱的藻结皮,至坡中部出现发育充分的藻结皮,并在局部有地衣植物出现。 沿坡中部至坡下缘部,逐渐开始发
育有良好的地衣结皮,同时在蛇麻黄等低矮灌木群落下和垄间低洼处发育有苔藓结皮。
1. 2摇 研究方法
实验所用样品采自古尔班通古特沙漠南部(44毅32忆30义N, 88毅6忆42义E),包括苔藓结皮、地衣结皮、藻结皮和
藻类鄄地衣结皮和裸沙对照样。 取样时以水均匀喷洒于地表,至水渗入 15 cm 左右后,在旁侧挖掘壕沟,以
30 cm 伊 20 cm 伊 10 cm(长伊宽伊高)规格簸箕状铁盒从侧面压入,用利刀切割后取出原状土(图 1),自然状态
下干燥,已备进行表面形态结构观察和室内风洞模拟实验。

A B
图 1摇 生物结皮样品(A)与室内风洞(B)
Fig. 1摇 Biological crust samples (A) and wind tunnel (B)
实验室内将样品表面结皮层与下层松散沙粒小心分离,测其厚度。 经液氮冷冻后,将样品的表面和截面
分别黏贴于电子显微镜样品台上,喷金镀膜后,应用 LEO1430VP 型扫描电子显微镜(德国 LEO 公司)进行微
结构观察并照相。 结皮抗压强度以手持量力环测得,量力环接触面直径 4. 4 mm,质量 0. 97497 kg,读数率定
系数为 2. 5664N / 0. 01 mm。 通过以下公式计算:总压力=量力环读数伊率定系数+量力环重量(N),抗压强度
=总压力 /接触面面积,各类结皮测定样品数为 10 个,取平均值和标准误差。
风洞实验在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙漠与沙漠化重点实验室完成(图 1)。 风洞实验段
全长 16. 2 m,宽 1. 0 m,高 0. 6 m。 实验点位于实验段入口下风 12 m处,风速连续可调[7]。 实验时分别将 4 种
类型结皮土样及裸沙对比样水平置于实验段中轴升降槽内,使结皮表面与风洞底部齐平。 风速测量用风速廓
线皮托管分别安装在 6、12、24、40、80、120、200 mm等高度。 考虑到空气动力粗糙度不仅依赖于下垫面性质,
而且依赖于风速大小[6],故将实验段入口自由风速依次设为 6、10、14、18、22 m / s和 25 m / s。
5514摇 14 期 摇 摇 摇 王雪芹摇 等:生物结皮粗糙特征———以古尔班通古特沙漠为例 摇
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1. 3摇 数据分析
生物结皮粗糙特征用动力粗糙度 z0来表示。 在计算动力粗糙度的诸多方法中,最常用的是对数廓线方程
的最小二乘逼近实测风速廓线法[24鄄25],其优点是由多个高度的风速资料计算 z0,可提高精确性。 在中性大气
层结条件下,用最小二乘回归所观测的风速数据为:
uz = a + blnz (1)
式中,uz为高度 z处的风速;a、b为回归系数。 在式(1)中,令 uz =0 可求出 z0为:
z0 = exp( - a / b) (2)
将高度 z1、z2处的风速 u1、u2分别代入(1)式和风速廓线表达式 uz = (u* / k)ln( z / z0) 可得:
u1 - u2 = b(lnz1 - lnz2) (3)
u1 - u2 = (u* / k)(lnz1 - lnz2) (4)
由(3)、(4)可算得摩阻风速为:
u* = kb (5)
式中,k为卡门系数(一般取 0. 4)。 动力粗糙度和摩阻速度通过上述方法拟合确定,并用相关系数(R2 >
0. 95)控制,以保证风速测量结果及所测量高度在对数分布区域内。
2摇 研究结果
2. 1摇 结皮形态特征
不同类型生物结皮的组成、厚度、抗压强度和表面微形态均有不同。 按照生物结皮从低级向高级的发展
顺序,结皮厚度和抗压强度由藻结皮、藻类鄄地衣结皮、地衣结皮和苔藓结皮依次增大(表 1)。 藻结皮为发育
早期的结皮类型,呈灰至灰白色,薄而脆,易破损。 较多的细粒物质填充于表层沙粒空隙间,在藻类分泌物和
藻丝体的黏结作用下形成致密、光滑而平坦的结皮表层(图 2a,d,g)。 地衣结皮是古尔班通古特沙漠分布最
广、覆盖度最大的优势结皮类型[19],该类结皮中地衣植物为蓝、绿藻与真菌的共生体,往往形成叶状体表面。
伴随着叶状体表面出现的许多细小裂隙,每一裂片的边缘在基质表面抬升,形成匍匐沙面生长和有明显凹凸
的壳状覆被(图 2b,e,h)。 苔藓结皮为生物结皮发育的高级阶段,干燥状态下呈黑至黑褐色,表层以苔藓植物
体密集丛生为显著特点,高度多不超过 5 mm。 苔藓植物通过其浓密的假根与土壤颗粒相连接,具有嵌入式的
生长方式,而在地上部分的植物体已开始出现茎叶的分化(图 2c,f,i),暖季遇到适量水分即展叶变绿,具有一
定的柔韧性。 藻类鄄地衣结皮为地衣植物和藻类的混生产物,灰黑色相间,其表面形态与地衣结皮更为接近,
依然具有匍匐于地表的叶状体壳状覆被存在,只是发育程度稍差,在结皮厚度和抗压强度上介于藻结皮和地
衣结皮之间(表 1)。
表 1摇 不同类型结皮的组成、厚度与抗压强度
Table 1摇 Species composition, thickness and compression strength of biological crusts
结皮类型
Crust type
主要组成
Composition
结皮厚度
Thickness / cm
抗压强度
Compression
strength / kPa
苔藓结皮
Moss crust
刺叶 墙 藓 Tortula desertorum Broth. ; 绿 色 流 苏 藓 Crassidium
chloronotos (Brid. ) Limpr. ;银叶真藓 Bryum argenteum Hedw. ;泛生
墙藓 Tortula muralis Hedw.
2. 20依0. 26 56. 95依5. 12
地衣结皮
Lichen crust
坚韧胶衣 Collema tenax; 红鳞网衣 Psora decipiens; 荒漠黄梅
Xanthoparmelia desertorum;藓生双缘衣 Diploschistes muscorum 1. 29依0. 15 52. 57依8. 34
藻结皮
Algal crust
具鞘微鞘藻 Microcoleus vaginatus;沼地微鞘藻 Microcoleus paludosus;
固氮鱼腥藻 Anabaena azotica;膨胀色球藻单生变种 Chroococcus
turgidus var. solitarius;马氏鞘丝藻 Lyngbya martensiana;鞘丝异球藻
Xenococcus lyngbyge
0. 28依0. 06 32. 53依3. 08
藻类鄄地衣结皮
Algal鄄lichen crust
具鞘微鞘藻 Microcoleus vaginatus;沼地微鞘藻 Microcoleus paludosus;
固氮鱼腥藻 Anabaena azotica;坚韧胶衣 Collema tenax;荒漠黄梅
Xanthoparmelia desertorum;藓生双缘衣 Diploschistes muscorum
0. 74依0. 22 33. 16依5. 65
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200 µm 200 µm 200 µm
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图 2摇 生物结皮显微图
Fig. 2摇 SEM micrographs of the microbiotic soil crust
(a) 藻结皮; (b) 地衣结皮; (c) 苔藓结皮; (d) 藻结皮截面微结构; (e) 地衣结皮截面微结构;(f) 苔藓结皮截面微结构; (g) 藻结皮表
层微形态; (h) 地衣结皮表层微形态; (i) 苔藓结皮表层微形态
3. 2摇 结皮粗糙度
观测发现 4 类生物结皮在高达 u=25 m / s的入口风速下均未出现沙粒起动和风蚀现象,可将其视为定床
床面,对比的裸沙实验将风速定在临界起动风速以下,亦使其处于定床状态,便于与生物结皮进行对比。 计算
得到定床裸沙面粗糙度 z0为(0. 042依0. 019)mm,藻结皮、苔藓结皮、藻类鄄地衣结皮和地衣结皮的平均粗糙度
依次为(0. 393依0. 220)mm、(2. 542依0. 357)mm、(4. 179依0. 239)mm 和(6. 589依0. 850)mm。 可见,即便是发
育程度较为低级的藻结皮,其粗糙度相对于裸沙面也提高了近 10 倍,地衣结皮则提高了 150 倍之多。 随着风
速的增大,各类结皮的 z0值总体上有所减小,其中以地衣结皮减小趋势较明显。 4 类生物结皮摩阻风速随风
速增大而增大的规律显而易见,但增加速率在风速大于 22 m / s 时有所变缓。 藻结皮的增大速率明显低于其
它结皮类型,说明其阻滞效应随风速的增大而增加的效应相对较弱(图 3)。
3. 3摇 结皮风速廓线
从风速廓线的对比中可以看出,结皮表面风速的垂直变化呈现出一定的规律性(图 4)。 总体来看,在相
同的入口风速条件下,距地表 4 cm 以下风速大小为:裸沙地>藻结皮>苔藓结皮>藻类鄄地衣结皮>地衣结皮,
与地表粗糙度所反映的阻滞效应相符合。 当高度大于 4 cm时,各种类型结皮的风速变化趋于一致,特别是当
7514摇 14 期 摇 摇 摇 王雪芹摇 等:生物结皮粗糙特征———以古尔班通古特沙漠为例 摇
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地衣结皮 苔藓结皮 藻类-地衣结皮 藻结皮
摩阻
风速
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风速 Wind vilocity/(m/s) 风速 Wind vilocity/(m/s)4 8 12 16 20 24 28 4 8 12 16 20 24 28
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6
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2
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图 3摇 生物结皮的空气动力学粗糙度 z0与摩阻风速 u*随风速的变化
Fig. 3摇 Variation of roughness length ( z0) and friction velocity (u*) with increase of wind speed
风速大于 10 m / s时,风速廓线几乎趋于重合。 据此推断,尽管各类型结皮的发育程度和粗糙度不同,但对风
速的阻滞范围基本上都局限在距地表 4 cm以下高度范围。 随着入口风速的增大,垂直方向上风速变化的幅
度也在增大,说明生物结皮对气流的阻滞效果也越明显。 在各类生物结皮中,又以地衣结皮风速变化的幅度
为最大,其它依次为藻类鄄地衣结皮、苔藓结皮和藻结皮。 可见在净风条件下,地衣结皮具有最优异的风力阻
滞效果,而藻结皮最差。
u u = 10m/s
u = 18m/s u = 14m/s
u u = 25m/s
高度
H
ei
gh
t/c
m
风速 Wind vilocity/(m/s) 风速 Wind vilocity/(m/s)
地衣结皮
苔藓结皮
0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30
0 5 10 15 20 25 300 5 10 15 20 25 30
0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30
藻类-地衣结皮
藻结皮
10
1
10
1
10 10
11
10
1
10
1
图 4摇 4 种类型生物结皮风速廓线对比
Fig. 4摇 Wind velocity profile of four type biological crusts
3摇 结论与讨论
关于不同下垫面的空气动力学相关研究成果,对理解气流与地表之间复杂的物质与能量交换产生了深远
8514 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
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的影响[26]。 生物结皮作为土壤微生物和孢子植物类群与土壤形成的有机复合体,具有不同于其它下垫面的
床面性质。 无论从生物结皮在世界干旱、半干旱区分布的广泛性而言,还是从改善环境、防沙治沙中的作用而
言,对其床面性质和粗糙特征的研究都是一个值得关注的问题。
本项研究表明,不同的生物结皮所处的发育阶段不同,其组成、厚度和抗压强度都有明显差异。 按藻结
皮鄄藻类地衣结皮鄄地衣结皮鄄苔藓结皮顺序,遵循的是由低级向高级、由简单向复杂的发展过程,结皮厚度和抗
压强度依次增大。 张元明等人的研究表明,生物结皮的发育阶段对应着一定的沙粒粘结方式和强度变化[27]。
藻结皮阶段,藻类分泌物和大量的藻丝体将细粒物质黏结而形成的结皮层,具有初始的抗拉伸和抗压特性;到
地衣结皮阶段,由蓝绿藻和真菌共生而成的地衣植物,其菌丝、根菌束和假根等具有较藻结皮更大的粘结强
度,并可深入到更深的地下;到苔藓结皮阶段,植株有茎叶分化,苔藓植物的浓密假根又进一步提高粘结沙粒
的能力并进一步向地下延伸,特别是沙埋后植物体能进行分枝,阻滞和粘结更多表层沙粒。 因此,就不难理解
发育程度越好的生物结皮会具有更大的厚度和抗压强度。
风洞实验表明,未经扰动的 4 类生物结皮与定床沙面的粗糙度相比提高了 10—150 倍,其中以地衣结皮
最大,其它依次为藻类鄄地衣结皮、苔藓结皮和藻结皮,与生物结皮的发育程度顺序不相吻合,但从结皮表面的
微形态结构特征分析却能很好地解释这一现象。 藻结皮具有平坦光滑的表层构造,而地衣结皮中地衣植物的
三维生长方式形成的明显凹凸表面,是二者粗糙度差异显著的主要原因。 苔藓结皮中苔藓植物密集丛生,但
相对整齐的排列方式和柔韧性,使其粗糙度低于地衣结皮而高于藻结皮。 已有研究表明,砾石覆盖地表的粗
糙度相对于光滑床面增加了 1. 375—663 倍,增加倍数与砾石粒径、砾石覆盖度和自由风速有关[8];植被覆盖
面粗糙度受植被类型、高度、盖度、零平面位移、近地层顶风速以及大气层结稳定度的影响[10]。 对于生物结皮
来说,由有机复合体的生物学性质所决定的暴露于地表以上的结皮形态特征的差异,是理解粗糙度和摩阻风
速变化的关键。
有学者认为粗糙度是一个纯几何参数[28],但越来越多的研究表明它又是一个动力学参数[8, 29],其大小不
仅受粗糙元性质的影响,亦受流经下垫面流体特征的影响。 本次实验对未经扰动的四类生物结皮进行实验,
发现随着风速的变化粗糙度也在变化,特别以地衣结皮的变化较明显,从一个侧面反映了近地表气流湍流对
结皮动力粗糙度的影响。 另外,在自然界中我们经常会看到受到扰动的生物结皮,结皮破损后不仅使床面粗
糙元性质发生了变化,地表的沙物质输移亦会对近地表气流产生影响[30]。 因此,对生物结皮(包括破损结
皮)的此项研究应该同时考虑粗糙元和地表气流的性质。 虽然这会使研究难度有所加大,但研究成果不仅可
以精确反映近地表气流与生物结皮表面物质与能量的交换以及相互作用,也是深入理解结皮分布区风沙活动
产生机制、从理论上指导防沙治沙的关键。
致谢:风洞实验在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙漠与沙漠化重点实验室完成,刘雪灿在野外样品
采集中给予帮助,在此一并致谢。
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0614 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 31,No. 14 July,2011(Semimonthly)
CONTENTS
The sensitivity of Xiamen忆s three industrial sectors to land use changes HUANG Jing, CUI Shenghui, LI Fangyi, et al (3863)……
Desertification and change of landscape pattern in the Source Region of Yellow River
HU Guangyin, DONG Zhibao, LU Junfeng, et al (3872)
…………………………………………………
…………………………………………………………………………
Comparison of ecological significance of landscape diversity changes in karst mountains: a case study of 4 typical karst area in
Guizhou Province LUO Guangjie, LI Yangbing,WANG Shijie,et al (3882)………………………………………………………
Analysis on urban heat island effect based on the dynamics of urban surface biophysical descriptors XU Hanqiu (3890)……………
Primary exploration on the ecological land use classification in Beijing TANG Xiumei,CHEN Baiming,LU Qingbin,et al (3902)……
Changes of spectral reflectance of Pinus koraiensis and Abies nephrolepis along altitudinal gradients in Changbai Mountain
FAN Xiuhua, LIU Weiguo, LU Wenmin, et al (3910)
……………
……………………………………………………………………………
Biomass allocation patterns and allometric models of Abies nephrolepis Maxim
WANG Jinsong, ZHANG Chunyu, FAN Xiuhua, et al (3918)
…………………………………………………………
……………………………………………………………………
Niche analysis of dominant species of macrobenthic community at a tidal flat of Yushan Island
JIAO Haifeng, SHI Huixiong, YOU Zhongjie, et al (3928)
………………………………………
………………………………………………………………………
The influence of different food qualities on the energy budget and digestive tract morphology of Tree Sparrows passer montanus
YANG Zhihong, SHAO Shuli (3937)
………
………………………………………………………………………………………………
The response of ecosystem service values to ambient environment and its spatial scales in typical karst areas of northwest Guangxi,
China ZHANG Mingyang, WANG Kelin,LIU Huiyu,et al (3947)…………………………………………………………………
Root morphology characteristics under alternate furrow irrigation LI Caixia, SUN Jingsheng, ZHOU Xinguo, et al (3956)……………
Allelopathy of the root exudates from different resistant eggplants to verticillium wilt (Verticillium dahliae Kleb. )
ZHOU Baoli, CHEN Zhixia, DU Liang, et al (3964)
……………………
………………………………………………………………………………
Biological cycle and accumulation of lanthanum in the forage鄄mushroom鄄soil system
WENG Boqi,JIANG Zhaowei,WANG Yixiang, et al (3973)
……………………………………………………
………………………………………………………………………
Evaluation of soil loss and transportation load of adsorption N and P in Poyang Lake watershed
YU Jinxiang, ZHENG Bofu, LIU Yafei, et al (3980)
………………………………………
………………………………………………………………………………
Effects of soil resource availabilities on vertical distribution and dynamics of fine roots in a Caragana korshinskii plantation
SHI Jianwei, WANG Mengben, CHEN Jianwen,et al (3990)
…………
………………………………………………………………………
Effects of soil salinization on ammonia volatilization characteristics of urea and urea phosphate
LIANG Fei, TIAN Changyan (3999)
………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
Distribution of marine bacteria and their environmental factors in Xiangshan Bay
YANG Jifang,WANG Haili, CHEN Fusheng, et al (4007)
………………………………………………………
…………………………………………………………………………
Concentration of O3 at the atmospheric surface affects the changes characters of antioxidant enzyme activities in Triticum aestivum
WU Fangfang, ZHENG Youfei, WU Rongjun, et al (4019)
…
………………………………………………………………………
Effects of inhibitor and safener on enzyme activity and phenanthrene metabolism in root of tall fescue
GONG Shuaishuai, HAN Jin, GAO Yanzheng, et al (4027)
…………………………………
………………………………………………………………………
Screening of highly鄄effective rhizobial strains on Alfalfa (Medicago polymorpha) in soil
LIU Xiaoyun,GUO Zhenguo, LI Qiaoxian, et al (4034)
………………………………………………
……………………………………………………………………………
Geochemical evolution processes of soil major elements in the forest鄄dominated Jinshui River Basin, the upper Hanjiang River
HE Wenming, ZHOU Jie, ZHANG Changsheng, et al (4042)
………
……………………………………………………………………
Integrating geographic features and weather data for methodology of rasterizing spring maize growth stages
LIU Qin,YAN Changrong, MEI Xurong, et al (4056)
……………………………
………………………………………………………………………………
A model for predicting flowering date and external quality of cut tulip in solar greenhouse
LI Gang,CHEN Yaru,DAI Jianfeng,et al (4062)
……………………………………………
……………………………………………………………………………………
Moisture effect analysis of pumpkin and oil sunflower intercropping in semi鄄arid area of northwest Hebei Province
HUANG Wei,ZHANG Junhua,LI Wenhong,et al (4072)
……………………
…………………………………………………………………………
Review and Monograph
Theoretical backgrounds and recent advances in avian molecular phylogeography DONG Lu, ZHANG Yanyun (4082)………………
A review on spatial attributes of nature reserves and optimal site鄄selection methods WANG Yicheng (4094)…………………………
Human activities are the principle cause of biotic homogenization CHEN Guoqi, QIANG Sheng (4107)………………………………
Factors influencing the occurrence of Ophiocordyceps sinensis ZHANG Guren, YU Junfeng, WU Guangguo, et al (4117)……………
Molecular detection of diversity of methanogens and methanotrophs in natural wetland soil SHE Chenxing, TONG Chuan (4126)……
Scientific Note
Soil quality assessment of continuous cropping cotton fields for different years in a typical oasis in the upper reaches of the Tarim
River GONG Lu, ZHANG Haifeng, L譈 Guanghui, et al (4136)…………………………………………………………………
Dynamics of microbial biomass during litter decomposition in the alpine forest
ZHOU Xiaoqing, WU Fuzhong, YANG Wanqin, et al (4144)
…………………………………………………………
……………………………………………………………………
The aerodynamic roughness length of biologicalsoil crusts:a case study of Gurbantunggut Desert
WANG Xueqin, ZHANG Yuanming, ZHANG Weimin, et al (4153)
………………………………………
………………………………………………………………
Differences among population quantities and community structures of pests and their natural enemies in tea gardens of different
altitudes KE Shengbing, DANG Fenghua, BI Shoudong, et al (4161)……………………………………………………………
2009 年度生物学科总被引频次和影响因子前 10 名期刊绎
(源于 2010 年版 CSTPCD数据库)
排序
Order
期刊
Journal
总被引频次
Total citation
排序
Order
期刊
Journal
影响因子
Impact factor
1 生态学报 11764
2 应用生态学报 9430
3 植物生态学报 4384
4 西北植物学报 4177
5 生态学杂志 4048
6 植物生理学通讯 3362
7
JOURNAL OF INTEGRATIVE
PLANT BIOLOGY
3327
8 MOLECULAR PLANT 1788
9 水生生物学报 1773
10 遗传学报 1667
1 生态学报 1. 812
2 植物生态学报 1. 771
3 应用生态学报 1. 733
4 生物多样性 1. 553
5 生态学杂志 1. 396
6 西北植物学报 0. 986
7 兽类学报 0. 894
8 CELL RESEARCH 0. 873
9 植物学报 0. 841
10 植物研究 0. 809
摇 绎《生态学报》 2009 年在核心版的 1964 种科技期刊排序中总被引频次 11764 次,全国排名第 1; 影响因
子 1郾 812,全国排名第 14;第 1—9 届连续 9 年入围中国百种杰出学术期刊; 中国精品科技期刊
摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 31 卷摇 第 14 期摇 (2011 年 7 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
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(Semimonthly,Started in 1981)
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Vol郾 31摇 No郾 14摇 2011
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