青藏高原不同土地利用方式下的土壤质量评价

为进行青藏高原不同土地利用方式下土壤质量对比并研究其影响因素,以位于青南江河湖源区、藏北高原和南亚通道的三条样带为研究区,针对区域内高寒草甸、荒漠草原、农田和沙地这四种土地利用方式,采用主成分分析法建立最小数据集（minimum data set,MDS）,计算土壤质量综合指数（soil quality index,SQI）并进行土壤质量评价。结果表明：（1）评价青藏高原土壤质量的MDS包括容重、有机质、全氮、全钾和有效磷,按SQI大小将土壤质量分为五级,研究区土壤质量较差,以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级为主且东部土壤质量优于西部;（2）研究区土壤质量高寒草甸＞荒漠草原＞农田＞沙地,且高寒草甸土壤质量显著优于荒漠草原、农田和沙地,后三者间土壤质量差异不大,MDS中对土壤质量起主要作用的指标为有机质、全氮和有效磷;（3）在土壤质量的众多影响因素中,本文主要考虑的是植被盖度、风蚀强度和人类活动,其中高寒草甸植被盖度大,风蚀强度弱,土壤质量好,荒漠草原和沙地植被盖度小,风蚀强度大,土壤质量差,而农田土壤质量受人类活动影响。     

典型草原抗风蚀能力的实验研究

为了了解人为干扰对典型草原抗风蚀能力的影响,采用风洞实验的方法对不同干扰条件下典型草原原状土的抗风蚀能力进行了研究.不同时间禁牧草原的风洞实验结果表明,禁牧典型草原的风蚀量和风蚀率都明显低于自由放牧草原,而且,在相同风速下,禁牧时间越长,侵蚀率及侵蚀量越小;草原开垦后,土壤的侵蚀率和侵蚀量远远高于典型草原,而且风速越大,相差越大;草原土壤侵蚀率随风速的增加而增加,但受草原土壤可侵蚀量的限制.另外,人工模拟干扰实验表明,典型草原土壤的侵蚀率与干扰程度呈直线相关关系.结果说明:放牧及耕作会使典型草原的抗风蚀能力明显降低,而禁牧可以有效提高其抗风蚀能力.在典型草原区,实行禁牧是遏制草原退化的有效措施.     

高寒草地土壤保持功能的风洞模拟及其定量评估

青藏高原高寒草地的土壤保持功能对于保护生态环境具有重要的作用。为了研究人类活动不同干扰方式对高寒草地土壤保持功能的影响,利用大型风洞,对不同干扰方式下高寒草甸、草原化草甸和高寒草原3个类型的土壤保持功能定量评估,以侵蚀率作为土壤保持功能的测度指标。实验结果表明,随着风速的增大,3个样品的土壤侵蚀率均呈现增大趋势,但不同处理下侵蚀率的增幅不同。当植被根系破坏后,土壤侵蚀率大小为高寒草甸<草原化草甸<高寒草原,说明,高寒草甸土壤的可蚀性低,高寒草原土壤的可蚀性高,极易遭到破坏。从总体来看,土壤保持功能的强弱依次为高寒草甸>草原化草甸>高寒草原。风蚀前后土壤中有机质和养分含量的变化分析表明,土壤有机质和养分含量显著下降,其中速效K2O的养分含量下降幅度最大。对3个草地类型单位面积土壤保持经济价值进行计算,计算主要包括保持有机碳、保持养分和减少土壤流失对河流湖泊淤积3个方面的价值。结果表明,高寒草原化草甸单位面积的土壤保持价值最高,其次为高寒草甸,高寒草原单位面积土壤保持价值最低。     

滇西北纳帕海高原湿地区域退化草甸土壤有机碳含量特征

为了解气候变化和人类活动双重影响下纳帕海高原湿地区域有机碳含量特征,采用空间格网状抽样调查方法,对区域内退化系列下湿地草甸w（SOC）（SOC为土壤有机碳）特征进行研究.结果表明:① 随着草甸的退化及土壤深度的增加,土壤含水量呈下降趋势,土壤容重呈增加趋势;② 从无退化草甸到重度退化草甸,植被地上生物量从321.4 g/m2降至142.1 g/m2;③ 在地表至地下50 cm深度范围内,从无退化到重度退化草甸,w（SOC）分别为28.21、20.59、18.01、14.81 g/kg,湿地草甸退化导致w（SOC）下降了近50%,ρ（SOC）从40.92 kg/m3降至25.23 kg/m3;④ 狼毒草甸的w（SOC）、ρ（SOC）等均表现出相对较高的水平,仅次于无退化样地;⑤ w（SOC）与土壤含水量呈显著正相关（P < 0.05）、与土壤容重呈显著负相关（P < 0.01）.湿地草甸植被退化所形成的地上植被盖度及生物量的下降,以及土壤含水量的下降和土壤容重的增加,最终导致近50%左右的w（SOC）发生流失;此外,若从同类研究中季节性淹水的沼泽或沼泽化草甸转变为该研究中常年出露于水面的草甸景观后,在20 cm土壤深度内将导致45%以上的w（SOC）损失.      

砾石覆盖防风蚀风洞实验

利用风洞实验开展了2 cm粒径砾石覆盖防风蚀效果研究。实验结果表明:砾石覆盖的存在可大幅降低沙床输沙率;同一风速下,输沙率随覆盖度的增加而降低,砾石覆盖率高于35%时床面不发生明显风蚀;同一砾石覆盖度下,输沙率随风速的增加而增加,风速超过18 m/s时输沙率迅速增加。采用风蚀防护率指标评价了砾石覆盖的防风蚀效果,当覆盖度不低于35%、风速不超过26 m/s时,风蚀防护率均大于90%。研究结果对采用砾石覆盖进行某数百平方公里的场地防风固沙工程设计具有参考价值。     

降水波动对呼伦贝尔草甸草原初级生产力年际动态影响

降水是控制草原植被生产力最关键的因素. 为探明降水量在不同时间尺度上的波动及其对草原植被的响应机制,以呼伦贝尔草甸草原为研究对象,选用反映年际降水量波动的降水集中度和偏离期2个因子,将以地面光谱生物量模型计算获得的草甸草原植被NPP(net primary production,净初级生产力)与不同周期降水量和降水波动因子建立回归模型,分析年际降水量波动对草甸草原植被NPP的影响. 结果表明:①在呼伦贝尔草甸草原区,以年内4—7月为关键期,P_k(关键期累积降水量)对草甸草原植被NPP的影响最大,C_dk(关键期降水集中度)平均值为0.439±0.182,d_k(关键期降水偏离期)平均值为31.6 d,变幅为-3.6~94.2 d. ②以P_k和以旬为单位的C_dk、d_k构建的草甸草原植被NPP估算模型,y=-52.11+88.957C_dk+0.724d_k+0.953P_k,能较好地反映草甸草原植被NPP与降水波动之间的关系,模型估测精度可达91.0%. 因此,在半干旱草原区,利用基于遥感植被反射光谱构建的NPP模型计算草甸草原植被NPP具有较高的可信度,并且与样方调查结果有极高的关联性.      

植被对风沙土风蚀作用的影响

以植物模型、风沙土为实验材料，以风洞模拟实验为研究手段得出初步结论：地表粗糙度为植被特征参数的函数，随植被盖度的增加呈幂函数增加；随植被作用区面积蛎呈线性增加；与行状植物的排列方向和主风向夹角的平方根成正比。在盖度相同的条件下，均匀分布较丛状分布可产生较大的粗糙度。风蚀率随植被盖度的减少呈指数增加。植被盖度对风沙土风蚀作用的影响可划分为３种程度类型：大于６０％为轻度风蚀和无风蚀。６０％￣２０％为中     

焉耆盆地天然植被与地下水关系研究

根据不同水分、盐分梯度,将焉耆盆地分为河畔区、荒漠区和湖畔区。调查不同区天然植被种类、数量、盖度等因子与不同水分、盐分的关系,结果表明：河畔区从第一分水枢纽到开都河下游70km范围内,土壤水分无明显梯度变化,土壤盐分、地下水矿物质含量则呈明显增加趋势;随盐分梯度变化,乔、灌、草植被盖度与土壤含盐量呈指数关系;适宜植被生长的地下水埋深范围为0.5~2.4m,当地下水矿物质含量为0.62g/L时,河畔区植被生长最好。荒漠区（西区、南区、北区）从西北到东南方向,土壤水分、盐分均呈增加趋势;不同盐分条件对植被盖度有明显影响,当土壤含盐量在6~10g/kg之间时,随土壤含盐量增加,植被覆盖度降低,植被种类明显减少。湖畔区离湖1~3km范围,随离湖距离增加,土壤水分减小,盐分增大;随土壤含盐量增加,灌、草植被盖度逐渐减小,适宜植被生长的地下水埋深范围为0.5~5.7m;当地下水矿物质含量0.5g/L左右时,湖畔区植被生长最佳;地下水矿物质含量3~5g/L时,盐漠植被仍生长良好。     

西北地区戈壁和绿洲风蚀起沙(尘)的研究

利用敦煌地区戈壁和绿洲的观测资料,分析了两种地表下春季的风蚀起沙(尘)情况.研究表明,在自然状态下,由于地表土壤的粒子尺度分布特征、植被覆盖度及地表土壤水分含量等下垫面特征不同,绿洲地表风蚀起沙的临界摩擦速度要大于戈壁地表,其垂直尘粒通量(风蚀起沙率)比戈壁地表小将近一个数量级;但考虑人为的翻耕作用时,绿洲地表风蚀起沙的临界摩擦速度可能会减小一半以上,其垂直尘粒通量也将增加大约一个数量级,甚至比戈壁地表还要大.     

沙质农田作物不同间作采收模式休耕期的防风效应

油沙豆(Cyperus esculentus)是集粮、油、牧、饲于一体的高利用价值新兴经济作物,在我国沙区调整种植结构及沙化土地改良中有重要作用. 油沙豆茎块在采收过程中易破坏表层土壤、引发风蚀,因此,探究油沙豆防风阻沙的保护性耕作模式是实现油沙豆在沙区种植的重要前提. 本文基于乌兰布和沙漠油沙豆农田现有间作模式,通过风洞模拟试验,探究不同风速下6种间作模式(2种间作作物×3种带间距)的防风蚀效果. 结果表明:①不同带间距模式在各风速下的风速廓线均呈对数形式,粗糙度随带间距的增加而减小. ②间作作物对垂直流场结构分布特征有显著影响,间作玉米各带间距模式近地表风速均低于当地起沙风速(6 m/s);间作向日葵各带间距模式近地表风速均高于起沙风速,约为9 m/s. ③风速对各间作模式的防风效能具有显著影响,防风效能随风速的增大呈减小趋势. ④间作带的防风效能随带间距的增加而减小,表现为带间距8 m>带间距16 m>带间距24 m. 间作玉米模式的防风效能大于间作向日葵模式,其中,玉米带间距8 m及16 m的模式其近地表防风效能均大于50%,是油沙豆农田防风阻沙的最优模式. 研究显示,考虑到农田的经济效益,带间距16 m的间作玉米模式是油沙豆农田兼顾生态效益和经济效益的最优间作模式.      

西藏高原生态系统服务时空格局及其变化特征

西藏高原是我国国家生态安全格局中至关重要的区域,维护提升其生态屏障功能是该区生态保护的核心目标。论文分析了1990—2010年西藏高原生态系统类型及其服务能力的时空变化格局,开展近20 a生态屏障功能的综合评估。结果表明：1）近20 a,西藏高原生态系统宏观格局稳定少动,森林、水体与湿地面积略有增加,草地、荒漠面积减少;2）森林、草地、湿地生态系统水源涵养量为895.19×10⁸ m³,平均单位面积水源涵养量为744.48 m³/hm²,近20 a水源涵养服务在波动中有所提升;3）水蚀区土壤水蚀模数为3 876 t/km²,土壤水蚀量为10.31×10⁸ t,生态系统土壤保持服务保有率为66.3%,近20 a土壤侵蚀量下降,而土壤保持服务保有率呈持续上升趋势;4）土壤风蚀模数为1 581.2 t/km²,土壤风蚀量为18.99×10⁸ t,防风固沙服务保有率为66.5%,近20 a由于风场强度减弱与植被覆盖度增加,土壤风蚀量下降,而生态系统防风固沙服务保有率持续提升;5）森林、草地、湿地碳固定服务量为1.95 Pg C,从前10 a略有下降态势转变为后10 a轻微上升趋势。     

黑河流域草地承载力研究

应用RS和GIS技术,从研究区植被类型、土壤侵蚀、坡度、距水源距离、生物多样性和生态系统保护等方面,确定了黑河流域不适合和适合放牧的区域。在适合放牧的区域,根据草地类型估测产草量。在牧草分配方面,从避免土壤侵蚀和遭遇干旱时保证植被群落弹性和再生的需要以及满足昆虫和土壤无脊椎动物及野生动物需要两个方面考虑了满足生态需要的牧草生物量。在确定放牧强度时,从坡度和距离水源远近两个方面考虑了载畜量的减少比例。在此基础上,计算出满足生态保护需要的草地承载力。研究结果表明,黑河流域适合放牧的区域仅占总面积的17.693%,在适合放牧的区域,天然草地的承载力为0.009～2.055只羊单位/hm²。     

三江源典型高寒草地坡面土壤有机碳变化特征及其影响因素

以三江源地区高寒草地退化坡面为研究对象,从草地类型、鼠害和自然因素如水蚀、风蚀、冻融作用这一角度上探讨发生在不同退化程度上土壤有机碳的变化特征,对明晰高寒地区退化草地的碳变化机理和全球气候响应具有重要意义。结果表明:同一侵蚀环境条件和退化程度下,以小嵩草、矮嵩草为优势种高寒草甸比以紫花针茅为优势种的高寒草原土壤有机碳蓄存能力高。轻度退化程度受水蚀影响的高寒草甸曲麻河乡QMH1坡面土壤有机碳平均含量是相距3.5 km高寒草原曲麻河乡QMH2坡面的2.2倍(P<0.01);轻度退化程度受风蚀影响的高寒草甸五道梁WDL坡面土壤有机碳平均含量是高寒草原不冻泉BDQ坡面土壤有机碳含量的3.8倍(P<0.01)。水蚀作用显著影响了高寒退化草地土壤有机碳在坡面上的分布,表现为随坡面向下迁移富集的特征。轻度退化程度受水蚀影响的高寒草甸玛龙ML1号坡面下坡位(距坡顶580 m以下)土壤有机碳平均含量比上坡位(距坡顶580 m以上)高22%(P<0.01)。高寒草甸玛龙ML2坡面土壤有机碳分布特征,不仅具有土壤有机碳含量随退化程度加剧而降低的规律,还叠加有土壤有机碳随水土流失向下富集的迁移分布规律,具体表现为坡上位轻度退化>坡中下位中度退化>坡下位极度退化>坡中上位重度退化,因极度退化坡位处于重度退化的下坡位,表现出极度退化坡位土壤有机碳含量比重度退化坡位高49.3%(P<0.05)。风蚀作用使高寒退化草地表层土壤粗骨化和土壤有机碳加速矿化,表现为受湖陆风影响较弱的鄂陵湖ELH坡面土壤有机碳平均含量比受湖陆风影响较强的扎陵湖ZLH坡面高27.9%(P<0.05)。冻融垮塌降低了高寒退化草地土壤有机碳平均含量,但差异不显著。鼠害影响降低了高寒退化草地土壤有机碳的平均含量,并加速了高寒草地退化的进程。中度退化鼠洞周围SDⅠ-Ⅲ土壤有机碳平均含量是极度退化鼠洞周围SDⅣ-Ⅵ的2.1倍;而未受鼠害影响的中度退化ML2Ⅰ-Ⅱ土壤有机碳平均含量是极度退化ML2Ⅳ-Ⅵ的1.6倍。高寒坡面草地受水蚀、风蚀、冻融以及鼠害等因素作用加剧了土壤有机碳的损失。     

阴山北麓草原生态功能区防风固沙服务受益范围识别

风蚀是北方干旱与半干旱农牧交错带面临的严峻问题。论文以阴山北麓草原生态功能区为例,利用HYSPLIT模型模拟了当地生态系统提供的防风固沙服务流动路径,通过空间插值获得了功能区防风固沙服务的受益范围及其获得效益的相对大小,确定了受益范围内的土地覆被、受益人口及GDP。研究结果显示：1）2010年阴山北麓草原生态功能区的防风固沙服务大部分发生在春季,其流动路径主要往功能区东部和东南部区域延伸;2）防风固沙受益土地面积占全国土地面积的46%,主要位于功能区东部和南部地区;3）功能区受益的人口占当年全国总人口的75%,受益GDP占当年全国GDP总量的67%。未来可以根据受益区获得防风固沙效益的相对大小确定受益区不同区域横向生态付费金额,以补偿当地采取防风固沙措施导致的经济损失和投入,实现地区间公平,促进区域可持续发展。     

持续放牧和围封对科尔沁退化沙地草地碳截存的影响

研究了科尔沁退化沙地草地持续放牧和围封恢复下土壤-植物系统的碳(C)贮存,以揭示草地管理对C动态的影响.结果表明,0～15cm土壤OC和植物系统贮存的C(包括初级生产固定的C,立枯和地表凋落物C和根系C)贮量大小为:围封10年草地(584g·m^-2和309 g·m^-2)＞围封5年草地(524g·m^-2和146g·m^-2)＞持续放牧草地(493g·m^-2和95 g·m^-2).在围封10年,围封5年和持续放牧草地中,0～15cm土壤贮存C分别占各自土壤-植物系统C的65.3%,78.2%和83.9%.在风蚀严重的科尔沁沙地,持续放牧对植被,土壤及其周围环境有极严重的恶化作用.采取围封恢复措施后,植被恢复和凋落物积累使土壤免遭风蚀,也显著增加了土壤有机质的输入,因而显著作用于大气C的截存.但排除家畜放牧的长期围封使植物C向土壤C的再循环受到限制,截存的大部分C以凋落物的形式积存在土壤表面,需进一步深入研究围封的时间尺度.研究结果表明,退化沙地草地在采取有效的保护措施后,可以由C源变为C汇.     

植被覆盖对沙尘天气滞后性影响的机制分析

1982～2000年卫星和335个气象台站沙尘天气观测资料相关分析显示,中国区域沙尘天气年发生频次与植被覆盖率存在非线性关系.在沙尘天气主要发生源地,夏季植被的覆盖状况会直接影响后期冬春两季各类沙尘天气的发生次数,而这种影响机制却不清楚.本研究通过准地转正压模式,从3个摩擦量级分析了上述现象的物理机制.结果表明,在大气与水面摩擦系数量级,最高可在72 h内使边界层大气风速平均下降90%;在大气与裸土摩擦量级,18 h内边界层大气平均风速最高可下降100%;在大气与植被摩擦量级,1 h内边界层大气平均风速就可以下降100%.观测事实和模拟结果证实,地表植被残存的根茎,是影响冬春两季沙尘天气发生频次的重要因素之一.残留根茎对大气的摩擦阻挡作用,是夏季植被对沙尘天气产生滞后性作用的主要机制.     

长期开垦与放牧对内蒙古典型草原地下碳截存的影响

以围封26 a草地(E26)为对照,研究了内蒙古典型草原区长期开垦与放牧对土壤-植物根系系统碳截存的影响.结果表明,0～40 cm土壤和根系中的C贮量, E26(7 307.59和950.32 g·m-2)≈连续放牧草地(LG)(7834.01和843.43 g·m-2)>开垦35 a耕地(LC)(4537.04和277.35 g·m-2). E26、LG和LC中,0～40 cm土壤贮存的C分别占各自土壤-根系系统C总贮量的88.49%、90.28%和94.24%.长期开垦完全破坏了草地原生的植被-土壤系统,造成严重的土壤风蚀:相对于E26,比中O～10 cm和10～20 cm砂粒含量分别增加了81%和39%,0～40 cm土层中根系生物量减少了71%;长期开垦导致草地土壤及根系碳截存分别降低了37.9%和70.8%.因此,在草原地区,若将长期开垦的耕地恢复为天然草地,土壤和植物根系将会有较大的固碳潜力.放牧对该区土壤有机碳含量及根系生长的影响较小;但长期放牧样地土壤表层容重显著增加,预示目前放牧压力已达到或接近草地的承载阈值,应及时减小放牧压力以避免草地的进一步退化.