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《兰州大学》 2007年
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黄河源区高寒草甸草地覆被变化的水文过程与生态功能响应研究

程慧艳  
【摘要】: 黄河源高寒生态系统是一个特殊的系统,容易受到全球变化和人类活动的影响,现阶段已经出现了不同程度的退化。植被退化对于整个高寒生态系统的安全和生态平衡造成了严重影响。作为国家自然基金重大研究计划项目“长江黄河源区高寒生态系统对全球气候变化的响应及其水文效应”研究的重要组成部分,本论文主要针对黄河源区高寒草甸水文过程对植被退化的响应以及覆被变化所导致的生态功能的影响,选择典型的研究区域和高寒草甸样地,进行入渗、截留、产流产沙、水分动态分布、季节性冻土温度湿度耦合变化等水文过程观测,同时还进行不同退化程度高寒草甸群落结构调查、地上地下生物量,以及植被退化引起高寒草甸物理结构、化学成分变化的测定,并把黄河源高寒地区的生态水文过程通过VIC模型加以实现。 1、双环入渗仪常用于黄土丘陵地区土壤入渗过程观测,本研究中使用改进后的野外双环入渗仪器进行黄河源高寒草甸的入渗试验,结果表明该仪器能够较好地应用于高寒地区的浅层土壤水分垂向一维运动观测。使用几种入渗基本模型对不同盖度高寒草甸土壤入渗过程拟合,并在入渗瞬变阶段(0-15min),入渗渐变阶段(15-60min)以及入渗稳定阶段(60min以后)进行综合拟合评价,认为考斯加科夫(Kostiakov)入渗公式f(t)=at~(-b)较菲利浦公式、霍顿公式以及通用经验公式更适用于高寒草甸土壤水分入渗过程的研究。 2、土壤水分状况是决定草甸植被布局和生长的关键性因素,对高寒草甸土壤水分的研究具有重要意义。在植被生长季节,土壤水分状况受植被覆盖和地形因素影响较大。不同深度土壤水分随着绝对海拔高度的升高呈现先增大后减小的变化规律,其关系满足一元二次回归模型,其中表层土壤(10-30cm)和60cm土层水分与绝对海拔高度拟合程度较好,并且土壤水分与海拔高度相关性较强。植物生长旺季不同退化程度土壤水分的剖面变化特征均分为两种类型:第一种是降低型,包括灌丛草甸和黑土滩两种。第二种是波动型,包括嵩草草甸和退化草地。不同退化程度土壤水分剖面变化按照灌丛草甸、嵩草草甸、轻度退化、中度退化和黑土滩的顺序呈现以轻度退化草甸为对称轴的对称变化趋势,依次向两边为波动和减小的变化趋势。 3、热量是影响高寒草甸草地土壤水分分布与迁移的控制因素。使用统计分析软件SPSS以及数据回归分析系统DRS中的统计方法,对不同植被盖度下不同深度处观测到的土壤温度和含水量数据来建立回归模型,将2个参数联系起来。θ_V-T_S之间表现出较好的相关性,相关系数R~2变化范围在冻结阶段和融化阶段分别(0.83-0.96)以及(0.92-0.96)。对土壤冻结和融化阶段内含水量和温度θ_V-T_S相互关系的研究,为讨论土壤水分和温度对土壤冻融循环的影响提供了一个有效工具,模拟结果与观测数据之间较好的相关性也验证了模型和方法。 4、在水文水资源分析计算中,对降雨损失的处理,往往只对蒸散发和土壤下渗量进行计算,忽视了植被的降雨截留损失,这样至少在理论上说是不完善的。研究选择两种不同生长格局的高寒草甸(嵩草草甸及灌丛草甸)进行截留对比试验,结果表明由于地面植株高低、叶片形状、叶面积、地下生物量等因素的差异,灌丛草甸的最大截留量达到1.8mm,而嵩草草甸植物的最大截留量为1.0mm,相对于试验流域的多年平均降雨,其截留损失分别为18.2%和10.8%。高寒草甸产流、产沙的试验结果表明,不同植被盖度的嵩草草甸其产流、产沙过程可以用幂函数R=at~b分布来描述,随着盖度由大变小,方程参数a值逐渐变小,b值逐渐增大;而覆盖度在5%以下的黑土滩,其产流、产沙过程更符合指数函数R=ae~(bt)分布。同时,径流场植被总体盖度与产流历时之间关系回归方程为C=3.488lnt_p-11.772(R~2=0.9447),植被盖度与产流历时呈正相关,即产流历时随植被盖度的增加而延长,从而表明坡地减轻水土流失、减少地表径流的重要措施之一是增加近地表植被的覆盖度。 5、对不同退化程度高寒草甸群落结构调查以及地上、地下生物量测定,2005年8月的测定结果表明:植物群落多样性指数和均匀度指数在中度退化阶段最高,随着草甸退化程度加大,呈单峰式曲线变化规律;重度退化草甸地下总生物量较轻度退化草地减少1.74倍,其中0cm-15cm土层中的生物量减少1.9倍,15cm~30cm土层中的生物量减少0.85倍。轻度退化草地0cm-15cm土层中的生物量占地下总生物量的88.57%,15cm-30cm土层中的生物量占地下总生物量的11.43%;重度退化草地0cm-15cm土层中的生物量占地下总生物量的97.32%,15cm-30cm土层中的生物量仅占地下总生物量的2.68%。轻度退化草地和重度退化草地地下生物量与地上生物量比值分别为4.98和3.47。 6、植被覆盖变化必然导致土壤环境发生显著改变,研究表明,植被退化导致高寒草甸土壤的容重都有增大的趋势,尤其土壤表层0-10cm范围的土壤容重变化与植被盖度之间的关系最突出;全剖面(0-40cm)有机质、全N和水解N的损失分别为69%、61%和68%;速效N、速效P和速效K的流失率分别为51%、38%和21.5%左右。
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