黃河源區(qū)高寒草甸草地覆被變化的水文過程與生態(tài)功能響應(yīng)研究.pdf

1、黃河源高寒生態(tài)系統(tǒng)是一個特殊的系統(tǒng)，容易受到全球變化和人類活動的影響，現(xiàn)階段已經(jīng)出現(xiàn)了不同程度的退化。植被退化對于整個高寒生態(tài)系統(tǒng)的安全和生態(tài)平衡造成了嚴(yán)重影響。作為國家自然基金重大研究計(jì)劃項(xiàng)目“長江黃河源區(qū)高寒生態(tài)系統(tǒng)對全球氣候變化的響應(yīng)及其水文效應(yīng)”研究的重要組成部分，本論文主要針對黃河源區(qū)高寒草甸水文過程對植被退化的響應(yīng)以及覆被變化所導(dǎo)致的生態(tài)功能的影響，選擇典型的研究區(qū)域和高寒草甸樣地，進(jìn)行入滲、截留、產(chǎn)流產(chǎn)沙、水分動態(tài)分布、季

2、節(jié)性凍土溫度濕度耦合變化等水文過程觀測，同時(shí)還進(jìn)行不同退化程度高寒草甸群落結(jié)構(gòu)調(diào)查、地上地下生物量，以及植被退化引起高寒草甸物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分變化的測定，并把黃河源高寒地區(qū)的生態(tài)水文過程通過VIC模型加以實(shí)現(xiàn)。 1、雙環(huán)入滲儀常用于黃土丘陵地區(qū)土壤入滲過程觀測，本研究中使用改進(jìn)后的野外雙環(huán)入滲儀器進(jìn)行黃河源高寒草甸的入滲試驗(yàn)，結(jié)果表明該儀器能夠較好地應(yīng)用于高寒地區(qū)的淺層土壤水分垂向一維運(yùn)動觀測。使用幾種入滲基本模型對不同蓋度高寒

3、草甸土壤入滲過程擬合，并在入滲瞬變階段(0-15min)，入滲漸變階段(15-60min)以及入滲穩(wěn)定階段(60min以后)進(jìn)行綜合擬合評價(jià)，認(rèn)為考斯加科夫(Kostiakov)入滲公式，f(r)=at<'-b>較菲利浦公式、霍頓公式以及通用經(jīng)驗(yàn)公式更適用于高寒草甸土壤水分入滲過程的研究。 2、土壤水分狀況是決定草甸植被布局和生長的關(guān)鍵性因素，對高寒草甸土壤水分的研究具有重要意義。在植被生長季節(jié)，土壤水分狀況受植被覆蓋和地形因素

4、影響較大。不同深度土壤水分隨著絕對海拔高度的升高呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，其關(guān)系滿足一元二次回歸模型，其中表層土壤(10-30cm)和60cm土層水分與絕對海拔高度擬合程度較好，并且土壤水分與海拔高度相關(guān)性較強(qiáng)。植物生長旺季不同退化程度土壤水分的剖面變化特征均分為兩種類型：第一種是降低型，包括灌叢草甸和黑土灘兩種。第二種是波動型，包括嵩草草甸和退化草地。不同退化程度土壤水分剖面變化按照灌叢草甸、嵩草草甸、輕度退化、中度退化和黑土灘的順

5、序呈現(xiàn)以輕度退化草甸為對稱軸的對稱變化趨勢，依次向兩邊為波動和減小的變化趨勢。 3、熱量是影響高寒草甸草地土壤水分分布與遷移的控制因素。使用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPsS以及數(shù)據(jù)回歸分析系統(tǒng)DRS中的統(tǒng)計(jì)方法，對不同植被蓋度下不同深度處觀測到的土壤溫度和含水量數(shù)據(jù)來建立回歸模型，將2個參數(shù)聯(lián)系起來。θ<,v>-T<,s>之間表現(xiàn)出較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R<'2>變化范圍在凍結(jié)階段和融化階段分別(0.83-0.96)以及(0.92-0.96

6、)。對土壤凍結(jié)和融化階段內(nèi)含水量和溫度θ<,v>-T<,s>相互關(guān)系的研究，為討論土壤水分和溫度對土壤凍融循環(huán)的影響提供了一個有效工具，模擬結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)之間較好的相關(guān)性也驗(yàn)證了模型和方法。 4、在水文水資源分析計(jì)算中，對降雨損失的處理，往往只對蒸散發(fā)和土壤下滲量進(jìn)行計(jì)算，忽視了植被的降雨截留損失，這樣至少在理論上說是不完善的。研究選擇兩種不同生長格局的高寒草甸(嵩草草甸及灌叢草甸)進(jìn)行截留對比試驗(yàn)，結(jié)果表明由于地面植株高低、葉

7、片形狀、葉面積、地下生物量等因素的差異，灌叢草甸的最大截留量達(dá)到1.8mm，而嵩草草甸植物的最大截留量為1.0mm，相對于試驗(yàn)流域的多年平均降雨，其截留損失分別為18.2％和10.8％。高寒草甸產(chǎn)流、產(chǎn)沙的試驗(yàn)結(jié)果表明，不同植被蓋度的嵩草草甸其產(chǎn)流、產(chǎn)沙過程可以用冪函數(shù)R=at<'b>分布來描述，隨著蓋度由大變小，方程參數(shù)a值逐漸變小，b值逐漸增大；而覆蓋度在5％以下的黑土灘，其產(chǎn)流、產(chǎn)沙過程更符合指數(shù)函數(shù)R=at<'b>分布。同時(shí)，徑

8、流場植被總體蓋度與產(chǎn)流歷時(shí)之間關(guān)系回歸方程為C=3.4881nt<,p>-11.772(R<'2>=0.9447)，植被蓋度與產(chǎn)流歷時(shí)呈正相關(guān)，即產(chǎn)流歷時(shí)隨植被蓋度的增加而延長，從而表明坡地減輕水土流失、減少地表徑流的重要措施之一是增加近地表植被的覆蓋度。 5、對不同退化程度高寒草甸群落結(jié)構(gòu)調(diào)查以及地上、地下生物量測定，2005年8月的測定結(jié)果表明：植物群落多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)在中度退化階段最高，隨著草甸退化程度加大，呈單峰式

9、曲線變化規(guī)律；重度退化草甸地下總生物量較輕度退化草地減少1.74倍，其中0cm-15cm土層中的生物量減少1.9倍，15cm-30cm土層中的生物量減少0.85倍。輕度退化草地0cm-15cm土層中的生物量占地下總生物量的88.57％，15cm-30cm土層中的生物量占地下總生物量的11.43％；重度退化草地0cm-15cm土層中的生物量占地下總生物量的97.32％，15cm-30cm土層中的生物量僅占地下總生物量的2.68％。輕度退化