不同退化程度下的高寒草甸主要温室气体通量

青藏高原高寒草甸对于气候变化和人类活动敏感而脆弱,以高寒草甸4个退化阶段:原生草甸(NM)、轻度退化草甸(LM)、中度退化草甸(MM)和重度退化草甸(HM)为研究对象,利用静态箱法研究了草甸退化对于草地主要温室气体通量的影响。结果表明:不同放牧强度对于草地温室气体通量影响显著,重度退化草甸相比原生草甸CH_4吸收显著增加(p0.05),CO_2排放能力逐渐降低,N_2O排放能力显著增强(p0.05),放牧活动对于高寒草甸的影响首先表现在植被上,而土壤环境的变化相比植被更加迟滞,因此退化年限对于草地温室气体通量至关重要。通过逐步回归分析得知,草甸甲烷通量主要影响因子为土壤紧实度、有机质、植被盖度;二氧化碳通量主要影响因子为全磷、植被盖度、全氮;氧化亚氮通量主要影响因子为有机质、紧实度、死根,高寒草甸退化演替发展到重度退化阶段时释放大量温室气体。     

高寒草甸典型小流域土壤水分空间变异对比研究

以寒区两个典型小流域为例,根据理论变异函数,通过Krige空间内插法对比研究小流域0～30cm层土壤水分空间变异性及其特征。结果表明：（1）受植被类型、覆盖度影响,水平方向上,同一流域不同植被类型土壤含水量分布为：高寒灌丛草甸〉高寒嵩草草甸〉退化草地;相同草甸类型条件下,纳通河流域平均土壤水分含量均小于跨热洼尔玛流域;各坡位、坡向草甸植被严重退化区域土壤水分含量均略小于高寒草甸草地区域。（2）从剖面分析,跨热洼尔玛流域各层土壤含水量均大于纳通河流域;剖面变异性、土壤水分下渗速度纳通河流域总体均大于跨热洼尔玛流域;土壤水分变化剧烈程度高寒草甸草地区域在20～30 cm层、植被退化区域10～20 cm层;土壤水分下渗速度草甸植被严重退化区域大于高寒草甸草地;高寒草甸草地区域在10～20 cm层土壤水分在下渗过程中有一定的滞后作用;而草甸植被严重退化区域则无此类情况。     

三江源区不同退化程度高寒草甸表土层的土壤水分变化特征

土壤水分是影响青藏高原高寒草甸生态过程和生态承载能力关键因素之一,掌握其变化特征对于高寒地区生态保护和修复具有重要意义.基于HOBO土壤温湿度仪器监测数据,分析2019年8月至2020年8月三江源区不同退化程度(未退化(ND)、轻中度退化(LMD),重度退化(HD))下高寒草甸表土层土壤3个层级L1(0-5 cm)、L...     

青藏高原高寒草甸退化对土壤氮素转化微生物基因的影响

[目的]深入分析高寒草甸退化过程中土壤氮素转化特征,明确草甸退化对土壤氮素转化微生物基因丰度的影响,为认识高寒草甸的退化机理以及科学治理高寒退化草甸提供重要依据。[方法]以青藏高原不同退化程度高寒草甸(未退化、轻度退化、中度退化、重度退化)为研究对象,利用实时定量PCR法分析退化过程中土壤理化性质及与氮素转化相关基因(nifH,amoA-AOA,amoA-AOB,narG,nirK,nirS和nosZ)丰度的变化,明确影响高寒草甸氮素转化基因的关键因子。[结果]①随退化程度的加剧,高寒草甸土壤有机碳、全氮、硝态氮及铵态氮含量逐渐降低;②高寒草甸退化降低了与氮素转化相关的固氮nifH基因、氨氧化amoA-AOA和amoA-AOB基因丰度,但增加了反硝化narG,nirS和nirK基因丰度,且在重度退化草甸丰度最高;③nifH,amoA-AOA和amoA-AOB基因与土壤有机碳、硝态氮、铵态氮及水分呈显著正相关,narG,nirS和nirK基因与土壤有机碳、硝态氮及铵态氮含量呈显著负相关,与pH值呈显著正相关。[结论]高寒草甸退化对氮素转化微生物具有重要影响,土壤有机碳、pH值及水分是影响土壤氮素转化微生物基因的主要因素。     

青藏高原高寒草甸退化与修复研究进展

青藏高原高寒草甸受气候变化和人类活动的影响,发生了严重的退化.从土壤、土壤微生物和植物群落3个方面对近年来青藏高原退化高寒草甸的研究进展进行梳理,对近年来退化草地修复的研究进展从草地补播、划破草皮、无纺布覆盖、围栏封育、施肥及政策影响等方面进行了综述,在此基础上对未来的研究方向进行了展望.     

基于NDVI3g数据反演的青藏高原草地退化特征

利用NDVI3g数据反演青藏高原1986-2013年高寒草地植被盖度,并计算草地退化指数,以了解青藏高原高寒草地退化状况及其分布特征。结果表明,2011-2013年青藏高原草地退化指数为1.76,属轻度退化等级;退化面积达到41%,与历史平均水平（1986-2010）相比无显著变化,但中等以上退化面积有所增加。其中,轻度退化面积为22%、中度退化面积为8%、重度和极重度退化面积分别为6%和5%,而历史平均分别为28%、7%、4%和1%。从不同草地类型来看,高寒荒漠退化程度最严重,退化面积78%,退化指数为3.23,达到重度退化等级且表现出持续恶化趋势;而高寒草甸和高寒草原退化面积分别为31%和38%,退化指数分别为1.49和1.57,均属于轻度退化状态。从不同省域看,2011-2013年青藏高原新疆自治区范围内草地退化程度最为严重,退化草地面积所占比例为71%;青海省和西藏自治区草地退化比例也较大,分别达到42%和41%;甘肃、四川和云南草地退化比例较小,分别为25%、10%和12%。总体来看,青藏高原草地退化存在空间差异,与历史平均相比无显著变化,但局部有恶化趋势,尤其是高寒荒漠退化状况较为严重。     

青藏高原生态系统土壤有机碳研究进展

作为"世界第三极"的青藏高原,高寒生态系统是青藏高原主要的生态系统之一.它本身是一个复杂而又特殊的系统,因其独特的自然地理环境而形成的高寒土壤更有其独特的性质.本文首先综述了青藏高原高寒生态系统的土壤有机碳储量、估算方法的研究进展及造成估算结果差异的原因,随后对高寒土壤有机碳排放的观测试验进行了综述,探讨了气候变化对高寒生态系统土壤有机碳源汇效应的影响.目前,全球变暖的趋势正在加剧,40 年来,青藏高原气温平均上升了约 0.3 ～ 0.4℃,冻土面积正广泛退缩,这直接导致青藏高原高寒生态系统发生了以植被覆盖度减少、高寒草原草甸面积萎缩等为主要形式的显著退化,植被生产力和土壤有机碳输入量都减少,而温度升高加快了土壤有机碳分解速率,从而影响到高寒生态系统的碳循环和碳储量.青藏高原土壤有机碳的源汇效应问题已成为研究的热点,但是到目前为止,温度升高到底如何影响土壤有机碳的动态变化没有明确的定论,为此,我们必须从长期的观测试验来说明气候变化对土壤碳库的源汇效应.     

高寒矮嵩草草甸地面热源强度及与生物量关系的初步研究

在青藏高原海北高寒矮嵩草草甸地区,依据2002年涡度相关法观测的能量平衡各分量资料和6-10月植物地上、地下生物量测定值,分析了高寒矮嵩草草甸近地表热量平衡、地面热源强度的变化特征,讨论了地面热源强度与植物生物量季节变化过程中的相互关系。结果表明:在青藏高原海北高寒矮嵩草草甸地区,年内地面均为热源,热源强度季节变化明显,地面热源强度年平均为88.5 W/m2;地上生物量季节变化与热源强度具有显著的正相关关系,而地下生物量季节变化与热源强度关系不明显。     

青藏高原冻融-水蚀凹陷对高寒沼泽草甸土壤呼吸的影响

[目的]探究青藏高原长期的冻融与水蚀造成的凹陷对高寒沼泽草甸土壤呼吸的影响,为探讨和评估高寒沼泽草甸碳循环过程提供一定的科学依据。[方法]以青海湖北岸冻融—水蚀凹陷的高寒沼泽草甸为研究对象,选取了非冻融—水蚀凹陷区和冻融—水蚀凹陷区,2019年5月监测土壤呼吸、5 cm土壤温度、5 cm土壤含水量及空气温度和空气相对湿度,2018年8月观察了植被群落特征(优势种、地上生物量、植物高度、群落盖度)。[结果]①冻融—水蚀凹陷区的平均土壤呼吸速率显著低于非冻融—水蚀凹陷样区。②冻融—水蚀造成地表下陷,下陷的洼地微生态系统具有类似盆地的聚温保湿效应,因此在凹陷样区中空气相对湿度显著增加,空气温度降低,5 cm土壤温度显著增加(p0.05),以上环境要素的变化深刻影响着土壤呼吸。[结论]青藏高原冻融—水蚀过程形成的凹陷改变了高寒沼泽草甸土壤环境,使原生系统的土壤呼吸发生变化,进而影响高寒沼泽草甸生态系统碳循环。     

长江源区高寒草甸植被覆盖变化对蒸散过程的影响

为了研究长江源区植被盖度变化对高寒草甸蒸散过程的影响,在长江源区选择坡向、坡型和坡度趋于一致,植被覆盖度分别为92%,65%和30%的高寒草甸建立天然观测场,采用小型蒸渗仪称重法观测计算不同覆盖条件下的高寒草甸蒸散量,分析了不同时期蒸散的动态变化特征和主要驱动因子。研究结果表明,在生长前期,随着植被盖度降低,高寒草甸蒸散量呈增加趋势;而在生长期、生长后期和冻结期,随着植被盖度降低,高寒草甸蒸散量呈减小趋势,且盖度变化对生长期蒸散量的影响尤为显著。不同时期主导蒸散变化的因子存在差异,热量因子在生长前、后期起主导作用,而在生长期起主导作用的是水分因子。     

黄土高原干旱半干旱区生物结皮覆盖土壤水汽吸附与凝结特征

生物结皮是一种广泛分布于干旱半干旱地区土壤表层的特殊复合体,为揭示其对土壤水汽吸附与凝结过程的影响,该研究通过室内定量水汽吸附试验和野外对水汽凝结的连续观测,对黄土高原典型生物结皮(藻结皮、藻藓混生结皮、藓结皮)与裸沙的水汽吸附和凝结特征进行对比研究。结果表明:生物结皮的覆盖显著提升了表层土壤的水汽吸附能力,其平均水汽吸附量比裸沙高66.7%。不同类型生物结皮水汽吸附能力差异显著,表现为藓结皮最高,混生结皮次之,而藻结皮最低。GAB(Guggenheim-Anderson-de Boer)吸附模型能较好的描述生物结皮土壤水汽吸附与解吸附过程,模拟结果决定系数R20.99、均方根误差RMSE0.001 2 g/g及平均相对偏差百分比E16.0%;此外,生物结皮加剧了土壤水汽吸附与解吸附曲线之间的滞后效应,其滞后指数平均是裸沙的2.0～2.9倍。水汽凝结结果显示,水汽凝结过程均受气温与相对湿度等气象因子制约,且生物结皮覆盖下表层土壤的水汽凝结和蒸发过程相较于裸沙更为迅速。同时,生物结皮的日均水汽凝结量是裸沙的1.6～1.8倍。综上,干旱和半干旱地区生物结皮覆盖显著提高了表层土壤的水汽吸附能力、并增加了水汽凝结量,对区域表层土壤的水分运动过程产生了重要影响。     

田间施肥引起浅层土中氮的蓄积试验分析

田间施肥后,未挥发和被作物吸收的剩余N素易淋失运移,引起在浅层包气带土壤中的蓄积,且又易再释放进入下层土或地下水中形成污染,并主要受气候、土质结构、微生物作用等的影响。认识和掌握上述规律现象,将有助于研究农田施肥引起地下水污染的治理方法。对田间超量施肥灌溉后,作历时近1年的浅层包气带土壤中N的蓄积试验研究,结果显示:短期内土壤中N的显著蓄积主要发生在土层1.5m以浅部位,随时间、深度及入渗水量的变化而波动。这为探索根治由此引起的地下水污染,提供了较好的应用基础和科学依据。     

季节性冻土区包气带水汽热耦合运移研究进展

季节性冻土区占据中国超过一半的国土面积,冻融作用会显著改变土壤性质与包气带水、热传输过程,并且由于季节性冻土广泛分布在干旱半干旱地区,温度与气态水对于土壤水分运移影响显著,开展水汽热耦合研究不仅更符合季节性冻土区实际情况,同时对于揭示土壤水循环机制十分关键。本文综述了包气带水汽热耦合运移理论的提出与发展历程,阐述了季节性冻融作用对水汽热耦合运移研究中水力参数及水分相态转化过程的影响,探讨了水汽热耦合模型适用性,并归纳总结了温度梯度驱动下气态水运移规律及其重要性。最后,对该领域尚需加强研究的方向提出看法与建议,以期为深化包气带水汽热耦合运移理论以及解决季节性冻土区相关实际问题提供科学依据。     

高寒草甸非生长季土壤表层水汽传输阻抗的变化特征和水热驱动

土壤表层水汽传输阻抗是估算区域蒸散的关键参数之一,但其与土壤水热参数的数量关系的研究在高寒系统中十分薄弱。利用涡度相关系统观测的2014/2015年度高寒草甸非植被生长季(11月-翌年4月)的土壤蒸发数据,基于Penman-Monteith方程反推得出非生长季土壤表层阻抗的昼(9:00-18:00)变化特征,并研究其与土壤5cm温度和土壤5cm含水量的关系。结果表明,非生长季土壤表层阻抗表现出单峰型日变化特征,其最大值一般出现在15:00前后。逐时土壤表层阻抗与土壤5cm温度呈极显著幂函数阈值关系(R2=0.38,P0.01,N=115),即土壤温度为–4.25℃时土壤表层阻抗最大;与土壤5cm含水量呈极显著指数负相关(R2=0.12,P0.01,N=115)。非生长季逐日土壤表层阻抗的变化无明显季节规律,与土壤5cm温度(R2=0.69,P0.01,N=10)和土壤5cm含水量(R2=0.27,P0.01,N=10)均表现为极显著指数负相关。相关分析表明,非生长季土壤蒸发主要受太阳总辐射(R20.50,P0.01)的控制。研究结果表明土壤温度而非土壤含水量主导着高寒草甸非生长季土壤表层阻抗的变化。     

呼伦贝尔典型草原三种植物群落土壤凝结水比较

[目的]分析呼伦贝尔地区不同植物群落产生的土壤凝结水量,为当地沙化草地植被恢复中合理有效利用水资源提供依据。[方法]通过称重法测定3种植物群落茵陈蒿(Artemisia capillaris)、糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)和羊草(Leymus chinensis)土壤凝结水形成的时间、数量和月动态变化,比较植被类型和环境因子对土壤的影响。[结果](1)3种植物群落内土壤凝结水的形成趋势基本一致,即每天18:00以后逐渐形成,至次日6:00结束。土壤凝结水夜间动态呈双峰型,其中第1个峰值出现在20:00左右,第2个峰值出现在4:00左右。(2)3种植物群落日均凝结量具有显著差异(p0.05),茵陈蒿样地、糙隐子草和羊草样地的日均凝结量分别为7月0.28,0.22,0.32mm,8月0.50,0.35,0.69mm,9月0.28,0.23,0.37mm。(3)土壤凝结水在土壤不同深度的凝结量大小依次为0—5cm20—25cm5—10cm10—15cm15—20cm,其中0—5cm的凝结量羊草样地的最多为0.147mm,其次为茵陈蒿样地0.125mm,最后是糙隐子草样地0.094mm。[结论]土壤凝结水来源主要有2个,植被类型的不同导致这两种来源对总量的贡献比例不同,其中羊草植物群落能够形成更多的土壤凝结水,在草原植被恢复中能够起到更积极的作用。     

山东临朐2019年“8·10”特大暴雨水土保持调查

2019年8月10日6时至12日6时,受台风“利奇马”影响,山东淄博、东营、潍坊等地区发生特大暴雨天气,造成了严重的水土流失灾害。暴雨发生后,水利部水土保持监测中心组织调查人员,运用现代技术手段对暴雨中心典型小流域进行了系统、全面的水土保持实地调查。结果表明:(1)本次特大暴雨降雨量为570.6 mm,最大24 h降雨507.6 mm,均超过历史记录;(2)本次暴雨造成严重水土流失灾害,典型小流域水蚀模数达9741 t/km^2,是多年平均值的2.4倍,梯田损毁率达5.96%,河道淤积厚度达10~30 cm,近1/3生产道路完全损毁,引起了严重的重力侵蚀,多处发生滑坡、泥石流;(3)通过对比小流域调查发现,高林草覆盖和重点工程治理分别可削减洪峰模数79%和36%,降低水蚀模数分别达80%和54%;重点治理小流域道路损毁比例减少23.9%,梯田损毁减少40.4%,重力侵蚀减少40%以上。调查摸清了本次特大暴雨径流输沙特征、土壤侵蚀状况、水土流失成灾情况、水土保持措施效益等,初步形成了科学的暴雨水土流失调查方法体系,为今后暴雨水土保持调查制度的建立提供了良好基础。     

北京山区林地凝结水特征研究

[目的]研究北京山区林地凝结水的发生情况及分布特征,为该地区的水资源合理利用提供科学依据。[方法]利用首都圈森林生态定位站的大型称重式蒸渗仪对北京山区4种林地的凝结水进行2a连续观测,同时监测林地各项气象因子,分析不同林地凝结水的分布特征以及影响因子。[结果](1)北京山区非生长季凝结水出现天数和凝结水量较生长季多,非生长季月平均凝结水量约4.5mm,生长季月平均凝结水量约1.6mm;(2)4种林分年凝结水量大小关系表现为草地(38mm)栓皮栎(36mm)油松(30mm)侧柏(25mm),与年凝结水出现天数大小关系相同,灌草丛是产生凝结水的主要场所,阔叶林产生的凝结水远高于针叶林;(3)空气温度和相对湿度对凝结水的产生起到决定性作用。[结论]北京山区林地凝结水在时间上分布不均,受环境因子和植被因子的综合影响。     

采煤扰动下潜水位及包气带水分变化特征

为更好地了解采煤扰动下潜水位及包气带水分变化规律,在陕北典型矿区开展了降雨、潜水位、包气带土壤含水率等水循环要素的野外原位观测试验,基于观测数据,采用Spearman秩相关系数检验、小波分析等方法,分析了未开采区及采空区潜水位和包气带水分的变化特征。结果表明：未开采区地下水位对于降水的响应明显且时间上存在4、5个月的滞后,采煤扰动后,地下潜水位持续下降,与降水响应关系微弱;在垂向上,未开采区较大降水可对100 cm以下埋深的土壤含水率产生影响,采空区土壤含水率总体减小,且同降水的响应程度不显著,含水率最大值相对于未开采区出现时间提前,50 cm以下埋深的土壤含水率对小强度降水无响应。采煤扰动潜水位下降后造成包气带增厚,包气带损耗的水量增加,随之造成降雨入渗补给地下水减少,进一步加剧了潜水位下降。     

祁连山南麓高寒禾草-矮嵩草草甸土壤水源涵养功能的特征

青藏高原被誉为“中华水塔”,高寒草甸是主要植被类型但其水源涵养功能有待准确量化。以祁连山南麓高寒禾草-矮嵩草草甸为研究对象,通过分析2014—2018年的植被生长季(6—9月)土壤体积含水量的长期观测数据,探讨了土壤有效水源涵养量(土壤现实持水量与最小持水量之差)和水文调节功能(有效水源涵养量的时间变化速率)的变化特征及其环境调控机制。结果表明:高寒草甸0—100 cm年均土壤有效水源涵养量为(44.3±8.7)mm(平均值±标准差,下同),呈现出双峰型的季节趋势,最高峰和次高峰分别为6月下旬的(57.8±14.4)mm和9月中旬的(59.2±15.7)mm。浅层(0—20 cm)、中层(20—60 cm)和深层(60—100 cm)土壤有效水源涵养量占比分别为53.1%,34.9%和12.0%,土壤有效含水源涵养量随土层深度增加表现为对数衰减(R²=0.82,p<0.001)。增强回归树的结果表明土壤有效水源涵养量的季节变化主要受控于土壤温度,尤其是5 cm土壤温度,二者呈现出显著负相关。不同深度的年均土壤有效水源涵养量和土壤黏粒比例显著负相关(R²=0.99,p=0.004)。根系区(0—40 cm)年均土壤吸湿速率和脱湿速率分别为(0.21±0.02)mm/h和(0.22±0.02)mm/h,t检验的结果表明除了0—5 cm之外,根系区土壤脱湿速率显著大于吸湿速率。分析表明土壤温度是土壤吸湿和脱湿速率的显著环境驱动因子。因此,土壤温度是高寒禾草-矮嵩草草甸土壤有效水源涵养量和水文调节功能的主要影响因素,维持土壤的低温是高寒草甸水源涵养功能保育和提升的重要基础。     

Influences of alpine ecosystem responses to climatic change on soil properties on the Qinghai–Tibet Plateau, China

Alpine ecosystems are quite sensitive to global climatic changes. Drawing from two sets of remote sensing data (1986 and 2000) and field investigations, the ecological index method was used to document ecosystem changes in the Yangtze and Yellow River source regions of central Qinghai–Tibet. Although crucial to understanding alpine ecosystem responses to global climatic changes, and in assessing the potential for their rehabilitation, the impact of such changes on alpine soil characteristics, including structure, composition, water retention, as well as chemical and nutrient contents, is poorly understood. Over a 15-year period (1986–2000), climatic changes led to considerable degradation of alpine meadows and steppes. In the meadows, the surface layers of the soil became coarser, bulk density, porosity and saturated hydraulic conductivity rose, while water-holding capacity decreased. In comparison, steppe soils showed little changes in soil physical properties. Degradation of alpine ecosystems led to large losses in soil available Fe, Mn and Zn. Important losses in soil organic matter (SOM) and total nitrogen (TN) occurred in badly degraded ecosystems. Climate warming in the Qinghai–Tibet Plateau, caused by the impact of greenhouse gas, has resulted in changes of cold alpine ecosystem such as the significant alteration of the soil C and N cycles.