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草地植被和土壤是草地生态系统的两个重要组成部分,它们相互联系、相互影响。土壤是一种疏松物质体,具有一定的水源涵养功能和水分调节功能,而这两种功能的发挥又取决于土壤持水性这一物理性质。草地发生退化后会影响到土壤各种理化性质,也会影响到土壤持水性。因此,开展草地退化对土壤持水性影响研究,不仅是草地生态学研究的重要内容之一,而且对深入理解区域水源涵养功能以及定量分析人地相互作用过程中水文调节功能的动态变化具有重要的理论意义和实际价值。
青海三江源地区地处青藏高原腹地,是长江、黄河和澜沧江的发源地,素有“中华水塔”之称,由于气候变化和人类活动影响,该地区草地发生了严重退化。因此,论文选择青海三江源地区作为研究区,在全面收集研究区自然地理和社会经济资料基础上,基于大量野外和室内分析测定工作,运用地理学、土壤学、生态学、地理信息与遥感科学基本原理,采用地统计学、土壤转换函数等方法,给出了土壤持水量的区域估计,深入分析了草地退化对土壤持水性影响,并探讨了土壤持水性变化的驱动机制。论文取得如下结果:
(1)论文在研究区选择了6个典型样区,基于大量野外和室内分析测定工作,深入分析了草地退化对土壤持水性影响机理。结果表明:毛管持水量、饱和含水量和田间持水量在6个典型样区不同草地退化程度(阶段)和同一草地退化程度(阶段)不同深度下的变化特征基本一致,并与容重、有机质、总碳和总氮关系密切;在玛沁县军牧场地区典型样区中,土壤持水量在0~10cm土层以无退化草地最大,极度退化草地最小,而在10cm以下土层,轻度和重度退化草地较大,无退化和中度退化草地相对较小;在玛多县扎陵湖-鄂陵湖地区典型样区中,各土层土壤持水量在无退化阶段最大,中度退化阶段次之,重度退化阶段最小;在甘德县柯曲镇地区典型样区中,随着高寒草甸由小嵩草群落草毡表层加厚阶段(A阶段)向杂类草“黑土型”次生裸地阶段(D阶段)发展,各土壤持水量在20cm以上土层先减少后增加,20cm以下土层杂类草“黑土型”次生裸地阶段(D阶段)的土壤持水量反而高于其它退化阶段;在玛多县鄂陵湖东侧草甸-草原过渡区典型样区中,各土层土壤持水量在20cm以上土层以小嵩草、紫花针茅草甸(A阶段)最大,紫花针茅草原(E阶段)次之,而在20cm以下土层以紫花针茅草原(E阶段)最大,小嵩草、紫花针茅草甸(A阶段)次之,青海早熟禾、扇穗茅草甸(C阶段)最小;在唐古拉山镇沱沱河流域草甸-草原过渡区典型样区中,各土层土壤持水量在小嵩草草甸(C阶段)最大,紫花针茅草原+青海早熟禾(A阶段)和扇穗茅草原(E阶段)相对较小;在玛沁县优云乡土壤侵蚀区典型样区中,土壤持水量随土壤137Cs相对损失率增加而减少,并且在沟地中表现显著,而在台地上两者关系不明显;草地退化与土壤持水性变化之间是一种非线性对应关系,它通过影响容重、有机质等理化性质进而影响到土壤持水性,是导致土壤持水性变化的关键因素之一。
(2)基于第二次土壤普查资料和大量室内实测数据,建立了青海三江源地区1980s和2010s两期土壤数据库,并采用插值方法获得了研究区土壤厚度、有机质、容重和质地的空间分布,在此基础上建立了容重、有机质、质地和土壤持水量的转换函数,进而对整个青海三江源地区的土壤持水量进行了区域估计。结果表明:研究区1980s和2010s各土层土壤持水量空间分布基本相似,高值区主要分布在东南部的玉树县、囊谦县、达日县等地区,低值区主要分布在西部地区和研究区东北部;研究区1980s饱和含水总量、毛管持水总量和田间持水总量分别为979.97×108t、839.43×108t和804.47×108t,2010s三者分别为1050.73×108t、897.67×108t和800.10×108t;研究区1980s和2010s土壤水分调节量(Ⅰ)(介于饱和含水量与田间持水量这部分水量)分别为193.84×108t和250.45×108t,土壤水分调节量(Ⅱ)(介于毛管持水量与田间持水量这部分水量)分别为34.06×108t和97.26×108t;土壤持水总量和土壤水分调节量在空间上存在东高西低的分布格局,高值区主要分布在泽库县、同德县等地区,而低值区主要分布在治多县西部、唐古拉山镇等地区。
(3)通过栅格计算得到了研究区近30年来土壤持水性的变化,定量分析了土壤持水性变化与草地退化的关系,给出了土壤持水量、持水总量和水分调节量在不同草地退化程度下的统计特征,并探讨了影响土壤持水性变化的驱动机制。研究发现:研究区近30年来各土层土壤持水量总体变化特征基本一致,增加区主要分布在西部地区和东北部的兴海县周边地区,减少区主要集中在中部的玛多县、曲麻莱县、称多县、达日县等地区;饱和含水总量和毛管持水总量分别增加了70.76×108t和58.24×108t,而田间持水总量减少了4.37×108t;土壤水分调节量(Ⅰ)和土壤水分调节量(Ⅱ)分别增加56.61×108t和63.20×108t;各土层土壤持水总量和水分调节量增加区主要分布在西北部地区和东北部地区,减少区主要分布在中东部地区;草地退化总体上导致土壤持水量、持水总量和水分调节量出现不同程度的减少,其中:土壤持水量受沼泽重度变干、重度破碎化、中度覆盖度下降退化和中度沙化/盐化影响显著;土壤持水总量在轻度破碎化、轻度覆盖度下降和中度沙化/盐化退化下减少显著;土壤水分调节量在中度沙化/盐化退化、覆盖度中度下降草地和中度破碎化、中度覆盖度下降退化草地减少显著;土壤持水性变化受到气候变化及人类放牧活动的驱动影响,气候变化和草地载畜压力通过生物量的变化导致土壤有机质变化,并进一步间接影响到土壤持水性变化。
本研究形成的理论、方法与技术体系将可为其它源区以及类似研究提供借鉴,研究结果深化了草地退化对土壤持水性影响的科学认识,有助于区域土壤水源涵养功能和水分调节功能研究,可为准确评估青海三江源地区土壤对中下游长江、黄河、澜沧江的淡水资源供给能力提供科学依据。