牧压梯度下高寒草甸实际蒸散量及植物生产水分有效利用率的研究

牧压梯度下高寒草甸实际蒸散量及植物生产水分有效利用率的研究内容摘要：

生态环境学报 2017, 26(9): 1488-1493 Ecology and Environmental Sciences http://www.jeesci.com E-mail: editor@jeesci.com 牧压梯度下高寒草甸实际蒸散量及植物生产水分 有效利用率的研究 贺慧丹 1, 2 ，祝景彬 1, 2 ，未亚西 1, 2 ，李红琴 1, 3* ，杨永胜 1, 3 ，李英年 1, 3 1. 中国科学院西北高原生物研究所，青海 西宁 810001；2. 中国科学院大学，北京 100049； 3. 中国科学院高原生物适应与进化重点实验室，青海西宁 810001 摘要：以青海海北高寒草甸为研究对象，分析了禁牧（对照，CK）、轻度放牧（light grazing，LG）、中度放牧（moderate grazing， MG）、重度放牧（heavy grazing，HG）试验地土壤贮水量和利用水量平衡法计算的植被实际蒸散量动态变化，并对不同牧 压梯度下高寒草甸的水分有效利用率进行了比较。结果表明，牧压梯度下土壤贮水量在生长季的变化特征基本一致，表现为 5 月、6 月高，7 月低，8 月以后缓慢升高。5 月 8 日到 9 月 28 日 0~50 cm 土层平均土壤贮水量为 CK>HG>LG>MG，分别为 (222.82±7.07)，(199.71±4.52)，(189.00±4.37)和(187.69±3.93) mm，表明放牧使土壤贮水量减小，统计分析表明，禁牧与放牧 地之间贮水量差异达极显著水平（P<0.01）。不同牧压梯度上高寒草甸植被实际蒸散量在生长季的变化特征基本一致，表现 出 5 月低，6 月开始升高，7 月蒸散量达最大，以后逐步下降；整个生长季 CK、HG 蒸散量较高，LG、MG 蒸散量较低，分 别为(389.37±3.39)、(355.74±5.54)、(350.17±8.6)3 和(346.15±1.31) mm。从土壤水分亏缺来看，重牧不利于水源涵养，但禁牧 亦影响水源涵养功能的提高，只有适度放牧有利于水源涵养。植被实际蒸散量与降水量呈极显著正相关关系。高寒草甸植被 地上地下净初级生产力在生长季的水分有效利用率表现为 LG、MG 较高，HG 较低，CK 的水分有效利用率最低，分别为 0.55%、 0.56%、0.50%和 0.37%，说明适度放牧能够提高植被水分有效利用率，而禁牧显著降低植被水分有效利用率。 关键词：牧压梯度；高寒草甸；土壤贮水量；植被实际蒸散量；水分有效利用率 DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.09.005 中图分类号：X53 文献标志码：A 文章编号：1674-5906（2017）09-1488-06 引用格式：贺慧丹, 祝景彬, 未亚西, 李红琴, 杨永胜, 李英年. 2017. 牧压梯度下高寒草甸实际蒸散量及植物生产水分有效利 用率的研究[J]. 生态环境学报, 26(9): 1488-1493. HE Huidan, ZHU Jingbin, WEI Yaxi, LI Hongqin, YANG Yongsheng, LI Yingnian. 2017. Study on the actual evapotranspiration and the water utilization effectively in alpine meadow under different grazing gradients [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(9): 1488-1493. 土壤水分运动及含水量高低既是生态系统物质 循环和能量流动的基础，又是控制各种营养物质矿 化、稳定和转移的必要条件（Mcmurtrie et al.，1990； Powers，1990；李春喜等，2016） ，对于植被的生长 和繁殖具有重要作用。蒸散在全球或区域气候模式, 水文循环过程，以及农业、林业等环境中都具有重要 意义（Zhou et al.，2011） 。蒸散过程体现了物质和能 量的交换，是全球生态系统（大气圈、水圈、岩石圈 和生物圈）动态平衡的重要环节，是连接大气水、地 表水和地下水等水循环过程最为重要的纽带，也是水 陆表面热量平衡和水量平衡的重要因素，蒸散过程伴 随着能量的迁移和转化（邴龙飞等，2012） 。放牧是 目前草地利用最经济的方式（殷桂涛等，2016） ，植 物群落特征与牧压梯度密切相关（刘省勇等，2015） ， 但不适宜的放牧强度致使草原植被、土壤遭受不同程 度的破坏，对植被、土壤有机质、降水截留等产生作 用，从而影响蒸散量（李辉东等，2015） 。 青藏高原被誉为“中华水塔”，湖泊、冰川众 多，是众多大江大河的发源地。同时，高寒草地植 被土壤根系发达，具有较高的持水和滞水能力，对 中国东部区域的水资源具有重要的补给和调节作 用。由于受人类活动和自然因素的影响，青藏高原 高寒草甸生态系统的退化导致了生物多样性降低 和水土流失等一系列的生态问题（刘兴元等，2011； 韩立辉等，2011；李东等，2010；李晓东等，2011）， 为了保护青藏高原的生态环境，需要对草地退化过 程中的一系列生态问题进行治理和研究（周华坤 等，2005）。目前，某些高寒草甸生态系统由于长 基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFC0501802） ；青海省国际合作项目（2015-HZ-801）；青海省自然基金项目（2016-ZJ-943Q） 作者简介：贺慧丹（1991 年生），女，博士研究生，主要从事全球变化生态学研究。E-mail: hhdan712@foxmail.com *通信作者：李红琴（1981 年生），女，副研究员，博士，主要从事全球变化生态学研究。E-mail: lihongqin_00@126.com 收稿日期：2017-07-04 1489 贺慧丹等：牧压梯度下高寒草甸实际蒸散量及植物生产水分有效利用率的研究 期超载放牧、鼠类危害和气候变暖等影响而退化加 剧，进而影响其水涵养功能（杜际增，2015；赵新 全，2011；张森琦等，2004）。研究表明，近年来 高寒草甸地区自然降水与过去多年平均降水基本 保持不变，但气候温暖化加剧导致了土壤植被蒸散 力加大，土壤水分散失严重，植被生长受水分（土 壤水分和大气降水）胁迫影响更趋明显（张核真等， 2013；黄洵等，2013；姚玉璧等，2017）。以往对 于蒸散的研究，在农林业领域中较为系统和深入， 且研究成果较多（张清平等，2015；Franz et al.， 2009；赵亚丽等，2014），但由于观测手段等客观 因素的限制，蒸散一直是水文学领域水文过程研究 中较难处理而被许多研究者简单化甚至忽略的因 子，因此蒸散的研究迄今仍然是陆面水文水循环研 究中的薄弱点（党安荣等，2003）。本文以水量平 衡法计算分析了高寒草甸牧压梯度下植被实际蒸 散量，并对牧压梯度下高寒草甸植被生产的水分有 效利用率进行了比较，将对评价青藏高原高寒草甸 生态系统的水分涵养功能及对植被生产的水分利 用状况提供科学依据。 1 材料与方法 1.1 试验地概况 试验样地位于青海海北高寒草甸生态系统国 家野外科学观测研究站。海北站位于青藏高原东北 隅祁连山北支冷龙岭东段南麓坡地，地处 37°29'~ 37°45'N，101°12'~101°23'E，海拔 3 200~3 600 m。 该区域具有高原大陆性气候特征，东南季风和西南 季风都相对较弱。由于受到高海拔条件的制约，该 区域无明显的四季之分，仅有冷暖两季的区别，年 平均气温-1.7 ℃。冷季气候比较寒冷干燥，暖季气 候相对凉爽湿润。降水主要集中在植被生长季，每 年 5—9 月的降水量约占全年降水总量的 80%（李 英年等，2004）。植被建群种为矮嵩草（Kobresia humilis），主要优势种为异针茅（Stipa aliena）、麻 花艽（Gentiana straminea）、垂穗披碱草（Elymus nutans）和紫羊茅（Festuca rubra）等（周兴民，2001）。 由于海拔较高、气温较低，牧草生长相对低矮，植 被的群落结构也相对单一（周兴民等，1982）。土 壤为草毡寒冻雏形土（Mat-CryicCambisols），土壤 发育年轻，土层相对浅薄，但含有丰富的有机质（乐 炎舟等，1982）。 1.2 研究材料及分析方法 1.2.1 实验设计 试验地为冷季放牧草场，于 2011 年 8 月建立， 参照以往研究（赵新全，2011），牧压梯度设置为 禁牧（对照，CK）、轻度放牧（LG，4.5 sheep·hm-2）、 中度放牧（MG，7.5 sheep·hm-2）和重度放牧（HG， 15 sheep·hm-2）。4 个试验地紧邻，由围栏围封同一 牧户的草场而建，试验羊为当地藏系绵羊。放牧时 间为 9 月 20 日—次年 5 月 31 日。 1.2.2 要素监测与分析 （1）土壤含水量及降水量 2013 年 5—9 月每月 8 日、18 日和 28 日采用 土钻取土法，采集 0~10、10~20、20~30、30~40 和 40~50 cm 各层土壤并测定其质量含水量 M, M=(土 壤湿重-土壤干重)/土壤干重×100%，设 5 个重复。 若遇雨天则延后 2~3 d。现场取样后及时称重，而 后在 85 ℃烘箱中烘干至恒重再称重，利用差值计 算得到土壤含水量。降水量数据取自海北站所观测 的资料。 （2）净初级生产量 监测时以每个试验区中央点为中心，设计 20 m×20 m 的观测区，以中央点及 20 m×20 m 的角点 为观测样点，即每个试验区共设 5 个点（重复） 。 将 50 cm×50 cm 样方内的绿体用剪刀齐地面剪下后 装袋，再用内径为 8 cm 的根钻分别在 0~10、10~20 和 20~40 cm 层次取土柱，以测定地下根系生物量， 每个样方 3 个重复。植物生长末期（约 8 月底—9 月初）的生物量达到最大值时的测定值为地上净初 级生产量（ANPP）。因高寒草甸地区地下净初级生 产量（BNPP）监测非常困难，一般采用周转量法 （当年地下最大生物现存量与最小现存量差值）进 行估算（李英年，1998）。其中，净初级生产量（NPP） 是地上、地下净初级生产量之和。 （3）土壤贮水量（∆W） ： 采用下式计算土壤贮水量（刘昌明等，1999）： 5 W =  WL1 - WL 2  （1） L 1 WL1=0.1×M×R×H （2） 式中，WLi 为第 L 层（共 5 个 10 cm 层次）i 的 土壤贮水量（mm）；M 为土壤质量含水量；R 为