內(nèi)蒙古溫帶草原和海北高寒草甸的土壤侵蝕

內(nèi)蒙古溫帶草原和海北高寒草甸的土壤侵蝕

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是一個(gè)流量過程，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)隨著時(shí)間的推移而動(dòng)態(tài)變化。然而,迄今為止,對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的核算多是靜態(tài)的,關(guān)于流量過程的研究工作仍然較薄弱。Chan等指出,正是由于在局地和區(qū)域尺度上對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流量過程的認(rèn)知不足,導(dǎo)致無法形成一套系統(tǒng)方法來規(guī)劃生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。因此,局地尺度上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流量過程研究意義重大,有利于加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)形成機(jī)理的認(rèn)知,同時(shí)為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護(hù)工作提供依據(jù)。土壤風(fēng)蝕是我國干旱、半干旱地區(qū)嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題之一。內(nèi)蒙古溫帶草原和海北高寒草甸的土壤侵蝕以風(fēng)力侵蝕為主。草地植被通過分散近地表風(fēng)動(dòng)量、削弱風(fēng)力對地表物質(zhì)的作用、截留部分被蝕物質(zhì)等形式抑制風(fēng)蝕、保護(hù)地表,提供重要的土壤保持服務(wù)。目前,在草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估中,核算土壤保持價(jià)值的成果很多[10,11,12,13,14,15,10,11,12,13,14,15],但是大多是靜態(tài)的、基于年尺度和區(qū)域尺度上的研究,缺少小尺度上的關(guān)于草地生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)的動(dòng)態(tài)機(jī)理和過程研究。同時(shí),已有的研究在評估土壤保持價(jià)值時(shí),并未明確區(qū)分侵蝕類型的區(qū)別,比如風(fēng)力侵蝕、水力侵蝕的影響因子和計(jì)算方法不同。本研究基于中國生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)數(shù)據(jù),利用風(fēng)蝕模型,定量評價(jià)了海北高寒草甸和內(nèi)蒙古溫帶草原風(fēng)力侵蝕下土壤保持服務(wù)的價(jià)值,對比分析了這兩種類型的草地土壤保持服務(wù)價(jià)值的流量過程和累積過程,刻畫了土壤保持服務(wù)價(jià)值的動(dòng)態(tài)變化過程,有利于揭示草地生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)價(jià)值的形成機(jī)理。董治寶等的研究表明空氣動(dòng)力粗糙度同時(shí)取決于植物密度和風(fēng)速,總的變化規(guī)律是,隨著植物密度的增大而增大,隨著風(fēng)速的增大而減小。因此,可以將有無植被覆蓋下的土壤侵蝕量之差作為植被覆蓋下的土壤保持量。目前,由于風(fēng)蝕的復(fù)雜性,國際上并無統(tǒng)一的風(fēng)力侵蝕預(yù)測模型。國外關(guān)于風(fēng)力侵蝕的模型有年尺度上的風(fēng)蝕方程、Bocharov模型、德克薩斯侵蝕分析模型、風(fēng)蝕評價(jià)模型、修正風(fēng)蝕方程等。這些模型大都是基于田塊建立的,適用于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。此外,還有事件模型Pasak模型等。國內(nèi)有王訓(xùn)明建立的隨機(jī)模型,董治寶建立的小流域風(fēng)蝕流失量模型,臧英等建立的旱地保護(hù)性耕作土壤風(fēng)蝕模型。本研究的目標(biāo)為草地生態(tài)系統(tǒng),而且時(shí)間尺度為日,在簡便可行的原則基礎(chǔ)上,采用Pasak風(fēng)蝕模型,并根據(jù)植被覆蓋度和風(fēng)速對公式中的參數(shù)進(jìn)行了一定的修訂。價(jià)值量的計(jì)算采用影子價(jià)格法和機(jī)會(huì)成本法。1研究領(lǐng)域的總結(jié)1.1氣候、降水和群落特征內(nèi)蒙古溫帶草原生態(tài)系統(tǒng)定位研究站位于內(nèi)蒙古高原錫林河流域,地處43°38′N,116°42′E,海拔1100m。氣候?qū)僦袦貛О敫珊挡菰瓪夂?冬季寒冷干燥,夏季溫和濕潤。年均氣溫-0.4℃。年均降雨量350mm左右,降雨量年際變化較大,變化幅度常在30%以上。降雨量月際間差異很大,主要集中于6—9月份,約占全年降水量的80%。羊草群落和大針茅群落是該區(qū)分布最廣的植物群落,對歐亞大陸溫帶草原具有廣泛的代表性。栗鈣土是本區(qū)的主要土類。1.2海北站地區(qū)的主要植被類型海北高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)站,位于青藏高原的東北隅,地處37°29′—37°45′N,101°12′—101°23′E之間。具有典型的高原大陸性氣候,東南季風(fēng)及西南季風(fēng)微弱。高海拔條件制約,氣溫極低,無明顯的四季之分,植物非生長季(10月—翌年4月)漫長而寒冷,生長季(5—9月)短暫而濕潤。地區(qū)年均氣溫-1.7℃;年降水量580mm左右,主要集中于5—9月,占年降水量的80%左右,10月—翌年4月僅為年降水量的20%。高寒草甸和高寒灌叢是海北站地區(qū)的兩種主要植被類型。土壤的主要類型為高山草甸土、高山灌叢草甸土和沼澤土。2學(xué)習(xí)方法2.1臨界起沙風(fēng)速帕薩克(Pasak)模型計(jì)算公式如下:E=22.02-0.72P-1.69V+2.64Rr(1)式中,E為風(fēng)蝕量(kg/hm2);P為不可蝕顆粒所占百分比;V為土壤相對濕度;Rr為風(fēng)速(km/h)。利用植被覆蓋度,通過引入起沙風(fēng)速概念,對公式中的風(fēng)速Rr進(jìn)行了修訂。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),將粒徑大于1.00mm的土壤顆粒作為不可蝕顆粒,然后根據(jù)土壤的機(jī)械組成,計(jì)算不可蝕顆粒所占百分比。風(fēng)速采用時(shí)風(fēng)速計(jì)算。實(shí)際風(fēng)速只有達(dá)到起沙風(fēng)速時(shí),土壤侵蝕才會(huì)發(fā)生。利用青海共和盆地半干旱典型草原地區(qū)的臨界風(fēng)速與地表覆蓋率之間的關(guān)系,計(jì)算海北高寒草甸的臨界起沙風(fēng)速:U0=5.56158+1.63299e(VC/38.6747)r2=0.974(2)式中,U0為起沙的臨界風(fēng)速(m/s),VC為植被覆蓋度(%)。研究報(bào)道,內(nèi)蒙古的起沙風(fēng)速為6m/s,內(nèi)蒙古后山地區(qū)草地覆蓋率為22%的風(fēng)蝕臨界風(fēng)速為12m/s,覆蓋率為60%的臨界風(fēng)速為14m/s,覆蓋率為86%時(shí)沒有明顯的臨界風(fēng)蝕速度,根據(jù)此計(jì)算內(nèi)蒙古溫帶草原的臨界起沙風(fēng)速。比較現(xiàn)實(shí)風(fēng)速和起沙風(fēng)速,在現(xiàn)實(shí)風(fēng)速大于起沙風(fēng)速的情況下,根據(jù)公式(1)計(jì)算風(fēng)力侵蝕量。2.2計(jì)算保持土壤養(yǎng)分的經(jīng)濟(jì)價(jià)值風(fēng)力侵蝕下,土壤保持量的價(jià)值主要體現(xiàn)在保持土壤養(yǎng)分、減少土地廢棄、減少沙塵天氣三部分。由于目前在減少沙塵天氣方面尚沒有好的評價(jià)方法,因此本文主要考慮土壤養(yǎng)分的保持和廢棄土地的減少兩部分價(jià)值。保持土壤養(yǎng)分的經(jīng)濟(jì)價(jià)值主要指生態(tài)系統(tǒng)保持土壤中N、P、K營養(yǎng)元素的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,根據(jù)土壤養(yǎng)分的平均含量,計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)保持土壤營養(yǎng)物質(zhì)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值:Va=Ac(CNPNTN+CPPPTP+CKPKTK)(3)式中,Va為保持土壤養(yǎng)分價(jià)值(元/hm2),CN、CP、CK分別為土壤中全氮、全磷、全鉀含量(%);PN、PP、PK分別為N、P、K肥市場價(jià)格(元/t)。TN、TP、TK分別為全氮、全磷和全鉀折算成碳酸氫銨、過磷酸鈣和氯化鉀的系數(shù),分別為5.882、3.373和1.667。根據(jù)土壤保持量和土壤厚度來推算因土壤保持而減少的廢棄土地面積,再用機(jī)會(huì)成本法計(jì)算得到減少土地廢棄的經(jīng)濟(jì)價(jià)值:Vb=AcB/(ρ·h·10000)(4)式中,Vb為減少土地廢棄的經(jīng)濟(jì)價(jià)值(元/hm2);ρ為土壤容重(t/m3);h為土壤厚度(m);B為土地年均收益(元/hm2)。海北高寒草甸的土壤容重為1.03t/m3,土壤厚度為0.5m;內(nèi)蒙古溫帶草原的土壤容重為1.27t/m3,土壤厚度為0.5m。土壤保持總價(jià)值為兩部分之和:V=Va+Vb(5)2.3監(jiān)測數(shù)據(jù)和濕度植被蓋度、風(fēng)速和土壤相對濕度選用2005年數(shù)據(jù),其中植被蓋度和風(fēng)速來源于海北高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)和內(nèi)蒙古溫帶草原生態(tài)系統(tǒng)定位研究站的監(jiān)測數(shù)據(jù),土壤相對濕度來源于國家氣候中心網(wǎng)站。不可蝕顆粒所占比重和土壤營養(yǎng)物質(zhì)含量來源于文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[22,28,29,22,28,29]3結(jié)果與分析3.1風(fēng)力侵蝕強(qiáng)度海北高寒草甸和內(nèi)蒙古溫帶草原的現(xiàn)實(shí)年土壤侵蝕量分別為11.15t/hm2和63.95t/hm2,根據(jù)土壤侵蝕標(biāo)準(zhǔn),2005年海北高寒草甸風(fēng)力侵蝕強(qiáng)度為輕度,內(nèi)蒙古溫帶草原為強(qiáng)度風(fēng)力侵蝕。海北高寒草甸的風(fēng)力侵蝕主要發(fā)生在12月份—翌年4月份;5—11月份的土壤侵蝕量為零,其中5—9月份是海北高寒草甸植被生長最好的時(shí)候。內(nèi)蒙古溫帶草原的風(fēng)力侵蝕主要發(fā)生在春季(3—5月份),占全年風(fēng)力侵蝕量的73%,這與內(nèi)蒙古溫帶草原春季多大風(fēng)有關(guān)。夏季、秋季和冬季的風(fēng)力侵蝕量接近(圖1)。3.2與研究結(jié)果的比較海北高寒草甸和內(nèi)蒙古溫帶草原的潛在年土壤侵蝕量分別為30.74t/hm2和187.16t/hm2,其中內(nèi)蒙古的研究結(jié)果與歐陽志云等的研究所采用的侵蝕模數(shù)的低限192t/hm2接近。海北高寒草甸的潛在風(fēng)力侵蝕也主要發(fā)生在12月份—翌年4月份,這4個(gè)月的潛在侵蝕量占全年總潛在侵蝕量的71%。內(nèi)蒙古溫帶草原的潛在侵蝕量出現(xiàn)一大一小兩個(gè)峰值,分別是春季(3—5月)和秋季(9—11月)。其中,春季的侵蝕量占全年總侵蝕量的49%,秋季的占28%(圖2)。3.3土壤維護(hù)服務(wù)流量3.3.1土壤保持服務(wù)草地生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)的提供是非連續(xù)的,離散的(圖3,圖4)。只有在風(fēng)速大于起沙風(fēng)速時(shí),草地生態(tài)系統(tǒng)阻止風(fēng)力侵蝕土壤的功能才發(fā)揮。日土壤保持量的大小取決于當(dāng)日風(fēng)速、植被覆蓋和潛在土壤侵蝕量的大小。2005年,海北高寒草甸提供防止土壤風(fēng)蝕服務(wù)的天數(shù)為26d,日均土壤保持量和土壤保持價(jià)值分別為54kg·hm-2·d-1,4元·hm-2·d-1;內(nèi)蒙古溫帶草原提供防止土壤風(fēng)蝕服務(wù)的天數(shù)為112d,日均土壤保持量和土壤保持價(jià)值分別為338kg·hm-2·d-1,29元·hm-2·d-1。可見,海北高寒草甸防止土壤風(fēng)蝕服務(wù)的天數(shù)和日均土壤保持總量和價(jià)值都遠(yuǎn)小于內(nèi)蒙古溫帶草原。3.3.2防止土壤風(fēng)蝕海北高寒草甸的月均土壤保持量和土壤保持價(jià)值都低于內(nèi)蒙古溫帶草原,分別為1632kg·hm-2·月-1,127元·hm-2·月-1和10267kg·hm-2·月-1,882元·hm-2·月-1。2005年,海北高寒草甸和內(nèi)蒙古溫帶草原分別有10個(gè)月和11個(gè)月在防止土壤風(fēng)蝕發(fā)生(圖5和圖6)。其中,海北高寒草甸土壤月保持量和價(jià)值最大月份為6月,內(nèi)蒙古溫帶草原為10月。此外,在內(nèi)蒙古溫帶草原,4月份的土壤保持量和土壤保持價(jià)值與10月份的相比相差不大,在4月和10月各呈現(xiàn)一個(gè)峰值。比較兩種草原生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)分布發(fā)現(xiàn),海北高寒草甸主要在春季和夏季防止土壤風(fēng)蝕發(fā)生,土壤保持量和價(jià)值在春夏季所占的比例分別為34.85%和31.51%;內(nèi)蒙古溫帶草原則主要在春季和秋季防止土壤風(fēng)蝕發(fā)生,土壤保持量和價(jià)值在春秋兩季所占的比例分別為37.79%和36.79%(表1)。3.3.3土壤保持的價(jià)值量一年中,盡管草地生態(tài)系統(tǒng)在風(fēng)蝕條件下保持土壤功能的發(fā)揮是離散的,但是土壤保持價(jià)值是逐漸累積的。內(nèi)蒙古溫帶草原和海北高寒草甸土壤保持價(jià)值累積過程呈現(xiàn)上升趨勢,內(nèi)蒙古溫帶草原土壤保持累積價(jià)值始終處于海北高寒草甸之上(圖7)。海北高寒草甸的年土壤保持量和價(jià)值分別為19.59t/hm2,1520元/hm2;內(nèi)蒙古溫帶草原的年土壤保持量和價(jià)值分別為123.32t/hm2,1.06×104元/hm2。其中,內(nèi)蒙古溫帶草原的土壤保持年價(jià)值量介于石益丹的研究成果中中牧和重牧兩種情景下土壤保持價(jià)值量之間(1.30×104—0.73×104元/hm2)。土壤保持價(jià)值構(gòu)成中,保持土壤養(yǎng)分的價(jià)值所占比例高達(dá)99%,減少廢棄地的價(jià)值所占比例還不足1%,這與草地的經(jīng)濟(jì)價(jià)值低有關(guān)。4風(fēng)蝕土壤保持價(jià)值的時(shí)間尺度及其與潛在侵蝕量目前,專門進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)的研究并不多,大部分都包含在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合價(jià)值評價(jià)中。而且,所涉及到的土壤保持價(jià)值研究主要是運(yùn)用土壤侵蝕模數(shù)進(jìn)行的靜態(tài)計(jì)算,很少考慮土壤侵蝕類型的區(qū)別和土壤侵蝕機(jī)理,這難以真正反映生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)和服務(wù)之間的關(guān)系。因此,需要從土壤侵蝕機(jī)理出發(fā),在微觀尺度上對生態(tài)系統(tǒng)保持土壤的服務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究。李士美等在研究森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流量過程中利用USLE模型分析了江西省千煙洲人工林,以及西雙版納3種森林和長白山兩種森林在水力侵蝕下土壤保持服務(wù)的價(jià)值,揭示了不同類型森林生態(tài)系統(tǒng)防止水力侵蝕服務(wù)的動(dòng)態(tài)變化機(jī)理和差異。本研究運(yùn)用風(fēng)蝕模型,結(jié)合影子價(jià)格法和機(jī)會(huì)成本法計(jì)算了海北高寒草甸和內(nèi)蒙古溫帶草原在風(fēng)力侵蝕條件下保持土壤的價(jià)值,刻畫了兩種草地生態(tài)系統(tǒng)類型防止風(fēng)力侵蝕土壤服務(wù)的年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化過程,在一定程度上可以揭示草地生態(tài)系統(tǒng)類型、狀態(tài)和土壤保持服務(wù)間的關(guān)系。本研究選用Pasak模型,并對其進(jìn)行了一定的修訂,來計(jì)算風(fēng)力侵蝕的大小。選用該模型,一方面是因?yàn)槠渌蟛糠诛L(fēng)力侵蝕模型是基于農(nóng)田實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,另一方面本研究的時(shí)間尺度為日,而其他大部分研究的時(shí)間尺度為年。雖然,Pasak模型為單一事件模型,但在本研究中的風(fēng)速采時(shí)風(fēng)速,這彌補(bǔ)了單一事件模型的不足。此外,本研究引入了起沙風(fēng)速的概念,使得模型的計(jì)算更加科學(xué)合理。本研究計(jì)算出的內(nèi)蒙古溫帶草原潛在侵蝕量與歐陽志云等的研究接近,年土壤保持價(jià)值也與石益丹的研究成果接近,這說明該方法是可行的,具有一定的準(zhǔn)確性。不可蝕顆粒所占比重與土壤類型和氣候條件有關(guān),本文所采用的1mm粒徑是內(nèi)蒙古地區(qū)的研究成果。由于海北高寒草甸相關(guān)研究資料少,因此,本研究亦采用1mm作為該地區(qū)的可蝕顆粒的臨界值,給土壤保持價(jià)值服務(wù)計(jì)算結(jié)果帶來一定的偏差。這在下一步的研究中需要進(jìn)一步完善。同一地點(diǎn)的潛在風(fēng)力侵蝕量的大小主要與風(fēng)力有關(guān),風(fēng)速越大,侵蝕量越大?，F(xiàn)實(shí)侵蝕量的大小受風(fēng)力、植被的綜合影響。海北高寒草甸在3月份、6月份和12月份的潛在侵蝕量接近,但是,6月份的現(xiàn)實(shí)侵蝕量為零。這主要是6月的植被生長條件比3月和12月好得多的原因。內(nèi)蒙古溫帶草原風(fēng)蝕土壤保持年價(jià)值為海北高寒草甸年價(jià)值的7倍,這主要是因?yàn)閮?nèi)蒙古地區(qū)的累積起沙風(fēng)速高于海北地區(qū),植被覆蓋條件下,內(nèi)蒙古地區(qū)的年累積起沙風(fēng)速是海北地區(qū)的9倍。但是,這并不意味著海北高寒草甸在防風(fēng)固沙作用弱,恰恰相反,由于海北高寒地區(qū)的土層比較薄,易遭到風(fēng)蝕侵害,因此,海北高寒草甸防止土壤風(fēng)蝕的作用非常重要。5兩種生態(tài)系統(tǒng)保持功能的季節(jié)差異本研究利用改良的風(fēng)力侵蝕模型,研究了這兩個(gè)草地生態(tài)系統(tǒng)土壤保持價(jià)值日流量過程和累積過程,一定程度上揭示了草地生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)和服務(wù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明:(1)一年中,草地生態(tài)系統(tǒng)防止土壤發(fā)生風(fēng)蝕的服務(wù)是離散的,不連續(xù)的,一定的植被覆蓋度下,只有在風(fēng)速大于