高寒草地土壤保持功能的风洞模拟及其定量评估_鲁春霞

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鲁春霞等： 高寒草地土壤保持功能的风洞模拟及其定量评估
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同风速下， 地表植被全部剪去； 草地根系全部除去； 不同干扰 ! 不同风速下， " 同一风速下， 程度 （轻微干扰、 中等干扰、 严重干扰、 全部破坏） 。不同干扰程度设计： 以样块总面积为 " ， 当 随机破坏草地面积占总面积 !!#$ 时为轻微干扰， 破坏面积占总面积的 #%$ 时为中等干扰， 占 "%%$ 时为全部破坏。 占 &#$时为严重干扰， 采样与实验方法 !"# 用土样箱在野外现场采集。 为保持原有的植被状况和土壤结构， 先挖去采样点周围的余 土和植被， 用去掉底盖的土样箱框套入， 切断土样下部的连接部分插入底板， 最后封好箱体。 样品大小为 (#)*+!#)*+"")*。实验在中国科学院寒区旱区 每个样区采集同样的土样 ’ 箱， 环境与工程研究所风洞实验室进行。实验室为直流闭口吹气式低速风洞，试验段全长为 截面积为 %-,*+"*， 风速为 %-#.(%* / 0 连续可调。将土样放置风洞实验段入口下风 ",-!’*， 处， 并使土样水平置于实验段尾部的木槽内， 使土样表面与风洞底部齐平， 土样箱可 "!-,* 任意升降， 保证随时处于同一平面上。 实验段入口处架设测风速的毕托管， 以监控风速。 土样 箱经吹蚀后的重量变化用天平测出。 每次吹蚀前后均从表层取样进行养分和有机质含量测定。养分和有机质采用常规方法 测定。 !"$ 土壤保持量的计算方法 草地生态系统的土壤保持量实际上是无草地生态系统 （裸地） 和草地生态系统原生状态 时土壤侵蚀量的差值。即： （" ） !"#!$%!& 4! 4" ・ ， !" 为单位面积的土壤保持量 （12 3* ・ *56 ） !$ 为无草地生态系统时单位面积土壤侵蚀率 4! 4" （12 ・ ・ ） ， 为有草地生态系统时土壤侵蚀率 （12 ・ ・ 。 3* *56 !& 3*4! *564"） 青藏高原高寒草地生态系统年土壤保持总量 ’!" 为：
采样点的自然概况
植被 土壤
>2?@A " B21CD2@ E/3FG1G/3 /H 029I@G3J 0G1A0
海 拔 :!:79， 年 平 植被盖度在 &;STO7S 之间， 高 山 草 甸 土 ， 轻壤； "7"N"OP , 、 :&N:&P B， 7T"7E9 土 层 植被多为寒冷中生多年高寒 中 根 系 密 集 ， 交织成毡状， 土层 矮嵩草草甸 植被为小嵩草草原化草甸 植被为芨芨草草原 厚度约 ;7T$7E9。 密度大， 7T!7E9 腐殖质含量高 根系密度较小， 7T!7E9 的 土 壤 有机质含量相对较低 植 被 盖 度 为 $7ST&;S 之 间 ，高山草甸土， 7T"7E9 土层中根系 植 被 盖 度 在 =7ST$7S 之 间 ，栗 钙 土 ， 砂壤质； 7T"7E9 土 层 中
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方法与实验
研究目的 为了定量地研究人类不同方式干扰下高寒草地土壤保持功能、 经济价值及其变化特征， 本研究采用风洞模拟实验， 研究其变化特征， 具体目标是： ! 定量评估不同处理方式下草地 土壤保持功能； 模拟分析不同干扰程度下对高寒草地土壤保持服务功能的破坏程度； " #定 量评价高寒草地土壤保持功能的经济价值以及不同干扰对其经济价值的损害。 !"# 采样点概况 为了研究高寒草甸的土壤保持功能， 采集了原生状态的高寒草地样品 （包括土壤和生长 植被） 。 除高寒草甸样品外， 还采集了高寒草原化草甸和干草原两种类型， 与高寒草甸进行对 比实验， 采样点的具体情况见表 " 。
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-//0 年 1 月
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高寒草地土壤保持功能的风洞 模拟及其定量评估
" 鲁春霞 !，于 格 !， ，谢高地 !，肖 玉 !
（.H 中国科学院 地理科学与资源研究所， 北京 .//./.I -H 中国科学院 研究生院， 北京 .///85 ）
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式中， ) 为高寒草甸类型， ( 为草甸类型数目， !$) 为无草地生态系统时单位面积土壤侵 蚀 率 4! 4" ・ ・ ， 为有草地生态系统时土壤侵蚀率 ・ 812 3* *56 9 !&) 812・ 3*4! *564"9， * ) 为草地面积 83*!9， +) 为样区内气象记录的年大风日数8:9。
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实验设计 采用风洞实验，模拟测定不同风速和不同干扰程度下的土壤侵蚀率和有机质含量的变 化。每种处理作 : 次重复。 实验采用的风速分别为 5 、 由于高寒草 "7、 ";、 !7 和 !:9 < 0。一般起沙风的速度为 ;9 < 0， 地植被普遍较好， 所以选择 59 < 0 作为起始风速。根据样点区气 ;9 < 0 时的侵蚀量应该很小， 因此， 选择 !:9 < 0 作为最大风速。 象站的历史记录， 最大风速为 !:9 < 0 左右， 具体的处理方式包括以下 = 种类型： !不同风速下的原生状态-地表植被呈枯萎态； "不
表!
样点 （ 海北） KLM" 位置与气候 均气温 M"Q&R- 多年平均降水量 ;5799 （ 日月山） "77N;:P, 、 海拔 : =779， 年平 KLM! :$N=7PB， 均气温 M"Q;R- 多年平均降水量 ;7799 （ 青海湖） "77N!:P, 、 海拔 : !";9， 年平 KLM: :$N::PB， 均气温 M"Q7R- 多年平均降水量 =;799
摘要：青藏 高 原 高 寒 草 地 的 土 壤 保 持 功 能 对 于 保 护 生 态 环 境 具 有 重 要 的 作 用 。 为 了 研 究 人 类 活 动不同干扰方式对高寒草地土壤保持功能的影响， 利用大型风洞， 对不同干扰方式下高寒草甸、 草原化草甸和高寒草原 1 个类型的土壤保持功能定量评估，以侵蚀率作为土壤保持功能的测度 但不同处理下侵 指 标 。实 验 结 果 表 明 ， 随着风速的增大， 1 个样品的土壤侵蚀率均呈现增大趋势， 蚀 率 的 增 幅 不 同 。 当 植 被 根 系 破 坏 后 ， 土 壤 侵 蚀 率 大 小 为 高 寒 草 甸J草 原 化 草 甸 J高 寒 草 原 ， 说 明， 高寒草甸土壤的可蚀性低， 高寒草原土壤的可蚀性高， 极易遭到破坏。从总体来看， 土壤保持 功 能 的 强 弱 依 次 为 高 寒 草 甸K草 原 化 草 甸 K高 寒 草 原 。 风 蚀 前 后 土 壤 中 有 机 质 和 养 分 含 量 的 变 化 分析表明， 土壤有机质和养分含量显著下降， 其 中 速 效 L-" 的 养 分 含 量 下 降 幅 度 最 大 。 对 1 个 草 地类型单位面积土壤保持经济价值进行计算， 计算主要包括保持有机碳、 保持养分和减少土壤流 失对河流湖泊淤积 1 个方面的价值。结果表明， 高寒草原化草甸单位面积的土壤保持价值最高， 其次为高寒草甸， 高 寒 草 原 单 位 面 积 土 壤 保 持 价 值 最 低。 关 键 词：生态系统服务评估；土壤保持功能；风洞模拟；高寒草地 文献标识码：& 文章编号： .///31/146-//07/-3/1.53/9 中图分类号：+.9.
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壤功能的研究#$%。肖玉等#&%借助于 ’() 手段， 应用通用土壤流失方程 （*)+, ）估算了青藏高原 潜在土壤侵蚀量和现实土壤侵蚀量- 以二者之差作为青藏高原生态系统的土壤保持量。 上述 对草地生态系统服务功能的评价成果或者利用模型方法， 或者基于 ./012342 的成果， 由于草 地生态系统结构和功能的区域差异较大， 用这些方法评估的结果准确性相对较差。目前- 国 内外关于草地生态系统的服务功能及其价值评价的研究开展得较少，对草地生态系统服务 功能的实验研究更不多见。 青藏高原是中国天然草地分布面积最大的一个区域， 高寒草地面积达 " "!56"7589!。高 寒草地生态系统既是农牧民的重要生产资料 - 同时由于中国的主要水系黄河、 长江、 澜沧江 等均发源于青藏高原， 因此， 草地生态系统也是涵养水源、 保持水土的生态屏障。 但是长期以 来， 对青藏高原草地资源采取粗放经营的利用方式， 忽视了草地的生态建设和管理， 过度放 牧、 乱开滥垦等现象严重， 草地土壤侵蚀、 沙化、 虫害的面积日趋扩大。加之高寒草地主要分 布在土壤风化程度低、 粗骨性强、 土层薄的区域， 在大风吹蚀下极易产生沙漠化过程。显然， 高寒草地生态系统的土壤保持功能对于保护高原生态环境具有重要的作用。 鉴于此， 本研究 利用大型风洞实验室定量模拟高寒草地的土壤保持功能，并进行土壤保持的单位经济价值 评估。
随着草地生态系统退化问题的日益突出，草地生态系统的服务功能保护已逐渐受到人 们的重视， 一些研究者对此进行了定性和定量的评估。+<>< 等人 M.N较为详细地阐述了草地维 持大气成分、 基因库、 改善小气候和土壤保持的功能 O 并对部分功能的生态经济价值进行了 M-N 等人 在全球生态系统服务价值评价中 水调 评价； ,PEQ<FR< O 选取草地生态系统的气体调节、 节、 侵蚀控制和沉积物保持、 土壤形成等 5 类功能 O 计算出基于全球尺度的各功能类型的单 位面积平均价值； 谢高地等人 M1N 将中国草地分为 .9 个生态系统类型、 -. 个亚类进行价值估 M-N 以此为 算， 并利用生物量指数对 ,PEQ<FR< 等人 给出的服务功能单位面积价值进行了订正， 依据估算得出全国自然草地生态系统的 .2 类服务功能的年生态经济价值为 .85 4.5S./9 美 元。 用同样的方法， 谢高地等人M8N还对青藏高原草地生态系统服务功能的价值进行评估， 估算 其中 结果表明， 青藏高原各种天然草地每年提供的总生态系统服务价值为 - 24.H49S./9 元， 高寒草甸对整个草地生态系统服务价值的贡献率最大， 占生态价值的 0-H2-T。赵同谦等人M2N 对中国草地生态系统的侵蚀控制、 截留降水、 土壤碳累积、 废弃物降解、 营养物质循环和生境 对服务功能的物质量评价方法进行了探索。 0 类功能进行了评价 O 并且基于服务功能机制， 土壤保持功能是草地生态系统的重要功能之一。.552 年 U=;VFQV> 就开始了生态系统保护土
收稿日期： 修订日期： -//23/43.2 ； -//23/53-0 。 基金项目： 国家科学重点基金项目 61/-1//5/7 和基金项目 61/84/1-97 。 第一作者简介： 鲁 春 霞 6.5023 7 ， 女， 陕西宝鸡人， 生态学博士， 副研究员， 主要从事资源与生态领域的研究。
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高寒草地保持土壤的价值评估
根据 ;<=< 的研究， 草地土壤侵蚀产生的生态损害成本应该包括现场成本和非现场成本。 现场成本包括对土壤生产潜力、 渗透、 水利用率和养分利用率的损害费用， 非现场成本包括 获取适当供水的费用、 维持航道和港口的费用、 维护道路、 防止洪涝和排水的费用。因此， 这 里把土壤保持的经济价值分为以下几个方面。 %"! 保持土壤有机碳的经济价值 草地生态系统以有机碳的形式在土壤中固定了大量的碳，这些有机碳在人类活动干扰 下可以迅速地向大气排放， 土壤侵蚀可以极大地破坏草地生态系统保持有机碳、 调节大气成 分的功能。因此， 保持土壤有机碳的经济价值是土壤保持经济价值的重要组成部分之一。这 进行计算： 里采用式 （’） ・ ・ , "7!’!" ./ （’ ）
式中， , " 为保持土壤有机碳的经济价值Baidu Nhomakorabea8 元 / <9， ’!" 为土壤保持总量 8> / <9， - 为高寒草甸或草 4" 原土壤中平均有机质含量 （*2 / 12 ） ， （瑞典碳税率为 "#%? ・ 。 ./ 为碳税率 > @）
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保持土壤养分的经济价值 保持土壤养分的经济价值主要指生态系统保持土壤中 #、 $、 % 营养物质的经济价值 & 根 据青藏高原高寒草甸和草原土壤中养分的平均含量 & 采用式 ’() 可计算青藏高原不同类型生 态系统保持土壤营养物质的经济价值。 ・ ! "*!#$% &・ ’ (・ ’ )’ （( ）