草甸生态系统水源涵养服务功能的时空异质性_李士美

收稿日期：２０１４－１１－０２；修回日期：２０１５－０１－

０７基金项目：国家自然科学基金项目“基于ＣＥＲＮ的典型生态系统服务流量过程曲线研究”（３０７７０４１０）；山东省高校科技发展计划项目（Ｊ１４ＬＦ０４）；青岛农业大学高层次人才科研基金项目（６３１３２２）资助

作者简介：李士美（１９８１－），男，山东郓城人，讲师，博士，研究方向为生态系统结构与功能，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉ＿ｓｈｉｍｅｉ＠１

６３．ｃｏｍ．文章编号：１６７３－５０２１（２０１５）０２－００８８－

０６草甸生态系统水源涵养服务功能的时空异质性

李士美１，谢高地２

（１．青岛农业大学园林与林学院，山东　青岛　２６６１０９；２．中国科学院地理科学与资源研究所，北京　１００１０１）摘要：基于土壤水分动态监测数据，研究分析了青海海北高寒草甸生态系统定位研究站矮嵩草草甸、金露梅灌丛的有效水源涵养服务、潜在水源涵养服务和剩余水源涵养服务的时空异质性。矮嵩草草甸０～４０ｃｍ土层的平均有效水源涵养量、潜在水源涵养量和剩余水源涵养量分别为１０８．８ｍｍ、２０４．８ｍｍ和５６６．３ｍｍ，而金露梅灌丛则分别为２２７．７ｍｍ、３２８．０ｍｍ和６４１．４ｍｍ。不同层次的土壤有效水源涵养量、潜在水源涵养量、剩余水源涵养量存在显著的差异性，且具有显著的季节变化特征。线性回归分析结果表明，矮嵩草草甸０～４０ｃｍ水源涵养量与１０～２０ｃｍ水源涵养量的相关性最为显著，而金露梅灌丛则与３０～４０ｃｍ土层的水源涵养量相关性最强。

关键词：矮嵩草草甸；金露梅灌丛；水源涵养；土壤水分；时空异质性中图分类号：Ｓ１５４．４ 文献标识码：Ａ

草地生态系统是世界上分布最广的植被类型之

一，为人类提供了净初级物质生产、碳蓄积与碳汇、气候调节、水源涵养、水土保持、防风固沙、改良土壤

和维持生物多样性等生态系统服务功能［

１～２］

。目前，对草地生态系统服务功能及其价值研究相对较

少［３～４］

，多是在一些区域生态系统服务评估中有所体现［

５～６］

。完好的天然草地不仅具有截留降水的功能，而且比空旷裸地有较高的渗透性和保水能力，对涵养土壤中的水分有着重要的意义。近年来，不同尺度下土壤水分与水源涵养的研究已成为国际生态

水文研究的热点问题［７～９］

。然而，国内外对草地生

态系统的水源涵养服务功能的时空异质性研究目前

较还为薄弱［５］

，尤其是小尺度水平上的草地水源涵

养服务功能异质性的研究。实际上，草地类型异质性研究对准确评估其生态系统服务价值至关重要，对草地类型异质性特征的认识不足，是导致一些草地生态系统服务功能与价值评估的研究方法过于简

单、研究结果存在较大分歧的重要原因［

１０］

。解决这一问题的关键，即是在小尺度水平上构建草地生态系统服务功能综合评价体系，同时兼顾相应生态系统服务类型在时间上和空间上的变化特征及其潜在价值与实际表达价值的差异，并实现静态分析与动

态分析的相结合［

５］

。为了深入研究并探讨草地水源涵养服务功能的时空异质性，本文以海北高寒草甸生态系统为研究对象，以其土壤水分定位监测数据为基础，运用土壤蓄水能力法定量评估草地生态系统水源涵养服务功能的时空变化特征，以增进对草地生态系统服务形成机理的理解，并为生态系统服务价值评价方法提供科学依据，进一步增强生态系统服务价值评估的科学性。

１　材料与方法

１．１　研究区概况

海北高寒草甸生态系统国家野外科学观测研究站（简称海北站）位于青藏高原东北隅的祁连山谷地，地处３７°２９′～３７°４５′Ｎ、１０１°１２′～１０１°２３′Ｅ，站区山地海拔４０００ｍ，谷地海拔２９００～３５００ｍ。海北站位于亚洲大陆腹地，

具有典型的高原大陆性气候，东南季风及西南季风微弱。年平均气温－１．７℃；年降水量４２６～８００ｍｍ，主要集中于植物生长季的５～９月，占年降水量的８０％左右。年内无绝对无霜期，

相对无霜期约为２０ｄ左右。植被类型为青藏高原典型的地带性植被———以嵩草属（Ｋｏｂｒｅｓｉａ）植物为建群种的高寒嵩草草甸和金露梅（Ｐｏｔｅｎｔｉｌｌａ　ｆ

ｒｕｔｉ－ｃｏｓ）

为建群种的高寒灌丛草甸。由于青藏高原气候严寒，植物生长期短（平均为１５０ｄ），植物种类组成较少。海北站的土壤类型为高山草甸土（草毡寒冻雏形土）、高山灌丛草甸土（暗沃寒冻雏形土）和沼泽土。土壤特点为发育年轻、土层薄，具有１０～１５ｃｍ厚的坚韧的草结皮层，ｐＨ　７～８。１．２　研究方法

—

８８—第３７卷　第２期Ｖｏｌ．３７　Ｎｏ．２ 中　国　草　地　学　报Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　

Ｇｒａｓｓｌａｎｄ

２０１５年３月

Ｍａｒ．２０１５

本研究的基础数据由中国生态系统研究网络（ＣＥＲＮ）提供，数据生产者为海北站，观测场为高寒矮嵩草（Ｋｏｂｒｅｓｉａ　ｈｕｍｉｌｉｓ）草甸综合观测场和高寒金露梅灌丛草甸辅助观测场，对应土壤类型分别为高山草甸土和高山灌丛草甸土。高寒矮嵩草草甸综合观测场内沿对角线设置了４个中子观测点和相应的烘干法采样点，烘干法的数据用于对中子仪数据的校正，另２个中子观测点和烘干法采样点设置于水分观测场。高寒金露梅灌丛草甸辅助观测场内按“品”字形设置了６个中子观测点和相应的烘干法采样点。本研究所使用的土壤含水量基础数据为６个中子观测点土壤体积含水量的平均值，数据生产年份为２００９年。土壤容重与土壤水分常数（凋萎系数、田间持水量和饱和含水量）来源于海北站定位观测与研究数据集［１１］。

目前，中小尺度的草地生态系统水源涵养服务功能的计量主要采用土壤蓄水估算法［１２］。然而，土壤中涵蓄的水分对于植物的生长并非等效，凋萎系数以下的土壤含水量为“死库容”土壤水，通常只有介于凋萎系数和田间持水量的部分才能被植物利用。因此，本文仅衡量扣除“死库容”的草地生态系统水源涵养量，并将草地生态系统水源涵养服务区分为有效水源涵养服务、潜在水源涵养服务和剩余水源涵养服务。

草地生态系统有效水源涵养量是指土壤含有的大于凋萎系数的水分储存量，按下式计算：

Ｈｅ＝ρｉ×ｈｉ（ｗｉ－ｗｗ）×１０

式中，Ｈｅ为第ｉ层土壤有效水源涵养量（ｍｍ）；ρｉ为第ｉ层土壤容重（ｇ／ｃｍ３），ｈｉ为土层厚度（ｃｍ）；ｗｉ为第ｉ层土壤质量含水量（％）；ｗｗ为第ｉ层的土壤凋萎系数（％）。

草地生态系统土壤涵养有效水分的上限为田间持水量，因而草地土壤潜在水源涵养量可以用下式计算：Ｈ

ρ

＝ρｉ×ｈｉ×（ｗｆ－ｗｉ）×１０

式中，Ｈ

ρ

为第ｉ层土壤潜在水源涵养量（ｍｍ）；ρｉ为第ｉ层土壤容重（ｇ／ｃｍ３）；ｈｉ为土层厚度（ｃｍ）；ｗｉ为第ｉ层土壤质量含水量（％）；ｗｆ为第ｉ层土壤的田间持水量（％）。

草地生态系统涵养水源的最大能力为饱和含水量，此时土壤水包括吸湿水、膜状水、毛管水和重力水。在土壤水分饱和的情形下，如果水分进一步输入，则形成地表积水或径流。因而，草地生态系统土壤水源涵养的最大能力可以用土壤饱和含水量来表

征。考虑到土壤自然含水量，则草地剩余水源涵养量可以用下式计算：

Ｈｓ＝ρｉ×ｈｉ×（ｗｓ－ｗｉ）×１０

式中，Ｈｓ为第ｉ层土壤潜在水源涵养量（ｍｍ）；ρｉ为第ｉ层土壤容重（ｇ／ｃｍ３）；ｈｉ为土层厚度（ｃｍ）；ｗｓ为第ｉ层土壤的饱和含水量（％）；ｗｉ为第ｉ层土壤质量含水量（％）。

土壤质量含水量与体积含水量之间的换算关系：

ｖｉ＝ρｉ×ｗｉ

式中，ｖｉ为第ｉ层土壤体积含水量（％）；ρｉ为第ｉ层土壤容重（ｇ／ｃｍ３）；ｗｉ为第ｉ层土壤质量含水量（％）。

２　结果与分析

２．１　有效水源涵养量的时空异质性

土壤水分的季节变化取决于各个时期水量平衡要素之间的关系。水分收入大于消耗，土壤水分含量增加，反之则减少。４～１０月，矮嵩草草甸０～４０ｃｍ土层的平均有效水源涵养量为１０８．８ｍｍ，仅为金露梅灌丛０～４０ｃｍ土层平均有效水源涵养量的４７．７８％。不同层次的土壤有效水源涵养能力存在显著的异质性（图１），如矮嵩草草甸０～１０ｃｍ、１０～２０ｃｍ、２０～３０ｃｍ、３０～４０ｃｍ土层的平均有效水源涵养量分别占２３．５９％、２２．９８％、１６．９１％和３６．５２％，而金露梅灌丛则分别为１０．９０％、１８．３４％、３３．９２％和３６．８４％。草地生态系统有效水源涵养量的周期性波动是由植物耗水规律和气候年周期性变化综合作用的结果，土壤有效水源涵养量呈现显著的阶段性，均以９月中下旬的有效水源涵养能力最强。４～１０月是海北站雨季，在此期间土壤各层次的有效水源涵养量均出现了剧烈的变动。降水过后，土壤含水量和有效水源涵养量迅速上升，然后随着土壤表面蒸发失水和植被蒸腾失水土壤有效水源涵养量出现急剧下降，往复循环，直至雨季结束。矮嵩草草甸３０～４０ｃｍ和金露梅灌丛２０～３０ｃｍ土层的有效水源涵养量变异系数最小，分别为１５．７４％和１９．４７％，这说明深层土壤比表层土壤的有效水源涵养能力更为稳定。线性回归分析结果表明，矮嵩草草甸０～４０ｃｍ土层有效水源涵养量（ｙ）与１０～２０ｃｍ土层有效水源涵养量（ｘ）的相关性最为显著（Ｒ２＝０．８０５，ｙ＝３．５０１ｘ＋２１．１２５），金露梅灌丛则与３０～４０ｃｍ土层的有效水源涵养量（ｘ）相关性最强（Ｒ２＝０．９３５，ｙ＝２．３６９ｘ＋２８．９０３）。

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李士美　谢高地 草甸生态系统水源涵养服务功能的时空异质性