地表径流对荒漠灌丛生境资源再分配的影响及其生态学效应
文献类型：学位论文
| 作者 | 李小军 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2008-04-30 |
| 授予单位 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 |
| 授予地点 | 寒区旱区环境与工程研究所 |
| 导师 | 李新荣 |
| 关键词 | 灌丛生境 径流 资源再分配 空间格局 土壤水分 土壤资源 |
| 其他题名 | The Influences of Runoff on Resources Redistribution in Patchy Desert Shrubland and their Ecological Significance |
| 学位专业 | 生态学 |
| 中文摘要 | 在干旱荒漠景观系统中，降水事件中的地表产流，即径流是生态系统过程的重要驱动力。由于受土壤水分和降水稀少的限制，荒漠地区不能支持连续大面积均一的植被分布，高等植物的斑块状分布是对荒漠地区生态水文过程响应和长期适应的主要特征，而高等植物斑块之间的空地则被以隐花植物（cryptogam）为优势的生物土壤结皮所覆盖。这种高等植物/维管束植物（vascular plant）斑块与隐花植物斑块镶嵌分布的特点是荒漠地区独特和最主要的景观特征。在小尺度范围内，植物斑块间的水分运移、径流发生与水分再分配过程构建了斑块之间的能量流、物流的源-汇关系。深入了解这种关系以及径流的作用是进一步认知荒漠地区陆地表面过程及驱动机理的重要前提，它不仅是荒漠生态系统生态学研究的前沿科学问题，也是干旱区生态水文学所关注的核心问题。 目前关于这一问题的研究主要集中在热带及寒带荒漠，对温带荒漠的研究尚未见报道；另一方面，以前的研究主要涉及植被与裸地呈带状相间分布的斑块植被系统，而对植被呈点状分布的生态系统的研究比较少见。在我国腾格里沙漠东南缘的荒漠化草原地带，以旱生灌木和草本植物为优势的“斑块”（灌丛斑块）和以荒漠藻、地衣和藓类等隐花植物为优势的“斑块”（生物土壤结皮斑块）镶嵌分布十分明显，为了深入了解温带荒漠化草原是否存在这种以水分运移为驱动的“源-汇”关系以及相互影响与反馈作用的机理，本研究以荒漠草地退化，即草地灌丛化的植被格局变化引起的系统物流变化及径流对灌丛生境物流的驱动作用这一动力学过程为主题，综合运用恢复生态学及生态水文学方法，试图阐明：（1）植被变化对生境资源（水、土壤物质、养分）流失的影响；(2)温带荒漠化草原呈点状分布的斑块植被系统中生物土壤结皮斑块和灌丛斑块之间是否存在源-汇关系？不同斑块之间资源再分配比例是多少？(3)人为干扰对径流驱动下资源再分配的影响；(4)生物土壤结皮斑块和灌丛斑块土壤水文物理特征；(5)灌丛生境水土资源的空间分布特征。其主要研究结果如下： 1. 草地灌丛化导致大面积裸露地表的存在，使资源流失量增加。灌丛生境径流量为草地生境的2.16倍，而灌丛生境侵蚀产物、总有机质、全氮流失量分别为草地生境的2.8、2.2、2.1倍，溶解有机质和溶解氮的流失量分别为草地生境的1.42倍和1.65倍。草地生境植被盖度大，土壤养分含量高，因此，其单位体积径流有机质、全氮、溶解有机质和溶解氮的流失量均大于灌丛生境。 2. 在模拟试验条件下，生物土壤结皮斑块产生的径流有55%被重新分配至灌丛斑块，而其产生的75%的侵蚀产物、63%的有机质、74%的氮和60%左右的溶解养分被径流携带而重新分配至灌丛斑块。野外观测条件下，在较小强度降水事件中（降雨强度2.8mm h-1，降雨量44mm），裸地斑块产生的32.93%的径流、37.07%的侵蚀产物、30.32%的有机质、48.33%的氮和30%的溶解养分被重新分配至灌丛斑块；而在较大强度降水事件中（降雨强度5.7mm h-1，降雨量31.1mm），裸地斑块产生的资源分别有18.93%的径流、31.14%的侵蚀产物、9.84%的有机质、18.98%的氮和10%的溶解养分被重新分配至灌丛斑块。表明资源再分配比例与降水事件有关。 无论是模拟试验还是野外观测均证明：在植被呈点状分布的温带荒漠化草原—腾格里沙漠东南缘，生物土壤结皮斑块和植被斑块之间存在资源分配的源-汇关系。在模拟降雨条件下，灌丛斑块实际的降雨量为正常降雨量的2倍多。而两个自然降水过程中，灌丛斑块的实际降雨量均在正常降雨量的1.3倍以上。这有助于植被斑块在降水极不稳定的环境中生存和提高生态系统生产力。 受根系和枝条构件组成及灌丛下微地形特征的影响，不同物种灌丛对资源的捕获能力是不相同的。该区三种优势植物种对资源的捕获能力表现为珍珠（Salsola passerina）灌丛>驼绒藜（Ceratoides latens）灌丛>狭叶锦鸡儿（Caragana stenophylla）灌丛。 3. 对生物土壤结皮斑块的干扰显著增加了其水分入渗，使水分在整个坡面趋于均匀分布，但减少了水、养分等资源由生物土壤结皮斑块向灌丛斑块的再分配，从而可能使系统生产力下降。而对两种斑块的去除则显著增加了养分流失，使系统对资源的捕获和储存能力发生退化，这将导致系统功能失调和荒漠化过程的发展。说明荒漠化草原斑块植被系统的生态水文过程及养分循环过程对人为活动干扰极度敏感。 4. 用van Genuchten-Mualen模型拟合不同斑块土壤水分特征曲线和非饱和导水率曲线，结果表明：在相同区间内，灌丛斑块土壤水分特征曲线比生物土壤结皮斑块土壤陡直。在土壤基质势小于100（cmH2O）（lgP：0~2）时，灌丛斑块土壤非饱和导水率明显大于生物土壤结皮斑块土壤，且均保持在10cm h-1以上，而裸地斑块土壤则在这一范围则很快减小至3.2cm h-1以下。说明灌丛斑块土壤水力传导度高于生物土壤结皮斑块土壤，两类斑块之间导水力的差异有利于水分在灌丛斑块的入渗和降水径流事件中资源由生物土壤结皮斑块向灌丛斑块的再分配。 5. 在未产生径流的降水事件中，驼绒藜灌丛不同微生境（灌丛内部、灌丛边缘和灌丛间裸地）土壤含水量表现为灌丛内部>灌丛边缘>灌丛间隙，珍珠灌丛表层土壤含水量不同微生境间无显著差异，但灌丛内部5cm和10cm土层含水量则显著小于其他两个微生境。狭叶锦鸡儿灌丛各土层含水量不同微生境间无显著差异。三种灌丛不同微生境土壤含水量随土层深度增加而逐渐减小。而在产生径流的条件下，珍珠灌丛不同土层含水量在不同微生境间表现为灌丛边缘>灌丛内部>灌丛间裸地，而驼绒藜灌丛则表现为灌丛内部>灌丛边缘>灌丛间裸地，狭叶锦鸡儿灌丛不同微生境间无明显规律。各物种不同微生境土壤含水量随土层深度增加的变化不明显，而且同一微生境存在坡向梯度，表现在珍珠灌丛内部和边缘均为上坡向大于下坡向，而驼绒藜灌丛为上坡向小于下坡向，狭叶锦鸡儿灌丛则无明显规律。 降水事件中，个体（灌丛）尺度土壤水分的空间异质性与地表径流、冠层截留、茎干流、灌丛下微地形等因素密切相关。本研究结果表明：在未产生径流的降水事件中，珍珠灌丛个体尺度土壤水分空间异质性可能主要受冠层截留的影响，导致灌丛内部水分入渗深度明显减小；而驼绒藜灌丛则可能主要受茎干流的影响，灌丛内部土壤含水量显著大于其他两个微生境。而在产生径流的事件中，珍珠和驼绒藜灌丛个体尺度土壤水分空间异质性可能主要取决于地表径流和微地形特征，珍珠灌丛下较大体积土堆的存在使径流难以到达灌丛内部而在灌丛边缘入渗，因而使灌丛边缘土壤含水量最高；驼绒藜灌丛则可能由于土堆较小而使径流在灌丛基部汇集，提高灌丛内部土壤含水量。 6. 地统计学分析表明，植被的空间变异函数曲线模型为球状模型，变程为1.25m。在0.5m取样间隔条件下，表层土壤含水量和入渗深度均为线性模型，表现为纯块金效应，说明其空间异质性是由随机因素导致的。而在1m取样间隔条件下，表层土壤含水量和入渗深度均存在明显的空间异质性特征，变异函数曲线模型分别为指数模型和球状模型，由自相关因素导致的空间异质性比例均在90%以上。0.5m取样间隔小于平均冠幅，可能由于这一取样间隔太小，使样点间的数据差异较大，这种差异掩盖了由空间位置不同带来的差异，因而不能反映水分分布的实际特征。而在1m取样间隔条件下，两者变程（有效变程）分别为1.14m和1.05m，接近植被分布的变程，两个参数的空间异质性特征可以解释为由于在降水径流事件中灌丛对来自于上坡向径流的捕获而造成的。两个参数的自相关尺度均小于2.42m，这一尺度接近灌丛间的平均距离。 7. 珍珠灌丛不同微生境（灌丛内部、灌丛边缘和灌丛间裸地）土壤资源分布特征表现为：有机质从灌丛内部向外依次显著减小，粘粒、全氮和全磷则表现为灌丛边缘>灌丛内部>灌丛间裸地；而驼绒藜灌丛各土壤参数表现为由内向外依次减小的趋势。珍珠和驼绒藜灌丛同一微生境也表现出坡向趋势，即珍珠灌丛表现为上坡向大于下坡向，而驼绒藜灌丛则表现为下坡向大于上坡向。狭叶锦鸡儿灌丛对个体尺度土壤资源空间分布影响不显著。表明个体（灌丛）尺度土壤资源空间分布特征取决于物种本身冠层和根系构件特征以及灌丛下微地形特征。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2013-08-22 |
| 页码 | 132 |
| 源URL | [http://ir.casnw.net/handle/362004/21717]  |
| 专题 | 寒区旱区环境与工程研究所_研究生学位论文_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李小军. 地表径流对荒漠灌丛生境资源再分配的影响及其生态学效应[D]. 寒区旱区环境与工程研究所. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所. 2008. |
入库方式： OAI收割
来源：寒区旱区环境与工程研究所
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