高寒草地植被与土壤水源涵养功能的时空耦合关系.pdf
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1、第3 7卷第5期2 0 2 3年1 0月水土保持学报J o u r n a l o fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 7N o.5O c t.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 3-0 3-2 2 资助项目:甘肃省教育厅创新创业教育教学改革研究项目(C X C Y J G 2 0 2 2 0 0 2);甘肃省教育科学“十三五”规划2 0 2 0年度一般课题项目(G S2 0 2 0GH B 4 6 4 0);甘肃省自然资源规划科研项目(GAU-X Z-2 0 1 6 0 8 1 2)第一作者:张晓宁(1 9 9 5)
2、,女,博士研究生,主要从事水土保持研究。E-m a i l:z x n 8 9 3 7 0 7 6 0 71 6 3.c o m 通信作者:刘学录(1 9 6 6),男,教授,主要从事景观生态学和土地资源管理研究。E-m a i l:l i u x l g s a u.e d u.c n高寒草地植被与土壤水源涵养功能的时空耦合关系张晓宁1,2,李晓丹1,3,刘星雨1,年丽丽1,2,杨莹博2,刘学录2(1.甘肃农业大学林学院,兰州7 3 0 0 7 0;2.甘肃农业大学资源与环境学院,兰州7 3 0 0 7 0;3.甘肃农业大学管理学院,兰州7 3 0 0 7 0)摘要:探究草地植被格局与土壤水
3、源涵养功能的关系,对于评价和有效利用土壤及草地植被资源起着重要的作用。以黄河源区的高寒草地生态系统为研究对象,运用MO D I S数据构建土壤水源涵养功能模型并探究其时空变化特征,明确草地植被的时空变化规律,以耦合协调度理论为基础探讨二者耦合关系的季节性变化和空间分布特征。结果表明:(1)2 0 0 02 0 2 1年土壤水源涵养功能指数和综合植被指数在各个季节上均呈增加趋势,2 2年的季平均值表现为夏季和秋季高于春季和冬季;(2)2 0 0 02 0 2 1年各个季节土壤水源涵养功能植被(S WC FV E G)的耦合协调度基本上均呈增加趋势,同时各土层深度耦合协调度值的空间分布差异明显,且
4、在季节上表现为夏季秋季春季冬季;(3)2 0 0 02 0 2 1年季节上各草地类型的S WC FV E G耦合协调度均为增加趋势;各季节温性草原不同土层深度耦合协调度的平均值均最大,且夏季、秋季和冬季各草地类型的值均表现为1 02 0c m01 0c m;各草地类型不同季节的耦合协调发展类型各异。研究结果为黄河源区草地植被与土壤水源涵养功能的耦合关系提供高效定量的时空分析方法,可为草地植被土壤的可持续发展奠定基础。关键词:草地生态系统;水源涵养;MO D I S;时空分异;耦合关系中图分类号:X 1 7 1.1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9-2 2 4 2(2 0 2 3)0 5
5、-0 2 4 3-0 9D O I:1 0.1 3 8 7 0/j.c n k i.s t b c x b.2 0 2 3.0 5.0 2 9S p a t i a l a n dT e m p o r a lC o u p l i n gR e l a t i o n s h i pB e t w e e nA l p i n eG r a s s l a n dV e g e t a t i o na n dS o i lW a t e rC o n s e r v a t i o nF u n c t i o nZ HANGX i a o n i n g1,2,L IX i a o d
6、a n1,3,L I UX i n g y u1,N I ANL i l i1,2,YANGY i n g b o2,L I UX u e l u2(1.C o l l e g e o fF o r e s t r y,G a n s uA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y,L a n z h o u7 3 0 0 7 0;2.C o l l e g e o fR e s o u r c e s a n dE n v i r o n m e n t a lS c i e n c e s,G a n s uA g r i c u l t u r a
7、 lU n i v e r s i t y,L a n z h o u7 3 0 0 7 0;3.C o l l e g e o fM a n a g e m e n t,G a n s uA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y,L a n z h o u7 3 0 0 7 0)A b s t r a c t:E x p l o r i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng r a s s l a n dv e g e t a t i o np a t t e r n sa n ds o i l
8、w a t e rc o n s e r v a t i o nf u n c t i o np l a y s a n i m p o r t a n t r o l e i ne v a l u a t i n ga n de f f e c t i v e l yu t i l i z i n gs o i l a n dg r a s s l a n dv e g e t a t i o nr e s o u r c e s.T h es t u d yw a sc o n d u c t e do nt h ea l p i n eg r a s s l a n de c o s y
9、 s t e mi nt h eY e l l o wR i v e r s o u r c ea r e a,am o d e l o f s o i lw a t e rc o n s e r v a t i o nf u n c t i o n w a sc o n s t r u c t e du s i n g MO D I Sd a t aa n di t ss p a t i a la n dt e m p o r a lv a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw e r ee x p l o r e d.T h es p a
10、t i a la n dt e m p o r a lv a r i a t i o np a t t e r n so fg r a s s l a n dv e g e t a t i o n w e r ec l a r i f i e d,a n dt h e s e a s o n a l v a r i a t i o na n ds p a t i a l d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h e i r c o u p l i n gr e l a t i o n s h i pw e r ee
11、x p l o r e db a s e do nt h e t h e o r yo f c o u p l i n gc o o r d i n a t i o n.T h e r e s u l t ss h o w e dt h a t:(1)S o i lw a t e r c o n s e r v a t i o nf u n c t i o ni n d e xa n dc o m p r e h e n s i v ev e g e t a t i o ni n d e xs h o w e da ni n c r e a s i n gt r e n di na l ls
12、e a s o n sf r o m2 0 0 0t o2 0 2 1,a n dt h es e a s o n a l a v e r a g ev a l u e sw e r eh i g h e r i ns u mm e ra n da u t u m nt h a nt h o s e i ns p r i n ga n dw i n t e r.(2)T h ec o u p l i n gc o o r d i n a t i o no fs o i lw a t e rc o n s e r v a t i o nf u n c t i o n-v e g e t a t
13、i o n(SWC F-V E G)b a s i c a l l ys h o w e da ni n c r e a s i n gt r e n di na l ls e a s o n sf r o m2 0 0 0t o2 0 2 1,a n dt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h ec o u p l i n gc o o r d i n a t i o nv a l u e sw e r es i g n i f i c a n t l yv a r i e da m o n gd i f f e r e n t s o
14、i l l a y e rd e p t h s,a n dt h es e a s o n a l p e r f o r m a n c ef o l l o w e dt h eo r d e ro fs u mm e r a u t u m ns p r i n gw i n t e r.(3)T h ec o u p l i n gc o o r d i n a t i o no fSWC F-V E Gs h o w e da ni n c r e a s i n gt r e n df o re a c hg r a s s l a n dt y p ei na l ls e a
15、 s o n sf r o m2 0 0 0t o2 0 2 1.T h em e a nv a l u e so fc o u p l i n gc o o r d i n a t i o nf o rv a r i o u ss o i l d e p t h s i nt e m p e r a t eg r a s s l a n d sw e r et h em a x i m u mi na l l s e a s o n s,a n dt h ev a l u e so f 1 02 0c mw e r eg r e a t e r t h a n t h o s eo f 01
16、 0c mf o r e a c hg r a s s l a n d t y p e i ns u mm e r,a u t u m na n dw i n t e r.T h ec o u p l i n gc o o r d i n a t i o nd e v e l o p m e n t t y p e sv a r i e da m o n gg r a s s l a n dt y p e s i nd i f f e r e n t s e a s o n s.T h es t u d yc o u l dp r o v i d ea ne f f i c i e n t a
17、 n dq u a n t i t a t i v e s p a t i o t e m p o r a l a n a l y s i sm e t h o d f o r t h e c o u p l i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e ng r a s s l a n dv e g e t a t i o na n ds o i lw a t e rc o n s e r v a t i o nf u n c t i o ni nt h eY e l l o wR i v e rs o u r c ea r e a,a n dt h er
18、e s u l t sc o u l db e t h eb a s i s f o r t h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fv e g e t a t i o n-s o i l i ng r a s s l a n d.K e y w o r d s:g r a s s l a n de c o s y s t e m;w a t e rc o n s e r v a t i o n;MO D I S;s p a t i a l-t e m p o r a ld i f f e r e n t i a t i o n;c o
19、u p l i n gr e l a t i o n s h i p 草地是陆地生态系统的重要组成部分1,草地生态系统提供给人类植物资源和畜牧产品的同时,还对维持生态服务和功能起到至关重要的作用,尤其是高寒和干旱等自然条件严酷的地区2,高寒草地是其重要的生态屏障,在水土保持、固碳和生物多样性等方面扮演着至关重要的角色3。此外,水源涵养功能在各项生态系统服务中处于中心地位,是其中重要的生态系统服务功能4。水源涵养功能的具体作用在于净化水质、拦蓄和维持降水、调节地表径流、抑制蒸发、供给淡水等,是水资源可持续的基础和保障5。黄河源区的水源涵养单元主要为冻土、冰川、草地、湿地等,其中草地通过土壤植被的
20、相互作用蓄存水分并发挥水源涵养功能,其面积分布最广,占主导地位6。因此,评估黄河源区高寒草地的土壤水源涵养功能对保障区域生态安全及实现水资源的可持续发展具有重要意义。植物的生长改变其周围的土壤环境,同时这种环境也可能导致植物生理活性甚至植被组成的变化7。已有研究8表明,植物的建立及其演替过程可以导致土壤发育速率的明显变化,从而影响土壤水力特性和水量平衡,同时土壤发育程度通过土壤水分与养分可用性、土壤厚度、土壤微生物活性与类型可以控制植物群落的建立9。由此可知,土壤、植被和水在不同的时空尺度上存在耦合关系1 0。土壤层是生态系统水源涵养的主体,在蓄水保肥等方面发挥着至关重要的作用,土壤层水源涵养
21、功能很大程度上受到容重、有机质含量、孔隙度和质地等理化性质的影响1 1。耦合协调度可以有效地反映植被和土壤系统在生态恢复过程中的相互作用,对二者的耦合状态进行量化。同时,基于植被与土壤各自的特征属性,二者的耦合关系及其对外界干扰的响应亦存在差异1 2。目前为止,已有的关于土壤植被耦合研究通常局限于传统观测手段的限制,具有固定的时空尺度,例如,徐明等1 3评价不同植被恢复模式沟谷地植被土壤系统的耦合关系;王皓月等1 4评价九峰山不同林分类型生态恢复植被土壤系统的耦合关系;彭晚霞等1 5从小尺度角度研究退耕还林还草模式下的植被土壤耦合协调状况;李豪等1 6与白一茹等1 7分别对不同微地形和不同土地
22、利用方式的植被土壤系统耦合特征进行探究。然而,关于土壤水源涵养功能植被在较长的时间尺度与较广的空间尺度的研究基本空白,但随着遥感技术的不断发展,其在土壤养分的空间分布反演1 8、水源涵养功能评价1 9以及植被生态质量评估2 0中均已被应用,可更好地为探究二者复杂的时空耦合关系提供基础。基于上述背景,以位于黄河源头的甘南水源涵养区为研究区域,明确草地植被的时空变化规律,探究土壤水源涵养功能时空变化特征,探讨土壤水源涵养功能与草地植被的时空耦合关系,对监测当地乃至区域及全国草地生态系统的修复和保护具有重要意义,也能够为黄河源区的管理措施及可持续发展对策的制定提供依据,是黄河流域生态保护与高质量发展
23、研究的基础性工作。1 数据与方法1.1 研究区概况研究区地处青藏高原东北部,是青藏高原生态屏障的重要组成部分,属高原地貌类型,为侵蚀构造的高原山地景观,地形复杂(图1 a),属于高原高寒湿润气候,具有大陆性季节气候的特点,长冬无夏,春秋相连且短促。本区属于甘南黄河水源补给重点生态功能区,该生态功能区主要分为水源涵养功能区和水土流失控制区2个生态保护与建设区,本文仅对水源涵养功能区进行研究,行政区域包括甘肃省南部甘南州的6个县(市),即合作市、玛曲县、碌曲县、夏河县、临潭县和卓尼县(图1 b)。草地是研究区面积最大的生态系统,对水源涵养具有决定性作用,玛曲县、碌曲县、夏河县和合作市是草地分布的主
24、体区域。1 1 0 0万中国草地资源图 采用草地植被生境分类系统(V H C S),将研究区草地分为高寒草甸、山地草甸、温性草原和沼泽4种主要的草地类(图1 c)。1.2 数据来源1.2.1 土壤样本的采集与土壤属性的测定 地面观测数据采集时间为2 0 2 1年78月,项目组成员分批次前往研究区进行草地的样方调查和采样,随机采样点共计1 3 0个(图1)。采样时应尽可能遵循大均匀小随机布点法2 1,且采样点位置的直线距离至少间442水土保持学报 第3 7卷隔1k m。在每个样点中设置间隔至少为1 0 0m的2个小样方(5 0c m5 0c m),拍照记录每个样地的编号、经纬度、海拔、植被和景观
25、信息,用环刀(规格为1 0 0c m)获取不同土层的土壤,称完鲜重后带回室内采用烘干法获取土壤含水量和容重数据。同时利用土钻按照五点法对02 0c m土壤进行采集(01 0,1 02 0c m),将土样装入已标记的自封袋中,后经风干过筛后测定土壤养分含量。土壤理化指标测定步骤均参照鲍士旦2 2方法,土壤粒径组成用B e t t e r-s i z e 2 6 0 0激光粒度分析仪测定(黏粒秋季春季冬季,1 02 0c m的则为夏季秋季冬季春季。表2 2 0 0 0-2 0 2 1年S WC F回归方程的斜率土层深度/c m春季夏季秋季冬季01 00.1 8 80.2 5 20.0 9 50.1
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