高寒草甸不同退化程度下的水源涵养服务变化过程及机理研究

Under the driving force of both natural change and human activities, the alpine meadow ecosystem is significantly degraded, seriously affecting the provision of water conservation services. This project closely revolved the key scientific issue of the influencing process and mechanism of alpine meadow degradation on water conservation services, taking a typical small watershed in the source region of the Yellow River in Maqu County as a case study area, using the method of conversion from space to time, basing on field positioning observation experiments to clarify the variation of water conservation services under different degraded alpine meadow. And then, through analyzing the influencing process of alpine meadow degradation on vegetation cover and soil physical properties, and also the relationship among vegetation and soil properties change, meadow interception, soil moisture as well as the surface runoff yield, the influencing process and mechanism of the alpine meadow degradation on water conservation services will be revealed. Finally, the SWAT model will be improved in permafrost conditions, thereby simulating the dynamic changes of the water conservation services during the past 30 years. The independent or synergistic effects, as well as the relative contribution of the different driving force for water conservation services will be explored through model experiments. This study will help to enhance the understanding of the formation and change mechanism of the alpine region ecosystem services, and can also provide some scientific basis for the ecological construction and management policies of the Yangtze and Yellow River headwater region.

在自然与人为双重作用驱动下，高寒草甸生态系统明显退化，严重影响其水源涵养服务的提供。本项目围绕高寒草甸退化对水源涵养服务的影响过程及机理的关键科学问题，选择黄河源区玛曲县典型小流域为研究案例区，采用"地理空间换时间"的思想，基于野外定位观测与实验，阐明高寒草甸不同退化程度下的水源涵养服务变化特征；通过分析高寒草甸退化对植被覆盖、土壤物理属性等的影响过程，以及植被和土壤属性变化与草甸截留、土壤水分以及地表产水量等之间的关系，揭示高寒草甸退化对水源涵养服务的影响过程与机理；最后，对SWAT模型在冻土条件下进行改进，模拟过去30年水源涵养服务的动态变化，并通过模型敏感性实验探讨不同驱动力对水源涵养服务的独立或协同效应以及相对贡献。本研究有助于提升对高寒地区生态系统服务形成与变化机理的认识，也可以为江河源区生态建设与管理政策的制定提供一定科学依据。

受自然和人文因素的共同影响，近年来青藏高原高寒草甸退化严重，黄河源区尤为显著，对其水源涵养服务功能产生明显影响。项目围绕高寒草甸退化对水源涵养服务的影响过程及机理的关键科学问题，从样地、小流域和流域三个不同尺度，采用定位监测、野外调查、遥感观测以及模型模拟多种手段，揭示高寒草甸退化对土壤水源涵养功能的影响和机理，辨识其时空特征和主要因素，并解析不同驱动力的贡献程度。结果发现：（1）随退化程度增加，土壤水分显著降低，土壤容重、沙粒含量显著增加，有机碳、粘粒、粉粒含量，以及总孔隙度、毛管孔隙度则显著降低，非毛管孔隙度的变化呈先降低后增加的变化趋势，饱和含水量和田间持水量随退化降低，饱和导水率呈先降低后增加；（2）饱和含水量和田间持水量与毛管孔隙度、有机碳含量、水稳比，以及沙粒和粘粒含量呈显著正相关，与容重和沙粒含量呈显著负相关，饱和导水率仅和非毛管孔隙度呈显著正相关，孔隙度是土壤水文性质的最重要的影响因素；（3）土壤水分特征曲线随退化和深度的增加呈整体下移趋势，表明土壤持水能力降低，不同退化程度之间土壤水分特征曲线的差异主要集中在0-30cm土层；（4）高寒草甸退化降低了土壤水分有效性，土壤比水容量随退化程度增加具有明显降低趋势，不同深度土壤有效水比例和总有效含水均随退化程度增加而降低；（5）对遥感土壤水分资料降尺度分析发现，2000-2010年黄河源区多年土壤平均含水量呈上升趋势，其中夏季和秋季的增长趋势最显著，空间分布上总体呈自东向西逐渐递减格局，土壤表层含水量随着草地覆盖度的增加而增加；（6）基于模型模拟解析发现，过去30年黄河源区水源涵养量整体呈降低趋势，1980-1995年气候变化是水源涵养量变化的主要驱动因素，贡献率占64%，而1995-2008年土地利用变化的贡献率逐渐增加并超过气候变化。本研究有助于提升对高寒地区生态系统服务形成与变化机理的认识，可为江河源区生态建设与管理提供一定科学依据。