黄河源区高寒草地退化对土壤水分影响的空间差异

Understanding the regional differentiation of the interrelation between vegetation and soil moisture is critical to improve the accuracy of hydrological or land surface models simulating, and develop regional water resources management and ecological conservation. Around the question of spatial variability of alpine grassland impacts on soil moisture, the Yellow-river Headwater Region is divided into several eco-geographical regions. Based on large-scale vegetation and soil survey and dynamic monitoring of remote sensing, the temporal and spatial variation and its driving mechanism of alpine grassland degradation in the Yellow-river Headwater Region will be revealed. Through a comprehensive comparison of the different ecological and geographical region’s soil moisture observation experiment analysis, the spatial differentiation of soil moisture response to different degraded alpine grassland will be clarified. Then, using the VIC land surface hydrological model and the ECV remote sensing of soil hydrological observation data, and also the spatial variability parameters, standard deviation and redundancy analysis, the spatial distribution of variability and its dominant factors of soil moisture will be identified. Finally, consistencies and differences of the mechanism of alpine grassland degradation effects on soil hydrological processes will be explained. The general laws and overall understanding of the alpine grassland degradation impacts on soil moisture will be formed, and provide scientific support for the basin water resources management and ecological construction.

深入认识高寒地区植被与土壤水分相互作用的地域分异规律是提高水文模型与陆面模式预测精度、开展区域水资源管理与生态保育的科学基础。围绕高寒草地退化对土壤水分影响的空间差异问题，将黄河源区划分为若干生态地理区，基于大范围植被与土壤调查以及遥感动态监测，揭示黄河源区高寒草地退化的时空差异及其驱动机制；通过不同生态地理区土壤水分定位观测实验的综合对比分析，阐明土壤水分对不同退化程度高寒草地响应的空间差异；在此基础上，基于VIC陆面水文模型模拟以及ECV遥感土壤水文观测资料，采用空间变异系数、标准方差及冗余分析方法，辨识土壤水分空间分布异质性格局及其主控因子。最终科学阐释不同生态地理区域高寒草地退化对土壤水文过程影响机制的一致性与差异性，形成高寒草地退化对土壤水分影响的一般性规律和整体认识，为流域水资源管理与生态建设提供依据。

在多种环境因子与人为活动的共同驱动下，近年来黄河源区高寒草地持续退化，导致土壤水分呈现显著的空间分异。项目围绕高寒草地退化对土壤水分影响过程及其机理的空间差异的关键科学问题，根据通过划分不同生态地理区域分区，从样地、生态地理分区和黄河源区三个不同尺度，通过大范围空间不同样地对比实验、遥感观测及模型模拟等多种手段，揭示黄河源区高寒草地退化对土壤水分影响的空间分异规律，辨识土壤水分空间异质性特征及其主控因子，阐明高寒草地退化对土壤水分空间差异的影响机制。结果发现:（1）2000-2015年黄河源区草地明显退化，气候环境变化和人类活动导致草地面积持续下降，其中高覆盖度草地和低覆盖度草地减少的幅度最大；（2）2000-2010年黄河源区不同季节的土壤水分呈“夏季>秋季>春季>冬季”，年和季节土壤水分在该时段内均呈上升趋势，其中夏季和秋季的增长趋势最显著。空间上，多年平均土壤水分自西北向东南逐渐上升，在不同地表覆被类型下呈现“高覆盖草地>灌丛>中覆盖草地>低覆盖草地>裸地”分布特征；（3）年和季节土壤水分的年际变化存在显著的空间分异，且土壤水分的变异系数随空间尺度的增大先快速增加后减缓最终趋于稳定。年土壤水分在黄河源区西部地区基本不变，在东部地区显著增加，而在西北部地区减少；（4）随着退化程度的增加，土壤水分显著降低。草地退化导致土壤理化性状恶化，土壤持水能力降低，且随着退化程度的增加，0-50cm土层实际有效水含量显著降低；（5）地表土壤水分随着植被覆盖度的升高而升高，与年均气温的相关性极显著，其中春季气温和夏季降水与年均土壤水分均为极显著正相关，暖季土壤水分分布和变异的影响强弱依次为降水＞海拔＞气温＞NDVI＞坡度；而寒季影响最强烈的环境因子为海拔和降水。本研究有助于提升对黄河源区高寒草地土壤水文过程及其影响因素的科学认识，可为准确预测区域径流演变规律及水资源利用与管理决策提供一定科学依据。