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科考发现
海北站研究揭示了高寒草地水源涵养过程及机理
2020-03-31 15:21:54 来源:中科院西高所 作者: 【 】 浏览:301次 评论:0

  青藏高原水资源丰富,被誉为“中华水塔”,在保障我国和东南亚地区水资源安全中具有重要作用。青藏高原水资源功能的估测,是三江源国家公园服务国家需求的重要内容之一。

  高寒草地是青藏高原水源涵养的重要基质,人类活动导致的草地退化,使得系统水源涵养构件属性和生态水文过程发生重大改变,对高寒草地水源涵养功能造成极大的影响,然而这一科学问题没有得到足够重视,造成高寒草地在高原水源涵养功能贡献评估的不确定性。几年来,海北站在国家自然科学基金重点项目和青海省自然基金面上项目,仪器修购专项、CERN样地建设项等目支持下,建设了高寒草地地下水位观测系统、草地蒸渗系统和土壤水热盐观测和小流域河流径流观测系统,开展了高寒草地水文过程、人类干扰对高寒草地水源涵养功能影响过程及机理的研究,相继发表了多篇研究论文,取得的初步重要研究结论:

  1.海北站地区蒸发散水量598.0mm大于降水量472.8mm,其中植被蒸腾379.4mm,高于土壤蒸发175.3mm,高寒草地处于水分不平衡状态。植物生长水分消耗440.91±50.49mm,水分利用效率3.287g/m2.mm。

  2.年际内,地下浅表水水位呈正弦函数趋势变化,具有双峰双谷,其最大变幅深达0.79m,高水位分别出现于1月和8月,低水位出现于5月和11月。大气降水、浅表水位和生态系统水分蒸发散没有呈现出同步的相位特征(图1)。冻土的存在、土壤水分的饱和度及土壤对降水深层迁移的滞后效应可能是造成这种不同步的原因。

  3.季节性冻土结冻始于11月13日,终于3月底,持续222天。最大冻土厚度2.20m,呈现“由表及底“的单向冻结。土壤解冻始于3月底,冻土层融通于6月21日,地下暖流及太阳辐射造成冻土层的“表快底缓”的双向解冻过程(图2)。

  4.生长季土壤水分在32%左右,春节融化期高达43%,即季节冻土形成中随水汽迁移对土壤水分贡献为11%左右,表层冻土的缓慢解冻,保障了春季牧草返青的水分需求。

  5.土壤持水能力和植物有效用水与土壤有机质,土壤总孔隙度和毛管孔隙度呈正相关,与土壤容重、黏粒和粉粒含量呈显著负相关,非毛管孔隙度对其无显著影响。

  6.理论上,随着高寒草地退化成度的加大,其草地水源涵养能力将呈现逐渐降低的趋势。然而从本研究结果来看,0-60cm土层重度退化高寒灌丛草地和20-40cm高寒嵩草草甸持水能力高于其他三个退化稳态的异象?这是否与高寒草地土体中部细土物质淀积形成高有机质层的滞水作用有关(图3)。

  主要论文信息:

  (1)Seasonal dynamics and controls of deep soil water infiltration in the seasonally-frozen region of the Qinghai-Tibet plateau,Journalof Hydrology,IF4.405,第一作者:戴黎聪,通讯作者:曹广民.

  论文链接:sciencedirect.com/science/article/pii/S0022169419301787

  (2)Strong seasonal connectivity between shallow groundwater and soil frost in a humid alpine meadow,northeastern Qinghai-Tibetan Plateau,Journal of Hydrology,IF4.405,第一作者:张法伟,通讯作者:曹广民.

  论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022169419304445

  (3)Light Grazing Significantly Reduces Soil Water Storage in Alpine Grasslands on the Qinghai-Tibet Plateau,Sustainability,IF2.592,第一作者:郭小伟,通讯作者:杜岩功.

  论文链接:https://www.mdpi.com/2071-1050/12/6/2523

  (4)The Response of Shallow Groundwater Levels to Soil Freeze-Thaw Process on the Qinghai-Tibet Plateau,Ground water,IF2.322,第一作者:戴黎聪,通讯作者:曹广民.

  论文链接:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30324716

   (5) 青藏高原季节冻土区土壤冻融过程水热耦合特征,冰川冻土, 第一作者:戴黎聪,通讯作者:曹广民。

  论文链接:https://kns.cnki.net/kns/brief/default_result.aspx

  图1.海北站地下水位与土壤冻融的关系

图2.降水、季节性冻土深度和土壤深层渗漏的关系

图3.不同退化状态高寒草甸土壤各层含水量. *原生高寒草甸 2017 (A) 、 2018 (B);轻度退化高寒草甸2017 (C)和 2018 (D);中度退化高寒草甸 2017 (E) 和 2018 (F), 重度退化高寒草甸 2017 (G)和 2018 (H).

图4.土壤水热盐观测系统(CR1000)和草地蒸渗系统(Lysimeter)


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