草地水土流失生态系统观测成套技术

简要信息

　　【获奖类型】中国水科院应用一等奖

　　【任务来源】水利部“948”计划项目

　　【课题编号】200702

　　【课题起止时间】2007年～2009年

　　【完成单位】水利部牧区水利科学研究所

　　【主要完成人】张瑞强、高天明、魏永富、刘 昭

立项背景

　　我国草原牧区主要分布在内蒙古、新疆、青海、甘肃、宁夏等省区，总面积约188万km2，天然草原近4亿hm2，占国土总面积的41.7%，其中可利用草原面积3.3亿hm2，是中国面积最大的陆地生态系统。自上世纪70年代特别是80年代以来，在全球气候变化背景下，对水草资源的无序开发导致草原不断退化沙化，承载能力不断降低。据统计，90%以上的可利用草原面积已呈现不同程度的退化、沙化，其中中等程度以上退化、沙化面积已达2/3。草地生态环境的严重恶化使得经济社会本来落后，技术力量本来薄弱的广大草原牧区更加雪上加霜，牧区民生问题形势严峻，牧区经济社会的可持续发展面临重大挑战；同时，草原生态环境的恶化还严重地威胁着国家的生态安全。因此，开展草地水土流失观测工作，防治草地退化、沙化，保护草原生态环境任务十分紧迫。本项目实施采用基地观测试验和周边区推广应用相结合的方式。针对阴山北麓低山丘陵荒漠草原区特点，开展风蚀、和水蚀草地冠层CO2通量的连续观测，总结提炼模式化综合治理技术，并在区域内推广应用，促进地区生态环境的整体改善和经济效益的全面提高。项目实施无论对草地水土保持生态建设技术进步，还是地区生态环境建设、经济社会发展均具有重要的现实意义。

研究内容

　　草地水土流失有其特殊性，主要表现为以风蚀为主、风水两相侵蚀并存的特点，并且由于植物生长的季节性使得草地水土流失也伴随有明显的季节性。本项目以配备气象单元的UGT风蚀仪和水蚀仪并结合ENVIS气象站进行长期连续观测，进行水蚀和风蚀特点的分析研究。春季，利用野外移动试风洞开展控制性模拟试验，进一步研究草地风沙流结构。对风蚀和水蚀物质进行粒径和营养成份的分析以研究水土流失所造成的土地生产力的下降水平．

　　植物的光合作用将CO2和H2O转化为有机质和O2，植物的呼吸作用与光合作用相反，将有机质和O2转化为CO2和H2O。利用涡度相关通量观测系统观测大气CO2通量，能够撑握草地净CO2实时吸收和释放量。利用R3-50型超声风速仪、OPEC-2开路CO2/H2O红外分析仪和通量观测软件EDDYMEAS进行连续监测草地冠层上方2m高度处的CO2通量变化，判断草地在不同季节的碳源-汇功能。

创新点

　　本项目的创新点主要有：1）提出了草地-水土流失-CO2通量耦合研究的思想。2）依托无线局域网数据传输技术的通量观测在线工作方式，大大提高了工作效率。3）估算区域风蚀量的经验模型，对风蚀水平与风能关系的初探；对风蚀和水蚀颗粒进行了机械组成和营养成份的分析表明，水蚀颗粒要比风蚀的细，风蚀造成N、P、K的大量流失，而水蚀的营养流失主要以N损失为主。4）草地在夏季表现为CO2汇，冬季表现为弱CO2源。5）该项目结合了水土保持学与生态学试验观测方法，监测方法达到国际领先水平。

与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

　　本项目结合了水土保持与生态学的理念和研究方法，这在国际国内均处于领先水平。本项目所使用的仪器设备（ENVIS生态气象梯度观测系统、UGT-FE风蚀测试系统和径流场水蚀系统、R3-50型超声风速仪、OPEC-2开路CO2/H2O红外分析仪和通量观测软件EDDYMEAS）均属国际先进水平。这些先进的仪器设备可进行全天候连续自动观测，且精度较高，因此可获取的全面、连续、高精度的数据，这对开展草地水土流失与碳源-汇功能的整体性研究十分有利。本项目首次对风蚀和水蚀颗粒进行了机械组成和营养成份的分析，对土地生产力的下降水平首次尝试了定量评估。

成果应用情况及社会经济效益

　　该项目所取得的水土流失研究成果已经被列入达茂旗水土保持监测网络数据库，成为阴山北麓荒漠草原地区防治水土流失的重要理论依据。推广辐射区位于达茂旗石宝镇红井滩，与基地所在的希拉穆仁镇毗邻，红井滩与基地距离约30km。该区主要面积为天然草地，其中镶嵌部分退耕地。地带性植被呈典型草地特征，优势植物有克氏针茅、冷蒿、糙隐子草、冰草和羊草等，退化草地植被盖度10%左右，高度不足10cm，且常分布有强旱生灌木半灌木及丛生禾草。草地水土流失较为严重，出现了草地斑块沙化的现象，沙化斑块的面积小则几m2，大则几十m2，甚至还出现了高度1m左右的新月形沙丘，风蚀模数约15000kg/hm2·a；在坡底处水蚀也较为严重，切沟较为发育。当地实施地方生态重建项目时，2007年开始学习借鉴基地封育、营造灌木林、浅耕翻补播牧草等修复技术，进行退化草地整治修复。推广辐射区总面积10000亩，整体封禁，其中单纯封坡育草3000亩，营造柠条水保灌木林6500亩，牧草浅耕翻补播500亩；在水利部牧科所试验基地周边推广治理面积5000亩。2008年8月底在推广辐射区封坡育草区进行了样方调查，此时草地已经过2年封育。调查结果：平均草高为26cm，平均盖度为28%，平均样方生物量干重73.1g/m2（折合为48.8kg/亩）。植物种类数多者19种，少者14种，生物多样性水平与上世纪80年代以前历史记录相近。草地斑块沙化的现象基本消除，风蚀模数下降到约5000kg/hm2·a左右，新的切沟发育较少，水土流失得到明显控制。社会经济效益方面：1）使政府职能部门准确掌握当地水土流失现状，为今后估算因水土流失造成的土地生产力及经济效益的下降提供了重要数据支持；2）促进地区稳定和团结；3）对国家生态文明建设战略贡献较大。