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Soil conservation function and its spatial distribution of grassland ecosystems in Xilin River Basin, Inner Mongolia

内蒙古锡林河流域草地生态系统土壤保持功能及其空间分布



全 文 :书犇犗犐:10.11686/犮狔狓犫20150103 犺狋狋狆://犮狔狓犫.犾狕狌.犲犱狌.犮狀
张雪峰,牛建明,张庆,董建军,张靖.内蒙古锡林河流域草地生态系统土壤保持功能及其空间分布.草业学报,2015,24(1):1220.
ZhangXF,NiuJM,ZhangQ,DongJJ,ZhangJ.SoilconservationfunctionanditsspatialdistributionofgrasslandecosystemsinXilinRiverBasin,
InnerMongolia.ActaPrataculturaeSinica,2015,24(1):1220.
内蒙古锡林河流域草地生态系统土壤
保持功能及其空间分布
张雪峰1,牛建明1,2,张庆1,董建军1,张靖1,3
(1.内蒙古大学生命科学学院,内蒙古 呼和浩特010021;2.内蒙古大学中美生态、能源与可持续性科学研究中心,
内蒙古 呼和浩特010021;3.大连民族学院环境与资源学院,辽宁 大连116600)
摘要:草地生态系统是陆地表面最大的生态系统类型,其土壤保持功能对于维持敏感而脆弱的草地生态系统服务
具有重要意义。在遥感和GIS技术支持下,采用改进的通用土壤流失方程(RUSLE)对内蒙古锡林河流域的土壤
保持功能及其空间分布特征进行了研究。结果表明,全流域年土壤保持总量为1.65×108t/a,单位面积土壤保持
量为168.18t/hm2;流域土壤保持功能从上游至下游呈递减趋势;草甸草原的土壤保持功能最高,农田和典型草原
其次,沙地植被和草甸最差;草地生态系统的土壤保持功能随植被覆盖度的增加呈非线性增长。可见,提高草地植
被覆盖度,保持典型草原生态系统的结构与功能的完整性,有助于维持锡林河流域草地生态系统服务和区域生态
安全。
关键词:草地生态系统服务;土壤保持功能;土壤侵蚀;锡林河流域  
犛狅犻犾犮狅狀狊犲狉狏犪狋犻狅狀犳狌狀犮狋犻狅狀犪狀犱犻狋狊狊狆犪狋犻犪犾犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狅犳犵狉犪狊狊犾犪狀犱犲犮狅狊狔狊狋犲犿狊犻狀犡犻犾犻狀
犚犻狏犲狉犅犪狊犻狀,犐狀狀犲狉犕狅狀犵狅犾犻犪
ZHANGXuefeng1,NIUJianming1,2,ZHANGQing1,DONGJianjun1,ZHANGJing1,3
1.犆狅犾犾犲犵犲狅犳犔犻犳犲犛犮犻犲狀犮犲狊,犐狀狀犲狉犕狅狀犵狅犾犻犪犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔,犎狅犺犺狅狋010021,犆犺犻狀犪;2.犛犻狀狅犝犛犆犲狀狋犲狉犳狅狉犆狅狀狊犲狉狏犪狋犻狅狀,犈狀犲狉犵狔,犪狀犱
犛狌狊狋犪犻狀犪犫犻犾犻狋狔犛犮犻犲狀犮犲,犐狀狀犲狉犕狅狀犵狅犾犻犪犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔,犎狅犺犺狅狋010021,犆犺犻狀犪;3.犆狅犾犾犲犵犲狅犳犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪狀犱犚犲狊狅狌狉犮犲狊,犇犪犾犻犪狀犖犪
狋犻狅狀犪犾犻狋犻犲狊犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔,犇犪犾犻犪狀116600,犆犺犻狀犪
犃犫狊狋狉犪犮狋:Grasslandsrepresentthemostextensiveecosystemsonearth.Soilconservationisvitalformaintai
ninggrasslandecosystemservices.UsingRSandGIStechnologies,thesoilconservationfunctionanditsspa
tialdistributioncharacteristicsingrasslandecosystemsoftheXilinRiverBasin,InnerMongolia,China,areas
sessedusingtheRUSLEmodel.Theresultsshowthatthequantityofsoilconservedwas168.18t/ha,and
1.65×108t/aacrossthewholebasin.Thespatialvariationofsoilconservationcapabilityrevealsadeclining
trendfromuppertolowercatchmentareas.Themeadowsteppehadthehighestsoilconservationcapability,
folowedbyfarmlandandtypicalsteppe;sandysoilshadthepoorestcapability.Thesoilconservationcapability
ofgrasslandecosystemsincreasednonlinearlywithincreasingvegetationcoverage.Sustaininggrasslandeco
systemservicesintheXilinRiverBasincanbeachievedbyincreasingvegetationcoverage,whilemaintaining
thestructureandfunctionofthetypicalsteppe.
犓犲狔狑狅狉犱狊:grasslandecosystemservices;soilconservationfunction;soilerosion;XilinRiverBasin
第24卷 第1期
Vol.24,No.1
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
2015年1月
Jan,2015
收稿日期:20131218;改回日期:20140225
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)项目(2012CB722201),国家科技支撑计划课题(2011BAC07B01),国家自然科学基金(31060320)和
现代农业产业技术体系建设专项资金资助。
作者简介:张雪峰(1983),男,内蒙古包头人,在读博士。Email:xfzhang2003@163.com
通讯作者Correspondingauthor.Email:jmniu2005@163.com
草地生态系统服务是指草地生态系统结构与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的环境条件与效
用[1]。草地生态系统是陆地表面最大的生态系统类型,约占陆地总面积的20%,在陆地生态系统中占有极其重
要的地位[23]。草地生态系统为人类提供肉类、奶类和毛皮制品等供给服务的同时,还提供防风固沙、涵养水源、
保持土壤、调节气候和保护生物多样性等调节和支持服务[46]。当前,由于人类对草地生态系统供给服务的过分
追逐导致了如草地生态系统退化、物种多样性减少、水土流失等一系列生态环境问题。因此,评价草地生态系统
服务,对于制定区域生态保护和草地资源持续利用具有重要意义。
土壤保持功能是草地生态系统服务中一项重要的调节服务,近年来日益受到重视。由于在区域尺度上获取
土壤侵蚀数据难度较大,目前多基于土壤流失方程(UniversalSoilLossEquation,USLE)对区域土壤保持功能
和价值进行研究与评价。许多学者分别对我国的海南岛、青藏高原和黄土高原等区域的生态系统土壤保持功能
空间分布及经济价值进行了评估[711],提高了人们对土壤保持功能及其价值的认识。近几年,由于生态系统服务
的研究热点逐渐转向其相互作用机理和指标模型[12],因而,生态系统土壤保持功能的研究也开始重视其空间定
量化。陈龙等[13]在区域尺度上应用改进的通用土壤流失方程(RevisedUniversalSoilLossEquation,RUSLE)
对澜沧江流域生态系统的土壤保持功能及其空间分布进行了分析,取得了良好的效果;潘影等[14]在研究泾河流
域生态系统服务相互关系时,得出土壤保持服务与粮食供给服务呈极显著负相关的结论;Wu等[15]在对北京周边
土壤保持等五项景观服务空间定量化的同时,对其相互关系也进行了分析,结果显示土壤保持服务与生境保护服
务存在极显著正相关性。这些研究都证实了土壤保持功能和价值在生态系统服务中的重要性。就草地生态系统
而言,前人大多注重对草地生态系统土壤保持功能价值量的估算,而对其物质量的估算以及空间分布特征的分析
研究存在不足[1618]。本文在生态系统服务理论指导下,采用国际上应用广泛的改进通用土壤流失方程(RUSLE)
和GIS技术,以内蒙古锡林河流域为对象,通过测算该区域草地生态系统的土壤保持量,分析不同草地植被类型
及植被覆盖度对土壤保持功能的影响,试图阐明天然草地生态系统土壤保持功能与空间分布特征,旨在为锡林河
流域草地生态系统服务评价和生态环境保护提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
锡林河流域地处内蒙古高原东部(43°26′-44°39′N,115°32′-117°12′E),流域总面积约9786km2(图
1)[19]。流域地势东南高西北低,东南部锡林河上游,最高处海拔为1505.6m,西北部锡林河下游,最低处为902
m。本区气候属于大陆性温带半干旱气候,夏季较为暖湿,冬季寒冷干燥。年平均气温0℃左右,年平均降水量
约350mm,主要集中于6-8月[20]。本区土壤类型由东南向西北呈现出有规律的更替分布,即黑钙土带-暗栗
钙土亚带-淡栗钙土亚带[2021]。流域内植被以典型草原为主,约占植被总面积的78%,草甸草原也有分布。从
空间上看,锡林河上游主要为贝加尔针茅(犛狋犻狆犪犫犪犻犮犪犾犲狀狊犻狊)草原和线叶菊(犉犻犾犻犳狅犾犻狌犿狊犻犫犻狉犻犮狌犿)草原,中游为
羊草(犔犲狔犿狌狊犮犺犻狀犲狀狊犻狊)草原和大针茅(犛.犵狉犪狀犱犻狊)草原,下游为克氏针茅(犛.犽狉狔犾狅狏犻犻)草原和冷蒿(犃狉狋犲犿犻狊犻犪
犳狉犻犵犻犱犪)草原。此外,境内还有沙地的分布[19,22]。
1.2 数据来源
锡林河流域年均降水量数据和月均降水量数据都来源于 WorldClim网站(http://worldclim.org);锡林河
流域土壤图(1∶20万)及土壤数据源于中国科学院植物研究所内蒙古草原生态系统定位研究站所测量的数据;
DEM数据来自ASTER卫星图像的30m×30m数字高程模型;NDVI数据源于经过辐射定标、大气校正和几何
校正的流域两景LandsatTM图像(2011年8月2日)。根据2009-2011年对锡林河流域进行野外植被调查时
在127个样地采集的270个样方数据,建立锡林河流域植被分类系统(表1)和解译标志;使用eCognition8软件
对流域LandsatTM图像进行多尺度分割,经ArcGIS人机交互解译获得锡林河流域植被类型的空间分布。
1.3 研究方法
1.3.1 土壤保持量的计算  土壤保持功能可以用土壤保持量表示。采用广泛应用的RUSLE分别估算了锡
林河流域现实土壤侵蚀量和潜在土壤侵蚀量。二者之差即为土壤保持量。
31第1期 张雪峰 等:内蒙古锡林河流域草地生态系统土壤保持功能及其空间分布
图1 锡林河流域位置及样点分布图
犉犻犵.1 犜犺犲犾狅犮犪狋犻狅狀狅犳犡犻犾犻狀犚犻狏犲狉犅犪狊犻狀犪狀犱犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狅犳狊犪犿狆犾犲狊犻狋犲狊
 
表1 锡林河流域植被分类
犜犪犫犾犲1 犞犲犵犲狋犪狋犻狅狀犮犾犪狊狊犻犳犻犮犪狋犻狅狀狅犳狋犺犲犡犻犾犻狀犚犻狏犲狉犅犪狊犻狀
植被亚型
Vegetationsubtype
群系类型
Formationtype
群丛
Association
草甸草原
Meadowsteppe
中生杂类草草甸草原
Mesophyiousforbsmeadowsteppe
羊草犔.犮犺犻狀犲狀狊犻狊
典型草原
Typicalsteppe
羊草草原犔.犮犺犻狀犲狀狊犻狊steppe 羊草+针茅犔.犮犺犻狀犲狀狊犻狊+犛狋犻狆犪spp.;羊草+冷蒿犔.犮犺犻狀犲狀狊犻狊+犃.犳狉犻犵犻犱犪
大针茅草原犛.犵狉犪狀犱犻狊steppe 大针茅犛.犵狉犪狀犱犻狊;大针茅+羊草犛.犵狉犪狀犱犻狊+犔.犮犺犻狀犲狀狊犻狊;大针茅+
糙隐子草犛.犵狉犪狀犱犻狊+犆犾犲犻狊狋狅犵犲狀犲狊狊狇狌犪狉狉狅狊犪
克氏针茅草原犛.犽狉狔犾狅狏犻犻steppe 克氏针茅+戈壁针茅犛.犽狉狔犾狅狏犻犻+犛.犵狅犫犻犮犪;克氏针茅+羊草犛.犽狉狔
犾狅狏犻犻+犔.犮犺犻狀犲狀狊犻狊;克氏针茅+糙隐子草犛.犽狉狔犾狅狏犻犻+犆.狊狇狌犪狉狉狅狊犪
糙隐子草草原犆.狊狇狌犪狉狉狅狊犪steppe 糙隐子草+冷蒿犆.狊狇狌犪狉狉狅狊犪+犃.犳狉犻犵犻犱犪
小叶锦鸡儿灌丛化草原犆犪狉犪犵犪狀犪犿犻犮狉狅
狆犺狔犾犾犪thicketizationsteppe
小叶锦鸡儿-禾草+杂类草犆.犿犻犮狉狅狆犺狔犾犾犪-Gramineas+forbs
沙地植被
Sandvegetation
一、二年生沙地先锋植物群聚 Annualand
biennialpioneeringplantsinsand
沙米、虫实群聚犃犵狉犻狅狆犺狔犾犾狌犿狆狌狀犵犲狀狊+犆狅狉犻狊狆犲狉犿狌犿spp.
沙蒿群系犃.犻狀狋狉犪犿狅狀犵狅犾犻犮犪formation 沙蒿犃.犻狀狋狉犪犿狅狀犵狅犾犻犮犪
小叶锦鸡儿灌丛犆.犿犻犮狉狅狆犺狔犾犾犪scrub 小叶锦鸡儿-沙蒿犆.犿犻犮狉狅狆犺狔犾犾犪-犃.犻狀狋狉犪犿狅狀犵狅犾犻犮犪
草甸 Meadow 苔草草甸犆犪狉犲狓犽狅狉狊犺犻狀狊犽狔犻meadow 苔草+杂类草犆犪狉犲狓spp.+forbs
芨芨草草甸犃犮犺狀犪狋犺犲狉狌犿狊狆犾犲狀犱犲狀狊meadow 芨芨草犃.狊狆犾犲狀犱犲狀狊
其他Others 其他Others 农田Farmland;水体 Waterbody;盐碱地Salineandalkaliland;裸地
Bareland;城镇Cityandtown;工矿用地Industryandminingland
潜在土壤侵蚀量是指假设无植被覆盖和水土保持措施时土壤的侵蚀量。不考虑地表覆盖因子和土壤保持措
施因子,即犆=1,犘=1,此时,RUSLE的计算公式为:
41 草 业 学 报 第24卷
犃狆=犚×犓×犔犛 (1)
现实土壤侵蚀量考虑了地表覆盖因子和土壤保持措施因子,其计算公式为:
犃狉=犚×犓×犔犛×犆×犘 (2)
由式(1)和(2),可计算土壤保持量为:
犃犮=犃狆-犃狉 (3)
式中,犃狆 为潜在土壤侵蚀量(t/hm2·a);犃狉为现实土壤侵蚀量(t/hm2·a);犃犮 为土壤保持量(t/hm2·a);犚是
降雨侵蚀力因子(MJ·mm/hm2·h·a);犓 是土壤可蚀性因子(t·hm2·h/MJ·hm2·mm);犔犛分别是坡长和
坡度因子,无量纲;犆为植被覆盖和经营管理因子,无量纲;犘为土壤保持措施因子,无量纲。各因子统一栅格单
元为30m×30m,利用ENVI4.7和ArcGIS10.0软件计算和分析。各因子所采用的计算方法如下。
1.3.2 降雨侵蚀力因子(犚)  降雨侵蚀力因子反映的是由降雨引起土壤潜在侵蚀能力的大小,是导致土壤侵
蚀的首要因子。本文采用 Wischmeier和Smith[23]提出的月尺度公式,对 Hijmans等[24]建立的全球降雨量栅格
数据进行计算,以获取降雨侵蚀力因子数据。
1.3.3 土壤可蚀性因子(犓)  土壤可蚀性因子犓 是用来反映在坡面降雨过程中土壤性状对土壤流失量的影
响,是指标准小区上单位降雨侵蚀力所引起的土壤流失率[25]。在流域尺度上,只需要土壤的颗粒组成和有机碳
数据,先在 MATLAB软件中完成土壤粒径转换[26],再利用Sharpley和 Wiliams[27]建立的土壤可蚀性因子犓 值
的估算方法,完成土壤可蚀性因子犓 的空间化。
1.3.4 坡长坡度因子(犔犛)  坡长坡度因子也称地形因子,可以反映地形地貌特征对土壤侵蚀的作用。在流
域尺度上,可以通过数字高程模型(DEM)来计算犔犛。本文采用VanRemortel等[28]开发的计算坡度和坡长的模
型从DEM中提取犔犛因子。
1.3.5 植被覆盖和经营管理因子(犆)  植被覆盖和经营管理因子犆是指在其他条件相同的情况下,有植被覆
盖或田间管理的土地土壤流失量与同等条件下裸地土壤流失量的比值,反映植被覆盖和田间管理措施对土壤侵
蚀的影响,与土壤侵蚀量呈反比,对土壤侵蚀起抑制作用,其值介于0~1之间。由于犆值与植被覆盖度之间具
有良好的相关性,因此,本文利用NDVI值计算出流域内覆盖度,然后根据蔡崇法等[29]建立的覆盖度与犆值的关
系来计算。
1.3.6 土壤保持措施因子(犘)  土壤保持措施因子犘是指采取特定土壤保持措施下的坡地土壤流失量与相
应未实施任何土壤保持措施的土壤流失量的比值,它反映的是水土保持措施对于土壤侵蚀的抑制作用。本文参
考相关学者的研究结果结合当地的实际情况对犘因子进行赋值[30]。耕地、建设用地、城镇及居民点、水域的犘
值分别为0.4,0.2,0,0,其余土地利用方式基本上没有采取土壤保持措施,因此取值为1。
2 结果与分析
2.1 锡林河流域土壤保持功能各因子空间分布
按照上述研究方法计算得出各因子的空间分布(图2)。可见,降雨侵蚀力因子从东南向西北方向逐渐减小
(图2a);土壤可蚀性因子在区域上沿锡林河两岸向外逐渐增大(图2b);坡长坡度因子总体上无明显变化特征(图
2c);植被覆盖和管理因子与降雨侵蚀力因子的变化趋势相反,沿锡林河上游到下游逐渐变高(图2d);土壤保持
措施因子在流域中游地区变化较大,上游和下游基本没有变化(图2e)。
2.2 锡林河流域土壤保持功能空间分布
将锡林河流域土壤保持功能各因子代入改进的通用土壤流失方程中,计算得到流域土壤保持功能空间分布
(图3)。结果显示,锡林河流域土壤保持总量为1.65×108t/a,单位面积土壤保持量为168.18t/hm2。根据子流
域的统计结果(表2),锡林河流域上游的土壤保持总量为81.61×106t/a,占全流域总土壤保持量的49.58%,远
高于中游和下游。单位面积土壤保持量从上游到下游呈递减趋势(图3)。其中,上游的单位面积土壤保持量达
到289.60t/hm2,是中游和下游单位面积土壤保持量的近两倍。
51第1期 张雪峰 等:内蒙古锡林河流域草地生态系统土壤保持功能及其空间分布
图2 土壤保持功能各因子空间分布
犉犻犵.2 犛狆犪狋犻犪犾犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狅犳犳犪犮狋狅狉狊狅犳狊狅犻犾犮狅狀狊犲狉狏犪狋犻狅狀犳狌狀犮狋犻狅狀
 
2.3 不同类型草地植被的土壤保持功能
图3 锡林河流域土壤保持功能空间分布
犉犻犵.3 犛狆犪狋犻犪犾犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狅犳狊狅犻犾犮狅狀狊犲狉狏犪狋犻狅狀
犳狌狀犮狋犻狅狀犻狀犡犻犾犻狀犚犻狏犲狉犅犪狊犻狀
 
在锡林河流域各植被类型中,典型草原和草甸草
原的土壤保持总量贡献最大,达到82.79%(表3)。其
中,典型草原的土壤保持量为123.19×106t/a,占土
壤保持总量的74.84%;其次为草甸草原,为13.09×
106t/a,占土壤保持总量的7.95%。不同草地植被类
型土壤保持功能由强到弱依次为草甸草原>农田>典
型草原>沙地植被>草甸>其他。其中,草甸草原的
单位面积土壤保持量最高,为670.15t/hm2,其次为
农田和典型草原,分别为308.76和160.04t/hm2。
从图4中可以看出,克氏针茅草原的土壤保持量
最高,为63.49×106t/a,占土壤保持总量的38.57%,
其次为大针茅草原和羊草草原,分别为28.74×106t/
a和22.76×106t/a,分别占土壤保持总量的17.47%
和13.77%。单位面积土壤保持量以中生杂类草草甸
草原最高,达到670.15t/hm2,其次为羊草草原,为
466.71t/hm2。此外,农田也具有一定的土壤保持能
61 草 业 学 报 第24卷
表2 流域上、中、下游土壤保持功能
犜犪犫犾犲2 犛狅犻犾犮狅狀狊犲狉狏犪狋犻狅狀犳狌狀犮狋犻狅狀狅犳狌狆狊狋狉犲犪犿,犿犻犱犱犾犲狊狋狉犲犪犿犪狀犱犱狅狑狀狊狋狉犲犪犿
位置
Location
面积
Area(hm2)
面积百分比
Percentageofarea(%)
单位面积土壤保持量
SCCperunitarea(t/hm2)
土壤保持总量
TotalSCC(×106t/a)
土壤保持量百分比
PercentageofSCC(%)
上游Upstream 281805.35 28.79 289.60 81.61 49.58
中游 Middlestream 300320.72 30.69 121.05 36.35 22.09
下游Downstream 396563.69 40.52 117.60 46.63 28.33
 SCC:土壤保持量Soilconservationcapacity;下同Thesamebelow.
表3 锡林河流域各植被亚型土壤保持功能
犜犪犫犾犲3 犛狅犻犾犮狅狀狊犲狉狏犪狋犻狅狀犳狌狀犮狋犻狅狀犫狔狋犺犲狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀狊狌犫狋狔狆犲犻狀犡犻犾犻狀犚犻狏犲狉犅犪狊犻狀
植被类型
Vegetationtype
面积
Area(hm2)
面积百分比
Percentageofarea(%)
单位面积土壤保持量
SCCperunitarea(t/hm2)
土壤保持总量
TotalSCC(×106t/a)
土壤保持量百分比
PercentageofSCC(%)
草甸草原 Meadowsteppe 19535.24 2.00 670.15 13.09 7.95
典型草原Typicalsteppe 769781.50 78.65 160.04 123.19 74.84
沙地植被Sandvegetation 67085.13 6.85 148.29 9.95 6.04
草甸 Meadow 71497.75 7.31 112.00 8.01 4.86
农田Farmland 23051.05 2.36 308.76 7.12 4.32
其他Others 27739.10 2.83 116.85 3.24 1.97
图4 锡林河流域不同植被类型土壤保持功能
犉犻犵.4 犜犺犲狊狅犻犾犮狅狀狊犲狉狏犪狋犻狅狀犳狌狀犮狋犻狅狀狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋
狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀狋狔狆犲狊犻狀犡犻犾犻狀犚犻狏犲狉犅犪狊犻狀
   A:盐碱地Salineandalkaliland;B:城镇Cityandtown;C:裸地Bare
land;D:糙隐子草草原犆.犽犻狋犪犵犪狑犪犲steppe;E:沙蒿群系犃.犻狀狋狉犪犿狅狀
犵狅犾犻犮犪formation;F:小叶锦鸡儿灌丛化草原犆.犿犻犮狉狅狆犺狔犾犾犪thicketiza
tionsteppe;G:一、二年生沙地先锋植物群聚Annualandbiennialpionee
ringsandplants;H:芨芨草草甸犃.狊狆犾犲狀犱犲狀狊meadow;I:克氏针茅草原
犛.犽狉狔犾狅狏犻犻steppe;J:小叶锦鸡儿灌丛犆.犿犻犮狉狅狆犺狔犾犾犪scrub;K:苔草草
甸犆.犽狅狉狊犺犻狀狊犽狔犻meadow;L:工矿用地Industryandminingland;M:大
针茅草原犛.犵狉犪狀犱犻狊steppe;N:农田Farmland;O:羊草草原犔.犮犺犻狀犲狀狊犲
steppe;P:中生杂类草草甸草原 Mesophyiousforbsmeadowsteppe.图中
A~P按照单位面积土壤保持量从小到大排列A-PissortedbySCCper
unitarea.
力,为308.76t/hm2,高于大针茅草原和克氏针茅
草原等其他草地植被类型。
总体来看,锡林河流域草地生态系统的土壤保
持能力较强,但草地生态系统内部土壤保持功能差
距明显。典型草原是流域草地生态系统的主体,占
流域总面积的78.65%,但其单位面积土壤保持量
却只有草甸草原的1/4。因此,提高典型草原的单
位面积土壤保持能力成为流域土壤侵蚀防治的重要
措施。典型草原内部土壤保持能力差异较大,羊草
草原单位面积土壤保持量是大针茅草原的近2倍,
大针茅草原单位面积土壤保持量是克氏针茅草原的
近2倍。引起这种差异的原因可能是流域典型草原
的退化和人类高强度放牧利用[3135]。
2.4 植被覆盖度对草地生态系统土壤保持功能的
影响
锡林河流域的气候、地形地貌、土壤质地、草地
生态系统结构和功能等因素都对流域草地生态系统
的土壤保持功能有着重要的影响,植被覆盖度尤为
重要,两者具有非常显著的相关性(图5)。整体上
看,锡林河流域草地生态系统土壤保持功能随植被
盖度的增加呈非线性增长。当植被覆盖度小于
35%时,单位面积土壤保持量随植被覆盖度的增大
71第1期 张雪峰 等:内蒙古锡林河流域草地生态系统土壤保持功能及其空间分布
而缓慢增加;当植被覆盖度维持在35%~70%之间时,
图5 植被覆盖度与土壤保持功能的关系
犉犻犵.5 犚犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻狆犫犲狋狑犲犲狀狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀犮狅狏犲狉犪犵犲
犪狀犱狊狅犻犾犮狅狀狊犲狉狏犪狋犻狅狀犳狌狀犮狋犻狅狀 
草地生态系统的单位面积土壤保持量随植被覆盖度的
增加而基本维持在100t/hm2 左右;当植被覆盖度大
于70%时,土壤保持功能随植被覆盖度的增加而急剧
增大。因此,大幅度地增加植被覆盖度有利于提高草
地生态系统土壤保持功能,促进生态系统服务的维持
与发挥。
3 讨论
锡林河流域草地生态系统具有很强的土壤保持能
力。研究结果显示,本区草地生态系统土壤保持量与
青藏高原草地生态系统的平均单位面积土壤保持量相
当,低于澜沧江流域,而大于海南岛[78,10,13]。与青藏
高原草地生态系统土壤保持相当的主要原因是锡林河流域地处蒙古高原,两者都以草地生态系统为主,生态系统
的结构具有一定的相似性;小于澜沧江流域的原因可能是本流域年平均降水量较低,地形起伏较小,生态系统的
结构较西南地区简单,潜在土壤侵蚀量普遍较西南地区低;大于海南岛的原因是海南地处热带地区,以热带雨林
生态系统为主,但降水量丰富,地形复杂,现实土壤侵蚀量大,因而土壤保持功能相对较低。可见,内蒙古温带草
原区的土壤保持功能在内蒙古乃至国家北方生态屏障建设中具有相当重要的地位。从土壤保持的机制来看,植
被覆盖和经营管理因子是本区土壤保持的重要因素之一。土壤保持功能受综合因素影响,但植被通过改变地表
粗糙度、地表水分环境和各种动力场的时空变化来减弱土壤侵蚀动力强度,从而起到土壤保持的作用[36]。在
RUSLE模型的各因子中,从流域尺度上看,降雨侵蚀力、土壤可蚀性、坡度和坡长因子,在一定时间内可以认为
相对稳定,草地也未采取任何土壤保持措施,只有植被覆盖和经营管理因子易受到人类活动的干扰,使植被覆盖
度、植物群落组成和植被结构发生改变,而对流域土壤保持造成影响。因此,实际工作中,可依据土壤保持的机
制,因地制宜,采取有针对性的防治措施来提高研究区的土壤保持能力。
锡林河流域上游的土壤保持功能对于全流域草地生态系统服务和生态安全都起到非常重要的作用。从其草
地生态系统土壤保持功能的空间特征来看,土壤保持功能从上游到下游呈下降趋势。其中,上游的土壤保持量占
流域总土壤保持量的49.58%,远高于中游和下游。从植被分布上看,锡林河上游主要分布着大针茅草原和羊草
草原,这些植被类型一旦遭到破坏,土壤侵蚀将会剧增,从而严重削弱锡林河流域草地生态系统服务。另一方面,
锡林河流域上游是联合国教科文组织认定的国际生物保护区的核心区,因此,着重对锡林河流域上游草地生态系
统结构与功能的保护,有利于全流域草地生态系统服务的维持和可持续利用。
增加植被覆盖度是该区域控制土壤侵蚀,提高生态系统土壤保持功能的有效途径之一。研究发现,草地生态
系统土壤保持功能随植被覆盖度的增加呈现非线性增长的趋势,当草原群落植被的覆盖度在70%~80%之间
时,其平均单位面积土壤保持量可达到160.04t/hm2,可见提高植被覆盖度可以显著提升草地生态系统土壤保
持能力。另一方面,加强退化草地生态系统的恢复对于提高流域生态系统土壤保持功能也具有重要作用。研究
表明,草地生态系统的结构对于土壤保持功能影响显著,草地退化以后,其单位面积土壤保持量明显降低,以典型
草原为例,克氏针茅草原单位面积土壤保持量明显低于大针茅草原和羊草草原。然而从图4可知,克氏针茅草原
的土壤保持量在流域占有重要地位,是该区域土壤保持总量的38.57%,究其原因,主要是由于其分布面积最大
所导致的。可见,合理地保护与利用不同类型的草地资源,加快流域退化草地生态系统的恢复进程,有助于改善
草地生态系统的结构,加强土壤保持功能。总之,就生态系统土壤保持功能而言,当前牧区推行的草畜平衡、休牧
禁牧、生态补偿奖励机制等政策与措施,均能够从提高植被覆盖度和改善群落结构两个方面增强草原生态系统的
土壤保持能力,因此对于锡林河流域生态系统服务的维持乃至区域生态安全都至关重要[37]。
在土壤保持功能计算过程中尚存在一些不足:首先,各因子初始数据精度不一致,可能会产生误差。其次,各
81 草 业 学 报 第24卷
因子计算过程中产生的误差,如计算降雨侵蚀力因子时,对降水量空间数据产品进行重采样,数据精度有限;计算
土壤可蚀性因子时,采用前人的土壤颗粒组成和有机碳数据成果[21],数据现势性不强。尽管存在上述问题,估算
结果也有待于进一步验证。但在区域尺度上开展土壤保持功能研究时,应用RUSLE模型、GIS和遥感技术,仍
然是一种可行而有效的技术途径[13]。
4 结论
研究表明,内蒙古锡林河流域草地生态系统具有很强的土壤保持能力,但土壤保持功能空间差异性明显。从
锡林河上游到下游土壤保持能力呈下降趋势。其中,东南部上游土壤保持功能较强,西北部下游土壤保持功能较
弱。流域内不同类型草地植被的土壤保持功能差异显著,草甸草原的土壤保持功能最高,农田和典型草原次之,
沙地植被和草甸最差。增加植被覆盖度是提高流域土壤保持功能的有效途径之一。下一步针对当前存在估算数
据精度不一致以及结果验证问题,一方面,加强相关数据的收集,提高初始数据精度;另一方面,加强实测数据监
测,为验证估算结果提供依据,使其能更科学的对流域草地生态系统土壤保持功能进行评估。
犚犲犳犲狉犲狀犮犲:
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02 草 业 学 报 第24卷