若爾蓋高寒濕地蓄水能力評估
2016-07-26 11:26:20唐素賢張英虎劉俊國
水土保持通報 2016年3期
唐素賢, 馬 坤, 張英虎, 劉俊國
(北京林業大學 自然保護區學院, 北京 100083)
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若爾蓋高寒濕地蓄水能力評估
唐素賢, 馬 坤, 張英虎, 劉俊國
(北京林業大學 自然保護區學院, 北京 100083)
摘要：[目的] 評估若爾蓋3種不同類型濕地的土壤蓄水能力，為濕地生態系統水文功能價值的評估提供科學依據。[方法] 通過對若爾蓋高寒濕地三種濕地類型的土壤采樣分析，測量其土壤物理特性和土壤最大滯留貯水能力，進而對其土壤蓄水能力進行評估。[結果] (1) 在0—60 cm深度范圍內，3種濕地類型的土壤容重基本上隨著深度的加深呈升高趨勢，但草本沼澤在80—100 cm處、沼澤化草甸和洪泛濕地在60—80 cm處呈現出減小趨勢。 (2) 在0—100 cm深度范圍內，沼澤化草甸的毛管孔隙度隨深度增加呈減小趨勢，而草本沼澤和洪泛濕地變化不明顯。 (3) 在0—100 cm深度范圍內，3種濕地類型土壤容重的平均值大小表現為草本沼澤(0.46 g/cm3)<沼澤化草甸(1.08 g/cm3)<洪泛濕地(1.25 g/cm3)。3種濕地類型土壤最大滯留貯水能力的平均值大小表現為草本沼澤(239.40 t/hm2)>沼澤化草甸(171.18 t/hm2)>洪泛濕地(148.51 t/hm2)。[結論] 草本沼澤貯水能力最強。因此在若爾蓋區域實施濕地保護與恢復措施時，應將保護區外的草本沼澤分布的區域納入重點計劃。
關鍵詞：濕地退化; 物理特性; 垂直分布
文獻參數： 唐素賢, 馬坤, 張英虎, 等.若爾蓋高寒濕地蓄水能力評估[J].水土保持通報，2016,36(3)：219-223.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.037
濕地生態系統在蓄水、調節河川徑流、控制洪水、補給地下水和維持區域水平衡中發揮著重要的作用，是蓄水防洪的天然“海綿”。沼澤濕地在這方面尤為突顯，它是一個巨大的生物蓄水庫，能保持其土壤本身重量3～9倍或更多的水量[1]。水是構成濕地生態系統最重要的因素，無論是自然還是人為原因所造成的水量、水質、循環及其平衡的變動，都會對濕地生態系統的穩定性產生影響，甚至改變濕地生態系統[2]。
若爾蓋濕地處于黃河上游的特殊地理位置，是黃河上游重要的水源涵養地，素有黃河“蓄水池”、“中華水塔”之稱，與黃河水資源調節、流域生態平衡和西北內陸氣候變化等密切相關[3]。為擴大牧場，自1955年在若爾蓋高原沼澤區開溝排水、疏干沼澤辟為牧場；70年代普遍開展大規模排水，總計開挖排水溝700余條,總長達1 000 km,累計不同程度疏干、改造沼澤2.00×105hm2，約占本區沼澤總面積的43.5%，這些人類活動直接導致沼澤退化、沙化[4-5]。同時受近年來(1971—2000年)氣候變化的影響，如氣溫升高、降水量減少、蒸發量增大等暖干化趨勢，若爾蓋高原濕地的地表水資源減少，湖泊水位下降，濕地萎縮、退化[6]。地表水資源的減少將影響到濕地的地下水位，會使其土壤中腐植酸的退化及結構改變，進一步影響到土壤的其他性質[7]；而濕地土壤組成和孔隙度的變化，則會導致土壤的含水量、持水能力下降[8]。目前關于若爾蓋濕地蓄水量方面的研究目前僅有兩例：萬鵬等[9]運用1995年《1∶100萬中華人民共和國土壤圖》對若爾蓋濕地蓄水量進行了估算，但沒有進行實地驗證，而且選用土壤飽和蓄水量指標來評價若爾蓋水源涵養重要生態服務功能區的水源涵養生態服務功能不太恰當；熊遠清等[10]通過對沼澤草甸、草原草甸和沙化草甸3個階段的土壤物理性質和持水量的測量，用相關分析法分析了若爾蓋濕地退化過程中土壤持水量變化的影響因素，該文章選取的樣本有限(每階段僅選取3個樣點)，且選取持水量作為指標不能準確反應濕地的水源涵養功能。
“水源涵養功能”的概念來源于森林生態系統，但相對于森林生態系統，關于濕地土壤水源涵養功能的研究相對較少[10]。由于研究土壤水源涵養功能時，通常僅涉及到土壤蓄水[11]，因此土壤水源涵養功能在狹義上僅指土壤蓄水這一物理過程，包括土壤對降雨和徑流的吸收滲入。土壤層在水循環過程中發揮著重要作用，土壤的持水能力是濕地涵養水源，調節地表水和地下水的重要指標，而表層土壤容重大小及孔隙狀況則直接影響到土壤的蓄水性能、抗侵蝕能力及滲透性等，是土壤生態水文效應研究中最為關鍵的指標之一[12]。因此本文主要側重于若爾蓋濕地表層土壤物理性質和蓄水能力的計算。
本文以若爾蓋濕地為研究對象，研究3種不同濕地類型的土壤物理特性，評估其蓄水能力。通過該研究，以期為濕地生態系統水文功能價值的評估提供科學依據，為保護、恢復若爾蓋退化濕地以穩定該地區生態功能和水資源平衡提供重要的理論支撐。
1研究區概況
若爾蓋濕地地處青藏高原東北緣，橫斷山北段，總面積約1.60×104km2，在行政區域上隸屬于四川省若爾蓋縣、紅原縣、阿壩縣和甘肅省瑪曲縣、碌曲縣，是中國殘存面積最大的高原泥炭沼澤，享有“中國最美的高寒濕地草原”的美譽，被列為國際重要濕地。若爾蓋濕地屬于黃河上游地區，其地理坐標位于東經102°08′—103°39′，北緯32°56′—34°19′，海拔3 400—3 900 m。氣候為典型的大陸性高原寒溫帶濕潤半濕潤季風氣候。最冷月(1月)多年平均氣溫10.6 ℃，最熱月(7月)平均氣溫10.8 ℃，年平均氣溫0.7 ℃。年降雨量600～800 mm，多年平均降雨量656.8 mm，年均蒸發量1 232 mm。
若爾蓋濕地區內的主要河流是黑河、白河，黑河從東南至西北縱貫全區，向北匯入黃河，為黃河上游流量較大的一條一級支流，黑河流域主要位于若爾蓋縣。因此，本研究主要選取黑河流域范圍內的若爾蓋濕地區域，主要位于若爾蓋縣。
2試驗方法
2.1樣品采集
選擇若爾蓋3種主要濕地類型作為研究對象，分別是草本沼澤、沼澤化草甸和洪泛濕地，于2014年7月集中兩周時間采樣，每種濕地類型隨機選擇7—8個樣點(主要考慮到夏季很多地方會有積水導致無法挖剖面，所以隨機選樣地)。土壤剖面深度為1.0 m，寬度為0.8 m，按照固定分層0—5，5—10，10—20，20—30，30—40，40—60，60—80，80—100 cm采集土壤，每層用環刀取3個樣作為重復，當場稱鮮重，取土后逐層回填。
2.2土壤基本物理性質測定
測量指標：土壤容重、土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量。按照《森林土壤定位研究方法》[13]，土壤容重、土壤持水量及土壤孔隙度采用環刀法測定。于2014年8月集中白天時間在實驗室測定，溫度變化范圍極小，可忽略。
將裝有原狀土壤的環刀在水中浸泡24 h稱重(ms2，g)，此時土壤吸水達到飽和；然后放于干砂上2 h，此時環刀中土壤的非毛管水已全部流出，稱重(ms3，g)計算毛管持水量(Ccap，g/cm3)；最后將環刀中土壤放入烘箱中烘干(105 ℃)，稱量環刀中的干土質量(ms0，g)。容重、孔隙度與持水量的計算公式如下：
(1)
式中：D——土壤容重(g/cm3)；ms0——環刀內土壤干重(g)；V——環刀容積(cm3)。下同。
(2)
式中：Ccap——土壤毛管持水量；ms3——環刀內土壤僅持有毛管懸著水的重量(g)。
(3)
式中：Pcap——毛管孔隙度(%)；γ1——水的密度(1.0 g/cm3)。
2.3土壤最大滯留貯水能力測定
土壤中水分存儲分為2種類型：吸持存儲(毛管孔隙中)和滯留存儲(非毛管孔隙中)。土壤毛管孔隙度反應了其吸持水量為植被提供水分的能力；而非毛管孔隙度反應了土壤滯留水分發揮涵養水源和削減洪水的能力[14]。因此通常采用的方法是將土壤非毛管孔隙的持水量計算為土壤蓄水能力，它是用來評價不同土地類型土壤涵養水源及調節水分循環的一個重要指標[15]。也可以稱之為土壤最大滯留貯水能力，采用以下公式計算：
S=10γ2PnonH
(4)
式中：S——土壤貯水能力(t/hm2)；H——土壤層厚度(m)；γ2——水的密度(1 000 kg/m3)；Pnon——非毛管孔隙度。
2.4數據統計與分析
用Excel軟件進行試驗數據處理，用OriginPro 8.5軟件進行繪圖。
3結果與分析
3.1土壤容重
若爾蓋濕地3種濕地類型間的容重差異較大(圖1)。在0—100 cm范圍內，3種濕地類型土壤容重的平均值大小表現為：草本沼澤(0.46 g/cm3)<沼澤化草甸(1.08 g/cm3)<洪泛濕地(1.25 g/cm3)，草本沼澤土壤容重明顯低于另外2種濕地。
整體上3種濕地類型土壤容重隨著深度的加深呈升高趨勢。草本沼澤所有樣地土壤剖面各層平均容重的變化范圍在0.38～0.55 g/cm3，沼澤化草甸各層的平均容重在0.79～1.27 g/cm3范圍內，而洪泛濕地為1.15～1.34 g/cm3。草本沼澤土壤的容重最小值出現在10—20 cm處，隨著土壤深度的增加，容重略有升高，在80—100 cm處下降；沼澤化草甸的最小值出現在表層0—5 cm處，隨后升高，在60—80 cm處下降；洪泛濕地的最小值出現在表層0—5 cm處，隨著土壤深度的增加而升高，同樣在60—80 cm處呈下降趨勢。(注：挖土壤剖面時由于地下水滲出過多，沼澤化草甸有2個樣點只挖到60 cm深處，草本沼澤有2個樣點只挖到40 cm深處。下同。)
圖1 3種濕地類型的土壤容重各層均值及標準差
3.2土壤孔隙度
土壤毛管孔隙度指土壤中毛管水所占據的孔隙，毛管孔隙度的水分可以長時間保持在土壤中，主要用于植物根系吸收和土壤蒸發。土壤孔隙還影響著土壤的保水通氣能力和根系穿插的難易程度，并且對土壤中水、肥、氣、熱和微生物活性等發揮著重要的調節功能[16]。
在0—100 cm 土層范圍內，3種濕地類型的毛管孔隙度平均值分別為64.99%，48.18%和45.88%，大小表現為：草本沼澤>沼澤化草甸>洪泛濕地。由圖2可以看出，草本沼澤和洪泛濕地的毛管孔隙度隨深度變化不明顯，可能是若爾蓋濕地土壤層較厚，表層1 m深度內毛管孔隙度較相似；而沼澤化草甸在10—20 cm開始下降，20—30 cm處下降明顯，與土壤容重在10—20 cm處開始增大相呼應，共同說明了沼澤化草甸表層土壤與深層的差異較大，可能是表層有草根層的積累等原因導致土壤較疏松。
圖2 3種濕地類型土壤毛管孔隙度各層均值及標準差
對3種濕地類型所有樣地的土壤容重和毛管孔隙度做回歸分析。由圖3可以看出，洪泛濕地和沼澤化草甸的土壤容重和毛管孔隙度存在著較高的負相關性，相關系數分別是0.84，0.81，而草本沼澤的僅為0.53，這可能是由于泥炭層、未分解和已分解的植物殘體、草根層等多種因素的影響導致其土壤性質多樣化。這表明，土壤越疏松，容重越小，毛管孔隙度越多，土壤持水能力和通氣能力越強。而非毛管孔隙度受環境、生物、土地利用歷史、成土過程等多種因素的影響，比較復雜[17]。
圖3 3種濕地類型的土壤容重與毛管孔隙度的相關性分析
3.3不同濕地類型蓄水性能
濕地土壤的最大滯留貯水能力是反應濕地水資源涵養效能和調節水分循環的重要指標，主要取決于土壤的非毛管孔隙度[12]。
在0—100 cm范圍內，3種濕地類型土壤貯水能力的平均值大小表現為：草本沼澤(239.40 t/hm2)>沼澤化草甸(171.18 t/hm2)>洪泛濕地(148.51 t/hm2)。由此可見，在3種濕地類型中草本沼澤貯水能力最強。
由圖4可知，不同濕地類型在不同深度的土壤貯水能力不同，在0—60 cm土層，隨深度增加，草本沼澤、沼澤化草甸和洪泛濕地土壤的貯水能力逐漸降低。沼澤化草甸和洪泛濕地在60—80和80—100 cm處土壤貯水能力升高，這與兩者的土壤容重在60—80和80—100 cm處降低的變化相呼應。
圖4 3種濕地類型土壤蓄水能力的各層均值及標準差
在草本沼澤中，0—100 cm土層范圍內的土壤貯水能力平均值為239.40 t/hm2，表層最高，達到了333.29 t/hm2，明顯高于其他2種濕地類型表層土壤的貯水能力。隨著深度增加，貯水能力逐漸減小，主要是因為在表層土壤中植物殘體及未分解的有機質含量較高，能夠貯存大量水分，隨深度增加土壤容重變小，毛管孔隙度減小，能夠貯存的水分就隨之減少。
4討論與結論
4.1討 論
本研究中，草本沼澤所有樣地土壤剖面各層平均容重的變化范圍在0.38～0.55 g/cm3，在熊遠清等[10]對若爾蓋沼澤草甸容重的計算結果0.10～0.75 g/cm3范圍內；若爾蓋3種類型濕地土壤的容重范圍是0.38～1.34 g/cm3，王元峰[12]測量的甘肅尕海泥炭濕地、沼澤濕地、高山濕地和洪泛濕地的土壤容重在0.64～1.34 g/cm3范圍內。本研究中濕地土壤容重的最高值與王元峰[12]測量的相同，但最低值低于其測量結果，由此可見若爾蓋草本沼澤土壤的獨特性及在水源涵養方面的重要性。
若爾蓋濕地3種濕地類型之間的容重差異較大，草本沼澤土壤容重明顯低于另外2種濕地；在土壤貯水能力方面，草本沼澤0—100 cm土層范圍內的平均值為239.40 t/hm2，表層最高，達到了333.29 t/hm2，明顯高于其他2種濕地類型表層土壤的貯水能力。這是由于草本沼澤有泥炭或潛育層發育，土壤中含有大量未分解或未完全分解的植物殘體及草根，土壤結構較疏松。而沼澤化草甸和洪泛濕地植被蓋度相對較低，而且還可能與放牧、牲畜踩踏等因素有關，張艷博等[18]研究高寒草地放牧指出放牧增加了凋落物的分解速率；而且若爾蓋高原濕地作為中國5大牧區之一，沼澤草甸是牲畜早春放牧的主要場所，過度放牧嚴重，實際載畜量遠遠大于理論載畜量[19]，因此，放牧的影響不應小覷。另外，洪泛濕地的土壤受到周期性的河水沖刷，帶走了土壤中的大量有機物質，使得土壤變得緊實，土壤容重增加。
3種濕地類型中，同種濕地各樣點測量值的標準差較大，表明不同濕地采樣點之間存在著較大的差異。受限于地形、夏季積水等因素，采樣為隨機采樣法，且不同樣點間距離較遠。所以存在較大差異可能與土壤所處的地勢、植被、地下水位等有關。
3種濕地類型的土壤容重在60—80 cm處均呈減小的趨勢，相應地其蓄水能力在此處呈增大趨勢(草本沼澤在此處無增大趨勢，但其下降趨勢明顯變緩)，在其他學者的相關研究中目前未發現此種現象，不過與土壤容重相關的有機碳密度出現了類似現象：高俊琴等[20]對若爾蓋高原濕地土壤有機碳含量的研究發現，泥炭土的有機碳含量在40—50 cm處升高。目前尚不清楚造成本試驗現象的原因，根據當地的土壤環境推測這可能與植物殘體的積累、腐殖質過渡層發育或者地下水分條件變化劇烈等因素有關。
若爾蓋高寒濕地因其在全球氣候變化中的樞紐作用而成為研究熱點地區，作為全球海拔最高、面積最大的高原泥炭沼澤[21]，地處黃河上游重要地理位置，其變化不僅影響著黃河上游的水資源總量，而且影響著水資源的調控與平衡。但關于若爾蓋濕地此方面的研究還很欠缺，接下來應將重點研究若爾蓋濕地對黃河上游水資源的調控作用。
4.2結 論
(1) 同種濕地類型各樣點測量值的標準差較大，表明不同濕地采樣點之間存在著較大的差異。因此，在今后計算若爾蓋濕地整體的蓄水能力時不能用較少量的樣點測量值代表一個濕地類型。
(2) 在0—100 cm深度范圍內，草本沼澤和洪泛濕地的毛管孔隙度隨深度變化不明顯，可能是若爾蓋這2種濕地類型的土壤層較厚，1 m深度內毛管孔隙度較相似；而沼澤化草甸在10—20 cm開始下降，20—30 cm處下降明顯，與土壤容重在10—20 cm處開始增大相呼應，共同說明了沼澤化草甸表層土壤與深層的差異較大。因此，在沼澤化草甸區域應減少放牧等人為干擾，保護其重要的表層土壤以更好地發揮水源涵養功能。
(3) 3種濕地類型土壤最大滯留貯水能力的平均值大小表現為：草本沼澤(239.40 t/hm2)>沼澤化草甸(171.18 t/hm2)>洪泛濕地(148.51 t/hm2)，草本沼澤貯水能力最強。因此，在若爾蓋區域實施濕地保護與恢復措施時，應將保護區外的草本沼澤分布的區域納入重點計劃。
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收稿日期：2015-12-22修回日期：2016-03-06
通訊作者：劉俊國(1977—),男(漢族),山東省萊蕪市人,博士,教授,主要從事水文水資源和生態修復方面的研究。E-mail:junguo.liu@gmail.com。
文獻標識碼：A
文章編號：1000-288X(2016)03-0219-05
中圖分類號：S152.7
Assessment of Water Storage Capacity in Zoige Alpine Wetland
TANG Suxian, MA Kun, ZHANG Yinghu, LIU Junguo
(SchoolofNatureConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)
Abstract：[Objective] Assessing water storage capacity of three types of wetland in Zoige wetland in order to provide the scientific basis for the assessment of the hydrological function value of wetland ecosystem. [Methods] We measured the physical properties and maximum retention capacity, and evaluated soil water storage capacity of three types of the Zoige alpine wetland. [Results] (1) Within a depth of 0-60 cm, the soil bulk density of three types of wetland increased with soil depth increase, but at the depth of 80-100 cm in marshes, 60-80 cm in swamp meadow and floodplain wetland the soil bulk density decreased; (2) Within the range of 0-100 cm, the soil capillary porosity of marsh meadow shows a decreasing trend with depth, but no apparent trend in the other two wetland types; (3) Within the range of 0-100 cm, the mean value of soil bulk density in three types of wetland showed an order as marshes(0.46 g/cm3)
Keywords:wetland degradation; physical properties; vertical distribution
資助項目：國家基金委重大研究計劃“黑河流域水—生態—經濟系統的集成模擬與預測”集成項目(91425303); “黑河流域水資源綜合管理決策支持系統集成研究”(91325302); 科技部國家國際科技合作專項項目(2012 FA91530)
第一作者：唐素賢(1990—),女(漢族),河南省新鄉市人,碩士,研究方向為濕地水文及濕地保護。E-mail:suxiansecond@163.com。
