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地球環境所在黃土高原人工植樹造林和植被自然恢復小流域對比觀測方面獲得系統性進展
2019-02-25| 編輯: | 【 】【打印】【關閉

  人工植樹造林和植被自然恢復是黃土高原坡面生態治理最主要的措施。近年來,大量的研究表明,黃土高原自1999年以來大規模的植被恢復措施顯著改變了地表的物質和能量平衡,如侵蝕泥沙顯著減少,流域產水量降低,土壤干燥化加劇,地表反照率和區域氣候發生改變。當前,多種證據表明,黃河的水沙情勢和黃土高原的生態條件進入一個全新的時期,表現為四大特征:(1)黃河輸沙量降低至歷史低值水平;(2)黃土高原植被覆蓋度急劇增加,(3)黃土高原水資源可持續利用趨近植被恢復的極限,(4)人類活動的貢獻率達到前所未有的高度。以上四大特征和歷史上任何一個時期都不相同。因此,從科學機理上清晰認識黃土高原長期植被恢復背景下物質和能量平衡的未來變化趨勢,辨識自然和人為因素的影響,對于制定科學合理的生態恢復政策和可持續發展模式至關重要。 

  基于這一重大科學問題和國家需求,中科院地球環境研究所金釗研究員與黃河水利委員會西峰水土保持科學試驗站合作,以南小河溝人工植樹造林(楊家溝)和植被自然恢復(董莊溝)對比小流域為研究對象。兩條小流域從1954年開始設置對比,至今已超過60年時間;其中董莊溝進行植被自然恢復(1954),目前已形成自然草地小流域;楊家溝進行人工植樹造林(1954-1958),目前已形成人工森林小流域。近5年來,研究團隊建設了《中國科學院地球環境研究所南小河溝水土保持和生態恢復試驗基地》,對長期自然和人為植被恢復模式下小流域的物質和能量平衡進行了連續觀測研究,獲得系統性進展。 

  1)植樹造林導致小流域徑流量減少90%以上 

  前人研究結果表明,和天然草地小流域相比,人工造林小流域在前20年(1956-1980)徑流量減少了32%;根據我們最新的觀測結果(2016-2018年),人工造林小流域徑流量減少現今已超過90%(圖1),即使在強降雨條件下也很難產生明顯的徑流。因此,我們得出結論認為,黃土高原人工造林小流域在長遠背景下,將可能徹底抑制地表徑流的產生,導致小流域無法形成徑流輸出,這對黃土高原可持續性的水資源利用將產生較大的負面影響。 

  2)自然恢復小流域更有利于物質的橫向遷移和流動 

  由于人工造林極大地改變了小流域的水文過程和水文環境,使得小流域的物質遷移、能量平衡和侵蝕熱點也發生了顯著改變,包括碳氮循環、土壤水分、溫度、蒸散發、地表反照率、侵蝕泥沙等。研究結果表明,和人工造林小流域相比,自然恢復草地小流域由于具有更好的水文環境和更高的徑流輸出,類似于“大浪淘沙”,不斷淋洗流域表層可溶性物質,包括碳氮元素等(圖2Jin et al., 2014; Jin et al., 2016),使得草地小流域發生了更多的橫向物質遷移和流動。這一認識拓展了傳統生態學(主要關注垂直界面)的學科范疇,將生態-水文-地貌-生物地球化學循環更好地耦合在一起。 

  3)植樹造林和局部地形聯合影響小流域地表能量平衡 

  有關能量平衡的研究結果表明,人工造林小流域通過改變地表反照率(albedo)和蒸散發(ET),顯著改變了流域地表的能量平衡,但局部地形對能量平衡的影響不可忽視(Jin et al., 2019)。在冬春季節,地形對地表能量的影響起主導作用;夏季,ET增強,植樹造林的影響超過地形起主導作用;秋季,植被的影響減弱,地形的影響逐步增強(圖3)。因此,在一年之中,植被和地形對地表能量平衡的影響隨著季節的變化此消彼長,互為耦合,這為遙感反演和模型模擬區域尺度地表能量平衡的變化提供了更為精細的認識。 

  4)植樹造林顯著影響了土壤水分的有效補給 

  有關長期植被恢復背景下土壤水分補給閾值和補給機制問題,通過高精度降雨-土壤水分觀測(10分鐘觀測一次),精細分析了每一場降雨入滲到土壤的過程(圖4)。研究結果表明,自然草地小流域,單次或連續降雨量達到9 mm才能入滲到表層土壤(10 cm);而對于高植被覆蓋的溝谷森林,降雨量達到14 mm才能有效補給到表層土壤。該研究對清晰認識黃土高原在長期植被恢復背景下,多大的降雨才能入滲到土壤的問題具有重要的指示意義。 

  5)發現前期土壤含水量在流域產流中起著至關重要的作用 

  有關長期植被恢復背景下小流域產流閾值和控制因素問題,通過降雨、土壤水分和流域產流的長期定位觀測和對比分析,發現除降雨強度和降雨總量外,前期土壤含水量在流域產流中起著至關重要的作用。同時發現小流域產流存在三種模式:(1)高降雨強度和中等的表層土壤含水量;(2)低降雨強度、中等降雨量和較高的深層土壤含水量;(3)土壤含水量較低但降雨量足夠大(Jin et al., 2019, prepared)。研究結果對清晰認識黃土高原長期植被恢復背景下小流域的產流條件和受控因素具有重要的指示意義。 

    

  相關論文: 

  (1)      Jin et al. Controlling factors of runoff generation in a pair of catchments on the Chinese Loess Plateau after a long-term vegetation rehabilitation. 2019, prepared for submission.  

  (2)      Jin et al. Effects of afforestation on soil and ambient air temperature in a pair of catchments on the Chinese Loess Plateau. Catena, 2019, 175: 356-366.  

  (3)      Jin et al. Soil moisture response to rainfall on the Chinese Loess Plateau after a long-term vegetation rehabilitation. Hydrological Processes, 2018, 32 (12): 1738-1754. 

  (4)      Jin et al. Comparing watershed black locust afforestation and natural revegetation impacts on soil nitrogen on the Loess Plateau of China. Scientific Reports, 2016, 6: 25048, DOI: 10.1038/srep250489. 

  (5)      Jin et al. Natural vegetation restoration is more beneficial to soil surface organic and inorganic carbon sequestration than tree plantation on the Loess Plateau of China. Science of the Total Environment, 2014, 485-486: 615-623.       

    

   

  1 2016-2018年人工植樹造林和植被自然恢復小流域徑流量的差異 

   

   2 人工植樹造林和植被自然恢復小流域無機碳遷移輸出發生顯著差異的機制 

    

   

    

   3 人工植樹造林和植被自然恢復小流域不同季節(春、夏、秋、冬)和不同地形(坡面和溝谷)條件下土壤溫度的變化 

   

             

   4 人工植樹造林和植被自然恢復小流域不同地形(坡面和溝谷)條件下高精度降雨-土壤水分響應分析 

    


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