简要信息

【获奖类型】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。

植被和生态系统的碳平衡控制着生物圈的生产力和生态系统对地球系统的影响，近年来，植物和生态系统碳循环的迅速改变成为了一个重要的社会基本问题。草地生态系统在碳循环研究中占有重要的位置。草地生态系统碳循环具有其独特的生物地球化学循环过程和作用，主要表现为：碳素储量绝大部分集中于土壤中，地上生物量中仅为10%，草地生态系统不像森林生态系统那样具有明显的地上生物量，但由于地上部分受放牧、农垦等的影响碳循环远较森林生态系统要强烈，地上部分碳循环不仅速度快，而且向大气排放CO₂的作用明显。作为主要碳贮存库的地下部分，由于草地所处的特殊地理位置和气候条件，导致其地下部分分解普遍较慢，草地作为CO₂汇的作用更为明显。因此，对于草地生态系统独特的碳循环过程与机制的研究将会为正确评估整个陆地生态系统的碳源汇功能提供重要的数据基础。

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。

详细科学技术内容

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，能够掌握草地净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。

在研究区内不同技术措施试验研究成果归纳总结如下：

（1）风蚀   研究区从冬春到初夏季节为多风期（12～6月），月平均风速为3.5m/s左右，夏秋季风天较少，月平均风速一般小于3m/s。而寒、暖季节最大风速的差别并不大。最大风速可达14m/s。各月风向频率分析表明，暖季西风和南风较为多见，寒季盛行风向主要是西或西北。分析不同方向风功率密度，知暖季风能集中在西和南两个方向，寒季则主要集中于西和西北方向，而且寒季风能也比暖季大。风能是风蚀产生的原动力。分析风能密度和集沙仪集沙量的关系，发现近地表风沙流密度和风能密度的相关性好，得如下经验关系： （R²=0.7153。式中W₁₅为15cm高度进沙口集沙量，g；D_WE为同期风能密度和，单位为10⁴W·h/m²。风能密度表达式： 。

垂直集沙仪观测研究表明：风沙流密度廓线规律具有指数函数关系特征，即 ，其中h为离地高度（cm），W为集沙仪集沙量（g），a′、b′为经验系数。公式两边取对数可以转换为半对数关系，即：  ，a、b为经验系数。现场风洞模拟吹蚀试验证明了相似的规律性。

草地风蚀和植被盖度、草群高度相关密切，盖度越大，草群越高，风蚀量越小，而且效果非常明显，呈线性负相关关系。又分析不同时期风能和同期集沙仪集沙量（表征期内风蚀水平），发现风蚀量和风能，也就是和风速的三次方、空气密度及风作用时间长短接近线性正相关关系。

对风蚀物进行粒径分析，发现风蚀沙粒径范围为0.00071～0.05mm，其中粘粒（<0.002mm）、粉粒（0.002～0.02mm）、细沙粒（0.02～0.5mm）三种粒径所占比例分别为1.52%～3.79%、15.27%～35.9%、60.31%～83.03%。不同地势高度、不同年份收集的风蚀沙粒径组成基本一致，只是在坡顶处粘粒成分更少一些（约少1-2个百分点）。在15cm和25cm两个高度收集的风沙粒径区别主要在沙粒含量上，较低处比较高处风沙质地要粗，沙粒含量高约10%，粘粒含量基本相同。参照有关研究，判断本项目研究区风沙跃移质主要由细沙颗粒和粉粒组成，二者分别大约占2/3和1/3。

本研究得出由集沙仪全年集沙量估算研究区风蚀模数的经验公式，即：。根据该公式和集沙仪监测数据，估算2007、2008和2009年各年风蚀模数分别为：13137.4、4847.5和2439.3kg/hm²·a，相当于分别剥蚀表土厚度0.88、0.32和0.16mm。风蚀模数的大幅度降低应该主要归功于研究区草地植被的显著恢复。

风蚀同时造成土壤养分的流失。对风蚀沙进行分析得知，风力每侵蚀1000kg土，同时就损失263g氮，227g速效氮，620g磷，262g速效磷和120g速效钾。

（2）水蚀   研究区2009年5～10月共有79次降雨，降雨总量为160mm，大部分为5mm以下的微小降雨，这种降雨既不产生径流，又对补充植物生长需水没有意义。只有5次降雨产生了地面径流，降雨量和降雨强度都影响到产流，足够的雨强是径流产生的先决条件。

按Wischmeier-Smith降雨动能计算经验公式 计算降雨动能，发现能够产生径流的降雨动能与降雨量乘积都在110 J/m²以上，低于此值的降雨或者降雨强度太弱，或者降雨量太小而不能产生径流。计算降雨侵蚀力指标 ，发现产生径流的R值最小为53，其他均大于70，最大为102。

根据实测研究区土壤特征曲线，结合以前的现场测试，估计研究区土壤田间持水量为20%左右（V/V）。根据Williams等在EPIC模型（侵蚀生产力模型）中发展的估算方法，估算研究区土壤可蚀性因子K值为0.17～0.21，由此判断研究区土壤为较难蚀土。

同步监测了土壤含水率情况，5cm～10cm深度雨前、雨后含水率变化很小（1-2个百分点）或基本无变化，表明降雨过程中下渗很浅，径流为超渗地面产流。侵蚀量和侵蚀力的关系为：阳坡y=0.6038x-28.95，R²=0.64；阴坡y=3.0905x-149.07，R²=0.69。这里，y代表径流场侵蚀量（g），x代表侵蚀力指标。根据观测，在径流场尺度上，2009年阳坡面蚀模数为26.3kg/hm²·a，阴坡面蚀模数为66.6kg/hm²·a。

径流泥沙含量随径流过程变化很大。一般开始3-5分钟内泥沙含量大，之后迅速降低，最后稳定在1g/l以下的水平上。阴坡径流流程比阳坡长一倍，导致径流裹挟更多泥沙。径流开始泥沙含量阴坡高达6～7g/l（有时甚至达20.2 g/l），阳坡为2.5～3.0g/l。

分析水蚀泥沙粒径组成，发现主要以粉粒（0.002-0.02mm）为主。阳坡和阴坡还略有区别。阳坡水蚀泥沙颗粒中粉粒占68%，极细沙粒（0.02～0.1mm）占26%，其余为粘粒（<0.002mm），只有6%；阴坡颗粒中粉粒占80%左右，极细沙粒含量7%，粘粒13%。可见，阴坡水蚀泥沙比阳坡要微细一些。与风蚀沙细沙粒（0.02～0.5mm）占大多数（达2/3）的情况相比，水蚀沙更加微细。

水蚀同时使土壤养分丧失，化验坡面径流水样成分得知，大概每1m³水流会带走约17g全氮，10g速效氮，P养分损失很小，K基本无损失。

（3）CO₂通量   日进程曲线为单峰曲线。夏-秋季：日出后（7:00～19:00），辐射水平迅速升高，草地开始吸收CO₂，CO₂通量随着辐射的增加逐渐增大，经过4～5小时的平稳期后，在12:00～14:00达到日吸收高峰后，峰值为0.01～0.03g/m²·h，之后碳通量开始下降，又经过4～5小时平稳期，到达零通量上下。冬季：夜间明显呈碳源特点，释放CO₂速率约为0.001～0.003g/m²·h，日出后随着辐射增加吸收碳速率迅速增加，因为冬季日短，碳吸收过程明显短，大概从10:00到17:00，同时没有夏季进程在峰值两测的平滑期。碳吸收在14:00左右达到峰值，约为0.01g/m²·h。

季节变化方面：7～9月间，草地基本以吸收CO₂为主（即为碳汇），这个阶段是草地植物拔节、抽穗到成熟衰老期，也是植物生长最旺盛的时期。日CO₂通量从7月开始0.2g/m²·d，7月下旬下降到0.1g/m2·d，之后又上升，9月上旬最大，为0.3g/m²·d，9月中下旬下降较快，到10月初又降到0.1g/m²·d。在冬季（1月下旬）冰冻覆雪期，日通量在-0.05～0.05g/m²·d间变化，总通量稍大于0，显示这一时期草地显示碳源特征。2月立春之后，草地很快又变为吸收碳，并可达到0.05～0.1g/m²·d。

发明及创新点

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。

推广辐射区内植被大为改善，有利于防止土地荒漠化和草地退化、沙化；有利于涵养水源，调节小气候，减轻水、旱、风、沙等自然灾害，增加供氧和净化大气，增加了草原的固碳能力，维护生态平衡，促进生态环境的改善和良性循环；提高流域土地的保水、保土、保肥能力。有效地改善农牧业生产条件，提高土地利用率和劳动生产率，促进土地利用结构和产业结构的合理调整，实现农牧业稳产高产，促进当地经济、社会可持续发展。

因此，本项目技术研究成果推广前景广阔。

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。本项目的实施大大改善了试验区的生态环境，草地景观大幅度改善，极大地促进了当地草原风情旅游业的发展。与此同时牧民观念不断更新，在政府引导下，改变生产方式，调整产业结构，逐渐压缩牲畜头数，并实行舍饲养畜方式，根据地区优势，更多从事旅游服务业，牧民收入年年增加，生活水平连年提高，2009年底统计，当地人均年收入达7500元。

2）促进地区稳定和团结：伴随草地生产环境的改善，收入与生活水平的提高，以及示范基地先进技术的不断展示，牧民思想也悄然发生变化，观念更新了，科技意识、环保意识从根本上增强了，精神面貌大为改观。所以，项目的实施不仅可对草原生态保护和改善起到积极推动作用，也必然对地区牧业生产方式的转变和牧区经济结构的调整产生深远影响，使人口、资源、环境与经济发展走上良性循环的轨道，进而促进地区稳定、民族团结、社会进步。

3）对国家生态文明建设战略贡献较大：建设草原区生态文明，促进地区经济社会可持续发展，必然是我国“十七大”以后西部战略的重要组成部分。水利是西部地区经济和社会发展的最为重要的制约性因素，加强水利基础设施建设、生态建设与环境保护是实施西部战略的主要内容。项目区是京津风沙源治理的重点地区之一，实施本项目，促进区域性生态环境整体改善和经济效益全面提高，对国家生态文明建设战略贡献较大。

草地生态环境的恢复，改善了当地牧民的生存环境，增加了牧民收入，确保了边疆少数民族地区人民生活的安定，同时也提高了对京津地区生态安全级别。

成果转化、推广或产业化方面还需帮助解决的问题

由于研究经费和仪器设备有限、时间较短，项目对草地的CO₂固定能力方面研究还比较粗浅，目前还处于定量描述阶段，对草地碳源-汇功能机理目前还不是很清楚；对草地植物根系呼吸量目前还不能做出准确估算。水土流失造成的土地生产力及经济效益的下降水平目前还没有完善的指标体系。

内蒙古草原地处我国北方边陲，如果不能有效防治内蒙古草原退化，不仅本地生态环境恶化，还会给下风向广大地区带来沙尘暴、扬沙和浮尘等灾害性天气，威胁北方的生态安全。因此，一方面要加强水土流失的监测工作，准确掌握水土流失的现状，另一方面要加强退化草地的生态修复工作，其意义深远重大，建议各级政府部门提高认识，加强投入，大力发展退化草地水土流失监测和修复技术的研究和推广工作，提高草地的CO₂固定能力，减缓温室效应。

左边：OPEC-2开路CO₂/H₂O通量观测仪

右边：ENVIS气象站