不同放牧制度下呼倫湖流域草原植被冠層截留

樊才睿, 李暢游,賈克力,孫 標(biāo),史小紅,高宏斌

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué), 呼和浩特 010018

不同放牧制度下呼倫湖流域草原植被冠層截留

樊才睿, 李暢游*,賈克力,孫 標(biāo),史小紅,高宏斌

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué), 呼和浩特 010018

冠層截留是降雨過程中的水量分配和流域水平衡的一個重要組成部分，通過水浸泡法和降雨模擬實驗研究呼倫湖流域草原3種放牧制度下(休牧、輪牧、自由放牧(超載放牧))植被冠層截留量的變化規(guī)律，并利用遙感解譯植被歸一化指數(shù)(NDVI)，確定3種放牧制度下草原面積，估算呼倫湖流域草原降雨截留量。研究表明：在休牧、輪牧、自由放牧3種制度下，水浸泡法測定的截留量分別是0.468、0.320、0.271 mm。降雨模擬實驗法測得的結(jié)果分別是0.957、0.613、0.431 mm。休牧、輪牧、自由放牧草場葉面積指數(shù)、蓋度、容重、生物量等指標(biāo)差異顯著(P<0.05)，且單株植被高度、鮮重對截留量影響顯著呈線性正相關(guān)關(guān)系。呼倫湖流域草原一次降雨量為大于等于30 mm全流域降雨，其植被截留量為6.462×106m3。

呼倫湖流域; 不同放牧制度; 冠層截留; 降雨模擬

冠層截留量是降雨過程中被植被冠層所截留下而無法降落到地面上的降雨量，冠層截留的降雨主要以蒸發(fā)形式損失掉。呼倫湖流域草原是我國北方重要的生態(tài)屏障，該區(qū)域地處干旱半干旱地區(qū)，水資源尤為珍貴。草原上的植物與水關(guān)系復(fù)雜，它們相互影響制約，一方面水分的多少直接影響草原的植被的生長狀況和分布；另一方面植被的生長狀況又直接影響著水分的分配、利用。而植被的生長狀況除了受水的制約還會受到放牧情況的影響，如載畜量、牛羊啃食程度等，不同的放牧制度對植被的株高、葉面積、鮮重以及稀疏程度產(chǎn)生影響，導(dǎo)致相同的區(qū)域由于放牧制度的不同而引起降雨、截留、徑流、入滲等水文過程的差異，造成水資源利用效率的不同。因此研究不同放牧制度下的植被截留,對提出合理放牧規(guī)劃、改善流域生態(tài)環(huán)境、保護草原水土流失等方面具有重大的實踐意義。

目前，國內(nèi)外對冠層降雨截留研究主要集中在熱帶雨林、針葉林、喬木及灌木的冠層對降雨空間分布影響及水量分布特征等方面[1-6]，一般林冠層每次降雨可截留3—10 mm降水[4-5]，在某些濕潤地區(qū)森林截流量占全年降水量的10%—30%[1-3]，有些干旱地區(qū)可以達到40%—50%[6]，并提出了很多降雨截留的數(shù)學(xué)模型[7-10]。其次是對冬小麥、玉米等農(nóng)作物的截留量研究。測得冬小麥開花灌漿期時的冠層截留為0.6—0.65 mm[11]、玉米抽穗以后,在灌水量為25 mm的條件下,冠層截留為1.8 mm[12]。然而對與密植、修剪低矮人工草坪和天然低矮草地植被的降雨截留特征研究少有報道。一些研究者嘗試采用“簡易吸水法”及“水量平衡法”測定結(jié)縷草等草地植物冠層截留量，試驗結(jié)果在一定層面上較好地反映了植株降水截留特性[13-16]。而本區(qū)域關(guān)于該方面的研究尚未見有過報道。

本文采用水浸泡法及降雨模擬實驗法對流域草原3種放牧制度下(休牧、輪牧、自由放牧)的草地植被進行研究。從單株和群體水平上對低生草地植被冠層截留性能進行了試驗觀測，并探討了葉面積、株高、鮮重與單株植被冠層截留性能的關(guān)系。利用遙感技術(shù)提取NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)指數(shù)進行截留量的估算可以較好的彌補由于研究區(qū)域太大而無法獲取空間資料而造成的研究的缺失，同時可以利用遙感技術(shù)的時效性及時監(jiān)測草地的動態(tài)變化。但遙感影像的分辨率有限與實際情況仍然存在一定偏差，在其精度允許范圍內(nèi)可用作估算依據(jù)使用。為草地生態(tài)水文過程研究提供部分科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

呼倫湖是我國北方第一大淡水湖泊位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部，其所在的呼倫貝爾草原是世界上天然草原保留面積最大的地方，該地屬于中溫帶干旱、半干旱氣候，其地理坐標(biāo)介于N 47°33—49°44′，E 115°37′—119°25′之間。年平均溫度-0.6 ℃—1.1 ℃，年降水量為240.5—283.6 mm，年蒸發(fā)量為1455.3—1754.3 mm，年平均風(fēng)速為3.38—3.92 m/s，日照時數(shù)為2694—3131 h，日照百分率為60%—70%，≥10 ℃積溫為110—125 d，積溫為1969.5 ℃—2341 ℃，全年無霜期為110—160 d，從10月上旬到翌年5月上旬約210 d為土壤凍結(jié)期，草原干燥指數(shù)為5.5—10.2[17]。

1.2 樣地的選擇

圖1 樣地地理位置圖

本研究工作在呼倫貝爾草原南部的新巴爾虎右旗的寶東蘇木的3種放牧類型的草場中進行，其位置分別是自由放牧N 48°27′54.95″、E 117°16′19.68″；輪牧N 48°28′33.07″、E 117°13′09.23″；休牧N 48°28′33.07″、E 117°11′41.26″(圖1)。呼倫貝爾草原水系豐富，內(nèi)含呼倫湖、貝爾湖、克魯倫河、烏爾遜河、新開河、海拉爾河等。近年來草原放牧過度，草地生態(tài)破壞嚴(yán)重，植被生長發(fā)育受到較大影響，加上草原年降雨量少，蒸發(fā)量大，所以到達土壤表面的凈降雨量顯的更加重要。

1.3 研究內(nèi)容及方法

1.3.1 研究內(nèi)容

根據(jù)放牧標(biāo)準(zhǔn)，在3種放牧制度下選取3塊地形平坦的草地(5 m×5 m)，采用樣方法隨機選取5塊(1 m×1 m)的樣方，對3種放牧制度下的草地植被進行調(diào)查，確定主要植被有克氏針茅(Stipakrylovii)、羊草(Leymuschinensis)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、及冷蒿(Artemisiafirigida)。測量其高度、蓋度、生物量、葉面積指數(shù)及土壤容重、含水率(表1)。并進行降雨模擬實驗。

1.3.2 水浸泡法

水浸泡法也稱“簡易吸水法”，是國內(nèi)外比較常用于測定植被截留水量的一種方法，該方法是將草本植物剪下，測定其浸泡前后的重量差即為植被冠層最大截留量。本研究于2013年7月底將樣方內(nèi)主要物種分類采集，貼地表剪下整株植物樣本，每種采集10株帶回實驗室用天平(精度0.01 g)測定每株植物樣本的鮮重，將植物樣本浸入水中10s，等莖葉上水珠不再掉落再次稱重，截留量為兩次重量差值：

I=M2-M1

(1)

(2)

式中,I為最大截留量(g)；Ir為截留率(%)；M1為單株植被鮮重(g)；M2為單株植被浸水后重(g)。

根據(jù)截留量與莖葉鮮重的關(guān)系將截留量換算成莖葉單位鮮重截留量SS(g/g)。將莖葉在65 ℃下烘干72 h，測量其干重及葉比重SLA(cm2/g)，葉面積指數(shù)測定采用葉比重法[18]。

莖葉截留量SS(mm)計算：

(3)式中,n物種數(shù)；Ssi是物種“i”的莖葉單位鮮重截留量(g/g)；Fi物種“i”的莖葉鮮重(g)；G是樣方面積(1m×1m)。

葉面積測量：2013年7月底于晴天15:00以后將樣方內(nèi)主要物種進行采集，每種采集10株，將4種主要植被克氏針茅、羊草、糙隱子草、及冷蒿的莖葉分離，由于實驗條件的限制采取網(wǎng)格法，將植被樣本的葉片拓印在1 mm×1 mm的網(wǎng)格紙上，通過計算方格面積近似讀取葉面積。

1.3.3 降雨模擬實驗法

人工降雨模擬實驗法，是基于水量平衡法確定植被冠層截留量。

水量平衡方程為：

S=Pg-Pn-E

(4)

式中,S為植被冠層截留量；E為降雨期間蒸發(fā)量；Pg為總降雨量；Pn為凈降雨量(Pn=土壤水增加量+徑流量)。

降雨模擬器主要由水箱、動力系統(tǒng)(發(fā)電機和水泵)、輸送管線、回流管線、降雨器等組成，降雨器是由均勻布滿小孔的PVC(Polyvinyl chloride polymer)管構(gòu)成，呈豎狀排列(見圖2)。首先由水泵將水經(jīng)管線輸送到降雨器內(nèi)部產(chǎn)生雨滴，然后調(diào)節(jié)輸送流量使降雨強度達到要求。本研究于2013年8月上旬在實驗樣地進行降雨實驗，為確保植被冠層干燥，實驗時間選在15:00—18:00進行。實驗期間風(fēng)速為微風(fēng)，濕度37%—56%。由于降雨歷時較短，降雨過程中頂部遮擋陽光，所以降雨期間蒸發(fā)量忽略不計，雨強采用70 mm/h，降雨歷時5 min，降雨有效面積1 m×1.8 m。降雨期間由于歷時較短、地勢平坦未產(chǎn)生徑流。土壤水分增加量用稱重法測得，即降雨前后土壤重量差值。

圖2 降雨模擬器

2 結(jié)果與分析

2.1 植被冠層性質(zhì)及吸附水量

由表1、表2可知，在休牧、輪牧、自由放牧草場葉面積指數(shù)、蓋度、土壤容重、生物量等指標(biāo)差異顯著(P<0.05)，輪牧草場的生物量葉面積指數(shù)及土壤容重接近自由放牧草場的2倍。3種放牧制度下植物鮮重及葉面積所占比例變化顯著(P<0.05)。自由放牧草場優(yōu)勢物種為糙隱子草(33.83%)和克氏針茅(36.09%)，輪牧草場為克氏針茅(45.64%)和羊草(31.33%)，而休牧草場的優(yōu)勢物種為克氏針茅(64.27%)。對莖葉截留量而言，輪牧草場與休牧草場截留量最大的物種是冷蒿(0.796 g/g)，最小的是克氏針茅(0.116 g/g)和羊草(0.257 g/g)；自由放牧草場植被截留量比較均，值在0.4—0.5 g/g之間，由于草場超載過牧，牧草啃食嚴(yán)重，植被株高、葉面積差異不大所以截留量比較均勻。

表1 休牧(XM)、輪牧(LM)、自由放牧(ZY)草地植被性質(zhì)與土壤性質(zhì)比較

表 2 休牧(XM)、輪牧(LM)、自由放牧(ZY)草地植被葉面積占總?cè)~面積比例、單株鮮重占總鮮重比例及莖葉單位截留量

Table 2 The species leaf area fraction of total leaf area, single weight fraction of total weight and per unit stem and leaf fresh weight of interception in No grazing, Rotation grazing, Free grazing grassland

a代表差異顯著(P<0.05)，數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，重復(fù)為6

2.2 植被株高、鮮重、蓋度與截留量關(guān)系

2.2.1 株高與截留量關(guān)系

株高是植被形態(tài)特性的主要指標(biāo)之一，對3種放牧制度下單株植物株高及整體株高與截留量關(guān)系進行回歸分析，由圖3、圖4可知休牧、輪牧、自由放牧草場單株植物株高與截留量呈線性正相關(guān)關(guān)系，截留量均隨株高的增加而增大。休牧草場單株植物截留量與輪牧草場單株截留量相近，是由于休牧草場與輪牧草場植被各項指標(biāo)間差異性一般顯著，休牧草場主要優(yōu)勢植物克氏針茅(64.27%)是叢生針狀植物，葉面積小于羊草、糙隱子草、冷蒿，雖然株高比輪牧草場有所增加，但截留量與其相近。休牧草場整體植被截留狀況要優(yōu)于輪牧和自由放牧草場，整體植被株高與截留量呈正相關(guān)關(guān)系，R2=0.650。輪牧草場整體植被株高與截留量相關(guān)性相對較低，R2=0.510，而自由放牧草場整體植被株高與截留量的相關(guān)性較差，R2=0.143，由于自由放牧草場植被比較稀疏、株高整體較矮，累計計算截留量誤差較大，所以整體株高與截留量無相關(guān)關(guān)系。圖4顯示，單株植被株高與截留量的相關(guān)性較高，分別為休牧草場R2=0.713、輪牧草場R2=0.642、自由放牧草場R2=0.660。

圖3 整體植被株高與截留量關(guān)系

圖4 單株植被株高與截留量關(guān)系

2.2.2 鮮重與截留量關(guān)系

圖5 整體植被鮮重與截留量關(guān)系

圖6 單株植被鮮重與截留量關(guān)系

2.2.3 蓋度與截留量關(guān)系

圖7 蓋度與截留量關(guān)系

2.3 3種放牧制度下冠層截留量

圖8 水平衡法、浸泡法測定截留量與葉面積指數(shù)關(guān)系

在休牧、輪牧、自由放牧草場通過水浸泡法測得的截留量分別為0.468、0.320、0.271 mm。降雨模擬實驗測得的截留量分布為0.957、0.613、0.431 mm(圖8)。

從自由放牧到休牧，LAI的增加幅度明顯大于截留量的增加幅度。用浸泡法測得的截留量，休牧草場是輪牧草場的1.5倍，輪牧草場是自由放牧草場的1.2倍。水量平衡法測的的截留量，休牧草場是輪牧草場的1.6倍，輪牧草場是自由放牧草場的1.4倍。而葉面積指數(shù)分別為1.6倍和2.0倍。這是由于休牧、輪牧草場與自由放牧草場相比的植被高度、葉面積差異極顯著(P<0.01)，而休牧與輪牧間的差異沒有達到極顯著(P<0.05)。

2.4 基于NDVI指數(shù)的呼倫湖流域草原降雨截留量估算

本文采用具有中等空間分辨率的Landsat5TM影像數(shù)據(jù)，時間為2011年8月，分辯率為30m。利用ENVI軟件對TM影像預(yù)處理進行輻射校正、幾何校正，提取植被歸一化指數(shù)NDVI。利用GIS軟件對研究區(qū)域范圍界定，以流域邊界[19]及國界為邊界確定研究區(qū)域范圍(圖9)，由于近年來海拉爾河不再為呼倫湖注水，所以將海拉爾河流域劃出呼倫湖流域范圍。

植被歸一化指數(shù)NDVI與植被蓋度f間關(guān)系:

(5)

式中，NDVImin完全裸土或者無植被覆蓋區(qū)域NDVI值，NDVImax完全植被覆蓋的NDVI值[20]。

研究區(qū)范圍內(nèi)土地類型簡單，只有草地、裸土地、水體(包括沼澤地)。由2011年8月初5個不同點的實際蓋度對反演結(jié)果進行驗證，見3表，結(jié)果表明實際蓋度與反演蓋度相對誤差小于30%，結(jié)果可以進行截留量計算。根據(jù)實地考察的3種放牧制度下草場的蓋度范圍，自由放牧35%—62%、輪牧57%—84%、休牧79%—98%。由實測的蓋度范圍反推NDVI指數(shù)范圍， 自由放牧草場NDVI指數(shù)0.35—0.62、輪牧草場NDVI指數(shù)0.62—0.84、休牧草場NDVI指數(shù)0.84—0.98，同時對河道兩旁沼澤地進行修正，將其歸為水體。根據(jù)NDVI指數(shù)將全流域劃分成3種放牧制度草原(圖9)。最終確定休牧草場面積為1476 km2、輪牧草場面積為10817 km2、自由放牧草場面積為12374 km2。利用ArcGIS空間分析模塊結(jié)合3種放牧制度下蓋度與截留量關(guān)系式(圖7)，在不考慮降雨不均勻性的前提下，得出一次全流域范圍降雨量大于等于30 mm的降雨，休牧、輪牧、自由放牧草場的截留量分別約為4.995×105、3.283×106、2.679×106m3?？偨亓袅考s為6.462×106m3。

表3 實際蓋度與反演蓋度比較

圖9 不同放牧制度草場面積

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

草地植被截留對于降雨再分配具有重要的意義，截留量的大小關(guān)系到草原植被的生長狀況和水資源的分配利用，本文試驗結(jié)果總體較好，部分試驗結(jié)果與前人研究略有差異。

(1) 休牧、輪牧、自由放牧草場葉面積指數(shù)、蓋度、容重、生物量等指標(biāo)差異顯著(P<0.05)，自由放牧草場植被截留量比較均勻，變化幅度不大，由于草場載畜過剩，植被受牛羊啃食嚴(yán)重，各種植被的株高、葉面積差異不大，所以截留量比較均勻。休牧、倫牧、自由放牧草場所測得LAI分別為4.36、2.72、1.37 m2/m2，與余開亮等[13]，在青藏高原高寒草甸所測差異性趨勢基本一致。

(2) 休牧、輪牧、自由放牧草場的單株植被高度、鮮重對截留量影響顯著呈線性相關(guān)關(guān)系，隨著植被株高、鮮重的增加而截留量增大，與卓麗等[14]，測定結(jié)縷草截留量的結(jié)果一致。休牧及輪牧草場整體株高、鮮重與截留量相關(guān)，自由放牧草場的整體株高、鮮重與截留量相關(guān)性較差，由于草場植被比較稀疏、株高整體較矮，累計計算截留量誤差較大，所以相關(guān)性較差。

(3) 通過水浸泡法和水量平衡法測定的休牧、輪牧、自由放牧草場的截留量差異顯著。其原因可能是由于水浸泡法對植被截留量測定是單株植被逐一進行測量，最后推算出每平方米該植被的截留量，并未考慮植被生長過程中由于的單株植物間接觸過于緊密而造成的降水截留。水量平衡法是對一片植被整體截留量進行測量，不存在該種情況。余開亮等[13]，在青藏高原不同退化程度的高寒草甸測定的截留量時采用方法相同，結(jié)果趨勢一致，但未對產(chǎn)生顯著差異原因進行分析。相同高度、蓋度水浸泡法所測定的值與余開亮[13]、卓麗[14]、Thurow[21]等測定的值比較，均低于他們所測定的值，可能是由于測定的植被類型不同所產(chǎn)生的差異；而水量平衡法測定結(jié)果與Merriam[22]的測定結(jié)果相接近。

(4) 由Landsat5TM影像提取的NDVI指數(shù)確定3種放牧制度草場面積，在不考慮降雨不均勻性的前提下，結(jié)合植被蓋度與截留量關(guān)系，對全流域的降雨截留進行估算。雖然估算精度存在一定的誤差，但在當(dāng)前缺少雨量站降雨資料無法對降雨事件空間插值的前提下，將該區(qū)域植被冠層截留量的研究首次由概念性描述轉(zhuǎn)變?yōu)槎炕芯?，進行的大膽嘗試，為今后研究者提供一個思路和參考。

3.2 結(jié)論

本文利用浸泡法及水量平衡法研究單株植被和整體植被株高、鮮重、蓋度及葉面積對截留量的大小及其變化。結(jié)果表明：

(1) 呼倫湖流域草原3種放牧制度草場的單株植被截留量和輪牧、休牧草場的整體植被截留量均顯示隨株高、鮮重的增加而增大，而自由放牧草場的整體植被截留量無明顯規(guī)律。

(2) 通過水浸泡法和水量平衡法測定的休牧、輪牧、自由放牧草場的截留量分別是0.468、0.320、0.271；0.957、0.613、0.431 mm。

(3) 由遙感解譯確定3種放牧制度草場面積，在不考慮降雨不均勻性的前提下，估算一次全流域范圍降雨量大于等于30 mm的降雨，休牧、輪牧、自由放牧草場的截留量分別約為4.995×105、3.283×106、2.679×106m3?？偨亓袅考s為6.462×106m3。

致謝：感謝達賚湖自然保護區(qū)管理局的桂滿全站長對實驗的幫助

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Grass canopy interception of Hulun watershed under different grazing systems

FAN Cairui, LI Changyou*, JIA Keli, SUN Biao, SHI Xiaohong, GAO Hongbin

InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010018,China

Different grazing systems have different influences on the biomass, leaf area index (LAI) and canopy morphology of grassland vegetation. Canopy interception is an important part of both water allocation and the balance of water across the whole basin during precipitation. In this paper, water soakage and rainfall simulation methods were used to study the change in rainfall interception by the grass vegetation canopy under three different grazing systems: no grazing, rotation grazing and free grazing (over grazing), in the Hulun watershed, Inner Mongolia, China. We discuss the relationships between trends in individual plants and the vegetation interception as well as the trends between the overall plant height and weight measurements and vegetation interception. Satellite image data from Landsat TM5 were used to extract the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) of grassland in the Hulun watershed and the actual coverage of the no grazing, rotation grazing and free grazing grasslands. The relationship of actual coverage and NDVI was used to measure the grassland areas in the three grazing systems. Estimating the amount of rainfall interception of three different grazing grasslands in the Hulun watershed, even without considering the spatial and temporal variation of rainfall, can provide basic data for future basin water resources planning studies. The vegetation interceptions estimated by the water soakage method for no grazing, rotation grazing and free grazing grasslands were 0.468 mm, 0.320 mm and 0.271 mm, respectively. Those estimated by the rainfall simulation method were 0.957 mm, 0.613 mm and 0.431 mm, respectively. The predominant vegetation types having an interception advantage from three different grazing systems were;Stipakrylovii,Leymuschinensis,CleistogenessquarrosaandArtemisiafirigida. In terms of leaf area proportion, the main interception species wereStipakryloviiandCleistogenessquarrosain free grazing,StipakryloviiandLeymuschinensisin rotation grazing andStipakryloviiwith no grazing. The values of coverage, soil bulk density, biomass and LAI were significantly (P<0.05) different among the three grazing systems. The LAI values were 4.36 m2/m2with no grazing, 2.72 m2/m2in rotation grazing and 1.37 m2/m2in free grazing. The height and weight of individual plants were also linearly correlated with interception in the three grazing systems with vegetation interception increasing with the height and weight of individual plants. The height and weight of the plants overall was linearly correlated with interception in the no grazing and rotation grazing grasslands, where interception increased with a height and weight increase. There was no such trend in the free grazing grassland. The overall plant cover was linearly correlated with interception in all three grazing grasslands. The vegetation interception of the plants overall and the individual plants had obvious phenomenon grading in all three grasslands. Through field measurements in the Hulun watershed, the cover ranges of no grazing, rotation grazing and free grazing grasslands were 79%—98%, 57%—84% and 35%—62%, respectively. Thus, the total canopy interception in the Hulun watershed will be 6.462 × 106m3and the canopy interception of the different grazing systems will be 4.995 × 105m3with no grazing, 3.283 × 106m3with rotation grazing and 2.679 × 106m3with free grazing if the whole basin rainfall reaches 30 mm.

Hulun watershed; different grazing systems; grass interception; rainfall simulation

國家自然科學(xué)基金項目(51169011, 51169017, 51269016, 51269017, 51339002); 內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項目(2012MS0612); 高等學(xué)校博士點基金新教師類項目(20131515120005); 對發(fā)展中國家科技援助項目

2013-11-05;

2014-09-09

10.5846/stxb201311052674

*通訊作者Corresponding author.E-mail: nndlichangyou@163.com

樊才睿, 李暢游,賈克力,孫標(biāo),史小紅,高宏斌.不同放牧制度下呼倫湖流域草原植被冠層截留.生態(tài)學(xué)報,2015,35(14):4716-4724.

Fan C R, Li C Y, Jia K L, Sun B, Shi X H, Gao H B.Grass canopy interception of Hulun watershed under different grazing systems.Acta Ecologica Sinica,2015,35(14):4716-4724.