青海湖流域高原鼠兔擾動對不同地表類型土壤水分特征的影響

劉文玲， 馬育軍,2?， 吳藝楠， 李小雁,2， 劉磊， 魏俊奇

(1.北京師范大學(xué)資源學(xué)院，100875，北京；2.北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，100875，北京)

青海湖流域高原鼠兔擾動對不同地表類型土壤水分特征的影響

劉文玲1， 馬育軍1,2?， 吳藝楠1， 李小雁1,2， 劉磊1， 魏俊奇1

(1.北京師范大學(xué)資源學(xué)院，100875，北京；2.北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，100875，北京)

為了揭示高原鼠兔擾動對高寒草甸土壤水分變化的影響規(guī)律，在青海湖流域，利用動態(tài)監(jiān)測和采樣分析的方法，研究高原鼠兔擾動后不同地表類型(草地、新鼠丘、舊鼠丘和禿斑地)土壤水分的差異及其形成原因。結(jié)果表明：4種地表類型土壤表層含水量對不同降雨條件具有不同的響應(yīng)過程，新鼠丘和舊鼠丘的響應(yīng)比草地和禿斑地迅速；整個生長季4種地表類型土壤含水量垂直分布規(guī)律不同，但月變化規(guī)律較為一致，總體上草地土壤含水量高于其他地表類型，0～30 cm深度的差異最明顯；造成不同地表類型土壤水分差異的土壤因素主要有土壤黏粒質(zhì)量分數(shù)、土壤有機質(zhì)和土壤密度，植被因素主要有植被蓋度和地上生物量。高原鼠兔擾動初期可以加速水文循環(huán)，而后期水文循環(huán)則受到抑制。研究對進一步認識高原鼠兔的擾動影響高寒草甸的水源涵養(yǎng)能力具有重要作用，也可為青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)的管理與保護提供參考。

高原鼠兔； 地表類型； 土壤水分； 影響因素； 青海湖流域

高原鼠兔是青藏高原主要小型嚙齒類動物之一[1]，屬于植食性地下鼠，在青藏高原廣泛分布。由于地下鼠活動對陸地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與發(fā)展具有重要影響，目前眾多學(xué)者研究了多種地下鼠活動的生態(tài)效應(yīng)。結(jié)果表明，地下鼠通過挖掘和堆積土壤，形成直接覆蓋于地表的鼠丘，導(dǎo)致被覆蓋的植被死亡，在降雨淋洗、雨滴打?qū)嵑蛢鋈诘冗^程的影響下，鼠丘表面形成物理結(jié)皮，相對草地的高度逐漸降低，植物生長也逐漸恢復(fù)，形成與原生草地植被蓋度相近、物種類型多為雜草的次生草地[2-3]。這種擾動改變土壤理化性質(zhì)和局部微地形[4-8]，進而對整個草地群落產(chǎn)生影響[9]。其中，土壤水分是控制地下鼠擾動后植被生長和恢復(fù)的關(guān)鍵因素之一。

在青海湖流域的高寒草甸地區(qū)，隨處可見高原鼠兔擾動形成的鼠丘。鼠丘受土壤侵蝕和壓實影響，形成大小不等和形狀各異的斑塊，最終造成地表的破碎化景觀，對青海湖流域的草地質(zhì)量產(chǎn)生極大威脅。目前，有關(guān)高原鼠兔擾動的研究，多集中于對不同擾動強度下，鼠丘特征的整體對比及其對高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的影響[10-11]；對土壤水分的研究，大多限于不同擾動強度下的分時段定點采樣分析[6]，較少關(guān)注高原鼠兔擾動形成的不同地表類型之間的土壤水分差異。本文運用動態(tài)監(jiān)測與采樣分析相結(jié)合的方法，分析高原鼠兔擾動后，不同地表類型土壤水分對降雨過程的響應(yīng)特征，及其在生長季不同土層深度的分布格局，應(yīng)用冗余分析方法，探究土壤水分差異的形成原因，以期進一步深入認識高原鼠兔擾動對高寒草甸水源涵養(yǎng)能力的影響規(guī)律，并為青海湖流域的生態(tài)系統(tǒng)管理與水土保持提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海湖流域的沙柳河子流域(E100°14′5″～100°14′20″，N 37°14′17″～37°14′26″)，屬于青海省三角城種羊場的冬季牧場，休牧期為每年的5—9月，其海拔3 206 m。該流域?qū)俑咴箨懶詺夂?，年平均氣?0.3 ℃，降水量381.8 mm，蒸發(fā)量1 454.4 mm，日照時數(shù)3 285 h[12]。典型土壤類型為高寒草甸土；植物優(yōu)勢種為纖弱早熟禾(PoamalacaKeng.)、海乳草(GlauxmaritimaLinn.)和草甸雪兔子(SaussureathoroldiiHemsl.)，伴生種有西伯利亞蓼(PolygonumsibiricumLaxm.)、三裂堿毛茛(Halerpestestricuspis(Maxim.)Hand.-Mazz.)、黃花棘豆(OxytropisochrocephalaBunge.)、角果堿蓬(Suaedacorniculata(C. A. Mey.) Bunge.)、披針葉黃華(ThermopsislanceolataR. Br.)、鵝絨委陵菜(PotentillaanserinaL.)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus(Willd.) Novopokr.)等。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置

在研究區(qū)內(nèi)，按景觀差異，將其初步劃分為4種地表類型：草地為未受到高原鼠兔挖掘活動干擾的原生草地；新鼠丘土壤表層松散，未形成物理結(jié)皮，且高出周圍草地一定高度；舊鼠丘表面形成土壤物理結(jié)皮，無植物或有極少的植物生長，鼠丘高出周圍草地的高度有所降低；禿斑地高度與周圍草地基本一致，有稀疏的雜草類植物生長。其次，根據(jù)與周圍草地地面的相對高度(測量發(fā)現(xiàn)新鼠丘和舊鼠丘分別為20～30和10～20 cm，禿斑地為±5 cm以內(nèi))、土壤緊實度以及鼠丘表面生長的植被種類與蓋度，進行2次確認[3,13]。

在2014—2016年生長季(5—9月)，隨機選取3個樣地(50 m×50 m)，不同樣地邊界之間的距離均大于100 m。3個樣地中，分別隨機選取典型的新鼠丘、舊鼠丘和禿斑地樣點(直徑均大于50 cm)各1個；同時，在每個樣地中，隨機選取1個草地樣點(1 m×1 m)作為對照，整個研究共設(shè)置12個樣點。

2.2 降雨和土壤水分測定

降雨量和降雨歷時利用TE525自記式雨量計(Campbell，USA)進行觀測，頻率為每10 min記錄1次數(shù)據(jù)。按統(tǒng)計結(jié)果，將降雨劃分為4個等級，即0～5、5～10、10～20和>20 mm(圖1)。

圖1 研究區(qū)2014—2016年降雨頻率直方圖Fig.1 Rainfall frequency histogram in the study area from 2014 to 2016

土壤水分觀測選用EM50系統(tǒng)(Decagon，USA)，ECH2O-5TE土壤水分傳感器安裝于選取的不同地表類型樣點5 cm深處，觀測頻率為每10 min記錄1次數(shù)據(jù)。選取研究時段內(nèi)，分屬上述不同等級的4次典型降雨，分析土壤水分對不同降雨條件的響應(yīng)過程。由于不同地表類型土壤水分的響應(yīng)存在不同程度的滯后，因此，將分析時間范圍設(shè)定為某次降雨開始后的24 h。

同時，2016年5—9月的每月下旬，采用烘干法，進行土壤含水量測定。選取不同地表類型樣點，按照0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm進行分層取樣(研究表明，高原鼠兔的活動范圍主要集中于地下0～50 cm范圍內(nèi))，每種地表類型取3個重復(fù)，計算其平均值，用來表征不同地表類型生長季土壤水分的總體狀況。

2.3 土壤性質(zhì)及植被參數(shù)測定

2.3.1 土壤性質(zhì)測定 環(huán)刀法分層(0～10、10～20、20～30、30～40 和40～50 cm)采集不同地表類型土壤樣品，測定土壤容重，同時按相同深度，分層采集土壤樣品，進行機械組成和有機質(zhì)分析。借助Mini盤式入滲儀，測定不同地表類型的土壤非飽和導(dǎo)水率。在3個樣地中，分別隨機設(shè)置4個(草地、新鼠丘、舊鼠丘和禿斑地各1個)簡易徑流小區(qū)(合計12個)，每次降雨后，利用量筒及時測量不同地表類型的地表徑流量，計算徑流系數(shù)，并分別隨機設(shè)置4個自制微型蒸發(fā)器(直徑11 cm、長度15 cm的PVC管，合計12個)，安裝時將蒸發(fā)器埋于地下，使蒸發(fā)器內(nèi)土壤與蒸發(fā)器外地面相平，蒸發(fā)器口高于周圍地面2 cm，以防止異物吹入，影響觀測結(jié)果。每天早晚08:00，用天平稱量微型蒸發(fā)器質(zhì)量，并計算其蒸散發(fā)量，每隔2～3 d和每次降雨后進行換土。

2.3.2 植被參數(shù)測定 每個樣地隨機選取4個樣方，草地為1 m×1 m，新鼠丘、舊鼠丘和禿斑地根據(jù)樣點實際大小，選取直徑大于50 cm的樣方，調(diào)查包括物種組成、植被蓋度和地上生物量等。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013、SPSS 20.0、Canoco 4.5及Origin 8.0進行數(shù)據(jù)處理與作圖。應(yīng)用單因素方差分析(One-way ANOVA)，進行數(shù)據(jù)組間的差異顯著性比較(P<0.05)。借助Canoco 4.5軟件，進行冗余分析(Redundancy analysis，RDA)，解釋不同地表類型土壤水分差異與環(huán)境因子的關(guān)系。冗余分析既是一種約束性主成分分析(Principal Components Analysisc，PCA)，也是一種約束性多元多重回歸[14]，能從統(tǒng)計學(xué)角度評價一個或一組變量與另一組多變量數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。

本文進行冗余分析使用的2個矩陣，分別為土壤水分矩陣(土壤含水量、蒸散發(fā)量和地表徑流系數(shù))和環(huán)境因子矩陣(土壤因子及植被參數(shù))[15]。分析前，首先對原始數(shù)據(jù)進行降趨勢分析(Detrended Correspondence Analysis，DCA)，對影響土壤水分的每個環(huán)境因子進行蒙特卡羅(Monte Carlo)置換檢驗，篩選出顯著的環(huán)境因子(sig.=0.05)。冗余分析的一維表達式為

yik=ak+b1kxi1+b2kxi2+error。

式中：yik為土壤水分矩陣，xij為環(huán)境因子矩陣(j=1,2,3,…)，ak和bi,k為土壤水分參數(shù)矩陣(i=1,2,3,…)，error為誤差矩陣。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤和植被特征

高原鼠兔擾動條件下，不同地表類型的土壤及植被特征具有明顯差異。由表1可知，草地的土壤容重、蒸散發(fā)量、植被蓋度和地上生物量最大，地表徑流系數(shù)和土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)最小。新、舊鼠丘土壤較松散，土壤容重較小，非飽和導(dǎo)水率相對較高，植被蓋度顯著低于草地。禿斑地相比鼠丘土壤緊實，非飽和導(dǎo)水率最低，地表徑流系數(shù)最大，植被蓋度比草地低，但比鼠丘高。鼠丘和禿斑地有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)高于草地，其原因為：高原鼠兔活動頻繁，糞尿積累較多，挖掘活動使土壤覆蓋植被，導(dǎo)致土壤中植物殘體增多，有機質(zhì)來源增多；同時，挖掘活動改變了土壤結(jié)構(gòu)，增加透氣性，使得微地形、地表覆蓋物和粗糙度發(fā)生改變，增加了地表溫度，促進有機質(zhì)分解。因此，高原鼠兔擾動后，能夠在一定時間內(nèi)，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤有機質(zhì)，促進水分下滲，形成相對有利于植被生長的土壤環(huán)境，但伴隨土壤結(jié)皮的形成和土壤被壓實，土壤導(dǎo)水率明顯下降。

表1 高原鼠兔擾動后不同地表類型土壤和植被特征(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

注：同一列不同字母表示在0.05水平上差異顯著，未標(biāo)注表示在0.05水平上差異不顯著。Note: The different letters in the same column mean significant difference (sig.=0.05), and no letter means no significant difference.

3.2 淺層土壤水分對降雨過程的響應(yīng)

不同降雨條件下，4種地表類型5 cm深度土壤水分的響應(yīng)存在明顯差異(圖2)。降雨量為21.08 mm、降雨歷時為550 min條件下，4種地表類型土壤水分對降雨的響應(yīng)順序為新鼠丘>舊鼠丘>草地>禿斑地。新鼠丘土壤含水量最先開始升高，此時累積降雨量為2.54 mm，整個降雨過程中，土壤水分最大增加量達到13.61%。舊鼠丘土壤含水量于降雨180 min后開始顯著上升，累積降雨量為5.84 mm，土壤水分由39.83%上升至最高51.11%。草地和禿斑地土壤含水量，分別在降雨200和230 min后顯著上升，累積降雨量分別為7.62 和9.14 mm，整個降雨過程中，土壤水分增加量最大分別為10.36%和8.68%。

圖2 高原鼠兔擾動后不同地表類型5 cm深度土壤水分對不同降雨條件的響應(yīng)Fig.2 Response of soil moisture at 5 cm depth to different rainfall among different surface types under plateau pika’s disturbance

降雨量為17.02 mm、降雨歷時為210 min條件下，4種地表類型土壤水分對降雨的響應(yīng)順序為新鼠丘>舊鼠丘>禿斑地>草地。新鼠丘最先開始響應(yīng)，并急劇上升，此時累積降雨量為7.11 mm。舊鼠丘土壤水分于降雨開始160 min后顯著上升，累積降雨量為12.70 mm。禿斑地與草地的響應(yīng)時間非常接近，分別為170和180 min。

降雨量為8.64 mm、降雨歷時為360 min條件下，新鼠丘在降雨開始100 min、累積降雨3.56 mm后，土壤含水量迅速上升，舊鼠丘在降雨開始160 min、累積降雨6.35 mm后，土壤含水量開始緩慢上升，草地和禿斑地的土壤含水量，在整個降雨過程中沒有顯著變化，土壤含水量均值大小順序為舊鼠丘>新鼠丘>草地>禿斑地。

降雨量為2.80 mm、降雨歷時為510 min條件下，各地表類型土壤含水量均無明顯變化，表明小于3.00 mm的降雨，對研究區(qū)5 cm深度土壤水分基本沒有補充。

3.3 土壤水分垂直分布

圖3 高原鼠兔擾動后不同地表類型土壤水分垂直分布Fig.3 Vertical distribution of soil moisture among different surface typesunder plateau pika’s disturbance

4種地表類型在2016年生長季不同月份的土壤水分垂直分布具有較大差異，但分布規(guī)律較為一致(圖3)。草地土壤水分伴隨土層深度的增加，其先減少后增加，變化轉(zhuǎn)折點均出現(xiàn)在20～30 cm；新鼠丘土壤水分趨勢均為先增加后減少，然后又增加，0～10 cm土壤水分月際變化量最大，達到11.1%，40～50 cm土壤水分月際變化較小(最大為3.47%)；舊鼠丘土壤水分垂直分布規(guī)律表現(xiàn)為，隨土層深度增加不斷增加，0～10與40～50 cm土壤水分最大差值為8.24%；禿斑地0～10 cm土壤水分月際變化最大(9.80%)，40～50 cm土壤水分月際變化最小(3.16%)，表層土壤水分較深層低，且波動大?？傮w來看，草地的土壤水分大于其他3種地表類型；新鼠丘、舊鼠丘和禿斑地的表層土壤水分與深層土壤水分差異較大；不同地表類型土壤水分在生長季的變化，均表現(xiàn)為生長季初期(5月)土壤水分較高、生長季中期(6—8月)土壤水分有所減少、生長季末期(9月)土壤水分逐漸恢復(fù)。上述結(jié)果表明，高原鼠兔擾動使土壤含水量減小，垂直分布的差異性增大，月際變化量增大。

3.4 土壤水分差異原因

選取影響不同地表類型土壤水分的土壤因子(土壤容重、土壤黏粒質(zhì)量分數(shù)、土壤有機質(zhì)和非飽和導(dǎo)水率)和植被因子(植被蓋度、地上生物量、植被高度和物種數(shù))作為解釋變量，選擇地表徑流系數(shù)、蒸散發(fā)量和土壤含水量3個因子作為響應(yīng)變量，進行主成分分析。結(jié)果表明，第一排序軸(PC1)和第二排序軸(PC2)對總變異系數(shù)的解釋量，分別為54.2%和32.5%(圖4a)。

SWC: 土壤含水量Soil water content. SRC: 地表徑流系數(shù)Surface runoff coefficient. ET: 蒸散發(fā)量Evapotranspiration. AGB: 地上生物量Aboveground biomass. VC: 植被蓋度Vegetation coverage. SBD: 土壤容重Soil bulk density. SOM: 土壤有機質(zhì)Soil organic matter. SCC: 土壤黏粒質(zhì)量分數(shù)Soil clay content. 1～3: 新鼠丘New mound. 4～6: 舊鼠丘Old mound. 7～9: 禿斑地Bare land.10～12: 草地Grassland.圖4 高原鼠兔擾動后土壤水分與環(huán)境因子關(guān)系的主成分分析(a)與冗余分析(b)Fig.4 PCA (Principal component analysis) (a) and RDA (Redundancy analysis) (b) results of soil moisture and environmental factors among different surface types under plateau pika’s disturbance

進一步對上述8個影響因子進行RDA排序，結(jié)果表明，造成不同地表類型土壤水分差異的主要影響因子為植被蓋度(sig.=0.008)、地上生物量(sig.=0.004)、土壤容重(sig.=0.006)、土壤黏粒質(zhì)量分數(shù)(sig.=0.016)和土壤有機質(zhì)(sig.=0.048)，這5個影響因子對變異系數(shù)的總解釋量達到61.9%(圖4b)。從RDA排序圖可以看出：地表徑流系數(shù)與土壤黏粒質(zhì)量分數(shù)和土壤有機質(zhì)呈正相關(guān)關(guān)系，與土壤容重、植被蓋度及地上生物量呈負相關(guān)關(guān)系；蒸散發(fā)量與土壤容重、植被蓋度及地上生物量呈正相關(guān)關(guān)系，與土壤有機質(zhì)、土壤黏粒質(zhì)量分數(shù)呈負相關(guān)，但相關(guān)性較??；土壤含水量與土壤容重、植被蓋度及地上生物量呈正相關(guān)關(guān)系，與土壤黏粒質(zhì)量分數(shù)和土壤有機質(zhì)呈負相關(guān)關(guān)系。綜上可以看出，不同環(huán)境因子對土壤水分特征的影響存在差異。

4 結(jié)論與討論

4.1 土壤水分對降雨過程響應(yīng)差異原因

高原鼠兔擾動后，4種地表類型表層土壤水分對不同降雨條件的響應(yīng)過程存在較大差異，這種差異是降雨、土壤和植被特征共同作用的結(jié)果。在大降雨(P>10 mm)事件中，新鼠丘由于地表無植被覆蓋，雨水未被植被截留，而且土壤疏松，非飽和導(dǎo)水率顯著高于其他3種地表類型(表1)，水分快速滲入土壤；因此，其表層土壤水分最先做出響應(yīng)。草地土壤水分響應(yīng)滯后的原因為其地表植被蓋度高，植被對雨水截留量大，且土壤水分下滲較慢。禿斑地0～10 cm土壤黏粒質(zhì)量分數(shù)(3.08%)高于其他3種地表類型(草地2.15%，新鼠丘2.16%，舊鼠丘1.88%)，土壤相對鼠丘較緊實，阻礙水分下滲；因此，雨水不能很快進入土壤，地表產(chǎn)流最多。小降雨事件中(P<10 mm)，4種地表類型土壤水分變化較平緩，特別是當(dāng)降雨量小于3 mm時，雨水主要消耗于植被截留和雨期蒸發(fā)，對5 cm深度土壤水分基本沒有補充。

4.2 生長季土壤水分差異影響因素

造成不同地表類型土壤水分差異的影響因素眾多，冗余分析發(fā)現(xiàn)主要影響因子有土壤容重、土壤黏粒質(zhì)量分數(shù)、土壤有機質(zhì)、植被蓋度和地上生物量。草地植被蓋度最高，地表徑流系數(shù)最小，降水入滲最多；因此，其土壤水分補充量最大，土壤含水量最大，此結(jié)果與王根緒等[16]、王一博等[17]有關(guān)土壤水分與植被覆蓋度之間具有顯著正相關(guān)關(guān)系的結(jié)論相一致。同時，生長季植物蒸騰旺盛，土壤水分高，使得蒸散發(fā)受水分的限制較小。因此，草地蒸散發(fā)量最大。新鼠丘土壤容重最小、土壤疏松，土壤水分快速補給深層土壤水分，而持續(xù)的蒸散發(fā)導(dǎo)致表層土壤水分較低，深層土壤水分較穩(wěn)定。這也與目前研究結(jié)果相似，即土壤質(zhì)地粗糙和孔隙度增大，能夠促進水分滲透，并導(dǎo)致表層土壤含水量降低，且與深層土壤含水量差異增大[18]。新鼠丘經(jīng)過降雨淋洗、雨滴打?qū)嵑蛢鋈诘冗^程，土壤緊實度增加，容重不斷增大，其中表層變化趨勢更明顯(0～10 cm土壤密度分別為：草地1.37±0.14 g/cm3，新鼠丘0.90±0.03 g/cm3，舊鼠丘0.96±0.01 g/cm3，禿斑地1.22±0.02 g/cm3)。舊鼠丘表層形成土壤物理結(jié)皮，其結(jié)皮上常有裂隙發(fā)育，這些裂隙有利于土壤水分入滲。因此，表層土壤水分對降雨響應(yīng)較迅速，同時，結(jié)皮覆蓋也在一定程度上減少了土壤水分蒸發(fā)，增加了舊鼠丘的土壤水分，使舊鼠丘土壤水分高于新鼠丘。

長時間尺度的土壤水分變化，還受到氣溫等其他因素作用。2016年生長季不同月份降雨量大小分別為8月(147.6 mm)>7月(91.1 mm)>9月(60.1 mm)>6月(39.5 mm)>5月(31.4 mm)。比較4種地表類型5—9月的土壤水分可以發(fā)現(xiàn)，雖然5月份降雨量最小，但研究區(qū)氣溫低，一定程度上抑制了土壤水分蒸發(fā)，凍土融化對土壤水分也有一定補給；隨著氣溫的逐漸升高，植物生長加快，植被蒸騰和土壤蒸發(fā)均明顯增大，雖然降水較多，但土壤水分仍處于損耗狀態(tài)；生長季末期，氣溫下降，植被耗水減少，土壤水分增多。這與劉鵠等[19]在祁連山中段西水林區(qū)排露溝小流域內(nèi)發(fā)現(xiàn)，生長季初期土壤根際層(0～40 cm)土壤水分較高的研究一致。另一方面，采樣時距離上一場降雨的時間，以及降雨量大小對土壤水分的影響也較大。

高原鼠兔的擾動使草原地表微環(huán)境產(chǎn)生變化，隨時間推移，新鼠丘逐漸演變?yōu)榕f鼠丘，并進一步演變成禿斑地，禿斑地隨著植被蓋度的增加恢復(fù)為次生草地。在此過程中，生態(tài)系統(tǒng)自我恢復(fù)的路徑與速度，受到多種外界條件的影響，土壤水分是其中的關(guān)鍵因素之一。另外，鼠丘的形成，作為一種對草原生態(tài)系統(tǒng)的外在干擾，其干擾強度和頻度在一定程度上會對植物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。青海湖流域高原鼠兔擾動影響下，植物物種組成、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如何變化，這些變化又受到哪些因素的控制，還需進一步深入研究。

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Effects of plateau pika’s disturbance on soil moisture characteristics of different land surface types in Qinghai Lake watershed

LIU Wenling1, MA Yujun1, 2, WU Yinan1, LI Xiaoyan1, 2, LIU Lei1, WEI Junqi1

(1.School of Natural Resources, Beijing Normal University, 100875, Beijing, China; 2.State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, Beijing Normal University, 100875, Beijing, China)

[Background] The plateau pika (Ochotonacurzoniae) is a keystone species for maintaining the biodiversity on the Qinghai-Tibet Plateau, and its disturbance has an important influence on the function of alpine meadow ecosystem. To date, however, few studies have examined the soil moisture characteristics of different land surface types generated by the plateau pika’s disturbance. [Methods] The study was carried out in the Qinghai Lake watershed, northeast of Qinghai-Tibet Plateau. There are four typical land surface types generated by the plateau pika’s disturbance: grassland, new mound, old mound and bare land. We investigated the characteristics of soil moisture and its corresponding influence factors (including soil clay content, soil organic matter, soil bulk density, vegetation coverage, and aboveground biomass) among four land surface types, based on the continuous measurement and sampling analysis. Firstly, we analyzed the response of soil moisture to various rainfall events, and the vertical distribution of monthly soil moisture of different land surface types. Then, the redundancy analysis (RDA) was used to get the key factors leading to these differences. [Results] Plateau pika’s disturbance often generated various surface types, resulted in the direct and indirect effects on the soil physicochemical properties, and then changed the soil moisture characteristics of alpine meadow ecosystem. The response of soil moisture at shallow layer to various rainfall events was different. The beginning time of new mound and old mound was shorter than that of grassland and bare land, and the changing extent of soil moisture response to various rainfall events had the following trend: new mound > old mound > grassland > bare land. The vertical distribution of soil moisture varied obviously between four land surface types during the whole growing season. With the increase of soil depth, the soil moisture firstly decreased and then increased for grassland, firstly increased and then decreased for new mound, and continually decreased for old mound and bare land. Generally, the soil moisture of grassland was higher than other land surface types, and the difference of soil moisture at the depth of 0-30 cm was the most significant. The key factors resulting in the differences of soil moisture among different land surface types included soil clay content, soil organic matter, soil bulk density, vegetation coverage, and aboveground biomass. [Conclusions] The experimental results showed that the plateau pika’s disturbance accelerated the hydrological process in the beginning, and slowed it later. These results are essential in explaining the effect of plateau pika’s disturbance on water conservation capacity of alpine meadow, and could also be beneficial to the management and protection of the ecosystem in Qinghai Lake watershed.

plateau pika; land surface type; soil moisture; influence factor; Qinghai Lake watershed

2017-01-55

2017-04-05

項目名稱： 國家自然科學(xué)基金青年基金項目“高原鼠兔擾動對高寒草甸生態(tài)水文過程的影響研究”(41301013)；國家自然科學(xué)基金重點項目“青海湖流域生態(tài)水文過程與水分收支研究”(41130640)

劉文玲(1991—)，女，碩士研究生。主要研究方向：生態(tài)水文。E-mail：wenlingliu123@163.com

?通信作者簡介： 馬育軍(1984—)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向：生態(tài)水文與水文土壤。E-mail：myj3648@163.com

S812.2

A

2096-2673(2017)02-0062-08

10.16843/j.sswc.2017.02.008