锡林郭勒典型草原退化过程对区域防风固沙生态系统服务的影响研究

In this study, the impacts of steppe degradation on the sand fixing service of Xilingol steppe during 1992-2014 were assessed by integrating the remote sensing (RS), Geographic Information Systems (GIS) and the field and wind tunnel experiments. Firstly, the wavelet analysis and change vector analysis were coupled to effectively and accurately detect the type and intensity of steppe degradation from 1992 to 2014. Then, a semi-empirical model of the sand transport flux was established in which the parameters were calibrated based on the field and wind tunnel experiments. The model was applied at the regional scale with the use of GIS spatial analysis techniques and taking the RS data and meteorological interpolation data as input. The spatial patterns of sand-fixing amount at different time scales were simulated. Finally, the relationship between steppe degradation process and sand-fixing amounts dynamic was analyzed by the Singular Value Decomposition method. The hotspots where sand-fixing services are sensitive to steppe degradation were identified. The results are benifical to optimize the regional ecosystem services, and provide the scientific basis for restoration of degraded ecosystems and maintaining the sustainability of grassland ecosystems.

本研究拟采用遥感、GIS、野外实验和风洞实验相结合的研究手段，在区域尺度上评估1992-2014年锡林郭勒典型草原退化过程对区域防风固沙量的影响。通过耦合小波分析和变化向量分析法，监测区域1992-2014年草原退化的区域、类型和强度；基于野外实验和室内风洞实验，率定风蚀输沙率模型参数，建立并筛选输沙率半经验模型，在区域尺度上应用该模型，模拟不同时间尺度的防风固沙量的空间格局。最后，采用奇异值分解方法，诊断典型草原退化过程与防风固沙量动态之间的关系，识别防风固沙生态系统服务变化对草原退化敏感的热点区域。本研究将在区域尺度上定量揭示草原退化过程对防风固沙生态系统服务影响的空间特征和规律，成果有助于增进典型草原退化过程及其对防风固沙服务影响方面的理解，为区域生态系统服务优化、草原生态系统可持续性维持、退化生态系统的恢复重建提供科学依据。

项目背景：草原是我国面积最大的陆地生态系统。草原植被可以增加地表粗糙度，有效减少风力侵蚀，为区域提供防风固沙服务。然而，我国典型草原植被动态如何，其对区域防风固沙服务有多大的影响，仍是当前研究中未回答的科学问题。.主要研究内容：（1）锡林郭勒典型草原退化过程监测；（2）锡林郭勒典型草原防风固沙生态系统服务变化过程模拟；（3）草原退化过程对其防风固沙服务的影响评估。.重要结果：（1）锡林郭勒草原区植被的振荡周期为3~5年。其中，植被退化期为1998-2001年、2004-2006年和2008-2010年，植被恢复期为2001-2004年、2006-2008年和2010-2013年。草原退化是自然和人类活动综合作用的结果，主导驱动因素表现出明显的区域差异。降水量小于400mm的干旱半干旱地区草原退化主要受气候变化影响，而降水量为400-600的半湿润区草原退化以人类活动干扰为主。（2）锡林郭勒草原土壤风蚀主要发生在春季，以轻度侵蚀为主，年均风蚀模数约为2000 t/(km2·a)，春季侵蚀量占到将近一半。苏尼特右旗和西乌珠穆沁旗风蚀相对较严重。2010年以后风蚀呈明显的下降趋势。（3）植被对风蚀过程中的土壤流失量具有“约束效应”，区域最大的土壤流失量均随着植被盖度的增加而呈现指数递减。当植被盖度小于20%时，由于植被稀疏，侵蚀以风沙流侵蚀为主，基本起不到控制风蚀的作用；当盖度达到60%左右时，风蚀作用基本消失。（4）区域土壤风蚀与关键生态系统服务，即粮食产量、肉类产量、碳储量等具有显著的负相关关系。.科学意义：本项目是深入理解草原植被、土壤风蚀和关键生态系统服务之间关系的基础研究，研究结果对于干旱/半干旱地区的生态建设具有重要的指导作用。在以锡林郭勒盟、鄂尔多斯为代表的干旱/半干旱地区进行植被建设防风固沙时，植被盖度要在20%-60%之间，同时要充分考虑区域水分承载力，根据区域地形、土壤、建群种等特征设计有效的植被建设模式。