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引言

高山草甸是海拔3000 ~ 5500米的青藏高原的典型景观，除了为放牧动物提供饲料外，高山嵩草形成草甸可以稳定地表，保护下面的土壤免受水分侵蚀。

近年来，高原的大片地区显示出草皮不断退化和下层土壤侵蚀的迹象。

在这项研究中，我们模拟了引起草甸的破裂机制，并开发了一个基于过程的青藏高原斜坡土地退化模型。

该模型考虑了四大可能的原因：草皮开裂、裂缝中的水流浓度、冲刷引起的裂缝扩大，以及板流侵蚀。

正如实验预期的那样，土壤侵蚀随着坡度和流域面积的增加而增加(因此在相对陡峭的下坡地点观察到更强的侵蚀)。

模型模拟结果表明，在具有代表性的一组合理的土壤和水文条件参数下，青藏高原景观容易受到草皮退化和土壤侵蚀的影响。

一旦多角形裂缝形成，水流就会使裂缝变宽，直到地貌完全荒芜，在这一点上，片流最终侵蚀了矿物土壤，留下了一个高度退化的景观。

我们的模型表明，K. pygmaea草皮的稳定性取决于坡度和降水，坡底草皮剥蚀的时间从几十年到几个世纪不等。

因此我们可以认为这些草席可能是双稳态的，具有明确的退化机制，但没有明确的再生机制。

一、高山草甸侵蚀退化原因推测与现状

高山草甸(Kobresia pygmaea)是世界上最大的高寒生态系统，在青藏高原几乎无处不在，总面积达45万km2。

它们主要分布在海拔范围在海拔3,000至5,500米之间，位于年平均降雨量在200-1,000毫米/年之间的地区的高山牧场。

由于气候变暖和潜在的过度放牧，高山嵩草草甸正在经历变化，这在退化过程的不同阶段起作用。

迄今为止，超过四分之三的绿草甸呈现不连续覆盖，不同退化阶段的土壤裂缝和不同宽度的侵蚀沟分割出斑块状景观。

传统的退化原因推测中认为，牲畜(牦牛)在斑块侵蚀中起主要作用。

事实上，有科学研究证明退化与牦牛的践踏无关，因为尽管放牧密度目前有所下降，但草甸的退化仍在继续。

故而有科学家提出假设：全球变暖（而非放牧）降低了这些草地的牧场质量。

高山嵩草形成坚固而连续的草皮垫，约10厘米厚，草皮在冬季保持冻结状态，在春末和夏季解冻，春季和夏季部分时间夜间经常结冰，具体解冻时间取决于海拔。

草皮垫隔绝了下层土壤，从而减少了生长季节夜间土壤冻结的频率。，草皮垫保护和稳定底层(通常是薄的)矿质土层。

草皮至少在过去几千年里就已经形成了，这可能是对高原上家畜早期放牧形成的反应，这也从侧面表明了，如果草皮不开裂，它在侵蚀方面是稳定的。

通过拉伸开裂，草皮被切割成伪六边形(通常≈0.5-2 m直径)，草皮开裂是由与气候变化相关的干燥过程造成的。

径流水和其他过程对裂缝的切割导致这些多边形边缘的逐渐冲刷，从而增加了侵蚀(裸矿土)区域的空间范围。

高山嵩草草皮的降解过程如下图所示。

当这些侵蚀纹路变宽时，裂缝连接起来，从而增加了水和沉积物运输途径的连通性，这使得流量增加，并开始了对下面的矿物土壤的侵蚀过程，从而加速了草皮的破坏。

山坡变成了草坪基座和块状的马赛克，最终因侵蚀而消失，留下的是裸露的矿物土壤，容易受到侵蚀。

在山谷底部可以观察到草皮开裂成六边形;同样，由于六边形的侵蚀导致的土壤剥蚀也只能在斜坡上观察到。

本研究的目的是模拟K. pygmaea草皮的破碎和侵蚀，以帮助限制这些土壤在不同条件下的退化时间尺度，并估计其退化过程中侵蚀速率的变化。

二、高山草甸草坪不同降雨条件下的侵蚀退化状态模拟

该模型用于表示在现场观察到的草坪退化状态，在支持信息中提供了交互式数据语言(IDL)代码，模型初始条件为坡面草皮发生六角形开裂。

流过草皮的薄板流集中到裂缝中，最初假定为1厘米宽，这些裂缝都是相连的，当水流施加的剪应力超过下卧沉积物的剪切强度时，就会发生侵蚀。

通道内的侵蚀速率取决于通过每个通道的水流量Q(w)，其计算为

由于降雨深度P与降雨持续时间D(非线性)相关，特别是在极端事件的情况下，其强度通常随持续时间而减少- P和D被模拟为相关随机变量):

对于每个降雨事件，D随机抽样，具有如下的平均指数分布：

其中P(*)是给定D的P的条件平均值，m是深度-持续时间标度律的指数，在大多数气候条件下，其范围在0.3-0.5之间，这里取为等于0.4：

式中b为通道宽度，h为流动深度：b和h都是动态变量;b的变化与侵蚀过程有关，而h的变化是由于不同量级的降雨事件导致的不同流量值，h的值是通过解曼宁方程来计算的。

基于简单的几何考虑，可以证明，在每个连接节点A处的排水面积等于nA(1)，其中A(1)是单个六边形斑块的面积(即草坪的六边形加上周围通道的一半或拓宽前六边形的面积)，l是通道拓宽前六边形边的长度(这里为1米)。

利用Manning的均匀流动方程(Q(w) = n(−1)bhR(h)(2/3)S(1/2))，计算通道内的流动深度h作为Q(w)和斜率S的函数，Manning的粗糙度参数n的值为0.03 S m(−1/3)，其中R(h)为水力半径:

由水流施加的剪切应力τ(s)计算为

其中ρ(w)是水的密度g是重力加速度。

当τ(s)超过临界值τ(c)时，侵蚀发生，这取决于土壤凝聚力c(s)，草皮的附加凝聚力σ(s):

其中ρ(s)是矿质土壤或砾石颗粒的密度(2.5 g/cm(3))， d是草皮下可蚀土壤的平均粒径。

土壤黏聚力c(s)随质地的变化而变化，在非结构性粘土的情况下可以在0-110 Pa范围内，草皮的黏聚效应与根系强度和密度有关，在σ(g) = 2.8 ~ 11.2 kPa之间变化。

在这种情况下，σ(g)取为零，因为侵蚀发生在基层以下的粘土有机层，在持续时间D的事件中，河道两侧加宽至水深高度时移走的泥沙厚度δ可由以下公式确定:

其中Ε为土壤的内在可蚀性，通常在1 × 10(−5)-5 × 10(−5)kg·m(−2)·s(−1)的范围内。每次侵蚀事件发生后，河道加宽2δ(即两侧加宽1δ)。在侵蚀事件中，河道加宽和六边形变窄的速率可以表示为：

假定在草皮上发生的破坏也会通过某种未定义的大量浪费过程导致上覆草皮的损失，冻胀和牦牛对边缘的践踏可能会导致上面的草皮坍塌。

一般情况下，RUSLE、L(RUSLE)和S(RUSLE)中的坡长因子和坡陡因子均采用与上表相同的坡度和坡底到最底六边形宽度w≥25 cm的距离来计算。

土壤可蚀性因子K(RUSLE)采用几何平均粒径(D(g) = 0.26 mm)与上述算术平均粒径(D = 0.86 mm)相对应的方法计算。

对于每次降雨事件，最大30分钟强度计算为平均强度(P/D)乘以乘数c：

其中q为非均匀性参数，该强度用于计算RUSLE风暴侵蚀力EI和降雨径流强度因子R(RUSLE)。

将覆盖管理因子C(RUSLE)与支持实践因子P(RUSLE)统一设置。

模型的每次迭代代表一次降雨事件，日降雨概率为7.4%，夏季降雨频率为~0.30次/天。

夏季以外的降水被认为是固态降水，在土壤融化时渗入土壤而不会造成侵蚀。

随着时间的推移，模型的主要输出是六边形宽度w，从中可以对六边形进行可视化。

作为草坪破碎过程发生速度的指标，我们计算了“退化时间”T(d)，即斜坡上最低六边形的最大宽度小于25厘米的时间。

三、高山草甸侵蚀模型中六边形裂纹数据观测与分析

尽管模型中侵蚀的表示过于简单，但它再现了系统预期的几个特征。

六边形草坪的退化在斜坡脚下最为严重，几年后，部分斜坡根本没有草皮。

根据我们的模型推测，在几次特别强烈的降雨事件之后，六边形初始侵蚀迅速发生。

在经过两到三年后，150米斜坡底部的六边形可能会比其原始尺寸减小60%，大约100-200年的时间内，斜坡底部的草皮可能会消失。

六边形消失所需的时间取决于斜坡的长度，较长的斜坡由于水流速度较高而经历较短的退化时间。

对于低坡度（<0.08），具有200（约300米）最大坡度的斜坡可能在800多年内完全退化，而更陡峭的斜坡可能在几十年内底部完全退化。

在坡底草皮剥蚀之后，坡面侵蚀开始并呈非线性增长，300米坡底的坡面侵蚀需要60-70年的时间才会开始。

总结

我们的研究结果显示，一旦草坪发生明显的退化，在两个世纪的时间内，每年的侵蚀量将达到0.1毫米。

通过这种比较，并不能说明草坪退化控制了高原上的全部侵蚀过程，恰恰相反，在通常发生退化的地区，草坪的丧失可能会导致与其他地方观察到的相似的侵蚀率。

我们的模型表明，一旦六边形侵蚀形成，草皮在面临侵蚀时会相对迅速地发生退化，一旦开裂引发了这个过程，整个景观将经历一个不可避免的退化轨迹，直到整个草皮彻底消失。

目前尚不清楚高山嵩草草皮是否能够在贫瘠且退化的土壤上重新建立，如果重建需要几十年以上的时间，那么在几代人的时间尺度内，这个过程将会是不可逆转的。

该生态系统也许存在于两种可能的稳定结构中——即完整的草皮覆盖和裸露的矿物土壤，可惜如今在许多地方观察到的草皮碎片只是一种短暂状态的代表。

高山嵩草（Kobresia pygmaea）类似于一个生态系统工程师，通过促进土壤稳定，创造并维持了自身的栖息地，形成了绿色的草地覆盖层与下层土壤之间的正反馈关系。

生态系统中的正反馈机制以其诱导双稳态动力学的能力而闻名，这意味着系统在两种不同的状态（即稳定的草地土壤覆盖和退化的贫瘠土壤）下都是稳定的。

如果情况确实如此，那么高山嵩草的草地覆盖将具有有限的恢复能力，并且容易过渡到稳定的退化状态，这可能是不可逆转的，或者需要很长时间来恢复。

这种转变将与重要的生态系统服务丧失相关，包括主要的牲畜牦牛的放牧，作为地球上的“第三极”主要生态系统，这些草甸在这个关键的气候地区对调节陆地-大气相互作用至关重要。

草地的不可逆转损失以及它们被光秃秃的斜坡所取代，代表了地表能量、水和物质通量的重大变化。

由于预计青藏高原将经历剧烈的气候变化（到本世纪末，降水量将增加约12%，气温将升高约4.1°C），对这些系统的动态研究对于为未来的研究设定基准，并为从山坡到全球尺度的建模提供信息至关重要。

参考文献

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[2]杨军，《青藏高原高山嵩草高寒草甸不同退化阶段植物群落与土壤养分》

[3]刘永涛，《退化亚高山草甸恢复过程中地上生物量和适宜载畜量分析》

[4]盛芝露，《退化梯度上高山草甸植物群落功能多样性研究》

[5]冯忠心，《草地培育措施对重度退化亚高山草甸植被特征的影响》