北京师范大学

太仆寺旗农田-草地生态系统野外站

一、野外站概况

1、地理位置

北京师范大学太仆寺旗农田-草地生态系统野外站（以下简称“太旗野外站”）地处内蒙古自治区锡林郭勒盟太仆寺旗骆驼山镇北部，距旗政府所在地宝昌镇40公里，地理坐标为东经115°29'45"，北纬42°06'51"（图1）。在“中国生态系统研究网络生态站分布图”上，太旗野外站处于中温带半干旱地区内蒙古高原南缘农牧交错脆弱生态区（图2）。从地形上，属于阴山山脉东延部分，呈现低山丘陵与盆地相间分布的波状起伏地形，海拔高度1325～1802 m。所在区域属温带半干旱大陆性气候，年平均气温1.6℃，全年日照时数2937.4 h，无霜期90～120天；年平均降水量407 mm，年平均蒸发量1900 mm，降水多集中在7、8、9月，占全年总降水量的65%；全年多西北风，年均风速3.4m/s，冬、春季平均风速在4m/s以上。地表沉积物为残坡积混杂堆积物，地带土壤为栗钙土，质地较粗，富含沙和砾石，土壤较贫瘠，有机质含量较低。地带性植被为温带干草原，以克氏针茅、羊草、百里香以及蒿属植物等为优势种，在地下水埋藏较浅的低洼地带以芨芨草草甸为主，在山前丘陵坡部以及农田下风侧出现小叶锦鸡儿灌丛。

图1太旗野外站地理位置

图2 太旗野外站在“中国生态系统研究网络生态站分布图”上的位置

2、代表性

（1）农牧交错带的代表性

太旗野外站所在区域是北方农牧交错带由人地关系矛盾所导致的生态与环境问题比较突出和典型的地区之一。北方农牧交错带是从半干旱地区向半湿润地区、从高原地区向丘陵平原地区、从草原牧区向农耕区的过渡地带，该地区气候干旱多风，加之长期以来人类不合理的资源开发和利用，如滥垦、过牧、樵采等，使土壤侵蚀、草地退化、水土流失和土地沙化严重，导致草原生态系统功能全面受损。因此，该区域是生态重建与经济发展的典型范式区，是承载减缓首都风沙侵蚀、提高水源涵养能力等生态系统服务功能的重要区域，对研究生态系统服务与生态-生产范式具有相当的代表性。野外站作为我国北方农牧交错带科学研究的综合观测与技术支撑平台，具有不可替代的作用。

（2）草原灌丛化的特殊性

野外站所在区域典型景观类型为草原植被，但在全球变化背景下，该区域成为气候变化最为剧烈的地区之一，且生态系统非常脆弱。同时，该区域也是人类活动较为频繁的地区。在气候变化和人类活动双重作用下，出现了明显的草原灌丛化现象，严重影响草地资源的可持续利用。土壤-植被-大气连续体的水热交换一直是干旱半干旱区的研究热点，也是深入了解草原灌丛化内在机理的关键，因此，开展草原灌丛化条件下的生态水文、土壤水文过程研究，模拟全球变化背景下生态系统结构、功能的变化特征，对于加强生态系统管理、保障区域可持续发展具有重要意义。

（3）退耕还林还草的典型性

近年来，伴随国家对生态环境建设的日益重视，野外站所在区域退耕还林还草工作不断推进，生态系统类型和结构明显改变，并将导致水分、营养元素等物质循环和能量交换逐步改变，最终引起生态系统服务功能的变化。因此，以野外站所在区域为代表，研究退耕还林还草条件下生态系统水文过程、土壤性质、植被演替的动态特征，模拟生态系统的发展路径，在此基础上分析生态系统服务功能的变化，提出合理的生态-生产范式，对于促进退耕还林还草工作的持续科学开展具有重要参考价值。

（4）土地利用与全球变化的复杂性

靠近京津冀首都圈，以及内蒙古能源工业的大力发展，使得北方农牧交错带成为我国新的高氮沉降地区，并有持续增加的趋势。日益增加的外源性氮输入势必对草地生态系统碳氮循环转化、分配格局等关键生态过程造成重大影响。固碳是目前广受重视的自然和人工生态系统的重要功能之一，是全球变化生态学的重要研究内容。因此，依托太旗野外站，建设一系列野外观测场，开展不同土地利用/土地覆盖变化、氮沉降等主要因子以及生态系统固碳过程研究，着眼于不同生态系统在植被-土壤连续体上的碳储存和分配，结合生态系统氮循环过程，探讨农牧交错带不同生态系统的固碳机理，对提高区域的生产力和固碳效率、应对全球变化实现区域自然资源的高效利用具有重要意义。

二、定位与研究方向

1、定位

以区域地表过程为核心，通过长期定位观测和模型模拟，开展自然过程与人文过程的系统研究，揭示气候-水文-植被-人类活动对地表景观格局、土壤侵蚀等的影响机理，构建区域草地资源综合利用范式，建成高水准的科学研究和教学实习基地，为生态环境建设与社会经济发展提供科技支撑。

2、研究方向

（1）生态水文与水土生资源高效利用

通过对不同退化程度草地和不同退耕年限耕地植被特征、土壤性质、水文过程的野外调查和实验观测，分析草原灌丛化和退耕还林还草过程中水分在土壤-植被-大气连续体之间的运移特征，刻画半干旱区土壤、植被的空间异质性及其水文效应，研究土壤性质和水文特征对植被生长及其空间分布格局的影响规律，阐明土壤、植被、水文之间相互作用机制。借助稳定同位素方法，研究农牧交错带不同植被类型的水分利用特征，探究不同尺度（单株尺度、斑块尺度、坡面尺度）植被对干旱缺水的适应机制，为内蒙古草原灌丛化防治和草灌生态系统持续发展提供依据。

（2）生态系统碳氮循环与生态模型

以中国北方农牧交错带主要生态系统为研究对象，基于土地利用/土地覆盖变化、氮沉降等全球变化因子，通过自然生态系统观测、自然和人工生态系统控制实验相结合，开展生态系统碳循环和氮循环过程研究。在以往生态系统结构和功能相关实验研究基础上，通过不同景观格局下的水分循环、生态系统生物地球化学过程实验、生态系统稳定性研究以及相关的水蚀、风蚀实验来模拟中尺度的景观生态学格局与过程，研究和探讨不同空间尺度的景观系统动态机制，从而实现景观模型中尺度转换过程的实验验证。

（3）生态服务形成机理与生态-生产范式

研究从草原到农区生态地球化学循环、生物地球物理过程和生态地球社会经济驱动的生态系统服务功能变化，探究生态系统结构、功能及服务之间的相互关系和作用机理，揭示草地退化对生态系统服务功能的影响，构建科学的可持续发展的生态-生产范式，提高区域人类福祉水平。

三、基础条件

 1、基础设施

 （1）总体情况

野外站距离207国道200米，交通便利。目前占地320亩，包括生活区、风沙观测场、通量观测场、生态观测场等，所有设施均有专人看护，水电设施齐全，满足日常生活和仪器正常运转需要。

（2）试验观测场

①风沙观测场

2011年10月于风沙观测场内安装自动集沙仪15套，样地设计为一个长160m、宽50m的矩形，方向垂直于主风向，即西北方向，在样地中央竖立一块长150m、高3m的钢制挡板，挡板两侧分别设置两行形状、大小完全相同的10m*10m样方，每行15块，共60块，主要研究风速下降与不同程度人类干扰对草原生态系统的影响（图4）。同时，布设样地进行施氮实验，共设置5个处理，分别为：对照（CK），不添加氮肥；N1水平，2 gN/m2；N2水平，5 gN/m2；N3水平，10 gN/m2；N4水平，25 gN/m2；每个样地为3m×6m，每种处理设置3个重复且随机布设。

② 通量观测场

安装有1套涡动相关系统、1套波文比系统，对野外站的降水、温湿度、风速风向、太阳辐射、土壤热通量等进行连续观测，在此基础上计算潜热和显热通量，分析蒸散发的动态变化及其影响因素，阐明野外站典型生态系统水分收支特征。

③ 生态观测场

修建长、宽、深均为1m的水泥池36个，底部和侧面与池外无水分交换，池内填满质地均匀的当地土壤，同时搭建遮雨蓬，避免自然降水的影响，建设了紫花苜蓿和羊草2种人工草地3个土壤水分梯度的控制实验，每个处理5个重复，同时有紫花苜蓿、羊草、苏丹草3种人工草地3个施氮水平的盆栽控制实验，分别进行人工草地碳水和碳氮耦合过程观测。

图4太旗野外站不同类型观测场

（3）生活设施

现有房屋420平方米，其中实验室220平方米、居住200平方米（图5）。

图5 太旗野外站正面图

2、仪器设备

目前野外站拥有30余台仪器设备，整体运转良好，能够满足土壤生态、生态水文、植物生理、碳氮循环等多方面的测定和试验任务。

3、基础数据

积累了2005年以来的连续观测数据，包括常规气象数据、植被特征数据、土壤属性数据等。