青海高原中、 东部多年冻土及寒区环境退化

近年来, 随着全球气候变暖和人类社会经济活动的增强, 处于季节冻土向片状连续多年冻土过渡区的青海高原中、 东部多年冻土退化显著. 巴颜喀拉山南坡清水河地区岛状冻土分布南界向北萎缩5 km; 清水河、 黄河沿、 星星海南岸、 黑河沿岸、 花石峡等岛状冻土和不连续多年冻土出现融化夹层和不衔接多年冻土, 有些地区冻土岛和深埋藏多年冻土消失, 多年冻土上限下降、 季节冻结深度变浅; 片状连续多年冻土地温升高、 冻土厚度减薄. 1991-2010年巴颜喀拉山南北坡不连续多年冻土分布下界分别上升90 m和100 m, 1995-2010年布青山南北坡不连续多年冻土分布下界分别上升80 m和50 m. 造成冻土退化的主要原因为气候变暖, 使得地表年均温度由负变正, 冻结期缩短, 融化期延长, 冻/融指数比缩小. 伴随着冻土退化, 高寒环境也显著退化, 地下水位下降, 植被覆盖度降低, 高寒沼泽湿地和河湖萎缩, 土地荒漠化和沙漠化造成了地表覆被条件改变.     

黄河源区冻土特征及退化趋势

黄河源区位于青藏高原多年冻土区东北部边缘地带,是季节冻土、岛状多年冻土和在大片连续多年冻土并存地带.多年冻土层在垂向分布上有衔接状和不衔接状两大类.不衔接状又可分为浅埋藏(8m)、深埋藏(8m)和双层多年冻土等形式.从20世纪80年代以来,源区气温以0.02℃.a-1增温率持续上升,人类经济活动日益增强,导致冻土呈区域性退化.多年冻土下界普遍升高50～80m,最大季节冻深平均减少了0.12m,浅层地下水温度上升0.5～0.7℃.冻土退化总体趋势是由大片状分布逐渐变为岛状、斑状分布,多年冻土层变薄,冻土面积缩小,融区范围扩大.部分多年冻土岛完全消失变为季节冻土.     

黄河源区植被对活动层温度和水分的影响

植被和活动层水热关系是青藏高原冻土生态环境的重要组成部分,对气候变化和工程活动积极响应,是目前全球变化研究的热点之一.为了解植被差异对活动层水热过程的影响,以场地监测和植被调查数据为基础,分析了黄河源区高温高海拔多年冻土区同一地貌单元内局地条件相似而植被差异显著的3个场地活动层温度和水分变化.初步结果表明:植被盖度较低时,活动层水分含量也低,且含水量高值区趋于中下部;植被盖度较高时,冷季地气温差和温度位移都减小,暖季地气温差增大;随着植被盖度增大,冻融开始和结束时间明显滞后,冻融持续时间延长.初步揭示了黄河源区地表植被对活动层水分和温度的影响过程,对研究和保护高寒生态环境稳定具有重要意义.      

黄河源区冻土对植被的影响

黄河源区由于近年来气候变化的影响,打破了高寒植被与冻土环境之间稳定的适应性关系,由此引发了一系列生态环境退化的现象.在黄河源区多年野外工作的基础上,定量分析了冻土与植被之间的关系.研究表明:多年冻土埋深通过影响浅层土壤含水量影响植被生长的,多年冻土的埋深与浅层土壤含水率和植被的覆盖率具有良好的相关性规律.冻土埋深<2 m时,冻土埋深决定浅层土壤含水率,成为影响植被的生长主要因素;埋深>2 m时,冻结层上水水位低、补给量少,冻结层上水水量小,毛细上升高度不能达到植被根系分布的浅层土壤中,植被生长环境干旱化,多数植被生长受限制,这时只有少量根系发达的耐旱植被存活,覆盖率小,一般不超过35%.因此,2 m的多年冻土埋深为“生态冻土埋深”.近20 a来,黄河源区地温长期处于增温状态,多年冻土出现表层融化,形成深埋的或少冰的冻土等现象;部分地带完全融化消失,连续多年冻土变成不连续冻土或岛状冻土.多年冻土退化后,土壤含水量减少,导致植被物种更替、“黑土滩”等退化现象.     

2000—2020年祁连山冻土区植被水分利用效率变化特征及其对干旱的响应

冻土是冰冻圈要素的重要组成部分,是气候变化最敏感的区域之一,冻土环境变化引起水热条件差异是引发植被生态系统能量交换、水循环和碳循环的重要因素。水分利用效率(WUE)是联系生态系统碳循环与水循环关系的关键,反映了植被生态系统对冻土退化的调整和适应策略。本研究基于MODIS的植被总初级生产力(GPP)和蒸散发(ET)产品,估算并分析了2000—2020年祁连山多年冻土与季节冻土区植被GPP/ET/WUE空间变化特征,并结合自适应帕尔默干旱指数(scPDSI),研究了多年冻土区与季节冻土区植被WUE对干旱的响应。结果表明：2000—2020年祁连山地区植被WUE、GPP和ET的平均值分别为0.56 gC·m^-2·mm^-1,307.79 gC·m^-2和443.02 mm,三者空间分布特征均为东南高、西北低;WUE高于0.8 gC·m^-2·mm^-1的植被主要分布在季节冻土区,WUE低于0.4 gC·m^-2·mm^-1的植被主要分布在多年冻土区。近...     

基于主成分分析的青藏高原多年冻土区高寒草地土壤质量评价

土壤质量评价是提高对土壤质量理解的关键环节。为了了解青藏高原多年冻土区高寒草地土壤质量的基本情况,在青藏高原腹地西大滩至安多地区,根据不同海拔梯度和植被盖度共采集了154个土壤样品。通过主成分分析（PCA）法确定了影响青藏高原多年冻土区高寒草地土壤质量的最小数据集（MDS）：全氮、全磷、全钾。根据影响土壤质量的最小数据集对青藏高原多年冻土区高寒草地土壤质量进行评价,得出了不同海拔、不同植被盖度下的土壤质量指数（SQI）。通过对不同海拔、不同植被盖度的土壤质量指数进行对比研究表明：随着海拔的升高,SQI呈增加的趋势,即海拔4 300～4 600 m（0.270±0.043） < 海拔4 600～4 900 m（0.326±0.061） < 海拔4 900～5 200 m（0.410±0.075）;随着植被盖度的增加,SQI也呈现增加的变化趋势,即植被盖度小于50%（0.262～0.265） < 植被盖度大于50%（0.336～0.344）。在分别考虑了有机质、盐分、土壤水分对土壤质量的影响下得出的土壤质量指数值与基于最小数据集得到的土壤质量指数相一致,说明基于主成分分析的最小数据集可以对青藏高原多年冻土区高寒草地土壤质量做出较准确的评价。     

北极多年冻土区埋地输气管道周边温度场数值分析

以北极规划输气管道工程为依托,建立埋地管道与冻土热交换相互作用数值计算模型,探究了埋地管道在连续多年冻土区、非连续多年冻土区和季节冻土区内,按照不同操作温度(5、-1和-5℃)运行情况下管道周围冻土温度演化过程.计算结果表明:同一区域不同管温对冻土上限值影响差异较大,尤其是在非连续多年冻土区,无论管道是正温输送还是负温输送,由于管道的运营,极大地影响了冻土上限值.5℃正温管道将导致冻土上限下降1～3倍管径;-1℃和-5℃负温管道将有助于提高冻土人为上限.建议在连续多年冻土区管道采用-1℃输送温度;在非连续多年冻土区冬季采用-1℃输送温度,夏季可以是正温,接近环境大气温度,但全年输气平均温度要小于0℃;在季节冻土区,若按照负温输送,反而容易引起管基土冻胀,建议输气温度不作特别控制,与温带地区管道类似,正温输送.希望能够为北极多年冻土区天然气管道建设提供新的思路.     

青藏高原西大滩多年冻土活动层土壤性状与地表植被的关系

以青藏高原多年冻土区北界的西大滩为研究基点, 选取多年冻土不同退化阶段的两个样地, 对植被分布特征、 冻土活动层和土壤特性等进行调查监测, 同时分析不同活动层状态下土壤水热、 养分和地表植被特征变化及相互间的作用关系. 结果表明: 西大滩地区的植被以浅根系植物为主, 0~10 cm的表层土壤中地下生物量约占地下生物总量的63%和62.2%之多. 在气候条件基本一致的情况下, 多年冻土的存在情况及活动层土壤水热状况对植被生态系统的演变起决定性作用. 高地表植被覆盖下的冻土土壤水热调节能力强, 有助于延缓冻土退化过程. 西大滩土壤全氮、 碱解氮、 速效钾与有机质含量密切相关, 含量随冻土退化明显减少, 且随土层深度的变化曲线表现为相同的趋势. 土壤表层养分和速效养分受冻土退化程度的影响较大.     

祁连山中东部的冻土特征(Ⅰ):多年冻土分布

祁连山地区地势高耸,气候严寒,冰缘现象广布,各类冰缘现象受地形与水分条件的控制,分布具有明显的规律性.祁连山多年冻土属青藏冻土区,阿尔金山-祁连山亚区,分布在海拔3400 m以上的高山、谷地、盆地中.多年冻土分布具有明显的高度地带性,随高度增加,冻土分布呈现出季节冻土-岛状冻土-连续冻土更替,同时,多年冻土下界高程与经度明显相关,自西向东表现出下降趋势,下降率约为每经度150 m,这一变化与降水在东西方向的变化有关.山区微气候因素复杂多变,也造成了冻土分布的复杂性,局地因素对冻土分布影响显著,对比分析了坡向,植被与水分、岩性,季节性积雪等诸因素对多年冻土分布的影响.     

青藏高原多年冻土区典型高寒草地生物量对气候变化的响应 青藏高原多年冻土区典型高寒草地生物量对气候变化的响应

多年冻土区冻土生态系统对气候变化极其敏感,利用在长江黄河源区实测的高寒草甸和高寒草原植被生物量数据以及青藏高原降水、气温以及地温等的空间分布规律,建立了长江黄河源区高寒草甸与高寒草原等主要高寒生态系统地上与地下现存生物量对气候要素变化的多元回归模型.预测分析表明：如果未来10 a气温增加0.44℃.（10a）^-1,在降水量不变的情况下,高寒草甸和高寒草原地上生物量分别递减2.7%和2.4%,如果同时降水量小幅度增加8 mm.（10a）^-1,则地上生物量可基本保持现状水平略有减少;在气温增加2.2℃.（10a）^-1,在降水量不变的情况下,高寒草甸和高寒草原地上生物量年分别平均减少达6.8%和4.6%,如果同期降水量增加12 mm.（10a）^-1,高寒草甸地上生物量可基本维持现状水平略有增加,而高寒草原地上生物量则递增5.2%.高寒草原植被地上生物量对气候增暖的响应幅度显著小于高寒草甸,而对降水增加的响应程度大于高寒草甸.明确高寒草地植被生物量随气候变化的演变趋势,对于青藏高原生态环境保护和研究气候变化对青藏高原生态系统碳循环和河源区水循环的影响具有重要意义.     

1976-2014年黄河源区湖泊变化特征及成因分析

选取黄河源区1976-2014年Landsat系列卫星影像, 解译了该区域1 km²以上的42个湖泊水面. 结果表明: 除鄂陵湖外, 扎陵湖和其他中小湖泊在过去的38 a间总体上存在稳定(1976-1994年)-萎缩(1994-2004年)-扩张(2004-2010年)-稳定(2010-2014年)四个阶段的变化过程, 湖泊总面积2004年最小, 2007年已经超过1976年. 扎陵湖和鄂陵湖2004年面积仅较1994年萎缩了1.4%, 萎缩幅度很小. 2005年, 扎陵湖水面已恢复到萎缩前的水平. 鄂陵湖在2005年以后水位开始快速上升, 2007年7月上升至海拔4 270 m以上, 2008-2014年的平均水位达到海拔4 270.58 m, 较1986-1999年的平均值(海拔4 268.25 m)上升了2.33 m, 湖面较1994年扩张了30.0~45.2 km². 中小湖泊面积1994-2004年从288.0 km²萎缩到193.0 km², 萎缩幅度33.0%, 2004年是萎缩速度最快的一年, 2005年即迎来了快速增长, 这两年中小湖泊面积的年均变化率分别达到-14.5%·a^-1和 32.9%·a^-1, 变化速率远大于其他年份. 1956-2014年的气候水文变化显示, 58 a来研究区气温上升趋势显著, 变化倾向率达到了0.32℃·(10a)^-1. 2003、2004和2005年蒸发能力、降水量、径流量开始依次显著增加, 至2014年, 平均较前分别偏多53.8 mm(6.9%)、57.4 mm(18.5%)和 3.523×10⁸ m³(52.7%). 湖泊面积对气候、水文变化以及人类活动的响应关系表明, 作为特大型外流湖, 扎陵湖、鄂陵湖受降水径流补给变化的影响相对较小, 鄂陵湖2005年后的扩张是下游黄河源电站抬高水位所致. 中小湖泊面积变化与降水、径流有密切的关系, 近期扩张是由降水、径流显著增加引起. 流域尺度上, 气温上升、蒸发能力增强不是2005年以后湖泊扩张的直接原因.     

Spatial and temporal of variations of alpine vegetation cover in the source regions of the Yangtze and Yellow Rivers of the Tibetan Plateau from 1982 to 2001

Spatial and temporal variations in alpine vegetation cover have been analyzed between 1982 and 2001 in the source regions of the Yangtze and Yellow Rivers on the Tibetan Plateau. The analysis was done using a calibrated-NDVI (Normalized Difference Vegetative Index) temporal series from NOAA-AVHRR images. The spatial and temporal resolutions of images are 8 km and 10 days, respectively. In general, there was no significant trend in alpine vegetation over this time period, although it continued to degrade severely in certain local areas around Zhaling and Eling Lakes, in areas north of these lakes, along the northern foot of Bayankala Mountain in the headwaters of the Yellow River, in small areas in the Geladandong region, in a few places between TuoTuohe and WuDaoliang, and in the QuMalai and Zhiduo belts in the headwaters of the Yangtze River. Degradation behaves as vegetation coverage reduced, soil was uncovered in local areas, and over-ground biomass decreased in grassland. The extent of degradation ranges from 0 to 20%. Areas of 3×3 pixels centered on Wudaoliang, TuoTuohe, QuMalai, MaDuo, and DaRi meteorological stations were selected for statistical analysis. The authors obtained simple correlations between air temperature, precipitation, ground temperature and NDVI in these areas and constructed multivariate statistical models, including and excluding the effect of ground temperature. The results show that vegetation cover is sensitive to variations in temperature, and especially in the ground temperature at depths of ∼40 cm. Permafrost is distributed widely in the study area. The resulting freezing and thawing are related to ground temperature change, and also affect the soil moisture content. Thus, degradation of permafrost directly influences alpine vegetation growth in the study area.     

青海扎陵湖和鄂陵湖盆地第四纪河湖相地层研究

通过对扎陵湖和鄂陵湖沿岸的湖积阶地中湖相沉积的野外地质调查和实测剖面,对分布于盆地内的第四纪早更新世-全新世湖相地层进行了详细的研究和划分、重新厘定了该区第四纪岩石地层单元,确立了生物地层和年代地层序列.建立了青海东南部地区第四纪早更新世-全新世湖相地层单位-黄河源群(QH),黄河源群是由第四系下更新统野生沟组(Qp~1γ)、中更新统鄂陵湖组(Qp~2e)、上更新统大野马岭组(Qp~3d)和全新统黑河乡组(Qhh)等4个组组成.为青藏高原湖泊演化、气候变化、古地理变迁研究,以及第四纪地层的划分与对比等提供了新资料.     

Influences of alpine ecosystem degradation on soil temperature in the freezing-thawing process on Qinghai–Tibet Plateau

The alpine ecosystem is very sensitive to environmental change due to global and local disturbances. The alpine ecosystem degradation, characterized by reducing vegetation coverage or biomass, has been occurring in the Qinghai–Tibet Plateau, which alters local energy balance, and water and biochemical cycles. However, detailed characterization of the ecosystem degradation effect is lack in literature. In this study, the impact of alpine ecosystem degradation on soil temperature for seasonal frozen soil and permafrost are examined. The vegetation coverage is used to indicate the degree of ecosystems degradation. Daily soil temperature is monitored at different depths for different vegetation coverage, for both permafrost and seasonal frozen soils. Results show that under the insulating effort of the vegetation, the freezing and thawing process become quicker and steeper, and the start of the freezing and thawing process moves up due to the insulating effort of the vegetation. The influence of vegetation coverage on the freezing process is more evident than the thawing process; with the decrease of vegetation coverage, the integral of frozen depth increases for seasonal frozen soil, but is vice versa for permafrost.     

基于GIPL2模型的青藏高原活动层土壤热状况模拟研究

青藏高原活动层土壤热状况,对深入了解高原活动层的厚度变化特征、下垫面的热力作用以及对气候变化预测均有重要意义。利用GIPL2模型模拟青藏高原多年冻土区不同植被状况下活动层土壤热状况。模拟结果表明：模型在高寒草原（QT06）试验点模拟效果较好,高寒沼泽草甸（QT03）试验点的模拟效果较差,高寒草甸（QT01）、高寒荒漠草原（QT05）和高寒草原化草甸（QT04）试验点的模拟效果介于高寒草原试验点和高寒沼泽草甸试验点之间。QT01、QT03、QT04、QT05和QT06的土壤温度模拟值与观测值相比,均方根误差分别为0.67、1.29、0.73、0.7和0.56℃;相关系数分别为0.99、0.87、0.98、0.98和0.96;平均误差分别为0.37、0.61、0.31、0.45和0.16℃。QT06模拟结果较好,原因在于此点土壤质地变化不大,模型的分层与所取的参数更加接近此点的实际状况。QT03模拟结果较差,可能由于此地区土壤中存在砾石,在导热率参数化方案中没有考虑砾石含量,导致模拟结果偏差较大。总体而言,GIPL2模型对青藏高原活动层土壤热状况的模拟具有一定的优势,是一种模拟多年冻土区活动层土壤热状况较为理想的模型。     

中国高寒区水文学中的一些认识和参数

针对中国高寒区水文数据和参数缺乏、机理不清的现状,应用祁连山葫芦沟寒区水文小流域观测数据及相关研究成果,率定并获取了高寒区水文模拟中的几个关键参数:① 降水观测误差校正系数及公式;② 固液态降水分离的临界气温;③ 高寒灌丛降水截留参数;④ 土壤完全冻结温度;⑤ 积雪消融的临界气温。认识到若全球变暖引起植被带上移,则山区流域蒸散/降水比例增大、径流系数必然减小;现有降水数据难以满足高寒区水文模拟的需要,降水截留模拟有待改进,冰川、积雪消融缺乏高精度简单估算方法;长时间水文模拟中必须考虑风吹雪、冻土类型演替及冻结深度变化,以及冰川运动和体积变化;需加强冻结层下水、积雪升华和冰川汇流观测试验研究。     

马衔山多年冻土与季节冻土区土壤微生物量及酶活性的季节动态

为了研究马衔山多年冻土区和非多年冻土区土壤微生物碳氮、土壤酶活性的差异,选取多年冻土区、季节冻土区和交界区为对象,分析了0~30 cm土层微生物碳氮和转化酶、脲酶、中性磷酸酶、淀粉酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶酶活性不同季节的变化特征。结果表明：全氮、总有机碳、微生物量碳氮与多数土壤酶之间呈显著相关关系。在不同区域,土壤微生物碳氮均在0~10 cm含量最高,10~20 cm次之,20~30 cm最低。土壤微生物碳氮在生长季表现为含量逐渐增加,但是多年冻土区与季节冻土区差异不大。土壤酶活性在深度方面表现与微生物碳氮含量变化一致。土壤酶并无的季节变化规律。在多年冻土区,转化酶、多酚氧化酶和磷酸酶活性明显高于非多年冻土区。本研究表明,尽管多年冻土区的植被和土壤总有机碳明显高于非多年冻土区,其土壤微生物碳氮含量相当,且一些土壤酶活性也相当。说明非多年冻土区土壤的生物地球化学相对强度较大。因此,多年冻土退化后可能会导致生态系统的退化。