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。     

青藏高原多年冻土区活动层土壤入渗特征及机理分析

青藏高原多年冻土区活动层土壤的入渗规律研究是高寒区土壤水循环过程研究的主要内容。以青藏高原多年冻土区高寒沼泽草甸、高寒草甸和高寒草原的活动层土壤为研究对象,裸地为参照对象,分析了不同植被类型土壤的入渗规律及其主要影响因子。结果表明：不同植被类型土壤的入渗能力排序为高寒草原>裸地>高寒草甸>高寒沼泽草甸。高寒草甸土壤中致密的根系对土壤水分的运移具有强烈的阻滞作用,降低了土壤的入渗性能,而高寒草原土壤层根系较为稀疏,对土壤入渗的阻滞作用较弱,土壤水分向深层的渗漏速率较大。通过对比4种土壤入渗模型的模拟结果,发现Horton模型更适用于描述高寒草地土壤水分的入渗过程。另外,不同入渗模型对裸地入渗过程的模拟均优于其他植被类型草地,说明植被类型及植物的生长状况影响土壤入渗过程的模拟效果。全球变暖条件下,多年冻土区土壤入渗研究将为青藏高原多年冻土区陆地水文过程模型提供参数支持,为未来水资源变化研究提供基础数据。     

青藏高原多年冻土区高寒草地生物量与环境因子关系的初步分析

以青藏高原多年冻土区3种高寒草地植被为研究对象,设置6个样地,并结合附近活动层观测场环境因子数据,定量分析生物量与环境因子的关系.结果表明,各高寒草地地下生物量对总生物量的贡献率最大,而地下生物量在0～10cm集中分布;对于总生物量和地下生物量,各因子影响程度大小次序为:土壤盐分土壤含水量空气温度,而对地上生物量,依次为土壤含水量土壤盐分空气温度;土壤温度同生物量存在负相关关系.同时,伴随多年冻土退化,活动层表层不同深度(10～50cm)土壤温度明显升高,含水量逐渐降低,土壤盐分不断增加,从而使高寒草地植被类型出现由高寒沼泽草甸、高寒草甸至高寒草原的逆向演替过程,群落总盖度及生物量均表现出明显降低的趋势.     

祁连山黑河上游多年冻土区不同植被类型土壤有机碳密度分布特征

山地多年冻土的异质性影响其植被类型的分布特征,且对有机碳的分布也具有重要影响。通过采集黑河上游多年冻土区三种典型植被类型（高寒沼泽草甸、高寒草甸、高寒草原）8个活动层的土壤样品,测定其土壤有机碳密度及其理化性质。结果表明：高寒沼泽草甸土壤有机碳密度最高（49.50 kg·m^-2）,高寒草甸次之（11.22 kg·m^-2）,高寒草原最低（7.30 kg·m^-2）。土壤有机碳密度的剖面垂直分布特征具有差异性,高寒沼泽草甸土壤有机碳密度随深度变化不明显,高寒草原和高寒草甸土壤有机碳密度随深度逐渐减小,存在显著的表层聚集性。有机碳密度与土壤含水率和细粒含量呈显著正相关,与pH值呈显著负相关关系。一般线性模型结果表明土壤含水率、pH值和土壤颗粒组成解释了96.39%的有机碳密度变异,其中土壤含水率贡献了81.53%,pH值和土壤粒度分别贡献了9.33%和4.75%。研究表明多年冻土区不同植被类型土壤有机碳密度分布特征具有明显差异,山地多年冻土土壤含水率是控制有机碳密度分布特征的重要影响因素。     

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.     

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。     

青藏高原中东部三种草地类型土壤理化特征及金属元素在有机畜牧生产中的作用

为明确高寒草地土壤理化特征及金属元素在有机畜牧生产中的作用,选取青藏高原中东部高山嵩草草甸、草甸化草原、温性草原三种草地类型为研究对象,分析土壤理化性质和重金属元素,并探讨其影响作用。结果表明：三种草地类型群落盖度由大到小依次是高山嵩草草甸（91%） > 草甸化草原（85%） > 温性草原（75%）,草甸化草原的物种数最多达25种,分别是高山嵩草草甸和温性草原的1.47倍和1.92倍。温性草原0~10 cm土层容重分别是高山嵩草草甸和草甸化草原的1.89倍和1.40倍,10~20 cm土层容重分别是高山嵩草草甸和草甸化草原的1.42倍和1.29倍。高山嵩草草甸土壤有机质、全氮含量最高,有机质含量分别是草甸化草原、温性草原的1.20倍和2.65倍,全氮含量分别是草甸化草原、温性草原的1.18倍和2.47倍。温性草原土壤pH值最高达8.46,分别是草甸化草原和高山嵩草草甸的1.04倍和1.10倍。总体来看,重金属元素含量在高山嵩草草甸最高,温性草原最低,草甸化草原居中。三种草地类型土壤7种重金属元素含量都在一级以内,其生态危害指数未出现强污染状况,适合构建示范区发展有机畜牧业。     

青藏高原两种草甸类型人工降雨截留特征分析

选取青藏高原典型多年冻土区风火山小流域高寒草甸和沼泽化草甸典型样地进行人工降雨截留试验,综合运用统计分析、模型回归分析等方法,对两种草甸类型截留特征及其影响因子进行分析。结果表明:两种草甸类型对降雨的截留能力是不同的,高寒草甸最大截留量0.61mm,沼泽化草甸为0.18mm;高寒草甸的最大截留率为12.4%,沼泽化草甸为3.8%。通过分析各因子对截留的影响,得出高寒草甸截留量与降雨量呈对数函数关系,沼泽化草甸截留量与降雨量呈二次多项式关系;两种草甸截留量与降雨强度都呈幂函数关系,与植被盖度均呈线性相关关系。     

多年冻土区活动层土壤水分对不同高寒生态系统的响应

土地覆被变化对土壤水分的影响是生态水文学和流域水文学研究的关键问题,基于长江源典型多年冻土区不同高寒草地土壤水分的观测,结合降水、生物量（包括地上和地下）和土壤理化性质,研究了活动层土壤水分变化对不同高寒生态系统的响应. 结果表明：高寒草甸生物量、土壤养分含量均比高寒草原高,且对降水响应更为强烈,致使高寒草甸土壤水分变异性弱于高寒草原. 在土壤完全融化阶段,高寒草甸土壤活动层存在一个低含水层（50 cm左右）和两个相对高含水层（20 cm和120 cm）,但高寒草原土壤水分在活动层剖面上有随深度逐渐增大的一致性趋势;在秋季冻结过程中,高寒草甸土冻结起始日滞后于高寒草原土3~15 d;在春季融化阶段,高寒草原土更高的含冰量需要更多的融化潜热. 此外,表层土壤中（0~20 cm）,高寒草甸土比高寒草原土有更大的持水特性,而在活动层中下部则呈现完全相反的结果,不同高寒生态系统的演替改变了土壤的水热迁移过程.     

青藏高原多年冻土区两种高寒草地生态系统土壤氮季节变化及其与环境因子的关系

在气候变化背景下,青藏高原多年冻土区生态环境发生着一系列变化并进一步影响土壤氮循环过程,但目前冻融循环及植被生长周期中土壤氮的动态变化还不清楚。以青藏高原腹地的风火山和特大桥地区的两种典型草地生态系统为研究对象,分析了土壤可利用氮（NH₄⁺-N、NO₃^--N、DON）及微生物量氮（MBN）的季节变化。结果表明：土壤铵态氮（NH₄⁺-N）及可溶性有机氮（DON）含量在非生长季高于生长季,土壤硝态氮（NO₃^--N）在生长季高于非生长季;风火山地区高寒草甸生态系统中土壤NH₄⁺-N在融化期含量较高;土壤MBN在植被生长旺盛期降低,在植被生长后期升高;风火山地区高寒草甸生态系统中土壤MBN含量、特大桥地区高寒草原生态系统中土壤可利用氮总量与土壤全氮（TN）含量显著正相关。这表明,土壤全氮含量、植被吸收以及冻融作用均可引起土壤可利用氮及MBN的季节变化。     

翻耕补播对青藏高原疏勒河上游高寒草甸土壤可培养微生物数量的影响

高寒草甸是青藏高原面积最大的草地类型， 对全球生态环境的影响十分巨大。然而在外界干扰下， 使得本身就很脆弱的高寒草甸发生了不同程度的退化。为探究翻耕补播对土壤微生物的影响， 以疏勒河上游不同季节（4月、 6月、 9月）原生高寒草甸、 退化草甸和翻耕补播草甸土壤为对象， 研究了土壤可培养细菌数量的季节变化及其影响因素。结果表明： 研究区域可培养细菌数量介于4.3×10⁶ ~ 4.5×10⁷ CFU·g^-1之间， 不同季节退化草甸与翻耕补播草甸土壤细菌数量均显著低于原生高寒草甸， 且不同类型高寒草甸生态系统下可培养细菌具有明显的季节差异： 原生高寒草甸生态系统下土壤细菌在6月生物量最高， 4月最低； 而退化草甸与翻耕补播草甸土壤细菌生物量并没有表现出明显的季节波动； 相关分析表明， 可培养细菌数量与土壤全氮、 植被盖度及土壤含水量存在极显著正相关关系。研究发现， 翻耕补播措施并没有恢复该区域微生物数量， 研究结果对于认识高寒草甸生态系统的退化成因， 判断恢复措施的有效性和合理性具有重要意义。     

青藏高原多年冻土活动层土壤水分对高寒草甸覆盖变化的响应

对青藏高原高寒草甸30%、60%和93%三种覆盖度下,多年冻土活动层的土壤水分随季节变化的观测研究,结果表明:多年冻土活动层土壤水分分布对植被覆盖变化响应强烈.年内不同时期,植被覆盖度为65%和30%的土壤表层20cm深度内水分含量及分布相似,每次降水后30%覆盖度土壤水分的变率略大于65%覆盖度的;而93%覆盖度土壤水分在年内解冻开始到冻结前均小于前两种覆盖类型;植被覆盖度越小,土壤冻结和融化响应时间越早,响应历时也越短;浅层土壤冻结和融化对植被覆盖度的响应程度较强,接近深层土壤冻结和融化对植被覆盖度的响应程度降低.覆盖度为30%和65%土壤水分在整个冻结过程的减少幅度比93%覆盖度土壤大10%～26%,而融化期水分增加幅度更大为1.5%～80%;土壤冻融的相变水量对植被覆盖度变化响应明显,植被覆盖度降低,土壤冻结和融化相变水量增大.由于受植被蒸腾与地表蒸散发和土壤温度梯度的影响,融化期土壤剖面的水分重新分配,总体上呈现水分向剖面上部和底部迁移,剖面中部60～80cm深度左右的土壤出现"干层".     

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.     

青藏高原腹地温泉地区新生代生态环境演化与高原表面隆升过程分析

采自青藏高原腹地温泉地区新生代地层中的孢粉组合资料表明:从古新世到早中新世,古植被由早期的针阔叶混交林-森林草原植被向晚期的疏林草原植被演化,古气候也由亚热带暖湿气候向温凉气候演化;从上新世到早更新世,阔叶树种明显减少,而草本植物显著增多,反映气候开始向干冷方向演化;而中更新世晚期以来,出现稀疏草原植被向荒漠草原植被的演化,最终塑造了现代以藜、蒿为主的荒漠草原植被环境。高原腹地生态环境变化揭示了青藏高原自古新世以来至少经历了3次具有生态环境意义的表面隆升事件:古新世—早渐新世沱沱河组冲积扇砾岩沉积以及孢粉组合分析表明,青藏高原在白垩纪末—古新世初已隆升至1000～1500m,高原地形可能是高原(高山)与盆地相间的地貌格局;早中新世五道梁组植被中亚热带成分的显著增高,可能与高原表面隆升诱发高原季风而导致气候湿润有关,推测高原已隆升至2000～2500m;而中更新世晚期以草本植物为主,反映高原植被已经发生了转型,高原已隆升至3000m以上。     

青藏高原多年冻土区土壤需氧可培养细菌多样性及群落功能研究

以青藏高原腹地不同植被类型多年冻土区土壤细菌为研究对象, 分析了可培养菌群数量、 多样性和生理代谢功能的变化及其与环境因子间的关系. 结果显示: 从沼泽草甸到高寒荒漠, 土壤水分、 总碳、 总氮含量逐渐降低, pH值升高, 可培养细菌数量在2.97×10⁶~2.88×10⁷ CFU·g^-1, 与含水量、 总碳、 总氮显著正相关; Actinobacteria(51.4%)和γ-Proteobacteria(31.7%)为优势菌群, α-protebacteria仅在沼泽草甸中有分布, β-protebacteria、 Bacterioidetes丰度与含水量、 总碳、 总氮间显著正相关; 自沼泽到荒漠, 菌群代谢活性和Shannon功能多样性指数降低, pH与Shannon指数显著负相关, 继氨基酸类碳源之后, 多聚物逐渐成为被细菌群落主要利用的碳源种类. 研究表明, 伴随冻土退化地上植被逆向演替的过程, 青藏高原多年冻土地下土壤微生物群落丰度、 遗传和代谢功能多样性均发生了不同程度的响应.