藏北草地资源及其演化趋势——以申扎地区为例

申扎地区属青藏高原南羌塘高寒草原区,具有典型的高原植被.根据水体条件、植被组成和地貌特征等,划分了7种草地植被类型和2个木本植物分布区.藏北地区生态系统十分脆弱,高原植被面临严峻的破坏、退化和沙漠化环境,生物链严重失调,高原鼠兔由于几乎没有天敌而大量繁殖.对高原草地的破坏因素进行分析认为:高寒、冻融作用、地下水位下降、雪线上升和冰川萎缩、猖獗的鼠害、超载过牧是高原植被(草地)退化的主要因素,其中高寒、缺水、鼠害和超载过牧是最重要的原因.藏北申扎地区年降水量与年蒸发量比例为约1:9,湿地和植被供水系统受到严重损害,造成大面积草场萎缩,形成了环状草地退化带.藏北草地向恶化方向发展是不可逆的,根治鼠害,改良牲畜品种,提高经济效益,可以减缓草场退化速度.     

藏北草地资源及其演化趋势——以申扎地区为例

申扎地区属青藏高原南羌塘高寒草原区,具有典型的高原植被。根据水体条件、植被组成和地貌特征等,划分了7种草地植被类型和2个木本植物分布区。藏北地区生态系统十分脆弱,高原植被面临严峻的破坏、退化和沙漠化环境,生物链严重失调,高原鼠兔由于几乎没有天敌而大量繁殖。对高原草地的破坏因素进行分析认为:高寒、冻融作用、地下水位下降、雪线上升和冰川萎缩、猖獗的鼠害、超载过牧是高原植被(草地)退化的主要因素,其中高寒、缺水、鼠害和超载过牧是最重要的原因。藏北申扎地区年降水量与年蒸发量比例为约1∶9,湿地和植被供水系统受到严重损害,造成大面积草场萎缩,形成了环状草地退化带。藏北草地向恶化方向发展是不可逆的,根治鼠害,改良牲畜品种,提高经济效益,可以减缓草场退化速度。     

藏北草地资源及其演化趋势——以申扎地区为例

申扎地区属青藏高原南羌塘高寒草原区，具有典型的高原植被。根据水体条件、植被组成和地貌特征等，划分了7种草地植被类型和2个木本植物分布区。藏北地区生态系统十分脆弱，高原植被面临严峻的破坏、退化和沙漠化环境，生物链严重失调，高原鼠兔由于几乎没有天敌而大量繁殖。对高原草地的破坏因素进行分析认为：高寒、冻融作用、地下水位下降、雪线上升和冰川萎缩、猖獗的鼠害、超载过牧是高原植被(草地)退化的主要因素，其中高寒、缺水、鼠害和超载过牧是最重要的原因。藏北申扎地区年降水量与年蒸发量比例为约1：9，湿地和植被供水系统受到严重损害，造成大面积草场萎缩，形成了环状草地退化带。藏北草地向恶化方向发展是不可逆的，根治鼠害，改良牲畜品种，提高经济效益，可以减缓草场退化速度。     

高寒植被生态系统变化对土壤物理化学性状的影响

在黄河源区选择典型样地,对土壤有机质(SOM)、全氮(N)等化学性状及土壤机械组成、容重和土壤导水率等物理特性进行分析.结果表明,植被退化导致土壤物理化学性状显著退化.灌丛草甸草地土壤表层有机质(SOM)从179.58 g·kg^-1降到49.48 g·kg^-1,表层碱解N流失率为30%,退化嵩草草甸表层有机质SOM减少53%,碱解N损失率为28.4%.沼泽地有机质SOM减少了15.11 g·kg^-1.退化后的土壤土层厚度变薄,土壤颗粒变粗,土壤水分分布和含量出现变化,土壤出现沙化,土壤容重增大,土壤导水率与植被盖度有很好的相关性.研究表明,高寒植被生态系统的变化引起了土壤理化特性的强烈变化,高寒土壤环境出现退化.     

植被退化对高寒土壤水文特征的影响

在黄河源冻土严重退化地区,采用选择典型区域和样地进行实验和模型模拟的方法,对不同植被退化特征条件下高寒土壤的水分特征曲线、土壤饱和导水率、土壤入渗及土壤水分进行研究.结果表明:Gradner和Visser提出的经验方程θ=AS-B对该地区土壤水分特征曲线有良好的模拟性;不同植被盖度条件下土壤的饱和导水率和土壤入渗有明显的区别,表层0～10cm范围内,黑土滩的饱和导水率和入渗强度最强,30cm以下土层中土壤饱和导水率、入渗强度以及土壤含水量几乎不受植被的影响.随植被退化表层土壤含水量出现明显降低,退化越严重,水分流失越多,最多时能达到38.6%,植被根系最发达的10～20cm范围的土壤含水量流失对高寒草甸土壤环境影响最大,水分流失导致退化草甸恢复难度较大.通过比较研究,在黄河源地区考斯加科夫(Kostiakov)入渗公式f(t)=at-b更适用于该研究区域高寒草甸土壤水分入渗过程的研究.     

青藏高原典型寒冻土壤对高寒生态系统变化的响应

高寒生态系统对全球变化非常敏感,以青藏高原腹地的长江黄河源区为研究区域,利用多期遥感TM数据和生态样带调查数据,提出生态综合指数方法.应用土壤结构、组成与水理特性等物理指标和土壤化学性质与养分含量指标,系统分析了青藏高原典型寒冻土壤如钙积寒性干旱土、简育寒性干旱土、草毡寒冻雏形土以及简育寒冻雏形土等对高寒生态系统变化的响应特征.结果表明:随着气候变化,主要高寒生态系统如高寒草甸、高寒草原以及高寒沼泽草甸等显著退化,寒冻土壤表层呈现明显粗粝化,草毡寒冻雏形土以及简育寒冻雏形土表层土壤细粒物质流失38.7%,土壤孔隙度和容重增加;高寒草甸土壤表层饱和导水率随综合生态指标值降低而急剧增大,当植被覆盖度<50%以后,土壤表层水分集聚现象不再存在,高寒草原土壤饱和导水率变化不明显;高寒草甸与高寒草原土壤的有机质和全氮含量均随生态指数减少而分别呈现抛物线和指数曲线形式减少.随着气候变暖和人类活动干扰的加剧,高寒草地生态系统变化将可能导致寒冻土壤环境持续退化并对高原草地碳循环产生重要的影响.     

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。     

青藏高原高寒草地植被指数变化与地表温度的相互关系

为了解脆弱的高原生态环境对升温过程的响应, 利用1982-2006年国家标准地面气象站地表温度和GIMMS-NDVI数据集, 探讨了青藏高原高寒草地植被指数和地表温度的变化特征及其相互关系. 结果表明:1982-2006年, 高寒草地NDVI、地表温度整体均呈现增加趋势, 年均NDVI、生长季NDVI、年最大NDVI(NDVI_max)与年均地表温度、生长季地表温度的上升趋势分别为0.007 (10a)^-1、0.011 (10a)^-1、0.007 (10a)^-1与0.60 ℃·(10a)^-1、0.43 ℃·(10a)^-1; NDVI_max与地表温度显著相关的地区达70.49%. 但是高原地形、气候、水文环境的空间差异性导致高寒草地NDVI与地表温度的相关关系十分复杂. NDVI_max与年均地表温度的相关性最为显著; 在返青期和枯萎期, NDVI与地表温度均为显著正相关. 不同的植被覆盖条件下, NDVI对地表温度的响应不同:植被覆盖差以及退化严重的地区, NDVI_max与地表温度呈负相关性; 反之, NDVI_max与地表温度主要表现为正相关.     

近22年长江源区植被覆盖变化规律与成因

利用GIMMS-NDVI遥感数据以及植被类型等专题信息,结合遥感图像处理以及地理信息系统技术,统计分析了1982—2003年长江源地区时间和空间上植被覆盖变化规律,并分析了植被覆盖变化的地形地貌因素与人为因素影响。结果表明:近22a,长江源植被覆盖呈总体增加趋势,而高寒草甸退化较严重,喜湿植被退化快于耐干旱植被,植被的生存环境趋于干旱化。研究结果表明,植被退化受到海拔、坡向、人类活动和地下水位的影响。海拔4400～4600m的较低海拔地带退化最强烈,主要为高寒草甸与高寒沼泽草甸受牧业影响较大;牧业影响半径为24km;道路的影响范围为24km,道路的修建加速了人类对高原植被的破坏作用;阳坡植被呈现趋于稳定和退化的趋势,阴坡植被表现为增长的趋势,降水量增加是源区植被,尤其是阴坡植被变好的重要原因,而太阳光照增强是导致阳坡干旱和植被趋于退化的潜在原因;近河床区地下水位埋深较浅,植被生长具有稳定的地下水源;在远离河床的一定区域内,地下水易于疏干,植被易于退化,河流影响范围为24km。     

青南退化高寒草甸植被土壤固碳潜力

青南与青北高寒草甸植被、 土壤、 气候类型相似, 地植被、 土壤碳密度可比性强. 研究表明, 青南高寒草甸植被退化严重, 植被和土壤碳密度随退化程度的加剧而降低, 轻度、 中度、 重度和极度退化植被碳密度分别为921.281、 809.998、 237.974 gC·m^-2和75.972 gC·m^-2, 0~40 cm土壤碳密度分别为16.760、 16.145、 14.360 gC·m^-2和12.945 kgC·m^-2. 在青北未退化草甸植被和0~40 cm层次土壤碳密度分别为1 149.327 gC·m^-2和20.305 kgC·m^-2. 相对青北高寒草甸植被类型而言, 青南高寒草甸轻度、 中度、 重度、 极度退化的植被固碳密度分别增加228.046、 339.329、 911.354 gC·m^-2和1073.355 gC·m^-2, 而对应0~40 cm层次土壤固碳密度可分别增加3.545、 4.160、 5.946 gC·m^-2和7.359 kgC·m^-2. 以青南当地未退化草地而言, 轻度、 中度、 重度和极度退化的高寒草甸0~20 cm层次土壤固碳密度可达1.694、 2.087、 3.537 kgC·m^-2和4.282 kgC·m^-2, 表现出较大的固碳潜力.     

黄河源生态环境变化与成因分析

以７０年代、８０年代和９０年代３个时期的卫星影像资料为基础,结合野外调查,对７０年代以来黄河源区生态环境演变过程及趋势进行了对比分析,并依据时期的气候变化、人为活动强度分析,对该区域生态环境变化的产生原因进行探讨,研究结果表明,与７０年代相比,８０年代和９０年代以高寒沼泽草甸、高寒草罗和高山草原化草甸为代表的主要生态体系均呈明显退化,尤其９０年代中期以来,高寒草原与高寒草甸植被退化剧烈,荒漠化发展     

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.     

冻结季沱沱河源多年冻土区活动层土壤水分含量分析

活动层含水量是表征多年冻土区气候、水文和生态过程的关键参数。长期以来,由于受多年冻土区活动层水分实测样点数量稀少的限制,各类基于遥感反演、模式模拟乃至数据融合和同化等手段生产的土壤水分空间数据均存在着较大的误差。2020年10—11月在青藏高原腹地（沱沱河源区）测定了 1 072组活动层土壤含水量数据并进行分析,探讨了该时段该区域活动层土壤水分的空间差异,并与全球陆面数据同化系统数据产品（GLDAS-Noah）和欧洲中期天气预报中心发布的第五代再分析资料（ERA5-Land）进行了对比分析。结果表明,在该区域平均厚度为2.72 m的活动层内,土壤质量含水量（总含水量）约为14.0%,活动层土壤含水量与植被发育情况存在正相关关系。除高寒沼泽草甸类型外,高寒草甸与高寒草原类型的活动层含水量随深度的增加呈现出先减小后增大的变化趋势。不同坡位类型的活动层含水量呈上坡位>下坡位>中坡位>平坡位,阳坡水分高于阴坡且两者活动层剖面水分变化相似。多年冻土区浅表层0~350 cm深度范围内的土壤含水量大于区内融区同深度的土壤含水量,两者土壤剖面水分分布均呈现出先增大后减小再增大的特征。该区域的GLDAS-Noah同化水分产品与实测数据对比的误差在10%以内,比ERA5-Land再分析土壤水分数据更为准确,但两种数据产品对土壤剖面上的水分垂直分布情况描述均与实测数据有较大差异。该研究结果可以为数据同化系统的模式冻融参数化方案优化及遥感水分产品研发提供科学依据。     

高寒草地植被覆盖变化对土壤水分循环影响研究

土地覆盖变化对流域水平衡的影响是流域水学和生态水学研究的关键问题之一。以黄河源区两个典型小流域为研究对象，通过对流域不同植被类型与植被覆盖土壤的水分含量、入渗过程、蒸散发特征的测定，研究了高寒草地植被覆盖变化对土壤水分循环的影响．结果表明：广泛分布于青藏高原河源区的高寒草甸草地，植被覆盖度与土壤水分之间具有显的相关关系，尤其是20cm深度范围内土壤水分随植被盖度呈二次抛物线性趋势增加；在保持其原有的植物建群和较高覆盖度时，土壤上层具有较高持水能力，降水通过表层向深层土壤的渗透速度缓慢，且具有较均匀的土壤水分空间分布，水源涵养功能明显；高寒草甸草地退化后的高山草甸土壤趋于干燥，持水能力减弱，即使进行人工改良以后，土壤水分含量与持水能力也不会有明显改善．保护河源区原有高寒草甸草地对于河源区水过程意义重大。     

青藏高原不同高寒生态系统类型下多年冻土活动层水热过程差异研究

基于青藏高原北麓河地区高寒草原、高寒沼泽草甸和高寒草甸生态系统下多年冻土活动层水热过程的监测数据,对活动层水热过程特征开展了相关研究。研究结果显示,在活动层厚度、冻融时间、持续时间以及活动层土壤水分含水量分布方面,不同的高寒生态系统下活动层的上述属性特征差异明显。高寒草原下多年冻土活动层厚度最大,土体开始融化的时间最早,每年持续融化的日数也最长;高寒草甸最小,高寒沼泽草甸居中。高寒草原下活动层土壤含水率从上到下逐渐增加,水分基本集中在活动层的中下部分;高寒沼泽草甸下活动层土壤水分的分布情况相对比较均衡;高寒草甸下活动层土壤含水率分布呈现从上到下逐步减少的模式,越靠近地表土壤含水率越大。对监测数据的进一步分析发现,不同的高寒生态系统下,近地表地温与气温温差累计值、近地表土壤有机质含量、n因子特征以及近地表地温标准差统计特征都具有明显的区别。研究分析表明,多年冻土活动层水热过程特征与高寒生态系统类型具有明显的关联性,高寒生态系统会影响近地表能量通量,从而使地-气热量交换产生差异,这一差异又将改变活动层土壤温度、水分分布特征及其动力学过程。     

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.     

季节性冻土区粗颗粒土边坡自然演化特征试验研究

拟建川藏铁路沿线广泛分布季节性粗颗粒冻土,该类土质边坡稳定性问题突出,有必要探讨此类边坡的自然演化特征及其规律。本文针对粗颗粒土边坡在降雨-日晒-冻融循环条件下的变化规律,开展了单一要素和多要素组合条件下的试验研究。研究表明,对于初始坡度较陡的粗颗粒土边坡,在自然降雨-日晒作用下,边坡会向自然稳定坡度发展演化。反复冻融作用下,坡面土体冻胀融沉,产生残余变形,冻胀量约为冻结深度的0.09~0.1倍,残余变形量约为冻结深度的0.052~0.062倍,坡面土体含水率增加2% ~3%。反复冻融后坡面土体结构变松散,空隙增多,密实度降低,松散土体在降雨条件下易流失,坡体向后退化。季节性冻土区粗颗粒土边坡自然演化特征表现为:降雨-日晒作用→边坡趋于稳定→冻融作用→坡面土体变松散→降雨冲刷→坡面后退→更深处土体冻融。该过程随季节变化反复进行,边坡逐年后退。     

基于多重分形理论的多年冻土区高寒草甸退化过程中土壤粒径分析

为阐明青藏高原多年冻土区高寒草甸退化过程中土壤粒径分布(PSD)非均匀性和异质性的变化特征, 在青藏高原长江源区, 根据高寒草甸的退化梯度, 选取了未退化区域、 轻度退化区域、 中度退化区域、 重度退化区域和极重度退化区域, 测定了高寒草甸退化过程中土壤的粒径分布、 饱和导水率、 孔隙度与有机质含量. 运用多重分形理论, 并结合土壤颗粒分布与土壤理化特性等参数的相关性进行分析, 为高寒草甸退化对长江源高寒土壤性质变化的影响的定量研究提供一种精确的分析方法. 结果表明: 随着青藏高原多年冻土区高寒草甸退化程度的增加, 土壤颗粒呈粗粒化趋势, 多重分形参数中容量维数(D₀)随之增大, 表征PSD宽度随之增大; 信息维数(D₁)、 信息维数/容量维数(D₁/D₀)、 关联维数(D₂)、 奇异谱宽(Δα)可从不同角度反映的土壤PSD的非均匀性与局部异质性随着高寒草甸退化有先增大后减小的趋势, 中度退化区域的土壤PSD不均匀性最大. 研究发现, 研究区土壤多重分形参数与细砂含量、 土壤的孔隙度、 有机质含量具有较明显的相关性. 多重分形参数能准确描述高寒草甸退化过程中土壤粒径分布的细微差别, 可作为反映土壤性质的潜在指标.