黄河源区多年冻土活动层和季节冻土冻融过程时空特征

基于黄河源区2010~2012年4个监测场地的土壤温度和水分资料,分析了多年冻土活动层和季节冻土冻融过程时空差异.结果表明,4个场地地温和冻土厚度不同,活动层底板或最大季节冻结深度年平均温度(TTOP)分别为:查拉坪场地(CLP)?1.9℃,扎陵湖场地(ZLH)?0.9℃,麻多乡场地(MDX)–0.4℃,鄂陵湖场地(ELH)1.1℃.冻融过程差异与冻土温度和TTOP相关,随着TTOP升高,融化开始时间提前,CLP在6月初,ZLH在5月中下旬,MDX在5月初,ELH在4月上旬;冻结开始时间滞后,CLP为10月初,ZLH为10月上中旬,MDX为10月中旬,ELH为10月中下旬;活动层整体冻结期随之减小,CLP为202 d,ZLH为130 d,MDX为100 d,ELH整体融化期为89 d.CLP和ZLH冻结融化过程均于年内完成,冻结过程表现为由上向下和由下向上双向进行.MDX冻结过程持续至次年1月末,但在冻结期末冻结速率很小,由下向上冻结因极微弱而呈单向进行.ELH冻结持续至次年5月初,出现季节冻结和季节融化过程并存格局;冻结过程单向进行,但融化呈现微弱的双向过程;6月下旬至7月初双向融化比较稳定.各场地随着TTOP升高,由下向上冻结速率相对由上向下的减慢,由下向上的冻结深度减小,融化过程相对冻结过程持续时间比值减小.总之,黄河源区活动层季节冻融过程与青藏高原其他地区有比较显著的差异.     

祁连山区黑河上游高山多年冻土区活动层季节冻融过程及其影响因素

祁连山区黑河上游多年冻土和活动层土壤水热过程基础观测数据薄弱,制约了黑河流域多年冻土区不同景观下垫面的水文功能研究以及多年冻土和活动层变化的水文效应研究.根据2013~2014年在黑河上游高山多年冻土区东支峨博岭北坡和西支冲积平原的活动层土壤温度、含水量观测资料,系统分析了活动层季节冻融过程、土壤水热动态及其影响因素.结果表明,高山多年冻土区气候条件以及地形地貌、植被、岩性和含水量等局地因素明显影响活动层季节冻融过程及其土壤水热动态,此外还受到积雪、水体和冬季逆温等因素的影响.峨博岭北坡地表温度年较差、活动层底板温度和年平均地温均明显低于黑河西支冲积平原同等海拔处.峨博岭北坡融化始日早、达到最大融化深度的日期晚、融化过程历时长、融化速率小;冻结(自地表向下)始日晚、冻结过程历时长、冻结速率小,完全冻结阶段历时长;在融化上升阶段和冻结下降阶段,活动层含水量变化速率明显较大.本文结果可为黑河流域多年冻土区不同景观下垫面的水文功能研究以及多年冻土和活动层变化的水文效应的辨识、模拟和预测提供基础资料和验证.     

土地覆盖变化对高山草甸土壤特性的影响

以青苦恼高原东南部高寒草甸草地为例，从土壤养分、土壤物理性质以及土壤水分含量，研究了高山草甸土壤特性在不同土地覆盖下的变化特征。随地表植被退化、植被覆盖度降低，土壤密实度下降，原有的致密根系层逐渐风化剥离，地下生物量显著减小，水土流失加剧，砾石含量增加，土壤显著粗砺化。上层土壤（0－20cm）有机质含量与全氮含量随植被覆盖度变化具有显著的相关关系，表明当高寒草甸植被盖度大于60％时，随植被覆盖度增加，土壤有机质与全氮含量急剧增加。覆盖度小于30％时，植被盖度减少，土壤养分要素含量也随之明显递减，但在覆盖度30％－60％之间变化时，土壤养分含量呈相对稳定状态；从统计角度提出了描述这种相互关系的数学方程。上层土壤含水量随植被覆盖度而增加，土壤含水量随植被覆盖变化规律呈现显著的二次抛物线性过程。深层土壤的养分与水分变化较复杂，与植被覆盖度之间没有明显依存关系。初步估算表明：植被覆盖度从90％下降到30％以下时，高山草甸土壤有机质将流失14890kg/hm^2，氮素损失将达到5505kg/hm^2。     

青藏公路沿线多年冻土区活动层动态变化及区域差异特征

利用青藏高原多年冻土区10个活动层观测场建立以来到2010年的监测资料,构建了青藏公路沿线多年冻土区活动层平均厚度的估算模型,分析了多年冻土区活动层近期的动态变化及区域差异特征.结果表明,研究区活动层厚度30年来以1.33cm/a的速率增大,多年冻土上限温度、50cm土壤温度及5cm土壤积温均呈现出升高的趋势.土壤热通量以0.1Wm-2/a的速率增大,为高原多年冻土区活动层厚度增大和温度升高提供了依据.活动层开始融化日期提前,开始冻结日期推后,融化日数增加,速率达1.18d/a.活动层动态变化特征与多年冻土类型、海拔高度、下垫面类型和土壤组分密切相关.低温多年冻土区较高温多年冻土区变化明显、高海拔地区较低海拔地区变化明显、高寒草甸地区较高寒草原地区变化明显,细粒土较粗颗粒土变化明显.     

青藏高原五道梁附近多年冻土活动层冻结和融化过程

对约占青藏高原总面积２／３的多年冻土活动层进行了监测研究,通过对青藏高原五道梁附近地温和水分观察资料的分析,依据活动层中温度变化过程的水热的传输特征,把活动层的冻融过程划分为４个阶段,即夏季融化过程（ＳＴ）、秋季冻结过程（ＡＦ）、冬季降温过程（ＷＣ）和春季升温过程（ＳＷ）,在夏季 经和秋季冻结过程中,活动层中水热耦合特征较为复杂,水分的迁移量极大,而在其余两个阶段,活动层中的水分迁移量产小,热量主     

青藏高原两种高寒草甸地下生物量及其碳分配对长期增温的响应差异

增温可以改变植物的生长,不同植被类型的响应方式有差异.植物根系是植物生产量的重要组成部分,但对其增温响应的研究仍然较少.本研究采用开顶式生长室(OTC)模拟增温的方法,对比了长期增温对青藏高原矮嵩草草甸和金露梅灌丛群落地下生物量和有机碳含量的影响.通过分析不同土层地下生物量的垂直分布、土壤和根系含碳量,发现在长期增温条件下:(1)矮嵩草草甸地下生物量显著减少;(2)2种草甸地下生物量分配明显向深层转移;(3)2种草甸植物根系总碳含量变化不显著,矮嵩草草甸10~30 cm土层根含碳量增加,金露梅灌丛草甸20~30 cm土层的根系碳含量减少;(4)2种草甸土壤总碳含量无显著变化(0~30cm),但20~30 cm土层矮嵩草草甸土壤有机碳含量增加,金露梅灌丛草甸土壤有机碳含量降低.2种草甸地下资源分配差异将影响全球变暖背景下该地区的植被演替和碳循环.     

贡嘎山东坡植物和土壤有机质的δ13C差异

通过对贡嘎山东坡地表植被、凋落物、土壤有机质δ¹³C值的分析, 结果显示贡嘎山东坡地表植被、凋落物、0~5, 5~10和10~20 cm土壤有机质的δ¹³C值均随海拔的升高先减小后增大, 即从海拔1200~2100 m, δ¹³C值逐渐变小, 从2100~4500 m, δ¹³C值则逐渐变大. 植被、凋落物和土壤有机质δ¹³C值沿海拔高度的这种变化是与C3, C4植物的分布有关, C4植物仅仅生长于海拔高度低于2100 m的环境中, 而C3在所有海拔都存在. 植被、凋落物和土壤有机质三者间的δ¹³C有显著的正相关, 凋落物、0~5 cm层、5~10 cm层和10~20 cm土壤有机质δ¹³C较植被分别平均偏正0.56‰, 2.87‰, 3.04‰和3.49‰. 在综合考虑工业革命以来大气CO₂浓度和δ¹³C值变化对植物同位素的影响后, 我们认为1.57‰可能是利用古土壤有机质δ¹³C进行古生态重建时应该考虑的最小修正值.     

青藏高原表层土壤的日冻融循环

由于土壤与大气之间的能量和水分交换主要发生在界面层, 因此在研究地气相互作用时, 浅层土壤的冻融状况尤为重要. 根据中日国际合作项目CEOP/CAMP-Tibet的观测结果分析发现, 就青藏高原中部那曲附近而言, 表层土壤真正冻结的日数较少(1个月左右). 而存在日冻融循环过程的日数则较多(6个月左右). 土壤冻融状态的频繁变化, 会极大地影响土壤和大气之间的水分和能量的交换过程. 指出土壤在不同状态(完全消融、完全冻结和存在日冻融循环)下, 土壤与大气之间的相互作用过程是个值得深入研究的问题.     

退耕还林还草工程加剧黄土高原退耕区蒸散发

黄土高原退耕还林(草)工程显著影响着区域植被生长及水文循环过程,对陆地蒸散发(ET)年际变化有着很大影响.本文基于全球通量估算和模型模拟蒸散发产品、格点气候数据及遥感植被特征参量数据,利用趋势分析、逐步回归分析及广义线性模型等方法,研究了退耕还林(草)工程实施前后黄土高原退耕区ET的时空变化特征.研究结果表明:(1)与退耕前相比较,退耕区在退耕还林(草)后ET的升高趋势明显,但其变率存在较大的空间差异,其中,以年降水量在400～600mm区域内变化趋势最大;(2)相较于生长季平均温度和生长季总降水量,退耕区土壤含水量及植被NDVI是ET变化的主要影响因子;(3)退耕后ET变化趋势增大更多地归因于退耕区植被生长的加速,并且退耕后土壤含水量对ET贡献较退耕前降低,而NDVI的贡献度增加.本研究针对黄土高原退耕区在退耕还林(草)工程前后ET的变化趋势进行的探究,为工程实施对该区域水文过程的影响评估提供了科学依据.     

青藏高原21世纪气候和环境变化预估研究进展

本文回顾了21世纪青藏高原区域多种气候和环境要素变化预估研究的进展,包括气温、降水、极端天气气候事件、冻土、积雪、冰川、径流和植被等,预估结果主要来自于SRES和RCP情景下气候模式的预估以及物理统计模型的预估.结果表明,未来青藏高原地面气温将升高,21世纪后期增温更显著.总体来说21世纪高原降水以增加为主,极端天气气候事件增加.高原未来冻土面积缩小,冻土活动层厚度增加,积雪日数和积雪深度减少,冰川将以退缩为主.径流的未来变化较复杂,不同流域之间的差异较大,径流在不同流域表现为增加和减少并存.青藏高原植被对气候变化的响应敏感而脆弱,21世纪中后期青藏高原的生长季长度增加,常绿林/森林出现在高原东部和南部,灌丛植被类型将会扩展并入侵高寒草原.根据已有的研究结果,本文对这些气候与环境要素在21世纪中期(2030~2050年)和后期(2080~2100年)的变化进行了综合集成,给出了它们在21世纪中期和后期的可能变化范围.     

青藏高原工程走廊3个监测点多年冻土温度序列重建

连续、长时间序列的多年冻土温度数据在开展气候变化对多年冻土的影响及其生态、水文效应研究中有着重要的科学意义.本文利用西大滩、五道梁、唐古拉3个观测点的实测地温数据首先对多年冻土模型及其参数化方案进行了验证、优化和标校,以实测数据和经过校正的CMIP6逐月5 cm地表土壤温度数据作为模型的驱动数据,模拟了3个观测点1900～2019年多年冻土地温变化,并对1920年以后的模拟温度变化序列进行分析.结果表明:(1)多年冻土模型对处于地温年变化深度以下地温的模拟误差低于0.1°C,表明模型对于多年冻土的热状态具有较好的模拟能力;(2) 1920～2019年西大滩、五道梁、唐古拉各模拟深度的年平均温度均呈现升温趋势,年地温变化(15 m)处的平均升温速率为0.07°C/10 a(0.05～0.09),不同深度岩土层的热状态对气候变化具有不同的响应时间,深层地温对气候变化的响应相较于浅层有20年左右的滞后;(3)多年冻土上限下降速率相差不大,平均为0.6 cm/a;多年冻土下限的上升速率分别为13.4、4.0和4.0 cm/a;多年冻土厚度分别减少13.9、4.6、4.7 m;(4) 3个观测点...     

青藏高原生态系统对气候变化的响应及其反馈

近几十年来,青藏高原正经历快速的气候变化,高原生态系统因此发生了深刻变化,并对周边地区产生了深远影响.本文围绕青藏高原生态系统结构和功能对气候变化的响应与反馈这一主线,系统总结了气候变化对物候、高山树线、生物多样性、植被生产力和生态系统碳汇功能的影响,阐述了青藏高原植被变化对区域气候的反馈及对亚洲季风的远程影响的研究进展.主要结论如下:气候变暖导致植被返青期总体提前,高原树线位置上升,高寒草原植物物种丰富度和多样性下降;气候变暖总体促进了高原植被生产力、增强了生态系统碳汇功能,但受限于土壤极大的空间异质性和对深层土壤碳动态理解的匮乏,目前对高原土壤碳库及土壤碳汇功能大小的估算仍具有较大不确定性.同时,青藏高原植被变化对近地表气温产生"负反馈"作用;植被活动增强还对东亚季风产生远程影响,导致我国东部夏季降水变化呈现"华南增加-长江黄河中间区域减少"的空间分异格局.未来的研究需要在完善观测体系基础上,加强对高寒生态系统对气候变暖的适应机理及生物地球物理反馈等过程的认知,为优化生态系统管理和保障青藏高原的生态安全提供理论基础.     

中国东北玉米农田生态系统非生长季土壤呼吸作用及其对环境因子的响应

对2004～2007年连续3a玉米农田生态系统非生长季(10月16日～翌年4月30日)的涡度相关系统测量数据分析表明,玉米农田生态系统非生长季的日土壤呼吸值为1.08～4.08gCO2·m-2,日最低值均出现在11月下旬.整个非生长季平均土壤呼吸值为(456.06±20.01)gCO2·m-2,占生长季净生态系统生产力的11%,土壤呼吸月平均最低值主要出现在1,2月份.非生长季日土壤呼吸的季节变化均呈非生长期起始期和终止期高、中间期低的变化态势.当10cm土壤温度高于0℃时,土壤呼吸与土壤温度呈显著二次曲线关系(P0.001),解释率为38%～70%;当10cm土壤体积含水量大于0.1m3·m-3时,土壤呼吸与土壤体积含水量呈显著二次曲线关系(P0.001),解释率为18%～60%.选取土壤温度高于0℃时的观测资料,耦合土壤温度和土壤含水量可得到更好的土壤呼吸模拟模型,解释率达53%～79%,土壤呼吸模拟值与观测值的回归估计标准误差为2.7%～11.8%.非生长季土壤呼吸是生长季土壤呼吸的22.4%,在东北地区玉米农田生态系统碳收支评估中具有重要作用.     

新生代青藏高原生长对东亚水循环及生态系统的影响

新生代青藏高原生长和全球温度变化驱动东亚气候和生态系统发生了剧烈变化.本文综述了前人的相关研究成果,基于前期的数值模拟工作,进一步探讨了青藏高原地形地貌演变对东亚水循环及生态系统的影响.目前,关于青藏高原新生代以来地形地貌的演化还存在争议,但近年来不同学科的证据一致认为,青藏高原生长过程具有区域差异性.最新的古气候数值模拟表明,青藏高原北部抬升显著改变了亚洲气候系统,促使东亚降水显著增加,尤其是中国南方冬季降水增加更为明显,地表径流也相应增加,对东亚水系格局产生了重要影响;土壤含水量也随之增加,冬季深层土壤含水量增加尤为显著,导致中国东部植被从干旱、半干旱转变为湿润、半湿润植被类型,造就了现今东亚植被和生物多样性格局.目前,关于青藏高原生长对东亚降水的影响,科学界已有深入认识,但是还有若干关键问题亟待解决,包括:对青藏高原地形地貌演化的进一步限定、对气候转型期高精度的古气候数值模拟,以及进一步解析新生代东亚水循环和生态系统的耦合关系.理解这些关键问题对预测未来全球气候急剧变化背景下的生态系统响应及其演变趋势具有重要的参考意义.     

石油污染土壤的近红外波段偏振光特性测量

传统遥感技术监测石油污染的实践过程中, 通常认为红外探测器是最为实用的遥感探测器, 并以反射比值作为监测的定量指标. 提出以偏振度作为偏振光遥感的定量指标, 并以吉林省松原油田原油和当地典型表层土壤为实验原料, 在实验室内对4个水平的含油量、3个水平的含水量土壤样品在近红外波段进行了多角度探测模拟实验, 又在室外实地测量了在180°相对探测方位角, 10°, 30°和50°探测天顶角条件下的石油污染土壤与清洁土壤的偏振度值. 结果表明, 当土壤含水量较低时, 土壤表面反射光的偏振度会随土壤中石油含量的增加而增大; 当土壤含水量较高时, 土壤表面反射光的偏振度会随土壤中石油含量的增加而降低.     

黄土高原丘陵沟壑区草地恢复对土壤碳氮库的影响

对黄土高原丘陵沟壑区坡耕地及撂荒后5,13,24,32 a自然恢复草地的土壤有机碳(SOC)、无机碳(SIC)、全氮(TN)含量及储量(SOCs,SICs,TNs)进行了测定分析.结果显示,土壤有机碳含量随土壤垂直剖面降低.与坡耕地相比,0~5 cm SOC含量在草地恢复10 a后显著升高,而5~100 cm各土层的SOC含量在草地恢复的20 a后显著升高;0~100 cm各土层SIC含量在草地恢复5 a后即显著增加,且不同的恢复草地具有不同的SIC剖面分布类型.TN含量与SOC含量变化相似.但与坡耕地相比,早期的恢复(5,13 a)草地表层0~5 cm TN升高不明显,5~100 cm TN在草地恢复的5 a后显著升高.SOCs(0~100 cm)在恢复5 a的草地显著降低,恢复10 a后,显著升高;SICs(0~100 cm)和TNs(0~100 cm)在草地恢复5 a后即显著增加.此外,计算了土壤总碳储量(STCs),发现草地恢复过程中土壤碳库特征表现为越来越高的SOCs/STCs和越来越低的SICs/STCs.在草地恢复过程中,SOC和TN,STCs和TNs显著正相关(P0.01).因此,草地恢复加强了土壤碳库的积累,包括土壤有机碳库和无机碳库,但是这两个碳库在总碳库的占比相反.多年生草种在土壤碳氮库积累中起重要作用.     

温带荒漠区不同灌溉条件下的胡杨、俄罗斯杨水势变化分析

测定植物水势被认为是现代灌水制度中确定何时灌水的直接途径. 以中亚准噶尔盆地两种防护林物种——胡杨和俄罗斯杨为研究对象, 探讨不同灌溉条件下胡杨和俄罗斯杨的叶、茎水势(ψ_?和ψ_s)变化以及土壤水势(ψ_soil)变化对胡杨和俄罗斯杨水势(ψ)的影响. 研究结果表明: (1) 随着灌溉量的增加, 胡杨和俄罗斯杨受旱胁迫的强度逐渐减弱, 相同灌溉量下俄罗斯杨受旱胁迫的强度比胡杨弱. (2) 环境越干旱, 俄罗斯杨对干旱反映的敏感程度越弱, 胡杨则越强, 反之亦然. (3) 胡杨群落地下60 cm处土壤水势比地下30和90 cm处土壤水势对灌溉量的变化响应强烈, 俄罗斯杨群落较浅层土壤水势比较深层土壤水势对灌溉量的变化响应强烈. (4) 在土壤水分较充足的情况下, 植物黎明前茎水势可作为反映土壤水势的合理指标. (5) 对胡杨和俄罗斯杨防护林分别实施多量少灌和少灌多次的策略, 能满足胡杨和俄罗斯杨对水分的需求.     

夏玉米叶片和冠层尺度的水碳耦合模拟

蒸腾作用和光合作用是两个密切联系、相互耦合的过程,主导作物的生理活动及产量形成,研究不同尺度水碳耦合关系对提高水分利用效率(WUE)意义重大.以光合仪、涡度相关仪等实测数据为依据,分析了我国华北地区夏玉米叶片和冠层尺度的光合与蒸腾(蒸散)的变化规律,率定和验证了SMPT-SB模型在这两个尺度的应用效果.结果表明,在夏玉米生育期典型日内,叶片尺度的光合与蒸腾速率,以及冠层尺度的光合与蒸散速率日变化趋势基本一致,但冠层尺度蒸散受表层土壤含水量的影响较大.SMPT-SB耦合模型估算的叶片光合、蒸腾和WUE与实测值之间的回归系数接近1,确定系数大于0.74,二者之间的相对误差小于11%,能够较好反映叶片光合与蒸腾之间的耦合关系.SMPT-SB耦合模型估算的冠层尺度光合与实测值一致性也较好,但该模型低估了表层土壤含水量较高时的冠层蒸散量,并在一定程度上导致了冠层WUE的高估.该研究为理解不同尺度水碳耦合关系及提高水分利用效率提供科学依据.     

洪水灌溉对策勒绿洲优势植物及生境的影响?

以塔克拉玛干沙漠南缘策勒绿洲前沿的优势植物疏叶骆驼刺(Alhagi.sparsifolia SHAP.)-里海旋覆花(Karelinia caspica Less)群落为研究对象,利用人工模拟洪水的方法在生长季内对群落进行了3次灌溉.通过灌溉与非灌溉对照实验,研究灌溉对策勒绿洲前沿多年生植被的更新、生长、群落物种组成以及土壤水分和养分的影响.结果表明:(1)多次灌溉对多年生植物疏叶骆驼刺和里海旋覆花的更新和生长具有明显的促进作用,其中更新方式以根蘖苗更新为主,种子实生苗更新较少;(2)灌溉使得群落中的一年生杂草大量出现,群落物种多样性增加,群落盖度也相应的增加;(3)灌溉有效地增加了群落生境中土壤上层的水分和养分,同时改变了土壤养分在垂直剖面上的再分布,地表以下3m范围内土壤速效N,P,K和全量P,K含量显著地增加.从长远来看,这种模拟洪水灌溉的生态学意义在于说明洪水作为一种生态脉冲对干旱区生态系统中植物的更新、地下水位的补充以及土壤养分的增加有重要的促进作用.     

古尔班通古特沙漠南部短命植物生长对水热条件变化的响应

于2002至2004连续3年对古尔班通古特沙漠南部短命植物生长和土壤水分状况进行系统监测,并对同期气象资料进行分析,结果表明,短命植物的种子萌发和植株生长对于水热条件变化反映极为敏感．2003年早春日均温和日最低气温稳定回升到0℃以上的时间较2002年推迟了近10天,而同期土壤水分条件变化不大,观测到2002年有28种短命植物萌发,生活期近70天,短命植物层片盖度最高可达到46．4％．而2003年只有17种短命植物萌发,生活期50天左右,层片盖度最高为20．8％．2002年春季短命植物植株高度亦显著高于2003年,可见早春时节短命植物的萌发、生长和数量动态强烈依赖于热量条件．水分条件的变化不仅通过地形分异作用影响短命植物的空间分布,亦通过其时间变化影响其萌发与生长．2002年夏季没有较强降水发生,继6月底短命植物完成生活周期后,只在秋季发现个别短命植物的秋萌株．而2003年和2004年,在7和8月份>60 mm的较强降水影响下,尖喙栊牛儿苗和囊果苔草等以>10％盖度迅速覆盖沙丘表面．可见春季过后短命植物不仅只存在秋萌现象,夏季如遇到适量的降雨,其中的一些种亦可成批萌发．研究短命植物生长对水热条件变化的响应,不仅具有一定的生态学意义,而且也有助于理解该沙漠的沙面稳定性与区域气候变化的关系．