青藏高原凍土環(huán)境變化及其對(duì)高寒生態(tài)系統(tǒng)的影響

在寒冷環(huán)境中，由土壤通過溫和和化學(xué)法形成的冷生植被群落、冷生生態(tài)系統(tǒng)和冷土生態(tài)變化的過程及其環(huán)境中形成的生態(tài)系統(tǒng)共同發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)，即冷生態(tài)系統(tǒng)。冷生生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)和冷生態(tài)系統(tǒng)不同。然而，由于冷土環(huán)境對(duì)氣候變化的高度敏感，冷土生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化非常脆弱。冷土對(duì)氣候變化的高度敏感性以及冷土周圍生態(tài)系統(tǒng)的影響是人類調(diào)查的一個(gè)熱點(diǎn)問題。冷土生態(tài)系統(tǒng)的研究表明，隨著氣候變化，冷土活動(dòng)層的深化，以及各種生態(tài)因素的植物群落結(jié)構(gòu)、生物產(chǎn)量和生物多樣性的顯著變化，同時(shí)釋放大量氣體和大量水分。區(qū)域水循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生了嚴(yán)重變化，對(duì)整個(gè)地殼系統(tǒng)都產(chǎn)生了一定的影響。根據(jù)大量研究，世界氣候變化后的區(qū)域凍土退化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了重大影響。它的群體結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)力和其他許多生態(tài)功能都發(fā)生了不同程度的變化。冷藏地區(qū)獨(dú)特而脆弱的低緯度生態(tài)系統(tǒng)對(duì)任何自然和人為干擾最為顯著。關(guān)于冷土工程中冷土環(huán)境變化的研究表明，冷藏地區(qū)的溫度上升趨勢大于世界平均水平，因此不同的冷地環(huán)境變化程度不同，活動(dòng)層的厚度增加，冷土的溫度上升，冷土分布的水平增加，面積收縮。冷藏地區(qū)的這些變化對(duì)高原生態(tài)系統(tǒng)的影響是什么？特別是，冷藏地區(qū)位于三個(gè)國家的自然保護(hù)中心。近年來，冷藏地區(qū)的發(fā)展越來越受到廣泛關(guān)注。我們不僅了解了冷藏地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)與冷土環(huán)境之間的關(guān)系，而且客觀地了解了高原生態(tài)系統(tǒng)對(duì)世界變化的響應(yīng)規(guī)律以及各種環(huán)境變化的影響，預(yù)測和分析了未來氣候變化對(duì)冷土環(huán)境的影響。在這項(xiàng)工作中，我們將建立青藏高原內(nèi)陸冷土和冷土生態(tài)系統(tǒng)之間的量化關(guān)系，并分析了氣候變化對(duì)高原生態(tài)環(huán)境的影響。以及冷土項(xiàng)目。因此，這項(xiàng)工作可能會(huì)對(duì)高原生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。1研究區(qū)域和方法1.1凍土類型分布青藏高原多年凍土帶主要集中分布在高原腹地的昆侖山至唐古拉山之間的區(qū)域,北界大致位于昆侖山以北的西大灘一帶,南界位于唐古拉山以南的安多一帶,南北長度沿青藏公路約550km.本次研究以青藏公路昆侖山-唐古拉山南坡段為主,全長430km,年平均氣溫介于-3～-7℃,根據(jù)凍土地溫和活動(dòng)層厚度情況,研究區(qū)域凍土類型與分布如表1[10～12],大部分地區(qū)凍土為具有較高含冰量的厚冰凍土,凍土地溫變化較大,一般海拔越高凍土溫度越低,凍土厚度也越大,多分布穩(wěn)定和極穩(wěn)定凍土類型;河谷盆地凍土溫度較高,往往形成極不穩(wěn)定凍土或融區(qū)(表1).研究區(qū)段的自然生態(tài)系統(tǒng)主要有高寒草原生態(tài)系統(tǒng)、高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)、高寒沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)三大類型,局部在一些河谷地帶分布稀疏的水柏枝高寒灌叢,在高大山體上部分布?jí)|狀與稀疏流石坡植被(表1).在各類型分布區(qū)根據(jù)主要優(yōu)勢植物組成種的不同,進(jìn)一步劃分為不同亞類.其中高寒草原生態(tài)系統(tǒng)是由耐寒的多年生旱生草本植物或小灌木為主要植物種群所形成的高寒植被為基礎(chǔ)的生態(tài)系統(tǒng),主要分布于青藏公路沿線的西大灘至沱沱河一帶海拔4100～5100m的地區(qū),是研究區(qū)域分布最廣、面積最大的生態(tài)系統(tǒng)類型,根據(jù)建群植物種的不同,可分為紫花針茅(Stipapurpurea)高寒草原、青藏苔草(Carexmoorcroftii)草原、扇穗茅(Littledalearacemosa)高寒草原等.高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)是以寒冷中生多年生草本植物組成的植被群落為基礎(chǔ),具有適中水分條件的生態(tài)系統(tǒng),是青藏公路及建設(shè)中的青藏鐵路沿線最重要的生態(tài)體系,主要有高山嵩草(Kobresiapygmaea)草甸、矮嵩草(Kobresiahumilis)草甸、藏嵩草(Kobresiatibetica)沼澤草甸以及雜類草草甸等類型,分布于研究區(qū)段的五道梁、風(fēng)火山、北麓河、開心嶺以及雁石坪至唐古拉山的山地、寬谷階地以及渾圓山丘,多呈片狀或帶狀分布.沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)由耐寒多年生濕生或濕中生草本植物建群的在地表積水或土壤過濕狀態(tài)下形成的生態(tài)體系,在研究區(qū)段主要分布于風(fēng)火山、開心嶺以及唐古拉山北坡一帶.1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1樣方設(shè)置與調(diào)查方法以高寒草原、高寒草甸和高寒沼澤草甸三種主要生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象,采用樣帶調(diào)查方法,樣帶設(shè)置分三種情形,一是按主要生態(tài)系統(tǒng)類型分布區(qū)域劃分研究分區(qū),在不同生態(tài)系統(tǒng)分區(qū)沿垂直公路方向設(shè)置生態(tài)樣帶,二是在相同生態(tài)系統(tǒng)類型分區(qū)中,根據(jù)地貌單元變化部署樣帶;三是在同一個(gè)地貌單元內(nèi),依據(jù)凍土環(huán)境狀況以及生態(tài)系統(tǒng)的主要變化形式等,部署不同樣帶.樣帶長度根據(jù)垂直方向植物群落分布與變化、凍土條件變化情況等設(shè)置為10～20km,在每條樣帶上依據(jù)地貌形態(tài)、凍土環(huán)境特點(diǎn)以及植物群落類型與結(jié)構(gòu)的梯度變化部署樣方點(diǎn),在每點(diǎn)沿不同方向隨機(jī)設(shè)置100cm×100cm樣方3～4個(gè),樣方調(diào)查內(nèi)容:植物類型、多度、群落蓋度、總蓋度、地上植物量以及土壤結(jié)構(gòu)等,其中地上植物量的獲取依據(jù)在上述樣方中隨機(jī)設(shè)置的25cm×25cm小樣方中的鮮草量;調(diào)查時(shí)間選擇在在植被生長旺盛的7月下旬至8月中旬,為大部分高寒植物種的花期或果期,調(diào)查時(shí)間相差20d左右期間(7月25日到8月15日),依據(jù)海北生態(tài)定位站的研究結(jié)果,嵩草草甸地上植物量一般相差不超過8.2%,沼澤草甸一般相差不超過9.3%,因此可以認(rèn)為不同樣方點(diǎn)因調(diào)查時(shí)間所導(dǎo)致的植物生產(chǎn)力差異不會(huì)對(duì)對(duì)比結(jié)果產(chǎn)生較大影響;另外,在每個(gè)樣方點(diǎn)于0～100cm深度內(nèi)分層采集土壤樣品一組.凍土環(huán)境分析指標(biāo)主要選擇凍土活動(dòng)層厚度、凍土厚度以及凍土地溫等.沿青藏公路兩側(cè),在上述生態(tài)調(diào)查樣點(diǎn),采用EKKO100地質(zhì)雷達(dá)探測儀和直流電極測深儀,分別在每個(gè)樣方帶上以及平行公路方向連續(xù)采樣1～1.5km,勘測凍土上限深度、凍結(jié)層上地下水位、凍土厚度等.另外,在進(jìn)行青藏鐵路工程勘探中布設(shè)的大量鉆孔勘探數(shù)據(jù)中,補(bǔ)充部分地點(diǎn)的凍土環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù).在昆侖山至安多的多年凍土分布范圍內(nèi),沿青藏公路在不同凍土類型分布區(qū)布設(shè)了近20個(gè)凍土溫度變化觀測點(diǎn),從這些觀測點(diǎn)獲取凍土地溫、凍土活動(dòng)層厚度等數(shù)據(jù).為盡可能使得樣方調(diào)查結(jié)果具有較好的可對(duì)比性,根據(jù)研究區(qū)段多年凍土分布區(qū)劃,在高平原-河谷平原地貌分區(qū)內(nèi),生態(tài)與凍土調(diào)查樣點(diǎn)避開凍脹丘、熱融湖塘以及河谷融區(qū)等地帶,海拔高度一般介于4500～4650m(表2);在丘陵山地以及昆侖山和唐古拉山等高大山脈分區(qū)內(nèi),生態(tài)與凍土調(diào)查樣點(diǎn)樣點(diǎn)布置在海拔4600～4800m范圍內(nèi),處于山坡中下段,以減少由于樣方地貌位置差異較大帶來的影響.根據(jù)區(qū)域內(nèi)五道梁、沱沱河以及北麓河地帶已有的氣象觀測站數(shù)據(jù)和青藏高原降水量分布趨勢的研究成果推測,研究區(qū)域降水量介于260～290mm之間,在高山區(qū)高海拔地帶略有增加可達(dá)310mm,總體上不同地區(qū)相差不大,屬于高寒半干旱和干旱地區(qū).高平原-河谷平原區(qū)內(nèi)地表巖性以沖洪積亞砂土、砂卵石及碎石等為主,丘陵山地以及昆侖山和唐古拉山等高大山脈分區(qū)的山坡中下段,地表巖性以殘、坡積碎石、角礫、砂、亞砂及亞黏土等為主,從巖性上,不同分區(qū)表層土體具有明顯的相似性(表2).1.2.2生態(tài)系統(tǒng)變化特征對(duì)土壤樣品進(jìn)行粒度組成分析,土壤有機(jī)質(zhì)、全氮等植物營養(yǎng)成分含量分析,這些要素的分析結(jié)果分別歸并在三個(gè)土壤深度0～20,20～50和50～100cm,以便于進(jìn)行植物根系層與深層不同樣方點(diǎn)的對(duì)比.凍土環(huán)境以凍土上限深度(活動(dòng)層厚度)和凍土厚度為主要指標(biāo),生態(tài)特性分析包括植物群落類型、群落覆蓋度、植被生產(chǎn)力(用單位面積植物地上部分總產(chǎn)量表示,也可稱為植物地上現(xiàn)存量)等為指標(biāo).各指標(biāo)數(shù)據(jù)依據(jù)調(diào)查樣方具有3～4組重復(fù)取其平均值,按照生態(tài)系統(tǒng)類型歸類,采用統(tǒng)計(jì)回歸分析方法,分析凍土環(huán)境指標(biāo)與生態(tài)特性指標(biāo)之間的相關(guān)程度及其對(duì)應(yīng)相關(guān)方程.生態(tài)系統(tǒng)退化表現(xiàn)為生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成變化、植被覆蓋度和生物生產(chǎn)力的下降,三者中出現(xiàn)其中任何一種現(xiàn)象都可認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了退化,對(duì)于特定的高寒草甸和高寒沼澤草甸生態(tài)系統(tǒng)而言,群落組成的變化意味著原有密生的嵩草群落被其他雜類草代替,大量調(diào)查結(jié)果表明這必然導(dǎo)致植被群落覆蓋度下降,在群落覆蓋度不下降的情況下,生態(tài)系統(tǒng)的退化就可能體現(xiàn)為生產(chǎn)力的衰退,第三種情況就是覆蓋度和生產(chǎn)力均下降.對(duì)于高寒草原而言,草地退化的主要表現(xiàn)形式就是荒漠化和生產(chǎn)力下降.據(jù)此,本次研究中描述生態(tài)系統(tǒng)變化特征的主要指標(biāo)是植被覆蓋度和植被生產(chǎn)力.利用20世紀(jì)80年代中期和2000年兩期LandsatTM/ETM遙感數(shù)據(jù),在野外生態(tài)綜合考察的基礎(chǔ)上,建立了14類246個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的遙感解譯標(biāo)志庫,并確定了以草地生態(tài)系統(tǒng)為核心的8大類35亞類遙感土地生態(tài)分類方案,通過ARC/INFO和ARCVIEW軟件系統(tǒng),利用1︰100000地形圖,對(duì)比分析研究區(qū)域昆侖山-唐古拉山區(qū)域12.6km2范圍內(nèi),在近15年間研究區(qū)域高寒生態(tài)系統(tǒng)對(duì)凍土環(huán)境變化的響應(yīng)特征.1.2.3凍土地溫回歸模型凍土環(huán)境對(duì)氣候變化十分敏感,未來氣候持續(xù)升溫情境下凍土環(huán)境的持續(xù)變化對(duì)高寒生態(tài)系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生何種影響,是本文研究的另一個(gè)問題.吳青柏等人建立了基于統(tǒng)計(jì)關(guān)系的氣溫變化與凍土地溫變化之間的模擬與預(yù)測模型,利用GCMs模型可獲得未來不同時(shí)期研究區(qū)域不同地帶的可能氣溫變化根據(jù)這些氣溫變化預(yù)測結(jié)果輸入到上述凍土地溫模擬模型中,可以獲得未來不同氣溫升高情景下不同地區(qū)凍土溫度變化值,然后根據(jù)凍土溫度變化,結(jié)合不同典型地區(qū)不同凍土溫度變化幅度可引起的凍土上限變化觀測結(jié)果,利用上述獲得的凍土環(huán)境要素與生態(tài)特性指標(biāo)之間的回歸統(tǒng)計(jì)關(guān)系,分析氣候變化對(duì)研究區(qū)域凍土生態(tài)系統(tǒng)的可能影響,具體分析模型如圖1.2冷生態(tài)系統(tǒng)與冷土環(huán)境之間的關(guān)系2.1結(jié)構(gòu)-氣候變化與結(jié)構(gòu)分區(qū)青藏高原草地生態(tài)系統(tǒng)的類型與分布受高原水熱等生態(tài)地理?xiàng)l件制約,具有宏觀上明顯的區(qū)域分帶性,在高原的植被區(qū)劃上,研究區(qū)域?qū)儆诟吆菰瓉唴^(qū)的長江源高寒草原區(qū),其東南面比鄰于青南高寒草甸區(qū)西北部,以島狀凍土和季節(jié)凍土為主(唐古拉山區(qū)為多年凍土),降水量400～600mm;南面以唐古拉山為界,在唐古拉山尤其是安多以南,多年凍土消失,降水量高于唐古拉山以北地區(qū),大部分地區(qū)年均降水量達(dá)到500～700mm,是藏北典型高寒草甸區(qū);北部以昆侖山為界,與柴達(dá)木荒漠區(qū)相接,西鄰青藏高原西部可可西里高寒荒漠草原區(qū).年均400mm降水量等值線可以近似看作高原中部高寒草甸和高寒草原兩類生態(tài)系統(tǒng)地理分布的分界線,高寒草原分布區(qū)域年均降水量在150～400mm,唐古拉山地區(qū)是藏北高寒草甸區(qū)、青南高原高寒草甸區(qū)和高原中部高寒草原區(qū)的交匯地帶.在上述宏觀的高原總體生態(tài)系統(tǒng)分布地帶性規(guī)律的背景下,周新民等研究指出:受多年凍土和局部地形條件的影響,局部地帶土壤水分長期處于濕潤甚至飽和狀態(tài),使得研究區(qū)域所在的青藏高原中西部高寒草原帶(包括研究區(qū)域所在的長江源區(qū)高寒草原帶和位于黃河源區(qū)的花石峽-扎陵湖高寒草原帶)發(fā)育了高寒草甸和高寒沼澤草甸.研究區(qū)域內(nèi),高寒生態(tài)系統(tǒng)的空間分布與凍土的分布區(qū)劃具有很好的對(duì)應(yīng)性,高平原-河谷平原凍土區(qū)是高寒草原分布區(qū),而高寒草甸和高寒沼澤草甸則主要集中分布于丘陵低山和唐古拉山凍土區(qū)的北麓和半陰坡(表2).從各凍土分區(qū)所具有的凍土環(huán)境來看(表3),高寒草原所在的高平原-河谷平原凍土區(qū),具有相對(duì)較高的年均氣溫和凍土地溫,凍土厚度小于60m,高含冰凍土(飽冰凍土和含土冰層)比例較小;高寒草甸和高寒沼澤草甸分布的丘陵山區(qū)和唐古拉山等凍土區(qū),更加寒冷的氣候以及較低的凍土地溫,形成了這些地區(qū)穩(wěn)定的大厚度凍土層,凍土厚度一般大于50m,且凍土含冰量較大,大部分地區(qū)高含冰凍土比例在40%以上.根據(jù)已有的氣象站和青藏高原氣候要素總體分布趨勢推測,絕大部分地帶的降水量在260～290mm之間,南北相差不大,在丘陵和山區(qū)隨海拔高度增加降水量略有增加(表3),如果不考慮凍土因素,單純這種干旱少雨的氣候條件很難形成大范圍分布的高寒草甸.正是由于低山丘陵和高山地帶所具有的深厚高含冰凍土(坡麓泥流堆積的土壤條件、山區(qū)降水徑流匯集的水分條件以及山區(qū)低氣溫和低地溫條件是深厚高含冰凍土發(fā)育的基礎(chǔ)),受凍土阻隔和地下冰的融化補(bǔ)給,每當(dāng)暖季冰雪消融水不能下滲,加之山地北麓和半陰坡較弱的太陽輻射和蒸散發(fā)強(qiáng)度,使得地表土壤水分含量始終處于濕潤甚至飽和狀態(tài),尤其在坡地中下部匯水洼地、山間碟形洼地,冰雪融水大量聚集而長期積水,因而對(duì)水分條件十分敏感的高山草甸植被就在這些區(qū)域分布并在局部匯水地帶發(fā)育高寒沼澤草甸.在研究區(qū)域,弱蒸散發(fā)(輻射)強(qiáng)度、低地溫、深厚高含冰凍土是高寒草甸分布的基本條件,疊加上積水地形就成為高寒沼澤草甸的分布條件,而低地溫實(shí)際上也是高含冰凍土存在的先決條件,因此,滿足上述條件的高山或低山丘陵坡麓和山間盆地,無論高山區(qū)還是低山丘陵區(qū)是高寒草甸和高寒沼澤草甸分布的主要地貌部位,具有相對(duì)一致的地形地貌和氣候條件.在研究區(qū)域宏觀生物氣候條件控制下,高寒草甸和高寒沼澤草甸的分布與保障土壤水分條件的深厚高含冰凍土的存在與穩(wěn)定以及地形影響下的降水量區(qū)間差異密切相關(guān).與研究區(qū)域相鄰的唐古拉山南部藏北高寒草甸區(qū)和東部青南高原高寒草甸區(qū)等非多年凍土區(qū)域的高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的分布與變化則完全遵循高原生物氣候分帶規(guī)律的制約.2.2凍土環(huán)境的交互作用本次研究共部署樣點(diǎn)56個(gè),其中在高寒草甸和高寒沼澤草甸分布的3個(gè)低山丘陵和2個(gè)高山區(qū)部署樣點(diǎn)31個(gè),在高寒草原分布區(qū)部署樣方點(diǎn)25個(gè),與凍土環(huán)境調(diào)查數(shù)據(jù)相匹配后,由于在有些樣方點(diǎn)沒有能夠獲得準(zhǔn)確的凍土環(huán)境特征數(shù)據(jù),高寒草甸可以進(jìn)行相關(guān)分析的有效點(diǎn)為18個(gè),高寒沼澤草甸僅有7個(gè),高寒草原為15個(gè).根據(jù)上述樣帶布置原則,在每種生態(tài)類型分布區(qū)樣帶上樣點(diǎn)的布置是隨機(jī)的,除了高寒沼澤草甸外,其他兩類生態(tài)樣點(diǎn)上經(jīng)過3～4次樣方重復(fù)的數(shù)據(jù),應(yīng)具有較好的代表性和可對(duì)比性.對(duì)于高寒沼澤草甸,如圖2所示,依據(jù)在風(fēng)火山、開心嶺和雁石坪等地的沼澤草甸樣點(diǎn)調(diào)查結(jié)果所獲得7個(gè)可對(duì)比數(shù)據(jù),盡管無法獲得定量的凍土與沼澤草甸生態(tài)系統(tǒng)之間的相關(guān)關(guān)系,但仍然可以說明一個(gè)趨勢:高寒沼澤草甸疏干退化為草甸時(shí),凍土上限下降.沼澤草甸外圍地帶具有明顯的高寒草甸與沼澤草甸過渡帶,過度帶寬度以及沼澤草甸對(duì)于凍土上限深度的水分疏干臨界值范圍,各地存在明顯不同,這可能與水分補(bǔ)給來源和充足程度有關(guān).從上述討論中可知,研究區(qū)域高寒草甸和高寒沼澤草甸分布于相同的地貌單元和凍土分區(qū),所依賴的凍土環(huán)境條件也相同,僅僅是所處的地貌部位有所差異,在空間分布上二者也具有密切的交互性,調(diào)查樣點(diǎn)不可避免地出現(xiàn)二者并存的現(xiàn)象.圖2中凍土上限深度大于2.2m的4個(gè)點(diǎn)所代表的情形,盡管在群落構(gòu)成上存在沼澤草甸與高寒草甸的過渡特征,從分析凍土與生態(tài)的相互關(guān)系角度,由于凍土環(huán)境的相似性和單純高寒沼澤草甸樣點(diǎn)數(shù)過少,本次研究將這種過渡帶樣點(diǎn)數(shù)據(jù)歸并到高寒草甸類型中,不再單獨(dú)討論高寒沼澤草甸生態(tài)系統(tǒng)與凍土環(huán)境的相關(guān)關(guān)系.考慮到高寒沼澤草甸植被相比高寒草甸植被對(duì)水分條件更加敏感,結(jié)合圖2的變化趨勢,可以認(rèn)為,高寒沼澤草甸對(duì)于凍土環(huán)境變化的響應(yīng)與高寒草甸相似且更加強(qiáng)烈.利用調(diào)查樣點(diǎn)凍土環(huán)境與高寒生態(tài)系統(tǒng)特征數(shù)據(jù),進(jìn)行凍土要素與植被群落覆蓋度之間的統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果表明,凍土上限深度與高寒植被覆蓋度之間的關(guān)系,存在明顯的不同生態(tài)系統(tǒng)間的差異,如圖3所示.高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的覆蓋度與凍土上限之間具有較好的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性,隨凍土上限深度增加,高寒草甸草地的覆蓋度顯著減小,這種相依變化的相關(guān)系數(shù)在0.82,兩者之間具有近似的拋物線方程關(guān)系呈現(xiàn)高寒草甸植被覆蓋度歲凍土上限深度增加而遞減的規(guī)律,其遞減幅度在4.0m以后趨于減緩.由于兩者間的關(guān)系還受地貌、土壤、凍土層巖性以及氣候條件的制約,因此可以認(rèn)為兩者之間的這一統(tǒng)計(jì)相關(guān)程度已經(jīng)反映了其相互依賴的較高密切程度.據(jù)此可以獲得青藏高原昆侖山至唐古拉山南麓多年凍土分布區(qū)域,高寒草甸(包括高寒沼澤草甸)植被群落覆蓋度Cm與凍土上限h之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系:對(duì)于高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)(包括高寒沼澤濕地生態(tài)),如前所述,覆蓋度是指示高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)最重要的指標(biāo).根據(jù)其生態(tài)特性,在未受任何干擾生態(tài)系統(tǒng)保持良好狀態(tài)下,高寒草甸的植被覆蓋度受水熱條件和土壤條件影響而產(chǎn)生的變化一般介于80%～97%,絕大部分地帶未受干擾的天然高寒草甸植被覆蓋度會(huì)在85%以上[16～18],覆蓋度低于50%就認(rèn)為出現(xiàn)了較嚴(yán)重程度退化,覆蓋度低于30%,則認(rèn)為出現(xiàn)極嚴(yán)重退化并呈黑土灘地.高寒草甸與凍土環(huán)境間的關(guān)系實(shí)際上反映了氣候變化下凍土條件與高寒草甸土壤水分條件之間的密切聯(lián)系,高寒草甸對(duì)于凍土環(huán)境的依賴性實(shí)際上就是高寒草甸對(duì)于土壤水分的依賴性和敏感性.依據(jù)高寒草甸覆蓋度與凍土上限深度間的關(guān)系,當(dāng)凍土環(huán)境出現(xiàn)退化,上限深度在地表3.5m以下,高寒草甸草地將可能出現(xiàn)中度退化,凍土上限深度在4.5m以下,高寒草甸草地將可能出現(xiàn)嚴(yán)重退化,逐漸成為黑土灘地或草原化一般凍土上限深度小于3.0m,高寒草甸植被群落保持較好,具有較高的覆蓋度.但對(duì)于高寒草原生態(tài)系統(tǒng),植被覆蓋度與凍土上限之間的相互關(guān)系不明顯(圖3),兩者之間不具有明顯的統(tǒng)計(jì)意義上的相關(guān)關(guān)系,反映出高寒草原生態(tài)系統(tǒng)的分布與變化與凍土環(huán)境變化的關(guān)系不密切.這說明了高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)對(duì)于區(qū)域氣候變化更加敏感,隨氣候變化高寒草甸退化劇烈,而高寒草原相對(duì)穩(wěn)定.2.3凍土上限深度對(duì)健全性土地土壤養(yǎng)分含量的影響從土壤表層30cm深度范圍內(nèi)的有機(jī)質(zhì)含量和粒度組成變化兩個(gè)角度來分析凍土環(huán)境與高寒生態(tài)系統(tǒng)土壤特性之間關(guān)系.與草地覆蓋相類似,高寒草原草地土壤有機(jī)質(zhì)含量大小與凍土上限深度之間沒有明顯的依存變化關(guān)系(圖4(a)),大部分樣點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)含量在10.0g/kg以下,在凍土上限深度軸上,高寒草原草地土壤有機(jī)質(zhì)含量分布十分分散.但高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)與此不同,草地土壤有機(jī)質(zhì)含量與凍土上限深度之間具有較為顯著的的負(fù)指數(shù)關(guān)系(如圖4(a)),隨凍土上限加深,土壤活動(dòng)層厚度增大,土壤上部有機(jī)質(zhì)含量減少,盡管兩者之間的相關(guān)系數(shù)只有0.67,但考慮到土壤有機(jī)質(zhì)含量變化受土壤組成結(jié)構(gòu)、地貌與氣候條件等諸多因素影響,這種關(guān)系足以說明了凍土變化對(duì)于高寒草甸土壤養(yǎng)分要素所具有的負(fù)影響趨勢.當(dāng)凍土上限深度增加到3.0m以上時(shí),高寒草甸植被由于活動(dòng)層上層水分向深部遷移而導(dǎo)致植被退化、上部土壤有機(jī)質(zhì)隨之大量損失.凍土上限深度在3.5m以上,在所調(diào)查的大部分高寒草甸草地樣點(diǎn)中,土壤有機(jī)質(zhì)含量與高寒草原土壤的有機(jī)質(zhì)含量相當(dāng),表現(xiàn)出土壤養(yǎng)分的草原化趨勢.高寒生態(tài)系統(tǒng)變化在土壤特性上的一個(gè)重要體現(xiàn)就是土壤表層粒度組成發(fā)生變化,主要是隨著植被群落蓋度減小,根系層固定土壤的能力將顯著下降,因此草地土壤就會(huì)顯著粗礪化,如圖4(b)所示,高寒草甸草地土壤表層粒度大于0.5mm的砂礫石含量隨凍土上限深度增加而呈二次拋物線形式顯著增加,兩者之間具有較好的正相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)0.7),高寒草原草地土壤也具有一定程度的這種變化趨勢(相關(guān)系數(shù)0.63),說明高寒生態(tài)系統(tǒng)隨凍土環(huán)境退化,不僅植被覆蓋度發(fā)生顯著變化,而且伴隨植被群落結(jié)構(gòu)變化,草甸土壤組成結(jié)構(gòu)也將發(fā)生改變.實(shí)際上高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生退化后,一個(gè)必然發(fā)生的過程是高寒草甸土壤質(zhì)量隨之退化.但要說明的是,高寒生態(tài)系統(tǒng)土壤表層的細(xì)粒物質(zhì)(粒度小于0.01mm)含量沒有明顯變化趨勢(圖4(c)).2.4單位面積生物量過高這里用單位面積植物群落地上生物量(高寒草甸和高寒草原地上植物現(xiàn)存量)來表示植被生產(chǎn)力狀況,如圖5所示,高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的地上植物群落生物量與凍土上限之間具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,高生物量的高寒草甸分布區(qū),凍土上限較淺,活動(dòng)層較薄,根系層的土壤水分和養(yǎng)分不易流失,植被覆蓋度高,單位面積植物群落生物量就比較高;伴隨凍土上限下降,根系層水分與養(yǎng)分隨之向深部遷移,導(dǎo)致植被覆蓋度和群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,植被生產(chǎn)量減少,隨凍土上限從1.7m下降到4.9m,地上植物量從667g/m2減少到344g/m2.根據(jù)調(diào)查樣點(diǎn)的回歸統(tǒng)計(jì)分析,高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)植被生產(chǎn)力(地上植物量)Bm與凍土上限深度之間具有(2)式的相關(guān)變化模式,其相關(guān)系數(shù)在0.86,具體方程為對(duì)于高寒草原生態(tài)系統(tǒng),地上植物量與凍土條件沒有明顯關(guān)系(圖5),無論凍土上限如何變化,調(diào)查樣點(diǎn)內(nèi)高寒草原地上植物量變化在227～420g/m2范圍,不存在明顯的相依變化規(guī)律.這與其覆蓋度與凍土環(huán)境的關(guān)系是一致的,從植被覆蓋度和植被生產(chǎn)力兩個(gè)角度充分說明凍土環(huán)境變化對(duì)高寒草原生態(tài)系統(tǒng)的影響微弱.2.5凍結(jié)層上地下水位與凍土上限的關(guān)系地下水對(duì)于維持高寒生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的水分條件具有重要影響,但凍土層上地下水分布很不均勻,在所調(diào)查的56個(gè)點(diǎn)上,能夠查明地下水位并與凍土上限可匹配的樣點(diǎn)只有21個(gè),大部分調(diào)查點(diǎn)未能揭示出地下水文分布狀況.從掌握的21個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析來看(圖6),由于凍土上限實(shí)際上是凍結(jié)層上地下水的隔水底板,因此凍結(jié)層上地下水位埋深大小,與凍土上限之間就具有十分明顯的相互依賴關(guān)系,盡管受到諸如地貌、含水層巖層結(jié)構(gòu)與分布特性等的影響但兩者之間具有較為顯著的相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)達(dá)到顯著的0.82,隨凍土上限升高,凍結(jié)層上地下水位埋深隨之變淺.尤其是當(dāng)凍土上限深度在3.5m以下時(shí),這種情況主要發(fā)生在高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)分布區(qū)地下水位埋深隨凍土上限抬升而變淺的幅度更加顯著,而充足的水分條件對(duì)于維護(hù)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定十分重要,這就不難理解高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)更加密切依賴凍土上限深度的原因.凍土層上水實(shí)際上是融化層重力聚集水,與大氣降水和地表水的水力聯(lián)系密切,是維持高寒草甸土壤水分、尤其是保障高寒沼澤草甸土壤飽和含水量的重要水源,因此與高寒草甸和高寒沼澤草甸生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定關(guān)系密切.盡管高寒草原植被覆蓋度與凍土上限之間沒有明顯的關(guān)系,但較高的地下水位顯然對(duì)于維持高寒草原草地良好的生態(tài)功能具有重要作用.3冷土環(huán)境變化對(duì)寒冷生態(tài)系統(tǒng)的影響3.1健全區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)變化自20世紀(jì)70年代中期開始研究區(qū)域出現(xiàn)明顯升溫趨勢,1980～2000年間平均升溫0.5℃,平均凍土溫度升高0.2℃,在這種氣候變化影響下,凍土環(huán)境發(fā)生了顯著變化,表現(xiàn)在多年凍土分布下界北界向南退化0.5～1.0km,南界向北退化1～2km,多年凍土面積顯著萎縮;同時(shí),在中高山區(qū)凍土活動(dòng)層厚度年平均增加了4.0～8.4cm,在高平原區(qū)年平均增加了0.8～6.5cm,在中地山區(qū)平均增加了3～5cm.對(duì)應(yīng)研究區(qū)段所在的大約12.6km2區(qū)域內(nèi),利用1986年和2000年兩期LandsatTM/ETM遙感數(shù)據(jù),獲得近15年來的生態(tài)系統(tǒng)的區(qū)域性變化結(jié)果列于表4.為了更加明確地反映出生態(tài)系統(tǒng)變化的基本規(guī)律,把高寒草原和高寒草甸進(jìn)一步按其覆蓋程度各自劃分為兩種和3種次一級(jí)類型.高寒草甸分布面積在各類覆蓋度中均呈現(xiàn)萎縮趨勢,在近15年間總體上減少了7.98%,以覆蓋度大于70%的高覆蓋草甸面積減少幅度顯著,近15年間減少了4.78%.高寒沼澤草甸對(duì)環(huán)境干擾的高度敏感性使其變化十分顯著,近15年間該區(qū)域沼澤草甸生態(tài)分布面積銳減28.11%.高寒草原生態(tài)系統(tǒng)則與前述兩者不同,其分布面積呈現(xiàn)增加趨勢,尤其是覆蓋度小于30%的低覆蓋草原面積擴(kuò)展了9.95%(表4).高寒生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生上述變化的一個(gè)顯著特征就是高寒沼澤草甸的大面積萎縮,以及高寒草甸的嚴(yán)重退化,也就是說與凍土環(huán)境關(guān)系密切的高寒草甸和高寒沼澤草甸出現(xiàn)了顯著的退化,而與凍土環(huán)境關(guān)系不密切的高寒草原生態(tài)系統(tǒng)則相對(duì)穩(wěn)定并出現(xiàn)擴(kuò)張趨勢.高寒生態(tài)系統(tǒng)的變化主要受3個(gè)方面的因素制約:自然氣候條件、凍土環(huán)境和人類活動(dòng).該區(qū)域人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域性生態(tài)系統(tǒng)的影響主要是畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)活動(dòng),據(jù)調(diào)查,以該區(qū)域主要的青海治多縣、雜多縣以及格爾木唐古拉山鄉(xiāng)為例,草地現(xiàn)狀實(shí)際載畜量與理論載畜量相比盈余較大,個(gè)別地區(qū)甚至高達(dá)80%,放牧對(duì)區(qū)域性草地生態(tài)變化的影響有限.研究區(qū)域氣候條件的變化主要體現(xiàn)在氣溫的顯著升高(圖7),降水量在近40年來呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定并略有增加的趨勢.如上所述,高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)與凍土上限之間具有顯著的相關(guān)關(guān)系,決定了高覆蓋高寒草甸、尤其是高寒沼澤草甸生態(tài)系統(tǒng)對(duì)于凍土環(huán)境變化高度敏感,隨凍土上限下降而導(dǎo)致高寒沼澤草甸和高覆蓋高寒草甸草地退化迅速.高寒草原生態(tài)系統(tǒng)與凍土環(huán)境關(guān)系不密切,但上述研究表明維持較高的凍結(jié)層上地下水位和大厚度凍土層,對(duì)于高寒草原生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定也有一定影響,因此隨凍土環(huán)境退化,高覆蓋的高寒草原草地也出現(xiàn)較明顯的退化.凍土環(huán)境對(duì)氣候變化響應(yīng)強(qiáng)烈,任何氣候變化都會(huì)引起凍土環(huán)境的深刻變化,可以認(rèn)為氣候變化及其作用下的凍土環(huán)境變化是導(dǎo)致該區(qū)域高寒生態(tài)系統(tǒng)變化的最主要和直接因素.3.2不同區(qū)、不同氣候、氣候?qū)Σ莸厣锷a(chǎn)的影響選擇研究區(qū)域五道梁、風(fēng)火山、開心嶺、溫泉、唐古拉山以及桃兒九山等高寒草甸(包括高寒沼澤草甸)分布區(qū)典型樣點(diǎn),利用上述獲得的回歸方程(1)和(2)分析氣候升溫1℃和2℃兩種情景下,未來50年平均凍土環(huán)境變化對(duì)高寒生態(tài)系統(tǒng)的可能影響,結(jié)果列于表5.其中不同氣溫升高情境下未來50年凍土環(huán)境變化由吳青柏等人經(jīng)過模擬給出.設(shè)定高寒草甸草地植被最大覆蓋度為100%,當(dāng)覆蓋度90%～100%時(shí)認(rèn)為沒有變化,80%～90%為輕度退化,70%～80%為中度退化,60%～70%為較嚴(yán)重退化,60%以下為嚴(yán)重退化.從模擬結(jié)果看,當(dāng)氣溫升高1℃的情況下,受凍土環(huán)境變化影響,五道梁、開心嶺以及桃兒九山等區(qū)域的低山和高平原地帶,高寒草甸(高寒沼澤草甸)將出現(xiàn)中等-輕度退化,草地退化趨勢相對(duì)明顯;其他區(qū)域以及絕大部分中高山區(qū)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)沒有明顯變化.表現(xiàn)在單位面積生物生產(chǎn)量的變化上,五道梁、開心嶺以及桃兒九山等區(qū)域的低山和高平原地帶的生物量平均下降4.8%～8.4%,而其他如可可西里、風(fēng)火山以及唐古拉山等區(qū)域低山與平原區(qū)高寒草甸生物量影響不大,平均減少幅度在2.5%以下.當(dāng)氣溫升高幅度達(dá)到2℃的情況下,從高寒草甸植被覆蓋度角度看,五道梁、桃兒九山地區(qū)低山與平原區(qū)的高寒草甸將出現(xiàn)較為嚴(yán)重的退化趨勢,局部植被覆蓋度將下降到70%以下,開心嶺地區(qū)低山和平原區(qū)高寒草甸出現(xiàn)中等程度退化;可可西里、風(fēng)火山和唐古拉山等區(qū)域的低山與平原區(qū)的高寒草甸出現(xiàn)輕度程度的退化,同時(shí),在開心嶺和桃兒九山等地區(qū)的中高山區(qū)高寒草甸也出現(xiàn)輕度退化趨勢.從生物生產(chǎn)量的變化來看,氣溫升高2℃時(shí),幾乎所有區(qū)域高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的生物生產(chǎn)力均有不同程度的影響其中五道梁、桃兒九山地區(qū)低山與平原區(qū)的高寒草甸草地生物量下降10%以上,可可西里、風(fēng)火山和開心嶺等區(qū)域低山與平原區(qū)高寒草甸草地生物量減少5%～9%,唐古拉山區(qū)域低山與平原區(qū)和桃兒九中高山區(qū)高寒草甸草地生物量下降3.7%～4.5%,其他區(qū)域生物量變化不顯著.凍土