青海省三江源地区退化草地蒸散特征

了解三江源地区退化草地的蒸散状况有助于认识该地区退化生态系统水循环,对该地区的生态安全有着重要的意义。本研究利用涡度相关法观测青海省玛沁县小嵩草退化草地（３４．３５°Ｎ;１００．５０°Ｅ,海拔３９６３ｍ）的水热通量,对该地区２００６－２００８年全年的蒸散情况进行了特征分析。研究表明,２００６－２００８年三江源退化草地的蒸散值分别为４５２．２４,４７４．２４,４５９．５７ｍｍ,降水量分别为４６０．７,４９６．１,４８０．１ｍｍ,其中有７５％以上的降水分布在生长季,全年水平上蒸散量与降水量之比（ＥＴ／ＰＰＴ）为９５％ 以上,蒸散量与降水量基本持平。生长季日蒸散量１．８～１．９ｍｍ／ｄ,而非生长季日蒸散量＜０．６ ｍｍ／ｄ。蒸散日变化和年变化均为单峰型,每年６－７ 月蒸散量最大,为２．０～２．２ｍｍ／ｄ;日蒸散峰值出现在正午左右,其最大值生长季为０．２１ｍｍ／ｈ,非生长季为０．１０ｍｍ／ｈ。退化草地蒸散的主要环境因子是净辐射,其次为饱和水汽压亏和空气温度。随着生长季的推进,潜热对这些因素的敏感性逐渐增大。与未退化的矮嵩草草甸相比,退化草地生长季蒸散量较小,而非生长季蒸散量较大,这一结果表明,高寒草地的植被盖度驱动草地生态系统的蒸散。     

青藏高原金露梅灌丛草甸水分利用效率长期变化特征

解析高寒草甸水分利用效率连续变化特征及其影响因素,对于提升高寒草甸水分利用效率具有重要作用.本研究基于2003–2010年青海海北金露梅(Potentilla fruticosa)灌丛草甸连续8年间总初级生产力(gross primary productivity,GPP)和借助于潜热通量(latent heat flux,LE)和蒸发潜热(λ)计算实际蒸散量,进而计算出8年间水分利用效率值,并探讨了其对气象因子的响应特征,结果表明:1)年际尺度上,8年间总初级生产力、蒸散量和水分利用效率分别以每年98.55 g·m?2、40.15 mm和138.70 g·(m2·mm)?1的趋势上升;季节尺度上,总初级生产力、蒸散量和水分利用效率均在7月份达到最大值,1月份呈现最小值.2)年均温度、相对湿度和净辐射对全年水分利用效率相对贡献率均最高,三者能解释73.50％的全年水分利用效率变异.光合有效辐射、空气温度和相对湿度3个环境因子在生长季尺度上相对贡献率总值为74.14％.在全年和生长季尺度上,年均气温和光合有效辐射贡献率较高,分别为43.09％和30.79％.相关性分析结果显示,相对湿度是影响水分利用效率的主要因子,全年尺度上还有年均气温和饱和水汽压差,生长季尺度上主要影响因素还包括光合有效辐射和净辐射.研究结果对于明晰金露梅灌丛草甸水分利用效率调控机制具有重要意义.     

青藏高原金露梅灌丛草甸水分利用效率长期变化特征

解析高寒草甸水分利用效率连续变化特征及其影响因素,对于提升高寒草甸水分利用效率具有重要作用。本研究基于2003–2010年青海海北金露梅(Potentilla fruticosa)灌丛草甸连续8年间总初级生产力(gross primary productivity,GPP)和借助于潜热通量(latent heat flux,LE)和蒸发潜热(λ)计算实际蒸散量,进而计算出8年间水分利用效率值,并探讨了其对气象因子的响应特征,结果表明:1)年际尺度上,8年间总初级生产力、蒸散量和水分利用效率分别以每年98.55 g·m~(-2)、40.15 mm和138.70 g·(m~2·mm)~(-1)的趋势上升;季节尺度上,总初级生产力、蒸散量和水分利用效率均在7月份达到最大值,1月份呈现最小值。2)年均温度、相对湿度和净辐射对全年水分利用效率相对贡献率均最高,三者能解释73.50%的全年水分利用效率变异。光合有效辐射、空气温度和相对湿度3个环境因子在生长季尺度上相对贡献率总值为74.14%。在全年和生长季尺度上,年均气温和光合有效辐射贡献率较高,分别为43.09%和30.79%。相关性分析结果显示,相对湿度是影响水分利用效率的主要因子,全年尺度上还有年均气温和饱和水汽压差,生长季尺度上主要影响因素还包括光合有效辐射和净辐射。研究结果对于明晰金露梅灌丛草甸水分利用效率调控机制具有重要意义。     

青藏高原高寒湿地生态系统碳水通量与水分利用效率研究

为明晰高寒湿地生态系统碳水耦合机制，本研究基于2004—2009连续6年青海海北高寒湿地生态系统通量数据计算出总初级生产力和蒸散量变化，进而计算出高寒湿地水分利用效率变化。结果表明：年际尺度上，湿地生态系统呼吸速率、水分利用效率和生态系统CO₂净交换量均呈极显著上升趋势；季节尺度上，连续6年间非生长季生态系统碳排放总量大于生长季碳吸收总量；针对生态系统呼吸速率和水分利用效率均呈现出生长季值大于非生长季值；结构方程模型结果揭示相对湿度极显著影响高寒草甸湿地生态系统CO₂净交换量、生态系统呼吸速率和水分利用效率变化；水分利用效率和生态系统CO₂净交换量分别受净辐射和降水量的极显著影响。该研究结果可为高寒生态系统碳水耦合及对气象因子变化适应等提供理论依据。     

气象因子对青藏高原高寒草甸 参考蒸散的驱动特征

青藏高原被誉为"中华水塔",在全球气候变化的大背景下,青藏高原的水热平衡发生了一系列变化,研究青藏高原蒸散与气候变化关系,对于揭示气候变化对高原水文过程影响具有重要意义。基于2011-2016年6年自动观测连续数据,选取净辐射总量、气温、饱和水汽压差、降水、风速、相对湿度、日照时数7个主要气象因子,采用随机森林分析方法,分析了参考蒸散的季节及年际变化趋势,评估各气象因子对青藏高原参考蒸散的贡献。结果表明:1)在季节尺度上,参考蒸散总体表现为单峰曲线,即1-7月呈增加趋势,7月份达到最大值(132.48mm),7-12月开始逐渐下降;在年际尺度上,参考蒸散总体呈现递增的趋势,平均为1 023.03mm,且每年以29.61mm增加趋势上升。2)净辐射是影响参考蒸散年内变异最重要的气象因子,其他气象因子对其影响强弱排序为饱和水汽压差最高气温日照时数平均气温;对于生长季参考蒸散,气象因子对其影响强弱依次排序为净辐射日照时数饱和水汽压差最高气温。而降水、风速、最低气温和平均气温对年内参考蒸散和生长季参考蒸散影响较小。对非生长季参考蒸散,其所受气象因子强弱排序为净辐射饱和水汽压差风速最高气温平均气温,而相对湿度、日照时数、降水和最低气温对非生长季参考蒸散贡献较小。本研究表明,青藏高原矮嵩草(Kobresia humilis)草甸参考蒸散主要受净辐射驱动,且相比于平均温和最低气温,最高气温对其参考蒸散影响更大,这对于明晰高寒草甸水循环过程具有重要意义。     

青藏高原典型高寒荒漠生长季蒸散及水分消耗特征研究

为探究青藏高原典型高寒荒漠下垫面水分消耗规律,以2019年青藏高原典型高寒荒漠地区沱沱河站监测的涡动数据和微气象数据为基础,分析不同时间尺度蒸散值的变化特征和下垫面水分消耗特征,研究结果表明：小时平均蒸散发量最大值出现在14—15时,达0.46 mm·h^-1;日蒸散值最大值出现在7月7日,为8.58 mm·d^-1,最小值出现在4月2日,为0.30 mm·d^-1;整个生长季蒸散值呈先增加后减小趋势,其中7月份最大,为120.68 mm,4月份最小,为64.80 mm;生长季总蒸散发量为581.15 mm,平均每天蒸散4.01 mm。整个生长季累计降水量为235.70 mm,蒸散发量与降水量（Precipitation,Pr）的差值（The difference between ET and Precipitation,IETP）显示,2019年青藏高原典型高寒荒漠植被生长季（4—8月）水汽交换以下垫面水分消耗为主。     

青藏高原高寒灌丛草甸生态系统碳平衡研究

利用静态密闭箱—气相色谱法观测的高寒金露梅Dasiphora fruticosa灌丛、丛间草甸土壤微生物呼吸CO2通量结果,结合研究区群落生物量及样方调查,对高寒灌丛草甸生态系统的碳平衡状况作了初步估测。结果表明:植物生长季高寒灌丛草甸生态系统初级生产力年净固定碳量461.83g/(m2·a),土壤通过微生物呼吸年碳净排放量376.78g/(m2·a)。碳素输入大于输出,系统存在较强的CO2吸收潜力,是大气CO2的汇,其年净交换吸收碳量85.05g/(m2·a)。     

江河源区高寒草甸退化序列秃斑热岛效应研究

秃斑是江河源区高寒草甸退化序列普遍存在的地理景观,以江河源区高寒草甸退化序列秃斑为对象,分析表土5cm处温度日动态、月动态和季节动态及土壤有机碳与全年、生长季＞0℃积温的关系,结果表明:温度日动态为黑土滩退化样地中坡最高温、升温(降温)速率和温差最大,分别是未退化样地中坡的3.52倍、8.33(7.11)倍和8.21倍.生长季黑土滩退化样地中坡9月温差最大,未退化样地低坡6月温差最大,前者是后者的3.96倍;各样地8月＞0℃月积温最高,其中黑土滩退化样地中坡是未退化样地低坡的1.5倍;非生长季各样地最大温差和＞0℃月积温相差较小.全年、生长季＞0℃积温与土壤有机碳呈极显著负相关,全年、生长季＞0℃积温增加1000℃有机碳含量分别减少6.2％和7.3％.秃斑呈现突出的热岛现象,其热岛效应表现为土壤有机碳流失和水分蒸散,继而土壤可蚀性增大,或是高寒草甸退化的内在动力.     

三江源区高寒沼泽草甸日蒸散估算模型研究

蒸散作为重要的水文特征参数,是高寒沼泽草甸能量和水分消耗的主要途径,直接影响着生态系统的物质和能量循环。在高寒地区应用涡动相关法、波文比法、大型蒸渗仪等方法获取大范围实际蒸散较为困难。本研究通过高原地区辐射模型的比较、波文比系统观测,构建基于常规气象要素的高寒沼泽草甸实际蒸散模型,为高寒区域沼泽草甸大范围蒸散估算提供可能。研究结果表明,左大康辐射模型（ZUO）对青藏高原高寒沼泽草甸日辐射模拟效果最佳;采用FAO56 P-M,Priestley-Taylor,Hargreaves,Makkink等方法建立青藏高原高寒沼泽草甸日蒸散量估算参考蒸散量与实际蒸散量之间的经验模型,通过比较4种经验模型的RMSE,MAE和AI,发现经验模型FAO56 P-M,Makkink,Priestley-Taylor和Hargreaves都可以很好的估算高寒沼泽草甸的实际蒸散,其中FAO56 P-M,Priestley-Taylor和Makkink模型的模拟效果优于Hargreaves模型。     

高寒嵩草草甸不同退化梯度下生态系统光合和呼吸响应特征

青藏高原高寒草甸生态地位突出但退化严重,其植被光合和系统呼吸特征如何响应仍不清楚。于植被生长的旺盛期(7月中旬~8月中旬)在青藏高原祁连山南麓分别选取原生草地、中度退化和重度退化3类高寒草甸,使用自制同化箱和LI-6400便携式光合仪测定生态系统CO2净交换(NEE)、生态系统暗呼吸(RES)和生态系统初级光合(GEP),研究退化程度对高寒嵩草草甸生态系统CO2通量的影响特征。结果表明不同退化程度的NEE、RES和GEP的单峰日变化格局没有明显差异,日极值出现时间相近。日均NEE和日均RES随着退化加剧逐渐升高,重度退化较原生草地分别显著(P0.05)升高了41.8%和12.2%。日均GEP略有下降。退化降低了RES的温度敏感度(Q10),提高了群落表观光量子产额(a),但对系统潜在CO2最大同化速率(Pmax)无明显影响。在植被生长旺盛期,高寒草甸生态系统碳收支对退化的响应主要表现在系统的呼吸强度而非群落光合速率。     

三江源1982-2012年草地植被覆盖度动态及其对气候变化的响应

采用1982-2012年的多源遥感数据,结合像元二分模型,分析了三江源保护区不同时期代表性河流源区不同类型草地的植被覆盖度及其动态,并研究了草地植被覆盖度对气候因子的响应.结果表明,三江源草地覆盖度整体上呈现出西北低东南高的特征,全区草地平均植被覆盖度为48.73％,黄河源草地覆盖度最高(65.45％),长江源最低(4.25％),草甸、高山亚高山草甸、平原草原、高山亚高山草原和荒漠草原的平均植被覆盖度分别为59.86％、57.390％、39.50％、33.70％和14.13％;31年间全区草地覆盖度整体上呈现上升趋势,增长速度为每年0.230％,黄河源区的增长速度最快(每年0.27％);整体而言,低温比干旱对三江源草地覆盖度增长的限制作用更强,草甸、高山亚高山草甸和平原草原受气温影响较大,高山亚高山草原和荒漠草原受降水影响较大,在月尺度上草地覆盖度对气温表现出明显的滞后效应,而对降水不存在明显的滞后效应;三江源保护区成立(2001年)后,草地覆盖度的增长速度和增长面积都有所提升,全区草地覆盖度对气温的敏感度有所升高,黄河源草地覆盖度对降水的敏感度有明显下降.生态工程和草地保护措施整体上已经取得了一定的成效,但局部草地覆盖度下降趋势有所加剧,以荒漠草原最为突出,应在今后的保护工作中加以重视.     

高寒草甸草原净初级生产力对气候变化响应的模拟

利用1957-2014年气象数据和1998-2014年实测数据驱动CENTURY模型模拟海北高寒草甸草原生态系统地上净初级生产力(ANPP)的动态变化,并利用典型浓度路径RCP4.5和RCP8.5情景下5个大气环流模型的气候情景数据来模拟未来气候变化和CO₂浓度变化对草地生态系统ANPP的影响。结果表明:1)研究地点1998-2014年的ANPP观测值与模拟值变化趋势吻合度较高,Pearson相关性系数为0.67,均方根误差为19.62 g·m^-2,CENTURY模型适用于模拟气候变化对高寒草甸草原影响的研究。2)过去50多年,高寒草甸草原的年平均最低气温、最高气温和年平均气温都呈极显著的波动上升趋势(P<0.01),年降水量年际波动特征比较明显,降水主要集中在植被的生长季。过去50多年,高寒草甸草原ANPP平均值达到271 g·m^-2,总体变化趋势为增加,但变化趋势不显著(P>0.05)。3)与基准时段(2001-2014年)相比,高寒草甸草原未来2030s(2015-2040年)、2050s(2041-2070年)、2080s(2071-2099年)时段多模型年平均降水量、年平均温度、年平均最低和最高温度变化率均为正值。不考虑CO₂肥效作用下,高寒草甸草原多模型平均ANPP在RCP4.5和RCP8.5情景下分别增加2.21%,11.53%,17.78%和8.34%,21.68%,40.32%;考虑CO₂肥效作用下,高寒草甸草原多模型平均ANPP在RCP4.5和RCP8.5情景下分别增加2.89%,14.29%,24.28%和11.57%,31.74%,57.29%。考虑和不考虑CO₂肥效的情况下,5个大气环流模型引起的模拟结果的不确定性都在合理范围之内,多大气环流模型与CENTURY耦合模拟的ANPP结果较为一致。     

青藏高原高寒草甸N_2O排放速率及其对降水和气温的响应特征

在中国科学院海北高寒草甸生态系统定位研究站,利用静态密闭箱-气相色谱法,连续两年(2013,2014年)进行了高寒草甸N_2O排放速率及其对降水和气温的响应特征研究。结果表明:高寒草地N_2O年平均排放速率为32.4±3.1μg/(m~2·h),生长季排放速率为41.1±4.3μg/(m2·h),明显高于休眠季的排放速率20.2±3.2μg/(m~2·h);不同采样时期N_2O排放速率具有极显著差异;气温与N_2O的排放速率之间存在显著正相关关系(R=0.52),随着日平均气温增加,高寒草甸土壤N_2O排放速率逐渐提高;降水量与N_2O排放通量之间存在较弱的负相关关系。在未来全球增温的气候情景下,高寒草地土壤N_2O排放量将呈现上升的趋势。     

青藏高原高寒草甸生态系统CO2交换量的"转折气温"

为了理解青藏高原高寒草地生态系统的碳动态变化和环境因子对其的调控关系,分析2年(2002和2003年)的涡度相关数据.结果表明,高寒草地生态系统是"碳汇",2年分别从大气吸收了286.74和284.94 g CO2.相关分析表明,高寒草甸生态系统CO2交换量与日平均气温有十分明显的相关性,而与光量子通量密度和土壤含水量没有明显的相关性."转折气温",是生态系统光合通化增长速率开始大于生态系统的呼吸增长速率时的气温.通过线性指数模型,发现高寒草甸生态系统的"转折气温"是2.47 ℃.在降雨和光量子通量密度基本不变,生态系统比较稳定的条件下,如果增温效应发生在气温大于2.47 ℃,高寒草甸生态系统的"碳汇"功能将得以加强,反之,发生在气温小于2.47℃,"碳汇"功能将被削弱乃至转变为"碳源".     

干旱年份沙质草地生态系统净CO2通量年变化特征

草地生态系统是干旱半干旱区生态系统类型的重要组成部分,在区域生态系统碳平衡中起着极为重要的作用。采用涡度相关法对科尔沁沙质草地生态系统进行连续两年(2015和2016年)的碳通量观测,此两年恰逢研究区的相对干旱之年,年降水量约为历史平均值的60%。研究结果表明:1)年最大日均CO₂吸收速率分别为-6.68和-9.58 g·m^-2·d^-1,年最大日均释放速率分别为5.69和5.21 g·m^-2·d^-1。2)生长季(5-9月)碳吸收量分别为-120.54和-139.83 g·m^-2,非生长季碳释放量分别为230.33和212.82 g·m^-2。3)全年尺度上沙质草地生态系统表现为碳源,2015年净碳释放量(109.79 g·m^-2·年^-1)稍高于2016年(72.99 g·m^-2·年^-1)。4)生态系统净CO₂交换量(NEE)与空气温度、土壤温度及土壤湿度存在显著相关关系,但不同年份同期NEE对环境温度和湿度的响应程度不尽一致。     

不同退化程度高寒草甸植物物种多样性与生态系统多功能性关系

为探究高寒草甸不同退化程度生态系统多功能性的变化,本研究综合考虑了植物物种多样性和多种生态系统功能如生产力、养分循环和固存能力、土壤涵养水分能力等,运用降维因子分析的方法计算了生态系统多功能性,综合分析了植物物种多样性与生态系统功能和多功能性间的关系。结果表明：高寒草甸退化显著降低了Margalef指数、Shannon-weiner指数、Simpson指数和Pielou指数(P<0.05),各生态系统功能趋于恶化。高寒草甸退化导致生态系统多功能性的下降,综合统计量结果为轻度退化(21.9955)＞中度退化(8.7295)＞重度退化(—30.7245)。植物物种多样性与生态系统多功能性之间均存在正相关关系,其中Simpson指数与生态系统多功能性指数拟合的结果最好,说明高寒草甸生态系统多功能性受植物物种多样性的制约。本研究可为青藏高原草地退化及恢复的过程和机理研究提供理论依据。