李乃杰，宜樹華，秦 彧，任世龍，陳建軍

(1.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 冰凍圈科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000;2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100049)

青藏高原天然草地面積約為1.287×106km2[1]，是我國主要的草地畜牧業(yè)生產(chǎn)基地和生態(tài)安全的重要屏障。近年來，在氣候變化和過度放牧的干擾下，青藏高原高寒草地發(fā)生了嚴(yán)重退化。目前，青藏高原發(fā)生退化的草地面積有0.45×108hm2，約占青藏高原草地總面積的1/3，其中嚴(yán)重退化的次生裸地——“黑土灘”約占退化草地面積的16.5%[2]，已經(jīng)對青藏高原的生態(tài)環(huán)境建設(shè)、生物多樣性保護(hù)以及畜牧業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了巨大威脅。因此，針對退化草地進(jìn)行人工修復(fù)是保護(hù)青藏高原的生態(tài)環(huán)境、恢復(fù)治理退化草地的有效措施之一。翻耕補(bǔ)播是退化草地改良的有力手段，它能有效地去除雜草，提高植被恢復(fù)速度，增加土壤的有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤的物理屬性等[3-5]，有著較好的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會效益[6-8]。但是，翻耕補(bǔ)播技術(shù)也存在一定的負(fù)面效應(yīng)，如翻耕會破壞地表植被，增大地表蒸散，導(dǎo)致土壤水分的嚴(yán)重流失，在沙化草地或者降水較少的地區(qū)，有可能引發(fā)草地沙化等[9-10]，因此，在這些區(qū)域內(nèi)，翻耕的負(fù)面效應(yīng)可能等于或者大于其效益，應(yīng)謹(jǐn)慎使用[11]。

在疏勒河源區(qū)，當(dāng)?shù)卣?005年對部分退化的高寒草地進(jìn)行了翻耕補(bǔ)播，效果不好，于2011年再次進(jìn)行了翻耕補(bǔ)播。由于該區(qū)域?qū)儆诟珊?半干旱區(qū),土壤水分是影響植被生長的重要因子[12],本研究將通過對比高寒草甸、退化草甸以及翻耕草地在不同植被覆蓋狀況下土壤水、熱的動態(tài)過程，分析翻耕對土壤水分的影響機(jī)理，進(jìn)而分析翻耕在該區(qū)域退化草地恢復(fù)中作用不明顯的原因。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況 研究區(qū)域位于青藏高原東北緣，祁連山脈西段青海省蘇里鄉(xiāng)境內(nèi)，屬于疏勒河源區(qū)，受季風(fēng)影響較小[13]，降水偏少而潛在蒸散量較大，屬于干旱-半干旱區(qū)[14]，草地類型為高寒草甸，主要植被種類包括高山嵩草(Kobresiapygmaea)、苔草(Carextristachya)、鐵棒錘(Aconitumpendulum)、紫菀(Astertataricus)、火絨草(Leontopodiumalpinum)、金露梅(Potentillafruticosa)、蒿草(Atremisavulgaris)和西伯利亞蓼(Polygonumsibiricum)8種。植被低矮，株高基本在10 cm以下。研究區(qū)內(nèi)，存在較大面積的退化草地。在退化草地區(qū)域內(nèi)，當(dāng)?shù)卣?005年進(jìn)行了翻耕補(bǔ)播工作，但效果不理想，補(bǔ)播區(qū)域內(nèi)的退化草地難以恢復(fù)，鐵棒錘等雜草依然是該區(qū)域內(nèi)的主要物種，在2011年再次進(jìn)行了翻耕補(bǔ)播。

1.2氣象數(shù)據(jù) 本研究所使用的氣象數(shù)據(jù)來源于研究區(qū)內(nèi)的蘇里鄉(xiāng)觀測站。觀測站設(shè)有自動氣象站(36.42° N，98.30° E，海拔3 802 m)，觀測項(xiàng)目包括降水(儀器型號：T200B)、氣溫(儀器型號：HMP45C)和輻射(儀器型號：CNR-1)資料。觀測期為2011年8月5日-9月10日。在觀測期內(nèi)，存在兩次較大的連續(xù)性降水，第1次為8月10日-8月26日，總降水量達(dá)76.7 mm；第2次為9月3日-9月7日，總降水量為12.8 mm。日平均向下短波輻射在350～100 W·m-2。日平均氣溫在10 ℃左右，9月氣溫開始下降，霜凍出現(xiàn)，植被逐漸枯萎(圖1)。

圖1 研究期內(nèi)的大氣狀況

1.3研究方法 選擇研究區(qū)內(nèi)8種典型的植被群落，包括高山嵩草、苔草、金露梅、鐵棒錘、紫菀、火絨草、蒿草和西伯利亞蓼(圖2)，在氣象塔附近分別設(shè)置樣方。群落樣方大小為0.5 m×0.5 m，用鐵框進(jìn)行標(biāo)識。但由于高山嵩草群落的樣方位置處在河漫灘上，觀測數(shù)據(jù)受河流水位的干擾比較嚴(yán)重。而其余7種植被群落的樣方均位于平地上，相互間距離不超過200 m。因此，本研究僅對除高山嵩草外的其他7種植被群落樣方的觀測資料進(jìn)行分析。

于8月9日-9月7日，對7個(gè)群落的植被蓋度、土壤水分和土壤溫度每周進(jìn)行一次人工觀測，觀測時(shí)間分別為8月9日、8月17日、8月24日、8月31日和9月7日，共5次。對每次觀測的結(jié)果求取日平均后，可以得到7個(gè)樣方的蓋度、日平均溫度和日平均土壤含水量。通過分析每次觀測的7個(gè)樣方的日平均溫度-蓋度的關(guān)系和日平均土壤含水量-蓋度的關(guān)系，找出植被蓋度對地表水熱條件的影響，進(jìn)而分析在半干旱區(qū)降水不足的條件下，翻耕破壞地表植被后可能產(chǎn)生的不利影響。

植被蓋度、日平均溫度和日平均土壤含水量的獲取方法為：1)使用普通相機(jī)拍攝樣方照片(以鐵棒錘為例，圖3)，并使用WinCAM軟件，獲取當(dāng)日該群落的植被蓋度[15]。2)使用testo熱紅外成像儀(圖3)拍攝樣方的熱紅外照片，并應(yīng)用其自帶軟件獲取當(dāng)日該群落的平均地表溫度。具體為：09：00-18:00，每小時(shí)使用testo熱紅外成像儀拍攝一次樣方(分為4個(gè)0.25 m×0.25 m的小樣方)的熱紅外照片(以鐵棒錘為例，圖3)，并應(yīng)用其自帶軟件獲取樣方的平均溫度(首先計(jì)算4個(gè)0.25 m×0.25 m小樣方的平均溫度，然后求取其平均值作為該0.5 m×0.5 m樣方的平均溫度)，最后求取當(dāng)日該群落的平均地表溫度。3)使用POGO便攜式土壤傳感器測量樣方6 cm土壤深度處的土壤體積含水量，然后求取當(dāng)日該群落的平均土壤含水量。具體為：從09:00-18:00，每小時(shí)使用POGO便攜式土壤傳感器測量一次樣方6 cm土壤深度處土壤體積含水量(通過儀器直接讀取)，然后求取當(dāng)日該群落的平均土壤含水量。由于儀器故障，土壤含水量只有8月9日、8月17日和8月24日的觀測數(shù)據(jù)。

圖2 研究區(qū)、氣象塔和植被群落的分布

圖3 樣方照片及儀器

2 結(jié)果分析

2.1植被蓋度 各群落的植被蓋度在8月9日或者8月17日達(dá)到最大，之后逐漸減小(圖4)。群落蓋度最高的是金露梅，其次是苔草，其余各群落的植被蓋度在生長期內(nèi)變異較大，但基本都比金露梅偏低30%～40%。平均而言，在所有的植被群落中，鐵棒錘的植被蓋度最低。

2.2土壤濕度與植被蓋度的相關(guān)性 對每次觀測的日平均土壤含水量和植被蓋度的相關(guān)性進(jìn)行分析(圖5)，發(fā)現(xiàn)平均蓋度最低的鐵棒錘群落土壤含水量最低，而蓋度最高的金露梅群落的土壤濕度始終保持在較高水平，植被蓋度和土壤含水量之間呈正相關(guān)關(guān)系，即植被蓋度較高的情況下，土壤的含水量也較高。8月9日、8月17日和8月24日土壤含水量和蓋度的相關(guān)系數(shù)分別為0.45、0.77和0.59，其中8月17日通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。

圖4 試驗(yàn)期間不同群落植被蓋度

圖5 土壤含水量和植被蓋度的相關(guān)性分析

2.3土壤地表溫度與植被蓋度的相關(guān)性 在觀測期內(nèi)，不同群落的植被蓋度和地表溫度的相關(guān)性并不完全一樣(圖6)。

8月17日，各個(gè)植被群落的地表溫度差異很小?；鸾q草地表溫度最高，為8.6 ℃，而苔草地表溫度最低，為7.9 ℃，兩者相差0.7 ℃。

8月24日和9月7日，較高蓋度植被群落的地表溫度高于較低蓋度植被群落，植被蓋度和地表溫度呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。8月24日和9月7日的相關(guān)系數(shù)分別為0.92和0.80，都通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。植被蓋度最高的金露梅群落，其地表溫度為15 ℃，而較低蓋度植被群落的地表溫度基本在12 ℃左右，兩者溫差可達(dá)3 ℃。

8月9日和8月31日的地表溫度較其余各日有所升高，較低蓋度植被群落的升溫速度要遠(yuǎn)高于較高蓋度植被群落。蓋度最低的鐵棒錘群落，其地表溫度的增加尤為劇烈，8月31日的地表溫度為20.1 ℃，8月9日的地表溫度高達(dá)25.7 ℃，相關(guān)性由正相關(guān)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)相關(guān)。

圖6 地表溫度和植被蓋度的相關(guān)性分析

3 討論

3.1土壤濕度、地表溫度與植被蓋度關(guān)系的物理機(jī)制分析 根據(jù)蘇里站2011年8-9月的觀測結(jié)果可以看出，該區(qū)域內(nèi)不同植被群落的土壤含水量與其植被蓋度之間存在正相關(guān)關(guān)系，而地表溫度和植被蓋度的相關(guān)性則存在較大的變異。太陽輻射是地表升溫的主要能量來源，8月17日云層較厚，到達(dá)地表的太陽輻射只有85 W·m-2(圖1)，地表升溫有限，日平均地表溫度只有8 ℃左右，各植被群落的地表溫度差異不明顯。其余4次觀測時(shí)間內(nèi)，太陽輻射都很強(qiáng)，地表溫度也較高，植被群落間的溫差較大，因此下面將結(jié)合這4次觀測結(jié)果進(jìn)行分析。

在一次降水過程之后，由于地表蒸散，土壤濕度會逐漸減少。8月24日和9月7日，觀測前幾天存在連續(xù)性降水，土壤含水量偏高。8月24日低蓋度的鐵棒錘群落的土壤含水量接近15%，較高蓋度的金露梅群落的土壤含水量達(dá)33.6%。而在8月9日和8月31日，之前數(shù)日都缺乏降水。根據(jù)8月9日土壤含水量的觀測記錄，各種植被的土壤含水量較8月24日偏低5%～15%。觀測結(jié)果表明，伴隨著土壤含水量的減少，較低蓋度植被群落的地表溫度增加較快，地表溫度-植被蓋度之間的關(guān)系從開始的正相關(guān)變?yōu)樨?fù)相關(guān)。本研究認(rèn)為，造成研究期間內(nèi)地表植被蓋度與地表溫度之間關(guān)系變化的原因與土壤含水量密切相關(guān)。土壤含水量影響著地表蒸散的變化，地表蒸散的變化會引起地表能量分配的變化，直接影響地表溫度。遙感上常使用歸一化植被指數(shù)(NDVI)和地表溫度(LST)之間的三角關(guān)系，開展旱情監(jiān)測工作[16-17]。此理論的基礎(chǔ)在于，地表蒸散量是控制地表溫度的主要因子，當(dāng)土壤含水量不足導(dǎo)致蒸散量減少時(shí)，地表的能量向感熱和升溫轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致地表溫度增加[18]。

結(jié)合以上的分析，本研究得出地表溫度與植被蓋度之間關(guān)系變化的物理機(jī)制：降水后土壤較濕潤的情況下，較低蓋度群落的地表蒸散偏高，地表溫度較低。但是持續(xù)較強(qiáng)的地表蒸散會導(dǎo)致土壤含水量急劇流失，土壤水分匱乏，蒸散也隨之降低，地表的能量從潛熱轉(zhuǎn)為地表感熱和升溫，較低蓋度群落內(nèi)的地表溫度劇烈升高；與此同時(shí)，較高蓋度群落的土壤水分充足，仍能維持較大的蒸散，潛熱帶走大量的熱量，地表溫度較低蓋度群落低。這說明較高的土壤含水量在促進(jìn)植被生長的同時(shí)，植被也有利于維持較高土壤含水量。

3.2土壤水分流失的生態(tài)危害 在本研究區(qū)內(nèi)，翻耕補(bǔ)播效果不理想的一個(gè)可能原因是：翻耕破壞了原生植被，地表蒸散加強(qiáng)，土壤的水分損失較翻耕前偏大。同時(shí)除了植被破壞的因素外，土壤物理屬性的變化也可能起著一定的作用。翻耕會導(dǎo)致土壤疏松，孔隙度增加，蒸散增強(qiáng)[19]，而使土壤含水量減少急劇，土壤變干。在干旱-半干旱區(qū)，降水稀少，本研究區(qū)內(nèi)的年降水量最多只有400 mm，無法補(bǔ)充高蒸散引發(fā)的水分流失。因此，翻耕區(qū)內(nèi)土壤含水量長時(shí)間偏低，干旱化加劇。干旱化加劇必然會導(dǎo)致原來高寒草原濕生植被難以恢復(fù)或者進(jìn)一步退化，引發(fā)一系列的正反饋過程[20]，退化草原的恢復(fù)難度將進(jìn)一步加大。

由此可見，土壤水分是高寒草地植被生長的一個(gè)重要制約因素。研究表明，高寒草地植被的恢復(fù)需要提高土壤含水量，但是常規(guī)灌溉不能完全滿足植被對水分的需求[21]。因此，尋找合適的灌溉方式和減少土壤水分的損失將成為干旱-半干旱高寒地區(qū)退化草地改良過程中一個(gè)必須解決的問題[22]。

本研究的不足之處在于，研究結(jié)果建立在對地表觀測結(jié)果進(jìn)行分析和對前人的研究結(jié)果進(jìn)行推斷的基礎(chǔ)上。在后續(xù)的研究中將使用陸面過程模式模擬不同植被蓋度情況下地表水熱平衡的變化差異，從機(jī)理上深入研究。

4 結(jié)論

當(dāng)?shù)卣畬ρ芯繀^(qū)內(nèi)的退化草地進(jìn)行了兩次翻耕補(bǔ)播工作，但是植被類型依然以旱生雜草為主，原來濕生的植被類型難以恢復(fù)。本研究發(fā)現(xiàn)，翻耕補(bǔ)播這種方式在破壞地表植被的同時(shí)，也改變了地表土壤的質(zhì)地，容易造成地表蒸散量增加和土壤含水量下降，不利于濕生型植被的生長恢復(fù)。采取增加灌溉或者免耕補(bǔ)播等不破壞地表植被和不改變土壤物理屬性的補(bǔ)播方式，可能更適合該地區(qū)內(nèi)的退化植被恢復(fù)，但這需要更多的觀測和模擬研究來進(jìn)行論證。

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