李乃杰，宜樹華，秦 彧，任世龍，陳建軍

(1.中國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000;2.中國(guó)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(guó)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(lái)，在氣候變化和過(guò)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(duì)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(duì)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(huì)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(huì)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(duì)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(zhǎng)的重要因子[12],本研究將通過(guò)對(duì)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(dòng)態(tài)過(guò)程，分析翻耕對(duì)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(lái)源于研究區(qū)內(nèi)的蘇里鄉(xiāng)觀測(cè)站。觀測(cè)站設(shè)有自動(dòng)氣象站(36.42° N，98.30° E，海拔3 802 m)，觀測(cè)項(xiàng)目包括降水(儀器型號(hào)：T200B)、氣溫(儀器型號(hào)：HMP45C)和輻射(儀器型號(hào)：CNR-1)資料。觀測(cè)期為2011年8月5日-9月10日。在觀測(cè)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(shí)。但由于高山嵩草群落的樣方位置處在河漫灘上，觀測(cè)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(guò)200 m。因此，本研究?jī)H對(duì)除高山嵩草外的其他7種植被群落樣方的觀測(cè)資料進(jìn)行分析。

于8月9日-9月7日，對(duì)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(cè)，觀測(cè)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(duì)每次觀測(cè)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(guò)分析每次觀測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)量一次樣方6 cm土壤深度處土壤體積含水量(通過(guò)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(cè)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(zhǎng)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(duì)每次觀測(cè)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(guò)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(cè)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(guò)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(cè)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(yáng)輻射是地表升溫的主要能量來(lái)源，8月17日云層較厚，到達(dá)地表的太陽(yáng)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(cè)時(shí)間內(nèi)，太陽(yáng)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(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

在一次降水過(guò)程之后，由于地表蒸散，土壤濕度會(huì)逐漸減少。8月24日和9月7日，觀測(cè)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(cè)記錄，各種植被的土壤含水量較8月24日偏低5%～15%。觀測(cè)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(huì)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(cè)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(rùn)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(huì)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(shuō)明較高的土壤含水量在促進(jìn)植被生長(zhǎng)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(huì)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(wú)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(zhǎng)時(shí)間偏低，干旱化加劇。干旱化加劇必然會(huì)導(dǎo)致原來(lái)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(guò)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(zhǎng)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(duì)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(guò)程中一個(gè)必須解決的問(wèn)題[22]。

本研究的不足之處在于，研究結(jié)果建立在對(duì)地表觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析和對(duì)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(guò)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?duì)研究區(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(lái)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(zhǎng)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(cè)和模擬研究來(lái)進(jìn)行論證。

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