基于青藏高原北麓河地区高寒草原、高寒沼泽草甸和高寒草甸生态系统下多年冻土活动层水热过程的监测数据,对活动层水热过程特征开展了相关研究。研究结果显示,在活动层厚度、冻融时间、持续时间以及活动层土壤水分含水量分布方面,不同的高寒生态系统下活动层的上述属性特征差异明显。高寒草原下多年冻土活动层厚度最大,土体开始融化的时间最早,每年持续融化的日数也最长;高寒草甸最小,高寒沼泽草甸居中。高寒草原下活动层土壤含水率从上到下逐渐增加,水分基本集中在活动层的中下部分;高寒沼泽草甸下活动层土壤水分的分布情况相对比较均衡;高寒草甸下活动层土壤含水率分布呈现从上到下逐步减少的模式,越靠近地表土壤含水率越大。对监测数据的进一步分析发现,不同的高寒生态系统下,近地表地温与气温温差累计值、近地表土壤有机质含量、n因子特征以及近地表地温标准差统计特征都具有明显的区别。研究分析表明,多年冻土活动层水热过程特征与高寒生态系统类型具有明显的关联性,高寒生态系统会影响近地表能量通量,从而使地-气热量交换产生差异,这一差异又将改变活动层土壤温度、水分分布特征及其动力学过程。

土地覆被变化对土壤水分的影响是生态水文学和流域水文学研究的关键问题,基于长江源典型多年冻土区不同高寒草地土壤水分的观测,结合降水、生物量(包括地上和地下)和土壤理化性质,研究了活动层土壤水分变化对不同高寒生态系统的响应.结果表明:高寒草甸生物量、土壤养分含量均比高寒草原高,且对降水响应更为强烈,致使高寒草甸土壤水分变异性弱于高寒草原.在土壤完全融化阶段,高寒草甸土壤活动层存在一个低含水层(50 cm左右)和两个相对高含水层(20 cm和120 cm),但高寒草原土壤水分在活动层剖面上有随深度逐渐增大的一致性趋势;在秋季冻结过程中,高寒草甸土冻结起始日滞后于高寒草原土3～15 d;在春季融化阶段,高寒草原土更高的含冰量需要更多的融化潜热.此外,表层土壤中(0～20 cm),高寒草甸土比高寒草原土有更大的持水特性,而在活动层中下部则呈现完全相反的结果,不同高寒生态系统的演替改变了土壤的水热迁移过程.

多年冻土区冻土生态系统对气候变化极其敏感,利用在长江黄河源区实测的高寒草甸和高寒草原植被生物量数据以及青藏高原降水、气温以及地温等的空间分布规律,建立了长江黄河源区高寒草甸与高寒草原等主要高寒生态系统地上与地下现存生物量对气候要素变化的多元回归模型.预测分析表明:如果未来10 a气温增加0.44℃.(10a)-1,在降水量不变的情况下,高寒草甸和高寒草原地上生物量分别递减2.7%和2.4%,如果同时降水量小幅度增加8 mm.(10a)-1,则地上生物量可基本保持现状水平略有减少;在气温增加2.2℃.(10a)-1,在降水量不变的情况下,高寒草甸和高寒草原地上生物量年分别平均减少达6.8%和4.6%,如果同期降水量增加12 mm.(10a)-1,高寒草甸地上生物量可基本维持现状水平略有增加,而高寒草原地上生物量则递增5.2%.高寒草原植被地上生物量对气候增暖的响应幅度显著小于高寒草甸,而对降水增加的响应程度大于高寒草甸.明确高寒草地植被生物量随气候变化的演变趋势,对于青藏高原生态环境保护和研究气候变化对青藏高原生态系统碳循环和河源区水循环的影响具有重要意义.

选择高寒生态系统植被覆盖度、生物生产力和土壤养分与组成结构等要素和冻土环境的冻土上限深度、冻土厚度和冻土地温等指标,分析了冻土环境与高寒生态系统之间的相互关系,并基于气温与冻土温度间的统计模型,建立了高寒生态系统对冻土环境变化的响应分析模型.通过对青藏高原昆仑山-唐古拉山区域冻土环境要素在人类工程活动与气候变化双重作用下的变化及其对高寒生态系统的影响研究,表明青藏高原冻土环境变化对高寒草甸和高寒沼泽草甸生态系统影响强烈,随冻土上限深度增加,高寒草甸植被覆盖度和生物生产量均呈现较为显著递减趋势,并导致高寒草甸草地土壤有机质含量呈指数形式下降,土壤表层砂砾石含量增加而显著粗砺化;高寒草原生态系统与冻土环境的关系相对微弱;全球气候变化及其作用下的冻土环境变化导致该区域近15年间高寒沼泽草甸生态系统分布面积锐减28.11%,高寒草甸生态分布面积减少了7.98%.在不同气温升高的情景下,未来50年,不同地貌单元的高寒草甸生态系统对冻土环境变化的响应程度不同,其中位于低山和平原区的高寒草甸生态系统将产生较显著的退化,从植被覆盖度和生物生产量两方面,定量给出了不同气候变化情境下不同典型地区和地貌单元...