四川贡嘎山森林生态系统国家野外科学观测研究站
寒区生态与冷生土壤耦合作用过程及其反馈影响
作者: 贡嘎山站 更新时间: 2018-01-22

通过青藏高原大量生态样地调查结果,结合在西伯利亚和阿拉斯加等多个观测场地的数据分析,阐明了多年冻土区优势建群物种通过提高水分和N素利用效率、减少物种多样性等策略适应气候变暖并增加群落NPP,水分获取(降水量或土壤水分)是影响生产力变化的重要因子,气候变暖驱动的冻土退化,通过增加土壤水分供给和抑制蒸散发二促进生态系统NPP增加。但样地分析结果以及基于遥感的生态变化分析结果表明,高寒草地植被盖度对冻土退化的响应方式存在阈限,超过这一阈限(亚稳定到不稳定冻土,活动层厚度2.0±0.5m),变化趋势与幅度取决于降水条件;气候暖干导致生态退化。另一方面,生态系统变化反过来对冷生土壤水热过程具有显著作用。研究表明植被层、凋落物与苔藓等组成的地被物层以及土壤有机质层等生态系统组分,对陆面和土壤能量和水分均衡所具有的不同作用。在掌握各组分的水热传输定量关系基础上,通过将地形矫正和下垫面影响的地表辐射能量平衡、不同活动层土壤质地和结构的热传导率参数率定、单向融化与双向冻结过程的土壤剖面能量时空分布模型相结合,提出了新的活动层土壤冻融过程算法,发展了耦合土壤有机质层(含腐殖质层)分解与水热传输、高寒草地和苔原植被生长对水热影响的新一代土壤水热耦合过程模型,定量区别了植被层、土壤有机质层以及苔藓等地被物层对冻土水热过程的不同作用。


图3寒区生态-土壤-冻土相互作用与影响


冷生土壤一个十分重要的生态功能就是低温固存大量有机碳,成为陆地重要的碳汇区。依据青藏高原第一次全面土壤调查数据,结合冻土区域钻孔资料,提出了区分土壤类型和植被类型的面积加权土壤碳库估算方法,同时,建立了基于不同土地利用与覆盖类型土壤呼吸观测数据的区域碳排放估算模型,首次全面评估了青藏高原土壤碳库及其在全球寒区土壤碳库中的贡献与意义,也首次对过去25年间因土地利用与覆盖变化导致的青藏高原高寒草地土壤碳库变化进行了全面评估。在这些进展基础上,以陆地生态系统模型(TEM)为基础,发展了新一代土壤有机碳过程模拟的生态系统模型,DOS-TEM;在前述冷生土壤的多过程耦合模拟成果支持下,构建了放牧、火烧以及土地利用等干扰模块,实现不同干扰下水热耦合过程、植被生态过程和土壤生物地球化学过程的相互耦合与同步模拟。冻土环境与植被覆盖之间具有深刻影响与反馈作用,并在较短时间内可重塑土壤特性,反过来,冷生土壤资源属性(温度)主导的高寒植被功能群组成与生产力空间分配格局。提出了根土比指数,发现高寒草地适宜的根土比阈值大约为3-5%;小于2%则完全丧失自我修复能力。将根土比、根冠比和基于土壤环境特性的生态系统恢复力指标相结合,量化了冷生土壤资源特性对生态系统响应环境干扰的恢复力。

成果获得2017年度四川省自然科学一等奖。



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