全球變化研究的進(jìn)展

全球變化研究的進(jìn)展

1半干旱草原氣候-生態(tài)相互作用重大項(xiàng)目研究全球變化研究是科學(xué)家的全界觀點(diǎn)。制定了全球變化研究計(jì)劃，以四個(gè)主要計(jì)劃（wrcp、igbp、iwdp和vis）為全球框架的全球變化研究計(jì)劃，并在實(shí)施過程中協(xié)調(diào)了總體規(guī)劃和各種具體中心研究計(jì)劃的組成。從全球變化研究開展以來突出的一點(diǎn)是,科學(xué)界更為強(qiáng)調(diào)氣候、環(huán)境、生態(tài)和人類活動(dòng)之間高度復(fù)雜的相互作用和對人類活動(dòng)引起的全球變化過程的干預(yù)作用。這些相互作用及其人類活動(dòng)干預(yù)體現(xiàn)于地球系統(tǒng)的各層圈之間的各種過程。其中陸面過程,即水文過程和土壤-植被-大氣相互作用及其對全球和區(qū)域的氣候、環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)各自的響應(yīng)和反饋是最基本的前沿問題之一。在全球變化研究的各核心計(jì)劃中,WCRP/GEWEX,IGBP/BAHC以及IHDP/LUCC3個(gè)核心計(jì)劃均與此密切相關(guān)。十幾年來各國和國際合作已經(jīng)執(zhí)行了以上述3個(gè)核心計(jì)劃之一為主的大量實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。中國科學(xué)界對此也已有積極的投入。其中HEIFE計(jì)劃對西北地區(qū)黑河流域沙漠、戈壁、綠洲的陸氣相互作用進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。陸氣相互作用研究的重要特點(diǎn)是,陸地地表的不同氣候-生態(tài)類型在相互作用的過程與陸氣交換量的強(qiáng)度與季節(jié)變化方面有巨大的差別。因此,需要在具有代表性的各類陸地生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域進(jìn)行野外實(shí)驗(yàn),以取得對過程的認(rèn)識和對交換量的模式參數(shù)化。中緯度半干旱草原是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要類型之一,在中國也是主要的地表類型之一,從東北、內(nèi)蒙、到西北廣大地區(qū)均有分布,同時(shí)又是中國少數(shù)民族和邊疆區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)關(guān)注地區(qū)。由于人口的急劇增長,不合理的農(nóng)墾和嚴(yán)重的過度放牧已經(jīng)造成草原生態(tài)系統(tǒng)的退化。在全球變暖的大背景下,這種人類活動(dòng)干預(yù)所造成的生態(tài)惡化更為嚴(yán)重,并引發(fā)新的沙塵暴源和更頻繁的沙塵環(huán)境災(zāi)害。這類現(xiàn)象不僅在中國,在許多發(fā)展中國家所處的中緯度半干旱草原開發(fā)中均有類似情況。因此,對這類地區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)研究,是全球變化中的重要問題之一。在國家自然科學(xué)基金委員會支持下,針對上述需求,開展了“內(nèi)蒙古半干旱草原土壤-植被-大氣相互作用(IMGRASS)重大項(xiàng)目研究,選擇內(nèi)蒙古錫林郭勒草原作為開展中緯度半干旱草原氣候-生態(tài)相互作用的研究實(shí)驗(yàn)基地。由于該區(qū)域已有中國科學(xué)院草原生態(tài)定位站科學(xué)工作者有關(guān)草原生態(tài)較長期的野外觀測,建立了良好的研究和科研支持的條件,使這一項(xiàng)目的開展得以順利進(jìn)行。IMGRASS計(jì)劃于1997年開始執(zhí)行。原定計(jì)劃4a。2000年由于華北沙塵暴天氣突發(fā)增強(qiáng),2001年該計(jì)劃延長1a,開展沙塵暴有關(guān)專題研究。IMGRASS以中緯度溫帶半干旱草原的氣候-生態(tài)相互作用為研究主題,涉及氣候生態(tài)相互作用的幾個(gè)主要方面。這里至少包括兩個(gè)層面:(1)典型草原土壤、植被系統(tǒng)與大氣之間交換的定量關(guān)系、控制因子和過程分析;(2)自然過程與人類活動(dòng)共同作用下的草原生態(tài)系統(tǒng)變化及其對全球變化的響應(yīng)和反饋。就錫林郭勒草原(包括渾善達(dá)克沙地)區(qū)域而言,至少包含以下幾個(gè)方面:草地/沙地的形成與季風(fēng)氣候的關(guān)系;在人類活動(dòng)與氣候變動(dòng)影響下的草地生態(tài)系統(tǒng)與生產(chǎn)力變化;草原的中小尺度水循環(huán);草原的碳循環(huán)與草地溫室氣體源匯作用及其對全球變化的貢獻(xiàn)。上述幾方面的問題都是全球變化與區(qū)域響應(yīng)中的重要問題。為了對上述科學(xué)目標(biāo)進(jìn)行研究,必須采取區(qū)域性的綜合觀測實(shí)驗(yàn)、在代表性地點(diǎn)進(jìn)行氣候與生態(tài)的長期監(jiān)測、開展過程分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的綜合研究?；谏鲜鲆?我們選擇了已有較長期定位觀測的中國科學(xué)院草原生態(tài)定位站及所在的錫林郭勒典型草原區(qū)域作為實(shí)驗(yàn)區(qū)。該區(qū)域具有中緯度半干旱草原的代表性,具備典型草原的生物多樣性、地表類型(草原、沙地)與地形的中等程度的復(fù)雜性(圖1,2)。IMGRASS地面綜合觀測選擇的實(shí)驗(yàn)區(qū)處于錫林河流域及周圍地區(qū)。有關(guān)該區(qū)域的詳細(xì)情況可參考文獻(xiàn)。在IMGRASS的計(jì)劃介紹論文中也有介紹,這里簡要概括如下:中心實(shí)驗(yàn)區(qū)所在的錫林河流域處于內(nèi)蒙古高原東部,東接大興安嶺西麓低山丘陵地區(qū),南接昭盟玄武巖高原,地理坐標(biāo)43°26′～44°39′N,115°32′～117°12′E,面積超過10,000km2。區(qū)域內(nèi)東南高西北低,從海拔1500m降至900m。地形為多山丘陵,坡度較緩,相對高差低山不大于300m,丘陵30～150m。實(shí)驗(yàn)區(qū)中還有鹽堿地和風(fēng)沙帶。這是具有中等復(fù)雜性的地形地貌。區(qū)域內(nèi)有總長為175km的內(nèi)陸河——錫林河,從東南山麓發(fā)源向西北流并消失,年平均流量為23.5×106m3,流域面積不足4000km2。實(shí)驗(yàn)區(qū)東南有達(dá)里諾爾湖,面積約為1.68km2,是區(qū)內(nèi)唯一較大的湖泊。實(shí)驗(yàn)區(qū)土壤總體具有地帶性,從東南向西北由黑鈣土、暗栗鈣土、淡栗鈣土逐漸過渡。本區(qū)土壤的一個(gè)重要特點(diǎn)是存在深度較淺的鈣積層,使土壤淺層水與深層水相隔離。實(shí)驗(yàn)區(qū)主體處于典型草原帶內(nèi),東邊有草甸草原,西北部則臨荒漠草原帶,區(qū)內(nèi)有錫林河流經(jīng),南部有渾善達(dá)克沙地疏林草原。植被類型具有多樣性和復(fù)雜性。區(qū)內(nèi)天然植被占總土地面積的96.4%,其中草地植被約占90%,該區(qū)植被的生產(chǎn)力由于水熱同季,相對較高。生產(chǎn)力與降水量有密切關(guān)系。另一個(gè)重要特征是地下生產(chǎn)力較地上生產(chǎn)力大得多。這對了解該區(qū)的碳循環(huán)有重要價(jià)值。該區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,冬季嚴(yán)寒漫長,年平均氣溫僅1℃,氣溫年較差與日較差均很大,夏季有長日照。降水集中于6～8月,占年降水60%～75%,降水的年際變化極大,比值達(dá)3.8,年降水量從東南的350mm降至西北不足250mm,氣溫則從西北向東南遞減,春季大風(fēng)日多,年平均沙塵暴日為8.4d,但與降水一樣,沙塵日數(shù)與強(qiáng)度有很強(qiáng)的年際和年代際變化。該區(qū)域在1950年以前基本無人類活動(dòng),1950年居民為20人,而目前已有10,000人以上。草原的載蓄量迅速增加,草地農(nóng)墾亦有一定規(guī)模,已經(jīng)構(gòu)成對草原退化和沙化的嚴(yán)重壓力。到20世紀(jì)90年代末期,草原和渾善達(dá)克沙地的生態(tài)退化已經(jīng)極為嚴(yán)重,并成為華北春季沙塵災(zāi)害的新的重要威脅。2全球觀測和實(shí)地評估數(shù)據(jù)庫的建立2.1植被-大氣邊界層綜合觀測系統(tǒng)IMGRASS野外觀測包括1998年5～9月的中尺度區(qū)域綜合觀測及1999～2001年的單點(diǎn)繼續(xù)觀測,其中2001年春季開展了渾善達(dá)克沙塵氣溶膠觀測。綜合觀測布局見圖2。中尺度實(shí)驗(yàn)由4個(gè)主要的土壤-植被-大氣邊界層綜合測量點(diǎn)、3個(gè)自動(dòng)氣象站、利用錫林浩特常規(guī)探空和低空探空點(diǎn)、約25個(gè)降雨自記點(diǎn)、l個(gè)雙波長測雨雷達(dá)站、若干項(xiàng)特殊觀測組成。觀測的時(shí)段為1998年5月初～8月底,代表一個(gè)完整的生長季節(jié)。在此期間,選擇3個(gè)時(shí)段進(jìn)行加強(qiáng)期觀測,分別代表生長初期(5月)、盛期(7月)和成熟期(8月)。加強(qiáng)期的觀測將提供中尺度和其他模式的較為完整的驗(yàn)證。土壤-植被-大氣邊界層綜合測量點(diǎn)選擇圖2中實(shí)驗(yàn)區(qū)的4個(gè)方向,代表自然狀況保持完好的羊草草原(東北方,七分場)、具有多樣性代表性的典型草原(東南方,定位站)、沙地稀樹草原(西南方,烏日圖)、干草原(西北方,白音蘇木,典型草原中的干旱類型)。在這些點(diǎn)上開展了系統(tǒng)的土壤理化要素、土壤水分和溫度、植被生理和生產(chǎn)力、地-氣間的水、熱、動(dòng)量和輻射通量、大氣和地表輻射、地表和大氣邊界層氣象等要素的綜合觀測。為獲得加強(qiáng)期對流層中下部的氣象場。除錫林浩特常規(guī)探空站外,在七分場上開展了低空探空,在烏日圖開展GPS導(dǎo)航微型飛機(jī)的低空探空,由于實(shí)驗(yàn)區(qū)中等復(fù)雜的地形和明顯的高度、植被類型、溫度、降水的梯度,為獲得盡可能真實(shí)的地表氣象場,除邊界層觀測點(diǎn)外,在區(qū)域內(nèi)增加布設(shè)3個(gè)自動(dòng)氣象站,以獲得溫、濕、壓、風(fēng)、地溫、輻射、降雨等地面氣象數(shù)據(jù)。為獲得區(qū)域內(nèi)的雨量和雨強(qiáng)分布,將布置以3條線為主的雨量自記儀網(wǎng),即沿張家口—錫林浩特南北向公路沿線,從阿巴嘎旗—白音錫勒牧場7分場的東西一線,從實(shí)驗(yàn)區(qū)東南角嘎松山向西北錫林浩特之間靠近錫林河沿岸一線。由此了解降雨分布與地形、植被中尺度分布的關(guān)系。在灰騰河站架設(shè)X/C雙波長測雨雷達(dá),以觀測實(shí)驗(yàn)區(qū)100～150km內(nèi)的降雨分布,以此與雨量自記儀網(wǎng)配合,形成實(shí)驗(yàn)區(qū)降水強(qiáng)度的較高密度的測量。在每個(gè)綜合測量點(diǎn)每隔10d進(jìn)行土壤水分垂直分布、植被生理參數(shù)、葉面積指數(shù)、生物量等配套測量。此外,在各典型植被區(qū)域,如羊草樣地、大針茅樣地、退化草場等地開展溫室氣體排放和有關(guān)碳循環(huán)的測量。為了解該區(qū)域的大氣氣溶膠、大氣水汽和云水、地表(雙向)反射率,為衛(wèi)星遙感反演地表和大氣參數(shù)、大氣輻射傳輸?shù)忍峁┒坑喺c驗(yàn)證根據(jù),我們先后開展了一系列大氣和地表的光譜測量。對氣溶膠還建立了直接的采樣分析。在1998年綜合觀測以后,1999～2003繼續(xù)在定位站進(jìn)行了溫室氣體收支、微型飛機(jī)觀測與遙感等不定期觀測。2001年春在渾善達(dá)克沙地開展了沙塵氣溶膠綜合觀測。2.2數(shù)據(jù)集與關(guān)聯(lián)以1998年IMGRASS中尺度綜合實(shí)驗(yàn)的多點(diǎn)多要素地面觀測數(shù)據(jù)為主體,我們已經(jīng)建立了IMGRASS實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)采用WindowsNT平臺的SQLServer結(jié)構(gòu),可以用專用軟件或直接由互聯(lián)網(wǎng)訪問數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫中存有經(jīng)過初步質(zhì)量檢驗(yàn)的各種觀測數(shù)據(jù)供調(diào)用,對于一些時(shí)間序列或垂直分布的要素變化有圖形顯示輔助分析。所建數(shù)據(jù)集包括如下幾類:大氣要素自動(dòng)氣象站觀測、邊界層系留氣球探空、微型飛機(jī)探空、低空探空、大氣與地表多波段輻射、降水分布、大氣氣溶膠測量;地氣交換通量地表湍流溫度、風(fēng)脈動(dòng)記錄、波文比、N2O,CH4,CO2通量;土壤與植被測量土壤溫度、土壤濕度、土壤微生物、植物群落調(diào)查、葉面積指數(shù)、生物量、地表反射率;此外,部分相關(guān)的區(qū)域氣象資料、衛(wèi)星資料和微型飛機(jī)航拍資料亦將收集其中。以上IMGRASS數(shù)據(jù)庫將向國內(nèi)外研究人員提供作進(jìn)一步研究。3不同類型半干旱牧場的地表土壤呼吸相互作用特征3.1日基本信息圖3給出定位站典型草原邊界層日變化的一個(gè)個(gè)例(1998年8月20日)?？梢詮闹星逦闯鲞吔鐚訙囟葘咏Y(jié)的變化過程。在近地表至離地面200m,日變化振幅分別達(dá)到16℃和8℃。而離地面300m以上直至觀測最高點(diǎn)900m處等溫分布,日變化振幅約6℃,各高度呈同步變化。逆溫的建立與消失分別出現(xiàn)于約19時(shí)和09時(shí),而逆溫發(fā)展最高高度約400m,強(qiáng)度達(dá)-8.5℃,呈單層逆溫型,這是由于草地地面相對均勻形成的。圖4是在沙地草原站烏日圖用GPS導(dǎo)航微型飛機(jī)所測1998年5月26日早、中、晚3次飛行探空的結(jié)果。該日早上有云,云底離地約400m,中午消散,近地層出現(xiàn)很強(qiáng)的超絕熱層結(jié),而在其上層結(jié)穩(wěn)定,相對濕度線性增加。注意到該日風(fēng)速(v)在離地約1200m高度出現(xiàn)從早上8m/s到中午大于16m/s風(fēng)速變化。用系留氣球既不可能進(jìn)入云內(nèi)探測,更不可能在16m/s風(fēng)速下測量,而微型飛機(jī)實(shí)現(xiàn)了這類在內(nèi)蒙草原經(jīng)常出現(xiàn)的較強(qiáng)風(fēng)天氣下的邊界層探測。有關(guān)半干旱草原大氣邊界層日變化的中尺度實(shí)驗(yàn)?zāi)M將在另文介紹。3.2氣候變化對半干旱草原夏季地表能量分配的影響中尺度地表覆蓋不均一引起的地表能量、水分和物質(zhì)通量的差異對大氣邊界層,乃至局地氣候的影響是區(qū)域氣候和環(huán)境研究的重要課題,也是氣候模式中次網(wǎng)格尺度地表過程參數(shù)化的難點(diǎn)所在。內(nèi)蒙古草原試驗(yàn)區(qū)對不同地表類型進(jìn)行了同時(shí)的強(qiáng)化觀測,為研究這一問題提供了若干基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這里則利用幾個(gè)測點(diǎn)不同類型草地的1998年夏季試驗(yàn)期的觀測資料為例結(jié)合陸地表面過程模型(AVIM)對地表的水熱通量作一個(gè)初步的分析。選取試驗(yàn)區(qū)中3個(gè)不同類型的草地測站,即灰騰河(43°16′N,116°07′E),七分場(43°57′N,116°38′E)和嘎松山(43°30′N,116°49′E),彼此相距約30～40km,分別屬于荒漠與草地過渡帶,典型草原和草甸草原,年平均降水量在300～350mm,表面土壤為暗栗鈣土,灰騰河在較薄的土層下是透水性很好的沙壤。資料時(shí)段是自1998年7月11日至8月1日,共22d。所用的AVIM(Atmosphere-VegetationInteractionModel)模式是一個(gè)包括土壤-植被-大氣之間物理和生理生態(tài)過程的陸面模型。主要由3個(gè)部分組成,即描寫地表面物理狀態(tài)和輻射、熱量和水分傳輸過程的物理模塊;描寫植被生長過程的生理模塊和由植被形態(tài)參數(shù)確定物理參數(shù)的模塊。氣候和土壤狀況影響植物生長,植被形態(tài)和生理反過來影響土壤植被與大氣之間的物質(zhì)和能量的交換,形成了一個(gè)雙向反饋的系統(tǒng)。在已知大氣狀態(tài)變量和土壤、植被類型后,可以得到植物生長狀況,土壤和植被冠層的物理狀況和地氣間能量、水分和二氧化碳的通量。先以灰騰河站實(shí)驗(yàn)期1998年5月20日至8月10日共83d由AVIM計(jì)算的地表各通量的變化說明半干旱草原夏季地表水分和熱量交換的特點(diǎn)。圖5是灰騰河觀測的太陽短波輻射、日降水量和計(jì)算所得到的地表凈輻射、感熱和潛熱通量。從5月至8月有明顯的季節(jié)變化。自5月下旬至7月上旬,因雨季未到,云量少且變化不大,總輻射和凈輻射沒有很明顯的變化,分別為400W/m2和300W/m2左右。7月中旬以后由于雨季開始,云量明顯增多,總、凈輻射降到300W/m2和200～250W/m2。5和6月份感熱通量占凈輻射的70%以上,6月以后逐漸下降,而潛熱逐漸增大,5和6月約為50～60W/m2,6月下旬開始上升,7月以后與感熱相當(dāng)。這一變化趨勢與降水增多、土壤濕度加大有關(guān)。同時(shí)草地覆蓋度和葉面積指數(shù)增大,使蒸騰加大是重要原因。這一時(shí)段草地地表能量水分通量的分配和變化反映了半干旱草原夏季的一般情況,但草地內(nèi)部仍存在著不均一性。分析3個(gè)不同地表類型點(diǎn)上地表水量平衡各分量的氣候平均特點(diǎn)和差異(圖6),表明,嘎松山位于實(shí)驗(yàn)區(qū)東南面的山坡上,降雨較多,是草甸草原。7月地上生物量接近最大值(通常8月最大),七分場和灰騰河次之?；因v河植被覆蓋相比稀疏,不足30%～40%,其他兩站覆蓋度在80%以上。在1998年7月中下旬,3站降水沒有明顯差別。其中大部分降水量以蒸散形式輸送給大氣,灰騰河占50.7%,七分場占90%,而嘎松山占86.9%。這與錫林河流域夏季總的蒸發(fā)、降水關(guān)系是一致的,在半干旱草原是很典型的。但灰騰河蒸散顯然低于其他2站。在蒸散中又以葉面的蒸騰為主,灰騰河、七分場和嘎松山的蒸騰分別占降水的33%,53.5%和59.6%。這是由于草原覆蓋度的差異形成的。其次,灰騰河降水中相當(dāng)一部分降水增加了表層土壤的含水量和下滲到深層,分別占降水的23.9%和19.0%。而七分場和嘎松山的土壤含水量只有很小的變化,而且還有少量深層水上升,補(bǔ)給地表的蒸騰,這是很大的差異。這兩站的地表徑流分別為降水的7.3%和11.4%。由上可見,在相距數(shù)十公里的地區(qū),因?yàn)橥寥赖乇碇脖桓采w的差異,使地表水量平衡的特點(diǎn)有很顯著的不同,這對研究區(qū)域尺度的氣候和環(huán)境是必須加以考慮的。不同類型地表不僅對地氣通量有明顯影響,對大氣邊界層結(jié)構(gòu),特別是晴天的情況也產(chǎn)生極為顯著的影響。在IMGRASS試驗(yàn)區(qū)內(nèi)包含著不同的地表類型,其中最為明顯的是典型草原和沙地草原2類。在觀測的基礎(chǔ)上,開展了以中尺度數(shù)值模式NCARMM5為基礎(chǔ)的各類陸面通量和邊界層結(jié)構(gòu)的模擬。模擬方法是將MM5和法國陸面過程模式NP89為基礎(chǔ),并對冠層內(nèi)部葉片的遮陽效應(yīng)進(jìn)行了考慮。采用IMGRASS預(yù)試驗(yàn)期1993年8月17～20日的觀測為基礎(chǔ),模擬4個(gè)觀測點(diǎn)的通量與邊界層結(jié)構(gòu),這里給出主要結(jié)論。(1)草原生長后期無降水時(shí)白天大部分時(shí)間潛熱通量大于感熱通量。草原站08時(shí)波文比由負(fù)轉(zhuǎn)正,19時(shí)由正轉(zhuǎn)負(fù)。而沙地站烏日圖白天波文比大于1,夜間向地面輸送的感熱較大,地面向上輸送水汽亦較大。與草原點(diǎn)相比,沙地波文比的轉(zhuǎn)折時(shí)間分別為07時(shí)和20時(shí),即較草原站提前轉(zhuǎn)正,推遲轉(zhuǎn)負(fù)。這表明土地類型對通量的影響。其結(jié)果與上節(jié)用AVIM模式模擬一致。(2)IMGRASS實(shí)驗(yàn)區(qū)4個(gè)點(diǎn)的邊界層結(jié)構(gòu)與變化符合中緯度陸地邊界層的演變規(guī)律。邊界層內(nèi)溫度、濕度和風(fēng)廓線的對應(yīng)關(guān)系較好,對流交換盛期白天位溫和比濕不隨高度改變,風(fēng)速隨高度變化也不大。沙地的對流邊界層形成比草原早,午后最大混合層高度可達(dá)1600m。陸面類型和土壤水熱條件直接影響邊界層要素的廓線結(jié)構(gòu)(圖略)。3.3土體水分含量和生長季末率1998年降雨量達(dá)到近25年來的最大值,由此打破了草原定位站自建站以來從未觀測到土壤水向2m以下深層土滲漏的記錄,多雨使阻擋水下滲的鈣積層出現(xiàn)了滲漏。在定位站由蒸滲儀所測土壤水動(dòng)態(tài)和滲漏速率進(jìn)展表明(圖7),1998年2m以下出現(xiàn)滲漏,使2m土體水分在生長季末反而虧損了30mm(牛海山等,私人通信)。這一測量表明在考慮干旱和一般降水年的土壤水平衡時(shí),不必考慮深層水滲漏,但對極端多降水年時(shí)則需考慮這一問題。3.4總輻射和反射輻射圖8為定位站所測輻射通量的典型情況。其中圖8a,b分別是2個(gè)典型晴天的日變化曲線,包括總?cè)肷漭椛洹⒎瓷漭椛?、凈輻射和土壤熱通量?？梢钥闯隹傒椛浜头瓷漭椛浯嬖谟?～21時(shí)的長時(shí)段,而典型草原上反射輻射占總輻射約20%。6月2日其值較5月20日為小,這是由于植被生長的原因。圖8c則給出5月20日～9月8日若干典型晴天中午的各分量值?？梢钥闯?月初以前總輻射較其后大,而反射輻射與總輻射之比8～9月低于前期,凈輻射則以7月為最強(qiáng),而熱通量則以7月以后為強(qiáng)。這既與太陽入射有關(guān),也與因降水而產(chǎn)生的土壤導(dǎo)熱率變化有關(guān)。3.5中尺度降水模擬試驗(yàn)區(qū)的主要降水集中于夏季,特別是7～8月,而降水的性質(zhì)主要是對流性降水。降水形成的對流過程本質(zhì)決定了該區(qū)域地表的地形、植被、土壤狀況的非均勻性會促成降水分布的區(qū)域特征。由于這一區(qū)域的地形分布存在著東南高而西北相對低的格局,而地表特征又是南部存在渾善達(dá)克沙地,而北部主體為典型草原,其中的大部分存在著顯著的退化,除了這一中尺度宏觀特征外,區(qū)域內(nèi)部的小尺度不均勻性亦十分突出。因此研究該地區(qū)的夏季降水與水汽通道的典型情況是十分有價(jià)值的。為此,我們進(jìn)行了區(qū)域降水的觀測,同時(shí)又進(jìn)行了中尺度模式的降水模擬。試驗(yàn)區(qū)的降水觀測采用架設(shè)于灰騰河(43°16′N,116°07′E)的一部雙波長(C/X)雷達(dá)和分布于試驗(yàn)區(qū)的25個(gè)自記翻斗式雨量站網(wǎng)進(jìn)行,以自記雨量站的點(diǎn)記錄標(biāo)校雷達(dá)反射率值,再推廣用于區(qū)域雷達(dá)回波強(qiáng)度反演區(qū)域降水強(qiáng)度分布。圖9為1998年8月22日用這兩種手段聯(lián)合獲得的日降水量分布。當(dāng)日在東北低渦天氣形勢下,出現(xiàn)了混合型降水。從早到晚雷達(dá)觀測的雨區(qū)從西向東移動(dòng)(圖略),日降雨量中心集中在雷達(dá)站西北、東北與東南。其中以東南為最強(qiáng)。該個(gè)例為一次典型的低渦降水,針對此個(gè)例,我們利用由美國俄克拉荷馬大學(xué)的ARPS(AdvancedRegionalPredictionSystem)模式進(jìn)行了中尺度降水模擬。本模擬所采用的模式修改版本由中國科學(xué)院大氣物理研究所與俄克拉荷馬大學(xué)合作完成。數(shù)值模擬中采用三重嵌套,各層模擬中的水平格距分別為20km,10km及5km。輸入真實(shí)地形及植被,以T106客觀再分析資料提供初始場及側(cè)邊界條件。同時(shí),我們還用MM5中尺度模式作模擬,結(jié)果二者基本一致。從模擬結(jié)果中可以看出,在典型的夏季風(fēng)天氣形勢下,存在著由南向北的一條水汽通道。這一通道是驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)區(qū)形成降水的水汽源;圖10給出了模擬所得2個(gè)時(shí)刻的水汽通量在850hPa的區(qū)域分布(a,b),而(c,d)二圖則給出了定位站和烏日圖二站水汽通量密度的垂直分布的時(shí)間變化過程。降水的區(qū)域分布中地形起著十分重要的作用。在模擬結(jié)果(圖11)中,降水更多分布于東南相對高而地形復(fù)雜的區(qū)域,這與該區(qū)域降水分布趨勢是基本相符的。模擬的降水分布與圖9雷達(dá)降水能量所得分布相當(dāng)接近。4沙區(qū)的土壤類型處于實(shí)驗(yàn)區(qū)南部的渾善達(dá)克沙地是一個(gè)獨(dú)特的溫帶稀樹草原區(qū),是風(fēng)積沙覆蓋在高平原上的東西伸展的沙地。從東部的草甸草原向西伸展到荒漠草原,長度達(dá)260km,南北寬約50～100km。沙地內(nèi)部由于其原始地表的復(fù)雜性,存在著風(fēng)成沙丘與丘間低地(塔拉),并有大小不等的湖泊。沙地內(nèi)土壤類型多樣,包括沙質(zhì)草甸土和風(fēng)沙土以及半固定流動(dòng)半流動(dòng)沙丘。相應(yīng)地植被類型也極為多樣,包括稀疏樹木、灌叢、草甸、直至流動(dòng)半流動(dòng)沙丘上的一年生先鋒植被群落,其土壤植被與大氣的相互作用本身就不同于相對平坦的典型草原。更重要的是該地帶中存在大量流動(dòng)半流動(dòng)沙丘,從而在春季成為華北地區(qū)一個(gè)重要的沙塵源。在本項(xiàng)目執(zhí)行前對這方面未有過系統(tǒng)的觀測研究。IMGRASS通過野外觀測與數(shù)值模擬分別了解了沙地的水土、植被特征、沙塵氣溶膠的理化特征,對華北上空沙塵氣溶膠的可能貢獻(xiàn),并對于冬季風(fēng)驅(qū)動(dòng)形成沙地進(jìn)行了初步的數(shù)值模擬研究。4.1坡度對土壤水分的影響研究組在沙地中部烏日圖作2條分別為東北-西南和北-南走向的樣線,長度各約1000m,跨越代表性地表類型,在5～9月每10d進(jìn)行一次地表至110cm共9層的土壤水分測量,并作相應(yīng)植被調(diào)查,由此獲得了沙地內(nèi)各典型地表類型的土壤水分分布特征。表1給出了幾個(gè)地形部位的平均土壤水分及其離散度,即空間不均勻性。從測量結(jié)果可以看出,土壤水分是按丘間低地、北坡、丘頂、南坡依次降低。值得注意的是北坡各點(diǎn)的土壤水分隨坡度大小而變化,當(dāng)坡度小于10°時(shí),水分隨坡度增加而減小,而當(dāng)坡度大于15°時(shí),水分隨坡度增加而增大。這顯然與北坡日照與其坡度大小有關(guān),當(dāng)坡度小時(shí),直接日照起重要作用,而坡度大于15°時(shí),在此緯度區(qū)北坡不再有直接日照,這可能是水分隨坡度增大的一個(gè)可能因素。土壤水分與植被蓋度與植被類型的相關(guān)測量與調(diào)查也發(fā)現(xiàn)其間有密切的相關(guān)性。土壤水分與植被蓋度有明顯的正相關(guān),即蓋度大的地點(diǎn)土壤水分大,但對低地和沙丘兩者表現(xiàn)出不同的定量關(guān)系。低地表層土壤水W(%)與植被蓋度P之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系為W=3.88exp(1.66P),R2=0.454,而對沙丘則有W=-4.65P2+11.59P+4.79,R2=0.372。而更值得注意的是各類地形、土壤含水量與植被類型有密切的相關(guān)性。例如低地草甸植被,表層土壤含水平均為18%,高沙丘北坡生長灌叢,表層土壤水達(dá)平均12%左右。沙丘南坡生長冷蒿等,土壤水分平均7%。半流動(dòng)風(fēng)沙土上生長斑塊狀沙蒿等,表層水為4%。上述結(jié)果為利用遙感植被與遙感土壤水分提供了一個(gè)很好的相關(guān)分析手段。對沙地中一個(gè)低沙丘沙蒿群落點(diǎn)的土壤水分在整個(gè)生長季節(jié)的動(dòng)態(tài)(圖12)分析表明,該沙地生長前期土壤較干,隨后在波動(dòng)中上升,8月中旬達(dá)到最高,隨后下降,直至9月。各層土壤水的動(dòng)態(tài)特征在此總趨勢下仍有明顯差異,以表層土變動(dòng)最大,而以20～50cm層在6月中下旬達(dá)極低值,這顯然與植被根系在此深度的吸水有關(guān)。在底層土70～110cm,9月份含水明顯高于5月初,這一動(dòng)態(tài)與草原的降水周期有關(guān)。4.2氣溶膠的測量2001年4～5月在沙地中心地區(qū)桑根達(dá)來(42°41′N,116°57′E,海拔1326m)與沙地西北邊緣東蘇兩個(gè)地點(diǎn)開展了沙塵氣溶膠的實(shí)地測量,時(shí)間共2周。測量采用了PMSFSSP100激光粒譜儀,還采用氣溶膠濾膜采集器分別在離地1.5和8m2個(gè)高度進(jìn)行了采集。所收集的氣溶膠按PM10,PM2.5與PM1.0分別進(jìn)行元素成分分析,同時(shí)進(jìn)行了地面氣象和輻射觀測。有關(guān)沙塵氣溶膠的基本特征在這里作一介紹,詳細(xì)的分析可見文獻(xiàn)。4.2.1砂漿膠的濃度和粒度的性質(zhì)(1)年際日變化特征所進(jìn)行的2周觀測(晴朗無沙塵天氣每4h測量1次,沙塵天氣每小時(shí)測量1次,包括了極晴朗天、弱沙塵與強(qiáng)沙塵天,其單次測量粒子濃度(直徑0.5～100μm范圍)變化范圍達(dá)400倍,即最潔凈時(shí)刻濃度為13.9個(gè)/cm3,而最大濃度達(dá)5776個(gè)/cm3。最潔凈天的日平均值為23.8個(gè)/cm3,強(qiáng)沙塵暴日平均為1079個(gè)/cm3,日均變化超過40倍。其最低日平均值與寧夏賀蘭山地區(qū)的背景值(23.0個(gè)/cm3)非常接近,這代表了中國西部沙塵源區(qū)在潔凈狀況下的大氣氣溶膠濃度本底值。關(guān)于沙塵氣溶膠數(shù)濃度的變動(dòng)特征也是十分值得注意,不同沙塵天氣的濃度變動(dòng)范圍無論絕對濃度變動(dòng)最大達(dá)3倍,弱沙塵日變動(dòng)達(dá)16倍,而強(qiáng)沙度值還是相對變化均隨沙塵強(qiáng)度而增大。潔凈日濃塵日變動(dòng)超過100倍。這充分反映在沙塵源區(qū)其沙塵氣溶膠具有極強(qiáng)的陣性,這一情況提出一個(gè)重要的問題,即估計(jì)起塵量時(shí)必須有足夠密的時(shí)空采樣密度,否則會導(dǎo)致嚴(yán)重的誤差。(2)天氣形勢分析表2為從潔凈到強(qiáng)沙塵4個(gè)不同天氣的平均分檔粒譜分布。從表中可以看出,就濃度而言,在所有觀測日小粒子均占絕大多數(shù),隨著沙塵強(qiáng)度增大,大粒子的比例相對增加更快。從粒子總濃度與粒譜特征看,濃度小于360個(gè)/cm3的晴天與輕微揚(yáng)塵天其粒譜呈單峰結(jié)構(gòu),而中等以上揚(yáng)塵與沙塵天氣則呈現(xiàn)明顯的雙峰結(jié)構(gòu)。用單或雙對數(shù)正態(tài)分布可以較好地?cái)M合粒譜面積譜和體積譜特征。從渾善達(dá)克沙塵氣溶膠粒譜與世界多個(gè)地點(diǎn)沙塵粒譜的對比看,有不少相似性。但渾善達(dá)克沙塵氣溶膠中極少有土壤源的小粒子。作為輻射效應(yīng)最關(guān)注的面積譜峰值半徑較撒哈拉與中亞沙塵的峰值半徑為小。針對氣候輻射效應(yīng),文獻(xiàn)提出了渾善達(dá)克沙塵氣溶膠粒譜的典型參數(shù)。4.2.2大氣主要元素含量利用安德森撞擊式采樣儀在2001年4～5月分別在桑根達(dá)來、東蘇和北京同時(shí)進(jìn)行了TSP,PM10和PM2.5的采樣。采樣濾膜為日本產(chǎn)聚四氟乙烯膜,流量28.3L/min,采用ICP-1100電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP)分析。表3為桑根達(dá)來4種天氣下總顆粒物(TSP)采樣的6種主要元素含量與相對含量比。同時(shí)列出的有東蘇(沙地北緣)和北京同期觀測結(jié)果。2001年春季在桑根達(dá)來、東蘇和北京同時(shí)采集大氣氣溶膠質(zhì)量濃度與化學(xué)元素濃度,12d觀測期間TSP的平均值在東蘇為2.778mg/m3,桑根達(dá)來高地塔高8m處值和地面值分別為0.545和0.366mg/m3,北京為0.360mg/m3。所有站觀測中PM10含量均超過TSP的61%,而PM10中地殼元素(Al,Ca,Fe,Mg,Mn)占TSP中相關(guān)元素的65%～86%,而主要污染元素(Pb,Zn,Cu)方面PM10占TSP的63%～79%。風(fēng)速增大引起的沙塵粒子中,包含著當(dāng)?shù)氐睦踱}土土壤粒子和風(fēng)沙土粒子。來源于富鈣的土壤中Ca,Fe,Mg,Mn和Ti的含量更多,而對Ba和K則情況相反。沙地沙塵粒子中的污染元素Cu,S,Pb,V和Zn則來自上風(fēng)方向的遠(yuǎn)源區(qū),包括上游工業(yè)活動(dòng)(Pb,S)和外部沙塵源(Mo,V,Co等)。4.3沙阿利斯塔沙區(qū)沙地天氣的氣候特征和控制因素4.3.1沙地西部沙塵日變化利用渾善達(dá)克沙地區(qū)域內(nèi)的11個(gè)氣象站1961～2000年沙塵暴與揚(yáng)沙觀測資料,分析了該區(qū)域沙塵天氣的地理分布與季節(jié)變化,以及年際和年代際變化。結(jié)果表明,近40a來,沙地東部沙塵暴日趨于減少,而西部則呈現(xiàn)波動(dòng)式增長。年際與年代際變化趨勢與中國北方地區(qū)沙塵天氣變化趨勢一致,這是與大風(fēng)日數(shù)減少有密切關(guān)系。而沙地西部沙塵暴日波動(dòng)式增加則反映了下墊面條件有利沙塵暴發(fā)生的惡化狀況。圖13中列出了沙塵暴日的年均分布、平均季節(jié)分布以及東西兩部分的沙塵暴日數(shù)變化。圖13(c,d)中的直線代表用不同時(shí)段記錄擬合所得線性年際變化趨勢,從中可以看出明顯的年代際變化。4.3.2引領(lǐng)氣象要素建立第二、三、三年磨砂模式沙地沙塵暴頻率變化是沙地氣候(包括大氣溫度、風(fēng)速、降水、土壤水分等)因子的共同作用結(jié)果。為了探求氣候因子對沙塵暴頻率的定量控制作用,我們利用沙地相關(guān)的5個(gè)氣象站的氣候資料首先建立表征該地區(qū)沙塵暴頻率年際變化的沙塵暴指數(shù)。在用氣象要素建立沙塵暴頻率指數(shù)中我們采用了春季平均風(fēng)速,風(fēng)速大于10m/s天數(shù),用冬春溫度差與冬季降水組成的回暖指數(shù)和由今春降水和前冬降水構(gòu)成的春季植被生長指數(shù)作為自變量,經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析建立多元線性回歸關(guān)系。所建立的沙塵暴指數(shù)模式與沙塵暴年日數(shù)相關(guān)系數(shù)0.7左右,且通過信度0.01檢驗(yàn)。同時(shí)所建立的氣候影響指數(shù)模型能用以解釋當(dāng)前該地區(qū)沙塵暴頻率的分布格局。表4給出了沙塵暴日數(shù)與有關(guān)參數(shù)的相關(guān)系數(shù)。圖14給出了沙塵暴日與沙塵暴指數(shù)的年際變化曲線。其中1995年二者的重大差異是由于該年的沙塵暴主要來自蒙古國沙漠。為了定量了解沙塵暴發(fā)生頻率的季節(jié)變化,我們還建立了符合該區(qū)氣候條件(特列是考慮該地區(qū)凍土及融合所表征的土壤濕潤指數(shù)變化)的氣候影響指數(shù)模型。4.4流場結(jié)構(gòu)研究根據(jù)地質(zhì)研究渾善達(dá)克沙地包含著外來沙輸送形成的重要因素,也包括本地荒漠化的因素。由于西部是廣闊的中亞、蒙古和中國西北干旱沙漠區(qū),每年冬春季存在著強(qiáng)沙塵暴的氣候條件。因此可以推測,渾善達(dá)克沙地的形成過程中,冬季風(fēng)的存在、西北沙漠沙塵源地以及區(qū)域本身的地形特征應(yīng)是重要的復(fù)合因素。為此,我們針對這一問題進(jìn)行了初步的中尺度數(shù)值模擬,著重研究盛行冬季風(fēng)狀態(tài)下該區(qū)域的流場結(jié)構(gòu),包括水平風(fēng)場和垂直氣流。由于對西北沙塵源的歷史地質(zhì)情況未予調(diào)查,還不能對實(shí)際的沙地作定量模擬。試驗(yàn)采用的中尺度模式為ARPS。以錫林浩特為模擬水平中心,采用20km及5km兩層單向模式嵌套,20km網(wǎng)格模擬采用NCEP1979～1996年17a平均的3月風(fēng)場作為初始場及外界強(qiáng)迫。圖15為距離地區(qū)200m高度的風(fēng)場(水平格距5km)的模擬結(jié)果?？梢钥闯?在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)盛行西偏北風(fēng),而在渾善達(dá)克沙地所在區(qū)域出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)速與風(fēng)速梯度。另一方面,在下游區(qū)域存在著較為系統(tǒng)的(連續(xù)成片)下沉氣流區(qū)。顯然這是有利于風(fēng)沙傳輸時(shí)的沉降,從而形成沙帶。注意到在模擬區(qū)域的中部偏左下部位風(fēng)具有強(qiáng)水平流場(圖15a),而在垂直速度圖中右方(下游方)下部存在著寬闊的下沉氣流區(qū)。相比而言,在上游(左上方)下沉區(qū)分布較窄,這從動(dòng)力場上解釋了渾善達(dá)克沙地西部窄,東部寬的一個(gè)原因。由于沙帶的形成是地質(zhì)年代時(shí)段的產(chǎn)物,可以設(shè)想上述水平流場與垂直氣流結(jié)構(gòu)在沙帶長時(shí)間沉積形成過程中的作用。作為對比,我們對8月份的情況也做了模擬。這時(shí)的基本流場為西偏南,在下游風(fēng)速較大,而相應(yīng)下沉區(qū)面積及強(qiáng)度均較春季為小(圖16a,b)。有關(guān)這方面的工作我們將結(jié)合起沙過程與外源過程作進(jìn)一步研究。5定量結(jié)果的不確定性溫帶半干旱草原的碳循環(huán)與溫室氣體(N2O,CH4,CO2)收支是全球變化的關(guān)注熱點(diǎn)之一。雖然草原生物量與生產(chǎn)力不如森林和農(nóng)田,但由于其在全球陸地面積中的比重大,其總貢獻(xiàn)量不可忽視。當(dāng)前對這方面的實(shí)驗(yàn)測量仍相當(dāng)不足,因而定量結(jié)果的不確定性仍很大。例如,IPCC2001報(bào)告中明確指出“至今未能確切地肯定N2O和CH4各排放源的排放率”。這是由于這類過程的時(shí)空變化極大。IPCC2001報(bào)告中估計(jì)N2O的總排放率為16.4TgN/a,其中自然排放率為9.6TgN/a,其中熱帶干草原與溫帶草原各占1.0TgN/a,而不確定范圍均為0.5～2.0。已經(jīng)知道草原CH4總體而言是一個(gè)小的匯,但同樣有較大的不確定性。至于CO2通量與草原碳循環(huán)更是當(dāng)前重要的全球變化前沿課題。IMGRASS計(jì)劃中對此進(jìn)行了較為系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測量與過程研究。5.1氣調(diào)與氣體支護(hù)實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)主要由羊草(Leymuschinensis)草原和大針茅(Stipagrandis)草原組成。前者分布于相對偏高偏濕的地帶,而后者則分布于偏低偏干的地帶。實(shí)驗(yàn)中氣體采樣用靜態(tài)箱法,箱體尺寸為400cm×400cm×250cm。實(shí)驗(yàn)在3類草地地表進(jìn)行,即羊草(圍欄禁牧)樣地,大針茅(圍欄禁牧)樣地和羊草自由放牧(退化)樣地。每個(gè)樣地設(shè)3個(gè)采樣箱,每周采樣一次。自1998年5月起持續(xù)1a,得到具有4個(gè)季節(jié)的代表性結(jié)果。所采樣品采用GC/ECD和GC/FID進(jìn)行分析,并作嚴(yán)格的質(zhì)量控制。由于溫室氣體收支具有明顯的日變化,為此我們還進(jìn)行了各生長階段的通量日變化測量。為深入了解形成溫室氣體界面交換的土壤微生物過程,還專門在氣體采樣同時(shí)取土樣,隨后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行微生物培養(yǎng)和生物量測定。5.2不同生長階段羊草草原no和ch4的日變化當(dāng)前國內(nèi)外對草地地氣間N2O和CH4的通量測量很少有對其日變化的測量研究,而是以一天中某一時(shí)間的測量作為日均值,這顯然會帶來誤差。為此1998年我們進(jìn)行了N2O和CH4通量日變化的測量。針對羊草草原4個(gè)不同生長階段分別進(jìn)行了日變化測量,它們是抽穗前期(6月6～7日)、開花期(7月7～8日)、結(jié)實(shí)后期(8月12～13日)、果后營養(yǎng)期(9月9～10日)。表4列出N2O和CH4的日變化統(tǒng)計(jì)值。圖17給出羊草樣地(a)和放牧樣地(b)N2O通量日變化的測量結(jié)果。N2O的通量峰值出現(xiàn)在白天,最強(qiáng)值在開花期。值得注意的是放牧草地N2O通量在一些時(shí)段出現(xiàn)了負(fù)值,且總體值變小。而CH4通量日變化規(guī)律不明顯(圖略),最強(qiáng)值出現(xiàn)在抽穗前期。土壤溫度和水分對通量日變化的影響在不同生長階段各異。有關(guān)形成日變化的機(jī)制,尤其是在放牧條件下出現(xiàn)N2O負(fù)通量的機(jī)制,在文獻(xiàn)中已有詳細(xì)討論。5.3不同季節(jié)對土壤微生物代謝的影響圖18和19分別給出大針茅樣地、羊草樣地和放牧草地等3類草地N2O和CH4通量的測量結(jié)果。對比圖18中N2O通量時(shí)變曲線可以看出,草原是N2O的排放源,具有很強(qiáng)的季節(jié)變化。其中夏季通量最強(qiáng),春秋次之,冬季最弱。通量變化的另一個(gè)特點(diǎn)是,即使在同一季節(jié)內(nèi)相鄰一周的測量結(jié)果也存在較大的脈動(dòng),甚至出現(xiàn)N2O的吸收通量,但這未能掩蓋季節(jié)變化的總體趨勢。形成夏強(qiáng)冬弱的主要原因是夏季由于土壤養(yǎng)分、土壤水勢條件、地下微生物總量均對N2O排放有利。冬季則相反,大部分土壤微生物代謝活動(dòng)受到抑制。我們所作的土壤樣品室內(nèi)微生物培養(yǎng)結(jié)果表明,土壤微生物代謝,尤其是異養(yǎng)硝化作用過程,是N2O排放的主要機(jī)制。由圖19同樣可以看出,草原總體而言是CH4的匯,其通量春季最強(qiáng),強(qiáng)度依次向夏、秋、冬降低。但CH4季節(jié)通量的變化有明顯的年際特征,這一過程主要與土壤中甲烷氧化菌的生物量和代謝活性隨土壤水分和溫度變化密切相關(guān)。5.4草地no的年際變化表5給出半干旱草原3類樣地N2O,CH4和CO2通量的各季排放量比例。從表5可以看出,就3類草地而言,圍欄羊草草地N2O通量最大,放牧羊草草原次之,而圍欄大針茅草草原最小。顯然這與草地種群特性有關(guān)。就羊草草原而言,無放牧與放牧草地的N2O通量差別約40%。本項(xiàng)研究在1995,1998和2001～2002年均分別進(jìn)行過,結(jié)果表明N2O有明顯的年際變化。若按全球溫帶草地為1500Mhm2計(jì),以本工作獲得的代表溫帶草地N2O排放率計(jì)算,則全球溫帶草地N2O年排放量約為0.66TgN,這個(gè)值小于IPCC2001報(bào)告中給出的相應(yīng)平均值1TgN/a,說明內(nèi)蒙古典型草原N2O排放值相對較低,造成N2O排放偏低的可能機(jī)制可見文獻(xiàn)。由于IPCC2001報(bào)告中已說明N2O和CH4等各類陸地地表排放通量的極大不確定性,而對草地N2O排放的估計(jì)自IPCC1995年報(bào)告以來沒有變動(dòng)過,因此這一問題還值得進(jìn)一步分析和測量。3類草地CH4通量很接近,均表明草地是CH4的匯,但對全球CH4的總體收支而言,貢獻(xiàn)較小。5.5不同類草地的呼吸強(qiáng)度IMGRASS在1998,1999,2000年均開展了利用箱法觀測土壤、植被與大氣之間的CO2交換的測量。實(shí)驗(yàn)中采用了不同尺寸的暗箱和透明箱,并在對所有樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上做出了對植物生長不同階段(其光合和呼吸作用受環(huán)境變化的影響差異極大)箱法測量結(jié)果的訂正方案,由此獲得表5中所列出的3類草地的CO2通量的估計(jì)值。從中可以看出,羊草和大針茅封育樣地CO2通量比起放牧草地來有相當(dāng)大的差異。放牧草原由大氣進(jìn)入土壤-植被的CO2年均量不到封育樣地的50%～60%。在春天和秋天減少值極為顯著,而在夏天其作為匯的強(qiáng)度亦減小很多。1998～2000年3a的測量結(jié)果表明,在草原生長期,典型草原群落呼吸量平均變化范圍為夜間221～880mgCO2/(m2·h),白晝?yōu)?25～924mgCO2/(m2·h),其中土壤總呼吸占群落總呼吸的比例夜間為82%～88%,白天為70%～78%。草地植被呼吸平均變化范圍為夜間26～58mgCO2/(m2·h),白晝?yōu)?5～130mgCO2/(m2·h)。這說明草地土壤呼吸無論白晝夜晚都是向大氣釋放CO2的主要貢獻(xiàn)者。干旱和半干旱年份草地土壤呼吸平均約為390gC/(m2.a),但值得注意的是,草原群落呼吸量具有極大的年際變化,1998年較1999和2000年都高出2倍以上。6自然氣候變化過程與封育恢復(fù)演替過程錫林郭勒草原的主體部分是處于人類放牧狀態(tài)的自然草原,并無人工的其他干預(yù),如灌溉、施肥或翻耕(農(nóng)墾地除外)。因此通過長期觀測來了解草地群落實(shí)際存在的退化狀態(tài),并通過對退化草地進(jìn)行封育試驗(yàn),使其在自然氣候變化狀態(tài)下恢復(fù)到原來的頂級群落狀態(tài),對演變過程監(jiān)測分析是十分有價(jià)值的重要工作。參加IMGRASS項(xiàng)目的植物生態(tài)學(xué)家們在這一地區(qū)已經(jīng)進(jìn)行了十?dāng)?shù)年的長期觀測,結(jié)合IMGRASS期間的深入研究,獲得了對典型草原過度放牧退化過程與封育恢復(fù)演替過程的系統(tǒng)認(rèn)識。對于這方面的認(rèn)識,可以歸結(jié)為以下主要點(diǎn)。6.1內(nèi)蒙古草原植被退化演替(1)研究表明,人類活動(dòng)干預(yù)下的草原植被退化演替的本質(zhì)是人類對草原的不合理管理與超限度利用導(dǎo)致草原正常群落的生產(chǎn)力、生物組成發(fā)生明顯的退行性變化,土壤退化,水文循環(huán)改變,相應(yīng)的小氣候環(huán)境惡化這一過程總體。其中人類活動(dòng)的干預(yù)包括過度放牧、超負(fù)荷收割,由此超越了原有群落中某些種群的再生能力,從而導(dǎo)致生物量減少、群落稀疏矮化、優(yōu)質(zhì)牧草減少、劣質(zhì)牧草增長。相應(yīng)的草地動(dòng)物種群亦有變化。值得提出的是,由于半干旱草地所面臨的氣候相對惡劣,存在著水分因素的嚴(yán)重制約,而且有重大的年際變化,導(dǎo)致低于草原生物群落自我維持閾值從而產(chǎn)生退化。以降水為關(guān)鍵制約因素的生態(tài)環(huán)境變化還包含著春季大風(fēng)對土壤表層的風(fēng)蝕、水熱組合的非同季性對植被生長的制約等。因此即使是針對平均氣候狀態(tài)年份的相對合理的人類活動(dòng)干預(yù)也會在氣候惡劣年份造成植被退化,并難以在短期內(nèi)恢復(fù)。因?yàn)橹脖换謴?fù)演替有其自身的規(guī)律與時(shí)間表。(2)根據(jù)1983年以來劉鐘齡研究小組的長期監(jiān)測,已經(jīng)觀測到典型草原在過度放牧下的退化模式。該地區(qū)主要為大針茅草原、克氏針茅草原和羊草草原。在過度放牧情況下各自出現(xiàn)不同的退化演替序列,最終趨同于冷蒿占優(yōu)勢的草原變型。但當(dāng)實(shí)行長期高強(qiáng)度放牧,則會進(jìn)一步退化為星毛萎陵菜占優(yōu)勢的群落。由于冷蒿是一種廣泛適應(yīng)于草原的地上芽植物,具有很強(qiáng)的耐牧性,因而成為草原放牧演替退化過程的“優(yōu)勝者”。表6列出了內(nèi)蒙古草原植被退化演替分級及相應(yīng)的退化指標(biāo)值。可以看出退化演替包括著植物群落生物量、成份比例、株高、蓋度、土壤侵蝕、土壤物性的全面變化。同時(shí)不同退化程度草原的可恢復(fù)年限也不同。當(dāng)然在退化與恢復(fù)演替中均與氣候因子密切相關(guān)。從表7中典型草原3種群落退化過程中優(yōu)勢種的消長率可清楚地看出,退化過程增長造成的原優(yōu)勢種生物量迅速減少,而冷蒿比例增長。表8則給出了相對于未退化草原的基本情況,不同飼用價(jià)值植物的生物量消長及其相對比例關(guān)系。非常明顯的是,退化過程包含著兩個(gè)方面,即草原總生物量的降低和可飼性草的比例迅速降低。因而人類活動(dòng)干預(yù)的結(jié)果一方面是陸-氣界面的通量變化更趨于稀疏植被的陸氣界面,改變地表的溫度、反照率、蒸發(fā)與蒸騰以及微量氣體收支,另一方面則是草原生態(tài)系統(tǒng)自身的變化及由此產(chǎn)生的微氣候特征的變化。前者有可能對大氣邊界層的輸送通量有影響,而后者則是影響退化植被本身的生態(tài)環(huán)境條件。系列研究表明,當(dāng)前錫林郭勒草原的絕大部分處于不同程度的退化狀態(tài),但同樣絕大部分退化草原仍處于可恢復(fù)演替的閾值以內(nèi)。在減輕或停止放牧的措施下,退化草原有可能通過不同年限的自然過程恢復(fù)到其頂級群落。6.2恢復(fù)演替的階段性根據(jù)劉鐘齡研究小組從1983年開始對已嚴(yán)重退化的典型草原圍欄封育,進(jìn)行長時(shí)間序列定位監(jiān)測。每年生長季(5～9月)以15d為周期進(jìn)行每期10個(gè)或20個(gè)1m×1m的樣方測定,測量包括現(xiàn)存生物量的分種、植株密度、高度、覆蓋度等。根據(jù)對十幾年來封育樣地恢復(fù)演替的研究,表明退化的與穩(wěn)定牧壓相適應(yīng)的冷蒿占優(yōu)勢的群落在封育后的恢復(fù)中存在如下特征:(1)恢復(fù)演替經(jīng)歷4個(gè)階段,即冷蒿優(yōu)勢階段、冷蒿加冰草優(yōu)勢階段、冰草優(yōu)勢階段和羊草優(yōu)勢階段。這4個(gè)階段的變化是十分明顯的。值得注意的是退化草地中的植物種數(shù)及未退化前與恢復(fù)演替后的植物種數(shù)沒有變化。(2)生物量逐步增高,但呈現(xiàn)出臺階式的躍變。1983年開始封育時(shí)為74g/m2,1984年改變至160g/m2,此值(160～170g/m2)一直維持到1988年,1989年出現(xiàn)下降調(diào)整,1990年躍升為250g/m2,此后維持200～250g/m2,接近于原生群落的生產(chǎn)力水平。(3)生物量的臺階式提高與恢復(fù)演替中的優(yōu)勢種的急劇調(diào)整相聯(lián)系。當(dāng)生長量高的種恢復(fù)演替為優(yōu)勢種(如羊草),則出現(xiàn)生物量的躍升。反之,在相對緩慢的種之間相對關(guān)系調(diào)整時(shí),生物量變化不大。(4)在恢復(fù)演替的不同階段,氣候與環(huán)境因子的影響并不相同。在初期(1984～1988年)5年間,年降水量有明顯差異,但生物量無明顯差異,在161～171g/m2范圍內(nèi)。直到第8年后,年降水與氣候的小波動(dòng)才開始出現(xiàn)對群落生產(chǎn)力的明顯作用。(5)退化草地群落處于資源過剩狀態(tài),包括相對的水資源過剩。這種過剩是群落恢復(fù)演替的物質(zhì)基礎(chǔ)。而恢復(fù)演替是基于各物種自身的生物學(xué)特性而進(jìn)行對過剩資源的爭取和種間競爭的過程。最終形成自身特有的生態(tài)位。(6)現(xiàn)有監(jiān)測表明,該地區(qū)退化草地經(jīng)11a恢復(fù)后生產(chǎn)力已接近原生群落。從草場利用角度看,經(jīng)5～8a封育,可以適度和合理放牧或割草利用,并可持續(xù)地維持優(yōu)勢種群(羊草、大針茅、冰草)的再生機(jī)制。在這個(gè)階段,氣候變動(dòng)性對草原生產(chǎn)力已有明顯的調(diào)制作用。因而適度與合理利用就要與當(dāng)時(shí)的氣候狀況相聯(lián)系。6.3減少就業(yè)總量,提高實(shí)際生產(chǎn)力實(shí)驗(yàn)區(qū)所在草原除極小塊為研究用的試驗(yàn)圍欄樣地外,都處于放牧利用之中。