加強(qiáng)若爾蓋濕地和黃河源區(qū)多圈層相互作用綜合觀測(cè)研究 為保護(hù)黃河“水塔”提供科技支撐

      中國(guó)網(wǎng)/中國(guó)發(fā)展門(mén)戶網(wǎng)訊  黃河源區(qū)位于青藏高原東部，面積12.2×10⁴ km²，僅占黃河流域面積的16.4%，但年均徑流量約占全流域的38%，是黃河“水塔”和我國(guó)重要的生態(tài)安全屏障。黃河源區(qū)濕地、草原眾多，其中位于源區(qū)東部的若爾蓋高原，面積約3.08×10⁴ km²，發(fā)育了全球規(guī)模最大、保存最完整的高原泥炭沼澤濕地，占全國(guó)泥炭地面積的44%及泥炭?jī)?chǔ)量的41.92%，是我國(guó)重要的碳匯功能區(qū)。這些泥炭沼澤濕地水源涵養(yǎng)功能突出，被譽(yù)為“高原固體水庫(kù)”，對(duì)徑流起到重要的調(diào)節(jié)作用。

黃河源區(qū)西靠青藏高原、東鄰黃土高原、北毗祁連山系、南接橫斷山區(qū)，大部分屬于半干旱與半濕潤(rùn)區(qū)，也是夏季風(fēng)的邊緣區(qū)和陸氣相互作用的強(qiáng)耦合區(qū)及氣候變化的敏感區(qū)。近幾十年來(lái)，青藏高原以全球平均約2倍的速率增溫，黃河源區(qū)變暖速率甚至達(dá)到高原平均的1.12倍。20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初，受到氣候變暖和過(guò)度放牧等人類活動(dòng)的影響，黃河源區(qū)生態(tài)一度嚴(yán)重惡化，草原退化、湖泊濕地萎縮、徑流減少甚至出現(xiàn)斷流，影響重大。21世紀(jì)以來(lái)，得益于降水增加及甘南黃河上游水源涵養(yǎng)區(qū)生態(tài)保護(hù)工程、三江源生態(tài)保護(hù)工程等重大項(xiàng)目的實(shí)施，黃河源區(qū)生態(tài)惡化的趨勢(shì)得以初步遏制。但隨著氣候變暖持續(xù)，凍土退化仍在加劇，植被變化和水循環(huán)加快，生態(tài)系統(tǒng)和水源涵養(yǎng)的穩(wěn)定性受到了嚴(yán)重威脅，未來(lái)的生態(tài)與水資源安全仍然面臨很大不確定性。同時(shí)，以若爾蓋高原為代表的源區(qū)草原濕地呈現(xiàn)整體恢復(fù)局部退化的態(tài)勢(shì)，部分區(qū)域地下水位下降導(dǎo)致泥炭氧化而成為重要的碳排放熱點(diǎn)區(qū)域，氣候變暖和人為干擾造成的濕地生態(tài)系統(tǒng)退化將對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳收支過(guò)程及碳源/匯功能的時(shí)空格局產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

黃河源區(qū)海拔落差顯著，地形地貌復(fù)雜，植被類型多樣，涉及三江源、若爾蓋高原、甘南等多個(gè)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)，是重要的地球關(guān)鍵帶。從源頭的約古宗列濕地至源區(qū)出口唐乃亥水文站，黃河逐步從青藏高原奔涌而下流入河湟谷地，穿越不同的地質(zhì)地貌單元，承受復(fù)雜的多圈層相互作用，歷經(jīng)地質(zhì)地表過(guò)程與氣候變化和人類活動(dòng)過(guò)程互饋影響，其地貌過(guò)程的典型性、氣候過(guò)程的多變性和人類活動(dòng)的干擾性，決定了黃河源區(qū)觀測(cè)研究具有強(qiáng)烈的地球系統(tǒng)科學(xué)屬性。因此，黃河源區(qū)是研究氣候變暖背景下高寒生態(tài)系統(tǒng)尤其是濕地草原水—熱—碳循環(huán)及多圈層相互作用研究的理想試驗(yàn)場(chǎng)，對(duì)于黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展、“雙碳”目標(biāo)等重大戰(zhàn)略也都有重要意義。

建站20年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院若爾蓋高原濕地生態(tài)系統(tǒng)研究站（以下簡(jiǎn)稱“若爾蓋站”）建成了以若爾蓋高原草地、濕地生態(tài)系統(tǒng)為重點(diǎn)，輻射整個(gè)黃河源區(qū)的大氣—陸面—生態(tài)—水文多圈層相互作用觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，取得了大量的第一手觀測(cè)資料，開(kāi)展了高原草地、濕地生態(tài)系統(tǒng)及高寒地區(qū)多圈層相互作用系統(tǒng)性研究。

建立了若爾蓋高寒濕地草原為重點(diǎn)、輻射整個(gè)黃河源區(qū)的能量—水分—碳循環(huán)綜合觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)

集大氣—生態(tài)—水文—碳循環(huán)一體的綜合地球觀測(cè)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)多圈層相互作用研究的基本支撐和基礎(chǔ)。若爾蓋站自2005年在甘肅省瑪曲縣河曲馬場(chǎng)建設(shè)第1個(gè)高寒草地陸面過(guò)程觀測(cè)場(chǎng)以來(lái)，經(jīng)過(guò)20年的發(fā)展，在黃河源區(qū)陸續(xù)建成了涵蓋多年凍土濕地、退化多年凍土濕草甸、高寒湖泊、泥炭沼澤濕地、草地、灌叢、冰川等典型下墊面的能量—水分—碳循環(huán)觀測(cè)系統(tǒng)（圖1）。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)大氣、生態(tài)、水文等不同學(xué)科的特色及交叉研究需求，建立了有針對(duì)性的專項(xiàng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，主要包括：在甘南瑪曲這一重要的水源涵養(yǎng)區(qū)，結(jié)合激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)、聲雷達(dá)、多普勒天氣雷達(dá)、移動(dòng)氣象觀測(cè)車、全球定位系統(tǒng)（GPS）探空儀和系留探空等設(shè)備，垂直方向上形成了土壤—植被—大氣邊界層—對(duì)流層的立體探測(cè)能力，水平觀測(cè)尺度達(dá)到百公里（圖2）；針對(duì)若爾蓋濕地草原的陡峭山區(qū)、緩坡丘陵2種不同類型的水源涵養(yǎng)功能區(qū)，在瑪曲縣分別建立了2個(gè)涵蓋站點(diǎn)—坡面—流域尺度的流域生態(tài)水文氣象觀測(cè)網(wǎng)（圖3）；在地形復(fù)雜的三江源區(qū)建立了多條縱向雨量觀測(cè)廊道，以及為遙感降水/土壤濕度產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證和算法改進(jìn)的降水—土壤凍融監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和用于植被、土壤調(diào)查采樣及遙感驗(yàn)證的濕地、草地生態(tài)樣地及樣方。結(jié)合即將建設(shè)的若爾蓋碳匯監(jiān)測(cè)子平臺(tái)，將最終形成區(qū)域尺度能量—水分—碳循環(huán)綜合立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，填補(bǔ)黃河“水塔”區(qū)復(fù)雜下墊面多圈層相互作用觀測(cè)空白，成為開(kāi)展黃河源區(qū)地球關(guān)鍵帶研究的理想試驗(yàn)平臺(tái)?；谏鲜鲇^測(cè)網(wǎng)絡(luò)獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)已在國(guó)家冰川凍土沙漠科學(xué)數(shù)據(jù)中心開(kāi)放共享。

揭示了高寒草地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)機(jī)理，構(gòu)建了針對(duì)不同類型退化草地的生態(tài)修復(fù)技術(shù)

揭示了氣候變化通過(guò)修飾功能性狀（主要影響比葉面積與比葉體積）影響灌木擴(kuò)張進(jìn)程的機(jī)理，明晰了增溫主要通過(guò)改變土壤養(yǎng)分與提高葉片功能性狀，進(jìn)而影響光合能力，使優(yōu)良牧草受限、毒雜草擴(kuò)張，從而改變高寒草甸群落組成。闡明氣溫升高是導(dǎo)致濕地退化的主因，過(guò)度放牧是導(dǎo)致草地退化的主因，隨著全球氣候變暖，草地旱生化過(guò)程將逐漸加劇，呈現(xiàn)為毒雜草豐度增加和草地灌叢化的趨勢(shì)。提出了土壤碳同化概念，量化了高寒草甸退化和灌叢化對(duì)草氈層有機(jī)碳儲(chǔ)量及生產(chǎn)功能的影響，提出草氈層厚度30 cm以上，質(zhì)量含水量閾值30%，土壤有機(jī)碳含量閾值30 g/kg，有利于若爾蓋高原植被穩(wěn)定和生產(chǎn)生態(tài)功能協(xié)同提高。明晰了過(guò)度放牧和濕地、草地旱生化演變是導(dǎo)致草氈層芽密度逐漸降低的主因，提出輕度、中度沙化草地依靠自有芽庫(kù)通過(guò)圍封禁牧能夠自然恢復(fù)，重度、極度沙化草地宜采取人工修復(fù)措施加快恢復(fù)的修復(fù)策略。據(jù)此建立了占地面積240畝的涵蓋不同類型退化草地的生態(tài)恢復(fù)示范觀測(cè)場(chǎng)，研發(fā)了“活草方格”沙化草地治理技術(shù)（圖4），替代了原來(lái)的塑料草方格方法，降低了生態(tài)治理成本，減少了環(huán)境污染，增強(qiáng)了生態(tài)治理的可持續(xù)性，收到了良好成效，為黃河源區(qū)生態(tài)文明建設(shè)提供了有效的科學(xué)支撐。

針對(duì)甘南黃河水源涵養(yǎng)區(qū)草地及畜牧業(yè)現(xiàn)狀和存在問(wèn)題，編寫(xiě)了漢藏雙語(yǔ)對(duì)照版的《瑪曲退化沙化草地生態(tài)治理技術(shù)集成示范宣傳手冊(cè)》《氣候變暖背景下瑪曲草原變化與適應(yīng)性對(duì)策》，并多次進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)講解培訓(xùn)。

系統(tǒng)認(rèn)識(shí)了凍土—積雪—植被—大氣相互作用的關(guān)鍵過(guò)程與機(jī)理，基于CLM5.0集成發(fā)展了適合黃河源區(qū)的陸面過(guò)程模式和水文模型

量化了黃河源區(qū)凍土—積雪—大氣相互作用過(guò)程中的水熱傳輸特征，在集成礫石、有機(jī)質(zhì)、干燥表面層、凍結(jié)溫度、植被物候、土壤導(dǎo)水導(dǎo)熱等冰凍圈生態(tài)水文關(guān)鍵過(guò)程的基礎(chǔ)上，基于CLM5.0集成發(fā)展了適合黃河源區(qū)和青藏高原的陸面過(guò)程模式，使土壤濕度平均偏差降低了22.7%，土壤溫度偏差降低13.8%，與全球陸面同化產(chǎn)品（GLDAS）相比，空間相關(guān)系數(shù)由0.83提升至0.93,并量化了黃河源區(qū)植被恢復(fù)對(duì)產(chǎn)流的直接影響。研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)并且涵蓋積雪、凍土、高寒湖泊過(guò)程的SHUD（Simulator of Hydrologic Unstructured Domains）水文模型及其軟件工具包，提出了有限體積法求解高時(shí)空分辨率流域水文響應(yīng)的新方法（圖5），建立了全球水文數(shù)據(jù)云平臺(tái)及全國(guó)水文模擬系統(tǒng)原型，為開(kāi)放且可重復(fù)水文建模和大范圍實(shí)時(shí)水情模擬與預(yù)報(bào)提供新平臺(tái)。

揭示了局地陸面—生態(tài)—大氣耦合過(guò)程在高原區(qū)域水—熱—碳循環(huán)及其演變中的重要作用

構(gòu)建了青藏高原4 km的模式系統(tǒng)，提升了高原及周邊區(qū)域的氣候模擬能力，為防災(zāi)減災(zāi)提供了科技支撐。量化了青藏高原夏季對(duì)流邊界層發(fā)展的主要能量來(lái)源于地表感熱通量（日累積量的貢獻(xiàn)占比50%—75%），提出了強(qiáng)局地陸氣耦合過(guò)程是維持高原午后對(duì)流降水的機(jī)制。發(fā)現(xiàn)青藏高原土壤濕度影響午后對(duì)流觸發(fā)的比例在高原中部接近50%，遠(yuǎn)高于北美、印度和中國(guó)黃土高原，證實(shí)了青藏高原是土壤濕度—大氣強(qiáng)耦合區(qū)域（圖6）。發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)乇頍嵬看笮∠喈?dāng)時(shí)，高原較低的空氣密度能夠放大地表熱通量的加熱效率，加之青藏高原的強(qiáng)輻射，造成即使在相對(duì)穩(wěn)定的條件下也會(huì)觸發(fā)對(duì)流的高原午后對(duì)流降水的機(jī)理，為基于陸氣相互作用開(kāi)展青藏高原午后對(duì)流降水預(yù)報(bào)和區(qū)域氣候與生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控提供了關(guān)鍵科學(xué)證據(jù)。發(fā)現(xiàn)高原東北部地表能量分配和碳通量主要與輻射收支顯著相關(guān)，主要受熱量控制，中部偏南區(qū)域的分配很大程度上受土壤干濕狀況的影響，水—熱—碳耦合過(guò)程更加緊密，并且受大氣干燥程度和地氣溫差的顯著影響，顯示了局地陸面—生態(tài)—大氣耦合對(duì)該區(qū)域水—熱—碳循環(huán)具有重要影響。發(fā)現(xiàn)了青藏高原地表能量分配和生態(tài)系統(tǒng)呼吸對(duì)增溫的響應(yīng)在空間上具有顯著的異質(zhì)性，主要受降水的季節(jié)與年際變化的調(diào)控。上述研究入選2024年度“中國(guó)氣候研究重大進(jìn)展”。

基于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和科學(xué)研究，增進(jìn)了對(duì)若爾蓋高寒濕地草原和黃河源區(qū)大氣—陸面—生態(tài)—水文多圈層相互作用的理解，發(fā)展了適合黃河源區(qū)及青藏高原的陸面水文模式，被甘肅省、青海省、云南省、四川省等氣象、水利、電力等行業(yè)部門(mén)應(yīng)用，撰寫(xiě)的關(guān)于黃河源區(qū)氣候、生態(tài)與水文新變化及其對(duì)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展影響的研究成果，支撐了地方政府和行業(yè)部門(mén)相關(guān)工作的順利開(kāi)展。提出了高原強(qiáng)局地陸氣耦合過(guò)程是維持高原午后對(duì)流降水的機(jī)制，證實(shí)了局地陸面—生態(tài)—大氣耦合過(guò)程在高原區(qū)域水—熱—碳循環(huán)及其演變中的重要作用，為基于陸氣相互作用開(kāi)展青藏高原午后對(duì)流降水預(yù)報(bào)和區(qū)域氣候與生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控提供了關(guān)鍵科學(xué)依據(jù)，研究入選首屆（2024年）“中國(guó)氣候研究重大進(jìn)展”。

（作者：孟憲紅、尚倫宇、李照國(guó)、王少影、舒樂(lè)樂(lè)、陳昊、趙林、蘇培璽，中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 中國(guó)科學(xué)院若爾蓋高原濕地生態(tài)系統(tǒng)研究站；張宇、呂世華，成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院。《中國(guó)科學(xué)院院刊》供稿）