植被对多年冻土的影响研究进展

作为冰冻圈的主体,多年冻土是岩石圈与大气圈水热交换的产物,它的存在、分布及水热过程受到多种时空尺度环境因子的控制和影响.植被是生物圈的重要组成部分,是岩石圈与大气圈热量交换的媒介,它的存在和变化影响着多年冻土的水热过程和空间分布.文章综述了近几十年来植被对多年冻土影响的研究.首先,植被参与地气之间的水热周转过程,通过反射太阳辐射、贴地植被的吸水保水作用以及截留积雪作用等,对下伏冻土产生错综复杂的影响.但是不同植被类型的反射太阳辐射能力、保水与截留能力等各不相同,产生的影响大小有别.其次,同一植被类型的不同层次(如乔木层、灌木层等)对多年冻土的影响也不同,其中贴地植被产生的影响最显著.植被截留积雪,使得地面接收的太阳辐射和地表水分重分配复杂化,从而间接地影响多年冻土环境.因此当植被发生扰动后(如森林火灾和砍伐植被),就会对其所处的多年冻土环境产生各种不利影响,引发冻土灾害,甚至导致多年冻土消融.实际上植被与冻土同为寒区自然生态系统和环境的重要组成部分,它们在长期地质和生物演化中形成生态平衡.因此,植被还常常被用于指示多年冻土及其空间分布.最后提出目前研究中存在的问题,并对未来研究方向进行了展望.     

疏勒河源区高寒草地景观对地形因子和冻土类型的响应

基于我国环境小卫星的多光谱数据,结合野外实测数据,得到疏勒河源区的植被覆盖度图,并结合地形因子和多年冻土数据分析植被覆盖度对地形因子和多年冻土的响应.结果表明:疏勒河源区整体植被覆盖度低,区域内植被覆盖度差异性大、离散程度高,冰川、积雪、裸岩石砾地、裸地等非植被景观是疏勒河源区最主要的景观类型;坡度、坡向是限制植被分布的主要因子,坡度越小,平均植被覆盖度越大,随坡向由无坡向、阴坡、半阴(阳)坡到阳坡平均植被覆盖度不断减少;不同冻土类型区植被覆盖度差异性显著,极稳定型、稳定型、亚稳定型、过渡型、不稳定型、季节型冻土区平均植被覆盖度呈现出先增加后减少的趋势,且亚稳定型冻土区域的植被覆盖度最高.     

寒区生态系统中多年冻土研究进展

近地表面的多年冻土是陆地生态系统重要的组成部分,其研究是生态、水文和工程建设研究者关心的重要议题。气候是多年冻土重要的影响因子,国内外研究中,与气候变化相结合的多年冻土研究是当前研究的重要方面;同时,多年冻土的水文学、生态学意义研究也在广泛开展。我国的多年冻土研究一直与寒区经济建设和开发紧密联系,在冻土分布、类型、温度、冻土退化及冻土区开发利用等方面取得了丰硕的成果。未来还应注重高分辨率冻土分布制图、融深变化的研究,并建立长期的多年冻土变化监测机制,以便更好地研究气候变化下,陆地生态系统对全球变化的响应与反馈。     

人类工程活动对青藏高原北部多年冻土融化层及其环境的影响

人类工程活动对多年冻土环境的影响是评价人类工程活动对冻土生态系统影响的重要组成部分.以修建青藏公路时的工程干扰带与非干扰带为对比,研究了人类工程活动对多年冻土环境及其融化层的影响.结果表明,干扰带的融化层厚度比非干扰带要小,在非工程干扰带内,融化层厚度随海拔高度的升高,总体上呈下降趋势;而在工程干扰带内,融化层厚度随海拔高度的变化无规律可循.植被类型对冻土融化层厚度的影响表现为:草原＞灌丛＞草甸.干扰带和非干扰带的土壤含水量垂直分布格局主要受海拔高度的影响,在海拔接近时,受植被状况的影响.人类工程活动对地温的影响表现为干扰带温度低于非干扰带温度.     

1982-2009年东北多年冻土区植被净初级生产力动态及其对全球变化的响应

东北多年冻土区作为高纬度寒区之一,对全球变化较敏感.本文基于AVHRR和MODIS两种遥感数据源的归一化植被指数,应用CASA模型对1982-2009年东北多年冻土区植被净初级生产力（NPP）进行模拟.结果表明： 1982-2009年,东北多年冻土区年均气温、年太阳辐射总量和年日照时数显著上升,年降水量显著下降,CO₂浓度及其年增长率显著增大;植被年NPP呈显著的先增加后降低趋势,变化分异节点在1998年.研究期间,东北多年冻土区植被年均NPP总量为623 g C·m^-2,植被年NPP空间分布差异明显.降水是该区生长季植被生长的主要影响因子,植被NPP对气候变化响应的空间异质性明显.土地利用变化通过改变土地覆被状况使植被NPP发生变化,影响了植被NPP的时空分布特征.植被NPP与CO₂浓度呈显著正相关.多年冻土退化对植被NPP的影响随着各区域环境的不同而有所差异.多年冻土区植被NPP与年均地温呈显著正相关,与年最大冻土深度呈负相关.     

中国东北多年冻土区植被生长季NDVI时空变化及其对气候变化的响应

多年冻土对气候变化十分敏感,尤其是多年冻土上的植被,易受气候变化影响.东北多年冻土区位于北半球中、高纬度地区,是我国第二大多年冻土区,同时也是欧亚大陆多年冻土带的南缘.本文基于1981—2014年LTDR和MODIS 两种数据集对东北多年冻土区植被生长季归一化植被指数(NDVI)时空变化特征进行分析,同时结合气象数据,分析植被对气候变化的响应.结果表明: 研究期间,东北多年冻土区植被生长季平均NDVI呈显著增加趋势,年增加0.0036.空间逐像元NDVI变化趋势具有明显的空间异质性. 研究区80.6%区域的植被NDVI具有显著增加趋势(P<0.05),7.7%的区域呈显著减少趋势(P<0.05).不同类型多年冻土区的植被NDVI增加强度不同,依次为连续多年冻土区>不连续多年冻土区>稀疏岛状多年冻土区>季节冻土区,NDVI增加趋势最大值(>0.004)所占的面积比例依次为连续多年冻土区>不连续多年冻土区>稀疏岛状多年冻土区>季节冻土区.多年冻土全区尺度下,植被生长季NDVI与平均气温呈显著正相关关系(r=0.79,P<0.01),与降水呈较弱的负相关,表明气温是东北多年冻土区植被生长的主控因子.研究区的多年冻土退化对植被生长起到积极的促进作用,尤其是在连续多年冻土区和不连续多年冻土区,植被NDVI增加强度更为剧烈.尽管增加的地表温度可以加快植被生长、增加植被覆盖,但长期来看,多年冻土退化甚至消失会阻碍植被生长.     

1982-2009年东北多年冻土区植被净初级生产力动态及其对全球变化的响应

东北多年冻土区作为高纬度寒区之一,对全球变化较敏感.本文基于AVHRR和MODIS两种遥感数据源的归一化植被指数,应用CASA模型对1982-2009年东北多年冻土区植被净初级生产力(NPP)进行模拟.结果表明:1982-2009年,东北多年冻土区年均气温、年太阳辐射总量和年日照时数显著上升,年降水量显著下降,CO2浓度及其年增长率显著增大;植被年NPP呈显著的先增加后降低趋势,变化分异节点在1998年.研究期间,东北多年冻土区植被年均NPP总量为623 g C·m-2,植被年NPP空间分布差异明显.降水是该区生长季植被生长的主要影响因子,植被NPP对气候变化响应的空间异质性明显.土地利用变化通过改变土地覆被状况使植被NPP发生变化,影响了植被NPP的时空分布特征,植被NPP与CO2浓度呈显著正相关.多年冻土退化对植被NPP的影响随着各区域环境的不同而有所差异.多年冻土区植被NPP与年均地温呈显著正相关,与年最大冻土深度呈负相关.     

青藏高原多年冻土区不同高寒草地类型地表形变特征

作为气候变化"指示器"的青藏高原多年冻土,近几十年来受到越来越多学者关注。但是已有冻土区地表形变的研究,多单纯针对地表抬升和沉降量进行分析,鲜有针对不同高寒草地类型进行深入挖掘的。在位于青藏高原多年冻土区腹地的五道梁地区,利用ASAR数据和SBAS-InSAR方法反演了区域内2005年4月到2010年7月的地表形变状况。结果显示研究区地表形变速率基本位于±8 mm/a之间。其中,变形率为正、地表呈现抬升的区域占57.70%,地表形变为负、地表沉降的区域占42.30%。此外,高寒草地整体表现地表下沉的现象,而且高寒草原的地表沉降现象明显强于高寒草甸地区。计算获得3种生态遥感指数后,分析地表形变与生态遥感指数的相关性,发现针对不同草地类型,其地表形变的主导因子存在差异。高寒草甸的地表形变有可能更多的受限于温度变化,而高寒草原的地表形变则可能更多的由水分条件所影响。以上研究说明青藏高原多年冻土区植被类型条件越好,地表沉降量越小。因此今后的相关研究需要对植被类型条件差的区域增加更多的关注,因为这些地区易发生地表沉降,导致其生态系统稳定性较差。     

多年冻土退化对湿地甲烷排放的影响研究进展

全球气候变暖导致北半球大部分多年冻土区的冻土已经开始退化。多年冻土退化对冻土区湿地CH₄排放产生重要影响,可能直接决定冻土区湿地对全球气候变暖的反馈方式。综述了近年来多年冻土退化对湿地CH₄排放影响的研究。多年冻土退化导致的土壤活动层深度增加和植被类型由中生向湿生的转变都可能会大大增加冻土区湿地CH₄排放量,从而可能对全球气候变暖产生正反馈作用。但多年冻土退化导致的水文条件变化、土壤温度变化和微生物组成及活性变化对湿地CH₄排放的影响却存在一定的不确定性。多年冻土退化除了影响湿地CH₄排放量之外,还可能通过改变土壤冻融过程而影响湿地CH₄排放的季节分配模式。最后提出目前研究中存在的问题,并对未来研究方向进行了展望。     

植被覆盖度对夏季降温效应的影响——以内蒙古为例

随着全球变暖的加剧,区域热环境问题日益凸显,植被的降温作用逐渐得到广泛关注。目前已有的研究多从样地尺度分析不同类型植被的降温效应。而区域尺度的研究多从定性的角度揭示地表温度与植被覆盖的关系,对评估植被的实际降温效应具有一定的局限性。以内蒙古为研究区,以MODIS地表温度数据为基础,采用近邻分析法,将森林、灌丛和草地的MODIS地表温度与相邻5km范围内的低覆盖地表作为对照,分析植被的降温效应以及植被覆盖度对降温效应的影响。从2015年7月地表温度平均值的结果来看,降温度数在蒙东、蒙中和蒙甘区均呈现森林>灌丛>草地。森林的降温范围在0.67-1.03℃,灌丛为0.60-0.95℃,草地为0.47-0.86℃。植被降温度数与植被覆盖度的回归拟合为对数分布,均呈显著正相关（P<0.01）。且在不同的植被覆盖度范围内植被降温效应具有显著差异,植被覆盖度水平较低时（<40%）,植被覆盖度的增加能更显著地降低地表温度。从整体来看,植被覆盖度每增加10%,森林降温0.12-0.39℃;灌丛降温0.1-0.2℃;草地降温0.049-0.075℃。综上,内蒙古作为全球气候变化最为敏感的区域之一,研究植被的夏季降温效应能够为内蒙古的气候调节服务评估提供重要的理论支撑及案例参考。     

北京、天津和石家庄城市地表覆盖组分与结构特征对地表温度的影响

城市地表覆盖组分与结构特征直接影响城市地表温度和热岛强度,已成为当前城市规划与城市生态学研究的热点之一。本文以北京、天津和石家庄为研究区域,基于Landsat-8 OLI/TIRS遥感影像提取城市地表覆盖,反演城市地表温度,利用城乡梯度分析、多尺度分析及景观格局指数等方法,分析了城市地表覆盖组分与结构特征对地表温度的影响。结果表明:北京、天津和石家庄不透水地表面积分别为1103.86、610.33和326.75 km2,但北京市不透水地表比例最低,为46.70%;城市内裸土的地表温度最高,其次为不透水地表和植被,水体最低;沿城乡梯度方向上,地表温度与不透水地表比例呈显著正相关,与植被比例呈显著负相关,植被覆盖比例每上升10%,地表温度下降0.4～0.6℃;随着空间分析尺度的增大,城市不透水地表和植被比例与地表温度的相关系数呈现先增大后稳定的变化趋势;城市不透水地表、植被的斑块大小、形状以及聚集度对地表温度具有显著影响,聚集度的影响最大。城市绿地在城市热岛调节中发挥着重要作用,建议在城市中合理规划城市不透水地表与植被绿地比例和空间布局,提升城市生态系统服务和人居环境质量。     

植被覆盖度和归一化湿度指数对热力景观格局的影响——以广州为例

利用LANDSAT-5 TM影像提取地表温度、植被覆盖度和归一化湿度指数（NDMI）等信息,结合景观生态学方法探讨广州市不同区域城市植被和NDMI对地表温度的调节作用.结果表明： 植被覆盖度、NDMI和地表温度两两之间有较强的线性相关性,但不同区域植被覆盖度、NDMI与地表温度的相关程度存在明显差异;提高相同植被覆盖度时,中心城区的降温效果最好,其次是处于中心城区北缘的近郊区;不同区域森林公园对周围热环境的影响程度不同,960~1080 m缓冲区内平均温度与公园内部平均温度之差分别为4.69 ℃（白云山）、1.27 ℃（马仔山）和0.41 ℃（流溪河）;高植被覆盖度可增加热力景观多样性和不同景观之间的结合度,促进低温斑块内部与其他斑块如高温斑块间的能量交换,起到控制热岛效应的效果;增加环境湿度与提高植被覆盖度对热力景观格局所形成的作用相当.     

植被覆盖度和归一化湿度指数对热力景观格局的影响——以广州为例

利用LANDSAT-5 TM影像提取地表温度、植被覆盖度和归一化湿度指数(NDMI)等信息,结合景观生态学方法探讨广州市不同区域城市植被和NDMI对地表温度的调节作用.结果表明:植被覆盖度、NDMI和地表温度两两之间有较强的线性相关性,但不同区域植被覆盖度、NDMI与地表温度的相关程度存在明显差异;提高相同植被覆盖度时,中心城区的降温效果最好,其次是处于中心城区北缘的近郊区;不同区域森林公园对周围热环境的影响程度不同,960～1080 m缓冲区内平均温度与公园内部平均温度之差分别为4.69℃(白云山)、1.27℃(马仔山)和0.41℃(流溪河);高植被覆盖度可增加热力景观多样性和不同景观之间的结合度,促进低温斑块内部与其他斑块如高温斑块间的能量交换,起到控制热岛效应的效果;增加环境湿度与提高植被覆盖度对热力景观格局所形成的作用相当.     

冻融作用对我国东北湿地土壤碳排放与土壤微生物的影响

通过室内模拟冻融实验,探讨了冻融强度(-5和-15℃)和循环次数(0、1、5、10和15次)对我国东北连续多年冻土和季节性冻土湿地二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)产生以及土壤微生物生物量碳(MBC)的影响。结果表明,不同冻融条件下,2种冻土中CO2、CH4排放速率及MBC均表现为:在第1次冻融循环后有所降低,随后随着循环次数的增加,呈现先增高后降低并趋于稳定的趋势。总体上,循环次数显著影响2种冻土CO2、CH4排放和MBC。与对照和小幅度冻融循环相比,大幅温度波动显著促进2种冻土土壤碳排放,但冻融强度对MBC影响不大。实验期间,FTC(-15℃)处理中,连续多年冻土CO2累积排放量(679.99 mg·kg-1)高于季节性冻土(454.32 mg·kg-1),而对CH4累积排放量来说,在FTC(-5℃)处理时,连续多年冻土达到334.49μg·kg-1,略高于其他处理;而在FTC(-15℃)处理时,季节性冻土则最高(600.07μg·kg-1),可能意味着冻融过程中2种冻土产甲烷菌的温度敏感性具有一定差异。本研究为科学评估全球气候变化对我国东北主要冻土区的土壤碳周转提供了数据支持。     

黄河源区不同类型冻土土壤水分入渗特性

冻土土壤水分运动由于受到冻融过程的影响而显示其独特性,而目前对于不同类型冻土土壤水分入渗特性尚缺乏足够的认识。为此,以黄河源区康穷小盆地多下坡年冻土和上坡季节冻土区为例,结合季节降雨变化,基于大气降水、冻土土壤水分、冻结层上水等野外监测数据分析,采用HYDRUS-1D软件冻融模块进行土壤水分入渗模拟,对比分析了融化期多年冻土和季节冻土土壤水分运移过程的差异性,研究结果表明：①在快速融化阶段,降雨以地表径流为主,表层土壤水分含量增加,土壤下渗有限,冻结层上水位上升幅度较小;在稳定融化阶段,土壤水分含量增加,土壤水分下渗增强,受冻土层阻隔影响,多年冻土区冻结层上水水位上升幅度较大,季节冻土区土壤水分则以深层渗漏或侧向流动为主。②受到降雨强度、土壤质地、蒸散发、植被覆盖等因素的影响,降雨损失主要以地表径流为主,下坡各层土壤水分随冻结土壤融化自上而下逐渐增加并达到饱和状态,但上坡表层土壤不易达到饱水状态。③区域河流贯穿融区地下水发育,导致上坡冻结层上水位小幅度上升,下坡冻结层上水位的变化除受到降雨入渗的影响外,还受到融区地下水的影响,引起下坡冻结层上水位的快速上升。研究结果有助于深入了解全球气候变化背景下的冻土退化及其水文效应,进而为定量评估流域水资源脆弱性与区域生态敏感性提供科学依据。     

青藏高原高寒草甸植被特征与温度、水分因子关系

以广布于青藏高原的高寒草甸为研究对象,进行模拟增温实验,探讨高寒草甸植被特征与温度、水分因子关系,并试图论证高寒草甸植被是否符合生物多样性代谢理论.结果表明:①高寒草甸植被物种多样性的对数与绝对温度的倒数呈显著线性递减关系,空气-地表-浅层土壤(0-20 cm)温度(R2 ＞0.6,P＜0.01)较深层土壤(40-100 cm)温度(R2＜0.5,P＜0.05)对物种多样性影响大;其植被新陈代谢平均活化能为0.998-1.85 eV,高于生物多样性代谢理论预测值0.6-0.7 eV,这是高寒草甸植被对长期低温环境适应进化的结果.②除趋势对应分析和冗余分析显示,温度对植被地上部分影响较大,而土壤水分对全株影响均较大,适当的增温与降水均可极显著促进高寒草甸植被生长.③逐步回归和通径分析显示,40 cm、60 cm深度土壤水分对植被地上部分产生直接影响,20 cm高度空气相对湿度和40 cm深度土壤温度对其产生间接影响;40 cm深度土壤温度和60 cm深度土壤水分对植被地下部分产生直接影响,红外地表温度对其产生间接影响.深层土壤温度和水分对高寒草甸植被具有影响作用,这可能与增温后冻土的融化有关,但其机理尚待进一步研究.     

局地气候区视角下的城市热环境研究

城市化发展带来热岛效应,影响区域气候变化,地表温度可以反映地表增温程度,更能直接影响人类居住舒适度。运用Landsat8 TIRS热红外遥感数据和气象数据反演地表温度,以建筑数据、遥感影像为基础,通过GIS空间分析、决策树分类等方法划分局地气候区,从区域角度定量分析不同类型气候区地表温度分异规律。结果表明：(1)北京、天津、石家庄密集型建筑分别占比27.54%、21.95%、25.09%,且以中低层为主,城市公园包含了主要的绿地和水体。(2)在空间分布上,市中心地表温度高于郊区,热岛效应显著,森林、河流是主要低温区。(3)不同气候区的地表温度存在差异,建成区总体高于自然地表;其中建筑区域内表现为紧密型低层(LCZ3)平均地表温度最高,稀疏型高层(LCZ4)地表温度最低,北京、天津、石家庄分别相差1.53℃、2.30℃、2.22℃;植被和水体能够降低地表温度,裸土和铺设路面的地表温度始终较高。因此应充分考虑建筑布局,合理利用植被和水域分布,减少热量聚集,以改善城市生态环境。     

区域地表水体、归一化植被指数与热环境多样性格局的关联分析

以河南省省会郑州市为研究区域,在2 km×2 km网格尺度下将多样性理论与方法应用于区域地表水体、归一化植被指数(NDVI)和地表温度(LST)分布的离散性评价,将NDVI和LST各分为4个等级,计算了其空间分布多样性指数,并探索了它们之间的内在联系.结果表明:将多样性理论与研究方法应用于区域热环境的空间分布离散性评价具有可操作性和实际研究意义;地表水体分布与最低温区分布具有较高的区位重叠性,高的植被覆盖度往往伴随低的地表温度;1988-2009年,郑州市地表水体分布离散性呈明显降低趋势;地表水体分布离散性与区域内各温度区分布离散性存在紧密联系;NDVI分级分布离散性与各温度区分布离散性之间关系复杂,需引入其他环境影响因素参与评价.     

黑龙江省表层冻土真菌群落结构特征

冻土是气候变化的敏感区,冻土中真菌对于预测冻土和气候之间的潜在反馈机制至关重要。本研究采用高通量测序技术对黑龙江省多年冻土和季节性冻土中真菌群落结构进行分析,结果表明:得到的454833条序列分属于6个门,40个纲,86个目,122个科。门水平上,真菌群落主要包括子囊菌门、担子菌门、毛霉亚门、芽枝霉菌门、捕虫霉亚门、壶菌门,以及分类未定或未明确菌门,其中子囊菌门优势作用明显,在多年冻土和季节性冻土中所占比例分别为81.23%和76.56%。属水平上,相对丰度前20位菌属中,只比对出Cladosporium、Mrakia、Fusarium、Mortierella、Solicoccozyma五个菌属。LEfSe分析发现,多年冻土中检测出特征种属20种,而季节性冻土中则未有特征性种属检出。Alpha多样性分析表明,多年冻土中真菌丰富度和均匀度平均值与季节性冻土无显著差异,多年冻土中真菌的Observed OTU指数比、Faith’s Phylogenetic Diversity指数比均显著高于季节性冻土(P 0.05)。     

青藏高原北部多年冻土退化过程中生态系统的变化特征

多年冻土的发育是青藏高原冻土区生态系统稳定的基础,而多年冻土退化效应是目前青藏高原研究的热点。研究了青藏高原北部多年冻土退化过程中生态系统的变化特征。结果表明:在多年冻土退化的过程中,土壤温度逐渐升高,土壤含水量下降,有机质含量降低,植被类型表现为从沼泽化草甸演替为典型草甸,草原化草甸,最终成为沙化草地,群落植物组成从湿生或中湿生逐渐向中生、中旱生乃至旱生转变,草层高度变矮,植被盖度下降,α和β多样性均表现为先增加后减小,在草原化草甸阶段达到最大;草地植物生物量和载畜能力总体表现为降低趋势,但在典型草甸和草原化草甸之间差异不显著。植被经济类群的变化趋势表现为优良的莎草科和禾本科牧草比例下降,而毒杂草比例显著增加,牧草品质下降,饲用价值降低。