翻耕对半干旱区高寒草甸地表水热条件的影响

李乃杰，宜树华，秦 彧，任世龙，陈建军

(1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 冰冻圈科学国家重点实验室，甘肃 兰州 730000;2.中国科学院研究生院，北京 100049)

青藏高原天然草地面积约为1.287×106km2[1]，是我国主要的草地畜牧业生产基地和生态安全的重要屏障。近年来，在气候变化和过度放牧的干扰下，青藏高原高寒草地发生了严重退化。目前，青藏高原发生退化的草地面积有0.45×108hm2，约占青藏高原草地总面积的1/3，其中严重退化的次生裸地——“黑土滩”约占退化草地面积的16.5%[2]，已经对青藏高原的生态环境建设、生物多样性保护以及畜牧业的健康可持续发展构成了巨大威胁。因此，针对退化草地进行人工修复是保护青藏高原的生态环境、恢复治理退化草地的有效措施之一。翻耕补播是退化草地改良的有力手段，它能有效地去除杂草，提高植被恢复速度，增加土壤的有机质含量，改善土壤的物理属性等[3-5]，有着较好的生态、经济和社会效益[6-8]。但是，翻耕补播技术也存在一定的负面效应，如翻耕会破坏地表植被，增大地表蒸散，导致土壤水分的严重流失，在沙化草地或者降水较少的地区，有可能引发草地沙化等[9-10]，因此，在这些区域内，翻耕的负面效应可能等于或者大于其效益，应谨慎使用[11]。

在疏勒河源区，当地政府于2005年对部分退化的高寒草地进行了翻耕补播，效果不好，于2011年再次进行了翻耕补播。由于该区域属于干旱-半干旱区,土壤水分是影响植被生长的重要因子[12],本研究将通过对比高寒草甸、退化草甸以及翻耕草地在不同植被覆盖状况下土壤水、热的动态过程，分析翻耕对土壤水分的影响机理，进而分析翻耕在该区域退化草地恢复中作用不明显的原因。

1 研究区概况与研究方法

1.1研究区概况 研究区域位于青藏高原东北缘，祁连山脉西段青海省苏里乡境内，属于疏勒河源区，受季风影响较小[13]，降水偏少而潜在蒸散量较大，属于干旱-半干旱区[14]，草地类型为高寒草甸，主要植被种类包括高山嵩草(Kobresiapygmaea)、苔草(Carextristachya)、铁棒锤(Aconitumpendulum)、紫菀(Astertataricus)、火绒草(Leontopodiumalpinum)、金露梅(Potentillafruticosa)、蒿草(Atremisavulgaris)和西伯利亚蓼(Polygonumsibiricum)8种。植被低矮，株高基本在10 cm以下。研究区内，存在较大面积的退化草地。在退化草地区域内，当地政府在2005年进行了翻耕补播工作，但效果不理想，补播区域内的退化草地难以恢复，铁棒锤等杂草依然是该区域内的主要物种，在2011年再次进行了翻耕补播。

1.2气象数据 本研究所使用的气象数据来源于研究区内的苏里乡观测站。观测站设有自动气象站(36.42° N，98.30° E，海拔3 802 m)，观测项目包括降水(仪器型号：T200B)、气温(仪器型号：HMP45C)和辐射(仪器型号：CNR-1)资料。观测期为2011年8月5日-9月10日。在观测期内，存在两次较大的连续性降水，第1次为8月10日-8月26日，总降水量达76.7 mm；第2次为9月3日-9月7日，总降水量为12.8 mm。日平均向下短波辐射在350～100 W·m-2。日平均气温在10 ℃左右，9月气温开始下降，霜冻出现，植被逐渐枯萎(图1)。

图1 研究期内的大气状况

1.3研究方法 选择研究区内8种典型的植被群落，包括高山嵩草、苔草、金露梅、铁棒锤、紫菀、火绒草、蒿草和西伯利亚蓼(图2)，在气象塔附近分别设置样方。群落样方大小为0.5 m×0.5 m，用铁框进行标识。但由于高山嵩草群落的样方位置处在河漫滩上，观测数据受河流水位的干扰比较严重。而其余7种植被群落的样方均位于平地上，相互间距离不超过200 m。因此，本研究仅对除高山嵩草外的其他7种植被群落样方的观测资料进行分析。

于8月9日-9月7日，对7个群落的植被盖度、土壤水分和土壤温度每周进行一次人工观测，观测时间分别为8月9日、8月17日、8月24日、8月31日和9月7日，共5次。对每次观测的结果求取日平均后，可以得到7个样方的盖度、日平均温度和日平均土壤含水量。通过分析每次观测的7个样方的日平均温度-盖度的关系和日平均土壤含水量-盖度的关系，找出植被盖度对地表水热条件的影响，进而分析在半干旱区降水不足的条件下，翻耕破坏地表植被后可能产生的不利影响。

植被盖度、日平均温度和日平均土壤含水量的获取方法为：1)使用普通相机拍摄样方照片(以铁棒锤为例，图3)，并使用WinCAM软件，获取当日该群落的植被盖度[15]。2)使用testo热红外成像仪(图3)拍摄样方的热红外照片，并应用其自带软件获取当日该群落的平均地表温度。具体为：09：00-18:00，每小时使用testo热红外成像仪拍摄一次样方(分为4个0.25 m×0.25 m的小样方)的热红外照片(以铁棒锤为例，图3)，并应用其自带软件获取样方的平均温度(首先计算4个0.25 m×0.25 m小样方的平均温度，然后求取其平均值作为该0.5 m×0.5 m样方的平均温度)，最后求取当日该群落的平均地表温度。3)使用POGO便携式土壤传感器测量样方6 cm土壤深度处的土壤体积含水量，然后求取当日该群落的平均土壤含水量。具体为：从09:00-18:00，每小时使用POGO便携式土壤传感器测量一次样方6 cm土壤深度处土壤体积含水量(通过仪器直接读取)，然后求取当日该群落的平均土壤含水量。由于仪器故障，土壤含水量只有8月9日、8月17日和8月24日的观测数据。

图2 研究区、气象塔和植被群落的分布

图3 样方照片及仪器

2 结果分析

2.1植被盖度 各群落的植被盖度在8月9日或者8月17日达到最大，之后逐渐减小(图4)。群落盖度最高的是金露梅，其次是苔草，其余各群落的植被盖度在生长期内变异较大，但基本都比金露梅偏低30%～40%。平均而言，在所有的植被群落中，铁棒锤的植被盖度最低。

2.2土壤湿度与植被盖度的相关性 对每次观测的日平均土壤含水量和植被盖度的相关性进行分析(图5)，发现平均盖度最低的铁棒锤群落土壤含水量最低，而盖度最高的金露梅群落的土壤湿度始终保持在较高水平，植被盖度和土壤含水量之间呈正相关关系，即植被盖度较高的情况下，土壤的含水量也较高。8月9日、8月17日和8月24日土壤含水量和盖度的相关系数分别为0.45、0.77和0.59，其中8月17日通过了α=0.05的显著性检验。

图4 试验期间不同群落植被盖度

图5 土壤含水量和植被盖度的相关性分析

2.3土壤地表温度与植被盖度的相关性 在观测期内，不同群落的植被盖度和地表温度的相关性并不完全一样(图6)。

8月17日，各个植被群落的地表温度差异很小。火绒草地表温度最高，为8.6 ℃，而苔草地表温度最低，为7.9 ℃，两者相差0.7 ℃。

8月24日和9月7日，较高盖度植被群落的地表温度高于较低盖度植被群落，植被盖度和地表温度呈明显的正相关关系。8月24日和9月7日的相关系数分别为0.92和0.80，都通过了α=0.05的显著性检验。植被盖度最高的金露梅群落，其地表温度为15 ℃，而较低盖度植被群落的地表温度基本在12 ℃左右，两者温差可达3 ℃。

8月9日和8月31日的地表温度较其余各日有所升高，较低盖度植被群落的升温速度要远高于较高盖度植被群落。盖度最低的铁棒锤群落，其地表温度的增加尤为剧烈，8月31日的地表温度为20.1 ℃，8月9日的地表温度高达25.7 ℃，相关性由正相关逐渐转变为负相关。

图6 地表温度和植被盖度的相关性分析

3 讨论

3.1土壤湿度、地表温度与植被盖度关系的物理机制分析 根据苏里站2011年8-9月的观测结果可以看出，该区域内不同植被群落的土壤含水量与其植被盖度之间存在正相关关系，而地表温度和植被盖度的相关性则存在较大的变异。太阳辐射是地表升温的主要能量来源，8月17日云层较厚，到达地表的太阳辐射只有85 W·m-2(图1)，地表升温有限，日平均地表温度只有8 ℃左右，各植被群落的地表温度差异不明显。其余4次观测时间内，太阳辐射都很强，地表温度也较高，植被群落间的温差较大，因此下面将结合这4次观测结果进行分析。

在一次降水过程之后，由于地表蒸散，土壤湿度会逐渐减少。8月24日和9月7日，观测前几天存在连续性降水，土壤含水量偏高。8月24日低盖度的铁棒锤群落的土壤含水量接近15%，较高盖度的金露梅群落的土壤含水量达33.6%。而在8月9日和8月31日，之前数日都缺乏降水。根据8月9日土壤含水量的观测记录，各种植被的土壤含水量较8月24日偏低5%～15%。观测结果表明，伴随着土壤含水量的减少，较低盖度植被群落的地表温度增加较快，地表温度-植被盖度之间的关系从开始的正相关变为负相关。本研究认为，造成研究期间内地表植被盖度与地表温度之间关系变化的原因与土壤含水量密切相关。土壤含水量影响着地表蒸散的变化，地表蒸散的变化会引起地表能量分配的变化，直接影响地表温度。遥感上常使用归一化植被指数(NDVI)和地表温度(LST)之间的三角关系，开展旱情监测工作[16-17]。此理论的基础在于，地表蒸散量是控制地表温度的主要因子，当土壤含水量不足导致蒸散量减少时，地表的能量向感热和升温转移，导致地表温度增加[18]。

结合以上的分析，本研究得出地表温度与植被盖度之间关系变化的物理机制：降水后土壤较湿润的情况下，较低盖度群落的地表蒸散偏高，地表温度较低。但是持续较强的地表蒸散会导致土壤含水量急剧流失，土壤水分匮乏，蒸散也随之降低，地表的能量从潜热转为地表感热和升温，较低盖度群落内的地表温度剧烈升高；与此同时，较高盖度群落的土壤水分充足，仍能维持较大的蒸散，潜热带走大量的热量，地表温度较低盖度群落低。这说明较高的土壤含水量在促进植被生长的同时，植被也有利于维持较高土壤含水量。

3.2土壤水分流失的生态危害 在本研究区内，翻耕补播效果不理想的一个可能原因是：翻耕破坏了原生植被，地表蒸散加强，土壤的水分损失较翻耕前偏大。同时除了植被破坏的因素外，土壤物理属性的变化也可能起着一定的作用。翻耕会导致土壤疏松，孔隙度增加，蒸散增强[19]，而使土壤含水量减少急剧，土壤变干。在干旱-半干旱区，降水稀少，本研究区内的年降水量最多只有400 mm，无法补充高蒸散引发的水分流失。因此，翻耕区内土壤含水量长时间偏低，干旱化加剧。干旱化加剧必然会导致原来高寒草原湿生植被难以恢复或者进一步退化，引发一系列的正反馈过程[20]，退化草原的恢复难度将进一步加大。

由此可见，土壤水分是高寒草地植被生长的一个重要制约因素。研究表明，高寒草地植被的恢复需要提高土壤含水量，但是常规灌溉不能完全满足植被对水分的需求[21]。因此，寻找合适的灌溉方式和减少土壤水分的损失将成为干旱-半干旱高寒地区退化草地改良过程中一个必须解决的问题[22]。

本研究的不足之处在于，研究结果建立在对地表观测结果进行分析和对前人的研究结果进行推断的基础上。在后续的研究中将使用陆面过程模式模拟不同植被盖度情况下地表水热平衡的变化差异，从机理上深入研究。

4 结论

当地政府对研究区内的退化草地进行了两次翻耕补播工作，但是植被类型依然以旱生杂草为主，原来湿生的植被类型难以恢复。本研究发现，翻耕补播这种方式在破坏地表植被的同时，也改变了地表土壤的质地，容易造成地表蒸散量增加和土壤含水量下降，不利于湿生型植被的生长恢复。采取增加灌溉或者免耕补播等不破坏地表植被和不改变土壤物理属性的补播方式，可能更适合该地区内的退化植被恢复，但这需要更多的观测和模拟研究来进行论证。

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