摘要
全球气温正在升高，高海拔和高纬度地区升温尤为明显。气候变暖和人类活动背景下，青藏高原多年冻土正在快速和显著退化。黄河源头区（多石峡以上）位于青藏高原多年冻土区东北边缘，连续、不连续和岛状多年冻土与季节冻土交错分布。在过去几十年里，黄河源头区多年冻土持续退化，并带来一系列生态环境问题。系统评价冻土退化对黄河源头区冻土-植被关系影响及其反馈机制，直接关系到该区域生态系统和牧业草场的可持续发展。本文选取黄河源头区为研究区，通过野外调查、模型模拟以及遥感方法，分析了多年冻土（退化）与植被（退化）的相互影响机制，并分析了气候变化和道路扰动对植被影响以及二者共同作用下多年冻土与植被互馈关系。主要结论如下: (1)冻土分布和特征与植被类型的空间对应关系具有很大的不确定性。分析表明，多年冻土在高寒草甸、沼泽湿地、退化高寒草甸、荒漠化高寒草原和高寒荒漠类型主导的高山区均有分布。季节冻土则主要分布在高寒草甸和荒漠化高寒草原区。不同植被类型环境下，实测年平均地温(MAGT)平均值高低顺序为:沼泽湿地＜高寒草甸＜退化高寒草甸＜荒漠化高寒草原＜高寒荒漠。活动层厚度（ALT）的平均值表现为，荒漠化高寒草原＞高寒荒漠＞退化高寒草甸＞高寒草甸＞沼泽湿地。并且，在各植被类型环境下，MAGT与ALT空间变异大。调查显示，高寒草甸一般下伏多年冻土，而高寒草原未发现。高寒草甸深厚的泥炭层有利于多年冻土的发育和保存。多年冻土的存在反过来使土壤中水分和养分含量丰富，有利于高寒草甸的发育。植被退化情况下，冷生土壤剖面会受到更强烈的冻融扰动，从而使矿质土裸露地表，养分含量降低。 (2)冻土对植被特征的影响研究表明，不同冻土区植被特征差异显著。黄河源头区植被盖度平均值较高，为83％。不连续和岛状多年冻土区地上生物量高于连续多年冻土区和季节冻土区，地上生物量平均值最大为192.5±71.6g/m2，位于不连续冻土区;最小值为109.4±48.3g/m2，位于季节冻土区;地下总生物量则表现为在连续多年冻土区最高，为35742g/m2;季节冻土区最低，为14884g/m2。地下生物量显著高于地上生物量。连续和岛状不连续多年冻土区的莎草科物种盖度明显高于不连续多年冻土区和季节冻土区;杂草类盖度则表现出相反趋势。 植被特征与ALT变化具有相关性。随ALT增加，莎草科相对盖度减少，而杂草类相对盖度增加;地下生物量先降后增。当ALT＜2m时，样地间植物群落相似度更高;ALT＞2m时，植物群落特征开始出现差异。这表明，2m的ALT可能是引起植被群落演替的一个重要阈值。排序分析表明，植物群落物种组成受ALT、海拔、土壤含水量、粒度成分、pH和养分的显著影响。当ALT较大，pH较高，土壤中粗砂较多，植物群落向杂草为优势种方向演替。这可能意味着，2m的ALT可能为植被群落变化的阈值。这主要是因为此时活动层土壤含水量较高，且粗砂含量较低，养分含量明显高于ALT更大的情况。 (3)模型预测表明，气候变暖和植被退化可显著影响年最大融化深度和MAGT。在气温不变的情况下，随着植被退化程度加强，即植被从高寒草甸（盖度＞95％）演替为退化高寒草甸（盖度约为60％），到荒漠化高寒草原(盖度约为15％)再到裸地，最大融化深度增加。与对照（不升温高寒草甸）相比，退化高寒草甸、荒漠化高寒草原和裸地2100年最大融深分别增加0.1，0.3和0.4m;从高寒草甸到裸地，MAGT(2014-2100年，15m深度处)升高0.69℃。 2014-2100年期间气温升高1.5和2.0℃的情景下，年最大融化深度显著加深。与对照（不升温高寒草甸）相比，最大融化深度将分别增加8.4和10.4m;MAGT(15m)将分别升高1.27和1.28℃。两种气候变暖情景下的最大融化深度和MAGT增大程度均大于只有植被退化而无升温的情况。这表明，高山草甸环境下多年冻土温度对气温升高更加敏感。 与只有温度升高2.0℃相比，2014-2100年期间气温升高（1.5和2.0℃）和植被退化共同作用情景下，高寒退化草甸最大融化深度增加为3m;荒漠化草原增加7m;裸地增加11m。在15m深度处，裸地处的多年冻土将在2057年消失;在荒漠化草原，2074年消失。气候变暖和植被退化共同作用将显著加速多年冻土退化。 (4)气候变化背景下，国道214对植被生长季累计NDVI和植被物候（返青期、枯黄期和生长季长度）具有重要影响。2000-2017年平均生长季累计植被归一化指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）呈显著增加趋势(0.012/yr)。整个缓冲区，植被返青期集中在第150-170d;枯黄期集中在第265-275d;生长季长度集中在105-115d左右。从2000到2017年，返青期显著提前（0.4d/yr）;枯黄期表现出不显著的延后趋势;生长季长度表现出不显著的延长趋势。 随向路外距离增加（每3km为一个缓冲带），年平均生长季累计NDVI增加，返青期延后，生长季缩短，且不同冻土区具有差异性。其中，生长季累计NDVI从公路开始0-9km显著增加像元占各缓冲区面积百分比较大。随距道路距离增加，返青期逐渐延后大约2d，而枯黄期逐渐提前;受二者影响，生长季长度呈减小趋势，大约减小2-3d。离开公路9km以外，各植被物候参数变化趋于平稳。由此可见，国道214对植被影响至少在9km左右。2000-2017年，冻土区年均累计NDVI均呈增加趋势，但季节冻土区呈显著增加趋势，速率为0.012/yr。 生长季气温和降水增加以及道路扰动对国道214沿线冻土区植被影响显著。这主要是通过下垫面状况、加速冻土退化来影响土壤水热状况，使靠近道路及其影响范围内的植被NDVI降低，春季返青期提前和生长季延长。在多年冻土快速升温区，植被生长季累计NDVI显著增加，春季返青期显著提前，生长季显著延长。但植被状况的改善未能阻止多年冻土进一步退化。 综上所述，植被物种组成和地下生物量对ALT增加具有显著响应;在黄河源头区2m的ALT可能是一个引起植被演替的阈值，2m厚的活动层内土壤水分含量垂直分布变异小，粗砂含量低且各养分含量较高;伴随着ALT逐渐增大，植被退化。植被退化使冻土融深增加，MAGT升高，但多年冻土对气候变暖更加敏感，主要是由于地表植被结构简单且厚度（株高）较小。气候变暖和植被退化将可能导致黄河源头区高寒草原区的多年冻土（15m深度处）在21世纪中后期消失。气候暖湿化背景下，黄河源头区的国道214沿线冻土MAGT升高，植被在气温升高、降水增加背景下，生长季累计NDVI增加，返青期显著提前、生长季延长。但是，即使因工程活动受损植被恢复，也不能减缓冻土退化速率。
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