冻融过程协同植被变化对冻土区土壤水文过程的影响研究

The aim of this project is to study the influence offreeze-thaw processes and vegetation changes on soil evapotranspiration, soil infiltration and hydrothermal change process in permafrost regions.Under the diffferent conditions of active layer freeze-thaw processes and vegetation degeneration, the influence of freeze-thaw processes and vegetation changes on the key processes of soil evapotranspiration and soil infiltration is analysed in permafrost regions by the in-situ observation experiment on soil evaporation, soil infiltration and hydrothermal processes. Through the monitoring andanalysis of active layer soil temperature, soil moisture, soil properties and vegetation, the characteristics of the influence of vegetation degeneration and soil properties changes on soil hydrothermal process is explained, and the coupling relationship mechanism between soil evapotranspiration and soil infiltration and freeze-thaw processes and vegetation degeneration is revealed in permafrost regions. Through the analysis of actual observation data,the evapotranspiration model and infiltration analytical model suitable for permafrost regions are further improved, which can analyze and predict the changes of evapotranspiration and infiltration processes in permafrost regions under climate change.

本项目拟对多年冻土区冻融过程协同植被覆被变化对土壤蒸散发、土壤入渗及土壤水热变化过程的影响开展研究。通过对土壤蒸散发、土壤入渗和水热变化过程的野外原位观测试验，在不同冻土活动层冻融过程变化和植被退化条件下，分析在多年冻土区冻融过程和植被覆被变化对土壤蒸散发和土壤入渗关键过程的影响特征。对冻土活动层温度、土壤水分、土壤属性及植被等要素的变化监测和分析，解释植被退化与土壤属性改变对土壤水热过程的影响特征，揭示冻土区土壤蒸散发和土壤入渗过程与冻融过程和植被退化之间的耦合关系和相互作用机理；通过实际观测资料的分析，进一步完善适合冻土区的蒸散模型和入渗解析模型，对气候变化条件下冻土区蒸散过程和入渗过程变化进行分析和预测。

青藏高原分布着世界上面积最大的高海拔冻土区，随着全球气候变暖的影响，青藏高原冻土及植被正经历着严重的退化，这进一步加剧了高原的水文循环，因此对青藏高原冻土区的生态水文过程变化进行监测研究具有重要意义。本项目以青藏高原多年冻土为研究对象，通过野外原位试验和室内实验，结合数值模型、机器学习等方法对青藏高原多年冻土区冻融过程协同植被变化对生态水文过程的影响进行了创新探索性研究，全面完成了项目任务书中设定的各项研究内容和考核指标，取得了较为丰富的研究成果：.（1）气象要素对潜在蒸散发的影响存在明显的季节性差异，在冻融循环的影响下，净辐射和饱和水汽压差对潜在蒸散发的贡献较大。夏季解冻期12:00至14:00的气象要素范围是实际蒸散发的最佳条件，这也是多年冻土地区水分损失最大的环境阈值。对实际蒸散发模拟研究结果表明，风火山区域存在非线性互补关系。此外，采用重新缩放非线性互补关系计算了青藏高原1982-2015年的实际蒸散发，得出多年平均实际蒸散发为373.12 mm yr-1，有21.56%的地区年实际蒸散发显著上升。.（2）土壤水文过程与土壤理化性质有关，冻融循环改变了土壤的物理化学和水文性质，促进了冻土热状态的变化，而植被对冻土的退化阻碍作用；根系层实际有效土壤含水量是生态环境稳定的决定性因素，而如果在植物生长季的早期缺乏实际有效土壤含水量可能直接导致生态环境退化。青藏高原阴坡和阳坡土壤水文性质存在显著差异，植被覆盖率和土壤粒度分布是影响土壤水文特性的主要因素。多年冻土区活动层土壤入渗性能主要表现为：高寒草原>裸土>高寒草甸>高寒沼泽草甸，植被根系强烈影响活动层土壤的入渗性能。.（3）活动层土壤的物理化学性质与土壤水热动力学之间存在显著的相互作用。水文过程的差异，包括渗透、蒸散、径流、坡顶产流、坡底汇流以及植被密度的差异，导致了土壤水热过程的差异性变化。.（4）高寒地区土壤有效氮和植物群落生物量对土壤氮素状况的变化反应敏感，氮添加能够促进植物地上部分的增长，从而改变其自身光合产物的分配模式；氮添加会抑制细菌多样性，铵态氮、硝态氮、有机碳和含水量是驱动这种变化的主要土壤因子。温度变化影响了植被生长及其碳、氮含量，但不同季节对其影响并不一致；青藏苔草在模拟气温升高的过程中表现出更强的适应能力；增温使青藏高原土壤细菌群落多样性表现为降低趋势，土壤理化指标对细菌群落影响显著。.研究