草地退化驱动的地表水分与能量变化对高寒草甸蒸散发的影响研究

Actual evapotranspiration (ETa) is the key component of hydrological cycle and energy budget in terrestrial ecosystems. Alpine meadow experienced severe patch-like degradation due to the climate warming and anthropogenic activities on the Tibetan Plateau in last several decades. The degraded alpine meadows have been accompanied with the changing of land surface hydrothermal regime and local hydrological processes. However, due to the lack of knowledge on the effects of alpine meadow degradation on the ETa, it is largely unknown in terms of the impact of alpine meadow degradation on the regional hydrological cycle and climate change. Here, Field observation as well as land surface model was used to explore the impact of alpine meadow degradation on land surface ETa. First, the daily, seasonal and interannual pattern of ETa for the alpine meadow at 5 degradation grades in the permafrost region of the Tibetan Plateau will detected. Second, the statistical analyses will used to explore the dominant limitation factor of ETa, the vegetation cover thresholds of ETa to variation of surface moisture and available energy, particularly the transition point of vegetation coverage for the change of dominant ETa factor. Third, process-oriented model will be adopted to explore the interaction mechanism between vegetation coverage and ETa. The finding of this study would be invaluable in revealing the influence of vegetation cover changes on regional hydrologic cycle and future trends on the Tibetan Plateau.

蒸散发是陆地生态系统水分循环与能量平衡的重要组分。近几十年来，在气候变暖和人类活动共同影响下，青藏高原高寒草甸草地普遍发生了斑块状退化。裸地斑块的出现，改变了地表水热状况和局地水文过程。但是缺乏高寒草甸退化对蒸散发影响的定量研究，导致高寒草甸植被覆盖变化对区域水文循环以及气候变化的影响不明确。鉴于此，本项目基于已有的研究基础，选择青藏高原多年冻土区5级退化梯度高寒草甸为研究对象，在相同的气候条件下，通过原位直接观测与模型模拟相结合，研究样地尺度上不同退化程度高寒草甸蒸散发日、季节与年际变化规律，结合高寒草甸退化导致的地表水分与能量分异特征，探明控制不同退化程度高寒草甸蒸散发强度的主要限制因子，确定蒸散发对地表水分与能量响应的植被覆盖阈值，揭示高寒草甸退化对蒸散发的影响机制。本研究结果将为科学认识青藏高原植被覆盖变化对区域水文循环的影响及未来变化趋势提供理论依据。

在青藏高原暖湿化背景下，高寒草甸草地存在草地普遍变绿与斑块状退化共存现象。高寒草甸覆被的变化改变了地表水热状况和局地水文过程。本研究鉴于青藏高原高寒草甸覆被变化对蒸散发影响定量研究的缺失，选择青藏高原多年冻土区5级退化高寒草甸为研究对象，通过原位观测与模拟，在样地尺度上研究不同退化程度高寒草甸蒸散发的变化规律及其影响因素，力求揭示高寒草甸植被覆盖变化对局地、乃至区域水文循环的可能反馈。研究结果显示：1） 随着高寒草甸退化，植被叶面积指数、地下生物量、土壤有机质显著降低（P<0.05）；土壤质地变粗，土壤容重显著增加（P<0.05）；土壤质地与结构的劣化导致土壤持水能力下降、导水率增加，土壤显著变干（P<0.05）；覆盖度的降低与表土的干燥化促使地表反照率显著增加，地表可利用能量（Rn−G）显著减少。2）土壤湿度并不是高寒草甸实际蒸散发的限制因素，地表可利用能量的多少才是决定实际蒸散发大小的主要因素；但是，随着高寒草甸退化，植被覆盖度降低，土壤湿度与降水量对实际蒸散发的影响程度显著增加；3）在青藏高原暖湿化背景下，变湿虽然解除了植物的水分胁迫，但作为地球上降水频率最高的地区，降水频率的增加，通过降低日照时数，显著降低了地表可利用能量（Rn−G），结合水汽压亏缺（VPD）的降低，最终导致了蒸散发降低，地表供水量（P−ET）增加，这缓解了变绿的高寒草甸强蒸发导致的区域供水减少。本研究首次揭示了青藏高原暖湿化背景下，高寒草甸变绿导致的区域产水减少将趋于缓解。研究成果对准确预测未来气候变化情景下青藏高原高寒草甸蒸散发提供了数据支撑，也将为高寒地区的水资源准确评价提供科学依据。