加強若爾蓋濕地和黃河源區多圈層相互作用綜合觀測研究 為保護黃河“水塔”提供科技支撐

      中國網/中國發展門戶網訊  黃河源區位于青藏高原東部，面積12.2×10⁴ km²，僅占黃河流域面積的16.4%，但年均徑流量約占全流域的38%，是黃河“水塔”和我國重要的生態安全屏障。黃河源區濕地、草原眾多，其中位于源區東部的若爾蓋高原，面積約3.08×10⁴ km²，發育了全球規模最大、保存最完整的高原泥炭沼澤濕地，占全國泥炭地面積的44%及泥炭儲量的41.92%，是我國重要的碳匯功能區。這些泥炭沼澤濕地水源涵養功能突出，被譽為“高原固體水庫”，對徑流起到重要的調節作用。

黃河源區西靠青藏高原、東鄰黃土高原、北毗祁連山系、南接橫斷山區，大部分屬于半干旱與半濕潤區，也是夏季風的邊緣區和陸氣相互作用的強耦合區及氣候變化的敏感區。近幾十年來，青藏高原以全球平均約2倍的速率增溫，黃河源區變暖速率甚至達到高原平均的1.12倍。20世紀90年代至21世紀初，受到氣候變暖和過度放牧等人類活動的影響，黃河源區生態一度嚴重惡化，草原退化、湖泊濕地萎縮、徑流減少甚至出現斷流，影響重大。21世紀以來，得益于降水增加及甘南黃河上游水源涵養區生態保護工程、三江源生態保護工程等重大項目的實施，黃河源區生態惡化的趨勢得以初步遏制。但隨著氣候變暖持續，凍土退化仍在加劇，植被變化和水循環加快，生態系統和水源涵養的穩定性受到了嚴重威脅，未來的生態與水資源安全仍然面臨很大不確定性。同時，以若爾蓋高原為代表的源區草原濕地呈現整體恢復局部退化的態勢，部分區域地下水位下降導致泥炭氧化而成為重要的碳排放熱點區域，氣候變暖和人為干擾造成的濕地生態系統退化將對生態系統碳收支過程及碳源/匯功能的時空格局產生深遠影響。

黃河源區海拔落差顯著，地形地貌復雜，植被類型多樣，涉及三江源、若爾蓋高原、甘南等多個重點生態功能區，是重要的地球關鍵帶。從源頭的約古宗列濕地至源區出口唐乃亥水文站，黃河逐步從青藏高原奔涌而下流入河湟谷地，穿越不同的地質地貌單元，承受復雜的多圈層相互作用，歷經地質地表過程與氣候變化和人類活動過程互饋影響，其地貌過程的典型性、氣候過程的多變性和人類活動的干擾性，決定了黃河源區觀測研究具有強烈的地球系統科學屬性。因此，黃河源區是研究氣候變暖背景下高寒生態系統尤其是濕地草原水—熱—碳循環及多圈層相互作用研究的理想試驗場，對于黃河流域生態保護和高質量發展、“雙碳”目標等重大戰略也都有重要意義。

建站20年來，中國科學院若爾蓋高原濕地生態系統研究站（以下簡稱“若爾蓋站”）建成了以若爾蓋高原草地、濕地生態系統為重點，輻射整個黃河源區的大氣—陸面—生態—水文多圈層相互作用觀測網絡，取得了大量的第一手觀測資料，開展了高原草地、濕地生態系統及高寒地區多圈層相互作用系統性研究。

建立了若爾蓋高寒濕地草原為重點、輻射整個黃河源區的能量—水分—碳循環綜合觀測網絡

集大氣—生態—水文—碳循環一體的綜合地球觀測系統是實現多圈層相互作用研究的基本支撐和基礎。若爾蓋站自2005年在甘肅省瑪曲縣河曲馬場建設第1個高寒草地陸面過程觀測場以來，經過20年的發展，在黃河源區陸續建成了涵蓋多年凍土濕地、退化多年凍土濕草甸、高寒湖泊、泥炭沼澤濕地、草地、灌叢、冰川等典型下墊面的能量—水分—碳循環觀測系統（圖1）。在此基礎上，針對大氣、生態、水文等不同學科的特色及交叉研究需求，建立了有針對性的專項觀測網絡，主要包括：在甘南瑪曲這一重要的水源涵養區，結合激光測風雷達、聲雷達、多普勒天氣雷達、移動氣象觀測車、全球定位系統（GPS）探空儀和系留探空等設備，垂直方向上形成了土壤—植被—大氣邊界層—對流層的立體探測能力，水平觀測尺度達到百公里（圖2）；針對若爾蓋濕地草原的陡峭山區、緩坡丘陵2種不同類型的水源涵養功能區，在瑪曲縣分別建立了2個涵蓋站點—坡面—流域尺度的流域生態水文氣象觀測網（圖3）；在地形復雜的三江源區建立了多條縱向雨量觀測廊道，以及為遙感降水/土壤濕度產品進行驗證和算法改進的降水—土壤凍融監測網絡和用于植被、土壤調查采樣及遙感驗證的濕地、草地生態樣地及樣方。結合即將建設的若爾蓋碳匯監測子平臺，將最終形成區域尺度能量—水分—碳循環綜合立體監測網絡，填補黃河“水塔”區復雜下墊面多圈層相互作用觀測空白，成為開展黃河源區地球關鍵帶研究的理想試驗平臺?；谏鲜鲇^測網絡獲得的觀測數據已在國家冰川凍土沙漠科學數據中心開放共享。

揭示了高寒草地生態系統對氣候變化的響應機理，構建了針對不同類型退化草地的生態修復技術

揭示了氣候變化通過修飾功能性狀（主要影響比葉面積與比葉體積）影響灌木擴張進程的機理，明晰了增溫主要通過改變土壤養分與提高葉片功能性狀，進而影響光合能力，使優良牧草受限、毒雜草擴張，從而改變高寒草甸群落組成。闡明氣溫升高是導致濕地退化的主因，過度放牧是導致草地退化的主因，隨著全球氣候變暖，草地旱生化過程將逐漸加劇，呈現為毒雜草豐度增加和草地灌叢化的趨勢。提出了土壤碳同化概念，量化了高寒草甸退化和灌叢化對草氈層有機碳儲量及生產功能的影響，提出草氈層厚度30 cm以上，質量含水量閾值30%，土壤有機碳含量閾值30 g/kg，有利于若爾蓋高原植被穩定和生產生態功能協同提高。明晰了過度放牧和濕地、草地旱生化演變是導致草氈層芽密度逐漸降低的主因，提出輕度、中度沙化草地依靠自有芽庫通過圍封禁牧能夠自然恢復，重度、極度沙化草地宜采取人工修復措施加快恢復的修復策略。據此建立了占地面積240畝的涵蓋不同類型退化草地的生態恢復示范觀測場，研發了“活草方格”沙化草地治理技術（圖4），替代了原來的塑料草方格方法，降低了生態治理成本，減少了環境污染，增強了生態治理的可持續性，收到了良好成效，為黃河源區生態文明建設提供了有效的科學支撐。

針對甘南黃河水源涵養區草地及畜牧業現狀和存在問題，編寫了漢藏雙語對照版的《瑪曲退化沙化草地生態治理技術集成示范宣傳手冊》《氣候變暖背景下瑪曲草原變化與適應性對策》，并多次進行現場講解培訓。

系統認識了凍土—積雪—植被—大氣相互作用的關鍵過程與機理，基于CLM5.0集成發展了適合黃河源區的陸面過程模式和水文模型

量化了黃河源區凍土—積雪—大氣相互作用過程中的水熱傳輸特征，在集成礫石、有機質、干燥表面層、凍結溫度、植被物候、土壤導水導熱等冰凍圈生態水文關鍵過程的基礎上，基于CLM5.0集成發展了適合黃河源區和青藏高原的陸面過程模式，使土壤濕度平均偏差降低了22.7%，土壤溫度偏差降低13.8%，與全球陸面同化產品（GLDAS）相比，空間相關系數由0.83提升至0.93,并量化了黃河源區植被恢復對產流的直接影響。研發了具有自主知識產權并且涵蓋積雪、凍土、高寒湖泊過程的SHUD（Simulator of Hydrologic Unstructured Domains）水文模型及其軟件工具包，提出了有限體積法求解高時空分辨率流域水文響應的新方法（圖5），建立了全球水文數據云平臺及全國水文模擬系統原型，為開放且可重復水文建模和大范圍實時水情模擬與預報提供新平臺。

揭示了局地陸面—生態—大氣耦合過程在高原區域水—熱—碳循環及其演變中的重要作用

構建了青藏高原4 km的模式系統，提升了高原及周邊區域的氣候模擬能力，為防災減災提供了科技支撐。量化了青藏高原夏季對流邊界層發展的主要能量來源于地表感熱通量（日累積量的貢獻占比50%—75%），提出了強局地陸氣耦合過程是維持高原午后對流降水的機制。發現青藏高原土壤濕度影響午后對流觸發的比例在高原中部接近50%，遠高于北美、印度和中國黃土高原，證實了青藏高原是土壤濕度—大氣強耦合區域（圖6）。發現當地表熱通量大小相當時，高原較低的空氣密度能夠放大地表熱通量的加熱效率，加之青藏高原的強輻射，造成即使在相對穩定的條件下也會觸發對流的高原午后對流降水的機理，為基于陸氣相互作用開展青藏高原午后對流降水預報和區域氣候與生態系統調控提供了關鍵科學證據。發現高原東北部地表能量分配和碳通量主要與輻射收支顯著相關，主要受熱量控制，中部偏南區域的分配很大程度上受土壤干濕狀況的影響，水—熱—碳耦合過程更加緊密，并且受大氣干燥程度和地氣溫差的顯著影響，顯示了局地陸面—生態—大氣耦合對該區域水—熱—碳循環具有重要影響。發現了青藏高原地表能量分配和生態系統呼吸對增溫的響應在空間上具有顯著的異質性，主要受降水的季節與年際變化的調控。上述研究入選2024年度“中國氣候研究重大進展”。

基于長期監測和科學研究，增進了對若爾蓋高寒濕地草原和黃河源區大氣—陸面—生態—水文多圈層相互作用的理解，發展了適合黃河源區及青藏高原的陸面水文模式，被甘肅省、青海省、云南省、四川省等氣象、水利、電力等行業部門應用，撰寫的關于黃河源區氣候、生態與水文新變化及其對區域可持續發展影響的研究成果，支撐了地方政府和行業部門相關工作的順利開展。提出了高原強局地陸氣耦合過程是維持高原午后對流降水的機制，證實了局地陸面—生態—大氣耦合過程在高原區域水—熱—碳循環及其演變中的重要作用，為基于陸氣相互作用開展青藏高原午后對流降水預報和區域氣候與生態系統調控提供了關鍵科學依據，研究入選首屆（2024年）“中國氣候研究重大進展”。

（作者：孟憲紅、尚倫宇、李照國、王少影、舒樂樂、陳昊、趙林、蘇培璽，中國科學院西北生態環境資源研究院 中國科學院若爾蓋高原濕地生態系統研究站；張宇、呂世華，成都信息工程大學大氣科學學院。《中國科學院院刊》供稿）