内蒙古锡林郭勒草原半干旱草原土壤植被大气相互作用igrass计划

内蒙古锡林郭勒草原半干旱草原土壤植被大气相互作用igrass计划

1.2锡林河锡林物亚型综合观测选定的实验区位于西林河流域及其周边地区。有关该区域的详细情况可参考文献。在IMGRASS计划的介绍论文中我们也已作了介绍,在本文中再给予概括如下:(1)地理状况:中心实验区所在的锡林河流域地处内蒙古高原东部,东接大兴安岭西麓低山丘陵地区,南接昭盟玄武岩高原,地理坐标跨43°26′～44°39′N,115°32′～117°12′E,面积10000多km2。区域东南高西北低,从海拔1500m降至900m。地形多为多山丘陵,坡度较缓,相对高差低山不大于300m,丘陵30～150m。实验区中还有盐碱地和风沙带。这是具有中等复杂性的地形地貌。区域内有总长为175km的内陆河锡林河,从东南山麓发源向西北流向并消失,年平均流量为23.5×106m3,流域面积不足4000km2。实验区东南有达里诺尔湖,面积约为1.68km2,是区内唯一较大的湖泊。实验区土壤总体具有地带性,从东南向西北由黑钙土、暗栗钙土、淡栗钙土逐渐过渡。这一过渡与本区气候分布相一致,即从东南湿润、相对低温向西北干旱、相对高温的过渡。本区土壤的一个重要特点是存在较浅钙积层,在一般降水年份钙积层的存在使土壤浅层水与深层水相隔离,从而在考虑该区域的水平衡时,一般可以不考虑深层水的作用。但这一结论可能并不适用于特大丰水年的情况,这时钙积层可能被融化,从而可能形成浅层水向深层的输送。我们在1998年的观测中在观测点上就发现了这一情况(见下文)。(2)气候状况:该区属温带大陆性季风气候,四季分明,冬季严寒漫长,年平均气温仅1℃,气温年较差与日较差均大,有长日照。降水集中于6—8月,占年降水60%～75%,降水的年际变化极大,比值达3.8,年降水量从东南的350mm降至西北不足250mm,气温则从西北向东南递增,春季大风日多,平均沙尘暴日为8.4d,但与降水一样,沙尘日数与强度有很强的年际和甚至年代际变化。(3)植被分布:实验区的主体处于典型草原带内,东边有草甸草原,西北部则临荒漠草原带,区内有锡林河流经,南部有浑善达克沙地疏林草原。植被类型具有多样性和复杂性。区内天然植被占总土地面积的96.4%,其中草地植被约占90%,表1列出该区3个主要植被亚型的生境特征。可以看出,植被类型与气候、土壤、河流分布密切相关,该区植被的生产力由于水热同季,相对较高。生产力与降水量有密切关系。另一个重要特征是地下生产力较地上生产力大很多。这对了解该区的碳循环有重要价值。(4)人类活动影响:该区域在1950年以前基本无人类活动,1950年居民为20人,而目前已有10000人以上。草原的载蓄量迅速增加,草地农垦亦有一定规模,已经构成对草原退化和沙化的严重压力。到20世纪90年代末期,草原和浑善达克沙地的生态退化已经极为严重,并成为华北春季沙尘灾害的新的重要威胁。1.3观测资料与观测方案从需要和实际可能结合,我们选择锡林浩特以东和以南地位的白音锡勒牧场及周围区域作为中尺度站网的主要设置区域,适当考虑区域覆盖的拓宽,为此在锡林浩特西、北地区和达来诺尔附近设置观测点。在各类观测点中保证有4个核心站,即在这些站上可获得较完整的模式发展所需要的资料,这4个站又尽可能设在区域的近边界地点和植被有代表性的地点。为了获得卫星资料反演验证所需要的地面观测资料,适当增加了辐射测站。设计中的观测点安排见图1。经过1997年7月最后一次选点考察,最终中尺度实验由4个主要的土壤-植被-大气边界层综合测量点、3个自动气象站、利用锡林浩特常规探空和低空探空点、约25个降雨自记点、l个双波长测雨雷达站、若干项特殊观测组成。在中尺度的实验数据库构成中还会有邻近区域的常规气象资料,包括观测期间该区域的极轨和同步气象卫星的观测资料。观测的时段为1998年5月初至8月底,代表一个完整的生长季节。在此期间,选择3个时段进行加强期观测,分别代表生长初期(5月)、盛期(7月)和成熟期(8月)。加强期的观测将提供中尺度和其他模式的较为完整的验证。实际上,IMGRASS计划中还包括个别站点多要素的长期监测。中尺度综合实验观测点选择如下:(1)土壤-植被-大气边界层综合测量点选择。从区域覆盖、植被类型的要求出发,结合后勤支持的可能条件,我们选择图1中#1～#4,4个站点,分别位于实验区的4个方向,代表自然状况保持完好的羊草草原(#1七分场)、具有多样性代表性的典型草原(#2定位站)、沙带稀树草原(#3乌日图)、干草原(#4,白音苏木,典型草原中的干旱类型)。在这些点上开展了系统的土壤理化要素、土壤水分和温度、植被生理和生产力、地-气间的水、热、动量和辐射通量、大气和地表辐射、地表和大气边界层气象等要素的综合观测。(2)探空和低空探空。除锡林浩特常规探空站外,在七分场上开展了低空探空,在乌日图开展微型GPS导航飞机的低空探空,以获得加强期对流层中下部的气象场。(3)自动气象站辅助点。由于实验区中等复杂的地形和明显的高度、植被类型、温度、降水的梯度,为获得尽可能真实的地表气象场,除边界层观测点外,在区域内增加布设3个自动气象站,以获得温、湿、压、风、地温、辐射、降雨等地面气象数据。(4)区域雨量自记仪站网。为获得区域内的雨量和雨强分布,将布置以3条线为主的雨量自记仪网,即沿张家口—锡林浩特南北向公路沿线,从阿巴嘎旗—白音锡勒牧场7分场的东西一线,从实验区东南角嘎松山向西北锡林浩特之间靠近锡林河沿岸一线。由此了解降雨分布与地形、植被中尺度分布的关系。(5)测雨雷达站。在灰腾河站架设X/C双波长测雨雷达,以观测实验区100～150km内的降雨分布,以此与雨量自记仪网配合,形成实验区降水强度的较高密度的测量。(6)土壤、植被参数和碳氮循环的测量。在每个综合测量点建立相应的土壤水分垂直分布、植被生理参数、叶面积指数、生物量等配套测量。此外,在各典型植被区域,如羊草样地、大针茅样地、退化草场等地开展温室气体排放和有关碳循环的测量。(7)特殊观测。为了解该区域的大气气溶胶、大气水汽和云水、地表(双向)反射率,为卫星遥感反演地表和大气参数、大气辐射传输等提供定量订正与验证根据,我们先后开展了一系列大气和地表的光谱测量。对气溶胶还建立了直接的采样分析。2综合观测和总结明史的例子2.1植被反射/热辐射的观测1998年5—8月IMGRASS综合观测在试验区执行。在此期间我们选择了3个加强期(每个约7～10d)进行集中观测,包括地气通量和边界层探空。其余期间有自动气象站、降雨雷达与雨量自记进行连续观测,土壤水分与草原植被参数则是每隔10d定期采样观测。针对卫星观测资料反演中地面验证的要求,我们还开展了太阳直射和大气散射光谱测量、草地植被的偏振反射特性测量,红外波段草地地表双向反射/热辐射测量等。1998年夏秋季在该地区属多雨年,雨日偏多,雨量超过多年平均值30%。作为中尺度综合观测的过程分析资料,其价值与其他年份应无重大区别,但作为年度的统计气候分析而言,则需要注意其作为多雨年而非平均年的代表性。在随后的1999年和2000年,按照研究计划安排,也进行了部分观测,而该2年则属于干旱年份。值得注意的是,2000年4月6日,来自锡林郭勒草原与浑善达克沙地的沙尘暴构成了近年来影响京津地区最强的一次沙尘暴事件,反映出该地区草原生态环境的恶化。为此,以沙尘与生态环境为目标,在2001年春在浑善达克沙地开展了观测研究,取得了包括沙尘粒子理化性能在内的观测资料,并与北京的观测联系对比。以下将给出综合观测期间及其他年份相关观测所得的示例和初步分析。2.2日基本信息图3给出定位站典型草原边界层日变化的一个个例(1998年8月20日)。可以从中清晰看出边界层温度层结的变化过程。在近地表至离地200m,日变化振幅分别达到16℃和8℃。而离地300m以上直至观测最高点900m处等温分布,日变化振幅围约6℃,各高度呈同步变化。逆温的建立与消失分别出现于约19时和09时,而逆温发展最高高度约400m,强度达约8.5℃,呈单层逆温型,这是由于草地地面相对均匀形成的。图4是在沙地草原站乌日图用GPS导航微型飞机所测1998年5月26日早中晚3次飞行探空的结果。该日早上有云,云底离地约400m,中午消散,近地层出现很强的超绝热层结,而在其上层结稳定,相对湿度线性增加。注意到该日风速在离地约1200m高度出现从早上8m/s到中午大于16m/s风速变化。用系留气球既不可能进入云内探测,更不可能在16m/s风速下测量,而微型飞机实现了这类在内蒙草原经常出现的较强风天气下的边界层探测。有关半干旱草原大气边界层日变化的中尺度实验模拟将在另文介绍。2.3土壤水分与植被类型的关系按照IMGRASS计划在4个加强观测点土壤水分的定期测量。由于以往对典型草原的土壤水分情况已有了不少的研究,这里介绍以往缺少研究的浑善达克沙地土壤水分状况的观测分析。详细分析见陈有君等。浑善达克沙地是风积沙覆盖在高平原上的东西伸展的沙地。从东部的草甸草原向西伸展到荒漠草原,长度达260km,南北宽约50～100km。沙地内部由于其原始地表的复杂性,存在着风成沙丘与丘间低地(塔拉),并有大小不等的湖泊。沙地内土壤类型多样,包括沙质草甸土和风沙土以及半固定流动半流动沙丘。相应地植被类型也极为多样,包括稀疏树木、灌丛、草甸、直至流动半流动沙丘上的一年生先锋植被群落。研究组在沙地中部乌日图作2条分别为东北—西南和北—南走向的样线,长度各约1000m,跨越代表性地表类型,在5～9月每10d进行一次地表至110cm,分成9层的土壤水分测量,并作相应植被调查,由此获得了沙地内各典型地表类型的土壤分布特征。表2列出了几个地形部位的平均土壤水分及其离散度,即空间不均匀性。从测量结果可以看出,土壤水分是按丘间低地、北坡、丘顶、南坡依次降低。值得注意的是北坡各点的土壤水分随坡度的变化表现为当坡度小于10°时,水分随坡度增加而减小,而当坡度大于15°时,水分随坡度增加而增大。这显然与北坡日照与其坡度大小有关,当坡度小时,直接日照起重要作用,而坡度大于15°时,在此纬度区北坡不再有直接日照,这可能是水分随坡度增大的一个可能因素。土壤水分与植被盖度与植被类型的相关测量与调查也发现其间有密切的相关性。土壤水分与植被盖度有明显的正相关,即盖度大的地点土壤水分大,但对低地和沙丘两者表现出不同的定量关系。低地表层土壤水W(%)与植被盖度P之间的统计关系为W=3.88exp(1.66P),R2=0.454,而对沙丘则有W=-4.65P2+11.59P+4.79,R2=0.372。而更值得注意的是各类地形、土壤含水量与植被类型有密切的相关性。例如低地草甸植被,表层土壤含水平均为18%,高沙丘北坡生长灌丛,表层土壤水达平均12%左右。沙丘南坡生长冷蒿等,土壤水分平均7%。半流动风沙土上生长斑块状沙蒿等,表层水为4%。上述结果为利用遥感植被与遥感土壤水分提供了一个很好的相关分析手段。对沙地中一个低沙丘沙蒿群落点的土壤水分在整个生长季节的动态分析表明,该沙地生长前期土壤较干,随后在波动中上升,8月中旬达到最高,随后下降,直至9月。各层土壤水的动态特征在此总趋势下仍有明显差异,以表层土变动最大,而以20～50cm层在6月中下旬达极低值,这显然与植被根系在此深度的吸水有关。在底层土70～110cm,9月份含水明显高于5月初,这一动态与草原的降水周期有关。2.4土体水分增长迅速,水分渗漏严重1998年降雨量达到近25年来的最大值,由此打破了草原定位站自建站以来从未观测到土壤水向2m以下深度土渗漏的记录,多雨使阻挡水下渗的钙积层出现了渗漏。在定位站由蒸渗仪所测土壤水动态和渗漏速率进展表明1998年2m以下出现渗漏(图6),使2m土体水分在生长季末反而亏损了30mm(牛海山等,私人通信)。这一测量表明在考虑干旱和一般降水年的土壤水平衡时,不必考虑深层水渗漏,但对极端多降水年时则需考虑这一问题。2.5最大辐射和反射辐射的季节和月际变化图7为定位站所测辐射通量的典型情况。其中图7a,b分别是2典型晴天的日变化曲线,包括总入射辐射、反射辐射、净辐射和土壤热通量,可以看出总辐射和反射辐射存在于4～21h的长时段,而典型草原上反射辐射占总辐射约20%,6月2日其值较5月20日为小,这是由于植被生长的原因。图5c则给出5月20日～9月8日之间若干典型晴天中午的各分量值。可以看出7月初以前总辐射较其后大,而反射辐射与总辐射之比8～9月低于前期,净辐射则以7月为最强,而热通量则以7月以后为强,这既与太阳入射有关,也与土壤因降水而产生的导热率变化有关。2.6从群落测定看植被反射系数的成像(1)不同生长状况草地的反射率谱分布的地基测量:图8给出了1998年6月晴天分别在定位站退化草地和羊草封育样地用10波段光度计所测的草地反射率谱,包括相对于太阳主平面的前向和后向45°测量。可以看出,两类草地在可见光段差别较小,而在近红外段有重大差别,羊草样地的反射率远高于退化草地,反映出羊草样地植被生长远好于退化草地。另一方面,羊草样地的前后向反射率差异小于退化草地,反映出羊草样地盖度大且分布相对均匀,而退化草地盖度小且分布非均匀,造成前后向测量的阴影效应差异明显。(2)草地在可见/近红外波段偏振反射特性的测量:偏振作为电磁波除强度以外的本质性信息,是人们利用电磁波与物质相互作用来进行探测与遥感的重要信息。以往的研究表明植被对入射阳光的反射中包含着部分偏振成分,这部分反射光是叶表面的镜面反射,另一部分为非偏振的多次散射/反射光。由此可以利用分离偏振与非偏振反射光了解植被叶面与冠层的更多信息。由于偏振测量要求较高的技术,已有的国际测量结果不多,较多地集中于农作物,而对自然草地极少测量。为了解典型草原草地植被的偏振反射特性,我们在晴天条件下利用多波段偏振光度计对羊草草地样方和苔草草地样方进行了不同视角下总反射系数和偏振反射系数的测量。表3列出羊草样方红光(0.7μm)和近红外(0.8,0.9μm)上的(总)反射系数和偏振反射系数和测量值。可以看出,在红色波段和近红外波段上,羊草的总反射系数表现出重大差别,反映出植被反射率谱的典型特性。而在偏振反射系数上,并未表现出象总反射率那样的重大差别,而均表现出较低的值。与其他作者对农作物的测量比较,羊草的偏振反射系数更低。这表明草叶的镜面反射贡献更小,而光辐射与叶内部的相互作用更强。图9为对苔草样方观测经分析处理后所得总反射、偏振反射、漫反射和镜反射系数随波长的变化。清楚地反映出植被非偏振、漫反射表现的强波长依赖关系,同样看出偏振反射和镜反射随波长的弱依赖性。这样的测量结果有利于在空间对地观测中利用偏振测量遥感大气气溶胶,因为这时的卫星偏振测量信息中可基本不考虑草地植被的贡献。而从地基的遥感测量而言,偏振反射系数的变化还可与草地植被的生长情况相联系,构成新的植被要素的遥感原理。(3)草原归一化植被指数(NDVI)与叶面积指数(LAI)的卫星遥感:利用NOAA、AVHRR资料推算NDVI是反映区域植被生长状况的通用手段,利用NDVI分布进一步反演植被叶面积指数也是一个可行的途径。这两种了解区域性植被生长情况的卫星遥感方案均需要所测区域实测资料的校准。在IMGRASS实验中进行了多个点的植被参数测量,因而可以获得经地面校准的区域NDVI和LAI的分布。图10给出一个NDVI和LAI的反演示例。可以看出试验区内及周围区域植被生长情况明显的不均匀性。在本计划中,还试验利用多时相AVHRR资料和地面气象与地表测量资料,在热平衡和热惯性原理支持下遥感反演草地碳同化率,获得了初步成功,详情可参见文献。2.7观测要素数据库的实现以1998年IMGRASS中尺度综合实验的多点多要素地面观测数据为主体,我们已经建立了IMGRASS实验数据库。数据库的结构采用WindowsNT平台的SQLServer结构,可以用专用软件或直接由互联网访问数据。数据库中存有经过初步质量检验的各种观测数据供调用,对于一些时间序列或垂直分布的要素变化有图形显示辅助分析。所建数据集包括如下几类:(1)大气要素:自动气象站观测,边界层系留气球探空,微型飞机探空,低空探空,大气与地表多波段辐射,降水分布,大气气溶胶测量。(2)地气交换通量:地表湍流温度,风脉动记录,波文比,N2O,CH4,CO2通量。(3)土壤与植被测量:土壤温度,土壤湿度,土壤微生物,植物群落调查,叶面积指数,生物量,地表反射率。此外,部分相关的区域气象资料和卫星资料和微型飞机航拍资料亦将收集其中。以上IMGRASS数据库将向国内外研究人员提供作进一步研究。3陆气相互作用研究对计划目标的影响本文介绍了国家自然科学基金重大项目“内蒙古半干旱草原土壤-植被-大气相互作用(IMGRASS)”计划的科学目标、计划执行与部分观测与初步分析示例,初步结论如下:(1)IMGRASS是以全球变化陆气相互作用研究为中心目标,选择了对全球和我国具有区域代表性并对可持续发展有重要意义的中纬半干旱草原作为研究对象,以内蒙古锡林郭勒典型草原为重点实验区,开展了区域内代表性地点的土壤、植被、综合观测,并配合长期监测,获得陆-气相互作用过程与定量化的多学科基础资料。由于国际上尚未给出这一类代表地区的测量研究,这一工作将为全球变化的中纬半干旱草原区研究提供新的基础。(2)IMGRASS计划在科学目标与研究计划实施中强调陆-气相互作用不同时空尺度的多个方面,即以陆气相互作用中的水份循环、能量循环等物理过程为基础,同时强调了植被、土壤与大气之间的温室气体收支和相关的生物地球化学循环,还充分考虑了人类活动造成的草原退化的效应,因此这一计划将为全球变化的下一阶段深入研究创造一定条件。(3)本文中简单介绍了IMGRASS地面观测以及卫星遥感的一些个例以及数据库情况,为国内外同行研究者进一步利用这些观测结果提供示例。有关与全球与区域变化及人类活动作用过程的一些研究结果将在另文中介绍。IMGRASS计划的准备与执行得到了国内外许多科学家的关心和支持。在筹备和预试验阶段得到了叶笃正院士的支持和指导,美国的Dr.K.N.Liou(廖国男UCLA),Dr.E.Smith(FSU)、Dr.J.Businger(NCAR)、Dr.M-DChu(NASA/Goddard)、Dr.Brutsaert(CornellU.)、荷兰Dr.P.Kabat等对计划科学目标的制订提出了宝贵的意见。本项研究计划是国家自然科学基金委地球科学部和生命科学部联合支持下开展的,在整个过程中林海研究员和陆则慰研究员特别就科学目标和计划实施提出了宝贵意见。以孙鸿烈、丑纪范两位院士为首的IMGRASS项目评审专家组对项目的目标与执行提出了重要的指导意见。中尺度观测计划执行中得到了锡林郭勒盟政府的大力支持。中国科学院内蒙古草原定位站提供了重要的研究基础和后勤支持。本项计划的实施是由中国科学院大气物理研究所、植物研究所、地理研究所、兰州高原大气研究所、北京大学、内蒙古大学、北京气象学院的几十位科技工作者共同执行的。在此未能一一列名,特此致谢。0引言全球变化研究是20世纪80年代中期以来国际地球和生命科学界共同关注的研究前沿和科学攻坚方向之一。在全球已经形成了以三大计划(WCRP,IGBP,IHDP)为总体框架的全球变化研究计划,并在执行中对总体目标与各项具体核心研究计划的构成进行协调。从全球变化研究开展以来,可以看出的突出的一点是,科学界更为强调气候、环境、生态和人类活动之间高度复杂的相互作用和对人类活动引起的全球变化过程的干预作用。这些相互作用及其人类活动干预体现于地球系统的各层圈之间的各种过程。其中的陆面过程,即水文过程和土壤植被大气相互作用及其对全球和区域的气候、环境和生态系统各自的响应和反馈是最基本的前沿问题之一。在全球变化研究的各核心计划中,WCRP/GEWEX、IGBP/BAHC以及IHDP/LUCC3个核心计划均与此密切相关。各国和国际合作在十几年来已经执行了以上述3个核心计划之一为主的大量实验计划。我国科学界对此也已有积极的投入,其中HEIFE计划对西北地区黑河流域沙漠、戈壁、绿洲的陆气相互作用进行了系统的研究。陆气相互作用研究的重要特点是陆地地表的不同气候生态类型在相互作用的过程与陆气交换量的强度与季节变化方面有巨大的差别。因此,需要在具有代表性的各类陆地生态系统区域进行野外实验,以取得对过程的认识和和交换量的模式参数化。中纬半干旱草原是全球陆地生态系统的主要类型之一,在我国也是主要的地表类型之一。从东北、内蒙到西北广大地区均有分布,同时又是我国少数民族和边疆区域经济社会可持续发展的重点关注地区。由于人口的急剧增长,不合理的农垦和严重的过牧已经造成草原生态系统的退化。在全球变暖的大背景下,这种人类活动干预所造成的生态恶化更为严重,并引发新的沙尘暴源和更频繁的沙尘环境灾害。这类现象不仅在我国,在许多发展中国家所处的中纬半干旱草原开发中均有类似情况。因此,对这类地区进行重点研究,是全球变化中的重要问题之一。在国家自然科学基金委员会支持下,针对上述需求,开展了“内蒙古半干旱草原土壤植被大气相互作用(IMGRASS)重大项目研究,选择内蒙古锡林郭勒草原作为开展中纬半干旱草原气候生态相互作用的研究实验基地。由于该区域已有中国科学院草原生态定位站科学工作者有关草原生态较长期的野外观测,建立了良好的研究和科研支持的条件,使这一项目的开展得以顺利进行。半干旱草原气候生态相互作用包括着多种物理化学生物学过程和多个时空尺度,就锡林郭勒草原(包括浑善达克沙地)区域而言,至少包含着以下几个方面:(1)草地/沙地的形成与季风气候的关系;(2)在人类活动与气候变动影响下的草地生态系统与生产力变化;(3)草原的中小尺度水循环;(4)草原的碳、氢循环与草地温室气体源汇作用及其对全球变化的贡献。上述几方面的问题都是全球变化与区域响应中的重要问题。为了对上述科学目标进行研究,必须采取区域性的综合观测实验、代表性地点进行气候与生态的长期监测、过程分析与数值模拟相结合的综合研究方法。IMGRASS计划于1997年开始执行。原定计划4年。2000年由于华北沙尘暴天气突发增强,2001年该计划延长1年,开展沙尘暴有关专题研究。本文将综合介绍IMGRASS计划的科学背景综合观测、数据库建立、介绍在研究中一些新的构思与新方法。介绍应用数值模拟与观测资料相结合对中纬半干旱草原气候生态相互作用的若干重大问题所作的一些初步研究结果,这些问题与全球变化与