高寒湿地是青藏高原典型的湿地类型,具有重要的生物多样性维持和水源涵养作用,了解其景观格局变化及其影响因素对我国高寒湿地的保护与恢复具有重要意义.本研究基于GEE和Landsat卫星影像,采用随机森林分类方法提取了1987-2022年12期四川南莫且湿地国家级自然保护区沼泽湿地分布信息,分析了沼泽湿地景观格局时空变化及其影响因素.结果表明:(1)保护区沼泽湿地面积先减少再增加,整体减少了10.29％;(2)沼泽湿地与草甸的面积转换最剧烈,沼泽湿地累计向草甸转移4349.44 hm2;(3)沼泽湿地重心先向东北再向西南方向迁移,沼泽湿地分布范围整体向西南方向迁移;(4)沼泽湿地景观格局表现为破碎化程度先下降再升高,连通性先升高再下降,斑块形状趋于复杂,湿地景观趋向离散化发展;(5)生长季累积降水量、生长季均温是影响保护区沼泽湿地变化的主要影响因素.研究结果可为保护区高寒湿地的保护与恢复以及青藏高原高寒湿地生态安全建设提供科学依据.

青藏高原被誉为世界屋脊,是我国重要的生态安全屏障和高寒生物种质资源宝库,也是亚洲乃至北半球气候变化的"调节器",在我国生态保护和修复工作中居于特殊重要地位.青藏高原平均海拔超过4000 m,面积约260万km2,自然生态系统类型复杂多样,分布有森林、灌丛、高寒草原、高寒草甸、荒漠和冻土等多种陆地生态系统,还相间了湖泊、河流和沼泽等湿地生态系统,构成了丰富的生态系统多样性和景观多样性.

以青海省木里与江仓露天煤矿区渣土为研究对象,采集了矿区渣土样品 20 个,未受人为扰动和污染的沼泽草甸土壤样品 17 个作为背景值.通过测试分析矿区渣土和沼泽草甸土壤的粒径组成,发现两个矿区渣土粒级组成与沼泽草甸土壤相同,含量由高到低依次为粉粒-砂粒-黏粒,但是在组成比例上存在差异,沼泽草甸土壤粉粒的含量更为丰富.根据土壤质地分类标准,木里矿区的渣土归属于粉壤土,江仓矿区的渣土归属于粉壤土和壤土,以粉壤土为主,沼泽草甸土壤兼具粉壤土与壤土的特性.同时,对矿渣土的pH、有机碳、全钾、全磷、全氮、碱解氮、速效氮、有效磷、速效钾等指标进行统计分析,结果表明两个矿区的渣土 pH 值偏碱性且有机质含量低,全量养分与沼泽草甸土壤存在差异,其中全氮的含量远低于沼泽草甸土壤,全钾的含量略高于沼泽草甸土壤.速效养分中的速效氮含量非常贫瘠,有效磷与速效钾的平均含量均高于沼泽草甸土壤,尤其是速效钾更明显.相关性分析显示矿区渣土的黏粒与所有养分均呈正相关,粉粒、砂粒与养分关系逐渐减弱,因此在土壤修复和重构过程中不仅要关注渣土养分的变化,还应该改善渣土基质粒径的结构比例,加速土壤熟化,完善土壤-植物-微生物体系,构建适应高寒矿区植被生长的土壤.

为查明高寒草甸退化对表栖跳虫和螨类群落组成及多样性的影响,于2018年7月和10月利用吸虫器法对若尔盖湿地的沼泽草甸、草原草甸及中度退化草甸三种生境的表栖跳虫和螨类进行了调查.捕获表栖跳虫13640只,隶属于4目11科23属,优势类群为小圆跳属和德跳属;捕获表栖螨类5069只,隶属于3亚目76科98属(类),优势类群为真足螨科.主成分分析结果表明,表栖跳虫和螨类群落组成在不同生境间存在明显差异.随高寒草甸退化程度加重,表栖跳虫仅群落密度显著增加(P＜0.05),而表栖螨类的群落密度和类群数均显著增加(P＜0.05).在3个生境中,表栖跳虫群落密度和Simpson优势度指数均表现为7月显著高于10月(P＜0.05),类群数和Shannon指数则是7月显著低于10月(P＜0.05);表栖螨类的群落密度和类群数均表现为7月显著高于10月(P＜0.05),Shannon指数和Simpson优势度指数无显著季节变化(P＞0.05).冗余分析和多元回归分析结果表明,植物种类、生物量、土壤容重等是影响表栖跳虫和螨类群落结构及多样性的主要因子,但对表栖跳虫和螨类的具体影响存在差异.研究表明,高寒草甸的表栖跳虫和螨类群落组成、密度及多样性存在明显的时空变化,其中表栖跳虫群落密度及多样性对季节变化较敏感,表栖螨类群落密度和类群数对高寒草甸的退化较敏感.

开展围栏禁牧对湿地土壤生态化学计量特征影响的研究,为理解围栏禁牧对退化湿地生态系统恢复的影响提供理论基础.本研究选取纳帕海湿地未禁牧、禁牧3年、8年和10年的沼泽化草甸和草甸为对象,比较不同围栏禁牧年限对土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)含量及其生态化学计量的影响.结果表明:围栏禁牧提高了沼泽化草甸和草甸土壤总有机碳(TOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、硝态氮(NO3--N)、铵态氮(NH4+-N)、微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)、微生物生物量磷(MBP),提高了 C/N、C/P、N/P和MBN/MBP.沼泽化草甸和草甸土壤C/N、C/P、N/P均与TOC、TN、含水率、NO3--N、NH4+-N、MBN呈显著正相关(P＜0.01),与土壤容重显著负相关.沼泽化草甸土壤MBC/MBN、MBC/MBP与TOC、NH4+-N、MBN和含水率显著负相关,MBN/MBP与所有环境因子均没有显著相关性;草甸土壤MBC/MBN、MBC/MBP与TOC、TN、MBN、含水率呈显著负相关(P＜0.01),MBN/MBP与pH、MBN、含水率呈显著正相关(P＜0.01).围栏禁牧条件下,土壤TOC是影响沼泽化草甸和草甸土壤生态化学计量的主导因素.综上所述,围栏禁牧通过影响养分条件改变纳帕海湿地土壤生态化学计量特征.

准确评价草地地上生物量(Above-ground biomass,AGB)对草地资源的可持续利用和保护具有重要意义.以甘南为典型研究区,利用 2019-2021 年Sentinel-2地表反射率和野外实测地上生物量数据,借助GEE(Google Earth Engine)平台和数理统计方法评价了 9 种植被指数对高寒草地AGB的估算精度,构建了高寒草地地上生物量反演模型,在此基础上分析了 2019-2021年甘南州草地产量的时空动态变化.结果表明:在所有植被指数中,归一化物候指数(Normalized difference phenology index,NDPI)与草地AGB的R2值最高(0.72),其次为归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)(R2=0.68),拟合效果最差的为增强型植被指数(enhanced vegetation index,EVI)(R2 =0.37)和差值植被指数(different vegetation index,DVI)(R2= 0.40),NDPI对高寒草地AGB更为敏感;在NDPI构建的 4 类估算模型中,乘幂模型的预测精度最高,基于NDPI的回归模型明显提高了高寒草地AGB预测精度;2019-2021 年甘南高寒草地地上生物量空间分布差异明显,表现为西南部较高,东部和北部较低;对不同草地类型而言,山地草甸AGB多年平均值略高于高寒草甸和沼泽;过去 3 年间,高寒草甸和山地草甸地上生物量呈先增加后减小的趋势,沼泽草地则呈持续降低的趋势.基于本研究的结果,NDPI能够反映大范围的高寒草地生物量的时空变化特征.

随着极端气候事件频率和强度的增加,植被物候正在发生深刻的变化.然而,植被枯黄期(EGS)对极端气候的响应机制目前尚未厘清,特别是对于干旱半干旱地区的草地而言.因此,聚焦我国温带草地,基于1982—2015年全球监测与模型研究工作组归一化植被指数(GIMMS NDVI3g)长时间序列数据提取草地物候参数,并分析其时空变化规律;运用随机森林模型等方法探究温带草地EGS对极端气候变化的响应特征.结果表明:(1)全区多年平均EGS主要发生于270—290儒略日(DOY),59.8％的区域呈延迟趋势,其中显著延迟(P<0.05)的区域分布在新疆天山、阿尔泰山一带和准噶尔盆地西部、黄土高原北部、呼伦贝尔高原的西部和东北小兴安岭.(2)EGS与极端气温暖极值(日最低气温的最大值、日最高气温的最大值、暖夜日数、暖昼日数)之间均以广泛的正相关关系为主;相比之下,极端降水事件与EGS之间的关系相对比较复杂,这与各草地类型自身的生理策略和所处环境密切相关.(3)整体而言,持续干旱日数、气温日较差和暖夜日数对全域草地EGS动态变化具有极大的重要性.就不同草地类型而言,温带草甸草原主要受到气温日较差的影响,温带山地草甸和温带沼泽化草甸EGS变化主要受日最高气温的最大值的影响,日最低气温的最大值和暖夜日数分别对温带草丛和温带荒漠草原的影响最大;持续湿润日数和持续干旱日数则分别对生长在水分限制地区的温带盐生草甸和温带典型草原的EGS产生强烈作用.

为了查明高寒草甸退化对表栖节肢动物的群落结构及多样性的影响,于2014年5月、7月和9月利用陷阱法对若尔盖县境内的沼泽草甸、草原草甸、中度退化草甸和重度退化草甸4种生境的表栖节肢动物群落进行了调查,共获得表栖节肢动物8364只,隶属于4纲17目123类(科或属).优势类群为长跳属(Entomobrya)和球圆跳属(Sphaeridia),其中长跳属仅出现在草原草甸.重度退化草甸表栖节肢动物各多样性指数均显著低于其他生境,表明高寒草甸退化对表栖节肢动物群落组成有明显影响.此外,沼泽草甸表栖节肢动物9月的个体数量和丰富度指数高于5月和7月,其他生境均以7月较高,5月和9月较低;中度退化草甸和重度退化草甸的Shannon指数在不同月份间差异显著,Simpson指数仅在重度退化草甸有显著月份差异.不同生境间的月份差异表明,高寒草甸退化还可以影响表栖节肢动物的季节动态.回归分析表明,植物及土壤环境因子对表栖节肢动物群落的个体数量和多样性有显著影响.研究结果表明,高寒草甸退化可以通过改变植物群落及土壤环境等因子影响表栖节肢动物群落组成和多样性.

高寒草毡层是高原寒区自然植被下形成的松软而坚韧且耐搬运的表土层,认识其生态功能是促进草牧业生产休养保护和工程施工主动利用的前提.通过对青藏高原东部若尔盖高原植被的广泛调查,在布设沼泽、退化沼泽、沼泽化草甸、湿草甸、干草甸和退化草甸水分梯度群落样地,以及亚高山草甸、亚高山灌丛草甸、高山灌丛草甸和高山草甸海拔梯度群落样地的基础上,通过对不同类型群落样地草毡层容重、土壤颗粒组成和土壤有机碳(S0C)含量的测定分析,比较了水分和海拔梯度下草毡层固碳能力.结果表明,草毡层厚度平均为30cm,沼泽湿地草毡层容重最小,SOC含量在300g/kg以上;退化草甸容重最高,SOC含量显著下降.不同群落草毡层SOC密度在10---24kg C/m2之间,随着土壤水分有效性的降低而降低;高山灌丛草甸草毡层SOC密度比草甸高15％.研究得出,保持草毡层稳定的质量含水量阈值为30％,SOC含量阈值为30g/kg;高寒植被草毡层在沼泽到草甸的退化演替中,容重、紧实度变大,有机碳含量减少,碳密度和碳储量下降;灌丛草甸的固碳能力大于草甸,但灌丛草甸的生产功能降低;保持可持续发展的草地生产能力,维护固碳生态功能,需要防止草毡层退化,抑制草甸向灌丛草甸演替.

生态系统脆弱的高寒草甸是生态学研究的热点.藏香猪翻拱土壤并取食地下草根层,是藏族自治区一种特有的放牧类型,关于该放牧类型对藏区高寒草甸的影响尚缺乏研究.以滇西北高原国际重要湿地——纳帕海流域的典型高寒草甸为对象,研究了不同高寒草甸类型(陆生草甸与沼泽化草甸)中的植物群落结构特征对藏香猪翻拱型放牧的响应.结果表明,翻拱型放牧显著降低了植被盖度(63.5％)、地上生物量(84.6％)与地下生物量(97.4％),并促进植物生物量向地上部分的再分配.翻拱型放牧下随着植被盖度与生物量降低,植物竞争强度减小,植株高度与空间利用率提高.然而,不同草甸类型中的植物群落结构对翻拱型放牧表现出差异响应.陆生草甸上的群落组成基本未变,而沼泽化草甸上的优势植物华扁穗草(Blysmus sinocompyessus)向1年生水生植物水蓼(Polygonum hydropiper)演替.土壤含水率是导致植物响应差异的关键驱动力.综上,藏香猪翻拱型放牧对植物生物量及盖度等特征均产生不利影响,导致高寒草甸生物量积累锐减,而植物群落结构的变化是放牧干扰与土壤水分、空间竞争协同作用的结果,反映出植物在不同环境中对放牧干扰的差异化响应.研究区域环境特征与放牧干扰的耦合关系,可以为藏香猪放牧作用下的高寒草地植物多样性保护及恢复提供理论依据.