大兴安岭北部多年冻土区植被对活动层厚度变化的响应

2021-12-17温理想黄书博于方冰周粉粉

冰川冻土 2021年5期

温理想，郭蒙，黄书博，于方冰，钟超，周粉粉

（东北师范大学地理科学学院长白山地理过程与生态安全教育部重点实验室，吉林长春 130024）

0 引言

植被和多年冻土相互作用形成的寒区生态系统，对环境变化极为敏感［1］。在全球气候变暖的背景下，高纬度地区多年冻土发生了不同程度的退化。多年冻土的退化会带来一系列生态、水文等状况的改变，进而影响植被生产力和生长格局［2］。多年冻土退化对植被生长的影响机制十分复杂，然而，目前针对寒区生态系统的研究主要集中于不同区域植被的时空变化特征，影响植被变化的因素主要归因于气温和降水［3-4］，而关于多年冻土退化与植被生长之间关系的研究相对较少。

多年冻土退化通常表现为温度升高、面积锐减以及活动层厚度增加等，其中活动层厚度增加是多年冻土退化的主要标志［5-8］。活动层及其变化对土壤—大气系统间的水热交换、地貌过程、地表水文过程以及寒区生态系统过程等都有重要影响［9］。因此，活动层厚度的监测与研究一直是冻土学研究的核心问题之一。传统的活动层厚度探测方法主要包括钢钎法、土钻法和直接挖掘法等［10］。如戴竞波等［11］结合多年在寒区开展地质钻探的工作经验介绍了在多年冻土地区钻探的注意事项。王绍令等［12］利用实地钻孔法探究青藏公路沿线多年冻土的厚度和分布，取得了一些研究成果和经验。然而这些探测方法需要耗费大量的人力、物力。随着雷达探测技术的发展，越来越多的研究中应用这项技术探测活动层厚度。雷达探测早在青藏高原和祁连山地区的冻土调查中就被用到，在寒区公路、铁路等基础设施的修建中应用更为广泛［13-16］。虽然探测方法各异，但众多学者的研究结果都表明活动层的厚度总体呈现增加趋势。

多年冻土发育与植被生长的关系密切，随着多年冻土的退化，活动层厚度增加，破坏了原有的水热平衡，导致森林生态系统如群落结构、植被覆盖度和植被生物量等特征发生变化［17］。一些研究表明，随着多年冻土退化，植被生长状况恶化，植被覆盖度降低。例如，Wang 等［18］在青藏高原地区发现多年冻土退化可能会引起荒漠化。郭正刚等［19］在青藏高原北部的生态系统研究中发现，随着多年冻土的退化，沼泽化草甸演替为典型草甸，草原化草甸最终成为沙化草地，导致植被盖度下降。然而也有研究表明多年冻土融化，能够为植被生长提供更多土壤水分和营养物质，Schuur 等［20］在阿拉斯加苔原地区发现随着冻土融化，土壤中可利用的氮增加，因此多年冻土退化在灌木、草本生长过程中起到积极作用。不同学者的研究结论存在差异甚至相反，因此，多年冻土退化对植被的影响机理有待进一步探究。

近年来，大兴安岭地区多年冻土退化明显，植被的生长状况也随之改变［21］。Yue等［22］发现大兴安岭近地表植物物种组成、群落结构与多年冻土的分布密切相关。孙广友等［23］在大兴安岭地区构建了沼泽湿地与多年冻土的共生模式，发现多年冻土的退化首先表现为沼泽的退化。周梅等［24］认为多年冻土的改变破坏了以兴安落叶松为主体的森林生态系统，引发一系列的生态环境问题。Ren 等［25］预测，随着大兴安岭多年冻土的持续退化，活动层的加深可能导致林下植被的严重退化，进而加速寒区生态系统的退化。也有学者认为大兴安岭多年冻土退化会改善植被的生长环境，延长植被的生长期，具体表现为植被指数呈增长趋势，说明植被的生长状况有所改善［26］。为了进一步探讨大兴安岭植被与多年冻土的关系，本文结合野外调查和遥感等手段，分别在群落和区域尺度上研究了大兴安岭北部植被对多年冻土活动层厚度变化的响应，以期加强对多年冻土和植被关系的认识，丰富寒区生态系统的研究。

1 研究区概况

大兴安岭多年冻土区位于我国最北部，地理坐标为49°01′～53°54′N，119°12′～125°29′E，面积约为11.2×104km2（图1）。该区属于寒温带大陆性季风气候，冬季漫长干寒，夏季短促湿热，年平均气温介于-5～2 ℃之间，年平均降水量为460 mm［27］。大兴安岭主要森林类型是以兴安落叶松（Larix gmelinii）为主的针叶林，和少部分以白桦（Betula platyphylla）等为代表的阔叶林。其他乔木树种还包括樟子松（Pinus sylvestris）、黑桦（Betula dahurica）和蒙古栎（Quercus mongolica）等，灌木主要为兴安杜鹃（Rhododendron dauricum）、杜香（Ledum palustre）、越桔（Vaccinium vitis-idaea）、笃斯越桔（Vaccinium uliginosum）以及柴桦（Betula fruticosa）等。研究区还分布着少量草原、草甸以及沼泽等覆被类型。大兴安岭北部多年冻土区可分为大片多年冻土区和岛状融区多年冻土区两部分［28］（表1）。

图1 研究区地理位置和植被类型示意图Fig. 1 Location and vegetation cover of the study area

表1 大兴安岭北部不同类型多年冻土特征［30］Table 1 Distribution character of permafrost in the Greater Khingan Mountains［30］

黑龙江呼中国家级自然保护区（简称呼中保护区）位于大兴安岭地区呼中境内，地理位置介于51°18′～51°56′N，122°42′～123°18′E 之间。保护区东西宽32 km，南北长63 km，总面积为1 672.13 km2。年平均气温-4.3 ℃，年平均降水量458.3 mm。呼中自然保护区地处大片多年冻土区，是我国最北部、保存最典型的，也是面积最大的寒温带落叶松林分布区［29］。

2 数据来源与处理

2.1 样方调查数据

在研究区内共选取55 个采样点开展调查（图2），其中2019年7月采集20个（呼中保护区15个，保护区周边5 个），2019 年9 月采集35 个（大片多年冻土区28 个，岛状融区多年冻土区7 个），保证每个采样点间隔大于1 公里。每个采样点设置三个样方，分别采集活动层厚度数据、林下灌木生物量数据以及兴安落叶松胸径、树龄等数据，通过落叶松胸径与树龄的比值、林下灌木生物量两个指标分别探究多年冻土活动层厚度变化对乔木和灌木的影响。

图2 采样点分布示意图Fig. 2 Distribution map of sampling points

2.1.1 活动层厚度

利用加拿大Sensors & Software 公司生产的收发一体式探地雷达（NOGGIN）在每个采样点进行活动层厚度数据采集，雷达主要构造如图3。探地雷达采用250 MHz 天线，测量长度为10 m，测量深度设为3 m，设置三组重复，取平均值作为活动层厚度数据。如图4 是2019 年9 月27 日在研究区采集的一个活动层剖面数据，在深度1.4 m 左右有明显连续的黑色条带，条带两侧波形传播特征不同，因此可以认为黑色条带是活动层的下限。划定活动层的厚度如红线所示，导出数据取平均值即为活动层厚度。

图3 收发一体式探地雷达基本构造Fig.3 Basic structure of transmitter-receiver integrated ground penetrating radar

图4 多年冻土活动层雷达剖面图Fig.4 Radar profile of permafrost active layer

2.1.2 灌木生物量

在每块大小为20 m×20 m 的样地内布设3 个大小为2 m×2 m的样方，采样对象为林下灌木，主要包括兴安杜鹃、杜香、越桔、笃斯越桔、柴桦等灌木。利用收获法采集林下灌木的生物量样品，做好标记，带回实验室烘干，即可得到样方生物量数据。

2.1.3 乔木胸径和树龄

胸径是胸高直径的简称，胸径和树龄的比值可以作为衡量乔木生长状况的指标。利用树木生长锥在落叶松距离地面以上1.3 m 的位置钻取树芯，同时测量钻取点位置所在的周长，采取周长除以3.14 的方式获得落叶松的胸径数据，读取树芯年轮得到树龄数据。

2.2 增强型植被指数（EVI）

植被指数蕴含着丰富的地表植被信息，能表征植被的绿度信息、生长状态以及繁茂程度［31］。大兴安岭地区属于植被高覆盖度地区，EVI 的性能高于NDVI［32］。植被的生长季是植被生长周期中最活跃的阶段，生长季的平均EVI 可以很好地反映植被覆盖特征［31］。同时为了避免积雪等背景对植被指数的干扰，本研究选取2019年7—9月的EVI数据开展研究。

EVI 数据来源于美国国家航空航天局（NASA）提供的MOD13Q1 数据集。该数据空间分辨率为250 m，时间分辨率为16 d。在ArcGIS 中执行镶嵌、掩膜和投影变换等空间操作后可得到研究区2019年EVI数据。

2.3 多年冻土边界数据

本研究所采用的大兴安岭北部多年冻土区矢量边界数据来自国家冰川冻土沙漠科学数据中心（http：//www. crensed. ac. cn/portal/），该数据是由米德生编制的《中国1：400万冰雪冻土图》绘制而来［28］。

3 结果与讨论

3.1 呼中保护区及周边样方调查结果

分别在呼中保护区和保护区周边采样（样地均位于大片多年冻土区），采集活动层厚度、生物量、胸径、树龄等指标，结果见表2。分别计算保护区和周边采样点各指标的平均值，结果如图5 所示。呼中保护区样方的活动层厚度平均值为（0.47±0.14）m。吕久俊等［29］于2006 年9 月7—13 日在呼中保护区利用直接挖掘的方式测量活动层厚度，结果主要分布在0.4～0.8 m 之间，与本文研究结果基本一致，表明本研究利用雷达探测取得了很好的效果。呼中保护区周边的活动层厚度平均值为（0.83±0.38）m，明显大于保护区内。

表2 黑龙江呼中国家级自然保护区及周边样方调查数据Table 2 Survey data of sample plots in Heilongjiang Huzhong National Nature Reserve and surrounding areas

呼中保护区的林下灌木生物量分布范围为103.92～325.81 g·m-2，平均值为（201.75±71.70）g·m-2。保护区周边的林下灌木生物量分布范围为149.41～433.99 g·m-2，平均值为（259.10±111.14）g·m-2。呼中保护区的生物量小于保护区周边地区。呼中保护区胸径树龄比的变化范围是0.08～0.36，平均值为（0.20±0.08），保护区周边胸径树龄比值的变化范围是0.11～0.41，平均值为（0.26±0.14）。呼中保护区的胸径树龄比小于保护区周边地区。综上可知，呼中保护区的活动层厚度、生物量以及胸径树龄比值的平均值均小于保护区周边地区。

3.2 不同类型冻土区样方调查结果

为了比较大片多年冻土区和岛状融区多年冻土区的活动层厚度、植被特征的差异，分别在大片多年冻土区、岛状融区多年冻土区开展样方调查，采样结果见表3。计算各指标的平均值，结果如图5所示。大片多年冻土区的活动层厚度变化范围为0.41～2.04 m，平均值为（1.04±0.47）m，岛状融区多年冻土区的活动层厚度变化范围为0.88～1.90 m，平均值为（1.40±0.41）m。大片多年冻土区活动层厚度的平均值小于岛状融区多年冻土区。常晓丽等［33］在位于岛状融区多年冻土区的新林镇结合人工钻探、雷达探测等手段进行了活动层厚度探测，结果显示，落叶松林、塔头和灌丛的活动层多年平均厚度分别为0.8 m、1.3 m 和0.7 m，与本文调查结果较为接近。

表3 大片多年冻土区和岛状融区多年冻土区样方调查数据Table 3 Sample data in predominantly continuous permafrost and permafrost with isolated taliks

图5 呼中保护区和保护区周边、大片多年冻土区和岛状融区多年冻土区样方数据的平均值Fig. 5 Average value of sample data of permafrost areas in Heilongjiang Huzhong Nature Reserve and surrounding areas，predominantly continuous permafrost and permafrost with isolated taliks

大片多年冻土区的林下灌木生物量分布范围为 41.05～293.44 g·m-2，平均值为（128.31±63.33）g·m-2。岛状融区多年冻土区的林下灌木生物量分布范围为96.90～298.17 g·m-2，平均值为（199.04±66.13）g·m-2。任娜等［34］在大兴安岭不同类型冻土区开展样方调查研究湿地群落结构，结果显示岛状融区多年冻土区的生物量和物种丰富度均大于大片多年冻土区，与本文调查结果较为一致。大片多年冻土区落叶松胸径树龄比的分布范围是0.16～0.55，平均值为（0.30±0.13）。岛状融区多年冻土区的胸径树龄比值的分布范围是0.37～0.86，平均值为（0.59±0.21）。大片多年冻土区落叶松胸径树龄的比值小于岛状融区多年冻土区。不难发现，大片多年冻土区的活动层厚度、生物量以及胸径树龄比值的平均值均小于岛状融区多年冻土区。

3.3 不同类型冻土区EVI结果

计算研究区2019年7—9月的EVI平均值，其空间分布格局如图6 所示。植被EVI 空间分布差异较为明显，低植被覆盖区域主要集中在大片多年冻土区，高植被覆盖区主要分布在岛状融区多年冻土区。研究区EVI变化范围为0.05～0.73，EVI的平均值为（0.43±0.06），表明大兴安岭多年冻土区植被覆盖状况较好。大片多年冻土区EVI 变化范围为0.05～0.62，平均值为（0.41±0.05），岛状融区多年冻土区变化范围为0.05～0.73，平均值为（0.45±0.05），岛状融区多年冻土区的EVI平均值大于大片多年冻土区，表明岛状融区多年冻土区植被的生长状况要好于大片多年冻土区。

图6 2019年7—9月研究区EVI空间分布Fig.6 Spatial distribution characteristics of EVI in the study area from July to September 2019

3.4 讨论

多年冻土与植被在长期地质和生物演化过程中形成了生态平衡［35］，当多年冻土在全球气候变暖的影响下发生退化时，植被不可避免地受到影响。本文在呼中保护区及周边、大片多年冻土区和岛状融区多年冻土区的研究中发现，多年冻土活动层厚度小的区域，林下灌木的生物量和兴安落叶松的胸径树龄比值都小于活动层厚度大的区域。这表明在一定范围内，多年冻土发育的越好，越不利于灌木和乔木的生长。一些研究表明，多年冻土退化在植被生长过程中起到积极作用。Keuper 等［36］发现，瑞典北部多年冻土融化释放出的氮能够为深根系的亚北极植物提供额外的氮源，增加其生物量，甚至能抵消部分因冻土融化释放的碳。Sato等［37］研究

表明多年冻土退化会改善植被的生长环境，东西伯利亚冻土区植被净初级生产力（NPP）整体呈上升趋势。这些研究与本研究结论一致。本文还在区域尺度上比较了大片多年冻土区和岛状融区多年冻土区EVI 的差异，结果显示岛状融区多年冻土区EVI 的平均值大于大片多年冻土区，表明岛状融区多年冻土区植被的生长状况要好于大片多年冻土区，也证明了多年冻土对植被生长具有一定的限制作用。张齐兵［38］认为多年冻土对于落叶松为代表的森林植物来说是一种高胁迫环境，多年冻土的存在不仅使土壤有效肥力降低，而且阻碍了植物根系的向下深入吸收养分，不利于植被的生长。

多年冻土对植被生长的影响机制十分复杂，不同区域，不同地形表现的影响机制不同。王根绪等［39］在青藏高原地区采用样带调查方法调查群落结构、土壤条件以及多年冻土活动层厚度指标，发现随活动层厚度增加，高寒草甸植被覆盖度和生物生产量均呈现较为显著递减趋势，并且群落结构也发生了变化。金会军等［40］指出在青藏高原地区，多年冻土作为广泛分布的弱透水层，对高寒草甸的活动层水分保持起着关键作用，随着活动层厚度增加，土壤中含水率降低，植被的生长状况恶化。冯雨晴等［41］分析了青藏高原多年冻土的退化过程中植被覆盖度的变化，发现多年冻土退化不利于植被覆盖度的增加。青藏高原属于高海拔冻土区，而大兴安岭属于高纬度多年冻土区，区域自然条件、多年冻土类型的不同导致了研究结果的不同。同一研究区域，多年冻土对植被生长的影响机制也可能不同。Li 等［42］在大兴安岭地区采集不同地形条件下的树木岩芯样本，发现北方森林的生长受到多年冻土、地形和气候的综合影响。Ren等［25］研究发现，随着活动层深度的增加，大兴安岭林下植被的生物多样性和总生物量均显著下降。郭金停等［21］在大兴安岭北坡开展植物生态特征及其对冻土退化的响应研究发现，50～150 cm 的活动层厚度最有利于植被生长条件，植物物种最为丰富，活动层厚度较大或较小都不利于植被生长。