加強(qiáng)長(zhǎng)江源氣候變化,、生態(tài)演變等方面的基礎(chǔ)研究,,從生態(tài)預(yù)警和生態(tài)修復(fù)等方面開展科技攻關(guān),,讓江源保持綺麗壯觀風(fēng)光永續(xù),生物多樣性永存
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雪山遍布,、河湖波涌,、草甸延綿。平均海拔超過(guò)4500米的長(zhǎng)江源區(qū),,風(fēng)景綺麗壯觀,。其背后,則是十分復(fù)雜,、脆弱的生態(tài)系統(tǒng),。這里植被和土壤的“表層肌膚”對(duì)維系江源生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)揮著重要作用。
為深入觀測(cè)研究江源植被和土壤,,來(lái)自長(zhǎng)江科學(xué)院的青年科研團(tuán)隊(duì)近年來(lái)多次參加江源科考,,深入江源腹地,探尋江源植被生態(tài)奧秘,,開展模擬升溫和徑流沖刷等試驗(yàn),,摸清植被退化和水土流失風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)和多種試驗(yàn),,聆聽江源植被“言語(yǔ)”,,為江源生態(tài)保護(hù)提供科研支撐。
探尋江源草甸奧秘
徒步穿越秦嶺考察植被分布,、踏遍北京周邊山地尋找北柴胡,,1982年出生的長(zhǎng)江科學(xué)院任斐鵬博士熱衷探究植物生態(tài)多樣性,在大學(xué)讀碩讀博期間足跡已遍及祖國(guó)大江南北,。在他看來(lái),,地球表層的植被與土壤對(duì)外界環(huán)境變化十分敏感,能直觀反映生態(tài)環(huán)境的變化,。
巍峨神圣的雪山,、蜿蜒曲折的河道、草肥水美的濕地,、地下厚厚的凍土,、不時(shí)冒出的藏羚羊,這是任斐鵬2014年首次在長(zhǎng)江源參加科考時(shí)看到的壯麗場(chǎng)景,。憑借環(huán)境地理學(xué)與生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域的長(zhǎng)期專業(yè)積累,,讓他將目光鎖定在江源植被和土壤生態(tài)系統(tǒng)。
“如果將流域生態(tài)系統(tǒng)比作人體,,植被和土壤如同人體的肌膚,,為各種生物提供食物和棲息地,。”任斐鵬說(shuō),,觀測(cè)和研究植物如同“聆聽植被言語(yǔ)”,,過(guò)程雖然艱辛枯燥,但通過(guò)大量信息讀取和比對(duì),,就能感知植被生態(tài)的環(huán)境偏好和健康狀態(tài),,尤其是在江源脆弱的生態(tài)環(huán)境中,植被依然豐富多樣,,值得重點(diǎn)關(guān)注研究,。
科考途中每到一個(gè)考察點(diǎn),任斐鵬和隊(duì)友都會(huì)按照1米×1米,、5米×5米的正方形面積,,分別布設(shè)草地和灌叢調(diào)查樣方,詳細(xì)觀測(cè)每個(gè)樣方內(nèi)的植物組成,、植株高度,、物種多度、分蓋度和總蓋度等指標(biāo),,記錄土壤類型,、干擾程度、坡度和坡向等生境指標(biāo),。
夏日江源,,漫山遍野是黃綠交織的草甸。身處其中,,常會(huì)讓人產(chǎn)生來(lái)到北方茫茫大草原的錯(cuò)覺,。“長(zhǎng)江源區(qū)的高寒草甸和內(nèi)蒙古等北方草原外觀看上去相似,,在生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能上卻完全不同,。”經(jīng)過(guò)多年科考觀測(cè)和對(duì)比研究,,任斐鵬發(fā)現(xiàn),,我國(guó)北方廣大草原主要是以耐旱的針茅、羊草等禾本科植物為優(yōu)勢(shì)種,。這些植物多能生長(zhǎng)至50厘米以上,,因此能出現(xiàn)“風(fēng)吹草低見牛羊”等景象。
而長(zhǎng)江源區(qū)的高寒草甸則以高原嵩草和矮嵩草等抗寒,、耐旱的莎草科植物為優(yōu)勢(shì)種,,植株通常比較矮小,普遍低于20厘米,。任斐鵬說(shuō),,江源地處高原,氣候寒冷,,植物的生長(zhǎng)期也相對(duì)更短,,一般5月底才返青,8月底就逐漸變黃,。
土壤環(huán)境也是任斐鵬和隊(duì)友考察的重點(diǎn),。江源地處高原腹地,土壤發(fā)育過(guò)程緩慢,。從調(diào)查來(lái)看,,自青藏高原隆起至今,高寒草甸發(fā)育的土壤厚度多處調(diào)查點(diǎn)僅為15至20厘米,,一旦遭受破壞,,短期內(nèi)難以自然恢復(fù)。
觀測(cè)研究發(fā)現(xiàn),,江源地區(qū)植物附著生存的土壤,,與北方草原也存在明顯區(qū)別。內(nèi)蒙古草原地區(qū)以黑鈣土,、棕鈣土,、荒漠土為主,土層較厚,,腐殖質(zhì)多肥力足,。江源地區(qū)土壤則以高山草甸土、草甸沼澤土,、寒鈣土為主,,土壤土層較薄,加上土壤發(fā)育緩慢,、植被退化等,,常導(dǎo)致土壤肥力不足。
大量?jī)鐾翆臃植际墙赐寥烙忠淮筇攸c(diǎn),。任斐鵬介紹,,當(dāng)江源地區(qū)溫度降到零攝氏度以下,土壤中水分凝結(jié)成冰后將土壤凍結(jié)在一起,,形成堅(jiān)硬的凍土層,,江源地區(qū)很多土壤凍結(jié)期超過(guò)5個(gè)月?!八Y(jié)冰后體積增大,,因此土壤凍結(jié)會(huì)隆起形成丘狀地帶,破壞土壤結(jié)構(gòu)和植物根系,,到了夏季升溫凍土消融,,極易出現(xiàn)水土流失”,。
將“實(shí)驗(yàn)室”搬上江源
高寒、高海拔地區(qū)被視為全球氣候變化的前哨站,。江源地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,,在全球二氧化碳排放增加情況下溫室效應(yīng)更加明顯,對(duì)溫度升高的響應(yīng)更為敏感而迅速,。多年觀測(cè)結(jié)果顯示,,過(guò)去數(shù)十年來(lái)長(zhǎng)江源地區(qū)氣溫呈現(xiàn)出波動(dòng)上升的趨勢(shì),尤其是近20年來(lái)升溫速率明顯加快,。長(zhǎng)江源區(qū)過(guò)去10多年來(lái)的年平均氣溫,,比此前40多年平均氣溫上升了1.4攝氏度,升溫幅度是同期全球平均水平的兩倍,。
植物作為維持江源生態(tài)健康的重要基礎(chǔ),,遇到升溫后會(huì)有哪些變化?近年來(lái),,任斐鵬和隊(duì)友孫寶洋一直在通過(guò)模擬增溫試驗(yàn)開展研究,。
“模擬增溫試驗(yàn)”是國(guó)際上觀測(cè)不同增溫狀態(tài)下植物生態(tài)系統(tǒng)變化的主要研究方式。這項(xiàng)試驗(yàn)通過(guò)在草地上安裝不同高度的溫箱,,布設(shè)傳感器觀測(cè)箱內(nèi)溫度,,模擬形成不同增溫條件,從而分析箱內(nèi)植被生態(tài)的相應(yīng)變化,。
在位于青海省玉樹藏族自治州雜多縣的水利部長(zhǎng)江江源區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)野外科學(xué)觀測(cè)研究站——長(zhǎng)江科學(xué)院江源基地,,《瞭望》新聞周刊記者看到,草地上豎立的15個(gè)六邊形溫箱被分為5組,,高度在0.4米至1.20米間均等分布,,加上自然草地對(duì)照組,共形成6組不同增溫幅度下的植被對(duì)比觀測(cè)樣方,。
這些增溫箱是任斐鵬和隊(duì)友一塊設(shè)計(jì)制作,,在2020年從武漢運(yùn)至雜多基地安裝的?!扒嗖馗咴瓡円箿夭畲?、風(fēng)力強(qiáng),還經(jīng)常出現(xiàn)大冰雹,,國(guó)際上常用的增溫箱很難適用,。”任斐鵬說(shuō),,結(jié)合江源氣候條件,,他們自己動(dòng)手選材料、畫圖紙,,先后試制5類不同的模型,,最終選擇用有機(jī)玻璃和不銹鋼等材料搭建溫箱,。
根據(jù)溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),長(zhǎng)江源區(qū)多年平均氣溫零下1攝氏度情況下,,不同高度的溫箱能實(shí)現(xiàn)不同幅度增溫,。其中1.2米高的溫箱,能增溫約4攝氏度,。任斐鵬和隊(duì)友一直維護(hù)溫箱,觀測(cè)箱內(nèi)草地生態(tài)系統(tǒng),,他們也被其他同事笑稱為草地溫箱“奶爸”,。
試驗(yàn)過(guò)程中意外總是不期而遇。2022年3月,,一場(chǎng)大風(fēng)夾雜冰雹呼嘯而來(lái),,將兩個(gè)增溫箱玻璃砸出洞,受損嚴(yán)重,。得知情況后,,任斐鵬加班趕制溫箱修復(fù)材料,第一時(shí)間寄到雜多縣由前方工作人員幫忙替換,,終于趕在植被復(fù)蘇發(fā)芽前將溫箱修復(fù)如初,。
為研究不同植被覆蓋條件下江源地區(qū)土壤侵蝕規(guī)律與特征,任斐鵬和隊(duì)友長(zhǎng)江科學(xué)院博士孫寶洋在江源基地安裝了變坡水槽沖刷試驗(yàn)裝置,。這套形似傳統(tǒng)水車的試驗(yàn)裝置,,可以模擬分析坡度范圍在0至30度范圍內(nèi)不同水流速度對(duì)不同類型土壤的侵蝕影響機(jī)制。
“高原的氣候條件在平原地區(qū)難以模擬,,因此在江源地區(qū)開展試驗(yàn),,能盡量保證環(huán)境、樣品與野外一致,,相對(duì)精準(zhǔn)建立植被和土壤影響生態(tài)環(huán)境的聯(lián)系機(jī)制,。”孫寶洋說(shuō),,他們科考中采集不同點(diǎn)位的高山草甸土,、寒鈣土等原狀土樣,帶回基地開展徑流沖刷試驗(yàn),。
白天奔波鏟土,,夜晚回到基地開展沖刷試驗(yàn),高海拔,、長(zhǎng)時(shí)間的缺氧工作,,科考隊(duì)員常常身心俱疲,有時(shí)路上還會(huì)發(fā)生陷車,、爆胎等情況,,堅(jiān)持和放棄往往就在一瞬間,。“高原試驗(yàn)條件艱苦,,不確定性因素多,。”任斐鵬說(shuō),,將“實(shí)驗(yàn)室”搬上江源,,就得耐心堅(jiān)持,做好面臨各種挑戰(zhàn),、應(yīng)對(duì)各種突發(fā)的準(zhǔn)備,,“堅(jiān)持過(guò)后,曙光就會(huì)在眼前”,。
長(zhǎng)江科學(xué)院的科考隊(duì)員在長(zhǎng)江源區(qū)進(jìn)行科考工作(2022年7月26日攝) 肖藝九攝/本刊
升溫3攝氏度可能是臨界點(diǎn)
多年長(zhǎng)江源科考發(fā)現(xiàn),,受全球氣候變暖影響,近年來(lái)長(zhǎng)江源局部地區(qū)植被變化明顯,,出現(xiàn)高寒草甸退化,、水土流失加劇等隱患。任斐鵬和隊(duì)友在模擬增溫試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),,隨氣溫升高,,溫箱觀測(cè)樣方內(nèi)的禾本科植物高度明顯增加,俗稱為“斷腸草”的狼毒等毒雜草有所增多,,鼠害干擾明顯增強(qiáng),。
作為江源常見的禾本科植物代表,老芒麥對(duì)溫度變化反應(yīng)非常敏感,。孫寶洋介紹,,在露天情況下,老芒麥夏季平均高度約72厘米,,試驗(yàn)中隨著溫箱內(nèi)溫度增加,,老芒麥也逐步長(zhǎng)高,“在1.2米高的溫箱中,,老芒麥最高能長(zhǎng)到1.2米,,這在江源自然環(huán)境中很少能見到?!?/p>
“老芒麥等植物高度增加,,必將影響周邊低矮植物生長(zhǎng)環(huán)境,甚至可能打破原有植物群落的種間關(guān)系,?!比戊躇i介紹,生物多樣性削弱后,尤其是高原嵩草等控制水土流失,,維持生態(tài)穩(wěn)定重要物種受到威脅,,將對(duì)群落結(jié)構(gòu)、功能和微環(huán)境產(chǎn)生重要影響,。
經(jīng)過(guò)連續(xù)3年的模擬增溫試驗(yàn)原位觀測(cè),,任斐鵬分析相關(guān)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn),當(dāng)增溫幅度小于3攝氏度的情景下,,監(jiān)測(cè)樣方內(nèi)的物種數(shù)量和群落優(yōu)勢(shì)種沒(méi)有明顯變化,,當(dāng)增溫幅度達(dá)到或大于3攝氏度時(shí),高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了明顯變化,,“升溫越高,,監(jiān)測(cè)樣方內(nèi)的植被覆蓋度下降越大,生物多樣性和物種密度下降趨勢(shì)更加明顯”,。
聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)2022年2月發(fā)布的第六次評(píng)估報(bào)告指出,,在“中等變暖水平(3.2攝氏度)”條件下,,面臨滅絕風(fēng)險(xiǎn)的物種數(shù)量顯著增多,,比如無(wú)脊椎動(dòng)物、兩棲動(dòng)物和有花植物,?!敖纯瓶嫉摹M增溫試驗(yàn)’觀測(cè)結(jié)果,與這一結(jié)論能夠相互佐證,?!比戊躇i說(shuō),因此升溫3攝氏度可能是長(zhǎng)江源區(qū)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)退化的“臨界點(diǎn)”,。
植被退化將帶來(lái)一系列生態(tài)連鎖反應(yīng),。“在高寒草地坡面,,植物根系就像是固結(jié)土壤的‘織網(wǎng)’,。”任斐鵬說(shuō),,隨著氣溫升高,、凍土消融,土壤中的水分流出,,地表植被在重力作用下沉降往往會(huì)引發(fā)植被和土壤退化,,破壞整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。
在模擬徑流沖刷試驗(yàn)中,,任斐鵬和孫寶洋根據(jù)土壤附著植被輕度,、中度、重度退化三種類型對(duì)比發(fā)現(xiàn),隨著植被退化程度加深,,徑流沖刷作用下的土壤分離速率呈幾何級(jí)數(shù)遞增,,“這說(shuō)明植被覆蓋度越低的土壤,平均分離速率越大,,模擬實(shí)驗(yàn)顯示,,在相同水流功率條件下,長(zhǎng)江源土壤分離速率大于西南及黃土高原地區(qū)”,。
高寒草甸及土壤,,附著在高原高寒凍土之上,形成時(shí)間異常漫長(zhǎng),。如果平原地區(qū)形成1厘米土壤需要100年,,江源地區(qū)則需要200年以上。孫寶洋說(shuō),,如果植被持續(xù)退化,,江源地區(qū)水土流失加劇,長(zhǎng)江江水含沙量也將明顯增加,,當(dāng)?shù)鼐用窈蛣?dòng)植物的生存環(huán)境將會(huì)惡化,。
保護(hù)江源生態(tài),維持植被生態(tài)系統(tǒng)健康是關(guān)鍵,。任斐鵬表示,,未來(lái)他們還將開展持續(xù)監(jiān)測(cè),準(zhǔn)確把握高寒草甸植被生態(tài)系統(tǒng)演變過(guò)程及響應(yīng)特征,?!敖幢Wo(hù)還需要加強(qiáng)江源氣候變化、生態(tài)演變等方面的基礎(chǔ)研究,,從生態(tài)預(yù)警和生態(tài)修復(fù)等方面開展科技攻關(guān),,讓江源綺麗壯觀風(fēng)光永續(xù),生物多樣性保持永存”,。(文 |《瞭望》新聞周刊記者 李勁峰 陳杰)