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祁连山是我国西部高海拔多年冻土的主要分布区之一。作为我国西北地区三大内陆河流域的发源地和水源供给地,祁连山对我国西北地区的经济发展、生态平衡等有着重要的社会、经济和生态意义。其中疏勒河上游山区在多年冻土分布的边缘地带,是气候变化影响的敏感带,其内的生态系统脆弱,对气候变化极其敏感。从而研究疏勒河上游多年冻土区能量与物质输送将对该区对气候变化的响应研究具有重要的意义。另外植被的空间分布差异导致生态系统碳通量吸收的空间差异。因而对高寒区植被生态系统CO2净交换和植被动态变化监测的研究,也有助于理解高山区环境因子和植被结构动态对碳循环过程的影响。本文以疏勒河上游多年冻土区2008年7月至2010年10月苏里观测站的涡动观测资料、四层梯度观测资料(观测高度为2、5、7.5、10m;观测项目为,温度、风速、相对湿度、风向)、四分量辐射观测资料、浅层土壤水分、浅层土壤温度、土壤热通量(埋深为,5cm和10cm)和降水观测资料为数据基础。分析了疏勒河上游多年冻土区小气候特征,以及近地层温度廓线和风速廓线特征。用Edrie对通量原始数据进行处理,对处理后感热通量和潜热通量的异常值,采用基于M-O相似理论的整体法进行插补,分析了疏勒河上游多年冻土区能量通量的变化、波文比变化、能量闭合变化、地表反照率的变化。而对CO2通量白天和夜间的缺失值,在生长季分别建立其与光量子通量密度和土壤温度的经验公式进行插补;在非生长季建立CO2通量与土壤温度的经验公式进行插补。从而用一个完整年的资料分析了该区CO2年收支平衡。同时基于FSAM模型探讨了不同季节通量源区贡献的大小和变化。最后基于近20年GIMMS遥感数据对内陆河上游祁连山区植被动态变化做一分析。基于以上分析,可以得出:
(1)疏勒河上游多年冻土区年平均气温为-4.0℃,气温年较差为24.9℃;年正积温为819.3℃,年负积温为-2265.4℃;1月,1月逆温长达16个小时,而7月逆温时长为11个小时。年降水量388.2mm,6-9月降水占全年降水量的95%,研究区雨热同期。年蒸散量为434.2mm。生长季主风向为西北风,而非生长季主导风向为南西南风,年平均风速为4.3 m/s,冬春风速比较大,而夏秋风速比较小;2月12:00-15:00大气层结不稳定,其他时段风速与高度呈对数关系,大气层结较稳定;7月11:00-19:00,大气层结不稳定,风速与高度不存在对数关系,其他时段大气层结,风速与高度存在较好的对数关系。疏勒河上游多年冻土区年平均相对湿度为56.3%,空气最干和最湿的月份分别为3月和7月。夏秋气压比较高,而冬春气压比较低,年平均气压为63.39Kpa,气压日变化特征也比较明显。浅层土壤含水量和土壤温度表现出了明显的季节规律,浅层20cm处土壤冻结期180天左右。
(2)疏勒河上游多年冻土区年净辐射总量为3021.39 MJ/m2,年向下短波辐射总量为6187.79 MJ/m2;春季净辐射主要转化为感热,到春末夏初感热和潜热占净辐射比例相当,夏季净辐射主要转化为潜热,秋季净辐射又由转化为潜热为主而逐渐变为转化为潜热和感热的比例相当,冬季感热重新占主导地位。地表土壤热通量平均值为正的月份达7个月,为负的月份达5个月。
(3)波文比变幅为0.18-13.03,非生长季大于1,生长季波文比小于1。能量闭合度表现出明显的季节变化,生长季能量闭合度明显高于非生长季能量闭合度,2009年能量闭合最高达0.81,出现在8月。地表反照率的变幅为0.15-0.76,受土壤含水量、植被生长过程和降雪事件等因素的影响,冬春地表反照率较大,而夏秋地表反照率较小,地表反照率的年平均为0.25。
(4)疏勒河上游多年冻土区高寒草甸C02通量变化表现出,日最大吸收和排放速率均出现在7月,其值分别为0.93 g CO2·m-2·h-1和0.41 g CO2·m-2·h-1。6-8月为CO2净吸收阶段,7月为全年CO2吸收的最高月,而1-5月和9-12月为CO2净排放,4和10月为全年CO2排放的两个高值月。2009年CO2净吸收为135.4 gCO2·m-2,为显著的碳汇。
(5)大气不稳定时,从1月开始,通量源区贡献面积,通量贡献最近点、最远点和最大点距离都随着月份增加,于7月达到最大。此后随着月份上述各数值又在波动中减少;大气稳定时,通量源区贡献面积,通量贡献最近点、最远点和最大贡献点变化均表现为双峰变化曲线。从1月开始到4月,通量贡献源区面积,通量贡献最近点、最远点和最大贡献点都随着月份而变大。4到8月,通量贡献源区面积,通量贡献最近点、最远点和最大贡献点都随月份而减小。8到11月,通量贡献源区面积,通量贡献最近点、最远点和最大贡献点又随月份而变大。对于同一月份,大气稳定时通量贡献源区面积、通量贡献源区最近点、最远点、最大点均大于大气不稳定时通量贡献源区对应参数。
(6)内陆河上游祁连山区植被变化具有空间分异特征。整个区域NDVI变化趋势的空间特征可归结为3类:低于3000m的以减少趋势为主、3000-4100m的以增加趋势为主和高于4100m的以不变趋势为主。在海拔较低的干旱、半干旱低山区,NDVI变化既受降水的影响,又受气温的影响;而在海拔较高的寒区,NDVI的变化主要受气温的影响。