高原气象

高原气象 >

2023 , Vol. 42 >Issue 6: 1416 - 1428

DOI: https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00005

论文

围栏封育下藏北高寒湿地和高寒草原水热通量特征研究

  • 王壮壮 ,
  • 吕雅琼 ,
  • 魏达 ,
  • 祁亚辉 ,
  • 王小丹
展开
  • 1. 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041
    2. 中国科学院大学，北京 100049

王壮壮（1996 -）， 男， 河南周口人， 硕士研究生， 主要从事青藏高原水热通量观测与模拟研究. E-mail：

收稿日期: 2022-07-17

  修回日期: 2023-01-19

  网络出版日期: 2023-11-14

基金资助

青藏高原第二次综合科学考察研究项目(2019QZKK0404); 国家自然科学基金项目(41971145); 中国科学院战略性先导科技专项（A类）泛第三极环境变化与绿色丝绸之路建设(XDA20020401); 中国科学院青年创新促进会项目(2020369)

收起

Water and Heat Flux Characteristics of Alpine Wetland and Alpine Steppe under Grazing Enclosure on the Northern Xizang

  • Zhuangzhuang WANG ,
  • Yaqiong Lü ,
  • Da WEI ,
  • Yahui QI ,
  • Xiaodan WANG
Expand
  • 1. Institute of Mountain Hazards and Environment，Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610041，Sichuan，China
    2. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

Received date: 2022-07-17

  Revised date: 2023-01-19

  Online published: 2023-11-14

Fold

摘要

围栏封育作为直接有效的退化草地恢复治理模式， 广泛应用于青藏高原退化草地恢复。围栏封育显著提升植被覆盖并改变地表与大气之间的水热交换， 然而当前对其如何影响高寒生态系统水热通量的定量研究不足， 缺乏对影响机制的认识。本研究以藏北腹地典型高寒湿地和高寒草原为研究对象， 采用涡度相关技术开展禁牧-放牧配对观测， 并基于围栏内外2019年7月至2021年6月连续两年的观测数据， 探究围栏封育后的地表水热平衡变化， 以提升对围栏封育改变地表水热通量机制的认知。结果显示： 高寒草原和高寒湿地生态系统水热通量均表现出明显的单峰型日变化特征， 且分别以感热作用（波文比为1.60）、 潜热作用（波文比为0.31）为主导向大气传输能量。围栏封育降低了高寒草原地表通量值， 感热通量减小5.99 W·m-2， 潜热通量减小4.84 W·m-2； 围栏封育提升了高寒湿地的地表通量值， 感热通量增加3.04 W·m-2， 潜热通量增加30.95 W·m-2， 围栏封育后高寒草原感热通量和潜热通量日均值均下降， 高寒湿地则增加。围栏封育对地表能量通量影响强度集中于白天， 夜间较弱。高寒生态系统的31组禁牧-放牧配对数据显示， 围栏封育降低高寒生态系统土壤温度， 提升土壤持水能力。基于土壤温度、 土壤湿度、 潜热通量和感热通量视角， 围栏封育对高寒生态系统存在降温潜力。

关键词： 藏北高原; 围栏封育; 水热通量; 高寒湿地; 高寒草原生态系统

本文引用格式

王壮壮 , 吕雅琼 , 魏达 , 祁亚辉 , 王小丹 . 围栏封育下藏北高寒湿地和高寒草原水热通量特征研究[J]. 高原气象, 2023 , 42(6) : 1416 -1428 . DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00005

Abstract

Grazing enclosure has been extensively employed as a direct and effective management measure for grassland restoration on the Qinghai-Xizang Plateau.Enclosures significantly increased vegetation coverage and affected the water and heat exchange between the land surface and the atmosphere.However， there is still a lack of quantitative research on how enclosures regulates water and heat fluxes in typical alpine ecosystems.Based on continuous data observed from eddy covariance system from July 2019 to June 2021 at alpine steppe and alpine wetland of the Northern Xizang， the changes of surface energy flux after enclosure was analyzed by using the eddy covariance method.The results show that： The water and heat fluxes in alpine steppe and alpine wetland shows significant unimodal diurnal variations.The exchange of land-atmosphere in alpine steppe is mainly dominated by sensible heat （Bowen ratio： 1.60） except in Summer， while wetland mainly transfers energy to the atmosphere by latent heat （Bowen ratio： 0.31） whole year.Grazing enclosure decreased the surface fluxes in alpine steppe， the sensible heat flux reduced by 5.99 W·m-2 and the latent heat flux increased by 4.84 W·m-2.Grazing enclosures increased the surface fluxes in alpine wetland， the sensible and latent heat raised by 3.04 W·m-2 and 30.95 W·m-2， respectively.The daily and average sensible and latent heat fluxes decreased in alpine steppe but increased in alpine wetland.The effect of enclosure on surface energy fluxes was stronger during the day and weaker at night.The collected literature data demonstrated that fencing decreased soil temperature and increased soil water holding capacity.Given the data of soil temperature， soil moisture， latent heat flux， and sensible heat flux， our study shows the cooling potential of enclosure on alpine steppe and alpine wetland.

Key words： Northern Xizang Plateau; grazing enclosure; water and heat flux; alpine wetland; alpine steppe ecosystem

1 引言

青藏高原平均海拔超过4000 m， 有“世界屋脊”与“第三极”之称（姚檀栋等， 2019； Yao and Wang， 1997）， 通过其强大的动力和热力作用改变大气环流和亚洲气候格局， 是陆气相互作用的热点研究区（叶笃正等， 1957； 徐祥德和陈联寿， 2006； 吴国雄等， 2018）。近几十年遥感和地面监测数据一致显示， 青藏高原下垫面植被正在发生系列演变（如暖湿化背景下植被变得更绿、 大面积实施生态恢复工程等）（Cui et al， 2022）。青藏高原植被覆盖的分布格局与区域水热条件的时空分布高度耦合， 下垫面物理状态特别是植被变化对高原地表水热碳交换过程影响显著， 感热和潜热作为地表可利用能量将直接作用于大气（张强和王胜， 2007）， 进而影响地表能量平衡（Pan et al， 2017； Li et al， 2019）。
青藏高原高寒草地生态系统支撑着530万牧民的生计（Wang et al， 2022）。随着高原人口增长， 放牧强度也随之增加（Huang et al， 2016）。近30年来青藏高原草地过度放牧率在27%~89%（Zhang et al， 2014）， 退化面积约占高寒草地总面积的39%（Wang et al， 2016）。人类活动对脆弱的高原生态系统造成巨大压力， 放牧被认为是导致青藏高原草地退化的主要原因（丁明军等， 2010； 张宪洲等， 2015； 卓嘎等， 2018； 魏彦强等， 2019； 朴世龙等， 2019）。国家于2003年发起了“退牧还草”运动， 以期恢复高寒草地生态系统的生产力和多功能性， 优化生态环境并提升人类福祉。围栏封育因其易操作、 见效快等优点， 当前已成为高寒草地生态恢复中最广泛的使用方式。青藏高原北部围封草地总面积达475万公顷， 约占高寒草地的10.0%（Wu et al， 2017）。西藏自治区2004 -2013年政府投入13.7亿元用于围栏建设， 近9%的高寒草地得以围封（Wei et al， 2020）。大规模围栏封育工程在区域尺度上产生了较为明显的正向效应， 高寒草地退化态势得到一定程度缓解（Wu et al， 2010； Li et al， 2017； Lu et al， 2018）。随着时间的延续， 众多研究一致认为长期的围栏恢复工程并不利于生态系统的可持续发展（Li et al， 2018； Yao et al， 2019； Sun et al， 2020）。当前对围栏封育成效率定多集中于植被生产力、 碳固持能力等方面（Yu et al， 2019； Liu et al， 2020）， 但围栏封育下的地气间能量交换仍缺乏定量研究。
青藏高原大规模持续开展的围栏封育工程直接作用于下垫面关键参数（陈智勇等， 2019； 杨军等， 2020）， 改变地气间能量平衡分配， 引发以蒸散发、 净辐射、 感热和潜热通量等为代表的水热要素变化， 并对局地降水、 区域气候乃至北半球水热循环系统产生一定影响（杨大文等， 2015； 汤秋鸿等， 2020； Zhang et al， 2022）。放牧活动降低植被盖度削弱植被蒸散发， 同时促进地表净辐射吸收， 增加土壤蒸发， 导致感热通量增加， 放牧强度的增加将对局部气候变暖产生正反馈（You et al， 2017）。而潜热通量变化受植被蒸散与土壤蒸发共同作用， 因此， 放牧活动导致的潜热通量变化存在一定差异（Bremer et al， 2001； Zhang et al， 2019）。围栏封育显著提升内蒙古草地植被盖度， 减少地表净辐射吸收进而降低土壤热储存和土壤温度， 存在一定降温效应（Shao et al， 2012）。然而北极苔原生态系统相关研究认为， 禁牧增加植被盖度降低地表反射率， 促进地表能量吸收， 对局地变暖产生正反馈（Te Beest et al， 2016）。上述系列研究显示植被变化对局地能量平衡作用效果存在一定的分异。
辨识以围栏封育为核心的重大生态恢复工程对下垫面关键参数改变后的地气相互作用， 对增进理解气候暖湿化背景下高寒生态系统多圈层耦合机制， 以及加强青藏高原及其周边生态安全屏障作用至关重要。本研究依托藏北腹地申扎野外试验站的两对涡度相关禁牧-放牧配对观测平台， 对高寒草原和高寒湿地开展为期两年的连续性观测， 探究围栏封育后水热通量变化特征， 补充偏远地区资料稀缺性， 增进理解全球变化背景下青藏高原多圈层耦合机制。

2 数据来源与研究方法

2.1　研究区概况

研究区位于中国科学院申扎高寒草原与湿地观测试验站（30°57′N， 88°41′E， 4760 m）（以下简称申扎站）， 地处青藏高原腹地， 介于冈底斯山和藏北色林错之间， 拥有全类型典型高寒生态系统（图1）。多年平均气温为0.46 ℃， 降水量约395.5 mm， 风速通常为8~10 m·s-1， 最大风速约为19 m·s-1。冬季干燥寒冷， 期间只有少量降水和积雪， 受印度季风影响， 90%以上的降水集中于夏季。将研究期间（2019 -2021年）温度和降水关键参数与近几十年观测资料（拉巴卓玛等， 2017）对比分析， 排除极端或异常气候年份干扰（如干旱年）。2013年通过铁丝网对高寒草原和高寒湿地进行围栏封育， 此后再无牲畜进入。植物对气候变化的响应存在明显种间差异（王力和张强， 2018）， 气候变化对地上生物量影响显著， 且不同生态系统存在一定差异（Wang et al， 2018）。该区植被由多年生草本植被群落组成， 高寒草原放牧区植物优势种为昆仑蒿、 火绒草和紫花针茅， 围栏封育区植物优势种为紫花针茅和青藏臺草； 高寒湿地放牧区植物优势种为藏北嵩草和海乳草， 围栏封育区植物优势种为藏北嵩草、 早熟禾和青藏蒲公英。每年4月底至5月初， 研究区域的植被开始返青， 于7月下旬至8月上旬达生长峰值， 10月初逐渐变黄（Qi et al， 2021）。
图1 申扎站高寒草原和高寒湿地禁牧-放牧配对观测平台

Fig.1 The alpine steppe and alpine wetland ecosystem observation station in Shenzha

2.2　数据获取

野外数据获取。四架涡度相关系统均包括三维超声风速仪、 开路式CO2/H2O红外气体分析仪和CR1000数据采集器。通量数据采样频率为10 Hz， 并以30 min的时间分辨率进行存储， 核心参数包括空气温湿度、 潜热通量、 感热通量、 向下（上）长（短）波辐射等（表1）。观测时间为2019年7月至2021年6月。台站工作人员至少每四个月擦拭一次分析镜， 以确保分析器对通量检测具有较高的信号强度。每年生长季初期和末期分别对涡度相关系统进行一次全面技术性检查与维护， 以确保在高寒生态系统恶劣环境中依旧持续性地准确测量通量数据。
表1 申扎站仪器信息

Table 1 Descriptions of instruments at Shenzha observation station

观测项目 高寒湿地 高寒草原 观测参数 采集/输出频率
放牧 围栏封育 放牧 围栏封育
三维风速 Windmaster Pro； Gill<1% （误差精度） CSAT3； Campbell±0.4 cm·s-1 （误差精度） 潜热通量、 感热通量、 风速、 空气温湿度、 向上（下）长（短）波辐射 10 Hz30 min
CO2/H2O LI7500A； LI-COR <2% （误差精度） EC150； Campbell<2% （误差精度）
四分量辐射 Model CR1000， Campbell±0.08% （误差精度）
架设高度 2.5 m 2.8 m 2 m 2 m
围栏封育对土壤水热的影响很大程度取决于环境因素， 单个实验结果难以定量和全面揭示围封的效果。为进一步验证本研究数据分析结果， 本研究基于Web of Science（https： //www.webofscience.com）和中国知网（https： //www.cnki.com.cn）数据库， 关键词为： “围栏封育”、 “放牧”、 “禁牧”、 “土壤温度”、 “土壤水分”、 “地表能量”、 “青藏高原”， 为保证所收集数据具备统计学意义， 在筛选时仅考虑青藏高原地区禁牧-放牧配对观测实验， 最终搜集并整理了31组青藏高原土壤水热配对观测数据（表2）。数据包括高寒草原、 高寒湿地、 高寒草甸多种生态系统类型， 集中分布于青藏高原东北部（天祝、 海晏县、 肃北、 肃南、 海北）、 中部（北麓河、 那曲、 当雄、 林芝）与东部（玛曲、 红原县、 松潘县）。
表2 文献数据站点信息

Table 2 Site information of literature data source

站点名

海拔

/m

纬度

/（°N）

经度

/（°E）

年均温度

/℃

年降水量

/mm

 生态系统类型 参考文献
北麓河 4635 34.82 92.92 -3.8 290.9 高寒草甸 （You et al， 2014）
当雄县 4330 30.47 91.05 1.7 479 高寒湿地、 高寒草甸、 高寒草原 （Zhao et al， 2016； Zhao et al， 2022）
刚察县 3343 37.35 100.07 -0.5 370.3 高寒草原 （翟文婷等， 2017）
海北 3200 37.62 101.2 -2 500 高寒草甸 （乔春连等， 2012； 陈骥等， 2014； 李红琴等， 2019； Luo et al， 2009； Zhong et al， 2018）
海晏县 3140 36.95 100.85 0.8 398.2 高寒草原 （Chen et al， 2015； Chen et al， 2016）
红原县 3500 32.82 102.6 2.9 752 高寒草甸 （泽让东科等， 2016； 胡金娇等， 2020； Gao et al， 2011； Du et al， 2022）
林芝 4450 29.87 93.63 3.8 646 高寒草甸 （益西措姆等， 2014）
玛曲 3500 33.75 102.07 1.2 620 高寒湿地 （Wu et al， 2010）
那曲 4598 31.63 92 -1.9 380 高寒草甸 （An et al， 2019； Zhang et al， 2019）
若尔盖 3441 33.92 102.82 0.9 650 高寒湿地、 高寒草甸 （Liu et al， 2020； 周文昌等， 2015）
松潘县 3900 32.58 103.4 6.7 756 高寒草甸 （周天阳等， 2018）
肃北 2715 39.6 95.15 6.3 153 高寒草原 （曹静娟， 2010； Shang et al， 2017）
肃南 2873 38.03 101.55 1.5 350 高寒草甸 （曹静娟， 2010）
天祝 2960 37.18 102.78 -0.1 416 高寒草甸 （曹静娟， 2010； 李文等， 2015； Li et al， 2017）

2.3　数据处理

数据分析前使用Eddy Pro7.0.6对数据采集器中的原始数据进行二维坐标轴旋转、 空气密度脉动校正等（Foken and Wichura， 1996； Wilczak et al， 2001）， 具体操作过程见（Qi et al， 2021）。异常天气（如降水和微气象条件不满足测量假设）或仪器故障（如断电和传感器故障）导致部分水热通量数据缺失或异常， 启用标准的三级质量控制程序（0、 1和2）， 拒绝标记为“2”的异常通量（Qi et al， 2021）， 鉴于自然界非平稳发展状态， 以尽可能多地保留原始数据为原则， 部分保留数据未被强制使用这些标准。此外， 摩擦风速较小会导致湍流运动混合不均匀， 而出现数据异常等现象， 因此剔除了摩擦风速小于0.15 m·s-1的数据。为获取连续数据集， 2 h内的缺失数据采用线性插值填补， 超出2 h数据采用平均昼夜变化法（Mean Diurnal Variation， MDV）插补（徐自为等， 2009）。
在生态系统中， 地表能量平衡方程可以表示为：
R N = H + L E + G + S + Q
式中： RN 为净辐射； H为感热通量； LE为潜热通量； G为土壤热通量， G取5 cm处观测的土壤热通量结果（罗琪等， 2017； 郭燕红等， 2014； Yu et al， 2006）； S为冠层热存储； Q为其他的源和汇（通过光合作用固定到植物体内的能量， 其占净辐射的比率一般不足1%， 通常可以忽略不计）。鉴于研究区下垫面为高寒草地生态系统， 冠层高度可以忽略， 因此计算过程中未考虑冠层热存储量S。
实际观测中， 雨雪天气以及平流导致的局部循环， 将造成能量不闭合并直接影响分析结果。能量和物质守恒是陆面过程的研究基础， 为确保数据质量以及分析结果的科学性， 本文采用能量平衡率（Energy Balance Ratio， EBR）方法进行评价。以涡度相关仪器观测到的湍流通量（H+LE）与可利用能量（RN -G）之间比值百分比代表能量闭合度（图2）， 其中， 湿地围栏封育区缺乏土壤热通量数据， 本研究采用湍流通量与净辐射之间比值（Qi et al， 2021）， 具体计算方法如下：
E B R = ∑ ( H + L E ) ∑ ( R N - G )
图2 高寒草原和高寒湿地能量闭合度

Fig.2 Energy closure of alpine steppe and alpine wetland

高寒草原围栏封育和自由放牧EBR分别为0.77（R 2=0.80）和0.81（R 2=0.85）， 高寒湿地围栏封育和自由放牧EBR分别为1.33（R 2=0.75）和0.90（R 2=0.73）。根据先前资料（Kato et al， 2006； Wilson et al， 2002； Borges et al， 2020）， 本研究EBR在合理范围内。
为量化收集的31项青藏高原土壤水热配对观测数据对围栏封育的响应， 定义围栏封育土壤温度和土壤湿度成效参数分别为：
成效 参数 = ∑ i = 1 n ( 围栏 封育 - 自由 放牧 ) n
式中： n表示土壤温度或湿度配对观测数据量， 以土壤温度成效参数计算为例， 同一生态系统类型下围栏封育与自由放牧土壤温度间的差值累加和除以配对总数。

2.4　足迹区分析

涡度相关系统通常架设在具有代表性或感兴趣区域， 测算一定足迹区内单位面积及单位时间内的生态系统水热通量。所谓的足迹区， 即根据仪器架设高度、 风向风速、 摩擦速度、 大气稳定性和横流风分量， 将涡度塔体周围一定距离内某一方向的通量联系起来， 亦或系统测量所能覆盖的面积（小到几百米， 大到几公里的区域）。采用Tovi 2.8.1对涡度系统所监测的通量足迹区核算显示， 研究区4套系统通量贡献区均以东西方向为主， 感兴趣区域均以上风向为主导作用， 并呈类椭圆形。草原放牧与围栏封育两架配对涡度塔椭圆长短半轴分别为103 m×56 m和94 m×51 m， 湿地分别为129 m×72 m和99 m×67 m。草原放牧-禁牧两架配对涡度架设距离为380 m， 湿地的两架相距270 m。4架涡度塔理想通量贡献区均高于95%， 配对涡度塔之间未出现重叠测量区， 保证了数据收集的正确性和规范性。
图3 涡度塔监测足迹区 彩色区和等值线表示不同通量贡献率（单位： %）的空间范围

Fig.3 The footprint of eddy covariance.Colored area and the isolines represent the range of different flux contribution rates （unit： %）

3 结果分析

3.1　高寒草原和高寒湿地水热通量日变化特征

高寒生态系统水热通量均表现出明显的单峰型日变化特征（图4）。每日00:00 -08:00（北京时， 下同）和20:00 -00:00水热通量最低且变化幅度较小， 08:00 -20:00呈先增加后降低趋势， 在14:00 - 15:00达到峰值。高寒草原夜间潜热通量均高于感热通量， 白天相反。高寒湿地白天和夜间潜热通量均高于感热通量。总体来看， 高寒草原感热通量日均值高于高寒湿地， 潜热通量低于高寒湿地， 地表能量通量差异主要集中于白天， 夜间差异小。潜热通量和感热通量到达峰值时间存在一定差异， 高寒草原潜热通量到达峰值时间早于感热通量（早0.5 h）， 高寒湿地潜热通量到达峰值时间滞后于感热通量（滞后1.5 h）。
图4 高寒草原和高寒湿地地表能量通量日变化特征

Fig.4 Diurnal variations of surface energy fluxes of alpine steppe and alpine wetland

围栏封育对水热通量作用效果存在一定差异， 且白天作用效果高于夜间（表3）。高寒草原围栏封育后感热通量和潜热通量日均值均下降， 分别下降5.99 W·m-2和4.84 W·m-2。其中， 白天感热通量和潜热通量降低程度（分别为-14.31 W·m-2和-7.51 W·m-2）均高于夜间（分别为0.46 W·m-2和-2.70 W·m-2）。高寒湿地围栏封育后感热通量和潜热通量日均值均增加， 分别增加3.04 W·m-2和30.95 W·m-2。其中， 白天感热通量和潜热通量提升程度（分别为6.50 W·m-2和50.49 W·m-2）均高于夜间（分别为0.65 W·m-2和16.26 W·m-2）。潜热通量增加或感热通量下降均代表生态系统热量的损失。
表3 高寒草原和高寒湿地日平均地表通量

Table 3 The mean daily surface energy fluxes of alpine steppe and alpine wetland

生态系统 日变化 围栏封育 自由放牧 差值（围栏封育-自由放牧）
H/（W·m-2） LE/（W·m-2） H/（W·m-2） LE/（W·m-2） H/（W·m-2） LE/（W·m-2）
高寒草原 白天 98.64 41.73 112.94 49.24 -14.31 -7.51
夜间 -9.84 7.81 -10.30 10.51 0.46 -2.70
全天 37.69 22.48 43.69 27.32 -5.99 -4.84
高寒湿地 白天 66.84 153.62 60.34 103.13 6.50 50.49
夜间 -11.71 48.20 -12.35 31.93 0.65 16.26
全天 22.70 94.10 19.67 63.16 3.04 30.95

3.2　高寒草原和高寒湿地水热通量季节变化特征

高寒草原与高寒湿地两种生态系统类型水热通量季节变化趋势基本一致， 但分配形式存在差异。两种生态系统感热通量总体在1 -4月呈增加趋势， 5 -8月呈下降趋势， 9 -10月升高， 11 -12月下降（图5）。冷季和暖季过渡时期（即3 -5月期间或9 -11月期间）， 感热通量均达到峰值。潜热通量总体在每年的3 -10月呈先增加后减小趋势， 于7 -8月达到峰值， 其他月份数值较小且趋势稳定。高寒生态系统全年波文比（感热通量与潜热通量之比， 下同）均呈冬季>春季>秋季>夏季（表5）。高寒草原全年以感热通量为主导向大气输送能量， 年均波文比为1.68（围栏封育）和1.60（放牧）。其中， 夏季以潜热交换为主， 波文比为0.68（围栏封育）和0.54（放牧）， 期间降水量高、 植被生长旺盛、 地表蒸散发强， 潜热分配增强。高寒湿地全年以潜热作用为主向大气输送能量， 年均波文比为0.24（围栏封育）和0.31（放牧）。其中， 冷季（春季和冬季）感热分配增加， 暖季（夏季和秋季）潜热分配增加。
图5 高寒草原和高寒湿地地表能量通量季节变化特征

Fig.5 The seasonal variations of surface energy fluxes in alpine steppe and alpine wetland

表5 高寒草原和高寒湿地各季节平均地表能量通量

Table 5 The mean surface energy fluxes in different season of alpine steppe and alpine wetland

生态系统 季节 围栏封育 自由放牧 差值（围栏封育-自由放牧）
H/（W·m-2） LE/（W·m-2） 波文比 H/（W·m-2） LE/（W·m-2） 波文比 H/（W·m-2） LE/（W·m-2） 波文比
高寒草原 春季 51.05 15.8 3.23 64.69 13.73 4.71 -13.64 2.06 -1.48
夏季 36.61 53.76 0.68 38.64 71.56 0.54 -2.03 -17.8 0.14
秋季 33.94 18.13 1.87 38.02 21.24 1.79 -4.08 -3.11 0.08
冬季 29.16 2.25 12.95 33.39 2.75 12.13 -4.23 -0.5 0.82
全年 37.69 22.48 1.68 43.69 27.32 1.6 -5.99 -4.84 0.08
高寒湿地 春季 35.12 97.3 0.36 29.48 55.92 0.53 5.64 41.38 -0.17
夏季 18.31 148.73 0.12 15.03 112.47 0.13 3.28 36.26 -0.01
秋季 19.1 93.19 0.2 14.1 66.56 0.21 5 26.63 -0.01
冬季 18.29 37.19 0.49 20.06 17.67 1.14 -1.78 19.53 -0.64
全年 22.7 94.1 0.24 19.67 63.16 0.31 3.04 30.95 -0.07
围栏封育对水热通量季节作用效果存在一定差异（表5）。高寒草原围栏封育后各季节感热通量均降低（降低幅度为2.03~13.64 W·m-2）， 春季尤为明显； 各季节潜热通量除春季外也呈下降趋势（降低幅度为0.50~17.80 W·m-2）。高寒湿地围栏封育后各季节除冬季外呈增加趋势（增加幅度为3.28~5.64 W·m-2）； 各季节潜热通量均呈增加趋势（增加幅度为19.53~41.38 W·m-2）。春季和冬季冻融循环作用强烈， 水分相变过程复杂， 地表通量分配机制切换频繁。围栏封育在全年尺度中整体降低了高寒草原感热通量与潜热通量， 且降低幅度相似； 增加了高寒湿地感热通量与潜热通量， 其中潜热通量增加尤为明显。

3.3　土壤水热对围栏封育的响应

围栏封育显著降低高寒生态系统土壤温度， 提升土壤持水能力（图6）。围栏封育后各类生态系统土壤温度成效参数由强到弱依次为： 高寒湿地（-2.27 ℃）、 高寒草甸（-0.61 ℃）、 高寒草原（-0.28 ℃）； 土壤含水量成效参数由强到弱依次为： 高寒湿地（+4.74%）、 高寒草甸（+3.56%）、 高寒草原（+1.14%）。综合来看， 围栏封育对高寒湿地影响最为强烈， 高寒草原最弱。
图6 青藏高原围栏封育下土壤含水量（a）及土壤温度成效参数（b）括号数字代表每个分类的配对观测数据量

Fig.6 Effect of grazing exclosure on soil moisture （a） and soil temperature （b） in different ecosystem types on the Qinghai-Xizang Plateau.The numbers in parentheses represent the amount of data for each ecosystem

4 讨论与结论

4.1　讨论

青藏高原过去20年间显著增加的植被变化， 导致地气间的湍流传热增加， 特别是潜热通量（Liu et al， 2022）， 可能与大规模推行的围栏封育政策有关。研究显示， 土壤水分和土地覆盖可主导青藏高原能量分配（Guo et al， 2021）， 放牧降低植被盖度导致感热通量增加， 对局部气候变暖产生正反馈效应（You et al， 2017； Zhao et al， 2021， Chen et al， 2009）； 其他研究显示， 植被叶面积增加将直接引起植被吸收的太阳辐射增加， 减小到达土壤表面能量， 导致地表感热与潜热通量的下降（陈海山等， 2006）。围栏封育后高寒湿地潜热通量明显增加， 高寒草原感热通量明显下降， 与已有研究结果相符。
土壤湿度对地表水热通量的再分配影响显著（曾剑等， 2011； 管晓丹等， 2018）， 较干的地表以感热为主导， 在雨季感热和潜热贡献相当。本文结果显示， 高寒草原与高寒湿地全年分别以感热和潜热为主导作用于大气， 这与藏北其他多个地区的水热通量研究相符， 如那曲（马耀明等， 2000； 严晓强等， 2019）、 双湖（郭燕红等， 2014）、 纳木错（胡媛媛等， 2018）等， 能量分配主要由下垫面差异所致。
基于土壤温度、 土壤湿度、 潜热通量和感热通量视角显示， 围栏封育对高寒生态系统存在降温潜力。围栏封育增加高寒湿地潜热通量， 降低高寒草原感热通量， 潜热通量增加或感热通量下降均代表生态系统热量的损失。土壤温度和湿度作为最直观的陆面物理特征， 可进一步评估生态系统能量变化（张强等， 2011）。文献荟萃分析显示， 围栏封育可以降低高寒生态系统土壤温度， 提升土壤持水能力， 生态系统显现降温潜力。过去的几十年里， 气温显著上升， 风速减弱， 青藏高原感热通量呈现减弱趋势， 春季尤为明显， 高原中部与北部地区下降趋势大于东部（阳坤等， 2010； 于威等， 2018； Duan and Wu， 2008； Fu et al， 2020）， 21世纪初开始呈现显著增加趋势， 而潜热通量与之相反， 高原整体上呈现出先上升后下降的变化趋势， 转折开始时间与感热通量变化节点大致相同， 但下降趋势较弱（仲雷等， 2021； Han et al， 2019）。本文结果显示， 围栏封育存在降温效应， 大规模持续开展的围栏封育工程将在一定程度上减缓局地气候变暖。
本研究通过4架涡度系统初步探究了藏北高寒草原和高寒湿地围栏封育后水热通量变化规律及差异， 增强了对典型高寒生态系统围栏封育后地表能量变化的认识。研究中观测资料在时间和空间尺度上均显现了一定局限性和不足。青藏高原面积广阔， 下垫面异质性强， 植被对气候要素的反馈效应也可能因区域差异而呈现不同变化。为进一步探究青藏高原典型生态系统水热通量特征， 全面科学地认知高寒生态系统对围栏封育的响应， 后续的研究应增加站点或延长观测时间， 同时也需要多种手段协同验证和补充。

4.2　结论

通过禁牧-放牧配对涡度塔两年连续观测数据， 结合文献荟萃分析， 量化围栏封育下藏北腹地高寒草原与高寒湿地水热通量变化特征及成效， 得到以下结论：
（1） 高寒草原和高寒湿地生态系统水热通量均表现出明显的单峰型日变化特征， 于每日14:00 -15:00达到峰值， 地表能量通量差异主要集中于白天， 夜间差异小。高寒草原与高寒湿地两种生态系统类型水热通量季节变化趋势基本一致， 但分配形式存在差异。感热通量在冷季和暖季过渡期间（即3 -5月期间或9 -11月期间）达到峰值， 潜热通量在每年的3 -10月呈先增加后减小趋势， 于7 -8月达到峰值。高寒草原全年以感热通量为主导向大气输送能量， 高寒湿地全年则以潜热作用为主导。
（2） 围栏封育整体降低了高寒草原感热通量与潜热通量， 降低幅度相似； 增加了高寒湿地感热通量与潜热通量， 潜热通量增加尤为明显。围栏封育后高寒草原感热通量和潜热通量日均值均下降， 高寒湿地则增加， 白天影响强度高于夜间。
（3） 围栏封育降低高寒生态系统土壤温度， 提升土壤持水能力， 显现降温潜力。高寒湿地降温效果最为明显， 高寒草原次之。

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