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长江源多年冻土区的能水平衡传输机理与过程模拟,是广泛关系到高原陆面过程、生态环境保护恢复、冻土工程保护和区域水文过程的关键科学问题,近年来更是我国备受关注的焦点问题之一。由于长江源区对气候变化敏感性,使其成为气候变化的水文水资源响应的热点研究区域之一。植被变化和冻土退化对流域水文过程将产生何种影响,其中气候-植被-冻土-水循环的相互关系是其核心科学问题。
因此,本论文首先从宏观层面探讨气候变化及其驱动的冻土和植被变化对径流过程的影响,进而从同位素角度对其机理进行深入剖析,阐述冻融过程和植被差异对风火山多年冻土区流域径流过程的影响。为了明晰气候变化及其驱动的植被变化和冻土变化与活动层土壤水热过程的关系,对植被覆盖变化对活动层土壤水热过程的影响进行分析,同时探讨了气温升高与植被覆盖变化对水热过程的协同影响。为了更进一步探索多年冻土区流域基于能量运移的径流产生机制,识别不同植被盖度下活动层土壤水热过程对径流过程的影响,本文应用GEOtop模型对冻土与植被协同影响的多年冻土区流域水循环过程进行模拟研究,并对未来气候变化情境下流域高寒草地生态系统及其水文响应变化进行预测分析。本论文得到的研究成果如下:
1.三江源区气温普遍显著升高,而降水的增加并不显著,年径流尤其是夏秋季节径流呈现明显减小的趋势。三江源区径流过程对气温变化较降水变化更为敏感。长江源区由于年水面蒸发和降水变化引起的径流减幅略低于多年来径流的减幅,与季节冻土和岛状多年冻土为主的黄河源区和澜沧江源区相反,表明多年冻土起到延缓径流减少的作用。可以预见到,随着多年冻土的退化,长江源区径流减少的趋势将进一步加剧。随着气温升高,开始融化时间不断提前,冻结时间不断推后,并未使春季径流增加,反而使5月份的径流呈现明显减少的趋势。植被退化导致高寒冻土区水文过程发生改变,使流域径流系数不断减小,从而使河川径流量呈现减小的趋势。
2.河水氢氧同位素的季节变化和空间差异是与壤中流、地下水补给河流的季节差异和植被覆盖的空间差异有关。随着地温升高和土壤冻融锋面的迁移,河水补给来源和同位素特征发生改变,表明土壤冻融变化对多年冻土流域径流过程起到重要作用。径流分割结果表明,6月春汛初期,地下水(包括壤中流)是地表径流的主要构成来源,但存在显著的年际变化(受春季降水影响),且4和5号子流域降水补给较大;8月夏汛退水期,地下水(包括壤中流)也是地表径流的主要构成来源,且年际变化较小,4和5号子流域地下水补给较大。这说明植被盖度及其驱动的冻融过程的差异,改变了径流组成。预示在气候变化影响下的冻土退化和植被退化,将可能显著改变多年冻土区的产流模式。
3.随着植被盖度降低,高寒草甸不同深度土壤开始融化和冻结时间均不断提前,地温变化速率增大,对气温的响应程度增高。随着植被盖度降低,土壤水分对温度变化的响应越为强烈,活动层水分变化速率增大,且加剧由于温度引起的土壤剖面水分交换,尤其是完全融化期。这些说明高盖度植被有利于土壤维持水分,及维持活动层土壤水热状况的稳定性,从而保证下覆多年冻土的稳定性,起到保护多年冻土的作用,抑制其受到气候变化的影响。获得Ov=Ac/{1+exp[B(T-△T0)]}+△θ0类型的水热耦合回归模型,可以用于改进多年冻土区陆面过程和分布式水文模型中水分的模拟精度。
4.气温升高使得高寒草甸地上、地下生物量显著增加,表明短期增温对高寒植被生物量有正面效应。在气温升高和植被变化协同影响下,活动层土壤冻结起始时间推迟,融化起始时间提前,使得冻结期缩短而融化期延长。土壤含水量随气温升高而逐渐降低,尤其导致表层土壤含水量显著下降。气温升高加快了土壤的水分蒸发和植被的蒸腾速率,导致表层土壤含水量下降。
5.GEOtop模型需要率定的参数较少,从而减少模型模拟的不确定性,提高模拟精度。此外,GEOtop包括精确的冻土参数化方案,能对活动层土壤冻融过程进行较好模拟,使其可以作为多年冻土区流域水能平衡过程的有效模拟工具。对不同植被盖度下土壤温度和水分模拟的NSE系数达到0.8以上,表明模型能准确模拟高寒生态系统多年冻土活动层的水热传输过程。GEOtop模型对多年冻土区小流域的径流过程进行较好的刻画,率定期和验证期径流模拟的NSE系数分别达到0.82和10.80。不同气候情景下的GEOtop模型模拟表明,温度保持不变且降水增加10%情景下,径流增幅最大,达到20%。在降水维持不变而气温分别增加0.5℃和1℃的情境下,径流分别减少了1.3%和4.0%,蒸发分别增加了2.7%和5.0%,与宏观尺度长江源径流过程的研究结果类似。