大興安嶺北部多年凍土區(qū)植被對活動(dòng)層厚度變化的響應(yīng)

溫理想， 郭 蒙， 黃書博， 于方冰， 鐘 超， 周粉粉

（東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院長白山地理過程與生態(tài)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長春 130024）

0 引言

植被和多年凍土相互作用形成的寒區(qū)生態(tài)系統(tǒng)，對環(huán)境變化極為敏感［1］。在全球氣候變暖的背景下，高緯度地區(qū)多年凍土發(fā)生了不同程度的退化。多年凍土的退化會(huì)帶來一系列生態(tài)、水文等狀況的改變，進(jìn)而影響植被生產(chǎn)力和生長格局［2］。多年凍土退化對植被生長的影響機(jī)制十分復(fù)雜，然而，目前針對寒區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的研究主要集中于不同區(qū)域植被的時(shí)空變化特征，影響植被變化的因素主要?dú)w因于氣溫和降水［3-4］，而關(guān)于多年凍土退化與植被生長之間關(guān)系的研究相對較少。

多年凍土退化通常表現(xiàn)為溫度升高、面積銳減以及活動(dòng)層厚度增加等，其中活動(dòng)層厚度增加是多年凍土退化的主要標(biāo)志［5-8］。活動(dòng)層及其變化對土壤—大氣系統(tǒng)間的水熱交換、地貌過程、地表水文過程以及寒區(qū)生態(tài)系統(tǒng)過程等都有重要影響［9］。因此，活動(dòng)層厚度的監(jiān)測與研究一直是凍土學(xué)研究的核心問題之一。傳統(tǒng)的活動(dòng)層厚度探測方法主要包括鋼釬法、土鉆法和直接挖掘法等［10］。如戴競波等［11］結(jié)合多年在寒區(qū)開展地質(zhì)鉆探的工作經(jīng)驗(yàn)介紹了在多年凍土地區(qū)鉆探的注意事項(xiàng)。王紹令等［12］利用實(shí)地鉆孔法探究青藏公路沿線多年凍土的厚度和分布，取得了一些研究成果和經(jīng)驗(yàn)。然而這些探測方法需要耗費(fèi)大量的人力、物力。隨著雷達(dá)探測技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究中應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)探測活動(dòng)層厚度。雷達(dá)探測早在青藏高原和祁連山地區(qū)的凍土調(diào)查中就被用到，在寒區(qū)公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施的修建中應(yīng)用更為廣泛［13-16］。雖然探測方法各異，但眾多學(xué)者的研究結(jié)果都表明活動(dòng)層的厚度總體呈現(xiàn)增加趨勢。

多年凍土發(fā)育與植被生長的關(guān)系密切，隨著多年凍土的退化，活動(dòng)層厚度增加，破壞了原有的水熱平衡，導(dǎo)致森林生態(tài)系統(tǒng)如群落結(jié)構(gòu)、植被覆蓋度和植被生物量等特征發(fā)生變化［17］。一些研究表明，隨著多年凍土退化，植被生長狀況惡化，植被覆蓋度降低。例如，Wang 等［18］在青藏高原地區(qū)發(fā)現(xiàn)多年凍土退化可能會(huì)引起荒漠化。郭正剛等［19］在青藏高原北部的生態(tài)系統(tǒng)研究中發(fā)現(xiàn)，隨著多年凍土的退化，沼澤化草甸演替為典型草甸，草原化草甸最終成為沙化草地，導(dǎo)致植被蓋度下降。然而也有研究表明多年凍土融化，能夠?yàn)橹脖簧L提供更多土壤水分和營養(yǎng)物質(zhì)，Schuur 等［20］在阿拉斯加苔原地區(qū)發(fā)現(xiàn)隨著凍土融化，土壤中可利用的氮增加，因此多年凍土退化在灌木、草本生長過程中起到積極作用。不同學(xué)者的研究結(jié)論存在差異甚至相反，因此，多年凍土退化對植被的影響機(jī)理有待進(jìn)一步探究。

近年來，大興安嶺地區(qū)多年凍土退化明顯，植被的生長狀況也隨之改變［21］。Yue等［22］發(fā)現(xiàn)大興安嶺近地表植物物種組成、群落結(jié)構(gòu)與多年凍土的分布密切相關(guān)。孫廣友等［23］在大興安嶺地區(qū)構(gòu)建了沼澤濕地與多年凍土的共生模式，發(fā)現(xiàn)多年凍土的退化首先表現(xiàn)為沼澤的退化。周梅等［24］認(rèn)為多年凍土的改變破壞了以興安落葉松為主體的森林生態(tài)系統(tǒng)，引發(fā)一系列的生態(tài)環(huán)境問題。Ren 等［25］預(yù)測，隨著大興安嶺多年凍土的持續(xù)退化，活動(dòng)層的加深可能導(dǎo)致林下植被的嚴(yán)重退化，進(jìn)而加速寒區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的退化。也有學(xué)者認(rèn)為大興安嶺多年凍土退化會(huì)改善植被的生長環(huán)境，延長植被的生長期，具體表現(xiàn)為植被指數(shù)呈增長趨勢，說明植被的生長狀況有所改善［26］。為了進(jìn)一步探討大興安嶺植被與多年凍土的關(guān)系，本文結(jié)合野外調(diào)查和遙感等手段，分別在群落和區(qū)域尺度上研究了大興安嶺北部植被對多年凍土活動(dòng)層厚度變化的響應(yīng)，以期加強(qiáng)對多年凍土和植被關(guān)系的認(rèn)識，豐富寒區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的研究。

1 研究區(qū)概況

大興安嶺多年凍土區(qū)位于我國最北部，地理坐標(biāo)為49°01′～53°54′N，119°12′～125°29′E，面積約為11.2×104km2（圖1）。該區(qū)屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長干寒，夏季短促濕熱，年平均氣溫介于-5～2 ℃之間，年平均降水量為460 mm［27］。大興安嶺主要森林類型是以興安落葉松（Larix gmelinii）為主的針葉林，和少部分以白樺（Betula platyphylla）等為代表的闊葉林。其他喬木樹種還包括樟子松（Pinus sylvestris）、黑樺（Betula dahurica）和蒙古櫟（Quercus mongolica）等，灌木主要為興安杜鵑（Rhododendron dauricum）、杜香（Ledum palustre）、越桔（Vaccinium vitis-idaea）、篤斯越桔（Vaccinium uliginosum）以及柴樺（Betula fruticosa）等。研究區(qū)還分布著少量草原、草甸以及沼澤等覆被類型。大興安嶺北部多年凍土區(qū)可分為大片多年凍土區(qū)和島狀融區(qū)多年凍土區(qū)兩部分［28］（表1）。

圖1 研究區(qū)地理位置和植被類型示意圖Fig. 1 Location and vegetation cover of the study area

表1 大興安嶺北部不同類型多年凍土特征［30］Table 1 Distribution character of permafrost in the Greater Khingan Mountains［30］

黑龍江呼中國家級自然保護(hù)區(qū)（簡稱呼中保護(hù)區(qū)）位于大興安嶺地區(qū)呼中境內(nèi)，地理位置介于51°18′～51°56′N，122°42′～123°18′E 之間。保護(hù)區(qū)東西寬32 km，南北長63 km，總面積為1 672.13 km2。年平均氣溫-4.3 ℃，年平均降水量458.3 mm。呼中自然保護(hù)區(qū)地處大片多年凍土區(qū)，是我國最北部、保存最典型的，也是面積最大的寒溫帶落葉松林分布區(qū)［29］。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1 樣方調(diào)查數(shù)據(jù)

在研究區(qū)內(nèi)共選取55 個(gè)采樣點(diǎn)開展調(diào)查（圖2），其中2019年7月采集20個(gè)（呼中保護(hù)區(qū)15個(gè)，保護(hù)區(qū)周邊5 個(gè)），2019 年9 月采集35 個(gè)（大片多年凍土區(qū)28 個(gè)，島狀融區(qū)多年凍土區(qū)7 個(gè)），保證每個(gè)采樣點(diǎn)間隔大于1 公里。每個(gè)采樣點(diǎn)設(shè)置三個(gè)樣方，分別采集活動(dòng)層厚度數(shù)據(jù)、林下灌木生物量數(shù)據(jù)以及興安落葉松胸徑、樹齡等數(shù)據(jù)，通過落葉松胸徑與樹齡的比值、林下灌木生物量兩個(gè)指標(biāo)分別探究多年凍土活動(dòng)層厚度變化對喬木和灌木的影響。

圖2 采樣點(diǎn)分布示意圖Fig. 2 Distribution map of sampling points

2.1.1 活動(dòng)層厚度

利用加拿大Sensors & Software 公司生產(chǎn)的收發(fā)一體式探地雷達(dá)（NOGGIN）在每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行活動(dòng)層厚度數(shù)據(jù)采集，雷達(dá)主要構(gòu)造如圖3。探地雷達(dá)采用250 MHz 天線，測量長度為10 m，測量深度設(shè)為3 m，設(shè)置三組重復(fù)，取平均值作為活動(dòng)層厚度數(shù)據(jù)。如圖4 是2019 年9 月27 日在研究區(qū)采集的一個(gè)活動(dòng)層剖面數(shù)據(jù)，在深度1.4 m 左右有明顯連續(xù)的黑色條帶，條帶兩側(cè)波形傳播特征不同，因此可以認(rèn)為黑色條帶是活動(dòng)層的下限。劃定活動(dòng)層的厚度如紅線所示，導(dǎo)出數(shù)據(jù)取平均值即為活動(dòng)層厚度。

圖3 收發(fā)一體式探地雷達(dá)基本構(gòu)造Fig.3 Basic structure of transmitter-receiver integrated ground penetrating radar

圖4 多年凍土活動(dòng)層雷達(dá)剖面圖Fig.4 Radar profile of permafrost active layer

2.1.2 灌木生物量

在每塊大小為20 m×20 m 的樣地內(nèi)布設(shè)3 個(gè)大小為2 m×2 m的樣方，采樣對象為林下灌木，主要包括興安杜鵑、杜香、越桔、篤斯越桔、柴樺等灌木。利用收獲法采集林下灌木的生物量樣品，做好標(biāo)記，帶回實(shí)驗(yàn)室烘干，即可得到樣方生物量數(shù)據(jù)。

2.1.3 喬木胸徑和樹齡

胸徑是胸高直徑的簡稱，胸徑和樹齡的比值可以作為衡量喬木生長狀況的指標(biāo)。利用樹木生長錐在落葉松距離地面以上1.3 m 的位置鉆取樹芯，同時(shí)測量鉆取點(diǎn)位置所在的周長，采取周長除以3.14 的方式獲得落葉松的胸徑數(shù)據(jù)，讀取樹芯年輪得到樹齡數(shù)據(jù)。

2.2 增強(qiáng)型植被指數(shù)（EVI）

植被指數(shù)蘊(yùn)含著豐富的地表植被信息，能表征植被的綠度信息、生長狀態(tài)以及繁茂程度［31］。大興安嶺地區(qū)屬于植被高覆蓋度地區(qū)，EVI 的性能高于NDVI［32］。植被的生長季是植被生長周期中最活躍的階段，生長季的平均EVI 可以很好地反映植被覆蓋特征［31］。同時(shí)為了避免積雪等背景對植被指數(shù)的干擾，本研究選取2019年7—9月的EVI數(shù)據(jù)開展研究。

EVI 數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局（NASA）提供的MOD13Q1 數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)空間分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為16 d。在ArcGIS 中執(zhí)行鑲嵌、掩膜和投影變換等空間操作后可得到研究區(qū)2019年EVI數(shù)據(jù)。

2.3 多年凍土邊界數(shù)據(jù)

本研究所采用的大興安嶺北部多年凍土區(qū)矢量邊界數(shù)據(jù)來自國家冰川凍土沙漠科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www. crensed. ac. cn/portal/），該數(shù)據(jù)是由米德生編制的《中國1：400萬冰雪凍土圖》繪制而來［28］。

3 結(jié)果與討論

3.1 呼中保護(hù)區(qū)及周邊樣方調(diào)查結(jié)果

分別在呼中保護(hù)區(qū)和保護(hù)區(qū)周邊采樣（樣地均位于大片多年凍土區(qū)），采集活動(dòng)層厚度、生物量、胸徑、樹齡等指標(biāo)，結(jié)果見表2。分別計(jì)算保護(hù)區(qū)和周邊采樣點(diǎn)各指標(biāo)的平均值，結(jié)果如圖5 所示。呼中保護(hù)區(qū)樣方的活動(dòng)層厚度平均值為（0.47±0.14）m。呂久俊等［29］于2006 年9 月7—13 日在呼中保護(hù)區(qū)利用直接挖掘的方式測量活動(dòng)層厚度，結(jié)果主要分布在0.4～0.8 m 之間，與本文研究結(jié)果基本一致，表明本研究利用雷達(dá)探測取得了很好的效果。呼中保護(hù)區(qū)周邊的活動(dòng)層厚度平均值為（0.83±0.38）m，明顯大于保護(hù)區(qū)內(nèi)。

表2 黑龍江呼中國家級自然保護(hù)區(qū)及周邊樣方調(diào)查數(shù)據(jù)Table 2 Survey data of sample plots in Heilongjiang Huzhong National Nature Reserve and surrounding areas

呼中保護(hù)區(qū)的林下灌木生物量分布范圍為103.92～325.81 g·m-2，平均值為（201.75±71.70）g·m-2。保護(hù)區(qū)周邊的林下灌木生物量分布范圍為149.41～433.99 g·m-2，平均值為（259.10±111.14）g·m-2。呼中保護(hù)區(qū)的生物量小于保護(hù)區(qū)周邊地區(qū)。呼中保護(hù)區(qū)胸徑樹齡比的變化范圍是0.08～0.36，平均值為（0.20±0.08），保護(hù)區(qū)周邊胸徑樹齡比值的變化范圍是0.11～0.41，平均值為（0.26±0.14）。呼中保護(hù)區(qū)的胸徑樹齡比小于保護(hù)區(qū)周邊地區(qū)。綜上可知，呼中保護(hù)區(qū)的活動(dòng)層厚度、生物量以及胸徑樹齡比值的平均值均小于保護(hù)區(qū)周邊地區(qū)。

3.2 不同類型凍土區(qū)樣方調(diào)查結(jié)果

為了比較大片多年凍土區(qū)和島狀融區(qū)多年凍土區(qū)的活動(dòng)層厚度、植被特征的差異，分別在大片多年凍土區(qū)、島狀融區(qū)多年凍土區(qū)開展樣方調(diào)查，采樣結(jié)果見表3。計(jì)算各指標(biāo)的平均值，結(jié)果如圖5所示。大片多年凍土區(qū)的活動(dòng)層厚度變化范圍為0.41～2.04 m，平均值為（1.04±0.47）m，島狀融區(qū)多年凍土區(qū)的活動(dòng)層厚度變化范圍為0.88～1.90 m，平均值為（1.40±0.41）m。大片多年凍土區(qū)活動(dòng)層厚度的平均值小于島狀融區(qū)多年凍土區(qū)。常曉麗等［33］在位于島狀融區(qū)多年凍土區(qū)的新林鎮(zhèn)結(jié)合人工鉆探、雷達(dá)探測等手段進(jìn)行了活動(dòng)層厚度探測，結(jié)果顯示，落葉松林、塔頭和灌叢的活動(dòng)層多年平均厚度分別為0.8 m、1.3 m 和0.7 m，與本文調(diào)查結(jié)果較為接近。

表3 大片多年凍土區(qū)和島狀融區(qū)多年凍土區(qū)樣方調(diào)查數(shù)據(jù)Table 3 Sample data in predominantly continuous permafrost and permafrost with isolated taliks

圖5 呼中保護(hù)區(qū)和保護(hù)區(qū)周邊、大片多年凍土區(qū)和島狀融區(qū)多年凍土區(qū)樣方數(shù)據(jù)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

大片多年凍土區(qū)的林下灌木生物量分布范圍為 41.05～293.44 g·m-2，平均值為（128.31±63.33）g·m-2。島狀融區(qū)多年凍土區(qū)的林下灌木生物量分布范圍為96.90～298.17 g·m-2，平均值為（199.04±66.13）g·m-2。任娜等［34］在大興安嶺不同類型凍土區(qū)開展樣方調(diào)查研究濕地群落結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示島狀融區(qū)多年凍土區(qū)的生物量和物種豐富度均大于大片多年凍土區(qū)，與本文調(diào)查結(jié)果較為一致。大片多年凍土區(qū)落葉松胸徑樹齡比的分布范圍是0.16～0.55，平均值為（0.30±0.13）。島狀融區(qū)多年凍土區(qū)的胸徑樹齡比值的分布范圍是0.37～0.86，平均值為（0.59±0.21）。大片多年凍土區(qū)落葉松胸徑樹齡的比值小于島狀融區(qū)多年凍土區(qū)。不難發(fā)現(xiàn)，大片多年凍土區(qū)的活動(dòng)層厚度、生物量以及胸徑樹齡比值的平均值均小于島狀融區(qū)多年凍土區(qū)。

3.3 不同類型凍土區(qū)EVI結(jié)果

計(jì)算研究區(qū)2019年7—9月的EVI平均值，其空間分布格局如圖6 所示。植被EVI 空間分布差異較為明顯，低植被覆蓋區(qū)域主要集中在大片多年凍土區(qū)，高植被覆蓋區(qū)主要分布在島狀融區(qū)多年凍土區(qū)。研究區(qū)EVI變化范圍為0.05～0.73，EVI的平均值為（0.43±0.06），表明大興安嶺多年凍土區(qū)植被覆蓋狀況較好。大片多年凍土區(qū)EVI 變化范圍為0.05～0.62，平均值為（0.41±0.05），島狀融區(qū)多年凍土區(qū)變化范圍為0.05～0.73，平均值為（0.45±0.05），島狀融區(qū)多年凍土區(qū)的EVI平均值大于大片多年凍土區(qū)，表明島狀融區(qū)多年凍土區(qū)植被的生長狀況要好于大片多年凍土區(qū)。

圖6 2019年7—9月研究區(qū)EVI空間分布Fig.6 Spatial distribution characteristics of EVI in the study area from July to September 2019

3.4 討論

多年凍土與植被在長期地質(zhì)和生物演化過程中形成了生態(tài)平衡［35］，當(dāng)多年凍土在全球氣候變暖的影響下發(fā)生退化時(shí)，植被不可避免地受到影響。本文在呼中保護(hù)區(qū)及周邊、大片多年凍土區(qū)和島狀融區(qū)多年凍土區(qū)的研究中發(fā)現(xiàn)，多年凍土活動(dòng)層厚度小的區(qū)域，林下灌木的生物量和興安落葉松的胸徑樹齡比值都小于活動(dòng)層厚度大的區(qū)域。這表明在一定范圍內(nèi)，多年凍土發(fā)育的越好，越不利于灌木和喬木的生長。一些研究表明，多年凍土退化在植被生長過程中起到積極作用。Keuper 等［36］發(fā)現(xiàn)，瑞典北部多年凍土融化釋放出的氮能夠?yàn)樯罡档膩啽睒O植物提供額外的氮源，增加其生物量，甚至能抵消部分因凍土融化釋放的碳。Sato等［37］研究

表明多年凍土退化會(huì)改善植被的生長環(huán)境，東西伯利亞凍土區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力（NPP）整體呈上升趨勢。這些研究與本研究結(jié)論一致。本文還在區(qū)域尺度上比較了大片多年凍土區(qū)和島狀融區(qū)多年凍土區(qū)EVI 的差異，結(jié)果顯示島狀融區(qū)多年凍土區(qū)EVI 的平均值大于大片多年凍土區(qū)，表明島狀融區(qū)多年凍土區(qū)植被的生長狀況要好于大片多年凍土區(qū)，也證明了多年凍土對植被生長具有一定的限制作用。張齊兵［38］認(rèn)為多年凍土對于落葉松為代表的森林植物來說是一種高脅迫環(huán)境，多年凍土的存在不僅使土壤有效肥力降低，而且阻礙了植物根系的向下深入吸收養(yǎng)分，不利于植被的生長。

多年凍土對植被生長的影響機(jī)制十分復(fù)雜，不同區(qū)域，不同地形表現(xiàn)的影響機(jī)制不同。王根緒等［39］在青藏高原地區(qū)采用樣帶調(diào)查方法調(diào)查群落結(jié)構(gòu)、土壤條件以及多年凍土活動(dòng)層厚度指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)隨活動(dòng)層厚度增加，高寒草甸植被覆蓋度和生物生產(chǎn)量均呈現(xiàn)較為顯著遞減趨勢，并且群落結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化。金會(huì)軍等［40］指出在青藏高原地區(qū)，多年凍土作為廣泛分布的弱透水層，對高寒草甸的活動(dòng)層水分保持起著關(guān)鍵作用，隨著活動(dòng)層厚度增加，土壤中含水率降低，植被的生長狀況惡化。馮雨晴等［41］分析了青藏高原多年凍土的退化過程中植被覆蓋度的變化，發(fā)現(xiàn)多年凍土退化不利于植被覆蓋度的增加。青藏高原屬于高海拔凍土區(qū)，而大興安嶺屬于高緯度多年凍土區(qū)，區(qū)域自然條件、多年凍土類型的不同導(dǎo)致了研究結(jié)果的不同。同一研究區(qū)域，多年凍土對植被生長的影響機(jī)制也可能不同。Li 等［42］在大興安嶺地區(qū)采集不同地形條件下的樹木巖芯樣本，發(fā)現(xiàn)北方森林的生長受到多年凍土、地形和氣候的綜合影響。Ren等［25］研究發(fā)現(xiàn)，隨著活動(dòng)層深度的增加，大興安嶺林下植被的生物多樣性和總生物量均顯著下降。郭金停等［21］在大興安嶺北坡開展植物生態(tài)特征及其對凍土退化的響應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，50～150 cm 的活動(dòng)層厚度最有利于植被生長條件，植物物種最為豐富，活動(dòng)層厚度較大或較小都不利于植被生長。

4 結(jié)論

本文分別比較了呼中自然保護(hù)區(qū)和周邊、大片多年凍土區(qū)和島狀融區(qū)多年凍土區(qū)的多年凍土活動(dòng)層厚度以及植被特征數(shù)據(jù)，主要得出以下結(jié)論：

（1）呼中保護(hù)區(qū)活動(dòng)層厚度的平均值為（0.47±0.14）m，保護(hù)區(qū)周邊活動(dòng)層厚度的平均值為（0.83±0.38）m，明顯大于保護(hù)區(qū)內(nèi)。大片多年凍土區(qū)的活動(dòng)層厚度小于島狀融區(qū)多年凍土區(qū)，應(yīng)用探地雷達(dá)得到了較為準(zhǔn)確的結(jié)果。

（2）呼中保護(hù)區(qū)的林下灌木生物量和胸徑樹齡比的平均值都小于周邊地區(qū)，大片多年凍土區(qū)的林下灌木生物量和胸徑樹齡比的平均值都小于島狀融區(qū)多年凍土區(qū)?；顒?dòng)層厚度小的區(qū)域，灌木生物量以及落葉松胸徑樹齡比小于活動(dòng)層厚度大的區(qū)域，隨著活動(dòng)層厚度增加，植被的生長狀況會(huì)得到改善。

（3）大片多年凍土區(qū)EVI 的平均值大于島狀融區(qū)多年凍土區(qū)，島狀融區(qū)多年凍土區(qū)植被的生長狀況以及植被覆蓋情況好于大片多年凍土區(qū)，在區(qū)域尺度上證明了多年凍土對植被生長存在限制作用。