青藏铁路工程与多年冻土的互相作用实用教案

1、一、研究一、研究(ynji)方法方法 冻土生态系统：在高寒环境和独特冷生环境下形成并协同发展着的脆弱生态系统。生态系统是冻土区域生态环境最基本的单元，包括非生命生境体系（冻土、冻结层上地下水以及活动层土壤）和生命体系（植被）等。 生态系统可恢复性：体现(txin)(txin)工程扰动场地生态系统恢复程度与潜力。反映工程活动干扰生态系统的自组织结构的抗干扰与恢复能力。第1页/共26页第一页，共26页。一、研究一、研究(ynji)方法方法 生态样方调查地球物理勘探遥感调查垂直 样带+ 平行 样方四极电测深两期 TM 遥影像对比生态指标土壤环境指标冻土环境指标类型，覆盖度，生物生产力组成结构、有机质

2、、养分冻土上限、厚度、含冰量第2页/共26页第二页，共26页。物探物探样方调查(dio ch):公布设17个样带，69个样点遥感(yogn)调查围绕(wiro)公路、铁路分布区域开展线性综合调查，时间：2002与2003年7-8月植被生长旺盛期第3页/共26页第三页，共26页。一、研究一、研究(ynji)方法方法 生态指标类比冻土环境指标类比环境要素类比受损生态系统的恢复程度与可能恢复潜力 ： IFSHHL)1 (0LrpSDSC空间代替时间第4页/共26页第四页，共26页。模型(mxng)的说明I I表示顶级物种侵入指数，是天然原有建群优势物种种数与出现频度的函数，H,H0H,H0分别代表工

3、程扰动场地与天然场地的 Shannon-Weiner Shannon-Weiner指数；F F为相同地点(ddin)(ddin)工程扰动场地与天然场地植被覆盖度差值。SLSL就是受损生态系统的恢复程度与恢复能力指标；壤环境潜力用土壤综合指数表示，综合反映土壤结构、养分水平以及水分状况， D D是冻土上限年平均深度的变化值。CpCp就是恢复潜力指标，无量刚。 IFSHHL)1 (0LrpSDSC第5页/共26页第五页，共26页。二、冻土生态要素间的相互二、冻土生态要素间的相互(xingh)关系关系尽管存在地下水位埋深随冻土上限深度增加而增加的微弱趋势，但总体上并不具有明显的依存关系，地下水位一般

4、分布在高于冻土上限的相对稳定的深度范围。同样冻土含冰类型或含冰量与地下水位埋深之间的关系不明确，含冰量大小并不影响地下水位深浅变化。 第6页/共26页第六页，共26页。青藏铁路沿线冻结层上地下水夏季埋深多处于1.5-2.5m范围内，冻土作为其隔水底板，其动态变化对上层地下水而言既是隔水层变化又是补给水源变化，使得冻结层上地下水动态更加复杂(fz)。相比冻土上限，多年冻土厚度与地下水位埋深之间相关性要好一些，较大厚度冻土区上层地下水位较浅。第7页/共26页第七页，共26页。 总体上冻土上限高的地带具有较高的植被覆盖度，青藏铁路沿线高覆盖植被一般分布在冻土上限小于3.5m的范围内，3-4m冻土上限

5、内植被分布复杂，高覆盖与低覆盖甚至严重退化植被类型都有分。 高含冰量冻土并不一定能孕育高覆盖草地。 冻土厚度越大，植被覆盖度越高；高覆盖的高寒(gohn)草甸或高寒(gohn)沼泽草甸草地一般具有较厚的冻土层。上层地下水位与植被(zhbi)覆盖度的关系比较复杂，覆盖度小于70%的大部分高寒草原以及部分高寒草甸草地地下水位分布波动较大，覆盖度大于70%的大部分高寒草甸草地以及高寒沼泽草甸草地区地下水位埋深一般较浅。第8页/共26页第八页，共26页。二、冻土生态二、冻土生态(shngti)要素间的要素间的相互关系相互关系y = 0.6362x3 - 6.6211x2 + 23.351x -23.8

6、22R2 = 0.40190510152025301357冻土上限/m粗粒含量/%表层土壤物质中粒度大于0.5mm的物质含量越大，冻土上限越深；换言之，冻土上限下降将使得表层土壤粗砺化；冻土含冰量与粒度小于0.01mm的粘土物质含量之间成反比关系，而与粒度在0.25-0.05mm的细砂物质含量之间呈正比。 第9页/共26页第九页，共26页。冻土上限与土壤养分要素之间具有明显的关系，一般地，土壤有机质含量(hnling)和全氮含量(hnling)随冻土上限深度增加而减少。这是冻土环境对活动层土壤环境影响的重要环节，并由此影响着冻土生态系统。冻土与土壤养分(yngfn)含量的关系：第10页/共26

7、页第十页，共26页。三、人类工程活动对冻土三、人类工程活动对冻土(dn t)生态系统的影响生态系统的影响 草地植被群落类型 草地类型与主要构成植被类型 草地植被群落结构与覆盖度 主要优势物种、主要伴生种，群落覆盖度 草地生物生产力 群落样方内植物地上生产量第11页/共26页第十一页，共26页。地点与地点与高程高程自然状态下的基本特征自然状态下的基本特征工程干扰工程干扰20年后的基本特征年后的基本特征生态系统生态系统类型类型主要群落主要群落类型类型优势种与主要伴优势种与主要伴生种生种总盖总盖度度%生态生态系统系统类型类型主要主要群落群落类型类型优势种与主要伴生优势种与主要伴生种种总盖度总盖度%昆

8、仑山昆仑山南坡南坡扇穗茅草扇穗茅草原原扇穗茅扇穗茅+青藏苔草青藏苔草扇穗茅、青藏苔扇穗茅、青藏苔草、雪灵芝、沙草、雪灵芝、沙生风毛菊生风毛菊21.6碱茅碱茅草原草原碱茅碱茅+早熟早熟禾禾碱茅、早熟禾碱茅、早熟禾镰形棘豆、青藏苔镰形棘豆、青藏苔草草3.2不冻泉不冻泉扇穗茅草扇穗茅草原原扇穗茅扇穗茅+青藏苔草青藏苔草扇穗茅、青藏苔扇穗茅、青藏苔草、镰形棘豆草、镰形棘豆18青藏青藏苔草苔草草原草原青藏青藏苔草苔草+黄芪黄芪黄芪、青藏苔草黄芪、青藏苔草驼绒黎驼绒黎566道班道班青藏苔草青藏苔草草原草原青藏苔草青藏苔草+粗壮嵩粗壮嵩草草青藏苔草、粗壮青藏苔草、粗壮嵩草、沙生风毛嵩草、沙生风毛菊菊26碱茅

9、碱茅草原草原碱茅碱茅+扇穗扇穗茅茅碱茅、扇穗茅碱茅、扇穗茅棘豆棘豆4清水河清水河紫花针茅紫花针茅草原草原紫花针茅紫花针茅+青藏苔青藏苔草草紫花针茅、青藏紫花针茅、青藏苔草、大花嵩草苔草、大花嵩草30青藏青藏苔草苔草草原草原青藏青藏苔草苔草+鹅观鹅观草禾草禾青藏苔草青藏苔草鹅观草鹅观草早熟禾早熟禾4乌丽盆乌丽盆地地紫花针茅紫花针茅草原草原紫花针茅紫花针茅紫花针茅、火绒紫花针茅、火绒草、二裂委陵菜草、二裂委陵菜沙生风毛菊沙生风毛菊61紫花紫花针茅针茅草原草原紫花紫花针茅针茅+青藏青藏苔草苔草紫花针茅、青藏苔紫花针茅、青藏苔草、赖草、亚菊草、赖草、亚菊6高寒草原草地植被群落类型、结构以及(yj)覆盖

10、度变化第12页/共26页第十二页，共26页。地点与地点与高程高程自然状态下的基本特征自然状态下的基本特征工程干扰工程干扰20年后的基本特征年后的基本特征生态系统生态系统类型类型主要群落主要群落类型类型优势种与主要优势种与主要伴生种伴生种总盖总盖度度%生态系统生态系统类型类型主要群落主要群落类型类型优势种与主要优势种与主要伴生种伴生种总盖度总盖度%五道梁五道梁4639m高山嵩草高山嵩草草甸草甸高山嵩草高山嵩草+青藏苔青藏苔草草高山嵩草、青高山嵩草、青藏苔草、火绒藏苔草、火绒草、小叶棘豆、草、小叶棘豆、早熟禾早熟禾84早熟禾早熟禾+扇穗茅草扇穗茅草原原早熟禾早熟禾+扇穗茅扇穗茅+雪灵芝雪灵芝 扇穗

11、茅、早熟扇穗茅、早熟禾禾垫状点地梅垫状点地梅雪灵芝雪灵芝10风火山风火山4790m矮嵩草草矮嵩草草甸甸矮嵩草矮嵩草+高山嵩草高山嵩草+珠芽蓼珠芽蓼矮嵩草、高山矮嵩草、高山嵩草、珠芽蓼嵩草、珠芽蓼兰花棘豆、早兰花棘豆、早熟禾、火绒草熟禾、火绒草78早熟禾草早熟禾草原原早熟禾早熟禾+羊茅羊茅+火火绒草绒草早熟禾羊茅、早熟禾羊茅、火绒草、紫菀火绒草、紫菀40温泉温泉4874 m高山嵩草高山嵩草草甸草甸高山嵩草高山嵩草+火绒草火绒草高山嵩草高山嵩草火绒草垫状点火绒草垫状点地梅、黄芪、地梅、黄芪、针茅针茅58垂穗披肩垂穗披肩草草原化草草原化草甸草甸垂穗披肩垂穗披肩草草+毛叶毛叶棘豆棘豆垂穗披肩草垂穗披肩

12、草毛叶棘豆、早毛叶棘豆、早熟禾、羊茅熟禾、羊茅4开心岭开心岭4772m藏嵩草沼藏嵩草沼泽草甸泽草甸藏嵩草藏嵩草+矮嵩草矮嵩草+苔草苔草藏嵩草、矮嵩藏嵩草、矮嵩草苔草、高山草苔草、高山嵩草、早熟禾嵩草、早熟禾92早熟禾草早熟禾草原化草甸原化草甸早熟禾早熟禾+西伯利亚西伯利亚蓼蓼早熟禾、西伯早熟禾、西伯利亚蓼、火绒利亚蓼、火绒草草28高寒草甸草地植被群落类型(lixng)、结构以及覆盖度变化第13页/共26页第十三页，共26页。高寒草原系统高寒草原系统高寒草甸系统高寒草甸系统沙化草地生态系统沙化草地生态系统地点地点自然状自然状态态干扰迹干扰迹地地地点地点自然状态自然状态干扰迹干扰迹地地地点地点沙化

13、沙化前前沙化沙化后后66道班道班14.69.3五道梁五道梁33.414.5五道梁五道梁33.421.8清水河清水河18.311.1风火山风火山31.018.6乌丽盆地北乌丽盆地北15.022.8楚玛尔河楚玛尔河14.712.8温泉温泉33.911.4楚玛尔河谷楚玛尔河谷12.514.4乌丽盆地乌丽盆地22.110.6开心岭开心岭41.730.6沱沱河沱沱河16.521.6草地(cod)生态系统生产力变化不同生态系统(shn ti x tn)(shn ti x tn)地上生物量变化（单位：g g；样方面积：25cm25cm25cm25cm） 第14页/共26页第十四页，共26页。三、人类工程活动

14、三、人类工程活动(hu dng)对冻土生态系统的影响对冻土生态系统的影响样方中物种平均多度M，一个样点所测样方中所有物种个体总数的平均值； Shannon-Weiner指数 iiPPHln Pielou均匀度指数)1 ()(12SipJsiSPPJiiswln/ )ln( Whittacker 指数(ws) ws=S/ma-1第15页/共26页第十五页，共26页。指数指数昆仑山南坡昆仑山南坡清水河清水河乌丽乌丽不冻泉不冻泉未干扰未干扰干扰迹干扰迹地地未干扰未干扰干扰迹干扰迹地地未干扰未干扰干扰迹干扰迹地地未干扰未干扰干扰迹干扰迹地地H1.2241.2240.61260.61261.23251.

15、23251.2421.2420.59840.59840.70680.70681.7781.7780.5960.596Jsw0.41580.41580.20810.20810.41860.41860.4220.4220.24950.24950.29470.29470.6040.6040.2020.202Jsi0.37640.37640.68490.68490.11960.11960.3540.3540.78610.78610.64970.64970.17990.17990.6520.652M20.820.87.87.831.231.214.414.4222213.613.627.827.85.4

16、5.4第16页/共26页第十六页，共26页。指数指数五道梁五道梁风火山风火山温泉温泉开心岭开心岭未干扰未干扰干扰迹干扰迹地地未干扰未干扰干扰迹干扰迹地地未干扰未干扰干扰迹干扰迹地地未干扰未干扰干扰迹干扰迹地地H1.5551.5551.0291.0291.9051.9050.37890.37891.49241.49240.41580.41582.1062.1061.0591.059Jsw0.5280.5280.3790.3790.7220.7220.37890.37890.65220.65220.31120.31120.8480.8480.3680.368Jsi0.2340.2340.2510.

17、2510.19760.19760.52980.52980.18260.18260.23540.23540.28160.28160.7720.772M52.552.520.220.235.635.66.026.0241417.27.278.278.225.625.6第17页/共26页第十七页，共26页。植物群落的多样性可用于分析不同生境梯度间物种的替代程度，或物种周转速率、物种替代速率和生物变化速率，可以直观(zhgun)(zhgun)地反映不同群落间物种组成的差异和生境的变化程度 取样面积(m2)样方数高寒草原样方数高寒草甸原生群落恢复群落原生群落恢复群落1164.040.39.480.750

18、.75163.890.40.47.870.30.34163.040.10.15.980.510.51163.060.30.35.190.50.5842.520.20.24.420.320.3242.760.10.13.830.20.21642.310.20.24.060.230.2342.440.10.13.200.40.4群落(qnlu)(qnlu)的多样性指数 第18页/共26页第十八页，共26页。三、人类工程三、人类工程(gngchng)活动活动对冻土生态系统的影响对冻土生态系统的影响 高寒草原01020304050乌丽清水楚河昆仑 66道班粒度（%）0510152025粒度（%）A1A

19、2B1B2高寒草甸01020304050可可西里温泉五道梁风火山粒度（%）010203040506070粒度（%）A1A2B1B2土壤结构变化 A, 粒度0.5mm的粗砂及砾石含量 ;B, 粒度小于0.05 mm 的细粒物质含量 第19页/共26页第十九页，共26页。乌丽乌丽清水清水楚玛尔楚玛尔河河昆仑昆仑6666道班道班可可西可可西里里温泉温泉五道梁五道梁未干扰未干扰107.74107.7488.1388.13104.15104.1554.8154.8188.0888.0857.357.328.5428.5496.8796.87扰动扰动68.4168.4179.4979.4962.3962.

20、3952.6452.6454.4954.4948.448.418.518.595.195.1减少减少%36.536.59.89.840.140.13.963.9638.1338.1315.5315.5335.1835.181.831.83土壤表层0.1-0.05mm粒径物质含量(hnling)变化 无论高寒草原还是高寒草甸，其土壤表层结构在工程扰动前后的显著变化是粗砺化，粗砂及砾石含量显著增加，但细粒物质（粒度小于0.05 mm）含量没有明显变化规律，尤其对寒冻雏形土壤几乎没有变化。分析粒度介于0.1-0.05mm之间的物质组成变化，可以发现，无论高寒草原还是高寒草甸，在受到工程干扰后其表层土

21、壤中的细砂及粗粉砂类物质含量均不同程度减少，递减幅度(fd)在1.83-40.1%左右。 第20页/共26页第二十页，共26页。024681012乌丽楚玛河清水河不冻泉二道沟昆仑山有机质含量（g/kg)未干扰干扰迹地00.10.20.30.40.50.60.70.8乌丽楚玛河清水河不冻泉二道沟昆仑山全氮（g/kg)未干扰干扰迹地在工程强烈扰动后，经过20余年的自然恢复，高寒草原干扰迹地土壤的有机质、全氮含量显著低于未干扰草原土壤，有机质含量平均减少61.65%，最高减少幅度可达93.1%；全氮含量减少52.51%，最高减少幅度可达89.2%；同时，干扰迹地土壤有机质和全氮含量具有明显的空间分布

22、的相依性，有机质含量高（低）的区域，全氮含量也高（低）。尽管高寒草原干扰迹地土壤有机质与全氮含量明显低于未干扰草原土壤，但大部分地区其表层土壤现状(xinzhung)平均的有机质含量在2.0g/kg以上，全氮含量在0.2 g/kg以上，与干旱区主要草原土壤相当，其中在乌丽、不冻泉以及昆仑山南坡等地带，有机质与全氮含量高达4.0 g/kg和0.3 g/kg以上，接近未干扰自然寒冻干旱土壤的养分水平。 高寒(gohn)草原土壤养分含量变化第21页/共26页第二十一页，共26页。010203040506070风火山1风火山2温泉可可西里开心岭五道梁有机质（g/kg)未干扰干扰迹地00.511.522.533.5风火山1风火山2温泉可可西里 开心岭五道梁全氮（g/kg)未干扰干扰迹地高寒草甸生态系统土壤在工程扰动后，其养分含量显著减少，生境(shn jn)条件恶化。干扰迹地土壤有机质平均比未干扰寒冻雏形土壤少55.7%，全氮含量少50.3%。变化幅度略低于寒冻干旱土壤。现状(工程干扰20多年后)高寒草甸干扰迹地土壤有机质与全氮含量水平要明显高于未干扰寒冻干旱土壤养分含量的平均水平。高寒