加強(qiáng)長(zhǎng)江源氣候變化、生態(tài)演變等方面的基礎(chǔ)研究，從生態(tài)預(yù)警和生態(tài)修復(fù)等方面開(kāi)展科技攻關(guān)，讓江源保持綺麗壯觀風(fēng)光永續(xù)，生物多樣性永存
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雪山遍布、河湖波涌、草甸延綿。平均海拔超過(guò)4500米的長(zhǎng)江源區(qū)，風(fēng)景綺麗壯觀。其背后，則是十分復(fù)雜、脆弱的生態(tài)系統(tǒng)。這里植被和土壤的“表層肌膚”對(duì)維系江源生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)揮著重要作用。
為深入觀測(cè)研究江源植被和土壤，來(lái)自長(zhǎng)江科學(xué)院的青年科研團(tuán)隊(duì)近年來(lái)多次參加江源科考，深入江源腹地，探尋江源植被生態(tài)奧秘，開(kāi)展模擬升溫和徑流沖刷等試驗(yàn)，摸清植被退化和水土流失風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)和多種試驗(yàn)，聆聽(tīng)江源植被“言語(yǔ)”，為江源生態(tài)保護(hù)提供科研支撐。
探尋江源草甸奧秘
徒步穿越秦嶺考察植被分布、踏遍北京周邊山地尋找北柴胡，1982年出生的長(zhǎng)江科學(xué)院任斐鵬博士熱衷探究植物生態(tài)多樣性，在大學(xué)讀碩讀博期間足跡已遍及祖國(guó)大江南北。在他看來(lái)，地球表層的植被與土壤對(duì)外界環(huán)境變化十分敏感，能直觀反映生態(tài)環(huán)境的變化。
巍峨神圣的雪山、蜿蜒曲折的河道、草肥水美的濕地、地下厚厚的凍土、不時(shí)冒出的藏羚羊，這是任斐鵬2014年首次在長(zhǎng)江源參加科考時(shí)看到的壯麗場(chǎng)景。憑借環(huán)境地理學(xué)與生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域的長(zhǎng)期專(zhuān)業(yè)積累，讓他將目光鎖定在江源植被和土壤生態(tài)系統(tǒng)。
“如果將流域生態(tài)系統(tǒng)比作人體，植被和土壤如同人體的肌膚，為各種生物提供食物和棲息地。”任斐鵬說(shuō)，觀測(cè)和研究植物如同“聆聽(tīng)植被言語(yǔ)”，過(guò)程雖然艱辛枯燥，但通過(guò)大量信息讀取和比對(duì)，就能感知植被生態(tài)的環(huán)境偏好和健康狀態(tài)，尤其是在江源脆弱的生態(tài)環(huán)境中，植被依然豐富多樣，值得重點(diǎn)關(guān)注研究。
科考途中每到一個(gè)考察點(diǎn)，任斐鵬和隊(duì)友都會(huì)按照1米×1米、5米×5米的正方形面積，分別布設(shè)草地和灌叢調(diào)查樣方，詳細(xì)觀測(cè)每個(gè)樣方內(nèi)的植物組成、植株高度、物種多度、分蓋度和總蓋度等指標(biāo)，記錄土壤類(lèi)型、干擾程度、坡度和坡向等生境指標(biāo)。
夏日江源，漫山遍野是黃綠交織的草甸。身處其中，常會(huì)讓人產(chǎn)生來(lái)到北方茫茫大草原的錯(cuò)覺(jué)。“長(zhǎng)江源區(qū)的高寒草甸和內(nèi)蒙古等北方草原外觀看上去相似，在生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能上卻完全不同。”經(jīng)過(guò)多年科考觀測(cè)和對(duì)比研究，任斐鵬發(fā)現(xiàn)，我國(guó)北方廣大草原主要是以耐旱的針茅、羊草等禾本科植物為優(yōu)勢(shì)種。這些植物多能生長(zhǎng)至50厘米以上，因此能出現(xiàn)“風(fēng)吹草低見(jiàn)牛羊”等景象。
而長(zhǎng)江源區(qū)的高寒草甸則以高原嵩草和矮嵩草等抗寒、耐旱的莎草科植物為優(yōu)勢(shì)種，植株通常比較矮小，普遍低于20厘米。任斐鵬說(shuō)，江源地處高原，氣候寒冷，植物的生長(zhǎng)期也相對(duì)更短，一般5月底才返青，8月底就逐漸變黃。
土壤環(huán)境也是任斐鵬和隊(duì)友考察的重點(diǎn)。江源地處高原腹地，土壤發(fā)育過(guò)程緩慢。從調(diào)查來(lái)看，自青藏高原隆起至今，高寒草甸發(fā)育的土壤厚度多處調(diào)查點(diǎn)僅為15至20厘米，一旦遭受破壞，短期內(nèi)難以自然恢復(fù)。
觀測(cè)研究發(fā)現(xiàn)，江源地區(qū)植物附著生存的土壤，與北方草原也存在明顯區(qū)別。內(nèi)蒙古草原地區(qū)以黑鈣土、棕鈣土、荒漠土為主，土層較厚，腐殖質(zhì)多肥力足。江源地區(qū)土壤則以高山草甸土、草甸沼澤土、寒鈣土為主，土壤土層較薄，加上土壤發(fā)育緩慢、植被退化等，常導(dǎo)致土壤肥力不足。
大量?jī)鐾翆臃植际墙赐寥烙忠淮筇攸c(diǎn)。任斐鵬介紹，當(dāng)江源地區(qū)溫度降到零攝氏度以下，土壤中水分凝結(jié)成冰后將土壤凍結(jié)在一起，形成堅(jiān)硬的凍土層，江源地區(qū)很多土壤凍結(jié)期超過(guò)5個(gè)月。“水結(jié)冰后體積增大，因此土壤凍結(jié)會(huì)隆起形成丘狀地帶，破壞土壤結(jié)構(gòu)和植物根系，到了夏季升溫凍土消融，極易出現(xiàn)水土流失”。
將“實(shí)驗(yàn)室”搬上江源
高寒、高海拔地區(qū)被視為全球氣候變化的前哨站。江源地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，在全球二氧化碳排放增加情況下溫室效應(yīng)更加明顯，對(duì)溫度升高的響應(yīng)更為敏感而迅速。多年觀測(cè)結(jié)果顯示，過(guò)去數(shù)十年來(lái)長(zhǎng)江源地區(qū)氣溫呈現(xiàn)出波動(dòng)上升的趨勢(shì)，尤其是近20年來(lái)升溫速率明顯加快。長(zhǎng)江源區(qū)過(guò)去10多年來(lái)的年平均氣溫，比此前40多年平均氣溫上升了1.4攝氏度，升溫幅度是同期全球平均水平的兩倍。
植物作為維持江源生態(tài)健康的重要基礎(chǔ)，遇到升溫后會(huì)有哪些變化？近年來(lái)，任斐鵬和隊(duì)友孫寶洋一直在通過(guò)模擬增溫試驗(yàn)開(kāi)展研究。
“模擬增溫試驗(yàn)”是國(guó)際上觀測(cè)不同增溫狀態(tài)下植物生態(tài)系統(tǒng)變化的主要研究方式。這項(xiàng)試驗(yàn)通過(guò)在草地上安裝不同高度的溫箱，布設(shè)傳感器觀測(cè)箱內(nèi)溫度，模擬形成不同增溫條件，從而分析箱內(nèi)植被生態(tài)的相應(yīng)變化。
在位于青海省玉樹(shù)藏族自治州雜多縣的水利部長(zhǎng)江江源區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)野外科學(xué)觀測(cè)研究站——長(zhǎng)江科學(xué)院江源基地，《瞭望》新聞周刊記者看到，草地上豎立的15個(gè)六邊形溫箱被分為5組，高度在0.4米至1.20米間均等分布，加上自然草地對(duì)照組，共形成6組不同增溫幅度下的植被對(duì)比觀測(cè)樣方。
這些增溫箱是任斐鵬和隊(duì)友一塊設(shè)計(jì)制作，在2020年從武漢運(yùn)至雜多基地安裝的。“青藏高原晝夜溫差大、風(fēng)力強(qiáng)，還經(jīng)常出現(xiàn)大冰雹，國(guó)際上常用的增溫箱很難適用。”任斐鵬說(shuō)，結(jié)合江源氣候條件，他們自己動(dòng)手選材料、畫(huà)圖紙，先后試制5類(lèi)不同的模型，最終選擇用有機(jī)玻璃和不銹鋼等材料搭建溫箱。
根據(jù)溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，長(zhǎng)江源區(qū)多年平均氣溫零下1攝氏度情況下，不同高度的溫箱能實(shí)現(xiàn)不同幅度增溫。其中1.2米高的溫箱，能增溫約4攝氏度。任斐鵬和隊(duì)友一直維護(hù)溫箱，觀測(cè)箱內(nèi)草地生態(tài)系統(tǒng)，他們也被其他同事笑稱(chēng)為草地溫箱“奶爸”。
試驗(yàn)過(guò)程中意外總是不期而遇。2022年3月，一場(chǎng)大風(fēng)夾雜冰雹呼嘯而來(lái)，將兩個(gè)增溫箱玻璃砸出洞，受損嚴(yán)重。得知情況后，任斐鵬加班趕制溫箱修復(fù)材料，第一時(shí)間寄到雜多縣由前方工作人員幫忙替換，終于趕在植被復(fù)蘇發(fā)芽前將溫箱修復(fù)如初。
為研究不同植被覆蓋條件下江源地區(qū)土壤侵蝕規(guī)律與特征，任斐鵬和隊(duì)友長(zhǎng)江科學(xué)院博士孫寶洋在江源基地安裝了變坡水槽沖刷試驗(yàn)裝置。這套形似傳統(tǒng)水車(chē)的試驗(yàn)裝置，可以模擬分析坡度范圍在0至30度范圍內(nèi)不同水流速度對(duì)不同類(lèi)型土壤的侵蝕影響機(jī)制。
“高原的氣候條件在平原地區(qū)難以模擬，因此在江源地區(qū)開(kāi)展試驗(yàn)，能盡量保證環(huán)境、樣品與野外一致，相對(duì)精準(zhǔn)建立植被和土壤影響生態(tài)環(huán)境的聯(lián)系機(jī)制。”孫寶洋說(shuō)，他們科考中采集不同點(diǎn)位的高山草甸土、寒鈣土等原狀土樣，帶回基地開(kāi)展徑流沖刷試驗(yàn)。
白天奔波鏟土，夜晚回到基地開(kāi)展沖刷試驗(yàn)，高海拔、長(zhǎng)時(shí)間的缺氧工作，科考隊(duì)員常常身心俱疲，有時(shí)路上還會(huì)發(fā)生陷車(chē)、爆胎等情況，堅(jiān)持和放棄往往就在一瞬間。“高原試驗(yàn)條件艱苦，不確定性因素多。”任斐鵬說(shuō)，將“實(shí)驗(yàn)室”搬上江源，就得耐心堅(jiān)持，做好面臨各種挑戰(zhàn)、應(yīng)對(duì)各種突發(fā)的準(zhǔn)備，“堅(jiān)持過(guò)后，曙光就會(huì)在眼前”。
長(zhǎng)江科學(xué)院的科考隊(duì)員在長(zhǎng)江源區(qū)進(jìn)行科考工作（2022年7月26日攝） 肖藝九攝/本刊
升溫3攝氏度可能是臨界點(diǎn)
多年長(zhǎng)江源科考發(fā)現(xiàn)，受全球氣候變暖影響，近年來(lái)長(zhǎng)江源局部地區(qū)植被變化明顯，出現(xiàn)高寒草甸退化、水土流失加劇等隱患。任斐鵬和隊(duì)友在模擬增溫試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨氣溫升高，溫箱觀測(cè)樣方內(nèi)的禾本科植物高度明顯增加，俗稱(chēng)為“斷腸草”的狼毒等毒雜草有所增多，鼠害干擾明顯增強(qiáng)。
作為江源常見(jiàn)的禾本科植物代表，老芒麥對(duì)溫度變化反應(yīng)非常敏感。孫寶洋介紹，在露天情況下，老芒麥夏季平均高度約72厘米，試驗(yàn)中隨著溫箱內(nèi)溫度增加，老芒麥也逐步長(zhǎng)高，“在1.2米高的溫箱中，老芒麥最高能長(zhǎng)到1.2米，這在江源自然環(huán)境中很少能見(jiàn)到。”
“老芒麥等植物高度增加，必將影響周邊低矮植物生長(zhǎng)環(huán)境，甚至可能打破原有植物群落的種間關(guān)系。”任斐鵬介紹，生物多樣性削弱后，尤其是高原嵩草等控制水土流失，維持生態(tài)穩(wěn)定重要物種受到威脅，將對(duì)群落結(jié)構(gòu)、功能和微環(huán)境產(chǎn)生重要影響。
經(jīng)過(guò)連續(xù)3年的模擬增溫試驗(yàn)原位觀測(cè)，任斐鵬分析相關(guān)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增溫幅度小于3攝氏度的情景下，監(jiān)測(cè)樣方內(nèi)的物種數(shù)量和群落優(yōu)勢(shì)種沒(méi)有明顯變化，當(dāng)增溫幅度達(dá)到或大于3攝氏度時(shí)，高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了明顯變化，“升溫越高，監(jiān)測(cè)樣方內(nèi)的植被覆蓋度下降越大，生物多樣性和物種密度下降趨勢(shì)更加明顯”。
聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)2022年2月發(fā)布的第六次評(píng)估報(bào)告指出，在“中等變暖水平（3.2攝氏度）”條件下，面臨滅絕風(fēng)險(xiǎn)的物種數(shù)量顯著增多，比如無(wú)脊椎動(dòng)物、兩棲動(dòng)物和有花植物。“江源科考的‘模擬增溫試驗(yàn)’觀測(cè)結(jié)果，與這一結(jié)論能夠相互佐證。”任斐鵬說(shuō)，因此升溫3攝氏度可能是長(zhǎng)江源區(qū)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)退化的“臨界點(diǎn)”。
植被退化將帶來(lái)一系列生態(tài)連鎖反應(yīng)。“在高寒草地坡面，植物根系就像是固結(jié)土壤的‘織網(wǎng)’。”任斐鵬說(shuō)，隨著氣溫升高、凍土消融，土壤中的水分流出，地表植被在重力作用下沉降往往會(huì)引發(fā)植被和土壤退化，破壞整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。
在模擬徑流沖刷試驗(yàn)中，任斐鵬和孫寶洋根據(jù)土壤附著植被輕度、中度、重度退化三種類(lèi)型對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著植被退化程度加深，徑流沖刷作用下的土壤分離速率呈幾何級(jí)數(shù)遞增，“這說(shuō)明植被覆蓋度越低的土壤，平均分離速率越大，模擬實(shí)驗(yàn)顯示，在相同水流功率條件下，長(zhǎng)江源土壤分離速率大于西南及黃土高原地區(qū)”。
高寒草甸及土壤，附著在高原高寒凍土之上，形成時(shí)間異常漫長(zhǎng)。如果平原地區(qū)形成1厘米土壤需要100年，江源地區(qū)則需要200年以上。孫寶洋說(shuō)，如果植被持續(xù)退化，江源地區(qū)水土流失加劇，長(zhǎng)江江水含沙量也將明顯增加，當(dāng)?shù)鼐用窈蛣?dòng)植物的生存環(huán)境將會(huì)惡化。
保護(hù)江源生態(tài)，維持植被生態(tài)系統(tǒng)健康是關(guān)鍵。任斐鵬表示，未來(lái)他們還將開(kāi)展持續(xù)監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確把握高寒草甸植被生態(tài)系統(tǒng)演變過(guò)程及響應(yīng)特征。“江源保護(hù)還需要加強(qiáng)江源氣候變化、生態(tài)演變等方面的基礎(chǔ)研究，從生態(tài)預(yù)警和生態(tài)修復(fù)等方面開(kāi)展科技攻關(guān)，讓江源綺麗壯觀風(fēng)光永續(xù)，生物多樣性保持永存”。（文 |《瞭望》新聞周刊記者 李勁峰 陳杰）
