內(nèi)蒙古錫林郭勒草原半干旱草原土壤植被大氣相互作用igrass計(jì)劃

內(nèi)蒙古錫林郭勒草原半干旱草原土壤植被大氣相互作用igrass計(jì)劃

1.2錫林河錫林物亞型綜合觀測選定的實(shí)驗(yàn)區(qū)位于西林河流域及其周邊地區(qū)。有關(guān)該區(qū)域的詳細(xì)情況可參考文獻(xiàn)。在IMGRASS計(jì)劃的介紹論文中我們也已作了介紹,在本文中再給予概括如下:(1)地理狀況:中心實(shí)驗(yàn)區(qū)所在的錫林河流域地處內(nèi)蒙古高原東部,東接大興安嶺西麓低山丘陵地區(qū),南接昭盟玄武巖高原,地理坐標(biāo)跨43°26′～44°39′N,115°32′～117°12′E,面積10000多km2。區(qū)域東南高西北低,從海拔1500m降至900m。地形多為多山丘陵,坡度較緩,相對(duì)高差低山不大于300m,丘陵30～150m。實(shí)驗(yàn)區(qū)中還有鹽堿地和風(fēng)沙帶。這是具有中等復(fù)雜性的地形地貌。區(qū)域內(nèi)有總長為175km的內(nèi)陸河錫林河,從東南山麓發(fā)源向西北流向并消失,年平均流量為23.5×106m3,流域面積不足4000km2。實(shí)驗(yàn)區(qū)東南有達(dá)里諾爾湖,面積約為1.68km2,是區(qū)內(nèi)唯一較大的湖泊。實(shí)驗(yàn)區(qū)土壤總體具有地帶性,從東南向西北由黑鈣土、暗栗鈣土、淡栗鈣土逐漸過渡。這一過渡與本區(qū)氣候分布相一致,即從東南濕潤、相對(duì)低溫向西北干旱、相對(duì)高溫的過渡。本區(qū)土壤的一個(gè)重要特點(diǎn)是存在較淺鈣積層,在一般降水年份鈣積層的存在使土壤淺層水與深層水相隔離,從而在考慮該區(qū)域的水平衡時(shí),一般可以不考慮深層水的作用。但這一結(jié)論可能并不適用于特大豐水年的情況,這時(shí)鈣積層可能被融化,從而可能形成淺層水向深層的輸送。我們在1998年的觀測中在觀測點(diǎn)上就發(fā)現(xiàn)了這一情況(見下文)。(2)氣候狀況:該區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,冬季嚴(yán)寒漫長,年平均氣溫僅1℃,氣溫年較差與日較差均大,有長日照。降水集中于6—8月,占年降水60%～75%,降水的年際變化極大,比值達(dá)3.8,年降水量從東南的350mm降至西北不足250mm,氣溫則從西北向東南遞增,春季大風(fēng)日多,平均沙塵暴日為8.4d,但與降水一樣,沙塵日數(shù)與強(qiáng)度有很強(qiáng)的年際和甚至年代際變化。(3)植被分布:實(shí)驗(yàn)區(qū)的主體處于典型草原帶內(nèi),東邊有草甸草原,西北部則臨荒漠草原帶,區(qū)內(nèi)有錫林河流經(jīng),南部有渾善達(dá)克沙地疏林草原。植被類型具有多樣性和復(fù)雜性。區(qū)內(nèi)天然植被占總土地面積的96.4%,其中草地植被約占90%,表1列出該區(qū)3個(gè)主要植被亞型的生境特征?？梢钥闯?植被類型與氣候、土壤、河流分布密切相關(guān),該區(qū)植被的生產(chǎn)力由于水熱同季,相對(duì)較高。生產(chǎn)力與降水量有密切關(guān)系。另一個(gè)重要特征是地下生產(chǎn)力較地上生產(chǎn)力大很多。這對(duì)了解該區(qū)的碳循環(huán)有重要價(jià)值。(4)人類活動(dòng)影響:該區(qū)域在1950年以前基本無人類活動(dòng),1950年居民為20人,而目前已有10000人以上。草原的載蓄量迅速增加,草地農(nóng)墾亦有一定規(guī)模,已經(jīng)構(gòu)成對(duì)草原退化和沙化的嚴(yán)重壓力。到20世紀(jì)90年代末期,草原和渾善達(dá)克沙地的生態(tài)退化已經(jīng)極為嚴(yán)重,并成為華北春季沙塵災(zāi)害的新的重要威脅。1.3觀測資料與觀測方案從需要和實(shí)際可能結(jié)合,我們選擇錫林浩特以東和以南地位的白音錫勒牧場及周圍區(qū)域作為中尺度站網(wǎng)的主要設(shè)置區(qū)域,適當(dāng)考慮區(qū)域覆蓋的拓寬,為此在錫林浩特西、北地區(qū)和達(dá)來諾爾附近設(shè)置觀測點(diǎn)。在各類觀測點(diǎn)中保證有4個(gè)核心站,即在這些站上可獲得較完整的模式發(fā)展所需要的資料,這4個(gè)站又盡可能設(shè)在區(qū)域的近邊界地點(diǎn)和植被有代表性的地點(diǎn)。為了獲得衛(wèi)星資料反演驗(yàn)證所需要的地面觀測資料,適當(dāng)增加了輻射測站。設(shè)計(jì)中的觀測點(diǎn)安排見圖1。經(jīng)過1997年7月最后一次選點(diǎn)考察,最終中尺度實(shí)驗(yàn)由4個(gè)主要的土壤-植被-大氣邊界層綜合測量點(diǎn)、3個(gè)自動(dòng)氣象站、利用錫林浩特常規(guī)探空和低空探空點(diǎn)、約25個(gè)降雨自記點(diǎn)、l個(gè)雙波長測雨雷達(dá)站、若干項(xiàng)特殊觀測組成。在中尺度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫構(gòu)成中還會(huì)有鄰近區(qū)域的常規(guī)氣象資料,包括觀測期間該區(qū)域的極軌和同步氣象衛(wèi)星的觀測資料。觀測的時(shí)段為1998年5月初至8月底,代表一個(gè)完整的生長季節(jié)。在此期間,選擇3個(gè)時(shí)段進(jìn)行加強(qiáng)期觀測,分別代表生長初期(5月)、盛期(7月)和成熟期(8月)。加強(qiáng)期的觀測將提供中尺度和其他模式的較為完整的驗(yàn)證。實(shí)際上,IMGRASS計(jì)劃中還包括個(gè)別站點(diǎn)多要素的長期監(jiān)測。中尺度綜合實(shí)驗(yàn)觀測點(diǎn)選擇如下:(1)土壤-植被-大氣邊界層綜合測量點(diǎn)選擇。從區(qū)域覆蓋、植被類型的要求出發(fā),結(jié)合后勤支持的可能條件,我們選擇圖1中#1～#4,4個(gè)站點(diǎn),分別位于實(shí)驗(yàn)區(qū)的4個(gè)方向,代表自然狀況保持完好的羊草草原(#1七分場)、具有多樣性代表性的典型草原(#2定位站)、沙帶稀樹草原(#3烏日圖)、干草原(#4,白音蘇木,典型草原中的干旱類型)。在這些點(diǎn)上開展了系統(tǒng)的土壤理化要素、土壤水分和溫度、植被生理和生產(chǎn)力、地-氣間的水、熱、動(dòng)量和輻射通量、大氣和地表輻射、地表和大氣邊界層氣象等要素的綜合觀測。(2)探空和低空探空。除錫林浩特常規(guī)探空站外,在七分場上開展了低空探空,在烏日圖開展微型GPS導(dǎo)航飛機(jī)的低空探空,以獲得加強(qiáng)期對(duì)流層中下部的氣象場。(3)自動(dòng)氣象站輔助點(diǎn)。由于實(shí)驗(yàn)區(qū)中等復(fù)雜的地形和明顯的高度、植被類型、溫度、降水的梯度,為獲得盡可能真實(shí)的地表氣象場,除邊界層觀測點(diǎn)外,在區(qū)域內(nèi)增加布設(shè)3個(gè)自動(dòng)氣象站,以獲得溫、濕、壓、風(fēng)、地溫、輻射、降雨等地面氣象數(shù)據(jù)。(4)區(qū)域雨量自記儀站網(wǎng)。為獲得區(qū)域內(nèi)的雨量和雨強(qiáng)分布,將布置以3條線為主的雨量自記儀網(wǎng),即沿張家口—錫林浩特南北向公路沿線,從阿巴嘎旗—白音錫勒牧場7分場的東西一線,從實(shí)驗(yàn)區(qū)東南角嘎松山向西北錫林浩特之間靠近錫林河沿岸一線。由此了解降雨分布與地形、植被中尺度分布的關(guān)系。(5)測雨雷達(dá)站。在灰騰河站架設(shè)X/C雙波長測雨雷達(dá),以觀測實(shí)驗(yàn)區(qū)100～150km內(nèi)的降雨分布,以此與雨量自記儀網(wǎng)配合,形成實(shí)驗(yàn)區(qū)降水強(qiáng)度的較高密度的測量。(6)土壤、植被參數(shù)和碳氮循環(huán)的測量。在每個(gè)綜合測量點(diǎn)建立相應(yīng)的土壤水分垂直分布、植被生理參數(shù)、葉面積指數(shù)、生物量等配套測量。此外,在各典型植被區(qū)域,如羊草樣地、大針茅樣地、退化草場等地開展溫室氣體排放和有關(guān)碳循環(huán)的測量。(7)特殊觀測。為了解該區(qū)域的大氣氣溶膠、大氣水汽和云水、地表(雙向)反射率,為衛(wèi)星遙感反演地表和大氣參數(shù)、大氣輻射傳輸?shù)忍峁┒坑喺c驗(yàn)證根據(jù),我們先后開展了一系列大氣和地表的光譜測量。對(duì)氣溶膠還建立了直接的采樣分析。2綜合觀測和總結(jié)明史的例子2.1植被反射/熱輻射的觀測1998年5—8月IMGRASS綜合觀測在試驗(yàn)區(qū)執(zhí)行。在此期間我們選擇了3個(gè)加強(qiáng)期(每個(gè)約7～10d)進(jìn)行集中觀測,包括地氣通量和邊界層探空。其余期間有自動(dòng)氣象站、降雨雷達(dá)與雨量自記進(jìn)行連續(xù)觀測,土壤水分與草原植被參數(shù)則是每隔10d定期采樣觀測。針對(duì)衛(wèi)星觀測資料反演中地面驗(yàn)證的要求,我們還開展了太陽直射和大氣散射光譜測量、草地植被的偏振反射特性測量,紅外波段草地地表雙向反射/熱輻射測量等。1998年夏秋季在該地區(qū)屬多雨年,雨日偏多,雨量超過多年平均值30%。作為中尺度綜合觀測的過程分析資料,其價(jià)值與其他年份應(yīng)無重大區(qū)別,但作為年度的統(tǒng)計(jì)氣候分析而言,則需要注意其作為多雨年而非平均年的代表性。在隨后的1999年和2000年,按照研究計(jì)劃安排,也進(jìn)行了部分觀測,而該2年則屬于干旱年份。值得注意的是,2000年4月6日,來自錫林郭勒草原與渾善達(dá)克沙地的沙塵暴構(gòu)成了近年來影響京津地區(qū)最強(qiáng)的一次沙塵暴事件,反映出該地區(qū)草原生態(tài)環(huán)境的惡化。為此,以沙塵與生態(tài)環(huán)境為目標(biāo),在2001年春在渾善達(dá)克沙地開展了觀測研究,取得了包括沙塵粒子理化性能在內(nèi)的觀測資料,并與北京的觀測聯(lián)系對(duì)比。以下將給出綜合觀測期間及其他年份相關(guān)觀測所得的示例和初步分析。2.2日基本信息圖3給出定位站典型草原邊界層日變化的一個(gè)個(gè)例(1998年8月20日)。可以從中清晰看出邊界層溫度層結(jié)的變化過程。在近地表至離地200m,日變化振幅分別達(dá)到16℃和8℃。而離地300m以上直至觀測最高點(diǎn)900m處等溫分布,日變化振幅圍約6℃,各高度呈同步變化。逆溫的建立與消失分別出現(xiàn)于約19時(shí)和09時(shí),而逆溫發(fā)展最高高度約400m,強(qiáng)度達(dá)約8.5℃,呈單層逆溫型,這是由于草地地面相對(duì)均勻形成的。圖4是在沙地草原站烏日圖用GPS導(dǎo)航微型飛機(jī)所測1998年5月26日早中晚3次飛行探空的結(jié)果。該日早上有云,云底離地約400m,中午消散,近地層出現(xiàn)很強(qiáng)的超絕熱層結(jié),而在其上層結(jié)穩(wěn)定,相對(duì)濕度線性增加。注意到該日風(fēng)速在離地約1200m高度出現(xiàn)從早上8m/s到中午大于16m/s風(fēng)速變化。用系留氣球既不可能進(jìn)入云內(nèi)探測,更不可能在16m/s風(fēng)速下測量,而微型飛機(jī)實(shí)現(xiàn)了這類在內(nèi)蒙草原經(jīng)常出現(xiàn)的較強(qiáng)風(fēng)天氣下的邊界層探測。有關(guān)半干旱草原大氣邊界層日變化的中尺度實(shí)驗(yàn)?zāi)M將在另文介紹。2.3土壤水分與植被類型的關(guān)系按照IMGRASS計(jì)劃在4個(gè)加強(qiáng)觀測點(diǎn)土壤水分的定期測量。由于以往對(duì)典型草原的土壤水分情況已有了不少的研究,這里介紹以往缺少研究的渾善達(dá)克沙地土壤水分狀況的觀測分析。詳細(xì)分析見陳有君等。渾善達(dá)克沙地是風(fēng)積沙覆蓋在高平原上的東西伸展的沙地。從東部的草甸草原向西伸展到荒漠草原,長度達(dá)260km,南北寬約50～100km。沙地內(nèi)部由于其原始地表的復(fù)雜性,存在著風(fēng)成沙丘與丘間低地(塔拉),并有大小不等的湖泊。沙地內(nèi)土壤類型多樣,包括沙質(zhì)草甸土和風(fēng)沙土以及半固定流動(dòng)半流動(dòng)沙丘。相應(yīng)地植被類型也極為多樣,包括稀疏樹木、灌叢、草甸、直至流動(dòng)半流動(dòng)沙丘上的一年生先鋒植被群落。研究組在沙地中部烏日圖作2條分別為東北—西南和北—南走向的樣線,長度各約1000m,跨越代表性地表類型,在5～9月每10d進(jìn)行一次地表至110cm,分成9層的土壤水分測量,并作相應(yīng)植被調(diào)查,由此獲得了沙地內(nèi)各典型地表類型的土壤分布特征。表2列出了幾個(gè)地形部位的平均土壤水分及其離散度,即空間不均勻性。從測量結(jié)果可以看出,土壤水分是按丘間低地、北坡、丘頂、南坡依次降低。值得注意的是北坡各點(diǎn)的土壤水分隨坡度的變化表現(xiàn)為當(dāng)坡度小于10°時(shí),水分隨坡度增加而減小,而當(dāng)坡度大于15°時(shí),水分隨坡度增加而增大。這顯然與北坡日照與其坡度大小有關(guān),當(dāng)坡度小時(shí),直接日照起重要作用,而坡度大于15°時(shí),在此緯度區(qū)北坡不再有直接日照,這可能是水分隨坡度增大的一個(gè)可能因素。土壤水分與植被蓋度與植被類型的相關(guān)測量與調(diào)查也發(fā)現(xiàn)其間有密切的相關(guān)性。土壤水分與植被蓋度有明顯的正相關(guān),即蓋度大的地點(diǎn)土壤水分大,但對(duì)低地和沙丘兩者表現(xiàn)出不同的定量關(guān)系。低地表層土壤水W(%)與植被蓋度P之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系為W=3.88exp(1.66P),R2=0.454,而對(duì)沙丘則有W=-4.65P2+11.59P+4.79,R2=0.372。而更值得注意的是各類地形、土壤含水量與植被類型有密切的相關(guān)性。例如低地草甸植被,表層土壤含水平均為18%,高沙丘北坡生長灌叢,表層土壤水達(dá)平均12%左右。沙丘南坡生長冷蒿等,土壤水分平均7%。半流動(dòng)風(fēng)沙土上生長斑塊狀沙蒿等,表層水為4%。上述結(jié)果為利用遙感植被與遙感土壤水分提供了一個(gè)很好的相關(guān)分析手段。對(duì)沙地中一個(gè)低沙丘沙蒿群落點(diǎn)的土壤水分在整個(gè)生長季節(jié)的動(dòng)態(tài)分析表明,該沙地生長前期土壤較干,隨后在波動(dòng)中上升,8月中旬達(dá)到最高,隨后下降,直至9月。各層土壤水的動(dòng)態(tài)特征在此總趨勢下仍有明顯差異,以表層土變動(dòng)最大,而以20～50cm層在6月中下旬達(dá)極低值,這顯然與植被根系在此深度的吸水有關(guān)。在底層土70～110cm,9月份含水明顯高于5月初,這一動(dòng)態(tài)與草原的降水周期有關(guān)。2.4土體水分增長迅速,水分滲漏嚴(yán)重1998年降雨量達(dá)到近25年來的最大值,由此打破了草原定位站自建站以來從未觀測到土壤水向2m以下深度土滲漏的記錄,多雨使阻擋水下滲的鈣積層出現(xiàn)了滲漏。在定位站由蒸滲儀所測土壤水動(dòng)態(tài)和滲漏速率進(jìn)展表明1998年2m以下出現(xiàn)滲漏(圖6),使2m土體水分在生長季末反而虧損了30mm(牛海山等,私人通信)。這一測量表明在考慮干旱和一般降水年的土壤水平衡時(shí),不必考慮深層水滲漏,但對(duì)極端多降水年時(shí)則需考慮這一問題。2.5最大輻射和反射輻射的季節(jié)和月際變化圖7為定位站所測輻射通量的典型情況。其中圖7a,b分別是2典型晴天的日變化曲線,包括總?cè)肷漭椛?、反射輻射、凈輻射和土壤熱通?可以看出總輻射和反射輻射存在于4～21h的長時(shí)段,而典型草原上反射輻射占總輻射約20%,6月2日其值較5月20日為小,這是由于植被生長的原因。圖5c則給出5月20日～9月8日之間若干典型晴天中午的各分量值?？梢钥闯?月初以前總輻射較其后大,而反射輻射與總輻射之比8～9月低于前期,凈輻射則以7月為最強(qiáng),而熱通量則以7月以后為強(qiáng),這既與太陽入射有關(guān),也與土壤因降水而產(chǎn)生的導(dǎo)熱率變化有關(guān)。2.6從群落測定看植被反射系數(shù)的成像(1)不同生長狀況草地的反射率譜分布的地基測量:圖8給出了1998年6月晴天分別在定位站退化草地和羊草封育樣地用10波段光度計(jì)所測的草地反射率譜,包括相對(duì)于太陽主平面的前向和后向45°測量?？梢钥闯?兩類草地在可見光段差別較小,而在近紅外段有重大差別,羊草樣地的反射率遠(yuǎn)高于退化草地,反映出羊草樣地植被生長遠(yuǎn)好于退化草地。另一方面,羊草樣地的前后向反射率差異小于退化草地,反映出羊草樣地蓋度大且分布相對(duì)均勻,而退化草地蓋度小且分布非均勻,造成前后向測量的陰影效應(yīng)差異明顯。(2)草地在可見/近紅外波段偏振反射特性的測量:偏振作為電磁波除強(qiáng)度以外的本質(zhì)性信息,是人們利用電磁波與物質(zhì)相互作用來進(jìn)行探測與遙感的重要信息。以往的研究表明植被對(duì)入射陽光的反射中包含著部分偏振成分,這部分反射光是葉表面的鏡面反射,另一部分為非偏振的多次散射/反射光。由此可以利用分離偏振與非偏振反射光了解植被葉面與冠層的更多信息。由于偏振測量要求較高的技術(shù),已有的國際測量結(jié)果不多,較多地集中于農(nóng)作物,而對(duì)自然草地極少測量。為了解典型草原草地植被的偏振反射特性,我們在晴天條件下利用多波段偏振光度計(jì)對(duì)羊草草地樣方和苔草草地樣方進(jìn)行了不同視角下總反射系數(shù)和偏振反射系數(shù)的測量。表3列出羊草樣方紅光(0.7μm)和近紅外(0.8,0.9μm)上的(總)反射系數(shù)和偏振反射系數(shù)和測量值?？梢钥闯?在紅色波段和近紅外波段上,羊草的總反射系數(shù)表現(xiàn)出重大差別,反映出植被反射率譜的典型特性。而在偏振反射系數(shù)上,并未表現(xiàn)出象總反射率那樣的重大差別,而均表現(xiàn)出較低的值。與其他作者對(duì)農(nóng)作物的測量比較,羊草的偏振反射系數(shù)更低。這表明草葉的鏡面反射貢獻(xiàn)更小,而光輻射與葉內(nèi)部的相互作用更強(qiáng)。圖9為對(duì)苔草樣方觀測經(jīng)分析處理后所得總反射、偏振反射、漫反射和鏡反射系數(shù)隨波長的變化。清楚地反映出植被非偏振、漫反射表現(xiàn)的強(qiáng)波長依賴關(guān)系,同樣看出偏振反射和鏡反射隨波長的弱依賴性。這樣的測量結(jié)果有利于在空間對(duì)地觀測中利用偏振測量遙感大氣氣溶膠,因?yàn)檫@時(shí)的衛(wèi)星偏振測量信息中可基本不考慮草地植被的貢獻(xiàn)。而從地基的遙感測量而言,偏振反射系數(shù)的變化還可與草地植被的生長情況相聯(lián)系,構(gòu)成新的植被要素的遙感原理。(3)草原歸一化植被指數(shù)(NDVI)與葉面積指數(shù)(LAI)的衛(wèi)星遙感:利用NOAA、AVHRR資料推算NDVI是反映區(qū)域植被生長狀況的通用手段,利用NDVI分布進(jìn)一步反演植被葉面積指數(shù)也是一個(gè)可行的途徑。這兩種了解區(qū)域性植被生長情況的衛(wèi)星遙感方案均需要所測區(qū)域?qū)崪y資料的校準(zhǔn)。在IMGRASS實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了多個(gè)點(diǎn)的植被參數(shù)測量,因而可以獲得經(jīng)地面校準(zhǔn)的區(qū)域NDVI和LAI的分布。圖10給出一個(gè)NDVI和LAI的反演示例?？梢钥闯鲈囼?yàn)區(qū)內(nèi)及周圍區(qū)域植被生長情況明顯的不均勻性。在本計(jì)劃中,還試驗(yàn)利用多時(shí)相AVHRR資料和地面氣象與地表測量資料,在熱平衡和熱慣性原理支持下遙感反演草地碳同化率,獲得了初步成功,詳情可參見文獻(xiàn)。2.7觀測要素?cái)?shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)以1998年IMGRASS中尺度綜合實(shí)驗(yàn)的多點(diǎn)多要素地面觀測數(shù)據(jù)為主體,我們已經(jīng)建立了IMGRASS實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)采用WindowsNT平臺(tái)的SQLServer結(jié)構(gòu),可以用專用軟件或直接由互聯(lián)網(wǎng)訪問數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫中存有經(jīng)過初步質(zhì)量檢驗(yàn)的各種觀測數(shù)據(jù)供調(diào)用,對(duì)于一些時(shí)間序列或垂直分布的要素變化有圖形顯示輔助分析。所建數(shù)據(jù)集包括如下幾類:(1)大氣要素:自動(dòng)氣象站觀測,邊界層系留氣球探空,微型飛機(jī)探空,低空探空,大氣與地表多波段輻射,降水分布,大氣氣溶膠測量。(2)地氣交換通量:地表湍流溫度,風(fēng)脈動(dòng)記錄,波文比,N2O,CH4,CO2通量。(3)土壤與植被測量:土壤溫度,土壤濕度,土壤微生物,植物群落調(diào)查,葉面積指數(shù),生物量,地表反射率。此外,部分相關(guān)的區(qū)域氣象資料和衛(wèi)星資料和微型飛機(jī)航拍資料亦將收集其中。以上IMGRASS數(shù)據(jù)庫將向國內(nèi)外研究人員提供作進(jìn)一步研究。3陸氣相互作用研究對(duì)計(jì)劃目標(biāo)的影響本文介紹了國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“內(nèi)蒙古半干旱草原土壤-植被-大氣相互作用(IMGRASS)”計(jì)劃的科學(xué)目標(biāo)、計(jì)劃執(zhí)行與部分觀測與初步分析示例,初步結(jié)論如下:(1)IMGRASS是以全球變化陸氣相互作用研究為中心目標(biāo),選擇了對(duì)全球和我國具有區(qū)域代表性并對(duì)可持續(xù)發(fā)展有重要意義的中緯半干旱草原作為研究對(duì)象,以內(nèi)蒙古錫林郭勒典型草原為重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)區(qū),開展了區(qū)域內(nèi)代表性地點(diǎn)的土壤、植被、綜合觀測,并配合長期監(jiān)測,獲得陸-氣相互作用過程與定量化的多學(xué)科基礎(chǔ)資料。由于國際上尚未給出這一類代表地區(qū)的測量研究,這一工作將為全球變化的中緯半干旱草原區(qū)研究提供新的基礎(chǔ)。(2)IMGRASS計(jì)劃在科學(xué)目標(biāo)與研究計(jì)劃實(shí)施中強(qiáng)調(diào)陸-氣相互作用不同時(shí)空尺度的多個(gè)方面,即以陸氣相互作用中的水份循環(huán)、能量循環(huán)等物理過程為基礎(chǔ),同時(shí)強(qiáng)調(diào)了植被、土壤與大氣之間的溫室氣體收支和相關(guān)的生物地球化學(xué)循環(huán),還充分考慮了人類活動(dòng)造成的草原退化的效應(yīng),因此這一計(jì)劃將為全球變化的下一階段深入研究創(chuàng)造一定條件。(3)本文中簡單介紹了IMGRASS地面觀測以及衛(wèi)星遙感的一些個(gè)例以及數(shù)據(jù)庫情況,為國內(nèi)外同行研究者進(jìn)一步利用這些觀測結(jié)果提供示例。有關(guān)與全球與區(qū)域變化及人類活動(dòng)作用過程的一些研究結(jié)果將在另文中介紹。IMGRASS計(jì)劃的準(zhǔn)備與執(zhí)行得到了國內(nèi)外許多科學(xué)家的關(guān)心和支持。在籌備和預(yù)試驗(yàn)階段得到了葉篤正院士的支持和指導(dǎo),美國的Dr.K.N.Liou(廖國男UCLA),Dr.E.Smith(FSU)、Dr.J.Businger(NCAR)、Dr.M-DChu(NASA/Goddard)、Dr.Brutsaert(CornellU.)、荷蘭Dr.P.Kabat等對(duì)計(jì)劃科學(xué)目標(biāo)的制訂提出了寶貴的意見。本項(xiàng)研究計(jì)劃是國家自然科學(xué)基金委地球科學(xué)部和生命科學(xué)部聯(lián)合支持下開展的,在整個(gè)過程中林海研究員和陸則慰研究員特別就科學(xué)目標(biāo)和計(jì)劃實(shí)施提出了寶貴意見。以孫鴻烈、丑紀(jì)范兩位院士為首的IMGRASS項(xiàng)目評(píng)審專家組對(duì)項(xiàng)目的目標(biāo)與執(zhí)行提出了重要的指導(dǎo)意見。中尺度觀測計(jì)劃執(zhí)行中得到了錫林郭勒盟政府的大力支持。中國科學(xué)院內(nèi)蒙古草原定位站提供了重要的研究基礎(chǔ)和后勤支持。本項(xiàng)計(jì)劃的實(shí)施是由中國科學(xué)院大氣物理研究所、植物研究所、地理研究所、蘭州高原大氣研究所、北京大學(xué)、內(nèi)蒙古大學(xué)、北京氣象學(xué)院的幾十位科技工作者共同執(zhí)行的。在此未能一一列名,特此致謝。0引言全球變化研究是20世紀(jì)80年代中期以來國際地球和生命科學(xué)界共同關(guān)注的研究前沿和科學(xué)攻堅(jiān)方向之一。在全球已經(jīng)形成了以三大計(jì)劃(WCRP,IGBP,IHDP)為總體框架的全球變化研究計(jì)劃,并在執(zhí)行中對(duì)總體目標(biāo)與各項(xiàng)具體核心研究計(jì)劃的構(gòu)成進(jìn)行協(xié)調(diào)。從全球變化研究開展以來,可以看出的突出的一點(diǎn)是,科學(xué)界更為強(qiáng)調(diào)氣候、環(huán)境、生態(tài)和人類活動(dòng)之間高度復(fù)雜的相互作用和對(duì)人類活動(dòng)引起的全球變化過程的干預(yù)作用。這些相互作用及其人類活動(dòng)干預(yù)體現(xiàn)于地球系統(tǒng)的各層圈之間的各種過程。其中的陸面過程,即水文過程和土壤植被大氣相互作用及其對(duì)全球和區(qū)域的氣候、環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)各自的響應(yīng)和反饋是最基本的前沿問題之一。在全球變化研究的各核心計(jì)劃中,WCRP/GEWEX、IGBP/BAHC以及IHDP/LUCC3個(gè)核心計(jì)劃均與此密切相關(guān)。各國和國際合作在十幾年來已經(jīng)執(zhí)行了以上述3個(gè)核心計(jì)劃之一為主的大量實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。我國科學(xué)界對(duì)此也已有積極的投入,其中HEIFE計(jì)劃對(duì)西北地區(qū)黑河流域沙漠、戈壁、綠洲的陸氣相互作用進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。陸氣相互作用研究的重要特點(diǎn)是陸地地表的不同氣候生態(tài)類型在相互作用的過程與陸氣交換量的強(qiáng)度與季節(jié)變化方面有巨大的差別。因此,需要在具有代表性的各類陸地生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域進(jìn)行野外實(shí)驗(yàn),以取得對(duì)過程的認(rèn)識(shí)和和交換量的模式參數(shù)化。中緯半干旱草原是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要類型之一,在我國也是主要的地表類型之一。從東北、內(nèi)蒙到西北廣大地區(qū)均有分布,同時(shí)又是我國少數(shù)民族和邊疆區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)關(guān)注地區(qū)。由于人口的急劇增長,不合理的農(nóng)墾和嚴(yán)重的過牧已經(jīng)造成草原生態(tài)系統(tǒng)的退化。在全球變暖的大背景下,這種人類活動(dòng)干預(yù)所造成的生態(tài)惡化更為嚴(yán)重,并引發(fā)新的沙塵暴源和更頻繁的沙塵環(huán)境災(zāi)害。這類現(xiàn)象不僅在我國,在許多發(fā)展中國家所處的中緯半干旱草原開發(fā)中均有類似情況。因此,對(duì)這類地區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)研究,是全球變化中的重要問題之一。在國家自然科學(xué)基金委員會(huì)支持下,針對(duì)上述需求,開展了“內(nèi)蒙古半干旱草原土壤植被大氣相互作用(IMGRASS)重大項(xiàng)目研究,選擇內(nèi)蒙古錫林郭勒草原作為開展中緯半干旱草原氣候生態(tài)相互作用的研究實(shí)驗(yàn)基地。由于該區(qū)域已有中國科學(xué)院草原生態(tài)定位站科學(xué)工作者有關(guān)草原生態(tài)較長期的野外觀測,建立了良好的研究和科研支持的條件,使這一項(xiàng)目的開展得以順利進(jìn)行。半干旱草原氣候生態(tài)相互作用包括著多種物理化學(xué)生物學(xué)過程和多個(gè)時(shí)空尺度,就錫林郭勒草原(包括渾善達(dá)克沙地)區(qū)域而言,至少包含著以下幾個(gè)方面:(1)草地/沙地的形成與季風(fēng)氣候的關(guān)系;(2)在人類活動(dòng)與氣候變動(dòng)影響下的草地生態(tài)系統(tǒng)與生產(chǎn)力變化;(3)草原的中小尺度水循環(huán);(4)草原的碳、氫循環(huán)與草地溫室氣體源匯作用及其對(duì)全球變化的貢獻(xiàn)。上述幾方面的問題都是全球變化與區(qū)域響應(yīng)中的重要問題。為了對(duì)上述科學(xué)目標(biāo)進(jìn)行研究,必須采取區(qū)域性的綜合觀測實(shí)驗(yàn)、代表性地點(diǎn)進(jìn)行氣候與生態(tài)的長期監(jiān)測、過程分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的綜合研究方法。IMGRASS計(jì)劃于1997年開始執(zhí)行。原定計(jì)劃4年。2000年由于華北沙塵暴天氣突發(fā)增強(qiáng),2001年該計(jì)劃延長1年,開展沙塵暴有關(guān)專題研究。本文將綜合介紹IMGRASS計(jì)劃的科學(xué)背景綜合觀測、數(shù)據(jù)庫建立、介紹在研究中一些新的構(gòu)思與新方法。介紹應(yīng)用數(shù)值模擬與觀測資料相結(jié)合對(duì)中緯半干旱草原氣候生態(tài)相互作用的若干重大問題所作的一些初步研究結(jié)果,這些問題與全球變化與