祁连山生态系统变化科学考察报告

1.1科考背景 祁连山是“泛第三极”地区的重要组成部分，是“山水林田湖草”系统复杂耦合的典型区，是我国生物多样性保护的优先区域，构成我国西部重要的生态安全屏障；同时也是黑河、石羊河和疏勒河等六大内陆河和黄河支流大通河的重要水源地，它涵养的水源是甘肃、内蒙古、青海部分地区500多万人赖以生存的生命线。祁连山在维护青藏高原生态平衡，阻止腾格里、巴丹吉林和库姆塔格三大沙漠南侵，保障河西走廊内陆河径流的补给等方面具有重要的功能和意义。 我国早在1988年就批准设立了甘肃祁连山国家*自然保护区，跨越张掖、武威、金昌三市。然而，近年来由于过度开发、超载放牧及全球气候变化的影响，祁连山地区生态环境持续恶化：局部植被破坏，水土流失和地质灾害频发，冰川日渐萎缩、冻土加速退化，地球天然固体水库——冰雪储量急剧减少。这严重影响了祁连山区的社会经济发展和工农业生产。2017年7月20日，中共中央办公厅、国务院办公厅就甘肃祁连山国家*自然保护区生态环境问题发出通报。针对祁连山生态环境保护及资源环境的突出问题，党和国家领导人多次做出重要批示。祁连山生态环境的治理刻不容缓，亟须开展“山水林田湖草”系统优化配置研究。但祁连山生态破坏问题由来已久，近半个世纪尤为严重，目前局部地区的生态–水–环境问题仍十分突出。 据此，在第二次青藏高原综合科学考察研究的框架下开展的祁连山生态系统变化考察将利用多尺度、多要素、多技术融合的方法，依靠野外调查、试验分析、遥感反演、雷达探测和数值模拟等手段，全面、系统地开展祁连山生态系统考察，为祁连山“山水林田湖草”系统优化配置提供完整可靠的科学依据和对策支撑，服务于祁连山国家公园建设和可持续发展，推进“泛第三极”科学研究和“一带一路”倡议的顺利实施。 1.2科考目标 祁连山生态系统变化考察的目标为查明祁连山草地、森林、湖泊等生态系统的结构、功能及生物多样性的变化特征，提出“生态善治”的调控对策。 查明祁连山森林灌丛生态系统林线、树木生长、群落结构、生物量变化；分析祁连山草地生产力格局、草地退化的历史和现状，定量草地退化的人为与自然因素，探索祁连山草地生态保护与修复样板；查明祁连山地区湖泊水体环境现状、水生生态系统的结构，分析在不同时间尺度上湖泊生态系统变化的速率、幅度、方向；对祁连山生物多样性变化开展科学考察，分析祁连山典型生态系统生物多样性变化特征及其影响因素，提出应对气候变化与人类活动背景下祁连山生态系统优化策略，为祁连山“山水林田湖草”系统优化配置和国家公园建设提供科学支撑。 1.3分队设置 围绕总体目标，祁连山生态系统变化考察由4个专题科考分队组成。森林灌丛生态系统变化考察分队利用多尺度、多要素、多技术融合的方法，查明了祁连山森林灌丛生态系统林线、树木生长、群落结构、生物量变化，分析了森林灌丛生态系统的土壤、气候、水文等生境要素，为进一步保护祁连山森林灌丛生态系统和维持整个生态系统健康提供依据。草地生态系统变化考察分队以遥感、无人机、实地样方调查和牧户调查为手段，调查祁连山草地生产力与生物多样性时空变化格局、草地退化现状与草地生态修复样板、牧场生产与社会经济，明确草地生态系统服务功能、现状与变化趋势，分析草地退化的自然与人为影响因素，探寻草地生态评价的方法，提出草地健康管理的技术与政策建议。湖泊生态系统变化考察分队对祁连山中部高山–冰川–降水补给的哈拉湖、祁连山西段高山地下水补给的天鹅湖、共和盆地内部地下水补给的更尕海、柴达木盆地北缘冰雪融水补给的苏干湖进行了野外考察，结合关键带以无人机和高分卫星为主的多源遥感等监测方式，对湖泊生态系统要素的变化进行系统深入考察。生物多样性变化考察分队在“个体—种群—群落—生态系统”多尺度和多角度体系框架下，对祁连山生态系统多样性和种子植物、哺乳动物、鸟类、鱼类、土壤微生物、浮游生物等物种多样性现状开展科学考察，监测与调查祁连山重点保护物种雪豹、黑颈鹤和裸果木的分布范围与生境特征，结合已有历史与文献资料，初步分析祁连山生物多样性特征与动态变化。本次考察结果与发现将为祁连山“山水林田湖草”系统优化配置和国家公园建设提供科学支撑。 各分队分别围绕以下目标和内容开展考察工作。 1.3.1森林灌丛生态系统变化考察分队 森林灌丛生态系统变化考察分队主要考察目标为查明祁连山森林灌丛生态系统林线、树木生长、群落结构、生物量变化，分析森林灌丛生态系统的土壤、气候、水文等生境要素，调查人类活动对祁连山森林灌丛生态系统的影响情况，定量分析人类活动与环境变化因素对祁连山森林灌丛生态系统演变的影响程度，为进一步保护祁连山森林灌丛生态系统和维持整个生态系统健康提供依据。 根据考察总体目标，祁连山森林灌丛生态系统变化考察拟解决的关键问题有： (1)获取祁连山地区森林灌丛生态系统的关键数据，摸清森林灌丛生态系统结构、功能和生物量现状和动态变化，定量分析森林灌丛生态系统对气候变化与人类活动响应的机制、速率、形式、幅度的差异； (2)辨析祁连山“森林灌丛”复合生态系统结构、功能和生物多样性的主导影响因素，服务于区域“山水林田湖草”优化配置、自然资源管理和生物多样性保育服务，为祁连山国家公园建设提供治理对策。 1.3.2草地生态系统变化考察分队 草地生态系统变化考察分队主要考察目标为调查祁连山草地生产力时空格局，草地退化现状与恢复途径，牧区生态、生产与社会状况；评估草地生态系统服务价值；定量草地退化的自然与人为因素；探索草地生态修复与健康管理对策，提出退化草地治理的对策。为祁连山国家公园建设和祁连山地区经济社会可持续发展提供理论与技术支撑。 本次考察内容包括：点(关键区)、线(主要考察路线)考察相结合，以无人机、实地样方调查和牧户调查为手段，调查祁连山草地生产力与生物多样性时空变化格局、草地退化现状与草地生态修复样板、牧场生产与社会经济调查，明确草地生态系统服务功能、现状与变化趋势，分析草地退化的自然与人为影响因素，探寻草地生态评价的方法，提出草地健康管理的技术与政策建议。 1.3.3湖泊生态系统变化考察分队 湖泊生态系统变化考察分队主要考察目标为查明祁连山地区湖泊水体环境现状、水生生态系统的结构，监测湖泊生态环境季节变化及其规律；分析湖泊生态系统近百年变化、时空规律及其影响因素；分析生态系统结构的变化；分析湖泊生态系统变化的速率、幅度、方向；在不同时间尺度上，发现湖泊水生生态系统与陆地生态系统的耦合关系、水生生态系统变化与气候变化及人类活动的耦合关系；提出适应气候变化的生态善治的调控对策，为祁连山“山水林田湖草”系统优化配置及祁连山国家公园建设提供可靠的科学依据。 针对上述目标，以湖泊生态环境考察为基础，分析湖泊生态系统变化的地域分异特征，对祁连山中部高山–冰川–降水补给的哈拉湖、祁连山西段高山地下水补给的天鹅湖、共和盆地内部地下水补给的更尕海、柴达木盆地北缘冰雪融水补给的苏干湖进行了野外考察，结合关键带以无人机和高分卫星为主的多源遥感等监测方式，对湖泊生态系统要素的变化进行深入考察。 1.3.4生物多样性变化考察分队 生物多样性变化考察分队主要考察目标为调查祁连山地区的生态系统多样性，种子植物、哺乳动物、鸟类、鱼类、土壤微生物、浮游生物等物种多样性，以及重点保护物种分布范围，形成祁连山典型生态系统物种多样性、土壤理化性质、河流水体性质等数据集，明确森林、草地、灌丛、荒漠和河流生态系统主要特征，结合历史资料与文献，分析祁连山不同生态系统物种多样性差异与时空变化趋势，探究影响祁连山物种多样性变化、限制物种生存与分布的可能因素，补充和完善祁连山物种多样性资料，为祁连山生物多样性保护提供科学指导。 针对上述目标，生物多样性考察分队在系统调查祁连山生态系统多样性基础上，以石羊河流域为主，辐射黑河、疏勒河、湟水河等流域，通过野外实地踏查、样方样线调查、红外相机监测、定置网具捕获、化学元素分析、室内微生物培养、物种鉴定、高通量测序、历史文献资料梳理等方法，涵盖动物、植物、微生物等多方面，深入开展祁连山生物多样性考察工作。 祁连山生态系统变化考察累计参与人员约为200人，累计考察天数约为160天，累计考察行程超过25000km。祁连山生态系统变化考察研究4个专题科考分队的行程路线如图1.1和表1.1所示，各个分队的具体科考任务和内容详见以后章节。 2.1地理位置 祁连山位于我国西北，是青藏高原东北部*大的边缘山系，地处青藏高原、蒙古高原和黄土高原的交汇地带，对阻挡巴丹吉林、腾格里、库姆塔格和柴达木盆地四大沙漠的侵袭发挥着重要作用，是我国西北乃至全国的重要生态安全屏障。行政上地跨甘肃、青海两省，东起甘肃的秦安清水，西到青海、甘肃的当金山(图2.1)，北达甘肃景泰金塔的北山，南到青海的贵德、共和，南北宽约400km，东西长约1200km，总面积约224100km2。甘肃范围内涉及酒泉、嘉峪关、张掖、武威、金昌和兰州6市，面积约76400km2；青海范围内涉及海南藏族自治州、海北藏族自治州、海西蒙古族藏族自治州(简称海西州)、海东市和西宁市，总面积约147700km2。祁连山实际上是由一系列西北—东南走向的近似平行山脉组成，由南向北主要包括柴达木盆地北缘的宗务隆山和柴达木山以及土尔根达坂山、党河南山、疏勒南山、野马南山、托勒南山、托勒山和*北缘的大雪山等。 图2.1祁连山区及六大流域分布图 2.2气候特征 祁连山深居内陆，是青藏高原、蒙新高原、黄土高原三大高原的交汇地带，同时又位于西风和东亚季风交汇区，还受到青藏高原对大气环流的影响，多种因素的叠加构成了祁连山区复杂的气候特征，即大陆性高寒半湿润山地气候。表现为冬季长而冷，夏季短而凉，由浅山地带向深山地带递进的过程中，气温递减，雨量递增。随着山区海拔的升高，各气候要素发生有规律的自下而上的变化，呈明显的山地垂直气候带。 祁连山年平均气温都在4℃以下，随着海拔的升高气温逐渐降低，递减率为0.58℃/100m。山顶温度一般低于0℃，常年都有积雪。其中1月*冷，平均气温低于–11℃，7月*热，平均气温低于15℃。祁连山气温*低中心常年位于西段海拔较高的托勒山附近，影响祁连山附近气温分布的主要因素是地形(即海拔)，地理纬度的影响次之(沈静等，2006)。祁连山多年平均气温空间分布图如图2.2所示。祁连山的降水特征比气温更为复杂，降水的季节、年际变化都比较大，这主要是因为影响降水的因素复杂(海拔、经纬度、坡度、坡向)。降水主要集中在每年的5～9月，占年总降水量的89.7%，在空间上表现为自东向西逐渐递减，随着海拔升高，降水日和降水量都有所增加(图2.3)。此外，随着海拔升高，温度降低，蒸发量减少，相对湿度增大，绝对湿度下降，同时阴坡和阳坡降水增减率也有明显差异。祁连山多年平均降水量空间分布如图2.3所示。