祁連山西段草地土壤溫度、水分變化特征

車宗璽,李進軍,汪有奎,丁國民,李世霞,邸 華,車宗彩,潘 欣,毛志明,郭朝霞

1 甘肅祁連山國家級自然保護區管理局,張掖 734000 2 蘭州大學草地農業科技學院,蘭州 730000

祁連山是我國著名的高大山系之一,地處歐亞大陸中心,位于青藏、蒙新、黃土高原交匯地帶,受青藏高原和蒙新荒漠氣候的雙重影響,氣候垂直差異明顯[1]。該區氣候惡劣,沙塵天氣頻繁,導致土壤水分和溫度的互作效應受限,特別是水熱因素限制著陸地生態系統群落生產力[2],這些影響可能會改變植物生長速率,進而對植被生產力和碳匯功能產生一定影響。草地土壤水熱動態過程和變化機制是陸面過程的重要研究內容[3],越來越多的研究側重于通過地表空間變化過程來分析預測大氣過程。草地土壤水熱變化缺乏長期連續定位觀測資料,利用土壤溫濕度探頭長期連續觀測可以解決陸面的空間水熱變化,Porporato等[4]研究認為土壤水分、溫度既是氣候-植被-土壤屬性等綜合因素的影響結果,也是決定植被水分供給的關鍵因素,是生態水文過程研究的重要切入點,Randal等[5]利用12種耦合模型進行模擬,結果表明土壤水熱對大氣降水存在反饋作用,是氣候變化的預報指標。

近年來,關于祁連山林地、草地土壤溫度和水分特征研究已較多,對山區土壤水熱過程有了一定認識[6]。如劉鵠等[7]研究了祁連山淺山區不同植被類型的土壤水分在典型生長季期間的時間異質性,發現山區土壤水分時間變異系數最大值并不在表層；黨宏忠等[8]就青海云杉林土壤水分特征進行了探討,根據土壤水分的動態變化將其分為活躍-調節-傳輸-蓄水4個層次；王金葉等[9]對祁連山排露溝流域不同土壤類型分析了土壤水分狀況,認為亞高山灌叢草甸土持水能力最強,水文特性最好。康爾泗等[10]對祁連山區水分過程進行了綜述,提出后續研究的重點和難點在于研究山區森林草地生態系統在山區水文循環中的作用以及在保護山區生態與環境中的作用和意義。雖然在區域或全球尺度上對地表土壤水熱與大氣的相互關系已有較多模擬結果[11],但相關結果并不適合氣象要素變化劇烈的祁連山。其次祁連山長期連續定位觀測資料較少,以人工觀測為主,表現為觀測密度低、觀測時間短、觀測頻率不高等特點,而且數據連續性不強,得出結論較差,同時缺乏土壤水熱與氣象要素綜合同步觀測,諸多因素均制約了對祁連山土壤水熱特征的深入研究。本文重點分析如下問題：(1)利用長期連續定位監測數據分析該區土壤溫度、水分變化特征,揭示土壤溫度、水分在時間、空間格局上的演變規律；(2)建立土壤溫度、水分相關關系,闡明土壤溫度和水分的耦合機制及互作效應。

1 研究區概況

研究區位于甘肅祁連山國家級自然保護區祁豐林區(39°12′45.8″N；99°02′23.9″E),流域面積10.8 km2,長20.4 km,海拔2500—4000 m,該流域陽坡、半陽坡為山地干草原,陰坡或半陰坡為斑塊森林和草原景觀,森林總面積1.68 km2,覆蓋率為27.3%,年均氣溫-0.6—2.5℃[12],年降水量322.6 mm,年蒸發量1051.7 mm,年平均相對濕度50%。

研究區內植被因地形和氣候的差異形成明顯的垂直分布帶,陰坡或半陰坡呈斑塊狀分布有青海云杉(Piceacrassifolia),零星分布有祁連圓柏(Sabinaprzewalskii)；陽坡或半陽坡分布有典型草地。本實驗樣地位于陽坡或半陽坡不同海拔的典型草地上進行試驗監測。草本種類主要包括：克氏針茅(StipakryloviiRoshev)、紅砂(Reaumuriasongarica(Pall.) Maxim.)、合頭草(SympegmaregeliiBunge)、駝絨藜(Ceratoideslatens(J.F.Gmel.)RevealetHolmgren)、芨芨草(Achnatherumsplendens)等。土壤類型主要以山地灰褐土、亞高山灌叢草甸土和山地草原栗鈣土為主,平均厚度0.8—2.0 m,土層較薄,以粉沙塊為主,成土母質主要是泥炭巖、礫巖、紫紅色沙頁巖等,pH值7.0—8.0,儀器觀測點布設在海拔2700、2800、2900、3000、3100、3200 m的草地上。樣地基本情況見表1。

表1 不同海拔樣點參數信息表Table 1 The different altitude information table

表中值為平均值±標準誤

2 研究方法

2.1 實驗儀器

在祁豐林區黃草壩(2700 m)、紅山(2800 m)、大火燒(2900 m)、冰溝(3000 m)、水泉掌(3100 m)、野牛山(3200 m)選擇典型的草地埋設美國HOBOU30土壤溫濕度自動記錄儀,進行長期定位監測。同一海拔根據不同坡向(陽坡、半陽坡、陰坡)布設3套自動儀器,總共18套,分別對不同海拔土層深度0—10、10—20、20—40、40—60、60—80、80—100、100—120 cm安裝溫度(ST)和水分(SW)探頭,監測土壤溫度和水分變量,數據采集步長均為10 min,連續監測3a(2012年6月—2015年6月),總共獲取數據量為1555200組。

數據采集方法：半年采集一次,采集時首先安裝HOBOU30軟件,對軟件進行設置,包括采集地點、數據監測步長、土壤溫度水分層次順序設定、單位矯正、數據的保存設定、電池電量設定等；其次啟動HOBOU30進行觀測,觀測時若指示燈1秒閃爍一次,且為綠色,表示數據監測正常；再次,蓋好數采箱,對數采箱進行防寒、防潮處理,保證儀器連續正常工作。

2.2 數據處理與分析

將HOBOU30的土壤溫度和水分觀測數據按照每月、每天、每小時進行平均處理,從7：00到19：00為一天進行數據整理,對監測3 a的數據利用EXCEL 2010軟件計算,獲取均值參數,對參數利用SPPS 21.00軟件進行統計分析。文中數據均統計為平均結果進行分析,非單次或短期數據。數據處理采用如下公式：

逐日平均處理：

(1)

逐月平均處理：

(2)

3 結果分析

3.1 土壤溫度和水分的月變化特征

圖1反映了祁連山西段草地土壤溫度、水分月動態變化特征,對土壤溫度、水分與月份進行顯著性、擬合回歸分析,表明兩者與月份均有較強顯著性,經檢驗均有P<0.05；兩者月動態變化趨勢為二次多項式變化關系,關系式為：

yT=-0.6702x2+9.2962x-20.413(R2=0.89)

(1)

yw=-0.5073x2+6.7941x-4.7136(R2=0.81)

(2)

回歸決定系數R2均在0.8以上,說明兩者變化趨勢更接近于二次曲線。許多研究認為土壤均溫在0℃以下的時期為一年冷期,0℃以上時期為暖期。單獨從圖1來看,5個月(1—3、11—12月)土壤均溫在0℃以下,即冷期為5月,占全年42%；7個月(4—10月)均溫在0℃以上,即暖期為7個月,占全年的58%,可見該區暖期時間大于冷期。土壤均溫最高值出現在7月,為14.29℃,7月前,土壤溫度隨月份增加而增加,月份增大1月,土壤均溫增大3.53℃；7月后,隨月份的增大而減小,月份增大1月,土壤均溫減少4.73℃,可見7月后土壤均溫遞減速率大于7月前,說明7月后該區土壤溫度下降較快,模型(1)可以有效驗證該結論。單獨從圖1看,土壤水分的峰值也出現在7月,7月以前隨著雨季的逐漸來臨,土壤水分隨月份的增大而增大,月份增大1月,土壤水分平均增大3.23%；7月后土壤水分隨月份的增大而減小,月份增大1月,土壤水分平均減小2.55%,7月前土壤水分的平均遞減速率大于7月后,可以利用模型(2)檢驗。

圖1 祁連山西段草地土壤溫度、水分季節動態變化Fig.1 Soil temperature and moisture seasonal dynamic changes in west section of Qilian Mountain

3.2 土壤溫度和水分的日變化特征

圖2為土壤溫度、水分日變化規律,表明土壤溫度與時間(7:00—19:00)有較強顯著性(P<0.05),兩者變化趨勢呈二次多項式y=1.408x2-8.6517x+9.0207,回歸系數R2為0.47；(b)表明土壤水分與時間變化也呈二次多項式,相關性不強,差異不顯著(P>0.05)。16:00土壤溫度最高,12:00最低,7:00土溫隨時間的增加而增大,16:00達到峰值,然后隨時間的增大而減小。水分7:00—12:00隨時間的增加而下降,13:00—15:00隨時間的增加而增大,16:00出現最小峰值,為10.01%。水分日變化不大,75%的水分含量在16.39%—16.54%之間,25%水分含量小于16%。總之,日變化表現為：16:00以前土壤平均溫度為7.45℃,平均水分為16.26%,16:00以后平均溫度為9.1℃,平均水分為16.79%,16:00以后比以前土壤均溫高1.65℃,水分高0.54%。

圖2 祁連山西段草地土壤溫度、水分日變化Fig.2 Soil temperature and moisture diurnal variation in west section of Qilian Mountain

圖3 祁連山西段草地不同海拔土壤溫度、水分的變化 Fig.3 The variations of soil temperature and moisture in different altitude in west section of Qilian Mountain

3.3 土壤溫度和水分的空間變化特征

3.3.1 土壤溫度和水分海拔變化

通過對土壤溫度、土壤水分與海拔的顯著性及回歸擬合分析,表明土壤溫度與海拔有線性正相關關系y=0.0023x,隨海拔的升高而增大,兩者差異顯著(P<0.05)；土壤水分與海拔也有正相關關系y=0.1623x+11.909,差異不顯著(P>0.05),如圖 3和表 2所示。3000 m土壤溫度最高,坡向為東坡,坡位為中坡,東坡為陽坡,光照充足,日照時數比其他海拔均高,導致地表熱量增大；再次3000 m以下植被覆蓋度大,草本高度均在0.6 m(草地已禁牧3 a)以上,為半陽坡,日照時數小,光照較弱,地表熱量較小,土壤溫度較低。該結論與祁連山中部青海云杉林內土壤溫度隨海拔變化結論相反,青海云杉林內土壤溫度隨海拔的升高而降低,主要受地形、坡向等綜合因素作用的結果。土壤水分沿海拔有緩慢波動增加趨勢,兩者相關性不強,水分3100 m為最高其值為16.29%,2800 m為最低其值為9.18%,整個海拔差異不大。

3.3.2 土壤溫度、水分的土層變化

圖 4反映了祁連山西段草地土壤溫度、水分的垂直變化情況,對不同深度的土壤溫度和水分進行了回歸擬合及顯著性檢驗,結果表明：土壤溫度與土層深度有線性正相關關系(y=0.0661x+6.5414),決定系數較高(R2=0.99),差異顯著 (P<0.05),土壤溫度隨土層深度的增大而增加,土層增加一層,土壤平均溫度增加0.065℃。水分與土層深度有線性負相關關系(y=-0.6251x+13.679),決定系數也較高(R2=0.97),差異顯著(P<0.05),水分隨土壤深度的增大而減小,土層增加一層,水分平均減少0.58%。

表2 土壤溫度、水分在海拔梯度上的顯著性分析Table 2 The significant analysis of soil temperature and moisture on different altitude

表中值為平均值±標準誤,同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),相同字母表示差異不顯著(P>0.05)

圖4 祁連山西段草地不同深度土壤溫度、水分的變化Fig.4 The variations of soil temperature and moisture in different depth in west section of Qilian Mountain

3.4 土壤溫度和水分的關系

圖5 祁連山西段草地土壤溫度與水分相關性 Fig.5 The correlation of soil temperature and moisture in west section of Qilian Mountain

圖5是祁連山西段草地土壤溫度和土壤水分的關系回歸擬合,表明土壤溫度和水分有線性負相關關系,隨土壤溫度的增大水分呈線性遞減,遞減程度差異顯著(P<0.05)。土壤溫度為6.62℃時,水分最大,為12.92%；土壤溫度達到7.01 ℃時,水分最小,為9.45%；溫度從6.62℃增加到7.01℃,增加了0.39℃,水分從12.92%減少到9.45%,減少了3.47%。該區土壤溫度的平均增加率為5.56%,水分平均遞減率為26.88%。表明在適宜的環境條件下降低土壤溫度是提高土壤水分的必要措施,通過降低氣溫來控制土壤溫度,達到增加土壤水分的目的。

4 結論與討論

4.1 結論

本文利用土壤溫濕度自動記錄儀(HOBOU30)對土壤溫度、水分變化進行了為期3a的長期連續定位監測,分析土壤溫度、水分的變化特征,以及兩者在時間、空間格局上的演變規律；建立土壤溫度、水分相關關系,闡明兩者的耦合機制及互作效應。主要得出如下結論：

1)該區一年冷期占全年的42%,暖期占58%,暖期時間長于冷期；7月以前土壤平均溫度增大3.53℃,水分平均增大3.23%；7月以后,土壤溫度平均減小4.73℃,水分平均減小2.55%；7月以后土壤溫度的平均遞減速率大于7月以前土壤溫度的平均遞增速率,7月以前土壤水分的平均遞減速率大于7月以后土壤水分的平均遞減速率。

2)日變化以16:00為臨界點,16:00以前土壤平均溫度為7.45℃,平均水分為16.26%,16:00以后平均溫度為9.1℃,平均水分為16.79%,16:00以后比以前土壤均溫高1.65℃,水分高0.54%。

3)土壤溫度與海拔有線性正相關關系,兩者的顯著性較強(P<0.05)；土壤水分與海拔有線性正相關關系,兩者的顯著性不強(P>0.05)。

4)土壤溫度與土層深度(0—120 cm)具有顯著的線性正相關 (P<0.05,R2=0.99),水分與土層深度有顯著的線性負相關(P<0.05,R2=0.97),土壤溫度平均遞增0.065℃,水分平均遞減0.58%。

5)土壤溫度與水分呈顯著的線性負相關。

4.2 討論

(1)該區一年冷期占全年的42%,暖期占58%,暖期時間長于冷期；已有研究[13]表明土壤溫度在0℃以下的時段為冷期,0℃以上的時段為暖期。隨氣候變暖,祁連山區冷期逐漸縮短,暖期逐漸延長。該結論利用18套自動儀器在不同海拔、不同坡向連續監測3 a采用均值法對數據進行分析得出的結果,7月以前土壤平均溫度增大3.53℃,水分平均增大3.23%；7月以后,土壤溫度平均減小4.73℃,水分平均減小2.55%。影響土壤溫度最主要的氣象因子應該是氣溫和降水,土壤溫度與氣溫的變化基本類似,但比氣溫具有滯后性,氣溫增加,地面凈輻射熱通量增大,地表溫度迅速升高,地下溫度相應升高。影響土壤水分的因素主要有光照、坡位、坡向、植被蓋度等[14],本研究應在自動儀器附近同時監測不同海拔的氣溫和降水,根據氣溫和降水的變化來分析地溫的變化會更有意義。

(2)閆文德等[15],曾士余等[16]研究了不同森林小氣候特征,表明土壤溫度由于溫度變化遲滯效應,日變化和月變化與太陽輻射或氣溫變化不同步,氣溫對太陽輻射強度的敏感性比土壤溫度高；水分日變化、月變化較小,與該研究結論一致,更進一步表明土壤水分與植物生長影響大。

(3)土壤溫度與海拔有線性正相關關系。關于祁連山的許多研究結論均表明土壤溫度隨海拔的升高有降低趨勢,這些研究大部分是指青海云杉林區[17]。該文出現結論相反的情況,其主要原因有：第一,祁連山降水從東到西逐漸減少,日照時數逐漸增大,導致土壤水分虧缺,蒸發增大,土壤逐漸干化；第二,該區海拔越高,單位面積草本生物量小,光照越好,太陽輻射強度越強,地溫較高,低海拔由于地形復雜,光照不足,太陽輻射強度較低,因此,地溫相對較低。第三,施雅風院士認為祁連山氣候由暖濕向暖干方向發展,尤其是祁連山西段草地高海拔更為明顯,土壤干化嚴重,土壤溫度較高,水分含量較小。

(4)在0—120 cm土壤深度范圍內,土壤溫度與土層深度有顯著的線性正相關 (P<0.05,R2=0.99),水分與土層之間具有顯著的線性負相關(P<0.05,R2=0.97)。表層土壤溫度和水分受光照和降水影響較大,隨層次的增加,溫度和水分趨于穩定,坡向不同結果各異,一般情況下陽坡或半陽坡表現為表層溫度較高,隨層次的增加溫度有下降趨勢,水分則相反,表層較低,隨深度增加土壤水分有增大趨勢；陰坡或半陰坡表現為表層溫度、水分均較低,隨土層深度增加溫度和水分均有增大趨勢。

[1] Schlesinger W H. Evidence from chronosequence studies for a low carbon-storage potential of soils. Nature, 1990, 348(6298): 232-234.

[2] Ingestad T. Plant growth in relation to nitrogen supply. Ecological Bulletins, 1981.

[3] Rashid G H, Schaeffer R. Seasonal variation in the nitrogen mineralization and mineral nitrogen accumulation in two temperate forest soils. Pedobiologia, 1988, 31: 391-396.

[4] Porporato A, D′Odorico P, Laio F, Ridolfi L, Rodriguez-Iturbe I. Ecohydrology of water-controlled ecosystems. Advances in Water Resources, 2003, 25(8/12): 1335-1348.

[5] Brooks J R, Meinzer F C, Coulombe R, Gregg J. Hydraulic redistribution of soil water during summer drought in two contrasting Pacific Northwest coniferous forests. Tree Physiology, 2002, 22(15/16): 1107-1117.

[6] 彭少麟, 李躍林, 任海, 趙平. 全球變化條件下的土壤呼吸效應. 地球科學進展, 2002, 17(5): 705-713.

[7] 劉鵠, 趙文智, 何志斌, 張立杰. 祁連山淺山區不同植被類型土壤水分時間異質性. 生態學報, 2008, 28(5): 2389-2394.

[8] 黨宏忠, 趙雨森, 陳祥偉, 李進軍, 達光文, 朱有文. 祁連山青海云杉林地土壤水分特征研究. 應用生態學報, 2004, 15(7): 1148-1152.

[9] 王金葉, 田大倫, 王彥輝, 王順利. 祁連山林草復合流域土壤水分狀況研究. 中南林學院學報, 2006, 26(1): 1-5.

[10] 康爾泗, 程國棟, 宋克超, 金博文, 劉賢德, 王金葉. 河西走廊黑河山區土壤-植被-大氣系統能水平衡模擬研究. 中國科學 D輯: 地球科學, 2004, 34(6): 544-551.

[11] 唐振興, 何志斌, 劉鵠. 祁連山中段林草交錯帶土壤水熱特征及其對氣象要素的響應. 生態學報, 2012, 32(4): 1056-1065.

[12] 王春燕, 陳球波, 袁坤, 李光明, 楊禮富, 王真輝. 橡膠林土壤呼吸速率及其與土壤溫濕度的關系. 土壤學報, 2013, 50(5): 974-983.

[13] 朱鳳榮, 胡海波, 楊文睿. 江蘇丘陵區櫟林土壤溫度與水分特征. 湖南農業科學, 2013, 52(1): 39-42.

[14] 張鵬, 張濤, 陳年來. 祁連山北麓山體垂直帶土壤碳氮分布特征及影響因素. 應用生態學報, 2009, 20(3): 518-524.

[15] 閆文德, 田大倫. 樟樹人工林小氣候特征研究. 西北林學院學報, 2006, 21(2): 30-34.

[16] 曾士余, 朱勁偉, 馮宗煒, 陳楚瑩, 張家武, 鄧仕堅. 杉木人工林輻射狀況的初步分析. 生態學雜志, 1985, 4(5): 19-23.

[17] 趙傳燕, 別強, 彭煥華. 祁連山北坡青海云杉林生境特征分析. 地理學報, 2010, 65(1): 113-121.