海北高寒草甸返青期土壤温度与水分动态变化

郭凤清，孙书洪*，曾辉，丛沛桐

1. 天津农学院水利工程学院，天津 300384；2. 北京大学深圳研究生院城市规划与设计学院，广东 深圳 518055；3. 华南农业大学水利与土木工程学院，广东 广州 510642

海北高寒草甸返青期土壤温度与水分动态变化

郭凤清1，孙书洪1*，曾辉2，丛沛桐3

1. 天津农学院水利工程学院，天津 300384；2. 北京大学深圳研究生院城市规划与设计学院，广东 深圳 518055；3. 华南农业大学水利与土木工程学院，广东 广州 510642

分析青藏高原高寒草甸返青期土壤水分和温度的变化以及相互关系是理解高寒草甸生态系统变化的重要基础。为明晰青藏高原祁连山东部高寒草甸返青期的土壤温度与水分变化规律，选择祁连山东部海北高寒草甸为试验区，以实地测试与方差、相关及回归分析相结合的方法研究了海北高寒草甸返青期土壤分层水分和温度的动态变化。结果表明：（1）观测期内，高寒草甸整个返青期表层0 cm及地表以下5、15、30、60和120 cm土壤各层平均温度分别为10.47、4.11、3.28、1.76、0.80和0.51 ℃，表层0 cm地温受气温变化影响最为显著；返青早期各层土壤温度均稳定于0 ℃左右，返青中期各层土壤温度迅速增加，返青中后期自上而下不同土壤层温度逐渐降低；（2）表层、中层和深层土壤平均含水量分别为17.3%、20.6%和20.9%，中层和深层土壤水分含量较小；表层土壤含水量波动剧烈，在整个返青期呈逐渐下降趋势，中层和深层土壤含水量连续增加，波动范围小；（3）高寒草甸土层0～15 cm的土壤体积含水量与土壤温度呈显著负相关，随土壤平均温度增加，土壤体积含水量逐渐降低；15～30、30～45和45～60 cm较深层土壤含水量与土壤平均温度呈显著正相关，随土壤深度增加其相关性也随之增强。该研究可为理解青藏高原高寒草甸生态系统的变化规律和变化过程提供参考依据，对高寒草甸的保护及可持续利用也具有重要意义。

高寒草甸；返青期；土壤温度；土壤水分

高寒草甸是广泛分布于青藏高原祁连山东部及其周围山地的地带性植被，面积约7×105km2，占区域内可利用草场面积约50%（高贵生，2006；Yu et al.，2010；丁明军等，2011）。高寒草甸牧草返青期，是牧草生长的关键期，可直观地指示环境条件季节变化的植物物候，近年来引起了研究者的关心。然而，青藏高原东部高寒草甸包括返青期在内的植物物候当前整体研究相对薄弱，部分研究侧重于探讨高寒草甸对全球气候变化的响应，年内返青期预报及预报方法，返青期与气温、降水关系分析等方面（Zheng，1996；祁如英等，2008；吕新苗等，2009；Yu et al.，2010；Shen et al.，2011；Piao et al.，2011）。祁连山高寒草甸是青藏高原高寒草甸的典型代表（杨成德等，2010），而目前有关青藏高原祁连山东部高寒草甸返青期的土壤温度与水分动态变化，尤其是明晰土壤分层温度与水分变化规律的研究较少。相对于夏、秋季环境要素，春季环境要素对春季植物返青期影响更为显著（张娟等，2012），故选择春季土壤分层的温度与水分指标与植物返青期进行相关分析。本研究从重要的土壤环境因子——土壤温度与水分方面进行拓展，选择祁连山东部海北高寒草甸为试验区，探讨试验区返青期土壤分层温度与水分的动态变化及其两者的相关关系。本研究是理解青藏高原高寒草甸生态系统返青期土壤水分和热量的变化以及相互关系的基础（吕贻忠等，2002；吴青柏等，2003），对理解海北高寒草甸生态系统中土壤内能量流动和物质运移的机制，以及阐释整个草地生态系统土壤中微生物、牧草萌动生长具有一定积极作用。

1 试验设计

1.1 试验样地选择

试验样地位于青藏高原东北隅祁连山地大通河河谷西段的国家草地生态系统野外科学观察站青海海北站（地理位置为37°29′～37°45′N，101°12′～101°23′E）（图1）。海北站站区面积37716 hm2，地形开阔，海拔在3200～3600 m（气象观测站海拔高度为3220 m）。该站行政隶属于青海省海北藏族自治州门源回族自治县门源马场，距西宁160 km。海北站具有多种小地域单元，适宜布置多种类型野外试验（李英年等，2004）。

图1 海北站位置图Fig. 1 Location map of HaiBei Station

试验样区选在海北站的山地阳坡滩地。试验样区内植被建群种为青藏高原典型的地带性植被——寒冷湿中生的多年生草本植物矮嵩草（Kobresia humilis）草甸和小嵩草（Kobresia pygmaea）草甸（周兴民等，1982）。大量分布的土壤类型有草毡寒冻雏形土（Mat-Cryic Cambisols），又叫高山草甸土，土壤发育差，土层浅薄，土层深度60 cm左右（乐炎舟等，1982）。2013年试验初期试验样区内植被覆盖度达95%以上，样地内主要植物为矮嵩草、小嵩草、金露梅（Dasiphora fruticosa）、藏嵩草（Kobresia tibetica）。

1.2 试验设计

试验设计为时间序列的重复采样测定，试验时间为2013年和2014年高寒草甸春季返青期4月20日—6月29日，在自然条件下研究高寒草甸春季返青期土壤水热运移规律、土壤水热耦合效应。为较准确反映研究区春季返青期土壤温度与水分动态变化，在试验样地内随机布置4个样地进行重复测定，样地大小为100 m×100 m，各样地间距50 m，试验样地用铁丝围栏，排除家畜及人为干扰，使其处于自然封育状态。

1.3 测定方法及数据获取

（1）土壤温度的测定：采用MF51-TL型（北京玻璃研究所生产）热敏电阻地温计分层测定土壤温度，测定频度为每5天测定1次，每个试验样地重复测定6次，高寒草甸土壤温度测试层次分别为0、5、15、30、60和120 cm。

（2）土壤体积含水量的测定：采用加拿大产的型号为MP917的时域反射仪（TDR）测定试验样区中土壤的体积含水量，测定时间从每年植物返青期开始，测定频度为每5天1次，每隔7 d用土钻法加测1次。每次降雨后用时域反射仪和土钻法加测1次。每次测定时间为上午10:00，每样地重复测定4次。测定体积含水量的土壤层分为4层，分别为0～15、15～30、30～45和45～60 cm（因试验样区内土壤厚度大多数为60 cm，60～120 cm的土壤层经反复测试，土壤体积含水量很低，在试验分析中未计入考虑）。

（3）气温数据：研究选用的气温数据为2013年和2014年春季返青期4月20日—6月29日的日平均气温，源于样地代码为HBGQX01的海北站气象观测场样地（因研究中的试验样地位于该样地正东方向约500 m距离处，故利用该样地的日平均气温），由海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站提供。

1.4 数据处理与分析方法

采用单因子方差法分析不同测试年份不同层次土壤的温度、水分以及空气温度的差异，通过一般线性回归分析气温、土壤温度与土壤水分之间的相关性。试验数据分析均在SPSS 13.0软件进行，用Excel 2003作图。

2 结果及分析

2.1 土壤温度的动态变化

土壤温度是直接影响草甸草原返青期植物发芽和出苗的一个主要因素，而且不同土壤层温度在此阶段差异显著。由图2可知，海北站高寒草甸返青期土壤温度变化剧烈，波动范围较大，尤其是表层（0～15 cm）土壤温度变化最为显著。返青后期土壤温度显著增加。

测定年内，海北站高寒草甸在整个返青期的气温变化表现出显著（P=0.019）的不稳定性，波动范围在-9.2～14.9 ℃，空气平均温度为3.82 ℃。返青早期（4月20日—5月16日）气温各测定值在0 ℃上下波动，平均气温为-1.81 ℃；返青中期（5月17日—6月10日）气温变化范围为-1～11.3 ℃，平均气温为5.12 ℃；返青后期（6月11日—6月29日）气温变化范围为3.2～14.9 ℃，平均气温为8.15 ℃。2014年因受4月23日和24日寒潮影响，整个返青期平均气温低于2013年（2013年5.17 ℃，2014年2.47 ℃）。

土壤表层0 cm处地温受气温变化最为显著，其变化趋势和气温一致，波动范围在1.3～20.0 ℃，地表0 cm土壤温度平均值为10.47 ℃。

地表以下5、15、30、60和120 cm土壤温度动态变化在不同观测年限（2013年和2014年）均表现出相同趋势，在整个返青期，各层平均温度分别为4.11、3.28、1.76、0.80和0.51 ℃。返青早期各层土壤温度变化不明显，不同土壤层间地温差异也不显著，均稳定于0 ℃左右；返青中期，当日均温度持续≥0 ℃时，表层土壤完全解冻，各层土壤温度迅速增加，温度跃变值为6 ℃；返青中后期自上而下不同层次土壤温度测定值随着土壤深度的增加而逐渐降低，5 cm处土壤温度最高，120 cm处土壤温度始终较低。

图2 返青期高寒草甸气温和土壤温度动态变化Fig. 2 Dynamic changes of air temperature and soil temperature during re-greening period on Alpine Meadow

2.2 土壤体积含水量的动态变化

总体上，海北站高寒草甸返青期土壤层0～60 cm含水量较高，均在10%～30.5%之间，但不同土壤层其含水量动态趋势差异明显（图3）。高寒草甸在返青初期由于太阳辐射加强，地表消融，表层土壤（0～15 cm）水分含量较高；随着温度逐渐升高，冻融作用使得深层土壤（30～60 cm）中的水分向上运动并集聚，其结果是中层土壤（15～30 cm）含水量明显增加。

由图3可知，测定年内，表层土壤0～15 cm含水量波动剧烈，受降雨影响较大，且在整个返青期呈逐渐下降趋势，土壤平均水分为17.3%。返青早期，地表解冻，土壤含水量较高，表层土壤平均含水量为21.8%，此后，土壤含水量逐渐下降，返青中后期，表层土壤平均含水量分别为16.0%和14.2%。其主要原因可能是蒸散耗水量较大，而降雨补给又少。在蒸散耗水量强烈的气候环境条件下，形成一定厚度的干土层，该干土层的形成阻碍了较深层次土壤水分的散失，有利于春季草地土壤保墒，为多年生牧草的萌动生长提供了良好的土壤水分环境。

测定年内，整个高寒草甸返青期，中层（15～30 cm）和深层（30～60 cm）土壤水分均值非常接近，分别为20.6%和20.9%；中层和深层土壤水分动态变化趋势也一致，各层土壤含水量连续增加，且与0～15 cm土壤水分动态呈相反的变化趋势，土壤含水量受降雨量影响不明显，波动范围小。

通过比较15～30、30～45和45～60 cm不同土层同一时段含水量测定值可知，总体上，随着土壤深度的增加，含水量也逐渐增加。返青早期由于深层土壤没有完全解冻，土壤处于冻融交替状态中，各土壤层含水量差异不明显，保持在较稳定状态，土壤各层含水量在15%左右。而到了返青后期，各层土壤含水量急剧增加，尤其15～30、30～45和45～60 cm各层土壤在该阶段含水量均稳定维持在25%左右，不同深度土壤层含水量差异最为显著（P=0.015）。

图3 返青期高寒草甸土壤水分动态变化Fig. 3 Dynamic changes of soil humidity during re-greening stage on Alpine Meadow

2.3 土壤温度和土壤水分动态变化的相关性

在本试验研究中，不同测定年限土壤体积含水量和土壤温度相关性一致，因此仅着重分析2013年返青期土壤水分和温度相关性变化特点（图4）。

由图4可知，高寒草甸表层0～15 cm的土壤含水量与土壤温度负相关性显著（P=0.002，r2=0.430，图4a），随着土壤平均温度的增加，土壤含水量逐渐降低。主要是因为返青期降雨量少，导致表层土壤水分补给不足，又由于太阳辐射加强，蒸散耗水量大，使得高寒草甸返青期表层土壤呈干燥化的过程。

15～30 cm土层土壤含水量与土壤平均温度呈显著正相关（P=0.017，r2=0.775，图4b）。同样，30～45 cm土层土壤含水量与土壤平均温度也呈显著正相关（P=0.020，r2=0.858，图4c）。45～60 cm土层土壤含水量与土壤平均温度呈显著正相关（P=0.003，r2=0.871，图4d）。土壤温度对45～60 cm深度土壤水分的影响较为显著，从土壤温度-0.8 ℃上升到2.2 ℃时，其土壤含水量从10%迅速上升到30%左右，几乎呈垂直直线上升。由此可知，随着土壤深度的增加，土壤含水量与土壤平均温度相关性与随之增强。

从土壤温度与土壤体积含水量回归方程来看，除15～30 cm处土壤温度与土壤容积含水量呈指数相关，其他各层土壤温度与土壤含水量呈多项式相关。

图4 高寒草甸返青期土壤温度与土壤水分相关性（2013）Fig. 4 The correlation of soil temperature and humidity during re-greening period on Alpine Meadow (2013)

3 讨论

3.1 返青期气温及土壤温度变化

海北高寒草甸返青期土壤表层0 cm地温变化趋势和气温一致。此研究结果与宋春桥等（2012）、Ding et al.（2013）的研究结论一致：天然高寒草甸土壤温度主要受太阳辐射的影响。5～120 cm各层土壤温度在返青早期变化不明显，不同土壤层间地温差异也不显著，均稳定于0 ℃左右，最主要的原因可能是在返青早期，土壤没有完全解冻，土壤环境处于日消夜冻状态，该过程消耗大量热量，故日光辐射的积累没有导致土壤温度的急剧上升。

3.2 返青期土壤水分变化

研究区域整个返青期土壤平均水分表现为表层17.3%＜中层20.6%＜深层20.9%。一方面是因为返青期随着土壤温度的升高，表层土壤自上而下逐渐解冻；另外，返青期降水量少，土壤水分补给不足，再加之表层土壤水分蒸散严重。返青早期研究区域较深层土壤水分明显低于表层。以往研究也有相似的结论，如White et al.（2009）分析北美典型草原遥感数据得出的研究结果：由于降水对底层的直接补给作用弱，深层土壤的含水量相对较低；买小虎等（2014）在河北沽源国家草地生态系统野外科学观测站的试验结果表明：返青早期表层土壤含水量明显大于中层和深层。但进入返青后期，由于表层土壤完全解冻，引起底层土壤水分向上运移，各层土壤含水量急剧增加，15 cm以下各层土壤在该阶段含水量均稳定维持在25%左右。表层土壤解冻过程中自由水的增加有利于多年生牧草无性系分株的萌动生长，该阶段土壤水分的增加为多年生牧草初期营养生长阶段提供了良好的条件，在一定程度上，缓解了“春旱”对牧草返青期萌动生长的不利影响，而返青期牧草的萌动生长是整个生长季牧草生长的关键期。

3.3 返青期土壤温度与土壤水分的相关性

返青期海北高寒草甸生态系统的土壤热量和水分两者相互影响、相互作用。Shen et al.（2011）、Piao et al.（2011）对青藏高原的研究也表明，土壤中热量的差异和改变会引起水分迁移和转化；Delbart et al.（2006）的研究也得出结论，土壤水分通过改变土壤热特性来影响土壤温度，土壤水分的流动与空间分配对于土壤热量的传输起着决定作用。其中，高寒草甸表层0～15 cm的土壤含水量与土壤温度呈显著负相关，此研究结果与李英年等2004年研究有关海北高寒草甸生态系统气候分析的结论是一致的。海北高寒草甸返青期15～30、30～45、45～60 cm土层土壤含水量与土壤平均温度均呈显著正相关，土壤温度与水分的动态变化总趋势，以及它们之间的相互关系结果，与买小虎等（2014）在沽源国家草地生态系统野外科学观测站对返青期土壤温湿度的动态变化的研究结果相似。

随着土壤深度的增加，土壤含水量与土壤平均温度相关性随之增强，其原因可能是，一方面随着土壤深度的增加，蒸散耗水量相应减少；另一方面，随着环境温度的增加，高寒草甸冻土解冻，土壤含水量迅速增加，并且在土壤解冻的过程中较深层土壤水分向表层迁移与集聚（李卫朋等，2014）。

然而，海北高寒草甸返青期土壤温度与水分动态变化的研究需要长时间序列的观测数据的分析。此外，复杂的高原下垫面上，低温、降水等恶劣天气条件对长时间序列观测数据的稳定性有很大的挑战，不同观测点的比较研究也应是本研究下一步需要开展的工作。

4 结论

对海北高寒草甸草原2013年和2014年土壤温度、水分的测试数据进行分析，得出以下结论：

（1）表层0 cm地温受气温变化最为显著，平均值为10.47 ℃，其变化趋势和气温一致，波动剧烈，地表以下5、15、30、60和120 cm土壤各层平均温度分别为4.11、3.28、1.76、0.80和0.51 ℃；返青早期各层土壤温度均稳定于0 ℃左右，返青中期各层土壤温度迅速增加，温度跃变值为6 ℃，返青中后期自上而下不同土壤层的温度逐渐降低。

（2）整个高寒草甸返青期，表层（0～15 cm）、中层（15～30 cm）和深层（30～60 cm）土壤平均含水量分别为17.3%、20.6%和20.9%，中层和深层土壤水分含量较小；表层土壤含水量波动剧烈，受降雨影响较大，在整个返青期呈逐渐下降趋势；中层和深层土壤含水量连续增加，受降雨量影响不明显，波动范围小。

（3）高寒草甸0～15 cm的土壤含水量与土壤温度呈显著负相关，而15～30、30～45和45～60 cm较深层土壤含水量与土壤平均温度呈显著正相关，随着土壤深度的增加，其相关性随之增加，相关系数r2分别达到0.775、0.858、0.871。

致谢：中国国家生态系统定位观测研究网络（CNERN）提供了本研究中的一些数据，在此表示致谢！

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Dynamic Change of Soil Temperature and Moisture during Re-greening Period on Alpine Meadow at Haibei Station

GUO Fengqing1, SUN Shuhong1, ZENG Hui2, CONG Peitong3
1. College of Water Conservancy Engineering, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China; 2. School of Urban Planning and Design, Peking University Shenzhen Graduate School, Shenzhen 518055, China; 3. College of Water Conservancy and Civil Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China

It is a key basis to analyze the dynamics of soil moisture and soil temperature and the correlation between them during re-greening period on the Alpine Meadow of the Tibet Plateau, and the work can help to better understood the ecosystem changes on the alpine meadow. The field experiments, combined with the methods such as variance, correlation and regression analysis, were conducted in the Haibei alpine meadow to the eastern Qilian Mountain on the Tibetan Plateau in China to study the dynamic changes of the soil moisture and soil temperature of during re-greening period. The study results indicated that, (1) The average soil temperatures at the ground surface 0 cm, and the underground depths of 5, 15, 30, 60 and 120 cm were 10.47, 4.11, 3.28, 1.76, 0.80 and 0.51 ℃, respectively, during the whole re-greening period on the Haibei alpine meadow; The ground temperature at the surface 0 cm was significantly influenced by the air temperature and the change was obvious. The soil temperatures of different soil layers were around 0 ℃ at the early re-greening phase, all the soil temperatures increased rapidly at the mid-re-greening phase, and then the difference between the soil temperatures from the top to the bottom decreased gradually at the late re-greening phase. (2) The average soil moistures at the surface layer, middle layer and deep layer were 17.3%, 20.6% and 20.9%, respectively; The soil moisture gradient at the middle and deep layers was smaller. The soil moisture at the surface layer was remarkably fluctuated during the whole re-greening period and showed the trend of gradual decline. The soil moisture raised continuously at the middle and deep layers and the fluctuation range was small. And (3) the correlation of the soil moisture and soil temperature at the soil layer 0～15 cm was obviously negative, where the soil moisture was decreased gradually with the soil temperature increased. However, the correlations of them at the soil layers 15～30, 30～45 and 45～60 cm were all remarkably positive, and the correlation coefficient was increased with the soil depth increased. Our study results may provide the reference to better understand the change rules of the alpine meadow ecosystem on the Tibetan Plateau, such as biological diversity, biological processes and characteristics, and hydrological processes on the land, but also they are of great significance to protect the alpine meadow.

alpine meadow; re-greening period; soil temperature; soil moisture

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.03.007

S812.2; X171.1

A

1674-5906（2017）03-0408-07

郭凤清, 孙书洪, 曾辉, 丛沛桐. 2017. 海北高寒草甸返青期土壤温度与水分动态变化[J]. 生态环境学报, 26(3): 408-414.

GUO Fengqing, SUN Shuhong, ZENG Hui, CONG Peitong. 2017. Dynamic change of soil temperature and moisture during re-greening period on alpine meadow at Haibei station [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(3): 408-414.

国家重大科技研究计划项目（2013CB956303）；天津市科技支撑重点项目（14ZCZDNC00001）

郭凤清（1974年生），女，讲师，博士，研究方向为自然地理学与生态水文。E-mail:gfqlwr@163.com *通信作者：孙书洪，教授，研究方向为生态水文。E-mail: hongss63@126.com

2017-02-08