祁连山西段草地土壤温度、水分变化特征

车宗玺,李进军,汪有奎,丁国民,李世霞,邸 华,车宗彩,潘 欣,毛志明,郭朝霞

1 甘肃祁连山国家级自然保护区管理局,张掖 734000 2 兰州大学草地农业科技学院,兰州 730000

祁连山是我国著名的高大山系之一,地处欧亚大陆中心,位于青藏、蒙新、黄土高原交汇地带,受青藏高原和蒙新荒漠气候的双重影响,气候垂直差异明显[1]。该区气候恶劣,沙尘天气频繁,导致土壤水分和温度的互作效应受限,特别是水热因素限制着陆地生态系统群落生产力[2],这些影响可能会改变植物生长速率,进而对植被生产力和碳汇功能产生一定影响。草地土壤水热动态过程和变化机制是陆面过程的重要研究内容[3],越来越多的研究侧重于通过地表空间变化过程来分析预测大气过程。草地土壤水热变化缺乏长期连续定位观测资料,利用土壤温湿度探头长期连续观测可以解决陆面的空间水热变化,Porporato等[4]研究认为土壤水分、温度既是气候-植被-土壤属性等综合因素的影响结果,也是决定植被水分供给的关键因素,是生态水文过程研究的重要切入点,Randal等[5]利用12种耦合模型进行模拟,结果表明土壤水热对大气降水存在反馈作用,是气候变化的预报指标。

近年来,关于祁连山林地、草地土壤温度和水分特征研究已较多,对山区土壤水热过程有了一定认识[6]。如刘鹄等[7]研究了祁连山浅山区不同植被类型的土壤水分在典型生长季期间的时间异质性,发现山区土壤水分时间变异系数最大值并不在表层；党宏忠等[8]就青海云杉林土壤水分特征进行了探讨,根据土壤水分的动态变化将其分为活跃-调节-传输-蓄水4个层次；王金叶等[9]对祁连山排露沟流域不同土壤类型分析了土壤水分状况,认为亚高山灌丛草甸土持水能力最强,水文特性最好。康尔泗等[10]对祁连山区水分过程进行了综述,提出后续研究的重点和难点在于研究山区森林草地生态系统在山区水文循环中的作用以及在保护山区生态与环境中的作用和意义。虽然在区域或全球尺度上对地表土壤水热与大气的相互关系已有较多模拟结果[11],但相关结果并不适合气象要素变化剧烈的祁连山。其次祁连山长期连续定位观测资料较少,以人工观测为主,表现为观测密度低、观测时间短、观测频率不高等特点,而且数据连续性不强,得出结论较差,同时缺乏土壤水热与气象要素综合同步观测,诸多因素均制约了对祁连山土壤水热特征的深入研究。本文重点分析如下问题：(1)利用长期连续定位监测数据分析该区土壤温度、水分变化特征,揭示土壤温度、水分在时间、空间格局上的演变规律；(2)建立土壤温度、水分相关关系,阐明土壤温度和水分的耦合机制及互作效应。

1 研究区概况

研究区位于甘肃祁连山国家级自然保护区祁丰林区(39°12′45.8″N；99°02′23.9″E),流域面积10.8 km2,长20.4 km,海拔2500—4000 m,该流域阳坡、半阳坡为山地干草原,阴坡或半阴坡为斑块森林和草原景观,森林总面积1.68 km2,覆盖率为27.3%,年均气温-0.6—2.5℃[12],年降水量322.6 mm,年蒸发量1051.7 mm,年平均相对湿度50%。

研究区内植被因地形和气候的差异形成明显的垂直分布带,阴坡或半阴坡呈斑块状分布有青海云杉(Piceacrassifolia),零星分布有祁连圆柏(Sabinaprzewalskii)；阳坡或半阳坡分布有典型草地。本实验样地位于阳坡或半阳坡不同海拔的典型草地上进行试验监测。草本种类主要包括：克氏针茅(StipakryloviiRoshev)、红砂(Reaumuriasongarica(Pall.) Maxim.)、合头草(SympegmaregeliiBunge)、驼绒藜(Ceratoideslatens(J.F.Gmel.)RevealetHolmgren)、芨芨草(Achnatherumsplendens)等。土壤类型主要以山地灰褐土、亚高山灌丛草甸土和山地草原栗钙土为主,平均厚度0.8—2.0 m,土层较薄,以粉沙块为主,成土母质主要是泥炭岩、砾岩、紫红色沙页岩等,pH值7.0—8.0,仪器观测点布设在海拔2700、2800、2900、3000、3100、3200 m的草地上。样地基本情况见表1。

表1 不同海拔样点参数信息表Table 1 The different altitude information table

表中值为平均值±标准误

2 研究方法

2.1 实验仪器

在祁丰林区黄草坝(2700 m)、红山(2800 m)、大火烧(2900 m)、冰沟(3000 m)、水泉掌(3100 m)、野牛山(3200 m)选择典型的草地埋设美国HOBOU30土壤温湿度自动记录仪,进行长期定位监测。同一海拔根据不同坡向(阳坡、半阳坡、阴坡)布设3套自动仪器,总共18套,分别对不同海拔土层深度0—10、10—20、20—40、40—60、60—80、80—100、100—120 cm安装温度(ST)和水分(SW)探头,监测土壤温度和水分变量,数据采集步长均为10 min,连续监测3a(2012年6月—2015年6月),总共获取数据量为1555200组。

数据采集方法：半年采集一次,采集时首先安装HOBOU30软件,对软件进行设置,包括采集地点、数据监测步长、土壤温度水分层次顺序设定、单位矫正、数据的保存设定、电池电量设定等；其次启动HOBOU30进行观测,观测时若指示灯1秒闪烁一次,且为绿色,表示数据监测正常；再次,盖好数采箱,对数采箱进行防寒、防潮处理,保证仪器连续正常工作。

2.2 数据处理与分析

将HOBOU30的土壤温度和水分观测数据按照每月、每天、每小时进行平均处理,从7：00到19：00为一天进行数据整理,对监测3 a的数据利用EXCEL 2010软件计算,获取均值参数,对参数利用SPPS 21.00软件进行统计分析。文中数据均统计为平均结果进行分析,非单次或短期数据。数据处理采用如下公式：

逐日平均处理：

(1)

逐月平均处理：

(2)

3 结果分析

3.1 土壤温度和水分的月变化特征

图1反映了祁连山西段草地土壤温度、水分月动态变化特征,对土壤温度、水分与月份进行显著性、拟合回归分析,表明两者与月份均有较强显著性,经检验均有P<0.05；两者月动态变化趋势为二次多项式变化关系,关系式为：

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

(1)

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

(2)

回归决定系数R2均在0.8以上,说明两者变化趋势更接近于二次曲线。许多研究认为土壤均温在0℃以下的时期为一年冷期,0℃以上时期为暖期。单独从图1来看,5个月(1—3、11—12月)土壤均温在0℃以下,即冷期为5月,占全年42%；7个月(4—10月)均温在0℃以上,即暖期为7个月,占全年的58%,可见该区暖期时间大于冷期。土壤均温最高值出现在7月,为14.29℃,7月前,土壤温度随月份增加而增加,月份增大1月,土壤均温增大3.53℃；7月后,随月份的增大而减小,月份增大1月,土壤均温减少4.73℃,可见7月后土壤均温递减速率大于7月前,说明7月后该区土壤温度下降较快,模型(1)可以有效验证该结论。单独从图1看,土壤水分的峰值也出现在7月,7月以前随着雨季的逐渐来临,土壤水分随月份的增大而增大,月份增大1月,土壤水分平均增大3.23%；7月后土壤水分随月份的增大而减小,月份增大1月,土壤水分平均减小2.55%,7月前土壤水分的平均递减速率大于7月后,可以利用模型(2)检验。

图1 祁连山西段草地土壤温度、水分季节动态变化Fig.1 Soil temperature and moisture seasonal dynamic changes in west section of Qilian Mountain

3.2 土壤温度和水分的日变化特征

图2为土壤温度、水分日变化规律,表明土壤温度与时间(7:00—19:00)有较强显著性(P<0.05),两者变化趋势呈二次多项式y=1.408x2-8.6517x+9.0207,回归系数R2为0.47；(b)表明土壤水分与时间变化也呈二次多项式,相关性不强,差异不显著(P>0.05)。16:00土壤温度最高,12:00最低,7:00土温随时间的增加而增大,16:00达到峰值,然后随时间的增大而减小。水分7:00—12:00随时间的增加而下降,13:00—15:00随时间的增加而增大,16:00出现最小峰值,为10.01%。水分日变化不大,75%的水分含量在16.39%—16.54%之间,25%水分含量小于16%。总之,日变化表现为：16:00以前土壤平均温度为7.45℃,平均水分为16.26%,16:00以后平均温度为9.1℃,平均水分为16.79%,16:00以后比以前土壤均温高1.65℃,水分高0.54%。

图2 祁连山西段草地土壤温度、水分日变化Fig.2 Soil temperature and moisture diurnal variation in west section of Qilian Mountain

图3 祁连山西段草地不同海拔土壤温度、水分的变化 Fig.3 The variations of soil temperature and moisture in different altitude in west section of Qilian Mountain

3.3 土壤温度和水分的空间变化特征

3.3.1 土壤温度和水分海拔变化

通过对土壤温度、土壤水分与海拔的显著性及回归拟合分析,表明土壤温度与海拔有线性正相关关系y=0.0023x,随海拔的升高而增大,两者差异显著(P<0.05)；土壤水分与海拔也有正相关关系y=0.1623x+11.909,差异不显著(P>0.05),如图 3和表 2所示。3000 m土壤温度最高,坡向为东坡,坡位为中坡,东坡为阳坡,光照充足,日照时数比其他海拔均高,导致地表热量增大；再次3000 m以下植被覆盖度大,草本高度均在0.6 m(草地已禁牧3 a)以上,为半阳坡,日照时数小,光照较弱,地表热量较小,土壤温度较低。该结论与祁连山中部青海云杉林内土壤温度随海拔变化结论相反,青海云杉林内土壤温度随海拔的升高而降低,主要受地形、坡向等综合因素作用的结果。土壤水分沿海拔有缓慢波动增加趋势,两者相关性不强,水分3100 m为最高其值为16.29%,2800 m为最低其值为9.18%,整个海拔差异不大。

3.3.2 土壤温度、水分的土层变化

图 4反映了祁连山西段草地土壤温度、水分的垂直变化情况,对不同深度的土壤温度和水分进行了回归拟合及显著性检验,结果表明：土壤温度与土层深度有线性正相关关系(y=0.0661x+6.5414),决定系数较高(R2=0.99),差异显著 (P<0.05),土壤温度随土层深度的增大而增加,土层增加一层,土壤平均温度增加0.065℃。水分与土层深度有线性负相关关系(y=-0.6251x+13.679),决定系数也较高(R2=0.97),差异显著(P<0.05),水分随土壤深度的增大而减小,土层增加一层,水分平均减少0.58%。

表2 土壤温度、水分在海拔梯度上的显著性分析Table 2 The significant analysis of soil temperature and moisture on different altitude

表中值为平均值±标准误,同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05),相同字母表示差异不显著(P>0.05)

图4 祁连山西段草地不同深度土壤温度、水分的变化Fig.4 The variations of soil temperature and moisture in different depth in west section of Qilian Mountain

3.4 土壤温度和水分的关系

图5 祁连山西段草地土壤温度与水分相关性 Fig.5 The correlation of soil temperature and moisture in west section of Qilian Mountain

图5是祁连山西段草地土壤温度和土壤水分的关系回归拟合,表明土壤温度和水分有线性负相关关系,随土壤温度的增大水分呈线性递减,递减程度差异显著(P<0.05)。土壤温度为6.62℃时,水分最大,为12.92%；土壤温度达到7.01 ℃时,水分最小,为9.45%；温度从6.62℃增加到7.01℃,增加了0.39℃,水分从12.92%减少到9.45%,减少了3.47%。该区土壤温度的平均增加率为5.56%,水分平均递减率为26.88%。表明在适宜的环境条件下降低土壤温度是提高土壤水分的必要措施,通过降低气温来控制土壤温度,达到增加土壤水分的目的。

4 结论与讨论

4.1 结论

本文利用土壤温湿度自动记录仪(HOBOU30)对土壤温度、水分变化进行了为期3a的长期连续定位监测,分析土壤温度、水分的变化特征,以及两者在时间、空间格局上的演变规律；建立土壤温度、水分相关关系,阐明两者的耦合机制及互作效应。主要得出如下结论：

1)该区一年冷期占全年的42%,暖期占58%,暖期时间长于冷期；7月以前土壤平均温度增大3.53℃,水分平均增大3.23%；7月以后,土壤温度平均减小4.73℃,水分平均减小2.55%；7月以后土壤温度的平均递减速率大于7月以前土壤温度的平均递增速率,7月以前土壤水分的平均递减速率大于7月以后土壤水分的平均递减速率。

2)日变化以16:00为临界点,16:00以前土壤平均温度为7.45℃,平均水分为16.26%,16:00以后平均温度为9.1℃,平均水分为16.79%,16:00以后比以前土壤均温高1.65℃,水分高0.54%。

3)土壤温度与海拔有线性正相关关系,两者的显著性较强(P<0.05)；土壤水分与海拔有线性正相关关系,两者的显著性不强(P>0.05)。

4)土壤温度与土层深度(0—120 cm)具有显著的线性正相关 (P<0.05,R2=0.99),水分与土层深度有显著的线性负相关(P<0.05,R2=0.97),土壤温度平均递增0.065℃,水分平均递减0.58%。

5)土壤温度与水分呈显著的线性负相关。

4.2 讨论

(1)该区一年冷期占全年的42%,暖期占58%,暖期时间长于冷期；已有研究[13]表明土壤温度在0℃以下的时段为冷期,0℃以上的时段为暖期。随气候变暖,祁连山区冷期逐渐缩短,暖期逐渐延长。该结论利用18套自动仪器在不同海拔、不同坡向连续监测3 a采用均值法对数据进行分析得出的结果,7月以前土壤平均温度增大3.53℃,水分平均增大3.23%；7月以后,土壤温度平均减小4.73℃,水分平均减小2.55%。影响土壤温度最主要的气象因子应该是气温和降水,土壤温度与气温的变化基本类似,但比气温具有滞后性,气温增加,地面净辐射热通量增大,地表温度迅速升高,地下温度相应升高。影响土壤水分的因素主要有光照、坡位、坡向、植被盖度等[14],本研究应在自动仪器附近同时监测不同海拔的气温和降水,根据气温和降水的变化来分析地温的变化会更有意义。

(2)闫文德等[15],曾士余等[16]研究了不同森林小气候特征,表明土壤温度由于温度变化迟滞效应,日变化和月变化与太阳辐射或气温变化不同步,气温对太阳辐射强度的敏感性比土壤温度高；水分日变化、月变化较小,与该研究结论一致,更进一步表明土壤水分与植物生长影响大。

(3)土壤温度与海拔有线性正相关关系。关于祁连山的许多研究结论均表明土壤温度随海拔的升高有降低趋势,这些研究大部分是指青海云杉林区[17]。该文出现结论相反的情况,其主要原因有：第一,祁连山降水从东到西逐渐减少,日照时数逐渐增大,导致土壤水分亏缺,蒸发增大,土壤逐渐干化；第二,该区海拔越高,单位面积草本生物量小,光照越好,太阳辐射强度越强,地温较高,低海拔由于地形复杂,光照不足,太阳辐射强度较低,因此,地温相对较低。第三,施雅风院士认为祁连山气候由暖湿向暖干方向发展,尤其是祁连山西段草地高海拔更为明显,土壤干化严重,土壤温度较高,水分含量较小。

(4)在0—120 cm土壤深度范围内,土壤温度与土层深度有显著的线性正相关 (P<0.05,R2=0.99),水分与土层之间具有显著的线性负相关(P<0.05,R2=0.97)。表层土壤温度和水分受光照和降水影响较大,随层次的增加,温度和水分趋于稳定,坡向不同结果各异,一般情况下阳坡或半阳坡表现为表层温度较高,随层次的增加温度有下降趋势,水分则相反,表层较低,随深度增加土壤水分有增大趋势；阴坡或半阴坡表现为表层温度、水分均较低,随土层深度增加温度和水分均有增大趋势。

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