祁连山典型小流域大气与土壤温湿度季节与年际变化特征研究

张恒平顾玉梅

(1.甘肃祁连山国家级自然保护区管护中心哈溪自然保护站，甘肃 武威 733000；2.天祝藏族自治县哈溪镇人民政府，甘肃 武威 733000)

引言

草地生态系统(Grassland ecosystem)通常是指以多年生草本植物为主要生产者的陆地生态系统。草地是承载和保护生物多样性的关键场所，具有防风、固沙、涵养水源、养分循环、改良土壤等功能，也是集生态、生产和生活为一体的多功能体，对维护民族地区团结、经济社会发展和构建和谐社会有着重要支撑；同时，在我国以国家公园为主体的自然保护地体系中具有举足轻重的地位[1，2]。有研究表明，高山地区生态系统比其他地区对气候变化的敏感性要高[3，4]。也有研究认为，自1987年以来我国西北地区气候出现了由暖干向暖湿的转变[5]。因此，研究高山地区草地生态系统的气候变化对积极应对气候变化带来的风险意义重大。

当前国内外对于气候变化的研究较多。国内对气候变化的研究主要集中于高原气候变化、气候变化对湿地、河流、草地、人体健康等的影响。如，邓景成等[6]分析了气候变化对生态环境的影响致使植被带向南移以及对农业、畜牧业发展所产生的破坏。王莺等[7]从土壤侵蚀、径流量、湿地、冻土和植被等方面深入讨论了气候变化对黄河源区生态环境的直接影响及其特点。高志勇等[8]研究表明，温度升高和降水量减少，会导致生物多样性减少、湿地退化甚至消失。国外对气候变化的研究主要基于预测模型来预测未来几十年气候如何变化。如，Jiang等[9]研究了气候和土地利用对西南山地植被时空格局变化的影响，结果表明，NDVI在海拔3400m以上和海拔3400m以下对气候的反应值有所不同。Xia等[10]提出了一个目标和框架，用来以评估山区灾害威胁下的优质旅游点的生态脆弱性，通过生态系统退化和人类经济活动，从生态学角度分析其时空格局。Simonova等[11]分析了俄罗斯上伏尔加地区尼禄湖盆盐渍土壤对近期气候变化的响应。

气候变暖最直接的表现就是空气温湿度的升高。施雅风等[5]研究认为，自1987年以来我国西北地区气候开始出现了由暖干向暖湿的转变。这就意味着空气温度升高、湿度增大。由此可见，对空气温湿度的研究显得越来越重要。成龙等[12]研究了高寒沙区吸湿凝结、水凝结过程与温湿度的相关性，结果表明，吸湿凝结的水量与近地层空气湿度呈现正相关，与近地层空气温度、土壤温度和土壤湿度呈现负相关。李爱博等[13]研究表明，在其他环境因子不变的情况下，空气温度和空气相对湿度与空气负离子浓度均呈现极显著的正相关关系。Wei等[14]根据1951—2018年华北干旱地区的气象数据评价空气变湿的趋势，发现在过去几十年中，年相对湿度下降了0～0.10%·a-1。Li等[15]研究认为，气候湿度是介导物种丰富度与群落生物量关系的最重要因素。

土壤温湿度的研究在一定程度上受气候变化的影响。而目前对土壤温湿度的研究主要在高海拔地区，包括草地、森林、灌木等植被类型的土壤。李雪琴等[16]研究了西藏藏东南地区草地生态系统土壤的温湿度分布特征，结果表明，10cm土壤层的温度基本按照正弦曲线变化，与太阳辐射变化一致；土壤湿度主要受降水量的影响。沈石[17]研究了黑河上游气候土壤水文要素时序特征，结果表明土壤湿度的波动性要低于土壤温度的波动性；土壤温湿度之间相互影响也存在时间分异情况。卓嘎等[18]分析了不同深度的青藏高原土壤温湿度的变化特征，结果表明，土壤温度与湿度呈现显著正相关关系，土壤温度升温很快但降温很慢，而且浅层土壤温度梯度大于深层土壤。张音等[19]认为积雪深度、大气温度和雪面温度高低对土壤温湿度有一定的影响，土壤温湿度随土壤层深度的增加而趋于平缓。付皓宇等[20]认为，土壤温湿度随土壤深度的增加具有明显的垂直分异性，且白天土壤呼吸速率与土壤温湿度呈现负相关，夜间土壤呼吸速率与土壤温湿度呈现正相关。

祁连山地处青藏高原、黄土高原和蒙新荒漠交汇的地带，位于青海省东北部，甘肃省西部边境，是气候变化的生态脆弱区和敏感区[21]，是国家“两屏三带”生态安全战略格局的重要组成部分，在水源涵养、物种多样性方面发挥着重要的生态屏障作用。草地生态系统是祁连山的优势生态系统，目前有关祁连山草地生态系统的研究主要集中于草地的多年冻土变化、草地生物量及生物多样性、草地储碳蓄水能力、草地土壤呼吸、草地物种光和特性等方面。祁连山草地生态系统土壤温湿度及降水动态变化的研究鲜见。开展祁连山典型流域草地生态系统土壤温湿度及降水动态变化的研究，可为祁连山草地生态系统服务评估提供基础数据，同时为祁连山的生态环境保护和管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于甘肃祁连山国家级自然保护区寺大隆自然保护站辖区的天涝池流域，属于黑河上游的主要支流，流域总面积为12.8km2，河流纵长6.0km，纵坡比降1∶12.5。由于多种不同影响气候的因素迭加构成了温带高寒半干旱山地森林草原气候，其气候表现形式为冬长寒冷干燥，夏短温凉湿润。全年降水量在200mm以上，降水主要分布在5—9月，占全年降水量76%[22]。流域内阴坡分布青海云杉林，阳坡分布祁连圆柏林，并有大面积的带状或块状森林与草原、沼泽、水域等交错分布，野生植物资源丰富，植被类型的垂直变化具有典型性和代表性，构成了山地复合生态系统。草地生态系统主要分布在海拔3000～3100m处，物种组成有苔草(Carer tristachya)、鹅绒委陵菜(Potentilla anserina)、紫花针茅(Stipa purpurea)、蒲公英(Herba Taraxaci)、毛茛(Ranunculus japonicus)、垂穗披碱草(Elymus nutans)、矮嵩草(Kobresia humilis)等。土壤类型主要有灰褐土、寒漠土、亚高山草甸土和山地灰钙土。本研究区域地理位置示意图如图1所示。

图1 研究区地理位置图

1.2 数据来源与处理

本研究的数据来源于甘肃祁连山国家级自然保护区管理局寺大隆自然保护站内天涝池流域的草地自动气象站2013—2016年监测数据。利用美国HOBO U3O土壤温湿度自动记录仪，在草地土层深度10cm处埋设温度(ST)和水分(SW)探头，监测土壤温度和水分变量，数据监测间隔时间为30min。利用HOBOU30软件，以半年一次的频度对记录仪进行数据采集。草地自动气象站主要监测项目包括气温、大气压、风速、风向、相对湿度、太阳辐射、降雨量及土壤温湿度。

运用Excel 2010软件将观测的数据进行处理，分析整理后进行制图；将获取的均值数据运用SPSS软件进行统计分析、相关性分析及多元线性回归分析。研究区地理位置示意图运用ArcGis 10.2进行制作。

2 结果

2.1 大气温湿度变化特征研究

2.1.1 大气温湿度季节变化特征

祁连山草地生态系统大气温度的季节变化特征如图2所示。2013年、2015年、2016年的大气温度最高值均出现在秋季，2014年的平均最高温出现在夏季。整体来说，大气温度在不同的年份均呈现出先上升后下降的趋势，且秋季平均温度最高(-0.79℃)，冬季最低(-12.26℃)。

图2 祁连山草地系统大气温度季节变化特征

祁连山草地生态系统大气湿度的季节变化特征如图3所示。结果表明，2013年、2015年大气相对湿度均为秋季最高，2014年、2016年为夏季最高。2014年和2016年四季的变化趋势基本一致，都是夏季相对湿度最高，依次为秋季、春季和冬季。大气湿度的最高值出现在2013年的秋季(76.34%)，最低值出现在2013年的夏季(45.75%)。整体来说，秋季的大气湿度最高(70.9%)，春季的大气湿度最低(53.83%)。

图3 祁连山草地系统大气湿度季节变化特征

2.1.2 大气温湿度年变化特征

为了进一步了解大气温湿度在时间尺度上的变化特征，观测了祁连山草地生态系统的大气温湿度年变化。祁连山草地生态系统大气温度年变化特征如图4所示，2013—2016年的年均大气温度为-7.69℃。2014年、2015年和2016年的年平均温度均为负值。2013年平均温度最高(0.04℃)，2015年最低(-17.46℃)。大气温度呈现先降低后升高的趋势，先逐年降低，再从2015年逐年升高。

图4 祁连山草地系统大气温度年变化特征

祁连山草地生态系统大气湿度年变化特征如图5所示。由图5可知，年均大气湿度为61%，大气湿度的年变化呈现先增后减的趋势，但年际间差异不明显。2015年大气湿度年平均值最高(63%)；2013年大气湿度最低，为57%。

图5 祁连山草地系统大气湿度年变化特征

2.2 草地土壤温湿度动态变化研究

2.2.1 草地土壤温湿度季节变化动态

祁连山草地系统表层土壤温度季节变化特征如图6所示。总体来说，土壤温度秋季最高(0.67℃)，春季最低(-9.28℃)。2013年的土壤温度为秋季最高(8.68℃)，春季最低(-6.05℃)。2014年夏季土壤温度最高(7.28℃)，冬季最低(-4.03℃)。2015年四季的土壤温度均为负值，春季土壤温度最高(-11.96℃)，夏季最低(-18.29℃)。而2016年的土壤温度季节分布特征与2014年完全不同，秋季最高(3.43℃)，春季最低(-18.32℃)。土壤温度的最大值出现在2013年的秋季，最小值出现在2016年的春季。

图6 祁连山草地系统土壤温度季节变化特征

祁连山草地土壤水分的季节变化情况如图7所示。总体来说，土壤湿度在秋季最高(0.2079m3·m-3)，春季最低(0.0314m3·m-3)。2013年、2015年的土壤水分含量均在秋季、冬季较高，春季、夏季较低，2014年、2016年的土壤水分含量均在夏季、秋季较高，春季、冬季较低，并且差异明显。土壤水分含量的最大值出现在2013年的秋季(0.2228m3·m-3)，最小值出现在2013年的春季(0.0183m3·m-3)。春季的土壤水分含量普遍较低。

图7 祁连山草地系统土壤水分季节变化特征

2.2.2 草地土壤温湿度年变化动态

祁连山草地系统土壤温度的年变化特征如图8所示。年均土壤温度为-5.47℃。草地土壤温度在2013年和2014年是正值，在2015年和2016年均为负值，整体呈现出土壤温度先下降后上升的趋势。2014年土壤年均温度最高，为1.83℃，2015年最低，为-14.95℃，这个结果与大气温度的结果相一致。

图8 祁连山草地系统土壤温度年变化特征

祁连山草地土壤水分的年际变化特征如图9所示。结果表明，年均土壤水分为0.12m3·m-3，土壤水分在年际间并未存在明显的差异性。4年的土壤水分变化趋势平缓，最高值出现在2014年，为0.1242m3·m-3，最小值出现在2015年，为0.1189m3·m-3。

图9 祁连山草地系统土壤水分年变化特征

2.3 草地土壤温湿度的多元线性回归分析

为了进一步探究草地土壤温湿度与大气温湿度的关系，本研究采用多元线性回归分析，构建了土壤温度、土壤水分与大气温、湿度的多元线性回归方程，结果如表1、表2所示。土壤温度均与该年的大气温度和大气湿度呈现显著相关性(P<0.01)。4年的土壤水分与大气温、湿度呈现显著的相关性(P<0.01)。但从多元回归方程来看，发现自变量大气温度和大气湿度的系数均很小。

表1 土壤温度与气象因子的多元线性回归分析

表2 土壤水分与气象因子的多元线性回归分析

3 讨论

3.1 大气温湿度变化特征

2013—2016年的年均温为-7.69℃，这低于三江源地区(0.38℃)和黄土高原(0.35℃)的年平均气温。本研究中大气温度呈现出先上升后下降的季节变化趋势，且秋季平均温度最高(-0.79℃)，冬季最低(-12.26℃)。大气温度年变化呈现先降低后升高的趋势，但研究发现三江源地区、黄土高原与青藏高原气温均呈现显著升高的趋势[24]，可能是因为年均大气湿度为59.25%，大气湿度在秋季最高(70.9%)，春季最低(53.83%)。大气湿度呈现先升高后降低的趋势。张美玲等研究发现，微山湖湿地相对湿度逐年呈下降趋势，夏季最高，春季最低。

3.2 土壤温湿度变化特征

2013—2016年的年均土壤温度为-5.47℃，年均土壤水分为0.12m3·m-3。整体而言，土壤温度年变化呈现先降低后上升的趋势。何生录等研究发现，柴达木盆地的土壤温度年变化呈波动上升趋势。土壤温度季节变化表现为秋季>夏季>冬季>春季，而李明金等发现，广西马尾松人工林的土壤温度季节变化为夏季>秋季>春季>冬季[25]。莫燕华等与赵维俊等[26]分别对桂林喀斯特石山和祁连山排露沟流域的土壤温度变化特征进行研究得出，土壤温度在夏季最高，冬季最低。

3.3 土壤温湿度与大气温湿度的关系

土壤温度的影响因素很多，如大气温湿度、降雨等[27]。本研究中每年的土壤温度均与该年的大气温度和大气湿度呈现极显著相关性(P<0.01)，而且决定系数R2较高(0.520～0.809)，这与任涛等的研究结果一致。连帅明等对阿尔泰山森林土壤温度研究发现，大气温度、气压和太阳辐射等与土壤温度之间呈现极显著相关性，其中与大气温度的相关性最强。由此可见，大气温湿度是影响土壤温湿度的关键因素。土壤湿度也与大气温湿度呈极显著正相关(P<0.01)，这与卓嘎等的研究结果基本一致。李雪琴等研究发现，土壤湿度主要受到降水的影响。因此，除大气温湿度之外，后期可以对降雨对土壤温湿度的影响展开研究，为祁连山草地生态系统自然演替发展与环境因子的协同作用规律提供理论依据。

4 结论

祁连山天涝池流域草地生态系统的年均大气温度为-7.69℃，年均大气湿度为61%。大气温度呈现出先上升后下降的季节变化趋势，且秋季平均温度最高(-0.79℃)，冬季最低(-12.26℃)。大气湿度在秋季最高(70.9%)，春季最低(53.83%)。大气温度年变化呈现先降低后升高的趋势，大气湿度呈现先升高后降低的趋势，气候呈现暖湿化的趋势。

祁连山天涝池流域草地生态系统的年均土壤温度为-5.47℃，年均土壤水分为0.12m3·m-3。土壤温湿度季节变化均表现为秋季>夏季>冬季>春季，土壤温度年变化呈现先降低后上升的趋势，土壤湿度变化平缓。大气温湿度与土壤温度呈现极显著正相关(P<0.01)；大气温湿度与土壤湿度也呈现极显著正相关(P<0.01)。由此可见，大气温湿度是影响土壤水热变化的关键因子。