祁連山大野口流域不同植被類型凍土凍融特征分析

王翔，蔣志榮,2，敬文茂,3

(1.甘肅農業大學林學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農村發展研究院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省祁連山水源涵養林研究院，甘肅 張掖 734000)

祁連山大野口流域不同植被類型凍土凍融特征分析

王翔1，蔣志榮1,2，敬文茂1,3

(1.甘肅農業大學林學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農村發展研究院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省祁連山水源涵養林研究院，甘肅 張掖 734000)

通過對祁連山大野口流域內不同海拔梯度上的凍土凍融監測，分析評估青海云杉林、灌叢、陽坡草地3 種典型植被類型凍土凍融厚度和速率變化的差異。結果表明：(1)凍土深度上限最大值為灌叢凍土>陽坡草地凍土>青海云杉林凍土；凍土深度下限最大值為灌叢凍土>青海云杉林凍土>陽坡草地凍土。(2)凍土凍結期，青海云杉林凍土變化速率最大，其次陽坡草地凍土變化速率，灌叢凍土變化速率最慢；凍土消融期，灌叢凍土變化速率最大，其次陽坡草地凍土變化速率，青海云杉林凍土變化速率最慢。(3)青海云杉林凍土過程最長，其次為灌叢凍土，陽坡草地凍土過程時間最短。建議培育青海云杉與灌叢增強祁連山涵養水源功能。

凍土凍融；植被類型；變化特征

凍土，通常指的是在溫度0 ℃以下，包含冰的各種巖土和土壤。我國凍土區從中、低緯度的青藏高原和西部高山到東北大興安嶺、長白山區等區域均有廣泛分布，多年凍土面積估計約為1.53×106km2[1，2]，約占全國陸地總面積的15.9%[1，2]。在凍土區，凍土的分布對水土環境的保護利用、工程項目建設、資源開發等方面影響顯著，更為重要的是，在全球變暖的背景下，在全球變化極為敏感的寒區已經發生了一系列生態環境變化[3]。

祁連山多年凍土面積約7.66×104km2，約占中西部地區總凍土面積28.37%[4,5]。祁連山脈地處中國甘肅省西部與青海省東北部邊境交界處，對河西內陸三大河流的徑流補給能力強，且補給延續時間長。作為河西走廊冰雪融水補給的地區之一，其對流域水文和水資源穩定性及對荒漠生態系統維持起著重要作用。凍土的發育及保存完好性是祁連山維持自然環境生態平衡的物質基礎，同時能對外界環境強迫做出敏感反應。其中多年凍土減少或消失會直接導致區域內地下水位和湖泊水位的下降[6]，從而使生長在多年凍土帶的植被退化[7]，導致植被草甸→草原→荒漠這樣一個退化過程[8，9]。因此凍土的存在狀態及其變化對祁連山生態環境的演變趨勢具有決定性作用。

祁連山現有冰川面積1597.81±70.30 km2[10]，儲量約84.48 km3[10]，其中低海拔區的冰川退縮速度高于高海拔地區，山區中，南坡向的冰川退縮速度大于北坡向。盡管氣象部門在祁連山進行了規范化的凍土觀測，積累了豐富的資料，但多數研究集中在凍土理化性質及植被群落調查等相關因素，很少關注植物影響下的土壤凍融特征[1,6]。

本研究利用祁連山大野口流域凍土凍融監測數據(2015—2016年)，研究祁連山中段地區凍土凍融的變化特征和不同植被類型在特定的海拔范圍內土壤的凍融關系，對促進寒冷和干旱地區的生態水文發展，揭露森林水資源的涵養機制有重要意義。

1 研究區概況

祁連山( 93°30′—103°E，36°30′—39°30′ N) 是我國西北地區著名山系之一[10]，氣候類型屬溫帶大陸性氣候。其山前地屬于荒漠氣候，山地東部氣候較濕潤，西部較干燥。中部山地上部為半濕潤的森林草原氣候，高山地區屬寒冷濕潤氣候[5-7]。

試驗區位于祁連山典型的中部山地氣候區域—大野口流域，大野口流域位于(38°16′—38°33′N，100°13′—100°16′E)，試驗區海拔為2 500～3 300 m[8]，中低山區域較平緩，坡度約20°～30°[8]，高山區域較陡，坡度約40°[8]；屬高寒干旱半干旱氣候，年平均氣溫約5.4 ℃[9]，月均最低氣溫-12.5 ℃[9]，月均最高氣溫約19.6 ℃[9]；年均降水量為300～500 mm[10]，且在6—9月集中，年水面蒸發量約為1 488 mm[10]。因為區域內的海拔變化以及水熱條件差異較大，所以形成了在垂直和水平梯度上不同的植被和土壤類型，成為祁連山區域內比較典型且尺度較大的小流域[8-11]。

2 材料與方法

凍土器外管是外部直徑為31 mm[12]PVC塑料管，管壁薄，使外界土壤與內管之間熱量交換不會受到太多的阻塞，下段封閉，上有塑料蓋，管外標出與內管對應0 cm[12]地面安裝線。凍土器內管由內徑略小于外管外徑的塑料墊片、海綿圈、中軸8 mm[12]尼龍棒組成。塑料墊片、海綿圈一一間隔固定在中軸尼龍棒上，尼龍墊片厚度約2.5 mm[12]。凍土器安裝后，海綿用水浸透，整個凍土器以保鮮膜或大小相同的乳膠氣球包裹，以防止水分的損失。根據本地凍土極值的記載，設計凍土器的測量深度為2.0m[13]。在樣地內安裝1套凍土器，對凍土凍融進行實時監測，同時根據不同海拔，在不同植被類型(青海云杉林、灌叢、陽坡草地)的區域布設凍土器，對凍土凍融進行監測[13，14]。

3 結果與分析

3.1 不同植被類型凍土凍融深度變化

3.1.1 青海云杉林凍土凍融變化特征 選取祁連山大野口2 500～3 300 m海拔上的青海云杉林內土壤進行研究，林內凍土開始凍結的時間為2015年10月25日，凍土開始消融的時間為2016年3月30日。2015—2016年青海云杉林內凍土凍融過程經歷的時期平均為156 d，占全年時間42.74%。凍土上限從10月25日至次年3月10日內沒有明顯變化，在次年3月10日后開始下降；凍土下限從10月25日至次年2月15日內明顯下降，之后變化不明顯。

3.1.2 灌叢凍土凍融變化特征 選取祁連山大野口2 500～3 300 m海拔上的灌叢內土壤進行研究，灌叢內凍土開始凍結時間為2015年10月25日左右，凍土開始消融時間在2016年3月25日左右。2015—2016年灌叢內凍土凍融過程經歷的時期平均為152 d，占全年時間的41.64%。凍土上限從10月25日至次年3月25日內沒有明顯變化，在次年3月25日后開始下降；凍土下限從10月25日至次年2月5日內明顯下降，之后因凍土器測量深度有限，不能觀測到2月5日后的凍土深度。

3.1.3 陽坡草地凍土凍融變化特征 選取祁連山大野口流域2 500～3 300 m海拔上的陽坡草地內土壤進行研究，陽坡草地凍土開始凍結時間為2015年10月25日左右。凍土開始消融時間在2016年3月5日左右，2015—2016年陽坡草地凍土凍融過程經歷的時期平均為131 d，占全年時間的35.89%。凍土上限從10月25日至次年3月5日內沒有明顯變化，在次年3月5日后開始下降；凍土下限從10月25日至次年3月10日內明顯下降，之后不再有明顯變化。

表1 祁連山大野口流域不同植被類型下凍土變化特征

3.1.4 不同植被類型凍土凍融深度變化特征分析 祁連山大野口流域海拔2 500～3 000 m不同植被類型的凍土凍融深度有著規律性變化，凍土開始凍結時間都為2015年10月25日左右，開始消融時間不同，其中凍土凍融經歷的時間有以下規律：青海云杉林凍土>灌叢凍土>陽坡草地凍土。由于陽坡草地比青海云杉林和灌叢吸收更多的熱量，所以陽坡草地開始消融時間最早，經歷時間最短。凍土上限均呈先無明顯變化后下降的趨勢，下限呈先下降后無明顯變化的趨勢。因為從10月開始，氣溫逐漸降低，土壤溫度隨之降低，表層土壤開始凍結，故凍土上限沒有明顯變化，隨著溫度持續降低，土壤凍結深度加深，下限呈顯著下降趨勢；到次年3月之后，氣溫開始回升，上層土壤溫度也隨之上升，凍土開始消融，上限開始下降，下層土壤溫度沒有明顯變化，所以下限下降到一定深度后不再有明顯變化。上限最大值：灌叢凍土>陽坡草地凍土>青海云杉林凍土，下限最大值：灌叢凍土>青海云杉林凍土>陽坡草地凍土。

3.2 不同植被類型凍土凍融厚度與速率變化

3.2.1 青海云杉林凍土凍融厚度與速率變化特征 選取祁連山大野口2 500～3 300 m海拔上的青海云杉林內土壤進行研究，由圖1可以看出，2015年10月—2016年7月，青海云杉林內凍土凍融厚度呈先升后降的趨勢，從10月25日左右開始，土壤開始凍結，之后，凍土的厚度緩慢增加，直到翌年3月5日左右，凍土的厚度達到最大值；此后，凍土厚度緩慢減小，到次年6月15日左右，季節性的凍土消融。從10月25日至12月25日，土壤的凍結速率呈現波動性變化；12月25日至3月25 日，土壤的凍結速率呈波動性減小，緩慢趨于0，從凍土消融開始，直到次年4月20日，土壤凍結速率降到最低；4月20日至6月30日，土壤凍結速率呈現波動性變化。

圖1 祁連山大野口流域青海云杉林凍土厚度和速率變化

3.2.2 灌叢凍土凍融厚度與速率變化特征 選取祁連山大野口2 500～3 300 m海拔上的灌叢土壤進行研究，由圖2可以看出2015年10月—2016年7月，灌叢凍土凍融厚度呈先升后降的趨勢。從10月25日開始，土壤逐漸凍結，之后，凍土的厚度緩慢增加，直到翌年3月10日左右，凍土的厚度達到最大值；此后，凍土厚度緩慢減小，到次年6月15日左右，季節性的凍土消融。10月25日至12月5日，土壤凍結速率逐漸波動性變化；12月5日至翌年3月10日，土壤凍結速率波動性減小，逐漸趨于0，凍土消融開始，直到4月25 日，土壤凍結速率降到最低；4月25 日至6月30日，土壤凍結速率呈現波動性變化。

圖2 祁連山大野口流域灌叢凍土厚度和速率變化

3.2.3 陽坡草地凍土凍融厚度與速率變化特征 選取祁連山大野口2 500～3 300 m海拔上的陽坡草地土壤進行研究，由圖3可以看出，2015年10月—2016年7月，陽坡草地凍土凍融厚度呈先升后降的趨勢。從10月25日開始，土壤逐漸凍結，之后，凍土厚度緩慢增加，到翌年3月5日左右，凍土的厚度達到最大值；此后，凍土厚度緩慢減小，到次年6月15日左右，季節性的凍土消融。10月25日至12月5日，土壤的凍結速率出現波動性變化；12月25日至2月20日，土壤凍結速率波動性減小，逐漸趨于0，凍土消融開始，直到3月10日，土壤凍結速率降到最低；3月10日至6月30日，土壤凍結速率呈現波動性變化。

圖3 祁連山大野口流域陽坡草地凍土厚度和速率變化

3.2.4 不同植被類型凍土凍融厚度與速率變化特征分析 祁連山大野口流域2 500～3 300 m海拔不同植物類型凍土凍融厚度有著規律性變化。從當年10月至次年3月上旬，凍土厚度緩慢增加，3月5日左右達到最大值，此后凍土的厚度緩慢減小，到6月15日左右，季節性的凍土消融。凍土凍融厚度極值：灌叢凍土>青海云杉林凍土>陽坡草地凍土，從10月25日至12月，土壤的凍結速率呈現波動性變化；此時氣溫逐漸降低，土壤溫、濕度日變化不規律，隨之凍土速率呈現波動性變化。從12月至次年3月，土壤凍結速率波動性減小，逐漸趨于0，解凍后凍土凍融速率為負。由圖3可知，陽坡草地凍土凍結速率先趨于0，其次為灌叢凍土，最后是青海云杉林凍土，是因為陽坡草地凍土比青海云杉林凍土和灌叢凍土能吸收更多的熱量，隨著氣溫上升，陽坡草地凍土會提前解凍。凍結期，青海云杉林凍土變化幅度>陽坡草地凍土變化幅度>灌叢凍土變化幅度。消融期，灌叢凍土變化幅度>陽坡草地凍土變化幅度>青海云杉凍土變化幅度。

4 結論

本研究是在祁連山大野口流域長期定位監測，在2 500～3 300 m海拔上外界溫度相同的情況下進行，結果表明：不同植物類型對土壤的溫度、濕度、土壤持水量有著明顯影響。凍土深度上限最大值：灌叢>陽坡草地>青海云杉林；凍土深度下限最大值：灌叢>青海云杉林>陽坡草地；凍土凍融厚度極值：灌叢>青海云杉林>陽坡草地。凍土凍結期變化速率：青海云杉林>陽坡草地>灌叢；凍土消融期變化速率：灌叢>陽坡草地>青海云杉林。3種植被類型的土壤屬性差異使得青海云杉林比灌叢和陽坡草地具有更強的水源涵養的功能，而陽坡草地比灌叢和青海云杉林兩種植被類型可能接收更多熱量。在消融期間，植被自身釋放熱量值未知，且土壤不同深度含水量不同，故不能比較青海云杉林內的土壤濕度、持水量與灌叢的土壤濕度、持水量之間的大小。建議在未來流域生態系統管理與可持續發展利用中，應重視青海云杉林與灌叢蓄水保水對流域水文和生態系統健康的作用。

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Characteristics of Frozen Soil and Freeze-thaw of Different Vegetation Types in Dayekou Basin of Qilian Mountains

Wang Xiang1,Jiang Zhirong1,2,Jing Wenmao1,3

(1.College of Forestry,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China; 2.Gansu Rural Development Research Institute,Lanzhou 730070,China;3.Academy of Qilianshan Water Conservation Forest of Gansu Province,Zhangye 734000,China)

The differences of thickness and rate of free zone soil & freeze-thaw of three typical vegetation types in forest,shrub & grassland on sunny slope ofPiceacrassifoliawere evaluated by monitoring frozen soil and freeze-thaw on permafrost at different altitudes in Dayekou Basin of Qilianshan Mountains.Result shows that: (1) upper limit of the the maximum principle of frozen soil: hilly frozen soil> grassland on sunny slope> frozen soil ofPiceacrassifolia;lower limit of depth of frozen soil: frozen soil of shrub >Piceacrassifoliaforest permafrost (2) freezing period of frozen soil: the rate of frozen soil change inPiceacrassifoliaplantation is the highest,followed by the rate of change of frozen soil and the slowest rate of frozen soil in the sunny slope.The rate of change of frozen soil is the highest,and the rate of change of frozen soil in sunny grassland is the slowest.Result shows that the soil moisture in the spruce forest is the highest in the frozen period,the lowest in the sunny grassland,the highest heat in the shrub and the shrub was,and the spruce is the smallest.The sunny grass is the smallest.The grassland on the sunny slope can absorb more heat.(3) the frozen soil process ofPiceacrassifoliaplantation is the longest,followed by the shrub,sunny grassland permafrost process time is shortest.Therefore,it is suggested to cultivatePiceacrassifoliaand shrub to enhance the function of water conservation in Qilian Mountains.

frozen soil and freeze-thaw; vegetation type; change characteristics

1005-5215(2017)03-0001-04

2017-01-24

甘肅省科技創新服務平臺項目(144JTCG2 54)

王翔(1991-)，男，碩士研究生，主要從事水土保持與荒漠化防治研究，Email：wx.19911208@qq.com

蔣志榮(1959-)，男，教授，博士生導師，主要從事林學、水土保持與荒漠化防治研究.

Q948.152

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.03.001