祁連山林草復合流域土壤溫濕度時空變化特征①

趙維俊，劉賢德，金 銘，敬文茂，王順利，任小鳳， 馬 劍，武秀榮

祁連山林草復合流域土壤溫濕度時空變化特征①

趙維俊1,2，劉賢德1,2，金 銘1,2，敬文茂1,2，王順利1,2，任小鳳1,2， 馬 劍1,2，武秀榮1,2

(1 甘肅省祁連山水源涵養林研究院，甘肅張掖 734000；2 甘肅省森林生態與凍土水文水資源重點實驗室，甘肅張掖 734000)

利用祁連山森林生態站設在祁連山排露溝流域的青海云杉林和草地氣象觀測場土壤溫濕度觀測資料，采用對比分析及線性趨勢等方法進行青海云杉林和草地2個不同下墊面土壤溫濕度的時空特征分析。結果表明：①林草地土壤溫度日變化表現為淺層(10 cm和20 cm土壤深度)土壤溫度呈正弦曲線變化，深層(40、60、80 cm土壤深度)土壤溫度約呈直線變化。土壤溫度年變化表現為林地土壤溫度7月底達到最高值，而后開始下降，翌年2月上旬達到最低值；草地土壤溫度7月底達到最高值，而后開始下降，12月中旬達到最低值；林地封凍時長明顯大于草地封凍時長。②林草地土壤濕度日變化不受太陽輻射的影響。林地不同土層土壤濕度年動態變化趨勢均一致，呈現正弦曲線的變化規律；草地在土壤結凍后和未消融期間，土壤濕度較低且變化不明顯；其他時間土壤濕度變化明顯。③林地中，除40 cm深度外，其他深度土壤溫濕度均保持在相對穩定的范圍內，而且變化趨勢基本一致。草地淺層土壤在土壤封凍前和解凍后，土壤溫濕度變化趨勢相反，封凍期間土壤溫濕度亦保持在相對穩定的范圍內，溫度變化明顯，濕度變化不明顯；其他土層土壤溫濕度總體變化趨勢一致。

林草復合流域；土壤溫濕度；時空變化；祁連山

地處世界第三極青藏高原北緣的祁連山山區是氣候變化的敏感區域[1]，受全球氣候變化的影響，近 50年來祁連山地區氣溫顯著上升，平均氣溫傾向率為 0.29℃/10a[2]。氣溫的升高改變了森林生態系統原有的局地氣候條件，尤其對外界擾動十分敏感的土壤溫濕度的影響及隨后的一系列反饋，直接影響到植被的變化過程[3]，氣候-土壤-植被形成相互作用的循環系統，土壤水熱變化作為土壤特性的重要參數一直受到重視[4-5]。目前，很多學者對祁連山區土壤水熱變化進行了大量研究，如胡健等人[6]對祁連山排露溝流域海拔梯度上的喬灌草土壤表層 0 ~ 10 cm和10 ~ 20 cm溫濕度在海拔梯度上的變化規律進行了研究，隨海拔梯度增加，0 ~ 10 cm和10 ~ 20 cm土層土壤濕度增加的幅度為0.027 m3/m3和0.023 m3/m3，土壤溫度降低的幅度分別為0.32℃和0.28℃。牛赟等人[7]對祁連山大野口流域青海云杉林分結構及其水熱特征進行了分析，林分水平結構、垂直結構和多度與土壤溫濕度存在一定的關系。唐振興等人[8]分析了土壤溫濕度與主要氣象因子的關系，發現土壤溫度的控制因子是氣溫、空氣相對濕度，濕度的受控因子為氣溫、飽和水氣壓差和向上凈輻射，并且在月尺度上建立了土壤溫度估算的經驗模型。但這些研究較少涉及土壤水熱在一定土壤剖面深度(林草根系最大深度)不同土層的日、年變化特征和地表植被狀況如何影響土壤水熱耦合關系？因此，深入研究氣候變化背景下祁連山區局地小環境的土壤水熱時空變化特征意義重大。

由于祁連山特殊的地理位置及其地貌特征和大面積的凍土存在，其明顯的空間異質性加上林草相間分布是祁連山水源流域最基本、最廣泛的植被組合特征[9]，使得土壤表層含有大量的水分在通過季節的凍結和消融過程中發生明顯的變化規律，這需要對土壤干濕狀況和熱量進行細致深入研究，同時，同一地區不同試驗點土壤水熱變化研究有助于比較研究和尺度轉換的實現。為此，本文利用祁連山森林生態站設在排露溝流域的青海云杉林和草地氣象觀測場一年的土壤溫濕度數據資料，分析土壤80 cm深度范圍內的溫濕度時空變化特征，包括青海云杉林和草地不同土層的土壤溫濕度的日變化和年變化以及不同土層土壤溫濕度之間的耦合關系，以便更好地理解祁連山林地、草地的土壤水熱時空變化規律和水熱之間的協同作用，為研究亞高山地帶森林生態系統微氣候、土壤、植被、微地貌等地表原位地理環境過程提供參考依據。

1 研究區概況

研究區位于祁連山中段西水林區的排露溝流域(100°17′ E，38°24′ N)，流域總面積2.85 km2，長4.25 km，縱坡比降1∶4.2，海拔2 600 ~ 3 800 m；年平均氣溫–0.6 ~ 2.0℃，年平均蒸發量1 052 mm，年平均日照時數1 893 h，日輻射總量110.28 kW/m2，年平均相對濕度為60%[10-11]，屬高寒半干旱山地森林草原氣候[12-13]。流域自然條件復雜，水熱條件差異大，形成了多種具有明顯垂直梯度的植被類型和土壤類型。海拔從低到高，植被類型依次為山地草原植被、山地森林草原植被、亞高山灌叢草甸植被、高山冰雪植被；土壤類型依次為山地栗鈣土、山地灰褐土、亞高山灌叢草甸土、高山寒漠土。在各類土壤中山地灰褐土和亞高山灌叢草甸土是生長森林的土壤，山地灰褐土分布在海拔2 600 ~ 3 300?m地帶，是喬木林的主要分布帶；亞高山灌叢草甸土分布在海拔3 300 ~ 3 800?m亞高山地帶，是濕性灌木林的主要分布帶。建群種青海云杉呈斑塊狀或條狀分布在實驗區海拔2 600 ~ 3 300 m陰坡和半陰坡地帶，與陽坡草地犬齒交錯分布；灌木優勢種有金露梅()、鬼箭錦雞兒()和吉拉柳()等，草本主要有珠牙蓼()、黑穗苔()和針茅()等。

2 研究方法

2.1 觀測場布設

土壤溫濕度自動觀測系統分別位于祁連山森林生態系統定位研究站設在排露溝流域海拔2 700 m的青海云杉林和2 570 m半陽坡草地氣象綜合觀測場內。其中，青海云杉林樣地位于坡面的中下部，坡向NE(北東)，坡度為 23°(表1)，該樣地林分密度為1 152 株/hm2，林齡96 a，郁閉度0.55，平均樹高 10.6 m，平均胸徑15.3 cm。林下灌木層主要由銀露梅()組成，蓋度約4%；草本層有大披針苔草() 、珠牙蓼()、蘚生馬先蒿()等，蓋度約 37%；苔蘚層平均厚度為8.44 cm，蓋度約 30%。土壤為灰褐土，土層厚度約為76 cm，表層容重0.63 g/cm3，隨土層深度的增加，其容重不斷增加，但容重均小于1.00 g/cm3；土壤的孔隙度和毛管孔隙度較大，有機質積累豐富。草地樣地位于陽坡，坡向SW(南西)，坡度10°，覆蓋度為72%，優勢種為大針茅()、委陵菜()、冰草()、馬藺()、狼毒()等。土壤為栗鈣土，土層厚度約為80 cm，表層容重1.10 g/cm3，隨土層深度的增加，其容重不斷增加，容重仍大于1.00 g/cm3，可能源于母質層質地偏砂質，土壤孔性良好[14-15]。

表1 林地和草地氣象觀測場基本信息[14]

2.2 土壤溫濕度觀測

所布設的青海云杉林和草地2個氣象綜合觀測場土壤溫濕度自動觀測系統主要包括土壤溫濕鹽數據傳感器(HydraProbe，土壤溫度傳感器范圍：–30 ~ 55，單位：℃，精度：±0.1℃；土壤濕度傳感器范圍：干到飽和，單位：體積分數(%)，精度：±0.03)及其數據采集器(Campbell CR3000)，數據傳感器探頭布設距離地面深度依次為：10、20、40、60、80 cm。土壤溫濕度的采集，采用溫濕度數據采集記錄器控制溫濕度傳感器(HOBO)，利用loggerNet軟件主界面進行存儲的數據提出并按其數值、時間進行分析，繪圖。2個觀測場的土壤溫濕度測定時間間隔均為10 min記錄1次，日變化及小時變化均按10 min測定值通過平均求得，在正式觀測之前，已對觀測試驗數據進行了檢驗，證實觀測數據可靠。

2.3 數據處理和統計分析

本文采用2014年6月1日—2015年5月31日整一年的觀測數據。為了避免隨機天氣過程的影響，文中采用的日數據是2014年6月1日—2015年5月31日每日0:00數據；小時數據選用了2014年6月1日—2015年5月31日整點小時平均值[4]。采用對比分析及線性趨勢分析等方法分析祁連山青海云杉林和草地土壤溫濕度時空變化。所有數據均采用Excel進行制圖，利用SPSS進行統計學分析。

3 結果與分析

3.1 林地和草地土壤溫度的變化特征

3.1.1 土壤溫度的日變化特征 對祁連山排露溝流域林地和草地土壤溫度日變化進行了統計分析(圖1)，從圖1可以看出，林地和草地土壤溫度日動態變化趨勢較為一致，在不同土壤深度的變化呈現出以下特點：淺層(10 cm和20 cm深度)土壤溫度呈正弦曲線變化，溫度變化較為明顯，且10 cm深度土壤溫度變化較20 cm深度明顯；深層(40、60和80 cm深度)土壤溫度約呈直線變化，溫度變化不明顯，這3個深度土壤溫度在林地中的變化幅度表現為60 cm> 80 cm>40 cm，在草地中的變現為40 cm≈60 cm>80 cm。因此，太陽輻射的日變化影響深度至少在20 cm的深度。淺層土壤溫度林地的最高值出現在21:00時左右，而草地最高值出現在18:00時左右；林地最低值出現在11:00時左右，而草地最低值出現在9:00時左右。從增溫與降溫來看，林地升溫慢降溫快，而草地升溫快降溫慢，林地和草地20 cm深度土壤溫度位相均滯后于10 cm深度。

圖1 林地和草地土壤溫度日動態

3.1.2 土壤溫度的年變化特征 對林地和草地土壤溫度的年變化進行了分析(圖2)，從圖2可以看出，林地和草地不同深度土壤溫度年動態變化趨勢均一致，均呈現正弦曲線變化規律，這與太陽輻射年際變化特征一致，說明太陽輻射變化至少影響到80 cm深度土壤溫度。夏季林草地吸收的熱量由地表向深層傳送，冬季情況相反，林地土壤溫度7月底達到最高值，而后開始下降，翌年2月上旬達到最低值；草地土壤溫度7月底達到最高值，而后開始下降，12月中旬達到最低值。受天氣的影響，淺層土壤溫度波動較大，隨土層深度的增加，深層土壤溫度波動減小。林地從當年6月初至10月中旬和翌年5月上旬開始，草地從當年6月初至9月上旬和翌年3月上旬開始，隨土層深度的增加，土壤溫度均不斷減??；其他時間，土壤溫度隨土層深度的增加其溫度均不斷升高。

林地和草地土壤溫度在日變化尺度上隨時間變化表現出明顯的凍融特點。以劉帥等人[16]對凍土季節凍融過程的劃分為依據(當土壤日最高溫度>0℃且土壤最低溫度小于＜0℃時，土壤為封凍期；當土壤日最高溫度>0℃且土壤最低溫度＜0℃時，土壤為解凍期)。林草地土壤不同土層進入封凍時長各不相同(表2)，土壤自上而下凍結，下層土壤凍結有一定的滯后，林地封凍時長明顯大于草地封凍時長。

圖2 林地和草地土壤溫度年動態

3.2 林地和草地土壤濕度的變化特征

3.2.1 土壤濕度的日變化特征 林地和草地土壤濕度的日動態變化趨勢較為一致，而且土壤日變化較小或不明顯(圖3)。相對而言，在不同深度土壤中，林地和草地10 cm和20 cm深度土壤濕度的變幅明顯于其他深度，其他深度土壤濕度日變化非常小，基本不受太陽輻射日變化的影響。林地土壤濕度變幅大小表現為10 cm>20 cm>40 cm>60 cm>80 cm；草地土壤濕度大小表現為10 cm>40 cm>20 cm>60 cm>80 cm。此外，林地不同深度土壤濕度高于草地同一深度土壤濕度。

表2 林地和草地不同深度土壤的封凍和解凍時間

圖3 林地和草地土壤濕度日動態

3.2.2 土壤濕度的年變化特征 從林地和草地土壤濕度年變化分析可以看出(圖4)，總體上林地不同深度土壤濕度年動態變化趨勢均一致，呈現正弦曲線的變化規律。林地土壤濕度7月底達到最高值，而后開始下降，翌年2月上旬達到最低值。在土壤未凍結前，土壤濕度在10 cm深度含水量最大，其次分別是20 cm>60 cm>40 cm>80 cm；土壤凍結后未消融之前，10 cm深度含水量亦最大，其次分別是60 cm>20 cm> 80 cm>40 cm；土壤消融后，10 cm深度含水量仍最大，其次分別是20 cm>60 cm>40 cm>80 cm。在一年當中，林地10 cm深度土層始終為一個高含水層，濕度變化范圍為13% ~ 32%，其次是20 cm和60 cm，40 cm和80 cm深度土層最低，這與林木的地上層結構(林冠截留)和林木根系深度有關(青海云杉林平均根長為60 cm)。草地10 cm和20 cm深度土層在未凍結之前因受降雨等的影響，濕度表現出明顯的突變特點，而且其含水量也較高，其他深度土層的變化趨勢均為一致。因地下水深，土壤濕度主要受大氣降水的影響，試驗期間草地生長季初期到末期，土壤濕度7月上旬達到最高值，其他時間濕度變化較為緩和且在同一水平線上；進入到土壤結凍和未消融期間，土壤濕度較低且變化不明顯；到土壤解凍時，土壤因吸收太陽輻射溫度升高，土壤濕度增加。

(林地10、20和60 cm深度土壤濕度因儀器的原因部分數據有缺失)

3.3 林地和草地土壤溫濕度耦合關系

對林地和草地一年間不同深度土壤溫濕度進行了耦合分析(圖5)，從圖5可以看出，林地和草地土壤溫濕度相比較其在一年間的變化趨勢不一致。林地中，不同深度土壤溫濕度均保持在相對穩定的范圍內，均呈正弦型的曲線變化規律，而且變化趨勢基本一致，不同深度土壤溫濕度Pearson相關系數均達到0.99，相關性達到極顯著水平(<0.01)，林地土壤溫濕度之間具有良好的耦合關系。草地淺層(10 cm和20 cm深度)土壤在進入封凍前，土壤溫濕度呈相反的變化趨勢，即當土壤溫度降低時，土壤濕度升高；在土壤進入解凍后，土壤溫濕度亦呈相反的變化趨勢，即當土壤溫度升高時，土壤濕度降低；土壤進入封凍后和解凍前，土壤溫濕度保持在相對穩定的范圍內，溫度變化明顯，濕度變化不明顯；其他深度土壤溫濕度變化趨勢總體較為一致，在土壤進入封凍前和解凍后其溫度變化較為緩和，而濕度變化較為明顯。大體來看，土壤溫濕度在封凍前同步降低，在解凍后同步升高；封凍期間，土壤溫濕度亦保持在相對穩定的范圍內，水熱條件較為穩定。相關性分析表明，草地不同深度土壤溫濕度之間極顯著相關(<0.01)，其Pearson相關系數達到0.638以上，二者之間具有良好的耦合關系。

圖5 林地和草地不同土層土壤溫濕度耦合關系(圖左為林地，圖右為草地)

4 討論

4.1 林地和草地土壤溫度變化特征

土壤溫度除了與區域性因素(海拔、經度、緯度)有關外，還與局地因素(地表覆蓋、土壤質地、土壤濕度等)有關，特別是亞高山地帶，土壤溫度明顯受局地因素的影響[17]。本研究表明，兩種典型下墊面條件下的林地和草地土壤溫度時間尺度包括日變化、年變化均呈正弦型的曲線變化規律。空間尺度表現為在不同土層深度，林地和草地土壤溫度日變化的影響深度為20 cm，20 cm以下土壤溫度振幅變化很小，一方面與土壤濕度狀況有關，土壤濕度大，則土壤溫度變化幅度?。涣硗庖粋€方面與土壤質地有一定的關系，林地和草地土壤石礫含量較大也是其明顯的特點之一。該研究結果與地處青藏高原納木錯站、珠峰站和藏東南站3個典型下墊面的研究結果相似[18]。林地和草地土壤溫度年變化的影響深度達到了80 cm以下，而且其凍融過程呈現出明顯的緩慢降溫過程和迅速的升溫過程的特點，即：非對稱的緩凍速融的特點，原因是土壤在開始凍結的過程中要釋放一定的潛熱，一定程度上延遲凍結過程；消融開始時，凍土溶解，液態水增加，土壤導熱性增加，加速消融，其變化特征與藏北高原高寒草地土壤凍融特點相似[19]。另外，林地的土壤封凍時長比草地約多30 d，主要原因一是林冠大幅降低了太陽輻射，二是林冠阻隔了熱量與水汽交換，同時反射地面長波輻射[20]，該結果及林地和草地的封凍時長與任璐等人[21]利用凍土器測定的研究結果接近。

4.2 林地和草地土壤濕度變化特征

土壤濕度與大氣降水、植被、土壤類型、氣溫等密切相關[22-23]。祁連山排露溝流域林地和草地土壤濕度日變化不明顯，主要原因是地處亞高山地帶的山地森林有明顯的季節凍結和消融過程，土壤中的水分具有白天消融、晚上凍結的特點，其過程有利于水分在土壤中的維持。研究結果與青藏高原納木錯站、珠峰站和藏東南站3個典型下墊面的研究結果相似[18]。林地和草地不同深度土壤濕度的年變化規律大體相同而變化振幅不相同。夏季降雨多，土壤濕度表現為最大；秋季雖然植物生理活動減弱，需水量減少，但大氣降水減少，土壤濕度不斷減小；冬季因積雪覆蓋加上凍土的作用，土壤濕度不明顯。本文雖然對一年的土壤濕度進行了分析，但是土壤濕度傳感器只能測定土壤中未凍結水的含量，冬季測定的土壤濕度不能正確代表土壤濕度的真實值。春季，隨太陽輻射的增強，凍土和積雪融化，土壤濕度不斷增加。另外，相比較而言，林地土壤濕度在夏季、秋季和冬季的變化較為緩和，草地的土壤濕度在夏季、秋季和冬季的變化較為劇烈，這與兩種下墊面的植被覆蓋有很大的關系。林地除了林冠對大氣降水產生作用外，還包括苔蘚枯落物層等的作用[24]，而草地結構較林地簡單，對大氣降水的作用減弱，進而直接影響了土壤含水量的明顯變化。

4.3 林地和草地土壤溫濕度之間的相互影響

土壤溫度變化及熱傳遞是影響土壤和大氣水熱交換的重要過程，而植被是決定這種變化和影響的環境因子之一[25]。林地在一年當中的不同深度土壤溫濕度的變化趨勢相同，土壤溫度的升高或降低，導致了土壤濕度的增加或減少。以春季為例，隨土壤溫度的增加，土壤濕度亦升高，可能是林冠的遮陰作用和地被物苔蘚層的作用，加上林地土壤濕度相對較大，土壤熱容量較高，土壤溫度不能提供足夠的熱量使水分揮發，直到夏季，土壤溫度進一步升高，但此時是降雨季，因此土壤濕度不斷增加，其具體原因有待于以后進一步地研究探討。而草地淺層土壤溫濕度在進入封凍前和解凍后呈相反的變化趨勢，土壤溫度的升高或降低，導致了土壤濕度的減少或增加。如在春季，隨土壤溫度的升高，草本處于萌芽或生長季的初期，植被覆蓋度低，土壤中的水以氣態的形式通過土壤孔隙進行揮發，導致土壤水分的減少。隨土層深度的增加，二者之間的相互影響程度減弱，此研究結果與青藏高原的巴塘高寒草甸土壤溫濕度的相互作用規律相同[4]。

本研究只考慮了一個年周期林地和草地土壤溫濕度的變化情況，前期降雨事件直接影響著土壤濕度的變化，土壤濕度的變化進而影響土壤溫度的變化，因此，在今后的土壤溫度變化研究中，需要收集多年的數據來進行對比分析，從而提高結論的可信度。另外，在研究中，因為儀器工作或未知因素的影響，導致部分數據的缺失，這是在以后研究中應當改進的方面。

5 結論

祁連山排露溝流域分布的林地和草地土壤溫度日變化和年變化具有各自的變化特點，林地和草地的10 cm和20 cm土壤深度溫度日變化呈正弦曲線變化，40 cm、60 cm和80 cm土壤深度土壤溫度日變化約呈直線變化；林地和草地土壤溫度年變化均表現為7月底達到最高值，而后開始下降，其中林地翌年2月上旬達到最低值，而草地12月中旬就達到最低值；林地封凍時長明顯大于草地封凍時長。

林地和草地土壤濕度日變化受太陽輻射的影響不明顯；林地不同土層土壤濕度年動態變化趨勢均一致，呈現正弦曲線的變化規律；草地在土壤結凍后和未消融期間，土壤濕度較低且變化不明顯，其他時間土壤濕度變化明顯。

林地中，除40 cm深度外，其他深度土壤溫濕度均保持在相對穩定的范圍內，而且變化趨勢基本一致；草地淺層土壤在土壤封凍前和解凍后，土壤溫濕度變化趨勢相反，封凍期間土壤溫濕度亦保持在相對穩定的范圍內，溫度變化明顯，濕度變化不明顯，其他土層土壤溫濕度總體變化趨勢一致；林地和草地土壤溫濕度二者之間具有良好的耦合關系。

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Spatio-temporal Change Characteristics of Soil Temperatures and Moistures in Forest and Grass Complex Basin in Qilian Mountains

ZHAO Weijun1,2, LIU Xiande1,2, JIN Ming1,2, JING Wenmao1,2, WANG Shunli1,2, REN Xiaofeng1,2, MA Jian1,2, WU Xiurong1,2

(1 Academy of Water Resources Conservation Forests in Qilian Mountains of Gansu Province, Zhangye, Gansu 734000, China; 2 Key Laboratory of Hydrology and Water Resources of Forest Ecology and Frozen Soil of Gansu Province, Zhangye, Gansu 734000, China)

The data of soil temperatures and moistures in 10 minute interval in the meteorological observation field underforestland and grassland in the Pailugou basin of the Qilian Mountain Forest Ecological Station were analyzed with the methods of comparative analysis and linear trend. Results showed that daily soil temperatures showed sinusoidal changes in 10 cm and 20 cm soil depths and linear changes in 40 cm, 60 cm and 80 cm soil depths. Soil temperature reached the highest at the end of July and then began to decline both for forestland and grassland, reached the lowest in early February for forestland and in late December for grassland. Freeze-up period of forestland is longer than that of grassland. Solar radiation did not influence the daily change of soil moisture in forestland and grassland. Dynamic changes of soil moistures were coincident and all showed sinusoidal changes in different soil depths under forestland. Soil moisture was low and changed little during the freeze-up period but changed obviously in other time. In forestland, soil temperatures and moistures were kept in a relatively stable range and with the same change trend in different soil depths except in 40 cm soil depth. In grassland, soil temperature and moisture changed inversely before soil freeze-up and after soil thaw. During the freezing period, topsoil temperature and moisture were also kept in a relatively stable range, with obvious change in temperature but unobvious change in moisture, while soil temperatures and moistures changed consistently in other soil depths.

Forest and grass complex basin;Soil temperature and moisture;Spatial-temporal change;Qilian Mountains

國家自然科學基金項目(91425301、31360201、41461004)、科技基礎性工作專項(2014FY120700)、甘肅省自然科學基金項目(17JR5RG351)和國家林業局陸地生態系統定位研究網絡項目(CTERN)資助。

趙維俊(1981—)，男，甘肅靖遠人，博士，副研究員，主要從事森林與土壤生態研究。E-mail：zhaoweijun1019@126.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.04.020

S152.6

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