祁連山典型小流域大氣與土壤溫濕度季節與年際變化特征研究

張恒平顧玉梅

(1.甘肅祁連山國家級自然保護區管護中心哈溪自然保護站，甘肅 武威 733000；2.天祝藏族自治縣哈溪鎮人民政府，甘肅 武威 733000)

引言

草地生態系統(Grassland ecosystem)通常是指以多年生草本植物為主要生產者的陸地生態系統。草地是承載和保護生物多樣性的關鍵場所，具有防風、固沙、涵養水源、養分循環、改良土壤等功能，也是集生態、生產和生活為一體的多功能體，對維護民族地區團結、經濟社會發展和構建和諧社會有著重要支撐；同時，在我國以國家公園為主體的自然保護地體系中具有舉足輕重的地位[1，2]。有研究表明，高山地區生態系統比其他地區對氣候變化的敏感性要高[3，4]。也有研究認為，自1987年以來我國西北地區氣候出現了由暖干向暖濕的轉變[5]。因此，研究高山地區草地生態系統的氣候變化對積極應對氣候變化帶來的風險意義重大。

當前國內外對于氣候變化的研究較多。國內對氣候變化的研究主要集中于高原氣候變化、氣候變化對濕地、河流、草地、人體健康等的影響。如，鄧景成等[6]分析了氣候變化對生態環境的影響致使植被帶向南移以及對農業、畜牧業發展所產生的破壞。王鶯等[7]從土壤侵蝕、徑流量、濕地、凍土和植被等方面深入討論了氣候變化對黃河源區生態環境的直接影響及其特點。高志勇等[8]研究表明，溫度升高和降水量減少，會導致生物多樣性減少、濕地退化甚至消失。國外對氣候變化的研究主要基于預測模型來預測未來幾十年氣候如何變化。如，Jiang等[9]研究了氣候和土地利用對西南山地植被時空格局變化的影響，結果表明，NDVI在海拔3400m以上和海拔3400m以下對氣候的反應值有所不同。Xia等[10]提出了一個目標和框架，用來以評估山區災害威脅下的優質旅游點的生態脆弱性，通過生態系統退化和人類經濟活動，從生態學角度分析其時空格局。Simonova等[11]分析了俄羅斯上伏爾加地區尼祿湖盆鹽漬土壤對近期氣候變化的響應。

氣候變暖最直接的表現就是空氣溫濕度的升高。施雅風等[5]研究認為，自1987年以來我國西北地區氣候開始出現了由暖干向暖濕的轉變。這就意味著空氣溫度升高、濕度增大。由此可見，對空氣溫濕度的研究顯得越來越重要。成龍等[12]研究了高寒沙區吸濕凝結、水凝結過程與溫濕度的相關性，結果表明，吸濕凝結的水量與近地層空氣濕度呈現正相關，與近地層空氣溫度、土壤溫度和土壤濕度呈現負相關。李愛博等[13]研究表明，在其他環境因子不變的情況下，空氣溫度和空氣相對濕度與空氣負離子濃度均呈現極顯著的正相關關系。Wei等[14]根據1951—2018年華北干旱地區的氣象數據評價空氣變濕的趨勢，發現在過去幾十年中，年相對濕度下降了0～0.10%·a-1。Li等[15]研究認為，氣候濕度是介導物種豐富度與群落生物量關系的最重要因素。

土壤溫濕度的研究在一定程度上受氣候變化的影響。而目前對土壤溫濕度的研究主要在高海拔地區，包括草地、森林、灌木等植被類型的土壤。李雪琴等[16]研究了西藏藏東南地區草地生態系統土壤的溫濕度分布特征，結果表明，10cm土壤層的溫度基本按照正弦曲線變化，與太陽輻射變化一致；土壤濕度主要受降水量的影響。沈石[17]研究了黑河上游氣候土壤水文要素時序特征，結果表明土壤濕度的波動性要低于土壤溫度的波動性；土壤溫濕度之間相互影響也存在時間分異情況。卓嘎等[18]分析了不同深度的青藏高原土壤溫濕度的變化特征，結果表明，土壤溫度與濕度呈現顯著正相關關系，土壤溫度升溫很快但降溫很慢，而且淺層土壤溫度梯度大于深層土壤。張音等[19]認為積雪深度、大氣溫度和雪面溫度高低對土壤溫濕度有一定的影響，土壤溫濕度隨土壤層深度的增加而趨于平緩。付皓宇等[20]認為，土壤溫濕度隨土壤深度的增加具有明顯的垂直分異性，且白天土壤呼吸速率與土壤溫濕度呈現負相關，夜間土壤呼吸速率與土壤溫濕度呈現正相關。

祁連山地處青藏高原、黃土高原和蒙新荒漠交匯的地帶，位于青海省東北部，甘肅省西部邊境，是氣候變化的生態脆弱區和敏感區[21]，是國家“兩屏三帶”生態安全戰略格局的重要組成部分，在水源涵養、物種多樣性方面發揮著重要的生態屏障作用。草地生態系統是祁連山的優勢生態系統，目前有關祁連山草地生態系統的研究主要集中于草地的多年凍土變化、草地生物量及生物多樣性、草地儲碳蓄水能力、草地土壤呼吸、草地物種光和特性等方面。祁連山草地生態系統土壤溫濕度及降水動態變化的研究鮮見。開展祁連山典型流域草地生態系統土壤溫濕度及降水動態變化的研究，可為祁連山草地生態系統服務評估提供基礎數據，同時為祁連山的生態環境保護和管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于甘肅祁連山國家級自然保護區寺大隆自然保護站轄區的天澇池流域，屬于黑河上游的主要支流，流域總面積為12.8km2，河流縱長6.0km，縱坡比降1∶12.5。由于多種不同影響氣候的因素迭加構成了溫帶高寒半干旱山地森林草原氣候，其氣候表現形式為冬長寒冷干燥，夏短溫涼濕潤。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]。流域內陰坡分布青海云杉林，陽坡分布祁連圓柏林，并有大面積的帶狀或塊狀森林與草原、沼澤、水域等交錯分布，野生植物資源豐富，植被類型的垂直變化具有典型性和代表性，構成了山地復合生態系統。草地生態系統主要分布在海拔3000～3100m處，物種組成有苔草(Carer tristachya)、鵝絨委陵菜(Potentilla anserina)、紫花針茅(Stipa purpurea)、蒲公英(Herba Taraxaci)、毛茛(Ranunculus japonicus)、垂穗披堿草(Elymus nutans)、矮嵩草(Kobresia humilis)等。土壤類型主要有灰褐土、寒漠土、亞高山草甸土和山地灰鈣土。本研究區域地理位置示意圖如圖1所示。

圖1 研究區地理位置圖

1.2 數據來源與處理

本研究的數據來源于甘肅祁連山國家級自然保護區管理局寺大隆自然保護站內天澇池流域的草地自動氣象站2013—2016年監測數據。利用美國HOBO U3O土壤溫濕度自動記錄儀，在草地土層深度10cm處埋設溫度(ST)和水分(SW)探頭，監測土壤溫度和水分變量，數據監測間隔時間為30min。利用HOBOU30軟件，以半年一次的頻度對記錄儀進行數據采集。草地自動氣象站主要監測項目包括氣溫、大氣壓、風速、風向、相對濕度、太陽輻射、降雨量及土壤溫濕度。

運用Excel 2010軟件將觀測的數據進行處理，分析整理后進行制圖；將獲取的均值數據運用SPSS軟件進行統計分析、相關性分析及多元線性回歸分析。研究區地理位置示意圖運用ArcGis 10.2進行制作。

2 結果

2.1 大氣溫濕度變化特征研究

2.1.1 大氣溫濕度季節變化特征

祁連山草地生態系統大氣溫度的季節變化特征如圖2所示。2013年、2015年、2016年的大氣溫度最高值均出現在秋季，2014年的平均最高溫出現在夏季。整體來說，大氣溫度在不同的年份均呈現出先上升后下降的趨勢，且秋季平均溫度最高(-0.79℃)，冬季最低(-12.26℃)。

圖2 祁連山草地系統大氣溫度季節變化特征

祁連山草地生態系統大氣濕度的季節變化特征如圖3所示。結果表明，2013年、2015年大氣相對濕度均為秋季最高，2014年、2016年為夏季最高。2014年和2016年四季的變化趨勢基本一致，都是夏季相對濕度最高，依次為秋季、春季和冬季。大氣濕度的最高值出現在2013年的秋季(76.34%)，最低值出現在2013年的夏季(45.75%)。整體來說，秋季的大氣濕度最高(70.9%)，春季的大氣濕度最低(53.83%)。

圖3 祁連山草地系統大氣濕度季節變化特征

2.1.2 大氣溫濕度年變化特征

為了進一步了解大氣溫濕度在時間尺度上的變化特征，觀測了祁連山草地生態系統的大氣溫濕度年變化。祁連山草地生態系統大氣溫度年變化特征如圖4所示，2013—2016年的年均大氣溫度為-7.69℃。2014年、2015年和2016年的年平均溫度均為負值。2013年平均溫度最高(0.04℃)，2015年最低(-17.46℃)。大氣溫度呈現先降低后升高的趨勢，先逐年降低，再從2015年逐年升高。

圖4 祁連山草地系統大氣溫度年變化特征

祁連山草地生態系統大氣濕度年變化特征如圖5所示。由圖5可知，年均大氣濕度為61%，大氣濕度的年變化呈現先增后減的趨勢，但年際間差異不明顯。2015年大氣濕度年平均值最高(63%)；2013年大氣濕度最低，為57%。

圖5 祁連山草地系統大氣濕度年變化特征

2.2 草地土壤溫濕度動態變化研究

2.2.1 草地土壤溫濕度季節變化動態

祁連山草地系統表層土壤溫度季節變化特征如圖6所示?？傮w來說，土壤溫度秋季最高(0.67℃)，春季最低(-9.28℃)。2013年的土壤溫度為秋季最高(8.68℃)，春季最低(-6.05℃)。2014年夏季土壤溫度最高(7.28℃)，冬季最低(-4.03℃)。2015年四季的土壤溫度均為負值，春季土壤溫度最高(-11.96℃)，夏季最低(-18.29℃)。而2016年的土壤溫度季節分布特征與2014年完全不同，秋季最高(3.43℃)，春季最低(-18.32℃)。土壤溫度的最大值出現在2013年的秋季，最小值出現在2016年的春季。

圖6 祁連山草地系統土壤溫度季節變化特征

祁連山草地土壤水分的季節變化情況如圖7所示?？傮w來說，土壤濕度在秋季最高(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、冬季較高，春季、夏季較低，2014年、2016年的土壤水分含量均在夏季、秋季較高，春季、冬季較低，并且差異明顯。土壤水分含量的最大值出現在2013年的秋季(0.2228m3·m-3)，最小值出現在2013年的春季(0.0183m3·m-3)。春季的土壤水分含量普遍較低。

圖7 祁連山草地系統土壤水分季節變化特征

2.2.2 草地土壤溫濕度年變化動態

祁連山草地系統土壤溫度的年變化特征如圖8所示。年均土壤溫度為-5.47℃。草地土壤溫度在2013年和2014年是正值，在2015年和2016年均為負值，整體呈現出土壤溫度先下降后上升的趨勢。2014年土壤年均溫度最高，為1.83℃，2015年最低，為-14.95℃，這個結果與大氣溫度的結果相一致。

圖8 祁連山草地系統土壤溫度年變化特征

祁連山草地土壤水分的年際變化特征如圖9所示。結果表明，年均土壤水分為0.12m3·m-3，土壤水分在年際間并未存在明顯的差異性。4年的土壤水分變化趨勢平緩，最高值出現在2014年，為0.1242m3·m-3，最小值出現在2015年，為0.1189m3·m-3。

圖9 祁連山草地系統土壤水分年變化特征

2.3 草地土壤溫濕度的多元線性回歸分析

為了進一步探究草地土壤溫濕度與大氣溫濕度的關系，本研究采用多元線性回歸分析，構建了土壤溫度、土壤水分與大氣溫、濕度的多元線性回歸方程，結果如表1、表2所示。土壤溫度均與該年的大氣溫度和大氣濕度呈現顯著相關性(P<0.01)。4年的土壤水分與大氣溫、濕度呈現顯著的相關性(P<0.01)。但從多元回歸方程來看，發現自變量大氣溫度和大氣濕度的系數均很小。

表1 土壤溫度與氣象因子的多元線性回歸分析

表2 土壤水分與氣象因子的多元線性回歸分析

3 討論

3.1 大氣溫濕度變化特征

2013—2016年的年均溫為-7.69℃，這低于三江源地區(0.38℃)和黃土高原(0.35℃)的年平均氣溫。本研究中大氣溫度呈現出先上升后下降的季節變化趨勢，且秋季平均溫度最高(-0.79℃)，冬季最低(-12.26℃)。大氣溫度年變化呈現先降低后升高的趨勢，但研究發現三江源地區、黃土高原與青藏高原氣溫均呈現顯著升高的趨勢[24]，可能是因為年均大氣濕度為59.25%，大氣濕度在秋季最高(70.9%)，春季最低(53.83%)。大氣濕度呈現先升高后降低的趨勢。張美玲等研究發現，微山湖濕地相對濕度逐年呈下降趨勢，夏季最高，春季最低。

3.2 土壤溫濕度變化特征

2013—2016年的年均土壤溫度為-5.47℃，年均土壤水分為0.12m3·m-3。整體而言，土壤溫度年變化呈現先降低后上升的趨勢。何生錄等研究發現，柴達木盆地的土壤溫度年變化呈波動上升趨勢。土壤溫度季節變化表現為秋季>夏季>冬季>春季，而李明金等發現，廣西馬尾松人工林的土壤溫度季節變化為夏季>秋季>春季>冬季[25]。莫燕華等與趙維俊等[26]分別對桂林喀斯特石山和祁連山排露溝流域的土壤溫度變化特征進行研究得出，土壤溫度在夏季最高，冬季最低。

3.3 土壤溫濕度與大氣溫濕度的關系

土壤溫度的影響因素很多，如大氣溫濕度、降雨等[27]。本研究中每年的土壤溫度均與該年的大氣溫度和大氣濕度呈現極顯著相關性(P<0.01)，而且決定系數R2較高(0.520～0.809)，這與任濤等的研究結果一致。連帥明等對阿爾泰山森林土壤溫度研究發現，大氣溫度、氣壓和太陽輻射等與土壤溫度之間呈現極顯著相關性，其中與大氣溫度的相關性最強。由此可見，大氣溫濕度是影響土壤溫濕度的關鍵因素。土壤濕度也與大氣溫濕度呈極顯著正相關(P<0.01)，這與卓嘎等的研究結果基本一致。李雪琴等研究發現，土壤濕度主要受到降水的影響。因此，除大氣溫濕度之外，后期可以對降雨對土壤溫濕度的影響展開研究，為祁連山草地生態系統自然演替發展與環境因子的協同作用規律提供理論依據。

4 結論

祁連山天澇池流域草地生態系統的年均大氣溫度為-7.69℃，年均大氣濕度為61%。大氣溫度呈現出先上升后下降的季節變化趨勢，且秋季平均溫度最高(-0.79℃)，冬季最低(-12.26℃)。大氣濕度在秋季最高(70.9%)，春季最低(53.83%)。大氣溫度年變化呈現先降低后升高的趨勢，大氣濕度呈現先升高后降低的趨勢，氣候呈現暖濕化的趨勢。

祁連山天澇池流域草地生態系統的年均土壤溫度為-5.47℃，年均土壤水分為0.12m3·m-3。土壤溫濕度季節變化均表現為秋季>夏季>冬季>春季，土壤溫度年變化呈現先降低后上升的趨勢，土壤濕度變化平緩。大氣溫濕度與土壤溫度呈現極顯著正相關(P<0.01)；大氣溫濕度與土壤濕度也呈現極顯著正相關(P<0.01)。由此可見，大氣溫濕度是影響土壤水熱變化的關鍵因子。