魏衛(wèi)東，劉育紅，馬 輝，李積蘭

(青海大學(xué) 農(nóng)牧學(xué)院，西寧 810016)

土壤凍融作用發(fā)生于高緯度、高海拔凍土地區(qū)，是由于熱量的季節(jié)、晝夜變化導(dǎo)致一定深度的土壤水分因相變而凍結(jié)和融化的自然過程。土壤凍融以非生物應(yīng)力作用于土壤，可產(chǎn)生一系列生態(tài)學(xué)效應(yīng)[1-2]。在全球氣候變暖背景下，環(huán)境溫度波動加劇、凍融格局變化，多年凍土不斷退化[3]，而凍融作用可通過改變土壤熱容量等對區(qū)域乃至全球氣候變暖產(chǎn)生正反饋作用[4]。近年來，針對凍土及凍融作用的研究在土壤溶解性有機碳礦化[5]、非生物脅迫[6]、土壤養(yǎng)分平衡[7]、土壤水分和鹽分的遷移[8]等方面已取得進展。

高寒草原是青藏高原重要的草地類型之一，廣泛發(fā)育的凍土是維持高寒草原生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定的重要基礎(chǔ)，凍融作用塑造的寒凍土壤及協(xié)同進化的植被群落等構(gòu)成了獨特的高寒草原生態(tài)系統(tǒng)[9-10]。因此，凍融作用是高寒地區(qū)生態(tài)環(huán)境中具有主導(dǎo)作用的活躍因素，受到研究人員的廣泛關(guān)注。如高原土壤溫濕度的變化及在高原干濕季轉(zhuǎn)換中的作用[11-13]，高原濕地土壤凍結(jié)融化期間的陸面過程特征[14]，降雪對土壤凍融過程及其水熱分布的影響[15]，凍融作用與土壤碳氮、微生物量氮含量[16-17]等。

近幾十年來，在青藏高原氣候暖干化趨勢明顯、高寒草地超載過牧等自然和人為因素的共同擾動下，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差，且敏感的高寒草原凍土環(huán)境發(fā)生著顯著變化[18-20]，表現(xiàn)之一為高寒草原呈不同程度的退化。退化高寒草原的土壤理化性質(zhì)、物理過程等發(fā)生改變，植被的退化導(dǎo)致草地群落逆向演替，這些變化耦合在一起，勢必影響高寒草原陸地生態(tài)系統(tǒng)的熱量平衡，不僅使退化高寒草原凍融格局發(fā)生改變，也使得高寒草原凍融過程更為復(fù)雜。目前，針對退化高寒草原凍融作用特征的研究相對匱乏。因此，在具有典型高寒草原特點的草地設(shè)置不同退化程度研究樣地，在0～40 cm淺層土壤不同土層觀測記錄一個完整凍融周期內(nèi)的土壤溫度數(shù)據(jù)，分析土壤凍融作用特征，對回答不同退化程度高寒草原土壤凍融過程、不同土層溫度變化特征及土壤溫度與氣溫的耦合關(guān)系等科學(xué)問題將具有重要意義，以此也可以反映不同退化程度高寒草原凍融格局的變化規(guī)律，為研究凍融作用在高寒地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)過程中對氣候變化的響應(yīng)和反饋提供支持和例證，也為高寒草原其他生態(tài)環(huán)境問題的研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究樣地位于青海省果洛州瑪多縣(33°50′～35°40′N， 96°50′～99°20′E)?，敹嗫h面積2.5×104km2，平均海拔4 210 m，天然草地面積2.0×104km2[21]；瑪多縣屬高原大陸性氣候，一年無四季之分，冷季漫長、寒冷，暖季短暫、涼爽，無絕對無霜期，牧草生長期120 d；多年平均氣溫-4.1 ℃，最冷月-16.8 ℃，極端日最低溫-48.1 ℃，最熱月7.5 ℃，極端日最高溫22.9 ℃，晝夜溫差大，太陽輻射強，年均日照時數(shù)2 373～2 716 h，年均降水量303.9 mm且年際變化大，年均蒸發(fā)量1 333.9 mm。高寒草原原生植物主要有紫花針茅(Stipapurpurea)、青藏苔草(Carexmoorcroftii)、冷地早熟禾(Poacrymophila)、多裂委陵菜(Potentillamultifida)、矮火絨草(Leontopodiumnanum)、細葉亞菊(Ajaniatenuifolia)、黃花棘豆(Oxytropisochrocephala)等。高寒草原草地土壤為高山草原土。

1.2 樣地設(shè)置

在具有典型高寒草原特征的瑪多縣設(shè)置研究樣地(34°44′N，98°07′E)。利用空間分布代替時間演替并依據(jù)任繼周[22]、周華坤等[23]關(guān)于草地退化程度劃分的方法，結(jié)合樣地水土流失現(xiàn)狀、鼠蟲危害情況等綜合評價，研究樣地劃分為4個退化程度，即未退化(Un-degradation，UD)、輕度退化(Light degradation，LD)、中度退化(Moderate degradation，MD)和重度退化(Heavy degradation，HD)。不同退化程度研究樣地海拔4 289～4 293 m，草地類型為紫花針茅草地，土壤為高山草原土。每個退化程度研究樣地為30 m×50 m，均為陽坡，坡度5°～7°。

1.3 測定項目與方法

2016年7月-2017年6月在不同退化程度研究樣地設(shè)置土壤溫度觀測點。土壤溫度按0～10、10～20、20～30、30～40 cm 4個土層測定，由布設(shè)在土壤5、15、25、35 cm深度處的溫度傳感器及數(shù)據(jù)采集器(Onset-HOBO，溫度-40～100 ℃)完成。每日從0：00開始，每隔2 h自動記錄1次，全天共測定12次。

2016年8月，在不同退化程度研究樣地隨機設(shè)置1 m2觀測樣方，重復(fù)6次，進行植物群落數(shù)量特征測定，包括植被蓋度(多人目測平均法)、物種數(shù)、地上生物量(分物種齊地面刈割稱量)等。利用群落數(shù)量特征數(shù)據(jù)計算群落多樣性指數(shù)(Shannon-wiener)[24]、均勻性指數(shù)(Pielou)[25]，具體計算如下式：

E=H/lnS

式中：H為多樣性指數(shù)，E為均勻性指數(shù)，S為群落中物種數(shù)，Pi為第i個種的重要值占所有種重要值之和的比例。

1.4 數(shù)據(jù)分析

研究共獲得2016-07-01-2017-06-30高寒草原不同退化程度草地及不同土層一個完整凍融周期365 d土壤溫度數(shù)據(jù)。由每日12次觀測數(shù)據(jù)平均后得到土壤溫度日值(以下簡稱土壤溫度)。以土壤溫度開始持續(xù)<0 ℃時表示土壤凍結(jié)(不考慮土壤鹽分等對凍結(jié)的影響)，以土壤溫度開始持續(xù)>0 ℃時表示土壤消融[26-28]，以此獲得高寒草原研究樣地淺層土壤凍結(jié)日期、土壤消融日期、土壤持續(xù)凍結(jié)時間等數(shù)據(jù)。另外，以中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心提供的中國地面國際交換站氣象資料日值數(shù)據(jù)集瑪多站(區(qū)站號：56033，34°33′N，98°07′E，海拔4 272 m)的逐日平均氣溫資料作為本研究氣溫數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 退化高寒草原群落特征

退化高寒草原研究樣地隨退化程度的加劇，群落植被蓋度、地上生物量均降低，地上生物量不同退化程度間差異顯著，群落物種數(shù)、多樣性指數(shù)、均勻性指數(shù)總體呈先增加再降低的變化趨勢(表1)。

2.2 退化高寒草原淺層土壤凍結(jié)消融時間

高寒草原退化后，在地上植物群落結(jié)構(gòu)及土壤理化性質(zhì)均發(fā)生變化背景下，不同退化程度草地土壤凍結(jié)、消融開始時間及凍結(jié)持續(xù)時間發(fā)生相應(yīng)變化。

表1 不同退化程度草地特征Table 1 Community characteristics of grassland with different degradation degree

注：同列中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note:Different lowercase letters mean significant difference in the same columns(P<0.05).

研究樣地淺層土壤凍結(jié)過程反映出，土壤凍結(jié)起始日期始于10月20日，持續(xù)到11月14日，歷經(jīng)26 d；不同退化程度草地土壤凍結(jié)起始日期不同，同一土層土壤隨退化程度的加劇凍結(jié)起始日期提前，HD較UD各土層凍結(jié)起始日期提前7～12 d；同一退化程度不同土層土壤凍結(jié)起始日期也不同，隨土層加深凍結(jié)起始日期延遲，且隨退化程度的加劇，0～40 cm土層完成凍結(jié)用時縮短。

研究樣地淺層土壤消融過程則反映出，土壤消融起始時間始于5月15日，持續(xù)到6月28日，歷經(jīng)45 d；不同退化程度草地土壤消融起始日期不同，同一土層土壤隨退化程度的加劇消融起始日期提前，HD較UD各土層消融起始日期提前16～26 d；同一退化程度不同土層土壤消融起始日期也不同，隨土層加深消融起始日期推遲，隨退化程度的加劇，0～40 cm土層完成消融用時同樣縮短。對比土壤凍結(jié)、消融過程可以看出，退化高寒草原淺層土壤消融持續(xù)時間長于凍結(jié)持續(xù)時間。

在一個凍融周期內(nèi)，研究樣地不同退化程度草地淺層土壤開始凍結(jié)至開始消融歷時時間為207～226 d，凍結(jié)持續(xù)時間總體呈UD>LD>MD>HD、30～40 cm>20～30 cm>10～20 cm>0～10 cm的變化趨勢；HD較UD各土層自上而下凍結(jié)持續(xù)時間分別縮短9 d、11 d、14 d、14 d(表2)。

表2 不同退化程度及不同土層土壤凍融時間Table 2 Soil freeze-thaw time different degradation degrees and different soil layers

2.3 退化高寒草原淺層土壤溫度時空變化

土壤溫度等值線圖可以反映一定時間、空間尺度的土壤凍融作用的發(fā)生時間、發(fā)生部位、發(fā)生范圍。圖1反映出不同退化程度樣地0～40 cm土層土壤溫度時空變化不同。

各樣地土溫于8月21日-9月3日達到最高值，溫度為7.9～12.5 ℃，UD、LD、MD、HD各土層溫度最高值極差分別為0.8、1.2、1.6、2.5 ℃，反映出退化程度越重、土壤溫度變化范圍越大；各樣地土溫于次年1月9日-1月30日達到最低值，溫度為-8.4～-13.1 ℃，UD、LD、MD、HD各土層溫度最低值極差則分別為1.2、1.4、1.7、3.0 ℃，同樣反映出退化程度越重，土壤溫度變化范圍越大。其次，各樣地土溫從最高值降至0 ℃和從最低值升至0 ℃歷時時間呈UD>LD>MD>HD變化趨勢，反映出隨著退化程度的加劇，土壤溫度的變化速率呈增加趨勢(圖1)。

不同退化程度樣地淺層土壤溫度空間變化情況不同。從土壤進入凍結(jié)狀態(tài)空間變化看，UD、LD、MD、HD樣地0～10 cm土層分別于10月27日、10月25日、10月22日、10月20日溫度降至0 ℃開始凍結(jié)，隨后凍結(jié)鋒面下移，分別于11月14日、11月11日、11月7日、11月2日到達30～40 cm 土層；凍結(jié)鋒面自0～10 cm土層下移至30～40 cm土層，UD、LD、MD、HD樣地分別歷時19 d、18 d、17 d、14 d。由此反映出，土壤溫度降低進入凍結(jié)階段時0 ℃等溫線在UD、LD樣地歷時長、變化相對平緩，在MD、HD樣地歷時短、變化相對急劇(圖1)。另外，從土壤次年進入消融狀態(tài)的空間變化看，UD、LD、MD、HD樣地0～10 cm 土層分別于5月31日、5月22日、5月18日、5月15日溫度升至0 ℃，開始消融，0 ℃ 等溫線分別歷時29、30、25、19 d后到達30～40 cm土層，同樣反映出土壤溫度升高進入消融階段的0 ℃等溫線總體上UD、LD樣地歷時較長、變化相對平緩，MD、HD樣地歷時較短、變化相對急劇(圖1)。

橫軸是自2016-07-01開始的累積時間 Horizontal axis is cumulative number of times since July 1, 2016

綜合不同退化程度樣地一個完整凍融周期內(nèi)土壤凍結(jié)、消融過程中溫度等值線隨時間在不同土層的變化趨勢看，不同時間節(jié)點、不同土層溫度變化UD、LD較MD、HD緩和，土壤溫度梯度也相對較小。表現(xiàn)為隨退化程度加劇，土壤溫度的變化幅度和速率增大，高寒草原土壤溫度更易降溫和升溫。

2.4 退化高寒草原淺層土壤溫度與氣溫耦合關(guān)系

土壤凍融作用受氣候、局部地形地貌、地表植被狀況、土壤理化性質(zhì)等因素共同影響。淺層土壤溫度的變化與氣溫存在耦合關(guān)系，更易受到氣溫波動的影響。從退化高寒草原土壤溫度與氣溫的耦合關(guān)系看，各土層土溫與氣溫的相關(guān)系數(shù)UD、LD、MD、HD樣地分別為0.907～0.656、0.930～0.681、0.939～0.723、0.942～0.793，呈HD>MD>LD>UD的變化趨勢，同一退化程度不同土層土溫與氣溫的相關(guān)系數(shù)則呈0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm>30～40 cm的變化趨勢。反映出隨著草地退化程度的加劇，土溫對氣溫的響應(yīng)程度增強，隨著土層由淺到深，土溫對氣溫的響應(yīng)程度減弱(圖2)。

圖2 不同退化程度草地土壤溫度與氣溫相關(guān)性Fig.2 Correlation between soil temperature and air temperature in grasslands of different degradation degrees

3 結(jié)論與討論

全球氣候變化引起高緯度和高海拔地區(qū)凍土退化，導(dǎo)致凍土面積收縮、活動層厚度增加、凍融循環(huán)變得復(fù)雜、淺層土壤溫度及水分發(fā)生變異。這些問題在具有氣候變化放大器特征、生態(tài)環(huán)境脆弱、大面積分布退化草地的青藏高原更加突出。不僅使高寒草地退化與凍土退化耦合產(chǎn)生的效應(yīng)更加復(fù)雜，而且會作用于區(qū)域陸地-大氣系統(tǒng)中的熱量平衡，進而對區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生顯著影響。

本研究結(jié)果表明，在一個凍融周期中，隨著高寒草原退化程度的加劇，土壤各土層更早地進入凍結(jié)和消融狀態(tài)，凍結(jié)持續(xù)時間縮短，土壤溫度變化幅度增大、變化速率增加，土壤溫度對氣溫的響應(yīng)程度增強，更易升溫和降溫；0～40 cm土層，隨土層的加深，土壤進入凍結(jié)和消融狀態(tài)的日期延遲，凍結(jié)持續(xù)時間延長，土壤溫度變化趨向平緩，土壤溫度對氣溫的響應(yīng)程度減弱。隨退化程度加劇，0～40 cm土層完成凍結(jié)和消融用時縮短，更快地進入凍結(jié)和消融狀態(tài)。

在青藏高原，土壤凍融作用是維系草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的重要因素。由于凍融作用是高寒草地凍土環(huán)境下，地氣間能量遷移與變異的復(fù)雜動力學(xué)過程，除了與全球氣候變化相關(guān)聯(lián)外，也受到草地植被覆蓋及土壤理化性質(zhì)等的共同影響。本研究發(fā)現(xiàn)，高寒草原退化程度越高，植被覆蓋度越低，地上生物量和植物種類越少，土壤開始凍結(jié)和消融的時間也越早，凍結(jié)持續(xù)時間也越短，土壤溫度變化幅度和變化速率越大，這與王俊峰等[29]、程慧艷等[30]的研究結(jié)果一致。另外，草地群落物種構(gòu)成也是引起土壤凍融作用特征變化的原因。在植被覆蓋度較高的未退化或輕度退化草地，群落構(gòu)成中禾本科紫花針茅等植物為優(yōu)勢種，伴有莎草科青藏苔草等植物，這些物種地下根系發(fā)達，草氈層較厚，能夠改變土壤熱量的收支從而對淺層土壤具備溫度調(diào)節(jié)作用。表現(xiàn)為冷季能夠延緩熱量支出而保溫，暖季能夠阻擋熱量輸入而降溫，使得一個凍融周期內(nèi)土壤溫度的變化幅度小且平緩。高寒地區(qū)影響土壤凍融作用的地表覆蓋物還有積雪。邊晴云等[15]的研究發(fā)現(xiàn)，在多雪年草地地氣間熱交換明顯較弱，1月份多雪年較少雪年土壤凈輸出的熱量更少，使得多雪年5～40 cm土層土壤進入消融狀態(tài)的時間推遲24～12 d；常娟等[27]則認為，積雪能夠抑制土溫的變化速率。這些研究結(jié)果實質(zhì)表明積雪覆蓋具有與植被覆蓋相似的維持正常凍融狀態(tài)的作用。高寒地區(qū)土壤凍融作用除了與地表覆蓋有關(guān)外，與土層深度也相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，各退化程度高寒草原，隨土壤土層的加深，開始凍結(jié)和消融的日期推遲，凍結(jié)持續(xù)時間變長，溫度受氣溫影響減弱，變化趨緩，這一結(jié)果與范繼輝等[31]、李衛(wèi)朋等[32]的研究結(jié)果一致。

當(dāng)退化高寒草原土壤凍融特征變化后，土壤進入凍結(jié)和消融日期提前，凍結(jié)持續(xù)時間縮短，土壤凍結(jié)、消融速度加快，秋末冬初更易凍旱，春末夏初降水稀少、多吹風(fēng)天氣、牧草返青季節(jié)土壤蒸散量增加時，更易失墑而不利于植物生長[33]，加劇草地退化的程度和速度。因此，可以說，高寒草地環(huán)境條件下，凍融作用對草地水分涵養(yǎng)，維持草地生態(tài)系統(tǒng)正常功能顯得非常重要，而由于高寒草原退化導(dǎo)致的土壤凍融作用的改變，不利于高寒草原生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

在退化高寒草地，土壤有機碳、有機碳組分[34]、土壤微生物量碳[35]等已經(jīng)發(fā)生變化，不利于高寒草地碳匯，而凍融作用對土壤碳氮含量[36]、碳氮循環(huán)及礦化作用[37]、土壤酶活性[38]等均產(chǎn)生影響，增加CO2、N2O排放量，加劇溫室效應(yīng)，又作用于凍土環(huán)境使得高寒草地成為碳源，這種由于退化高寒草地土壤凍融特征改變引起的碳排放壓力，值得關(guān)注和深入研究。

今后在空間異質(zhì)性較大的青藏高原退化高寒草地進行土壤凍融特征及機理的研究，應(yīng)該通過多樣點、長時間尺度、較深土層來開展，以避免復(fù)雜的草地下墊面，不同年份溫度、降水變異幅度較大等因素的干擾，并將土壤水分、土壤理化指標(biāo)與土壤溫度相結(jié)合，以水熱數(shù)據(jù)協(xié)同分析，以期從水熱動態(tài)、熱傳導(dǎo)、土壤結(jié)構(gòu)、土壤生物過程、土壤理化因子變化等方面深入揭示凍融規(guī)律及發(fā)生機理，為高寒凍土地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護及資源利用提供依據(jù)。