魏衛(wèi)東,劉育紅,馬 輝,李積蘭

(青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院,青海 西寧 810016)

凍融作用是由于晝夜、季節(jié)溫度小于0 ℃和大于0 ℃時(shí)水分發(fā)生相變使得一定土層土壤凍結(jié)和消融的自然現(xiàn)象。土壤凍融普遍存在于中、高緯度及高海拔凍土地區(qū),以非生物應(yīng)力方式,改變土壤水熱動(dòng)態(tài)及土壤生物化學(xué)過(guò)程[1]。受全球氣候變暖影響,凍土區(qū)環(huán)境溫度波動(dòng)加劇,多年凍土不斷退化[2],不僅凍融格局發(fā)生變化,而且這種變化通過(guò)改變土壤熱容量、土壤含水量等對(duì)區(qū)域乃至全球氣候變暖產(chǎn)生正反饋?zhàn)饔肹3]。近年來(lái),針對(duì)凍土及凍融作用對(duì)土壤因子影響的研究在土壤有機(jī)碳[4]、非生物脅迫[5]、土壤養(yǎng)分平衡[6]、土壤水分和鹽分的遷移[7]、土壤微生物活性[8]及土壤CO2通量特征[9]等方面已經(jīng)取得進(jìn)展。青藏高原高寒草甸作為重要的草地類型之一,廣泛發(fā)育的凍土是維持高寒草甸生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定的重要基礎(chǔ),凍融作用塑造的寒凍土及協(xié)同進(jìn)化的草甸植被群落等構(gòu)成了獨(dú)特的高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)[10]。由于凍融作用在高寒草甸生態(tài)環(huán)境中意義重大,深受研究人員的關(guān)注。如高原土壤溫濕度的變化[11],高原濕地土壤凍結(jié)融化期間陸面過(guò)程特征[12],降雪對(duì)土壤凍融過(guò)程及其水熱分布的影響[13]。近幾十年來(lái),地處青藏高原腹地、生態(tài)系統(tǒng)敏感而脆弱的三江源區(qū)高寒草甸在氣候暖干化趨勢(shì)明顯、草地超載過(guò)牧等自然和人為因素的共同擾動(dòng)下[14-15],凍土環(huán)境發(fā)生著顯著變化,導(dǎo)致草地退化，草地生產(chǎn)和服務(wù)功能降低，高寒草甸生態(tài)屏障作用削弱[16]。據(jù)統(tǒng)計(jì),青海省高寒草甸退化面積為1 994.6萬(wàn)hm2,占全省高寒草甸總面積的78.4%[17],草地退化形勢(shì)嚴(yán)峻,針對(duì)退化高寒草甸的研究和治理刻不容緩。高寒草甸的退化表現(xiàn)為草甸植被群落逆向演替,土壤理化性質(zhì)及過(guò)程等發(fā)生改變,這些變化耦合在一起,勢(shì)必影響高寒草甸陸地生態(tài)系統(tǒng)的熱量收支及平衡,不僅使退化高寒草甸凍融格局發(fā)生改變,也使高寒草甸凍融過(guò)程變得更為復(fù)雜。目前,針對(duì)三江源區(qū)退化高寒草甸凍融作用特征的研究鮮見(jiàn)報(bào)道,回答不同退化程度高寒草甸土壤凍融過(guò)程、凍融的時(shí)空變化特征、土壤溫度與氣溫的相關(guān)性等科學(xué)問(wèn)題具有顯著意義,也可反映不同退化程度高寒草甸凍融格局的變化規(guī)律,為研究?jī)鋈谠诟吆貐^(qū)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)和反饋方面的作用提供支持和例證,也為高寒草甸其他生態(tài)環(huán)境問(wèn)題研究提供借鑒。

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藏族自治州達(dá)日縣窩賽鄉(xiāng)。達(dá)日縣平均海拔為4 200 m,高寒草甸面積為126.2萬(wàn)hm2;達(dá)日縣屬高寒半濕潤(rùn)氣候區(qū),無(wú)明顯四季之分,無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期,牧草生長(zhǎng)期約為120 d;多年平均氣溫為-0.5 ℃,最冷月均溫為-12.9 ℃,極端低溫為-34.1 ℃,最熱月均溫為9.1 ℃,極端高溫為23.2 ℃,年均降水量為595.0 mm,年均蒸發(fā)量為1 205.9 mm。高寒草甸植物群落以莎草科高山嵩草(Kobresiapygmaea)、矮嵩草(Kobresiahumilis)等為優(yōu)勢(shì)種,伴生種以菊科(Compositae)、禾本科(Gramineae)、薔薇科(Rosaceae)、豆科(Leguminosae)等植物為主;高寒草甸發(fā)育的土壤為高山草甸土。

1.2 樣地設(shè)置

在具有典型高寒草甸特征的窩賽鄉(xiāng)設(shè)置研究樣地(33°32′ N,100°01′ E),利用空間分布代替時(shí)間演替并依據(jù)任繼周[18]、周華坤等[19]關(guān)于草地退化程度劃分的方法,結(jié)合樣地土壤侵蝕、鼠蟲危害現(xiàn)狀等指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),劃分為未退化(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)4個(gè)退化程度。研究樣地草地類型為高山嵩草草地,土壤為高山草甸土。每個(gè)退化程度研究樣地大小為30 m×50 m,均為陽(yáng)坡,坡度為6°～9°(表1)。

表1樣地基本特征

Table1Basiccharacteristicsoftheplots

不同退化程度樣地海拔/m植被蓋度/%地上生物量/(g·m-2)物種數(shù)優(yōu)勢(shì)種 未退化(UD)4 20191.6±0.8561.3±11.218.6±1.3高山嵩草、矮嵩草 輕度退化(LD)4 19885.8±2.9492.2±36.826.6±1.6矮嵩草、高山嵩草 中度退化(MD)4 19663.6±3.1312.6±24.423.9±1.6美麗風(fēng)毛菊(Saussurea pulchra)、白苞筋骨草(Ajuga lupulina)重度退化(HD)4 20438.3±1.5169.5±23.513.5±1.1細(xì)葉亞菊(Ajania tenuifolia)、黃帚橐吾(Ligularia virgaurea)

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

2016年7月—2017年7月在不同退化程度研究樣地設(shè)置土壤溫度觀測(cè)點(diǎn)。土壤溫度按0～10、>10～20、>20～30和>30～40 cm 4個(gè)土層測(cè)定,由布設(shè)在土壤5、15、25和35 cm深度處的溫度傳感器(Onset-HOBO,溫度范圍為-40～100 ℃)完成。利用數(shù)據(jù)采集器每間隔2 h自動(dòng)記錄溫度數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)記錄時(shí)刻自每日0點(diǎn)開(kāi)始,全天共測(cè)定12次。2016年7月,在不同退化程度研究樣地隨機(jī)設(shè)置1 m2觀測(cè)樣方,重復(fù)6次,對(duì)每個(gè)樣方植物群落數(shù)量特征進(jìn)行測(cè)定,包括植被蓋度(多人目測(cè)平均法)、物種數(shù)和地上生物量(分物種齊地面刈割稱量)等指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

共獲得2016年7月1日—2017年6月30日高寒草甸不同退化程度草地、不同土層一個(gè)完整凍融周期365 d土壤溫度數(shù)據(jù)。每日12次觀測(cè)數(shù)據(jù)均值為土壤溫度日值(以下簡(jiǎn)稱土壤溫度)、每月逐日土壤溫度均值為土壤溫度月值。以土壤溫度開(kāi)始持續(xù)(5 d)<0 ℃ 時(shí)表示土壤凍結(jié)(不考慮土壤鹽分等對(duì)凍結(jié)的影響),以土壤溫度開(kāi)始持續(xù)(5 d)> 0 ℃ 時(shí)表示土壤消融[20],以此獲得高寒草甸研究樣地淺層土壤凍結(jié)日期、土壤消融日期和土壤持續(xù)凍結(jié)時(shí)間等數(shù)據(jù)。另外,以中國(guó)氣象局氣象數(shù)據(jù)中心提供的中國(guó)地面國(guó)際交換站氣象資料日值數(shù)據(jù)集達(dá)日站(區(qū)站號(hào)為56046,地理位置為33°45′ N,99°39′ E,海拔為3 968 m)的逐日平均氣溫資料作為該研究氣溫?cái)?shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 高寒草甸退化草地淺層土壤凍結(jié)消融時(shí)間

高寒草甸的退化使得不同退化程度草地淺層土壤在一個(gè)完整凍融周期內(nèi)開(kāi)始凍結(jié)、開(kāi)始消融的時(shí)間及凍結(jié)持續(xù)時(shí)間均發(fā)生相應(yīng)變化。

研究樣地淺層土壤凍結(jié)過(guò)程顯示土壤凍結(jié)始于10月31日,持續(xù)到12月3日,歷時(shí)34 d;草地退化程度不同,土壤凍結(jié)起始日期也不同,隨退化程度的加劇同一土層土壤凍結(jié)起始日期提前,HD樣地各土層凍結(jié)起始日期較UD樣地提前7～23 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土層土壤凍結(jié)時(shí)間縮短。研究樣地淺層土壤消融過(guò)程則表明土壤消融始于4月27日,持續(xù)到6月16日,歷時(shí)51 d;草地退化程度不同,土壤消融起始日期不同,隨退化程度的加劇同一土層土壤消融起始日期提前,HD樣地各土層消融起始日期較UD樣地提前18～38 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土層土壤消融歷時(shí)縮短(表2)。

在一個(gè)凍融周期內(nèi),不同退化程度草地淺層土壤開(kāi)始凍結(jié)至開(kāi)始消融歷時(shí)為179～196 d,不同樣地土壤凍結(jié)持續(xù)時(shí)間由長(zhǎng)到短總體依次為UD、LD、MD和HD,不同土層土壤凍結(jié)持續(xù)時(shí)間由長(zhǎng)到短依次為>30～40、>20～30、>10～20和0～10 cm;HD樣地各土層自上而下凍結(jié)持續(xù)時(shí)間較UD樣地分別縮短11、10、14和15 d(表2)。

表2不同退化程度及不同土層土壤凍融時(shí)間

Table2Soilfreeze-thawtimeofdifferentdegradationdegreesanddifferentsoillayers

不同退化程度樣地土層/cm凍結(jié)起始日期消融起始日期凍結(jié)持續(xù)時(shí)間/d 未退化(UD)0～1011-0705-15190>10～2011-1705-26191>20～3011-2606-07194>30～4012-0306-16196 輕度退化(LD)0～1011-0505-11188>10～2011-1105-20191>20～3011-1605-27193>30～4011-2006-02195 中度退化(MD)0～1011-0305-05184>10～2011-0805-12186>20～3011-1205-17187>30～4011-1605-23189 重度退化(HD)0～1010-3104-27179>10～2011-0305-02181>20～3011-0705-05180>30～4011-1005-09181

2.2 高寒草甸退化草地淺層土壤溫度時(shí)空變化

土壤溫度等值線圖可以反映一定時(shí)間、空間尺度土壤凍融作用的發(fā)生時(shí)間、發(fā)生部位和發(fā)生范圍。不同退化程度樣地0～40 cm土層土壤溫度時(shí)空變化見(jiàn)圖1。

各樣地土壤溫度于8月25日—9月17日達(dá)到最高值,溫度范圍為7.5～12.0 ℃,UD、LD、MD和HD樣地各土層溫度最高值極差分別為0.7、1.1、1.9和2.5 ℃,反映出退化程度越嚴(yán)重,土壤溫度變化范圍越大;各樣地土壤溫度于次年1月18日—2月13日達(dá)到最低值,溫度范圍為-10.7～-5.9 ℃,UD、LD、MD和HD樣地各土層溫度最低值極差則分別為1.5、1.5、1.6和2.8 ℃,同樣反映出退化程度越嚴(yán)重,土壤溫度變化范圍越大。其次,各樣地土壤溫度從最高值降至0 ℃、從最低值升至0 ℃歷時(shí)呈UD>LD>MD>HD的變化趨勢(shì),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(shì)(圖1)。

不同退化程度樣地淺層土壤溫度空間分布不同。從土壤進(jìn)入凍結(jié)狀態(tài)空間變化來(lái)看,UD、LD、MD和HD樣地0～10 cm土層分別于11月7日、11月5日、11月3日和10月31日溫度降至0 ℃開(kāi)始凍結(jié),隨后凍結(jié)鋒面下移,分別于12月3日、11月20日、11月16日和11月10日到達(dá)>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和HD樣地分別歷時(shí)27、16、14和11 d。由此可見(jiàn)土壤溫度降低進(jìn)入凍結(jié)階段時(shí)UD、LD樣地0 ℃等溫線歷時(shí)長(zhǎng),變化相對(duì)平緩,MD、HD樣地歷時(shí)短,變化相對(duì)急劇(圖1)。另外,從土壤次年進(jìn)入消融狀態(tài)的空間變化來(lái)看,UD、LD、MD和HD樣地0～10 cm土層分別于5月15日、5月11日、5月5日和4月27日溫度升至0 ℃開(kāi)始消融,0 ℃ 等溫線分別歷時(shí)33、23、19和13 d后到達(dá)>30～40 cm土層,同樣反映出土壤溫度升高進(jìn)入消融階段的0 ℃等溫線總體上變?yōu)閁D、LD樣地歷時(shí)較長(zhǎng),變化相對(duì)平緩,MD、HD樣地歷時(shí)較短,變化相對(duì)急劇(圖1)。土壤凍結(jié)、消融時(shí)0 ℃等溫線的變化規(guī)律同樣反映出草地退化越嚴(yán)重,土壤溫度變化速率就越大。

綜合不同退化程度樣地一個(gè)完整凍融周期內(nèi)土壤凍結(jié)、消融過(guò)程中溫度等值線隨時(shí)間在不同土層的變化趨勢(shì)來(lái)看,與LD、UD樣地相比,不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)、不同土層HD、MD樣地溫度變化劇烈,變化幅度和速率增大,說(shuō)明退化程度越嚴(yán)重,高寒草甸土壤越易降溫和升溫。

橫軸標(biāo)值為自2016年7月1日開(kāi)始的累積時(shí)間。UD、LD、MD和HD分別為未退化、輕度退化、中度退化和重度退化草地。

從不同退化程度樣地各土層土壤溫度在一個(gè)凍融周期內(nèi)的月值波動(dòng)來(lái)看,總體呈近似正弦曲線變化趨勢(shì);隨退化程度的加劇,土壤溫度月值變化幅度增加;不同退化程度樣地各土層土壤溫度在9月和3月比較接近,反映出秋季、春季是不同土層土壤溫度的過(guò)渡交替期,9月之后至次年3月之前,不同土層溫度由高到低依次為>30～40、>20～30、>10～20和0～10 cm,3月之后至9月之前則相反(圖2)。

2.3 高寒草甸退化草地淺層土壤溫度與氣溫的相關(guān)性

土壤凍融作用是受區(qū)域氣候、局部小地形、地表植被狀況和土壤理化性質(zhì)等因素共同影響的,但是淺層土壤溫度的變化更易受到氣溫波動(dòng)的影響,兩者存在相關(guān)性。

從退化高寒草甸土壤溫度與氣溫的相關(guān)關(guān)系來(lái)看,UD、LD、MD和HD樣地各土層土溫與氣溫的相關(guān)系數(shù)分別為0.646～0.876、0.751～0.901、0.821～0.930和0.854～0.951,呈HD>MD>LD>UD的變化趨勢(shì),同一退化程度不同土層土溫與氣溫的相關(guān)系數(shù)由大到小依次為0～10、>10～20、>20～30和>30～40 cm。這反映出隨著草地退化程度的加劇,土溫對(duì)氣溫的響應(yīng)程度增強(qiáng),隨著土層由淺到深,土溫對(duì)氣溫的響應(yīng)程度減弱(圖3)。

3 討論

全球氣候變化引起的高緯度、高海拔地區(qū)凍土退化問(wèn)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。這不僅使高寒草地退化與凍土退化耦合產(chǎn)生的效應(yīng)變得更加復(fù)雜,而且會(huì)作用于區(qū)域陸地-大氣系統(tǒng)的熱量平衡,對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生顯著影響。

UD、LD、MD和HD分別為未退化、輕度退化、中度退化和重度退化草地。

UD、LD、MD和HD分別為未退化、輕度退化、中度退化和重度退化草地。

3.1 高寒草甸退化草地地表覆蓋與土壤凍融作用

在青藏高原高寒草甸,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(dòng)力學(xué)過(guò)程,除了與全球氣候變化相關(guān)聯(lián)外,還受到草地植被覆蓋、土壤理化性質(zhì)等的共同影響。筆者研究發(fā)現(xiàn),未退化草地植被覆蓋度為91.6%,重度退化草地植被覆蓋度為38.3%,高寒草甸退化程度越高,植被覆蓋度越低,植物種類就越少,土壤開(kāi)始凍結(jié)和消融的時(shí)間也越早,凍結(jié)持續(xù)時(shí)間也越短,土壤溫度變化幅度和變化速率也越大,這與王俊峰等[21]、程慧艷等[22]的研究結(jié)果一致。因此,筆者研究認(rèn)為,草地退化引起地表植被覆蓋度降低是導(dǎo)致土壤凍融作用變化的原因之一。

在未退化及輕度退化高寒草甸,植被覆蓋度較高,群落中莎草科高山嵩草等植物為優(yōu)勢(shì)種,伴有禾本科等植物。由于無(wú)性繁殖旺盛,故地表下根系發(fā)達(dá),草氈層較厚,能夠改變土壤熱量的收支、傳遞從而對(duì)淺層土壤具有溫度調(diào)節(jié)作用。這表現(xiàn)為秋冬季能夠延緩熱量支出而保溫,春夏季能夠阻擋熱量輸入而降溫,使得一個(gè)凍融周期內(nèi)土壤溫度的變化幅度小且平緩。其次,未退化草甸淺層土壤含水量高于退化草甸,土壤凍結(jié)時(shí),土壤水釋放潛熱,使得秋冬季節(jié)退化程度較輕的草甸土壤凍結(jié)時(shí)間推遲。再次,筆者在觀測(cè)期間發(fā)現(xiàn),高寒草甸地表枯落物覆蓋狀況也是引起土壤凍融作用發(fā)生變化的因素。在植被覆蓋度遠(yuǎn)高于退化草甸的未退化草甸,地上生物量較大,生長(zhǎng)季結(jié)束后回歸地表的枯落物也較多,加之較高地表覆蓋度的下墊面在一定程度上減輕了風(fēng)蝕作用,更多的枯落物留存于地表,對(duì)土壤溫度變化產(chǎn)生一定影響。雖然筆者研究未涉及地表枯落物與土壤溫度間的關(guān)系,但李光南等[23]的研究結(jié)果表明,枯落物覆蓋延長(zhǎng)了觀測(cè)層土壤凍結(jié)期,在土壤凍結(jié)階段具保溫效應(yīng),在解凍階段具隔熱降溫效應(yīng),且對(duì)淺層土壤的影響更明顯。高寒草地降雪及積雪同樣具有類似地表覆蓋物的作用,不同年份的降雪和積雪也是引起土壤凍融作用變化的因素。邊晴云等[13]研究發(fā)現(xiàn),在多雪年草地地氣間熱交換明顯較弱,1月多雪年土壤凈輸出的熱量較少雪年更少,使得多雪年5～40 cm土層土壤進(jìn)入消融狀態(tài)的時(shí)間推遲12～24 d;付強(qiáng)等[24]研究表明,凍結(jié)期積雪對(duì)土壤水熱的遷移有影響,隨積雪厚度的增大,土壤溫度的差異性減弱,融化期積雪則增加了水分入滲,能夠抑制土壤溫度的快速提升,這一結(jié)論與常娟等[20]認(rèn)為的積雪能夠抑制土溫的變化速率是一致的。這些研究結(jié)果實(shí)質(zhì)上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。

3.2 高寒草甸退化草地凍融作用與草地環(huán)境

高寒草甸退化后,特別是重度退化草甸,土壤進(jìn)入凍結(jié)和消融日期提前,凍結(jié)持續(xù)時(shí)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、牧草返青季節(jié)土壤蒸散量增加時(shí),更易失墑而不利于植物生長(zhǎng),加劇草地退化的程度和速度。因此,在高寒草地環(huán)境條件下,凍融作用對(duì)草地水分涵養(yǎng)和維持草地生態(tài)系統(tǒng)的正常功能是重要的,而高寒草甸退化導(dǎo)致的土壤凍融作用的改變,不利于高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

筆者研究發(fā)現(xiàn),在各退化程度高寒草甸0～40 cm 土層范圍內(nèi),隨著土層的加深,土壤開(kāi)始凍結(jié)和消融的日期推遲,凍結(jié)持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng),土壤溫度受氣溫的影響逐漸減弱,土壤溫度的變化幅度趨緩,這一結(jié)果與李衛(wèi)朋等[25]的研究結(jié)果一致。當(dāng)然,筆者研究?jī)H探討了0～40 cm淺層土壤的凍融作用特征,從更深土層來(lái)看,凍融作用的發(fā)生更加復(fù)雜,趙林等[26]對(duì)青藏高原五道梁多年凍土活動(dòng)層的研究結(jié)果表明,在0～300 cm土層范圍內(nèi),9月下旬到10月中旬,從地表和300 cm土層深處開(kāi)始多年凍土區(qū)特有的雙向凍結(jié)過(guò)程。在今后針對(duì)高寒草甸土壤凍融研究中,可以在更深土層開(kāi)展工作。

3.3 高寒草地凍融作用與土壤化學(xué)性質(zhì)

在退化高寒草地,土壤有機(jī)碳及其組分等已發(fā)生變化,不利于高寒草地碳匯。凍土環(huán)境改變后的凍融作用對(duì)土壤碳氮磷含量及循環(huán)產(chǎn)生影響[27],岳廣陽(yáng)等[10]對(duì)青藏高原多年凍土區(qū)的研究發(fā)現(xiàn),土壤全氮、堿解氮含量隨凍土退化而明顯減少;XIN等[28]對(duì)青藏高原高寒草地土壤胞外酶的研究發(fā)現(xiàn),土壤胞外酶對(duì)溫度增高和氣候變暖不適應(yīng)。在土壤凍融環(huán)境改變后,尤其是頻繁的凍融交替能夠促使部分土壤微生物解體而釋放碳氮,成為存活下來(lái)的其他微生物的碳氮源,導(dǎo)致CO2、N2O釋放強(qiáng)度加大[29];SONG等[30]對(duì)青藏高原濕地CH4的研究認(rèn)為,非生長(zhǎng)季CH4排放量占全年的43.2%,并且與土溫存在密切關(guān)系,吳方濤等[31]對(duì)高寒藏嵩草濕地生態(tài)系統(tǒng)的研究也得出土壤溫度等是影響CO2通量日交換大小的主控因子的結(jié)論。另有研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)土壤有機(jī)碳庫(kù)充足時(shí),CO2排放量更多地與消融期土溫相關(guān)[32],消融期土溫越高,土壤微生物和植物根系活性越大,產(chǎn)生的 CO2越多;當(dāng)消融期CO2排放量彌補(bǔ)了凍結(jié)期因微生物和植物根系死亡造成的CO2減少時(shí),在年際尺度上則表現(xiàn)出凍融過(guò)程對(duì) CO2排放的促進(jìn)作用。由此可見(jiàn),凍土區(qū)凍融特征的改變,增加了CO2、N2O等溫室氣體的排放。在三江源高寒草甸區(qū),由于同樣存在草地退化導(dǎo)致凍融過(guò)程變化這一問(wèn)題,因此,針對(duì)高寒草地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放的變化,值得關(guān)注和深入研究。

4 結(jié)論

以三江源區(qū)退化高寒草甸0～40 cm淺層土壤為對(duì)象,探討不同退化程度高寒草甸土壤凍融作用發(fā)生的基本規(guī)律。在一個(gè)完整凍融周期內(nèi),不同退化程度樣地土壤凍結(jié)至消融歷時(shí)為179～196 d,凍結(jié)持續(xù)時(shí)間隨退化程度的加劇而縮短,不同退化程度草甸各土層土壤溫度總體呈近似正弦曲線的變化趨勢(shì)。

隨著高寒草甸退化程度的加劇,土壤凍結(jié)、消融起始日期提前,與未退化草地相比,重度退化草地各土層凍結(jié)、消融起始日期分別提前7～23和18～38 d;在0～40 cm土層范圍內(nèi),隨土層的加深,土壤進(jìn)入凍結(jié)和消融的起始日期延遲,凍結(jié)持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng),完成凍結(jié)和消融用時(shí)縮短,土壤更快地進(jìn)入凍結(jié)和消融狀態(tài);不同退化程度樣地土壤凍結(jié)鋒面自地表向較深土層下移速度不同,退化程度越嚴(yán)重,土壤溫度梯度及變化速率越大,土壤更易升溫和降溫。土壤溫度與氣溫的相關(guān)程度隨著退化程度的加劇而增強(qiáng),隨著土層的加深而減弱,從未退化到重度退化,各土層土壤溫度與氣溫的相關(guān)系數(shù)分別為0.646～0.876、0.751～0.901、0.821～0.930和0.854～0.951;在各退化程度研究樣地,9月和3月各土層土壤溫度較為接近,是不同土層土溫的過(guò)渡交替期。

筆者研究結(jié)果有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)全球氣候變暖背景下三江源區(qū)高寒草甸凍融作用與草地退化間的響應(yīng)與反饋規(guī)律,為解決依然嚴(yán)峻的高寒草地生態(tài)環(huán)境問(wèn)題提供參考。今后在空間異質(zhì)性較大的青藏高原退化高寒草地進(jìn)行土壤凍融特征及機(jī)理的研究,可以通過(guò)多樣點(diǎn)、長(zhǎng)時(shí)間尺度、較深土層來(lái)開(kāi)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,將土壤水分、土壤理化指標(biāo)與土壤溫度相結(jié)合,利用水熱數(shù)據(jù)協(xié)同分析,從水熱動(dòng)態(tài)、熱傳導(dǎo)等方面,結(jié)合原位觀測(cè)及水熱模型深入揭示凍融規(guī)律及發(fā)生機(jī)制,為高寒凍土地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)及資源利用提供依據(jù)。