馬晶晶，王 佩*，鄧鈺婧，馬娟娟，孫海濤，陳 奇

青海湖流域高寒草甸季節(jié)凍土土壤溫濕變化特征①

馬晶晶1,2，王 佩1,2*，鄧鈺婧2，馬娟娟2，孫海濤2，陳 奇2

(1北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，北京 100875；2北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部自然資源學(xué)院，北京 100875)

根據(jù)2018—2020年青海湖流域高寒草甸野外定點監(jiān)測的溫度、降水、土壤水熱數(shù)據(jù)，分析了高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)土壤凍融特征以及不同凍融階段土壤溫度、水分的日變化和季節(jié)動態(tài)過程。結(jié)果表明：①基于土壤溫度變化特征分析，可將凍融循環(huán)過程劃分為始凍期、完全凍結(jié)期、解凍期和完全融化期。各階段持續(xù)的天數(shù)長短依次為：完全融化期>完全凍結(jié)期>解凍期>始凍期。從表層到深層土壤，完全融化天數(shù)持續(xù)增大，完全凍結(jié)天數(shù)趨于減小，0 ～ 180 cm土層完全融化期持續(xù)天數(shù)超過半年以上。②凍土表現(xiàn)出單向凍結(jié)、雙向融化的規(guī)律，土壤融化速率(5.45 cm/d) 快于土壤凍結(jié)速率(2 cm/d)。整個凍融過程，不同深度土壤水分的變化比溫度的變化更復(fù)雜。③隨著凍融循環(huán)過程，土壤溫濕度呈現(xiàn)出周期性的季節(jié)變動特征。土壤溫濕度日變化具有一致性，表層日較差大，隨著深度的增加，日較差變小并趨于穩(wěn)定。土壤剖面的結(jié)構(gòu)特征對土壤水分異質(zhì)性分布具有較強的解釋性。

季節(jié)凍土；凍融過程；土壤溫度；土壤濕度；高寒草甸

土壤的凍融循環(huán)是高寒區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要特征，它伴隨著一系列土壤物理、土壤化學(xué)以及土體力學(xué)過程，體現(xiàn)在水熱傳輸、水分相變、鹽分積聚以及地貌形態(tài)的改變[1]。近年來，全球增暖[2-5]、降水增加等[6-7]一系列氣候變化和人類活動，深刻地影響著土壤的凍結(jié)和融化過程，進而使得土壤的水熱特性及變化規(guī)律發(fā)生了改變。土壤水熱狀況的改變不僅會影響地氣能量的交換[8]，還會導(dǎo)致寒區(qū)水循環(huán)及生態(tài)環(huán)境[9]的變化。因此，刻畫土壤凍融過程及其水熱變化特征成為高寒區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容。季節(jié)凍土是存在于地表之下一定深度，冷季凍結(jié)，暖季融化的土層，其凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)一月以上，不足一年[10]。青藏高原是中、低緯度高海拔凍土集中分布的地區(qū)[11]，廣泛分布著季節(jié)凍土和多年凍土，其中季節(jié)凍土約占高原面積的56%[12]。作為大氣與陸面熱交換的產(chǎn)物，季節(jié)凍土在溫度年變化層上部，更接近地表，其凍融過程對氣候變化的響應(yīng)更為敏感，土壤溫度、水分變化也更為復(fù)雜[13]，清晰地刻畫其變化特征及趨勢是研究季節(jié)凍土的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

近年來，多種方法應(yīng)用到凍土水熱變化研究中。陳家利等[14]基于SMAP亮溫數(shù)據(jù)成功反演得到瑪曲地區(qū)凍結(jié)期土壤未凍水變化特征；吳小麗等[15]利用CCI主被動組合遙感產(chǎn)品,發(fā)現(xiàn)多年凍土區(qū)暖季土壤水分與降水的相關(guān)性低，季節(jié)凍土區(qū)相關(guān)性較高。同時，楊成松等[16]通過MODIS LST數(shù)據(jù)對青藏高原地表溫度時空變化進行分析，發(fā)現(xiàn)地表溫度的空間分布與海拔、地表覆蓋類型等具有相關(guān)性，年內(nèi)振幅從青藏高原東南部向西北部呈上升趨勢。遙感方法能夠獲得大尺度動態(tài)的土壤水熱數(shù)據(jù)，但也需要站點原位監(jiān)測資料的精度驗證[17-18]。此外，有學(xué)者通過模型模擬的方法對季節(jié)凍土溫度、水分變化特征進行分析，如郭東林和楊梅學(xué)[19]利用SHAW模型在青藏高原中部較好地模擬了深層土壤的溫濕度特征，并且模擬的土壤濕度基本能夠再現(xiàn)土壤未凍水隨時間的變化趨勢。夏坤等[20]通過陸面過程模式CLM 3.0發(fā)現(xiàn)凍結(jié)過程中土壤溫濕度模擬效果優(yōu)于融化過程。王子龍等[21]發(fā)現(xiàn)結(jié)合GIUE方法CoupModel模型可用于不同積雪覆蓋下土壤水熱變化規(guī)律的研究。但由于實測數(shù)據(jù)的缺乏，一些關(guān)鍵參數(shù)難于獲取且多為經(jīng)驗參數(shù)，模型模擬值與實測值存在一定的偏差；另一方面已有的土壤水熱模型的有效性和適用性需要大量實測數(shù)據(jù)的驗證[10]，野外原位實測是季節(jié)凍結(jié)層土壤水熱數(shù)據(jù)獲取與分析最直接、精確的方法，成為研究土壤凍融循環(huán)過程的主要手段。韓炳宏等[22]根據(jù)青海省南部季節(jié)性土壤凍融監(jiān)測資料探討了不同土層溫度、水分的變化特征，將土壤凍融階段分為初凍期、穩(wěn)定凍結(jié)中期、穩(wěn)定凍融后期和消融期；戴黎聰?shù)萚23]利用青海海北站水熱觀測數(shù)據(jù)分析了凍融期土壤水熱運移特征。張娟等[24]在青藏高原玉樹地區(qū)利用土壤溫濕數(shù)據(jù)和同步氣象觀測數(shù)據(jù)，分析了高寒草甸不同時間尺度下土壤溫度、水分的動態(tài)變化。然而諸多野外觀測試驗對土壤結(jié)構(gòu)與土壤水熱特征的影響分析較少，因此，亟須結(jié)合野外實測分析與土壤結(jié)構(gòu)特征調(diào)查，為季節(jié)凍土水熱變化及遷移特征的綜合研究奠定良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

高寒草甸是青海湖流域典型植被類型之一，占流域總面積的26.64%[25]。作為水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護的重要生態(tài)屏障[26]，流域內(nèi)土壤凍融格局、水熱性質(zhì)的改變使高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)大規(guī)模的退化現(xiàn)象[27]。研究發(fā)現(xiàn)，高寒草甸的退化可能對下伏凍土的消融產(chǎn)生正反饋作用[26]，同時凍土的變化與發(fā)展對高寒草甸植被生長及地上生產(chǎn)量的形成具有一定的影響[28]，甚至可能引發(fā)植被類型演替和系統(tǒng)的顯著改變。所以，探討高寒草甸覆被下凍土溫濕變化特征，對理解氣候變化下土壤–植被–大氣連續(xù)體(SPAC)水分、能量的交換具有重要意義。本文以青海湖流域高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)季節(jié)凍土為例，利用2018年10月至2020年6月野外定點實測的大氣溫度、降水及土壤水熱數(shù)據(jù)，綜合分析了高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)不同凍融階段各層土壤溫度和濕度的日變化、季節(jié)變化及其水熱分布規(guī)律，旨在進一步提高對草甸凍融土壤水熱性質(zhì)的認識，為寒區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護和水熱資源的利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

青海湖流域是氣候變暖情景下陸面生態(tài)系統(tǒng)變化較為劇烈的區(qū)域之一[29]，介于36°15′ ～ 38°20′N，97°50′ ～ 101°20′E，四面環(huán)山，東西長106 km，南北寬63 km，海拔3 242 ～ 5 279 m，流域面積為29 664 km2。青海湖流域內(nèi)天然草地類型主要有高寒草甸、高寒灌叢、山地草原、沼澤草甸、平原荒漠等草地類型，其中高寒草甸分布最廣。流域內(nèi)為典型的高原大陸性氣候，氣溫日較差大，常年低溫、冬長夏短，流域內(nèi)發(fā)育著大面積的多年凍土和季節(jié)凍土，多年凍土主要分布于流域的西北部，季節(jié)凍土分布于流域的中東部[30]。受全球氣候變化影響，近幾十年流域內(nèi)部分多年凍土退化為季節(jié)凍土，凍土活動層厚度增大，水熱動態(tài)變化明顯。研究站點位于青海湖北岸海北藏族自治州剛察縣千戶里子流域(37°25′ N，100°15′ E)，屬于季節(jié)凍土區(qū)，海拔3 551 m，多年平均溫度–0.6℃，極端低溫–31 ℃，極端高溫25 ℃，年平均降水量389.3 mm，主要集中在6—9月，年蒸發(fā)量為1 501 ～ 1 848 mm，植被以小蒿草為主，土壤類型為高山草甸土[31]。土層厚度約為75 cm，0 ～ 10 cm為草氈層(As)，10 ～ 22 cm為腐殖質(zhì)層(O)，23 ～ 75 cm為淋溶淀積層(AB)，75 cm以下有巖石出現(xiàn)(圖1)。

圖 1 研究區(qū)位置及儀器布設(shè)圖

1.2 儀器埋設(shè)

土壤水熱數(shù)據(jù)均使用澳大利亞Datataker公司生產(chǎn)的DT80系列數(shù)采，加以相配套的土壤溫濕度、電導(dǎo)率傳感器采集完成。

2018年8月，在研究區(qū)進行了實驗儀器的埋設(shè)(圖1)，如圖所示，分別在土壤垂直剖面5、10、20、40、80、100、120、140、160、180 cm深度，水平埋入土壤水分、溫度和電導(dǎo)率傳感器(TRIME PICO 32)，探頭和電路保護殼都埋入土壤中，以減少太陽輻射對測量結(jié)果的影響。土壤水分測量精度為±1%，土壤溫度測量精度為±0.1 ℃，電導(dǎo)率精度0 ～ 10 000 μS/cm范圍內(nèi)為±3%，每30 min記錄一次數(shù)據(jù)。傳感器自動采集數(shù)據(jù)并保存在數(shù)據(jù)采集器中，通過無線數(shù)據(jù)傳輸傳送到ENVIdata數(shù)字化生態(tài)站管理系統(tǒng)。需要指出的是，儀器測得的土壤水分為土壤未凍水含量。為了排除前期儀器埋設(shè)所造成的土壤環(huán)境的改變，本文采用了2018年10月之后的土壤溫濕度數(shù)據(jù)。研究區(qū)所在的千戶里子流域是我國高寒地區(qū)地球關(guān)鍵帶(critical zone observatory, CZO)觀測樣點區(qū)域，架設(shè)有渦度相關(guān)系統(tǒng)及自動氣象站，可對站點降水及溫度開展連續(xù)觀測。研究使用的降水和溫度氣象數(shù)據(jù)每30 min記錄一次，高度為2 m。

1.3 凍融階段劃分方法

基于土壤溫度的凍融階段劃分方法：不考慮土壤顆粒表面能和鹽分對土壤凍結(jié)溫度的影響，一般情況下，一天內(nèi)某一深度土壤溫度經(jīng)歷0 ℃ 的波動，土壤存在凍融現(xiàn)象[32]。根據(jù)研究區(qū)各層土壤溫度的日變化特征，將凍融過程分為始凍期、完全凍結(jié)期、解凍期和完全融化期。始凍期土壤溫度max>0 ℃、min<0 ℃，完全凍結(jié)期土壤溫度min0 ℃、min<0 ℃，完全融化期土壤溫度max>min>0 ℃[33]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Surfer 16.0進行土壤溫濕度剖面繪制，利用SPSS 22.0、OriginPro 2021軟件進行數(shù)據(jù)處理與制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤凍融特征

由各層土壤凍融發(fā)生日期和持續(xù)天數(shù)可見(表1)，2018年10月25日土壤表層出現(xiàn)日消夜凍現(xiàn)象，土壤凍融進入始凍期，土壤10 cm以上由于受到近地表大氣的影響反復(fù)凍融的天數(shù)為5 ～ 12 d，持續(xù)時間較長，10 cm以下土層經(jīng)歷1 ～ 3 d的反復(fù)凍融后迅速凍結(jié)；2018年11月6日，5 cm土層最先進入完全凍結(jié)期，持續(xù)天數(shù)為129 d，隨著土壤深度的不斷增加，土層凍結(jié)滯后時間依次為1、5、16、33、41、49、52、72、78 d，持續(xù)天數(shù)為131、142、137、118、118、107、110、85、77 d，2019年1月23日0 ～ 180 cm土層全部凍結(jié)，呈現(xiàn)出由土壤表層向下的單向凍結(jié)規(guī)律；3月中旬凍土區(qū)太陽短波輻射增強，地面熱量的收入大于支出，地表溫度上升，土壤日消夜凍現(xiàn)象在土壤5、10 cm處分別持續(xù)了27、15 d，隨著深度的增加，持續(xù)時間變短，同時由于深層土壤熱量的上升，4月10日凍結(jié)層從底部180 cm開始解凍并向上不斷發(fā)展，呈現(xiàn)出與多年凍土不同的雙向融化規(guī)律；4月2日10 cm土層最先進入完全融化期，4月20日0 ～ 180 cm土層全部融化，土壤完全融化期持續(xù)天數(shù)占全年的一半以上說明了該地區(qū)土壤長期處于未凍結(jié)狀態(tài)，尤其是深層土壤。各層土壤從始凍期到完全凍結(jié)期用時90 d，平均凍結(jié)速率為2 cm/d，從解凍期到完全融化期用時33 d，平均融化速率為5.45 cm/d，可以判定土壤融化的速率是遠遠快于土壤凍結(jié)的速率，這與戴黎聰?shù)萚23]在青藏高原季節(jié)凍土區(qū)得出的結(jié)論一致。

表1 不同深度土壤凍融發(fā)生日期和持續(xù)天數(shù)(2018年10月至2019年10月)

2.2 土壤溫度動態(tài)

2.2.1 土壤溫度季節(jié)變化 土壤表層與大氣之間存在著頻繁的能量交換，大氣溫度的變化引起土壤溫度周期性的季節(jié)變動。圖2為研究區(qū)日平均氣溫和土壤溫度剖面圖，從圖中可以看出，整個凍融循環(huán)過程，大氣溫度降到最低(或升至最高)，土壤各層溫度也降到最低(或升至最高)，土壤對于氣溫變化的響應(yīng)深度有限，0 ～ 60 cm土層溫度變化劇烈，60 cm以下變化平緩。土壤熱量的傳遞在各凍融階段具有明顯的差異性，土壤凍結(jié)階段(始凍期+完全凍結(jié)期)深層土壤的溫度高于淺層土壤，熱量由下向上傳遞，土壤融化階段(解凍期+完全融化階段)淺層土壤溫度高于深層土壤，熱量由地表向下傳遞。等溫線的疏密程度能夠很好地反映土壤溫度梯度的變化，始凍期向完全凍結(jié)期轉(zhuǎn)變階段，土壤等溫線密集，不同土層之間溫度變化劇烈，解凍期向完全融化期轉(zhuǎn)變階段，等溫線稀疏，3月下旬0 ℃ 等溫線幾乎與深度軸平行，不同深度土壤溫度變化平緩，土壤融化時間相差較小。

圖2 日平均溫度和土壤溫度剖面(2018年10月至2020年6月)

2.2.2 土壤溫度日變化 由不同凍融階段土壤溫度日變化曲線可見(圖3)，土壤溫度存在周期性的日變化特征。5 cm土層最低溫出現(xiàn)在北京時間8:00左右，之后土壤溫度快速上升，在午后達到最高，這種變化隨著土層深度的不斷增加，具有一定的滯后性。此外，始凍期5 cm土層最高溫在14:00出現(xiàn)，一直持續(xù)到20:00后下降，完全融化期5 cm土壤也出現(xiàn)此現(xiàn)象，這可能是受中午太陽輻射增強的影響，土壤表層吸收了較多的熱量，在植被和枯枝落葉層的保溫作用下，土壤熱量不易快速散失，土壤最高溫度持續(xù)時間較長；而完全凍結(jié)期和解凍期5 cm土層最高溫度在16:00左右出現(xiàn)后立即下降，持續(xù)時間較短。

(A. 始凍期；B. 完全凍結(jié)期；C. 解凍期；D. 完全融化期)

各凍融階段土壤溫度存在顯著差異。淺層土壤日較差大，隨著深度的增加，日較差變小并趨于穩(wěn)定。始凍期，地表溫度降低(日平均溫度–0.55 ℃，最大值9.41 ℃，最小值–8.73 ℃)，土壤表層5 cm、10 cm溫度在0 ℃ 等溫線附近波動，日較差為4 ℃、0.93 ℃，波動較大；20 cm、40 cm土層溫度在0 ℃ 以上波動，日較差為0.13 ℃、0.17 ℃，波動較小。完全凍結(jié)期地表溫度降到最低(日平均溫度–11.1 ℃，最大值–2.6 ℃，最小值–19.5 ℃)，0 ～ 40 cm土層溫度均在0 ℃ 以下，日較差依次為7.3、2.5、1.5、0.63 ℃，過低的溫度加快土壤水分相態(tài)的轉(zhuǎn)變，土壤液態(tài)水變?yōu)楣虘B(tài)，土壤溫度波動變大。解凍期，太陽輻射增強，地表溫度上升(日平均溫度–1.24 ℃，最大值8.82 ℃，最小值–12.33 ℃)，5 cm、10 cm土層溫度在0 ℃ 等溫線附近波動，日較差為7.93 ℃、2.5 ℃；20 cm、40 cm土層溫度在0 ℃ 以下，日較差為0.67 ℃、0.3 ℃。完全融化期，地表溫度達到一年中最大(日平均溫度為5.27 ℃，最大值為14.7 ℃，最小值為–4.82 ℃)，0 ～ 40 cm土層溫度均在0 ℃ 以上，日較差依次為14.14、9.7、2.5、0.6 ℃，各層土壤溫度波動劇烈。上述分析可知，不同凍融階段0 ～ 40 cm土壤溫度日變化幅度大小依次為完全融化期>完全凍結(jié)期>解凍期>始凍期。解凍期和始凍期日變化幅度較小，這可能與土壤反復(fù)凍融，部分能量用于土壤水分的相變消耗有關(guān)。

2.3 土壤未凍水動態(tài)變化

2.3.1 土壤未凍水季節(jié)變化 土壤經(jīng)過凍融循環(huán)過程，土壤中存在多相態(tài)物質(zhì)的動態(tài)混合，包含有土壤未凍水、水蒸氣、干空氣、土壤團聚體顆粒以及土壤冰晶體。首先需要指出的是本文測得的土壤水分均為土壤未凍水含量，它是受土壤顆粒表面能作用以液態(tài)水膜的形式存在于凍結(jié)土壤的游離水分[34]。

由日累計降水量和土壤未凍水剖面圖(圖4)可見，土壤剖面水分格局與變化隨凍融過程呈現(xiàn)周期性的波動，不同凍融階段土壤水分的變化和分布具有顯著的差異性。2018年10月至2019年3月中旬，土壤處于凍結(jié)階段(始凍期+完全凍結(jié)期)，各層土壤未凍結(jié)水分表現(xiàn)為較低值。淺層土壤(0 ～ 40 cm)和深層土壤(120 ～ 180 cm)水分明顯高于中部(40 ～ 120 cm)。這可能是淺層土壤質(zhì)地以粉粒為主，礫石含量少(圖5)，土壤顆粒表面能大，持水能力強，因此土壤水分較高；土壤中部砂粒含量急劇增加，礫石含量達50% 以上，土壤顆粒表面能變小，持水能力變差，導(dǎo)水能力增強，同時在重力作用下，土壤下滲增強，使得土壤中層，尤其是80 cm土壤水分在整個凍融循環(huán)過程中，一直處在水分的低值區(qū)；剖面底部土壤質(zhì)地以砂粒為主，礫石含量可達80% 以上，大量的礫石起到一定的隔水作用，同時在水勢梯度驅(qū)動下，水分不斷向凍結(jié)鋒底部聚集，土壤水分較高。3月下旬至10月為凍土的融化階段(解凍期+完全融化期)，降水量增多，各層土壤水分增加，淺層土壤對降水響應(yīng)明顯，在土壤0 ～ 40 cm形成了一個水分的高值區(qū)，而深層土壤對降水的響應(yīng)較弱。此外，深層土壤水分增加或減少的時間明顯滯后于淺層土壤(圖4、圖6)，例如，表層土壤水分3月開始增加，10月下旬減少，深層土壤水分5月下旬開始增加，12月中下旬減少。上述分析表明土壤剖面結(jié)構(gòu)特征對土壤水分分布具有較強的解釋性。

2.3.2 土壤未凍水日變化 不同凍融階段土壤未凍水日循環(huán)存在明顯差異(圖7)。始凍期、完全凍結(jié)期、解凍期5 cm土壤水分最小值出現(xiàn)在北京時間10:00左右，最大值出現(xiàn)在18:00左右；完全融化期則不同于其他凍融階段，土壤未凍水最小值出現(xiàn)在16:00左右，最大值出現(xiàn)在0:00左右，隨著深度的增加，各凍融階段土壤未凍水的最大最小值出現(xiàn)時間具有一定的滯后性，水分變化近似一條直線。

不同凍融階段土壤未凍水日變化與土壤溫度日變化具有一致性。淺層土壤未凍水日變幅最大，隨著深度的增加，日變幅逐漸減小。始凍期處于秋冬轉(zhuǎn)換期，對流旺盛，水分大量蒸發(fā)，土壤表層5 cm、10 cm未凍水波動較大，日較差分別為3.89%、2.11%；20 cm、40 cm土壤未凍水較高，過高的水分減緩了土壤溫度的變化，日較差較小，分別為0.79%、0.27%。完全凍結(jié)期土壤水由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，土壤未凍水減少，5、10、20、40 cm土壤未凍水日較差為1.33%、0.42%、0.27%、0.08%，土壤未凍水波動小。解凍期溫度上升，土壤最先從表層融化，5 cm土壤未凍水快速增加，日較差為14.86%，波動劇烈；10、20、40 cm土壤未凍水日較差分別為2.24%、0.52%、0.12%。完全融化期，季節(jié)凍結(jié)層大量融化，土壤未凍水充足，5、10、20、40 cm土壤水分變化微弱，日較差小，分別為2.06%、0.73%、0.39%、0.13%。以上分析表明不同凍融階段土壤未凍水日變化幅度大小依次為解凍期>始凍期>完全融化期>完全凍結(jié)期。

圖4 日累計降水量和土壤未凍水剖面(2018年10月至2020年6月)

圖5 不同深度土壤顆粒組成(A)和礫石含量(B)

圖6 不同深度土壤未凍水隨時間的變化(2018年10月至2020年6月)

(A. 始凍期；B. 完全凍結(jié)期；C. 解凍期；D. 完全融化期)

3 討論

3.1 季節(jié)凍土凍融特征

秋季始凍期和春季解凍期是表層土壤發(fā)生凍融交替最為頻繁的時期，本研究發(fā)現(xiàn)該站點日凍融循環(huán)主要發(fā)生在土壤表層5 cm、10 cm, 持續(xù)時間為39 d、20 d，20 cm、40 cm深度日凍融持續(xù)時間僅為4 ～ 5 d，這與林笠等[4]在海北站高寒草甸利用微根管結(jié)合土壤溫度間接測量的結(jié)果相一致。位于青南牧場的高寒草地[22]，土壤日凍融循環(huán)與高寒草甸具有較大的差異，日凍融深度可達40 cm，土層10、20、40 cm日凍融循環(huán)持續(xù)時間分別為37、24、11 d，這可能是植被類型和生長環(huán)境不同，導(dǎo)致兩種覆被下土壤凍融格局不一致。根據(jù)實際觀測結(jié)果，本研究區(qū)多年平均溫度為–0.6 ℃，4—10月表層土壤含水量均在35% 左右波動，0 ～ 10 cm土層為草氈層(As)，0 ～ 22 cm為腐殖質(zhì)層(O)，較厚的有機質(zhì)層能夠減緩氣溫對深層土壤溫度的影響。高寒草地多年平均溫度為1.7 ℃，4—10月土壤剖面含水量均小于30%，較高的溫度和較低的土壤含水量不利于土壤有機質(zhì)層的發(fā)育，凍融向下發(fā)展的深度較深。相比季節(jié)凍土區(qū)，多年凍土區(qū)具有日凍融循環(huán)持續(xù)時間長的特點。焦永亮等[32]在唐古拉地區(qū)發(fā)現(xiàn)5 cm深度日凍融循環(huán)天數(shù)為61 d。王學(xué)佳等[35]在D105站點觀測發(fā)現(xiàn)2002—2005年4 cm深度存在土壤日凍融循環(huán)的平均天數(shù)為71 d。因此，土壤日凍融循環(huán)是多種因素綜合作用的結(jié)果，不同凍土類型、覆被表現(xiàn)的凍融循環(huán)特征具有較大差異。

本研究站點土壤凍結(jié)天數(shù)小于土壤融化天數(shù)，而青藏高原中部季節(jié)凍土區(qū)研究發(fā)現(xiàn)土壤凍結(jié)時間是土壤消融時間的1.6倍[23]，但兩站點土壤融化速率均大于土壤凍結(jié)速率，這可能與兩地受到的太陽輻射和積溫有關(guān)。此外，本研究區(qū)土壤融化天數(shù)超過半年以上，尤其是深層土壤，這與海北站和青南牧場的研究結(jié)果一致，說明這些地區(qū)土壤長期處于未凍結(jié)狀態(tài)，土壤接收的能量大于土壤支出的能量。研究發(fā)現(xiàn)，3個站點20 cm土層土壤凍結(jié)時間均最長(表2)。不同于多年凍土，季節(jié)凍土呈現(xiàn)出單向凍結(jié)、雙向融化的規(guī)律。土壤凍結(jié)過程淺層土壤凍結(jié)時間早、深層土壤凍結(jié)時間晚，土壤融化過程淺層和深層土壤融化時間均較早，土壤中部應(yīng)是土體凍結(jié)時間較長的部分。大氣輻射和熱量使土壤從表層向下融化，0 ～ 10 cm土壤反復(fù)凍融持續(xù)時間長，能量多用于土壤的相變，對下層土壤影響小，土壤凍結(jié)時間長；地下熱流促使土壤從下向上融化，融化過程中能量不斷衰減，消融到20 cm時地下熱流對土層影響微弱。因此，20 cm土層在季節(jié)凍土區(qū)多表現(xiàn)為受其他因素影響小、凍結(jié)較為穩(wěn)定的土層。

表2 不同站點土壤凍結(jié)與消融持續(xù)時間

3.2 凍融循環(huán)過程對土壤溫濕度及高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的影響

土壤溫度和水分的相互作用，對高寒植被的生長至關(guān)重要。土壤凍結(jié)后，探測土壤未凍水及土壤冰的變化十分困難。目前，土壤水分探頭測得的均為土壤未凍水，代表了復(fù)雜土壤凍融過程中水分遷移變化的另一側(cè)面，土壤未凍水也代表了土壤中植物可利用水量，是制約植物生長的關(guān)鍵因素。土壤未凍水與土壤溫度之間保持著動態(tài)的平衡關(guān)系[36]。土壤凍結(jié)過程中，即使溫度極低，但仍有一定數(shù)量的土壤未凍水存在。11月至次年3月中旬，為該站點土壤完全凍結(jié)階段，溫度低，土壤顆粒表面水分克服吸附作用和靜電引力的能力強，土壤未凍水減少，剖面中部未凍水含量僅為2%；3月下旬土壤溫度升高，剖面水分整體上升。溫度控制著未凍水含量的變化，溫度越低未凍水含量越少，這與郭紅[37]的研究結(jié)果一致。冬季下層土壤凍融，表層封凍，土壤水分的遷移在剖面中主要表現(xiàn)為土壤未凍水的遷移。溫度梯度引起土壤未凍水的遷移，當(dāng)凍土中存在溫度差，未凍水有向較低溫度區(qū)域遷移的趨勢[34]。凍結(jié)初期(11月至次年1月)，該研究區(qū)土壤水分深層大于淺層，凍結(jié)后期(1—3月)土壤深層與淺層水分基本保持一致(圖6)。這與王曉巍[10]發(fā)現(xiàn)的凍結(jié)期土壤水分由下向上遷移后多積聚于近地表10 ～ 40 cm、淺層大于深層的結(jié)果不同。這可能是因為土壤未凍水的遷移與分布不僅受溫度的影響，還與土壤剖面結(jié)構(gòu)、礫石含量和土壤冰的分布息息相關(guān)，需要綜合土壤多相態(tài)物質(zhì)間的相互作用關(guān)系來進一步探討。夏季，凍土融化，土壤水分的遷移受溫度的影響，向上表現(xiàn)為土壤的蒸發(fā)、植被的蒸騰，向下土壤內(nèi)部水分由上向下遷移，但還受到降水、植被的影響，遷移后該站點水分在土壤剖面中由表層到深層呈現(xiàn)出“高–低–高”的分布模式，土壤水分的分布則有利于淺根系植被的生長與發(fā)育。

凍土分布區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，土壤中植物可利用水量的多少是影響該地區(qū)植被生長、農(nóng)牧發(fā)展的關(guān)鍵因子。凍土解凍期是植被生長的重要需水階段，也是一年中最缺水的季節(jié)[38]。溫度的上升，大量的土壤冰轉(zhuǎn)化為液態(tài)水，未凍水的增加能夠使土壤包氣帶水分上升，一定程度上緩解春季干旱對植被水分的脅迫。研究發(fā)現(xiàn)，3月下旬土壤開始解凍(圖6)，此時降水對土壤水分影響微弱，但表層土壤水分最高可達35% 左右，說明季節(jié)凍土凍結(jié)固持了大量水分，并能在土壤解凍期為植物生長提供較多的可利用水，這與李英年等[28]在海北高寒草甸的研究結(jié)果相一致。

4 結(jié)論

根據(jù)土壤溫度的日變化，將季節(jié)凍土凍融過程劃分為始凍期、完全凍結(jié)期、解凍期和完全融化期，4個階段持續(xù)的天數(shù)依次為完全融化期>完全凍結(jié)期>解凍期>始凍期，0 ～ 180 cm土壤完全融化期持續(xù)天數(shù)超過半年以上，土壤，尤其是深層土壤長期處于未凍結(jié)狀態(tài)。凍土表現(xiàn)出單向凍結(jié)、雙向融化的規(guī)律，土壤融化速率(5.45 cm/d)快于土壤凍結(jié)速率(2 cm/d)。整個凍融過程，不同深度土壤水分的變化比溫度的變化復(fù)雜。隨著凍融循環(huán)過程，土壤溫濕度呈現(xiàn)出周期性的季節(jié)變動特征。土壤溫度和濕度的日變化具有一致性，表層日較差大，隨著深度的增加，日較差變小并趨于穩(wěn)定。土壤剖面的結(jié)構(gòu)特征對土壤水分異質(zhì)性分布具有較強的解釋性。

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Characteristics of Seasonal Frozen Soil Temperature and Moisture Changes in Alpine Meadow in Qinghai Lake Watershed

MA Jingjing1,2, WANG Pei1,2*, DENG Yujing2,MA Juanjuan2,SUN Haitao2, CHEN Qi2

(1 State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, Beijing 100875, China; 2 School of Natural of Resources, Faculty of Geographical Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)

Based on the temperature, precipitation, and soil moisture and temperature data of the alpine meadows in the Qinghai Lake Watershed from 2018 to 2020, the characteristics of soil freezing and thawing in the alpine meadow ecosystem and the daily changes and seasonal dynamics of soil temperature and moisture in different freezing and thawing stages were analyzed. The results showed that: 1) Based on the analysis of the characteristics of soil temperature changes, the freeze-thaw cycle process could be divided into the initial freezing period, the complete freezing period, the thawing period and the complete thawing period. The duration of each stage was as follows: complete thawing period>complete freezing period>thawing period>initial freezing period. From surface to deep soil, the number of days of complete melting continued to increase, and the number of days of complete freezing tended to decrease. The period of complete melting of 0–180 cm soil layer lasted for more than half a year. 2) Frozen soil showed the law of one-way freezing and two-way melting. The soil melting rate (5.45 cm/d) was faster than the soil freezing rate (2 cm/d). Throughout the freeze-thaw process, the changes in soil moisture at different depths were more complex than changes in temperature. 3) With the freeze-thaw cycle process, soil temperature and moisture showed periodic seasonal changes. The diurnal variation of soil temperature and moisture was consistent, and the surface layer had a large diurnal range. As the depth increases, the diurnal range became smaller and tended to be stable. The structural characteristics of soil profile had a strong explanatory effect on the heterogeneous distribution of soil moisture.

Seasonal frozen soil; Freeze-thaw process; Soil temperature; Soil moisture;Alpine meadow

S152

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.03.024

馬晶晶, 王佩, 鄧鈺婧, 等. 青海湖流域高寒草甸季節(jié)凍土土壤溫濕變化特征. 土壤, 2022, 54(3): 619–628.

國家自然科學(xué)基金項目(41730854) 資助。

(peiwang@bnu.edu.cn)

馬晶晶(1993—)，女，甘肅定西人，碩士研究生，主要從事生態(tài)水文及土壤水文學(xué)研究。E-mail: 201921051110@mail.bnu.edu.cn