祁連山林草復(fù)合流域土壤溫濕度時(shí)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(fù)合流域土壤溫濕度時(shí)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(yǎng)林研究院，甘肅張掖 734000；2 甘肅省森林生態(tài)與凍土水文水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅張掖 734000)

利用祁連山森林生態(tài)站設(shè)在祁連山排露溝流域的青海云杉林和草地氣象觀測(cè)場(chǎng)土壤溫濕度觀測(cè)資料，采用對(duì)比分析及線(xiàn)性趨勢(shì)等方法進(jìn)行青海云杉林和草地2個(gè)不同下墊面土壤溫濕度的時(shí)空特征分析。結(jié)果表明：①林草地土壤溫度日變化表現(xiàn)為淺層(10 cm和20 cm土壤深度)土壤溫度呈正弦曲線(xiàn)變化，深層(40、60、80 cm土壤深度)土壤溫度約呈直線(xiàn)變化。土壤溫度年變化表現(xiàn)為林地土壤溫度7月底達(dá)到最高值，而后開(kāi)始下降，翌年2月上旬達(dá)到最低值；草地土壤溫度7月底達(dá)到最高值，而后開(kāi)始下降，12月中旬達(dá)到最低值；林地封凍時(shí)長(zhǎng)明顯大于草地封凍時(shí)長(zhǎng)。②林草地土壤濕度日變化不受太陽(yáng)輻射的影響。林地不同土層土壤濕度年動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)均一致，呈現(xiàn)正弦曲線(xiàn)的變化規(guī)律；草地在土壤結(jié)凍后和未消融期間，土壤濕度較低且變化不明顯；其他時(shí)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(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，而且變化趨勢(shì)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(shì)相反，封凍期間土壤溫濕度亦保持在相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，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(shì)一致。

林草復(fù)合流域；土壤溫濕度；時(shí)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(qū)是氣候變化的敏感區(qū)域[1]，受全球氣候變化的影響，近 50年來(lái)祁連山地區(qū)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(tài)系統(tǒng)原有的局地氣候條件，尤其對(duì)外界擾動(dòng)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(guò)程[3]，氣候-土壤-植被形成相互作用的循環(huán)系統(tǒng)，土壤水熱變化作為土壤特性的重要參數(shù)一直受到重視[4-5]。目前，很多學(xué)者對(duì)祁連山區(qū)土壤水熱變化進(jìn)行了大量研究，如胡健等人[6]對(duì)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(guī)律進(jìn)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(duì)祁連山大野口流域青海云杉林分結(jié)構(gòu)及其水熱特征進(jìn)行了分析，林分水平結(jié)構(gòu)、垂直結(jié)構(gòu)和多度與土壤溫濕度存在一定的關(guān)系。唐振興等人[8]分析了土壤溫濕度與主要?dú)庀笠蜃拥年P(guān)系，發(fā)現(xiàn)土壤溫度的控制因子是氣溫、空氣相對(duì)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(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。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(guān)系？因此，深入研究氣候變化背景下祁連山區(qū)局地小環(huán)境的土壤水熱時(shí)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(zhì)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(guò)季節(jié)的凍結(jié)和消融過(guò)程中發(fā)生明顯的變化規(guī)律，這需要對(duì)土壤干濕狀況和熱量進(jìn)行細(xì)致深入研究，同時(shí)，同一地區(qū)不同試驗(yàn)點(diǎn)土壤水熱變化研究有助于比較研究和尺度轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)。為此，本文利用祁連山森林生態(tài)站設(shè)在排露溝流域的青海云杉林和草地氣象觀測(cè)場(chǎng)一年的土壤溫濕度數(shù)據(jù)資料，分析土壤80 cm深度范圍內(nèi)的溫濕度時(shí)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(guān)系，以便更好地理解祁連山林地、草地的土壤水熱時(shí)空變化規(guī)律和水熱之間的協(xié)同作用，為研究亞高山地帶森林生態(tài)系統(tǒng)微氣候、土壤、植被、微地貌等地表原位地理環(huán)境過(guò)程提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于祁連山中段西水林區(qū)的排露溝流域(100°17′ E，38°24′ N)，流域總面積2.85 km2，長(zhǎng)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(fā)量1 052 mm，年平均日照時(shí)數(shù)1 893 h，日輻射總量110.28 kW/m2，年平均相對(duì)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(fù)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(lèi)型和土壤類(lèi)型。海拔從低到高，植被類(lèi)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(lèi)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(lèi)土壤中山地灰褐土和亞高山灌叢草甸土是生長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)區(qū)海拔2 600 ~ 3 300 m陰坡和半陰坡地帶，與陽(yáng)坡草地犬齒交錯(cuò)分布；灌木優(yōu)勢(shì)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(cè)場(chǎng)布設(shè)

土壤溫濕度自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)分別位于祁連山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站設(shè)在排露溝流域海拔2 700 m的青海云杉林和2 570 m半陽(yáng)坡草地氣象綜合觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)。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(shù)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(jī)質(zhì)積累豐富。草地樣地位于陽(yáng)坡，坡向SW(南西)，坡度10°，覆蓋度為72%，優(yōu)勢(shì)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(zhì)層質(zhì)地偏砂質(zhì)，土壤孔性良好[14-15]。

表1 林地和草地氣象觀測(cè)場(chǎng)基本信息[14]

2.2 土壤溫濕度觀測(cè)

所布設(shè)的青海云杉林和草地2個(gè)氣象綜合觀測(cè)場(chǎng)土壤溫濕度自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)主要包括土壤溫濕鹽數(shù)據(jù)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?jǐn)?shù)(%)，精度：±0.03)及其數(shù)據(jù)采集器(Campbell CR3000)，數(shù)據(jù)傳感器探頭布設(shè)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(shù)據(jù)采集記錄器控制溫濕度傳感器(HOBO)，利用loggerNet軟件主界面進(jìn)行存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)提出并按其數(shù)值、時(shí)間進(jìn)行分析，繪圖。2個(gè)觀測(cè)場(chǎng)的土壤溫濕度測(cè)定時(shí)間間隔均為10 min記錄1次，日變化及小時(shí)變化均按10 min測(cè)定值通過(guò)平均求得，在正式觀測(cè)之前，已對(duì)觀測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢驗(yàn)，證實(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)可靠。

2.3 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析

本文采用2014年6月1日—2015年5月31日整一年的觀測(cè)數(shù)據(jù)。為了避免隨機(jī)天氣過(guò)程的影響，文中采用的日數(shù)據(jù)是2014年6月1日—2015年5月31日每日0:00數(shù)據(jù)；小時(shí)數(shù)據(jù)選用了2014年6月1日—2015年5月31日整點(diǎn)小時(shí)平均值[4]。采用對(duì)比分析及線(xiàn)性趨勢(shì)分析等方法分析祁連山青海云杉林和草地土壤溫濕度時(shí)空變化。所有數(shù)據(jù)均采用Excel進(jìn)行制圖，利用SPSS進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

3 結(jié)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(duì)祁連山排露溝流域林地和草地土壤溫度日變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(圖1)，從圖1可以看出，林地和草地土壤溫度日動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)較為一致，在不同土壤深度的變化呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：淺層(10 cm和20 cm深度)土壤溫度呈正弦曲線(xiàn)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(xiàn)變化，溫度變化不明顯，這3個(gè)深度土壤溫度在林地中的變化幅度表現(xiàn)為60 cm> 80 cm>40 cm，在草地中的變現(xiàn)為40 cm≈60 cm>80 cm。因此，太陽(yáng)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(xiàn)在21:00時(shí)左右，而草地最高值出現(xiàn)在18:00時(shí)左右；林地最低值出現(xiàn)在11:00時(shí)左右，而草地最低值出現(xiàn)在9:00時(shí)左右。從增溫與降溫來(lái)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(dòng)態(tài)

3.1.2 土壤溫度的年變化特征 對(duì)林地和草地土壤溫度的年變化進(jìn)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(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)均一致，均呈現(xiàn)正弦曲線(xiàn)變化規(guī)律，這與太陽(yáng)輻射年際變化特征一致，說(shuō)明太陽(yáng)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(dá)到最高值，而后開(kāi)始下降，翌年2月上旬達(dá)到最低值；草地土壤溫度7月底達(dá)到最高值，而后開(kāi)始下降，12月中旬達(dá)到最低值。受天氣的影響，淺層土壤溫度波動(dòng)較大，隨土層深度的增加，深層土壤溫度波動(dòng)減小。林地從當(dāng)年6月初至10月中旬和翌年5月上旬開(kāi)始，草地從當(dāng)年6月初至9月上旬和翌年3月上旬開(kāi)始，隨土層深度的增加，土壤溫度均不斷減小；其他時(shí)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(shí)間變化表現(xiàn)出明顯的凍融特點(diǎn)。以劉帥等人[16]對(duì)凍土季節(jié)凍融過(guò)程的劃分為依據(jù)(當(dāng)土壤日最高溫度>0℃且土壤最低溫度小于＜0℃時(shí)，土壤為封凍期；當(dāng)土壤日最高溫度>0℃且土壤最低溫度＜0℃時(shí)，土壤為解凍期)。林草地土壤不同土層進(jìn)入封凍時(shí)長(zhǎng)各不相同(表2)，土壤自上而下凍結(jié)，下層土壤凍結(jié)有一定的滯后，林地封凍時(shí)長(zhǎng)明顯大于草地封凍時(shí)長(zhǎng)。

圖2 林地和草地土壤溫度年動(dòng)態(tài)

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(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)較為一致，而且土壤日變化較小或不明顯(圖3)。相對(duì)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(yáng)輻射日變化的影響。林地土壤濕度變幅大小表現(xiàn)為10 cm>20 cm>40 cm>60 cm>80 cm；草地土壤濕度大小表現(xiàn)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(shí)間

圖3 林地和草地土壤濕度日動(dòng)態(tài)

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(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)均一致，呈現(xiàn)正弦曲線(xiàn)的變化規(guī)律。林地土壤濕度7月底達(dá)到最高值，而后開(kāi)始下降，翌年2月上旬達(dá)到最低值。在土壤未凍結(jié)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(jié)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(dāng)中，林地10 cm深度土層始終為一個(gè)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(jié)構(gòu)(林冠截留)和林木根系深度有關(guān)(青海云杉林平均根長(zhǎng)為60 cm)。草地10 cm和20 cm深度土層在未凍結(jié)之前因受降雨等的影響，濕度表現(xiàn)出明顯的突變特點(diǎn)，而且其含水量也較高，其他深度土層的變化趨勢(shì)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(yàn)期間草地生長(zhǎng)季初期到末期，土壤濕度7月上旬達(dá)到最高值，其他時(shí)間濕度變化較為緩和且在同一水平線(xiàn)上；進(jìn)入到土壤結(jié)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(shí)，土壤因吸收太陽(yáng)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?jǐn)?shù)據(jù)有缺失)

3.3 林地和草地土壤溫濕度耦合關(guān)系

對(duì)林地和草地一年間不同深度土壤溫濕度進(jìn)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(shì)不一致。林地中，不同深度土壤溫濕度均保持在相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，均呈正弦型的曲線(xiàn)變化規(guī)律，而且變化趨勢(shì)基本一致，不同深度土壤溫濕度Pearson相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.99，相關(guān)性達(dá)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(guān)系。草地淺層(10 cm和20 cm深度)土壤在進(jìn)入封凍前，土壤溫濕度呈相反的變化趨勢(shì)，即當(dāng)土壤溫度降低時(shí)，土壤濕度升高；在土壤進(jìn)入解凍后，土壤溫濕度亦呈相反的變化趨勢(shì)，即當(dāng)土壤溫度升高時(shí)，土壤濕度降低；土壤進(jìn)入封凍后和解凍前，土壤溫濕度保持在相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，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(shì)總體較為一致，在土壤進(jìn)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(lái)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(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，水熱條件較為穩(wěn)定。相關(guān)性分析表明，草地不同深度土壤溫濕度之間極顯著相關(guān)(<0.01)，其Pearson相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.638以上，二者之間具有良好的耦合關(guān)系。

圖5 林地和草地不同土層土壤溫濕度耦合關(guān)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(qū)域性因素(海拔、經(jīng)度、緯度)有關(guān)外，還與局地因素(地表覆蓋、土壤質(zhì)地、土壤濕度等)有關(guān)，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(shí)間尺度包括日變化、年變化均呈正弦型的曲線(xiàn)變化規(guī)律?？臻g尺度表現(xiàn)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(guān)，土壤濕度大，則土壤溫度變化幅度小；另外一個(gè)方面與土壤質(zhì)地有一定的關(guān)系，林地和草地土壤石礫含量較大也是其明顯的特點(diǎn)之一。該研究結(jié)果與地處青藏高原納木錯(cuò)站、珠峰站和藏東南站3個(gè)典型下墊面的研究結(jié)果相似[18]。林地和草地土壤溫度年變化的影響深度達(dá)到了80 cm以下，而且其凍融過(guò)程呈現(xiàn)出明顯的緩慢降溫過(guò)程和迅速的升溫過(guò)程的特點(diǎn)，即：非對(duì)稱(chēng)的緩凍速融的特點(diǎn)，原因是土壤在開(kāi)始凍結(jié)的過(guò)程中要釋放一定的潛熱，一定程度上延遲凍結(jié)過(guò)程；消融開(kāi)始時(shí)，凍土溶解，液態(tài)水增加，土壤導(dǎo)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(diǎn)相似[19]。另外，林地的土壤封凍時(shí)長(zhǎng)比草地約多30 d，主要原因一是林冠大幅降低了太陽(yáng)輻射，二是林冠阻隔了熱量與水汽交換，同時(shí)反射地面長(zhǎng)波輻射[20]，該結(jié)果及林地和草地的封凍時(shí)長(zhǎng)與任璐等人[21]利用凍土器測(cè)定的研究結(jié)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(lèi)型、氣溫等密切相關(guān)[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(jié)凍結(jié)和消融過(guò)程，土壤中的水分具有白天消融、晚上凍結(jié)的特點(diǎn)，其過(guò)程有利于水分在土壤中的維持。研究結(jié)果與青藏高原納木錯(cuò)站、珠峰站和藏東南站3個(gè)典型下墊面的研究結(jié)果相似[18]。林地和草地不同深度土壤濕度的年變化規(guī)律大體相同而變化振幅不相同。夏季降雨多，土壤濕度表現(xiàn)為最大；秋季雖然植物生理活動(dòng)減弱，需水量減少，但大氣降水減少，土壤濕度不斷減??；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(duì)一年的土壤濕度進(jìn)行了分析，但是土壤濕度傳感器只能測(cè)定土壤中未凍結(jié)水的含量，冬季測(cè)定的土壤濕度不能正確代表土壤濕度的真實(shí)值。春季，隨太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，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(guān)系。林地除了林冠對(duì)大氣降水產(chǎn)生作用外，還包括苔蘚枯落物層等的作用[24]，而草地結(jié)構(gòu)較林地簡(jiǎn)單，對(duì)大氣降水的作用減弱，進(jìn)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(guò)程，而植被是決定這種變化和影響的環(huán)境因子之一[25]。林地在一年當(dāng)中的不同深度土壤溫濕度的變化趨勢(shì)相同，土壤溫度的升高或降低，導(dǎo)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(duì)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(fā)，直到夏季，土壤溫度進(jìn)一步升高，但此時(shí)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(jìn)一步地研究探討。而草地淺層土壤溫濕度在進(jìn)入封凍前和解凍后呈相反的變化趨勢(shì)，土壤溫度的升高或降低，導(dǎo)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(zhǎng)季的初期，植被覆蓋度低，土壤中的水以氣態(tài)的形式通過(guò)土壤孔隙進(jìn)行揮發(fā)，導(dǎo)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(jié)果與青藏高原的巴塘高寒草甸土壤溫濕度的相互作用規(guī)律相同[4]。

本研究只考慮了一個(gè)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(jìn)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(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析，從而提高結(jié)論的可信度。另外，在研究中，因?yàn)閮x器工作或未知因素的影響，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)的缺失，這是在以后研究中應(yīng)當(dāng)改進(jìn)的方面。

5 結(jié)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(diǎn)，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(xiàn)變化，40 cm、60 cm和80 cm土壤深度土壤溫度日變化約呈直線(xiàn)變化；林地和草地土壤溫度年變化均表現(xiàn)為7月底達(dá)到最高值，而后開(kāi)始下降，其中林地翌年2月上旬達(dá)到最低值，而草地12月中旬就達(dá)到最低值；林地封凍時(shí)長(zhǎng)明顯大于草地封凍時(shí)長(zhǎng)。

林地和草地土壤濕度日變化受太陽(yáng)輻射的影響不明顯；林地不同土層土壤濕度年動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)均一致，呈現(xiàn)正弦曲線(xiàn)的變化規(guī)律；草地在土壤結(jié)凍后和未消融期間，土壤濕度較低且變化不明顯，其他時(shí)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(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，而且變化趨勢(shì)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(shì)相反，封凍期間土壤溫濕度亦保持在相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，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(shì)一致；林地和草地土壤溫濕度二者之間具有良好的耦合關(guān)系。

[1] 湯懋蒼, 程國(guó)棟, 林振耀. 青藏高原近代氣候變化及對(duì)環(huán)境的影響[M]. 廣州: 廣州科技出版社, 1998: 261–329

[2] 張耀宗. 近 50 年來(lái)祁連山地區(qū)的氣候變化[D]. 蘭州: 西北師范大學(xué), 2009

[3] 王俊峰, 吳青柏. 氣溫升高對(duì)青藏高原沼澤草甸淺層土壤水熱變化的影響[J]. 蘭州大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2010, 46(1): 33–39

[4] 張娟, 沙占江, 徐維新. 青藏高原玉樹(shù)地區(qū)巴塘高寒草甸土壤溫濕特征分析[J]. 冰川凍土, 2015, 37(3): 635–642

[5] 李超, 張鳳榮, 王秀麗, 等.土壤系統(tǒng)分類(lèi)中土壤水熱狀況的確定方法及應(yīng)用研究——以山西省為例[J]. 土壤, 2017, 49(1): 177–183

[6] 胡健, 呂一河, 傅伯杰, 等. 祁連山排露溝流域土壤水熱與降雨脈動(dòng)沿海拔梯度變化[J]. 干旱區(qū)研究, 2017, 34 (1): 151–160

[7] 牛赟, 劉賢德, 王立, 等. 祁連山大野口流域青海云杉林分結(jié)構(gòu)及其土壤水熱特征分析[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2014, 23(3): 385–391

[8] 唐振興, 何志斌, 劉鵠. 祁連山中段林草交錯(cuò)帶土壤水熱特征及其對(duì)氣象要素的響應(yīng)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 32(4): 1056–1065

[9] 王金葉, 田大倫, 王彥輝, 等. 祁連山林草復(fù)合流域土壤水文效應(yīng)[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2005, 19(3): 14–147

[10] 張立杰, 趙文智, 何志斌, 等. 祁連山典型小流域降水特征及其對(duì)徑流的影響[J]. 冰川凍土, 2008, 30(5): 776– 777

[11] 劉鵠, 趙文智, 何志斌, 等. 祁連山淺山區(qū)不同植被類(lèi)型土壤水分時(shí)間異質(zhì)性[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2008, 28(5): 2390– 2391

[12] 趙維俊, 劉賢德, 金銘, 等. 祁連山青海云杉林葉片-枯落物-土壤的碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2016, 53(2): 477–489

[13] 趙維俊, 敬文茂, 趙永宏, 等. 祁連山大野口流域典型灌叢植物與土壤中氮磷的化學(xué)計(jì)量特征[J]. 土壤, 2017, 49(3): 572–579

[14] 任璐, 王順利, 于澎濤, 等. 祁連山2 種植被下凍土的季節(jié)變化及數(shù)值模擬[J]. 林業(yè)科學(xué)研究, 2016, 29(4): 596–602

[15] 姜林. 祁連山西水林區(qū)典型土壤類(lèi)型發(fā)生特性及系統(tǒng)分類(lèi)研究[D]. 陜西楊凌: 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2012

[16] 劉帥, 于貴瑞, 淺沼順, 等. 蒙古高原中部草地土壤凍融過(guò)程及土壤含水量分布[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2009, 46(1): 46– 51

[17] 王紹令, 丁永建, 趙林. 青藏高原局地因素對(duì)近地表層地溫的影響[J]. 高原氣象, 2001, 21(1): 85–89

[18] 楊健, 馬耀明. 青藏高原典型下墊面的土壤溫濕特征[J]. 冰川凍土, 2012, 34(4): 813–820

[19] 李衛(wèi)朋, 范繼輝, 沙玉坤, 等. 藏北高寒草原土壤溫度變化與凍融特征[J]. 山地學(xué)報(bào), 2014, 32(4): 407–416

[20] 施婷婷, 鄭興波, 張麗波, 等. 植被對(duì)土壤熱擴(kuò)散特征的影響——以長(zhǎng)白山闊葉紅松林為例[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 35(12): 3970–3978

[21] 任璐, 王順利, 于澎濤, 等. 祁連山 2 種植被下凍土的季節(jié)變化及數(shù)值模擬[J]. 林業(yè)科學(xué)研究, 2016, 29(4): 596–602

[22] Vinnikov K Y, Robock A, Speranskaya N A, et al. Scales of temporal and spatial variability of midlatitude soil moisture[J]. Journal of Geophysical Research: Atmos-pheres, 1996, 101(D3): 7163–7174

[23] 馬柱國(guó), 魏和林, 符淙斌. 中國(guó)東部區(qū)域土壤濕度的變化及其與氣候變率的關(guān)系[J]. 氣象學(xué)報(bào), 2015, 58(3): 278– 287

[24] 王順利, 王金葉, 張學(xué)龍, 等. 祁連山青海云杉林苔蘚枯落物分布與水文特性[J]. 水土保持研究, 2006, 13(5): 156–159

[25] 施婷婷, 鄭興波, 張麗波, 等. 植被對(duì)土壤熱擴(kuò)散特征的影響—以長(zhǎng)白山闊葉紅松林為例[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 35(12): 3970–3978

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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(91425301、31360201、41461004)、科技基礎(chǔ)性工作專(zhuān)項(xiàng)(2014FY120700)、甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(17JR5RG351)和國(guó)家林業(yè)局陸地生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目(CTERN)資助。

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

10.13758/j.cnki.tr.2018.04.020

S152.6

A