祁连山大野口流域不同植被类型冻土冻融特征分析

王翔，蒋志荣,2，敬文茂,3

(1.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农村发展研究院，甘肃 兰州 730070；3.甘肃省祁连山水源涵养林研究院，甘肃 张掖 734000)

祁连山大野口流域不同植被类型冻土冻融特征分析

王翔1，蒋志荣1,2，敬文茂1,3

(1.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农村发展研究院，甘肃 兰州 730070；3.甘肃省祁连山水源涵养林研究院，甘肃 张掖 734000)

通过对祁连山大野口流域内不同海拔梯度上的冻土冻融监测，分析评估青海云杉林、灌丛、阳坡草地3 种典型植被类型冻土冻融厚度和速率变化的差异。结果表明：(1)冻土深度上限最大值为灌丛冻土>阳坡草地冻土>青海云杉林冻土；冻土深度下限最大值为灌丛冻土>青海云杉林冻土>阳坡草地冻土。(2)冻土冻结期，青海云杉林冻土变化速率最大，其次阳坡草地冻土变化速率，灌丛冻土变化速率最慢；冻土消融期，灌丛冻土变化速率最大，其次阳坡草地冻土变化速率，青海云杉林冻土变化速率最慢。(3)青海云杉林冻土过程最长，其次为灌丛冻土，阳坡草地冻土过程时间最短。建议培育青海云杉与灌丛增强祁连山涵养水源功能。

冻土冻融；植被类型；变化特征

冻土，通常指的是在温度0 ℃以下，包含冰的各种岩土和土壤。我国冻土区从中、低纬度的青藏高原和西部高山到东北大兴安岭、长白山区等区域均有广泛分布，多年冻土面积估计约为1.53×106km2[1，2]，约占全国陆地总面积的15.9%[1，2]。在冻土区，冻土的分布对水土环境的保护利用、工程项目建设、资源开发等方面影响显著，更为重要的是，在全球变暖的背景下，在全球变化极为敏感的寒区已经发生了一系列生态环境变化[3]。

祁连山多年冻土面积约7.66×104km2，约占中西部地区总冻土面积28.37%[4,5]。祁连山脉地处中国甘肃省西部与青海省东北部边境交界处，对河西内陆三大河流的径流补给能力强，且补给延续时间长。作为河西走廊冰雪融水补给的地区之一，其对流域水文和水资源稳定性及对荒漠生态系统维持起着重要作用。冻土的发育及保存完好性是祁连山维持自然环境生态平衡的物质基础，同时能对外界环境强迫做出敏感反应。其中多年冻土减少或消失会直接导致区域内地下水位和湖泊水位的下降[6]，从而使生长在多年冻土带的植被退化[7]，导致植被草甸→草原→荒漠这样一个退化过程[8，9]。因此冻土的存在状态及其变化对祁连山生态环境的演变趋势具有决定性作用。

祁连山现有冰川面积1597.81±70.30 km2[10]，储量约84.48 km3[10]，其中低海拔区的冰川退缩速度高于高海拔地区，山区中，南坡向的冰川退缩速度大于北坡向。尽管气象部门在祁连山进行了规范化的冻土观测，积累了丰富的资料，但多数研究集中在冻土理化性质及植被群落调查等相关因素，很少关注植物影响下的土壤冻融特征[1,6]。

本研究利用祁连山大野口流域冻土冻融监测数据(2015—2016年)，研究祁连山中段地区冻土冻融的变化特征和不同植被类型在特定的海拔范围内土壤的冻融关系，对促进寒冷和干旱地区的生态水文发展，揭露森林水资源的涵养机制有重要意义。

1 研究区概况

祁连山( 93°30′—103°E，36°30′—39°30′ N) 是我国西北地区著名山系之一[10]，气候类型属温带大陆性气候。其山前地属于荒漠气候，山地东部气候较湿润，西部较干燥。中部山地上部为半湿润的森林草原气候，高山地区属寒冷湿润气候[5-7]。

试验区位于祁连山典型的中部山地气候区域—大野口流域，大野口流域位于(38°16′—38°33′N，100°13′—100°16′E)，试验区海拔为2 500～3 300 m[8]，中低山区域较平缓，坡度约20°～30°[8]，高山区域较陡，坡度约40°[8]；属高寒干旱半干旱气候，年平均气温约5.4 ℃[9]，月均最低气温-12.5 ℃[9]，月均最高气温约19.6 ℃[9]；年均降水量为300～500 mm[10]，且在6—9月集中，年水面蒸发量约为1 488 mm[10]。因为区域内的海拔变化以及水热条件差异较大，所以形成了在垂直和水平梯度上不同的植被和土壤类型，成为祁连山区域内比较典型且尺度较大的小流域[8-11]。

2 材料与方法

冻土器外管是外部直径为31 mm[12]PVC塑料管，管壁薄，使外界土壤与内管之间热量交换不会受到太多的阻塞，下段封闭，上有塑料盖，管外标出与内管对应0 cm[12]地面安装线。冻土器内管由内径略小于外管外径的塑料垫片、海绵圈、中轴8 mm[12]尼龙棒组成。塑料垫片、海绵圈一一间隔固定在中轴尼龙棒上，尼龙垫片厚度约2.5 mm[12]。冻土器安装后，海绵用水浸透，整个冻土器以保鲜膜或大小相同的乳胶气球包裹，以防止水分的损失。根据本地冻土极值的记载，设计冻土器的测量深度为2.0m[13]。在样地内安装1套冻土器，对冻土冻融进行实时监测，同时根据不同海拔，在不同植被类型(青海云杉林、灌丛、阳坡草地)的区域布设冻土器，对冻土冻融进行监测[13，14]。

3 结果与分析

3.1 不同植被类型冻土冻融深度变化

3.1.1 青海云杉林冻土冻融变化特征 选取祁连山大野口2 500～3 300 m海拔上的青海云杉林内土壤进行研究，林内冻土开始冻结的时间为2015年10月25日，冻土开始消融的时间为2016年3月30日。2015—2016年青海云杉林内冻土冻融过程经历的时期平均为156 d，占全年时间42.74%。冻土上限从10月25日至次年3月10日内没有明显变化，在次年3月10日后开始下降；冻土下限从10月25日至次年2月15日内明显下降，之后变化不明显。

3.1.2 灌丛冻土冻融变化特征 选取祁连山大野口2 500～3 300 m海拔上的灌丛内土壤进行研究，灌丛内冻土开始冻结时间为2015年10月25日左右，冻土开始消融时间在2016年3月25日左右。2015—2016年灌丛内冻土冻融过程经历的时期平均为152 d，占全年时间的41.64%。冻土上限从10月25日至次年3月25日内没有明显变化，在次年3月25日后开始下降；冻土下限从10月25日至次年2月5日内明显下降，之后因冻土器测量深度有限，不能观测到2月5日后的冻土深度。

3.1.3 阳坡草地冻土冻融变化特征 选取祁连山大野口流域2 500～3 300 m海拔上的阳坡草地内土壤进行研究，阳坡草地冻土开始冻结时间为2015年10月25日左右。冻土开始消融时间在2016年3月5日左右，2015—2016年阳坡草地冻土冻融过程经历的时期平均为131 d，占全年时间的35.89%。冻土上限从10月25日至次年3月5日内没有明显变化，在次年3月5日后开始下降；冻土下限从10月25日至次年3月10日内明显下降，之后不再有明显变化。

表1 祁连山大野口流域不同植被类型下冻土变化特征

3.1.4 不同植被类型冻土冻融深度变化特征分析 祁连山大野口流域海拔2 500～3 000 m不同植被类型的冻土冻融深度有着规律性变化，冻土开始冻结时间都为2015年10月25日左右，开始消融时间不同，其中冻土冻融经历的时间有以下规律：青海云杉林冻土>灌丛冻土>阳坡草地冻土。由于阳坡草地比青海云杉林和灌丛吸收更多的热量，所以阳坡草地开始消融时间最早，经历时间最短。冻土上限均呈先无明显变化后下降的趋势，下限呈先下降后无明显变化的趋势。因为从10月开始，气温逐渐降低，土壤温度随之降低，表层土壤开始冻结，故冻土上限没有明显变化，随着温度持续降低，土壤冻结深度加深，下限呈显著下降趋势；到次年3月之后，气温开始回升，上层土壤温度也随之上升，冻土开始消融，上限开始下降，下层土壤温度没有明显变化，所以下限下降到一定深度后不再有明显变化。上限最大值：灌丛冻土>阳坡草地冻土>青海云杉林冻土，下限最大值：灌丛冻土>青海云杉林冻土>阳坡草地冻土。

3.2 不同植被类型冻土冻融厚度与速率变化

3.2.1 青海云杉林冻土冻融厚度与速率变化特征 选取祁连山大野口2 500～3 300 m海拔上的青海云杉林内土壤进行研究，由图1可以看出，2015年10月—2016年7月，青海云杉林内冻土冻融厚度呈先升后降的趋势，从10月25日左右开始，土壤开始冻结，之后，冻土的厚度缓慢增加，直到翌年3月5日左右，冻土的厚度达到最大值；此后，冻土厚度缓慢减小，到次年6月15日左右，季节性的冻土消融。从10月25日至12月25日，土壤的冻结速率呈现波动性变化；12月25日至3月25 日，土壤的冻结速率呈波动性减小，缓慢趋于0，从冻土消融开始，直到次年4月20日，土壤冻结速率降到最低；4月20日至6月30日，土壤冻结速率呈现波动性变化。

图1 祁连山大野口流域青海云杉林冻土厚度和速率变化

3.2.2 灌丛冻土冻融厚度与速率变化特征 选取祁连山大野口2 500～3 300 m海拔上的灌丛土壤进行研究，由图2可以看出2015年10月—2016年7月，灌丛冻土冻融厚度呈先升后降的趋势。从10月25日开始，土壤逐渐冻结，之后，冻土的厚度缓慢增加，直到翌年3月10日左右，冻土的厚度达到最大值；此后，冻土厚度缓慢减小，到次年6月15日左右，季节性的冻土消融。10月25日至12月5日，土壤冻结速率逐渐波动性变化；12月5日至翌年3月10日，土壤冻结速率波动性减小，逐渐趋于0，冻土消融开始，直到4月25 日，土壤冻结速率降到最低；4月25 日至6月30日，土壤冻结速率呈现波动性变化。

图2 祁连山大野口流域灌丛冻土厚度和速率变化

3.2.3 阳坡草地冻土冻融厚度与速率变化特征 选取祁连山大野口2 500～3 300 m海拔上的阳坡草地土壤进行研究，由图3可以看出，2015年10月—2016年7月，阳坡草地冻土冻融厚度呈先升后降的趋势。从10月25日开始，土壤逐渐冻结，之后，冻土厚度缓慢增加，到翌年3月5日左右，冻土的厚度达到最大值；此后，冻土厚度缓慢减小，到次年6月15日左右，季节性的冻土消融。10月25日至12月5日，土壤的冻结速率出现波动性变化；12月25日至2月20日，土壤冻结速率波动性减小，逐渐趋于0，冻土消融开始，直到3月10日，土壤冻结速率降到最低；3月10日至6月30日，土壤冻结速率呈现波动性变化。

图3 祁连山大野口流域阳坡草地冻土厚度和速率变化

3.2.4 不同植被类型冻土冻融厚度与速率变化特征分析 祁连山大野口流域2 500～3 300 m海拔不同植物类型冻土冻融厚度有着规律性变化。从当年10月至次年3月上旬，冻土厚度缓慢增加，3月5日左右达到最大值，此后冻土的厚度缓慢减小，到6月15日左右，季节性的冻土消融。冻土冻融厚度极值：灌丛冻土>青海云杉林冻土>阳坡草地冻土，从10月25日至12月，土壤的冻结速率呈现波动性变化；此时气温逐渐降低，土壤温、湿度日变化不规律，随之冻土速率呈现波动性变化。从12月至次年3月，土壤冻结速率波动性减小，逐渐趋于0，解冻后冻土冻融速率为负。由图3可知，阳坡草地冻土冻结速率先趋于0，其次为灌丛冻土，最后是青海云杉林冻土，是因为阳坡草地冻土比青海云杉林冻土和灌丛冻土能吸收更多的热量，随着气温上升，阳坡草地冻土会提前解冻。冻结期，青海云杉林冻土变化幅度>阳坡草地冻土变化幅度>灌丛冻土变化幅度。消融期，灌丛冻土变化幅度>阳坡草地冻土变化幅度>青海云杉冻土变化幅度。

4 结论

本研究是在祁连山大野口流域长期定位监测，在2 500～3 300 m海拔上外界温度相同的情况下进行，结果表明：不同植物类型对土壤的温度、湿度、土壤持水量有着明显影响。冻土深度上限最大值：灌丛>阳坡草地>青海云杉林；冻土深度下限最大值：灌丛>青海云杉林>阳坡草地；冻土冻融厚度极值：灌丛>青海云杉林>阳坡草地。冻土冻结期变化速率：青海云杉林>阳坡草地>灌丛；冻土消融期变化速率：灌丛>阳坡草地>青海云杉林。3种植被类型的土壤属性差异使得青海云杉林比灌丛和阳坡草地具有更强的水源涵养的功能，而阳坡草地比灌丛和青海云杉林两种植被类型可能接收更多热量。在消融期间，植被自身释放热量值未知，且土壤不同深度含水量不同，故不能比较青海云杉林内的土壤湿度、持水量与灌丛的土壤湿度、持水量之间的大小。建议在未来流域生态系统管理与可持续发展利用中，应重视青海云杉林与灌丛蓄水保水对流域水文和生态系统健康的作用。

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Characteristics of Frozen Soil and Freeze-thaw of Different Vegetation Types in Dayekou Basin of Qilian Mountains

Wang Xiang1,Jiang Zhirong1,2,Jing Wenmao1,3

(1.College of Forestry,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China; 2.Gansu Rural Development Research Institute,Lanzhou 730070,China;3.Academy of Qilianshan Water Conservation Forest of Gansu Province,Zhangye 734000,China)

The differences of thickness and rate of free zone soil & freeze-thaw of three typical vegetation types in forest,shrub & grassland on sunny slope ofPiceacrassifoliawere evaluated by monitoring frozen soil and freeze-thaw on permafrost at different altitudes in Dayekou Basin of Qilianshan Mountains.Result shows that: (1) upper limit of the the maximum principle of frozen soil: hilly frozen soil> grassland on sunny slope> frozen soil ofPiceacrassifolia;lower limit of depth of frozen soil: frozen soil of shrub >Piceacrassifoliaforest permafrost (2) freezing period of frozen soil: the rate of frozen soil change inPiceacrassifoliaplantation is the highest,followed by the rate of change of frozen soil and the slowest rate of frozen soil in the sunny slope.The rate of change of frozen soil is the highest,and the rate of change of frozen soil in sunny grassland is the slowest.Result shows that the soil moisture in the spruce forest is the highest in the frozen period,the lowest in the sunny grassland,the highest heat in the shrub and the shrub was,and the spruce is the smallest.The sunny grass is the smallest.The grassland on the sunny slope can absorb more heat.(3) the frozen soil process ofPiceacrassifoliaplantation is the longest,followed by the shrub,sunny grassland permafrost process time is shortest.Therefore,it is suggested to cultivatePiceacrassifoliaand shrub to enhance the function of water conservation in Qilian Mountains.

frozen soil and freeze-thaw; vegetation type; change characteristics

1005-5215(2017)03-0001-04

2017-01-24

甘肃省科技创新服务平台项目(144JTCG2 54)

王翔(1991-)，男，硕士研究生，主要从事水土保持与荒漠化防治研究，Email：wx.19911208@qq.com

蒋志荣(1959-)，男，教授，博士生导师，主要从事林学、水土保持与荒漠化防治研究.

Q948.152

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.03.001