退化高寒草原浅层土壤冻融作用特征分析

魏卫东，刘育红，马 辉，李积兰

(青海大学 农牧学院，西宁 810016)

土壤冻融作用发生于高纬度、高海拔冻土地区，是由于热量的季节、昼夜变化导致一定深度的土壤水分因相变而冻结和融化的自然过程。土壤冻融以非生物应力作用于土壤，可产生一系列生态学效应[1-2]。在全球气候变暖背景下，环境温度波动加剧、冻融格局变化，多年冻土不断退化[3]，而冻融作用可通过改变土壤热容量等对区域乃至全球气候变暖产生正反馈作用[4]。近年来，针对冻土及冻融作用的研究在土壤溶解性有机碳矿化[5]、非生物胁迫[6]、土壤养分平衡[7]、土壤水分和盐分的迁移[8]等方面已取得进展。

高寒草原是青藏高原重要的草地类型之一，广泛发育的冻土是维持高寒草原生态环境稳定的重要基础，冻融作用塑造的寒冻土壤及协同进化的植被群落等构成了独特的高寒草原生态系统[9-10]。因此，冻融作用是高寒地区生态环境中具有主导作用的活跃因素，受到研究人员的广泛关注。如高原土壤温湿度的变化及在高原干湿季转换中的作用[11-13]，高原湿地土壤冻结融化期间的陆面过程特征[14]，降雪对土壤冻融过程及其水热分布的影响[15]，冻融作用与土壤碳氮、微生物量氮含量[16-17]等。

近几十年来，在青藏高原气候暖干化趋势明显、高寒草地超载过牧等自然和人为因素的共同扰动下，生态系统稳定性差，且敏感的高寒草原冻土环境发生着显著变化[18-20]，表现之一为高寒草原呈不同程度的退化。退化高寒草原的土壤理化性质、物理过程等发生改变，植被的退化导致草地群落逆向演替，这些变化耦合在一起，势必影响高寒草原陆地生态系统的热量平衡，不仅使退化高寒草原冻融格局发生改变，也使得高寒草原冻融过程更为复杂。目前，针对退化高寒草原冻融作用特征的研究相对匮乏。因此，在具有典型高寒草原特点的草地设置不同退化程度研究样地，在0～40 cm浅层土壤不同土层观测记录一个完整冻融周期内的土壤温度数据，分析土壤冻融作用特征，对回答不同退化程度高寒草原土壤冻融过程、不同土层温度变化特征及土壤温度与气温的耦合关系等科学问题将具有重要意义，以此也可以反映不同退化程度高寒草原冻融格局的变化规律，为研究冻融作用在高寒地区生态系统过程中对气候变化的响应和反馈提供支持和例证，也为高寒草原其他生态环境问题的研究提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究样地位于青海省果洛州玛多县(33°50′～35°40′N， 96°50′～99°20′E)。玛多县面积2.5×104km2，平均海拔4 210 m，天然草地面积2.0×104km2[21]；玛多县属高原大陆性气候，一年无四季之分，冷季漫长、寒冷，暖季短暂、凉爽，无绝对无霜期，牧草生长期120 d；多年平均气温-4.1 ℃，最冷月-16.8 ℃，极端日最低温-48.1 ℃，最热月7.5 ℃，极端日最高温22.9 ℃，昼夜温差大，太阳辐射强，年均日照时数2 373～2 716 h，年均降水量303.9 mm且年际变化大，年均蒸发量1 333.9 mm。高寒草原原生植物主要有紫花针茅(Stipapurpurea)、青藏苔草(Carexmoorcroftii)、冷地早熟禾(Poacrymophila)、多裂委陵菜(Potentillamultifida)、矮火绒草(Leontopodiumnanum)、细叶亚菊(Ajaniatenuifolia)、黄花棘豆(Oxytropisochrocephala)等。高寒草原草地土壤为高山草原土。

1.2 样地设置

在具有典型高寒草原特征的玛多县设置研究样地(34°44′N，98°07′E)。利用空间分布代替时间演替并依据任继周[22]、周华坤等[23]关于草地退化程度划分的方法，结合样地水土流失现状、鼠虫危害情况等综合评价，研究样地划分为4个退化程度，即未退化(Un-degradation，UD)、轻度退化(Light degradation，LD)、中度退化(Moderate degradation，MD)和重度退化(Heavy degradation，HD)。不同退化程度研究样地海拔4 289～4 293 m，草地类型为紫花针茅草地，土壤为高山草原土。每个退化程度研究样地为30 m×50 m，均为阳坡，坡度5°～7°。

1.3 测定项目与方法

2016年7月-2017年6月在不同退化程度研究样地设置土壤温度观测点。土壤温度按0～10、10～20、20～30、30～40 cm 4个土层测定，由布设在土壤5、15、25、35 cm深度处的温度传感器及数据采集器(Onset-HOBO，温度-40～100 ℃)完成。每日从0：00开始，每隔2 h自动记录1次，全天共测定12次。

2016年8月，在不同退化程度研究样地随机设置1 m2观测样方，重复6次，进行植物群落数量特征测定，包括植被盖度(多人目测平均法)、物种数、地上生物量(分物种齐地面刈割称量)等。利用群落数量特征数据计算群落多样性指数(Shannon-wiener)[24]、均匀性指数(Pielou)[25]，具体计算如下式：

E=H/lnS

式中：H为多样性指数，E为均匀性指数，S为群落中物种数，Pi为第i个种的重要值占所有种重要值之和的比例。

1.4 数据分析

研究共获得2016-07-01-2017-06-30高寒草原不同退化程度草地及不同土层一个完整冻融周期365 d土壤温度数据。由每日12次观测数据平均后得到土壤温度日值(以下简称土壤温度)。以土壤温度开始持续<0 ℃时表示土壤冻结(不考虑土壤盐分等对冻结的影响)，以土壤温度开始持续>0 ℃时表示土壤消融[26-28]，以此获得高寒草原研究样地浅层土壤冻结日期、土壤消融日期、土壤持续冻结时间等数据。另外，以中国气象局气象数据中心提供的中国地面国际交换站气象资料日值数据集玛多站(区站号：56033，34°33′N，98°07′E，海拔4 272 m)的逐日平均气温资料作为本研究气温数据。

2 结果与分析

2.1 退化高寒草原群落特征

退化高寒草原研究样地随退化程度的加剧，群落植被盖度、地上生物量均降低，地上生物量不同退化程度间差异显著，群落物种数、多样性指数、均匀性指数总体呈先增加再降低的变化趋势(表1)。

2.2 退化高寒草原浅层土壤冻结消融时间

高寒草原退化后，在地上植物群落结构及土壤理化性质均发生变化背景下，不同退化程度草地土壤冻结、消融开始时间及冻结持续时间发生相应变化。

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

注：同列中不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

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

研究样地浅层土壤冻结过程反映出，土壤冻结起始日期始于10月20日，持续到11月14日，历经26 d；不同退化程度草地土壤冻结起始日期不同，同一土层土壤随退化程度的加剧冻结起始日期提前，HD较UD各土层冻结起始日期提前7～12 d；同一退化程度不同土层土壤冻结起始日期也不同，随土层加深冻结起始日期延迟，且随退化程度的加剧，0～40 cm土层完成冻结用时缩短。

研究样地浅层土壤消融过程则反映出，土壤消融起始时间始于5月15日，持续到6月28日，历经45 d；不同退化程度草地土壤消融起始日期不同，同一土层土壤随退化程度的加剧消融起始日期提前，HD较UD各土层消融起始日期提前16～26 d；同一退化程度不同土层土壤消融起始日期也不同，随土层加深消融起始日期推迟，随退化程度的加剧，0～40 cm土层完成消融用时同样缩短。对比土壤冻结、消融过程可以看出，退化高寒草原浅层土壤消融持续时间长于冻结持续时间。

在一个冻融周期内，研究样地不同退化程度草地浅层土壤开始冻结至开始消融历时时间为207～226 d，冻结持续时间总体呈UD>LD>MD>HD、30～40 cm>20～30 cm>10～20 cm>0～10 cm的变化趋势；HD较UD各土层自上而下冻结持续时间分别缩短9 d、11 d、14 d、14 d(表2)。

表2 不同退化程度及不同土层土壤冻融时间Table 2 Soil freeze-thaw time different degradation degrees and different soil layers

2.3 退化高寒草原浅层土壤温度时空变化

土壤温度等值线图可以反映一定时间、空间尺度的土壤冻融作用的发生时间、发生部位、发生范围。图1反映出不同退化程度样地0～40 cm土层土壤温度时空变化不同。

各样地土温于8月21日-9月3日达到最高值，温度为7.9～12.5 ℃，UD、LD、MD、HD各土层温度最高值极差分别为0.8、1.2、1.6、2.5 ℃，反映出退化程度越重、土壤温度变化范围越大；各样地土温于次年1月9日-1月30日达到最低值，温度为-8.4～-13.1 ℃，UD、LD、MD、HD各土层温度最低值极差则分别为1.2、1.4、1.7、3.0 ℃，同样反映出退化程度越重，土壤温度变化范围越大。其次，各样地土温从最高值降至0 ℃和从最低值升至0 ℃历时时间呈UD>LD>MD>HD变化趋势，反映出随着退化程度的加剧，土壤温度的变化速率呈增加趋势(图1)。

不同退化程度样地浅层土壤温度空间变化情况不同。从土壤进入冻结状态空间变化看，UD、LD、MD、HD样地0～10 cm土层分别于10月27日、10月25日、10月22日、10月20日温度降至0 ℃开始冻结，随后冻结锋面下移，分别于11月14日、11月11日、11月7日、11月2日到达30～40 cm 土层；冻结锋面自0～10 cm土层下移至30～40 cm土层，UD、LD、MD、HD样地分别历时19 d、18 d、17 d、14 d。由此反映出，土壤温度降低进入冻结阶段时0 ℃等温线在UD、LD样地历时长、变化相对平缓，在MD、HD样地历时短、变化相对急剧(图1)。另外，从土壤次年进入消融状态的空间变化看，UD、LD、MD、HD样地0～10 cm 土层分别于5月31日、5月22日、5月18日、5月15日温度升至0 ℃，开始消融，0 ℃ 等温线分别历时29、30、25、19 d后到达30～40 cm土层，同样反映出土壤温度升高进入消融阶段的0 ℃等温线总体上UD、LD样地历时较长、变化相对平缓，MD、HD样地历时较短、变化相对急剧(图1)。

横轴是自2016-07-01开始的累积时间 Horizontal axis is cumulative number of times since July 1, 2016

综合不同退化程度样地一个完整冻融周期内土壤冻结、消融过程中温度等值线随时间在不同土层的变化趋势看，不同时间节点、不同土层温度变化UD、LD较MD、HD缓和，土壤温度梯度也相对较小。表现为随退化程度加剧，土壤温度的变化幅度和速率增大，高寒草原土壤温度更易降温和升温。

2.4 退化高寒草原浅层土壤温度与气温耦合关系

土壤冻融作用受气候、局部地形地貌、地表植被状况、土壤理化性质等因素共同影响。浅层土壤温度的变化与气温存在耦合关系，更易受到气温波动的影响。从退化高寒草原土壤温度与气温的耦合关系看，各土层土温与气温的相关系数UD、LD、MD、HD样地分别为0.907～0.656、0.930～0.681、0.939～0.723、0.942～0.793，呈HD>MD>LD>UD的变化趋势，同一退化程度不同土层土温与气温的相关系数则呈0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm>30～40 cm的变化趋势。反映出随着草地退化程度的加剧，土温对气温的响应程度增强，随着土层由浅到深，土温对气温的响应程度减弱(图2)。

图2 不同退化程度草地土壤温度与气温相关性Fig.2 Correlation between soil temperature and air temperature in grasslands of different degradation degrees

3 结论与讨论

全球气候变化引起高纬度和高海拔地区冻土退化，导致冻土面积收缩、活动层厚度增加、冻融循环变得复杂、浅层土壤温度及水分发生变异。这些问题在具有气候变化放大器特征、生态环境脆弱、大面积分布退化草地的青藏高原更加突出。不仅使高寒草地退化与冻土退化耦合产生的效应更加复杂，而且会作用于区域陆地-大气系统中的热量平衡，进而对区域生态环境产生显著影响。

本研究结果表明，在一个冻融周期中，随着高寒草原退化程度的加剧，土壤各土层更早地进入冻结和消融状态，冻结持续时间缩短，土壤温度变化幅度增大、变化速率增加，土壤温度对气温的响应程度增强，更易升温和降温；0～40 cm土层，随土层的加深，土壤进入冻结和消融状态的日期延迟，冻结持续时间延长，土壤温度变化趋向平缓，土壤温度对气温的响应程度减弱。随退化程度加剧，0～40 cm土层完成冻结和消融用时缩短，更快地进入冻结和消融状态。

在青藏高原，土壤冻融作用是维系草地生态系统稳定的重要因素。由于冻融作用是高寒草地冻土环境下，地气间能量迁移与变异的复杂动力学过程，除了与全球气候变化相关联外，也受到草地植被覆盖及土壤理化性质等的共同影响。本研究发现，高寒草原退化程度越高，植被覆盖度越低，地上生物量和植物种类越少，土壤开始冻结和消融的时间也越早，冻结持续时间也越短，土壤温度变化幅度和变化速率越大，这与王俊峰等[29]、程慧艳等[30]的研究结果一致。另外，草地群落物种构成也是引起土壤冻融作用特征变化的原因。在植被覆盖度较高的未退化或轻度退化草地，群落构成中禾本科紫花针茅等植物为优势种，伴有莎草科青藏苔草等植物，这些物种地下根系发达，草毡层较厚，能够改变土壤热量的收支从而对浅层土壤具备温度调节作用。表现为冷季能够延缓热量支出而保温，暖季能够阻挡热量输入而降温，使得一个冻融周期内土壤温度的变化幅度小且平缓。高寒地区影响土壤冻融作用的地表覆盖物还有积雪。边晴云等[15]的研究发现，在多雪年草地地气间热交换明显较弱，1月份多雪年较少雪年土壤净输出的热量更少，使得多雪年5～40 cm土层土壤进入消融状态的时间推迟24～12 d；常娟等[27]则认为，积雪能够抑制土温的变化速率。这些研究结果实质表明积雪覆盖具有与植被覆盖相似的维持正常冻融状态的作用。高寒地区土壤冻融作用除了与地表覆盖有关外，与土层深度也相关。本研究发现，各退化程度高寒草原，随土壤土层的加深，开始冻结和消融的日期推迟，冻结持续时间变长，温度受气温影响减弱，变化趋缓，这一结果与范继辉等[31]、李卫朋等[32]的研究结果一致。

当退化高寒草原土壤冻融特征变化后，土壤进入冻结和消融日期提前，冻结持续时间缩短，土壤冻结、消融速度加快，秋末冬初更易冻旱，春末夏初降水稀少、多吹风天气、牧草返青季节土壤蒸散量增加时，更易失墒而不利于植物生长[33]，加剧草地退化的程度和速度。因此，可以说，高寒草地环境条件下，冻融作用对草地水分涵养，维持草地生态系统正常功能显得非常重要，而由于高寒草原退化导致的土壤冻融作用的改变，不利于高寒草原生态系统的稳定。

在退化高寒草地，土壤有机碳、有机碳组分[34]、土壤微生物量碳[35]等已经发生变化，不利于高寒草地碳汇，而冻融作用对土壤碳氮含量[36]、碳氮循环及矿化作用[37]、土壤酶活性[38]等均产生影响，增加CO2、N2O排放量，加剧温室效应，又作用于冻土环境使得高寒草地成为碳源，这种由于退化高寒草地土壤冻融特征改变引起的碳排放压力，值得关注和深入研究。

今后在空间异质性较大的青藏高原退化高寒草地进行土壤冻融特征及机理的研究，应该通过多样点、长时间尺度、较深土层来开展，以避免复杂的草地下垫面，不同年份温度、降水变异幅度较大等因素的干扰，并将土壤水分、土壤理化指标与土壤温度相结合，以水热数据协同分析，以期从水热动态、热传导、土壤结构、土壤生物过程、土壤理化因子变化等方面深入揭示冻融规律及发生机理，为高寒冻土地区生态环境保护及资源利用提供依据。