青藏高原高寒草甸不同覆蓋度下土壤水分分布特征

青藏高原高寒草甸不同覆蓋度下土壤水分分布特征

0凍土過程水熱演化和土壤水分變化世界氣候變化對許多地球區(qū)域的自然生態(tài)系統(tǒng)產生了重大影響。與凍土和冷藏生態(tài)系統(tǒng)密切相關的寒冷和牧場生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了顯著變化。這些脆弱的環(huán)境因素對世界變化非常敏感，而且正在加速變化。在青藏高原及其內陸山區(qū)，幾乎所有的河流生態(tài)系統(tǒng)都與寒冷地區(qū)獨特的寒冷植被密切相關。土壤水分的變化直接影響著寒冷植被的生長和轉化。植被變化是環(huán)境變化的重要因素之一。冷藏生態(tài)系統(tǒng)對全球氣候變化反應的能水衡變化主要取決于冷藏生態(tài)系統(tǒng)的水熱變化。冷藏生態(tài)系統(tǒng)的土壤水熱變化規(guī)律對理解世界氣候變化的影響具有重要意義。越來越多的研究開始關注冷藏生態(tài)系統(tǒng)水熱和環(huán)境變化的重要作用。例如，在北美亞濕地水文過程中，冷土作為熱土的作用研究，以及冷土物種層的形成，都是冷土和熱土之間的密切關系。如果冷土對氣候環(huán)境變化的高度敏感，則冷土的地表水熱過程極其復雜，而冷土地區(qū)特殊植物的冷土和水分變化機與冷土的關系和變化機之間的關系及其變化機。在某些研究中，冷土和植被之間的關系非常密切。據估計，冷藏生態(tài)系統(tǒng)的移動率會導致顯著變化。然而，由于冷土對土壤生物環(huán)境變化的高度敏感，冷土地區(qū)的地表水熱過程極其復雜，而冷土地區(qū)特殊植物的冷土和水分變化機與綠土之間的關系和變化機制很少。在本研究中，不同植被覆蓋的土壤水分隨凍土環(huán)境變化而變化的觀測，并分析了不同植被覆蓋的水土流失規(guī)律。1不同退化程度草地的影響研究區(qū)域位于青藏高原多年凍土分布區(qū)的風火山左冒西孔曲小流域,大致位于92°49′48″～93°2′12″E,海拔為4510～5010m,2005年7月\_2006年7月,年平均氣溫為-5.2℃,年平均降雨量290.9mm,年平均蒸發(fā)量1316.9mm,相對濕度平均為57%.植被群落類型為高寒沼澤草甸、高寒嵩草草甸、高山草原.觀測樣地和樣點植被類型以高寒草甸為主,優(yōu)勢建群種為矮嵩草(Kobresiahumilis),根據不同退化程度,草甸樣地植被覆蓋度劃分為93%、65%和30%三種,其中退化嚴重覆蓋度為30%草地的優(yōu)勢建群種由矮嵩草演變?yōu)檠蛎?Festucasp.)、早熟禾(Poaspp.).土壤以草氈寒凍雛形土為主,不同退化程度土壤物理性質和主要養(yǎng)分含量特征如表1所示,高寒草甸草地嚴重退化以后,表層土壤粗砂與礫石含量有所增加,但細粒物質含量變化不明顯.研究區(qū)域多年凍土極為發(fā)育,活動層厚度在0.8～1.5m.2學習方法2.1土壤水分測定在左冒孔曲流域內,沿同一坡向,在高寒草甸覆蓋的區(qū)域依據植被覆蓋度不同,選擇覆蓋度為30%、65%和93%的典型觀測樣地各兩個,樣地大小為20m×5m,坡面比較平整,沿坡向自上而下等距離部署水分觀測點2個,每點水平方向布置平行水分觀測孔2個,孔深120cm.在每個觀測孔中,于20cm、40cm、65cm和120cm深度間隔埋設土壤水分探頭各一組,每2h同步測定水分和溫度1次.在每個測定點埋設水分和溫度探頭之前,利用環(huán)刀法測定土壤容重和粒度組成,結果見表1.土壤水分測定采用FDR土壤水分測定儀(荷蘭Eijkelkamp公司),其工作原理是采用頻域反射原理測量含水量體積百分比.在實際觀測之前,對FDR進行率定,測定精度在±0.2%.本實驗中測得的土壤水分含量主要是指土壤中未凍水的體積含水量.依據FDR測定特性,所測得的水分含量是探針周圍土柱的瞬時平均含水量,各土層(各探頭)之間的水分交換忽略不計.2.2土壤凍結發(fā)生期土壤水分動態(tài)變化特征為了客觀揭示多年凍土活動層土壤水分在凍融過程對不同植被覆蓋變化響應的基本規(guī)律和差異,選取了一個周期年(時間為2005年7月21日\_2006年7月21日)的土壤水分觀測數據.選擇土壤融化水分變化的初始時間Ts(土壤水分曲線由凍結期開始融化增加形成凸起的拐點,稱為土壤水分融化升高始點,對應時間稱為土壤融化初始時間)、融化歷時Tr(土壤開始融化至夏初全部融化達到水分峰值所經歷的時間)、土壤融化水分升高幅度ΔWs、融化水分變化速率Vs以及土壤水分相變水量Q等指標來刻畫土壤融化期水分變化規(guī)律,其中:ΔWs=(θm?θ0)/θ0(1)Vs=(θm?θ0)/Tr(2)ΔWs=(θm-θ0)/θ0(1)Vs=(θm-θ0)/Τr(2)式中:θm,θ0分別為土壤融化水分升高峰值和融化初始值.同樣地,確定土壤凍結時間Td、凍結歷時Tz、土壤凍結水分降低幅度ΔWd以及凍結水分變化速率Vd等來刻畫土壤凍結發(fā)生期土壤水分動態(tài)變化特征.土壤完全凍結期間,利用FDR測定的土壤水分屬于土壤凍結殘余水量(未凍水部分),土壤凍結發(fā)生期土壤水分相變(液態(tài)-固態(tài)-液態(tài))量由下式表示:Q=(θmˉˉˉˉ?θ0ˉˉˉ)ρh(3)Q=(θmˉ-θ0ˉ)ρh(3)式中:Q表示單位面積上土壤深度為h時的土柱中在凍結時發(fā)生的相變水量(質量,kg),表示凍結發(fā)生期可能凍結的液態(tài)水量;θmˉˉˉˉ,θ0ˉˉˉθmˉ,θ0ˉ分別表示深度h內平均土壤凍結初始含量和凍結殘余水量(%);ρ為土壤容重(g·cm-3).同樣地,如果將θmˉˉˉˉθmˉ為土壤融化水分峰值,利用式(3)可近似地估算出土壤融化時由固態(tài)轉為液態(tài)的水量Qir.3結果分析3.1各階段土壤含水量的凍土活動層土壤含水量的反應3.1.1土壤含水量的變化通過研究區(qū)域內一個周期年的觀測結果可以看出,多年凍土活動層土壤凍結融化過程中水分變化隨高寒草甸覆蓋度的不同表現(xiàn)出明顯不同的規(guī)律,如圖1(a)～(d)和圖1(e)所示.3種覆蓋度草甸不同深度土壤水分的變化主要表現(xiàn)在凍結時間、凍結響應歷時以及水分凍結降低幅度等多方面,但總體變化趨勢與日均氣溫的變化趨勢趨于一致.為了便于分析根據凍土活動層土壤未凍水分在年內分布變化過程明顯的劃分為4個階段如圖1(a)～(d)所示:土壤凍結發(fā)生階段(土壤未凍含水量下降階段,圖1中A段);土壤完全凍結階段(圖1中B段);土壤融化發(fā)生階段(土壤未凍含水量上升階段,圖1中C段);活動層土壤完全融化階段(圖1中D段).結合表2水分凍結響應時間和圖1(a)的A段可看出,在研究區(qū)10月初土壤表層出現(xiàn)晝融夜凍現(xiàn)象,凍結由表層開始.覆蓋度30%的草地表層20cm土壤最先在10月初就開始凍結;土壤含水量由融化狀態(tài)的30%以上在4～5d的時間內下降到了20%以下,到10月14日土壤含水量由21%驟然下降達到13%,形成了明顯的拐點;之后土壤未凍含水量持續(xù)下降逐漸趨于穩(wěn)定,表明土壤已完全凍結.覆蓋度65%草甸草地表層20cm土壤凍結滯后于30%覆蓋度的近1周,從10月20日土壤含水量由33%左右逐漸下降到了29%,形成了一個拐點,到了10月25日下降到了21%,26日驟然降到了9%,十幾天之后逐漸下降到4.5%而趨于穩(wěn)定.10月初30%覆蓋度的土壤已經開始凍結,但覆蓋度93%土壤含水量并沒有明顯的變化,在10月10日后到10月22日土壤含水量由30%以上逐漸下降到26.5%,24日驟然下降到18%左右.由表2可看出,隨深度增加,土壤凍結響應時間隨之延后,在40cm處覆蓋度93%草甸草地土壤開始凍結比覆蓋度30%的草地晚將近10d左右.從65～120cm深度凍結時間可知,高覆蓋度的草甸草地凍結響應時間較遲,但凍結速度較快,凍結響應時間差近2d左右.由上述分析可知覆蓋度越高,表層土壤凍結響應時間愈加滯后,高覆蓋度93%比低覆蓋度30%的凍結滯后10d左右,隨著深度增加凍結時間趨于接近,表明高覆蓋度在深層凍結響應時間縮短,也表明不同植被覆蓋的凍土活動層凍結過程從上下向中間集中,符合多年凍土區(qū)活動層凍結的基本規(guī)律.在多年凍土區(qū)土壤開始凍結前,有一個凍結前水分躍升現(xiàn)象(9月底到10月初).由于研究區(qū)整個9月份降水量減少,到了9月中下旬土壤含水量逐漸緩慢降低,在9月29日前后表層土壤已經開始有明顯的晝融夜凍現(xiàn)象,不同植被覆蓋凍土活動層的土壤含水量整體出現(xiàn)小幅度波動增加的現(xiàn)象,出現(xiàn)了一個小的峰值.由圖1中的D段和A段交替部分可以清楚的看到,30%和68%兩種覆蓋度的土壤含水量波動增加幅度較大,波峰比較突出,93%覆蓋度的土壤含水量變化則比較平緩,之后土壤很快進入凍結降低階段.表明植被覆蓋對凍土區(qū)土壤水分凍結初期的響應比較明顯,植被覆蓋度越大對土壤凍結的緩沖作用越大.3.1.2未凍結土壤水分含量11月下旬開始直至次年4月底,研究區(qū)0～120cm深度活動層土壤處于全部凍結狀態(tài),土壤中的水分主要以固態(tài)冰的形式存在.可用FDR測定的剖面土壤未凍含水量都較低,一般在1.3～15%之間,可認為是殘余未凍水量,如圖1中B段.完全凍結期土壤水分分布與融化期明顯不同,同一植被蓋度的表層20cm的未凍結土壤水分含量相對比其它各層稍高.在各覆蓋度之間,30%和65%覆蓋度各個深度的土壤未凍結水分含量在4%～8%;覆蓋度93%除65cm深度的未凍結含水量在5%左右外,其它各層土壤的未凍結含水量在12%～15%,比覆蓋度30%和65%的土壤未凍含水量高出5%以上.表明高寒草甸高覆蓋度的土壤未凍結含水量較高.3.1.3不同覆蓋度對土壤含水量的影響4月下旬開始,隨著氣溫升高,凍土由表層開始融化,出現(xiàn)晝融夜凍現(xiàn)象.由圖1中C段和并結合表2可以看出,植被退化低覆蓋度30%的土壤最先融化,20cm深的土壤到4月25日已經開始融動,土壤含水量由凍結穩(wěn)定階段的6%增大到了10%;土壤含水量繼續(xù)增大,到5月8日土壤含水量達到19%,5月8\_10日的土壤含水量變化形成了明顯的拐點,到10日土壤含水量已經增大到31.1%,在同一點同時同步觀測到的土壤溫度還處0℃以下,一星期后同步觀測的土壤溫度才達到0℃.至6月25日左右,土壤完全融化到120cm.充分表明雖然土壤溫度還沒有達到0℃,但土壤含水量已經增加甚至全部變?yōu)槿诨?覆蓋度93%的融化最遲,6月4日融化至20cm,120cm完全融化到7月中旬,比30%覆蓋度的推遲20多天時間.多年凍土活動層的融化從起始日的響應規(guī)律看不同覆蓋度的高寒草甸之間存在明顯不同.以各層土壤含水量由小驟然增大變化的拐點為融化起始日,由圖1的C段和表2可知,植被覆蓋度93%的土壤融化至20cm深比30%滯后近25d時間,覆蓋度65%比30%滯后近16d時間;同樣的40cm深的土壤融化起始日對植被覆蓋度的響應比較明顯,植被覆蓋度93%比30%滯后近27d時間,覆蓋度65%比覆蓋度30%滯后近15d時間.由圖1的C段看出隨著深度的增加,植被覆蓋度30%和65%覆蓋度不同深度融化時間滯后明顯,覆蓋度93%歲深度增加融化時間逐漸接近,比30%覆蓋度的滯后近20～30d時間.表明多年凍土活動層土壤水分在融化過程對植被的響應程度高.3.1.4土壤水分的多樣性7月下旬至9月間,研究區(qū)域120cm深度活動層土壤處于完全解凍狀態(tài),不同植被覆蓋度下土壤水分分布狀況如圖1中D段所示.三種植被覆蓋度中,65cm深度的含水量都較低,93%覆蓋度其它各層含水量都高于另兩個覆蓋度相應層的含水量.30%和93%的表層20cm深度含水量低于40cm深度的含水量,而65%覆蓋度的卻是20cm深度含水量高于40cm層的.可能是由于30%覆蓋度的土壤蒸發(fā)占主導地位的蒸散發(fā)大和93%的植被蒸騰占主導地位的蒸散發(fā)大的原因.各覆蓋度65cm深度土壤含水量都低于上層土壤和下層土壤含水量,表現(xiàn)出土壤水分向剖面上部和下部分流匯聚特征,在剖面中部的65cm深度范圍內土壤水分含量接近或小于25%,形成顯著的土壤“疏干層”.3.2土壤水分動態(tài)變化特征根據公式(1)并結合圖1的土壤水分曲線,由凍結減小及融化增加形成的拐點,確定土壤融化水分升高幅度ΔWs、融化水分升高速率Vs、選擇土壤水分變化的融化起始時間Ts、融化升高歷時Tr以及土壤水分凍結降低幅度ΔWd、凍結水分降低速率Vd、土壤水分凍結起始時間Td、凍結歷時Tz等來刻畫土壤融化和凍結發(fā)生期土壤水分動態(tài)變化特征(表3).3.2.1不同覆蓋度草地土壤水分退化特征不同的響應時間和響應幅度形成了融化發(fā)生期土壤水分分布隨植被覆蓋變化的顯著差異.土壤水分融化升高的響應持續(xù)時間,反映了土壤水分含量從凍結融化開始融化升高到達年內夏初峰值所經歷的時間.不同植被覆蓋下同一深度土壤水分的開始融化升高時間差異較大(表3):30%覆蓋度草地表層20cm土壤水分開始融化升高的時間比65%覆蓋度草地提前6～7d,比93%覆蓋度草地提前4～5d;在40cm和65cm深度范圍內,覆蓋度為30%的低覆蓋草地土壤水分融化升高時間比65%的草地土壤分別提早4～5d和15～18d,比覆蓋度為93%的草地土壤分別提早9～10d和8～9d;在深部的120cm范圍內,高覆蓋草地土壤水分的融化升高時間要快于低覆蓋草地,93%的草地土壤水分融化升高時間比30%草地提早2～3d,比65%的草地提早7～8d.伴隨草地退化、植被覆蓋度降低,土壤水分對植被覆蓋響應越加強烈,水分融化升高幅度增大,植被覆蓋度越高,土壤水分響應越是滯后且土壤水分變化越加平緩.由圖2(a)所示,土壤融化水分升高幅度無論在哪一層都是覆蓋度93%的與另兩個覆蓋度之間存在顯著差異;在40cm深度以上覆蓋度30%和65%之間差異不大,而在40cm深度以下各覆蓋度之間的土壤融化水分升高幅度都存在差異,且差異顯著.土壤凍結階段,從不同植被覆蓋下土壤水分凍結響應歷時和變化幅度來看,如表3和圖2(b)所示,不同植被覆蓋度表層20cm深度土壤凍結歷時非常接近,且顯著比融化歷時長將近1.8～5倍;在40cm以下,覆蓋度為93%的土壤水分凍結響應歷時分別比覆蓋度為65%和30%的凍結歷時少4～12d和7～13d.從表層土壤水分的凍結響應時間開始至深層120cm處土壤水分產生凍結降低響應,30%覆蓋度草地土壤經歷了大15d,65%覆蓋度草地土壤經歷了19d,而93%高覆蓋草地土壤經歷了25d,植被覆蓋度越低,活動層土壤全剖面水分凍結歷時越短.凍結降低幅度變化的范圍小,在0.52～0.89之間.從這個方面揭示了凍結和融化過程水分遷移規(guī)律的不同,由上面的分析也可知土壤凍結深層土壤融化是自上而下,受植被覆蓋影響不同深度之間的融化升高幅度差別較為突出,受植被覆蓋的影響程度減弱,從而表征了多年凍土凍結過程是從表層和下層融化凍結面開始雙向凍結.土壤凍結水分降低速率對植被覆蓋度的響應比較復雜,表層20cm深度內30%的低覆蓋草甸土壤凍結水分降低速率要比65%和93%覆蓋度草地快,與土壤融化水分升高速率的變化相似,在40～70cm深度,高覆蓋草地土壤凍結水分降低速率大于低覆蓋草地.對比融化歷時和凍結歷時,覆蓋度30%的所有深度土壤水分融化升高時間遠遠小于凍結歷時;在65%和93%兩個覆蓋度下,除了40cm層的融化歷時和凍結歷時相差不大外,其它深度都是融化歷時小于凍結歷時.3.2.2不同覆蓋度對不同深度土壤水分變化的影響根據公式(3)以及土壤水分相變水量等指標來刻畫不同覆蓋度土壤凍結融化期水分變化規(guī)律(表4,圖3).近似估算的土壤相變水量分布如表4所示,在120cm深度內,覆蓋度為30%的草地土壤凍結相變水量平均分別比覆蓋度為65%和93%的草地土壤大10%～47%和15%～55%,融化相變水量分別大1.6%～54%和41%～80%.無論凍結過程還是融化過程,活動層土壤不同深度相變水量受植被覆蓋度影響較大,隨植被覆蓋度減少,不同深度相變水量均表現(xiàn)為顯著增加.從垂直剖面的變化來看,不同覆蓋度草地土壤水分相變量在40cm深度較大,尤其是融化相變水量是全剖面最大之處,與該層土壤凍結溫度為活動層(120cm范圍)最低相對應,反映出相變水量與凍結溫度成正比.在融化過程中,93%覆蓋度土壤含水量在各層的融化相變水量和另兩個覆蓋度之間的差異都比較顯著.30%和65%覆蓋度在65cm深度以上各層土壤之間的融化相變水量沒有差異,但在120cm深度二者之間存在顯著差異,即在120cm深度3種覆蓋度土壤融化相變水量之間的差異顯著.高覆蓋度93%的土壤融化相變水量非常少,覆蓋度30%的土壤融化相變水量是93%的5倍多.表明下層的多年凍土對活動層土壤融化過程的水分補給對不同覆蓋度的響應程度極高,高覆蓋的高寒草甸非常有利于保護凍土.在凍結過程中,覆蓋度30%土壤凍結相變水量和覆蓋度93%的凍結相變水量之間差異顯著.在40cm以下深度覆蓋度30%土壤凍結相變水量和覆蓋度65%的凍結相變水量之間差異顯著,在表層20cm層差異不明顯.表明低覆蓋度30%的各層土壤水分凍結程度較高.4不同覆蓋度對土壤水分變化的影響研究區(qū)域在10月中下旬不同覆蓋度植被土壤表層開始出現(xiàn)晝融夜凍現(xiàn)象,與藏北高原4cm深處土壤在10月份開始凍結結果一致;至1