姚世庭，蘆光新*，李欣，黨寧，王英成，周杰東主，付剛， 王軍邦，周華坤

1. 青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧 810016；2. 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101； 3. 中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所，青海 西寧 810001

青藏高原被稱作“亞洲水塔”，是中國(guó)及東南亞地區(qū)眾多河流的發(fā)源地，在國(guó)家生態(tài)安全屏障保護(hù)與建設(shè)中具有重要的地位（孫鴻烈等，2012）。受地理位置及社會(huì)歷史發(fā)展等條件的限制，青藏高原的水資源保持著較完整的原生狀態(tài)（Tian et al.，2016）。但隨著社會(huì)的進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，青藏高原生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)不穩(wěn)定性增加，資源環(huán)境壓力加重。

土壤水分是植物格局形成和演變的重要因素，也是衡量土壤干旱程度對(duì)氣候變化比較敏感的環(huán)境因子之一（楊濤等，2010）。在高寒地區(qū)，土壤水分與溫度密切相關(guān)，溫度是水分變化的主要驅(qū)動(dòng)力，增溫不僅會(huì)改變土壤的水力參數(shù)，而且土壤水分也會(huì)借助溫度梯度而產(chǎn)生運(yùn)移（張富倉(cāng)等，1997）。研究表明不同溫度下土壤含水量隨溫度升高而降低（張一平等，1990），且溫度對(duì)同一土壤水分入滲速率也有影響（辛繼紅等，2009）。高寒地區(qū)土壤水分的主要來源是降水，降水的季節(jié)變化將直接影響土壤水分的時(shí)間分布格局，溫度和降水會(huì)共同影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育程度（趙之重等，2014），土壤質(zhì)地影響土壤的持水、保水性，進(jìn)而對(duì)水分在土壤中的運(yùn)移產(chǎn)生影響（李元壽等，2018），土壤凍融轉(zhuǎn)換期影響土壤的水文過程（焦永亮等，2014）。

近年來，青藏高原氣候變暖趨勢(shì)明顯，其增溫幅度明顯高于全球和全國(guó)平均水平，達(dá)到每10 年0.32 ℃（Liu et al.，2000）。研究模擬增溫對(duì)土壤水分的影響，可為氣候變化背景下高寒草地土壤水分變化規(guī)律提供基礎(chǔ)，具有非常重要的研究意義。以往研究較多關(guān)注高寒草甸短期模擬增溫對(duì)植物生物量（奚晶陽等，2019）、群落特征（李軍祥等，2019）、土壤養(yǎng)分（楊有芳等，2018）、土壤菌落組成（黃靜等，2019）、植株葉片生理特性變化（Kovenock et al.，2018）等的研究，目前有關(guān)短期模擬增溫對(duì)高寒草甸土壤水分短期及較長(zhǎng)時(shí)間的影響研究較少。開頂式同化箱（OTC）野外模擬增溫試驗(yàn)被認(rèn)為是研究生態(tài)環(huán)境對(duì)氣候變化響應(yīng)的較為理想方法之一。本研究在三江源區(qū)青海大學(xué)—清華大學(xué)三江源草地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)定位站前期研究的基礎(chǔ)上，利用試驗(yàn)站的土壤三參數(shù)儀連續(xù)記錄的數(shù)據(jù)，對(duì)模擬增溫OTCs 小室中土壤溫度和水分變化規(guī)律以及土壤凍融轉(zhuǎn)換期土壤溫度和水分的相關(guān)性進(jìn)行分析，旨在探討和認(rèn)識(shí)全球氣候變化背景下高寒草甸土壤水分變化規(guī)律，對(duì)保護(hù)高寒生態(tài)系統(tǒng)以及保育青藏高原生物多樣性具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于青海省玉樹州稱多縣珍秦鎮(zhèn)的青海大學(xué)—清華大學(xué)三江源草地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)定位站，地理位置為33°24′30″N，97°18′00″E，海拔4 270 m。區(qū)內(nèi)屬高寒大陸性氣候，氣候寒冷，四季不分明，僅以0 ℃上下分為冷暖兩季，無絕對(duì)無霜期。多年平均氣溫-4.8 ℃，多年平均降水量503.6 mm，多集中在6—9 月。土壤類型為高山草甸土，植被類型為高寒草甸。

1.2 模擬增溫實(shí)驗(yàn)

本論文基于國(guó)際凍原計(jì)劃（ITEX）的模擬增溫（OTC）方法，建立了模擬增溫的野外試驗(yàn)平臺(tái)（圖1），試驗(yàn)樣地地勢(shì)平坦，植物分布相對(duì)均勻，并用圍欄將實(shí)驗(yàn)樣地進(jìn)行封閉。試驗(yàn)分為增溫（T，Temperature enhancement）和對(duì)照（CK）兩個(gè)處理，試驗(yàn)樣地面積為100 m×40 m，樣地內(nèi)隨機(jī)布置3個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積2×2 m2，增溫處理的小區(qū)內(nèi)設(shè)置開頂式溫棚，使用材料為聚碳酸酯板纖維，六邊形型框架用細(xì)鋼筋制作，溫棚底部直徑為1.45 m，頂部直徑為1.00 m，高度0.4 m，共設(shè)5 次重復(fù)，溫室外未做任何處理的樣地為對(duì)照。

1.3 數(shù)據(jù)來源

在試驗(yàn)樣地安裝了HOBO U30 小型自動(dòng)氣象站和基于CR1000 的土壤三參數(shù)分層測(cè)量系統(tǒng)，可以連續(xù)觀測(cè)空氣溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、雨量、土壤水分、光合有效輻射、總輻射傳感器、土壤水分、土壤溫度、土壤電導(dǎo)率等氣象和土壤指標(biāo)，并且在各處理小區(qū)內(nèi)，分別在地上30、15 cm、地表、地下7.5、15、22.5 cm 處安置溫濕度自動(dòng)記錄儀探頭（onset 公司生產(chǎn)的溫濕度測(cè)定儀），可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)土壤溫度、土壤濕度、土壤含水量等參數(shù)的采集、同步存儲(chǔ)、顯示及歷史數(shù)據(jù)查詢（表1）。文中測(cè)得的土壤水分是土壤相對(duì)濕度。本文主要分析2015年9 月8 日—2018 年7 月31 日的土壤溫度和土壤水分的變化情況。

圖1 模擬增溫試驗(yàn)平臺(tái) Fig. 1 Simulated warming test platform

表1 數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)量 Table 1 Data source and amount of data

1.4 分析方法

將采集到的土壤三參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，分析模擬增溫和對(duì)照條件下不同土層（0—15 cm 和15—30 cm）土壤水分和土壤溫度的日變化、月變化規(guī)律，同時(shí)以連續(xù)5 日土壤溫度大于0 ℃（包括0 ℃）的天數(shù)為解凍期，以連續(xù)5 日土壤溫度小于0 ℃（包括0 ℃）的天數(shù)為凍結(jié)期，以此為依據(jù)，將模擬增溫小室內(nèi)、外的不同土層的土壤水分和土壤溫度按解凍期、凍融期進(jìn)行分析。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和制圖，采用IBM SPSS Statistics 20.0 中線性回歸分析方法對(duì)模擬增溫小室內(nèi)、外的不同土層的土壤水分和土壤溫度的數(shù)值按解凍期、凍融期進(jìn)行相關(guān)分析，比較不同處理下土壤溫度、水分的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬增溫條件下土壤溫度的變化規(guī)律

2.1.1 土壤溫度日變化規(guī)律

由圖2a 和圖2b 可以看出，在0—15 cm 和15—30 cm 的土層中，無論增溫與否，土壤溫度總體變化趨勢(shì)一致，均表現(xiàn)為“先增高后降低”的變化規(guī)律。在年度內(nèi)，0—15 cm 土壤層中，8 月16 號(hào)溫度最高（16.77 ℃）。1 月11 號(hào)的溫度最低（-1.92 ℃），15—30 cm 深度土壤，8 月27 號(hào)溫度最高（14.34 ℃）。1 月 25 號(hào)的溫度最低（-0.773 ℃）。

圖2 OTC 模擬增溫土壤溫度日變化 Fig. 2 OTC simulated warming soil temperature changes

模擬增溫條件下，0—15 cm 和15—30 cm 的土層的土壤溫度均高于對(duì)照。與對(duì)照相比，模擬增溫條件下土壤溫度平均日變化增加2.51 ℃（0—15 cm）和1.35 ℃（15—30 cm）。由此可見，在0—30 cm的土層范圍內(nèi)，模擬增溫有利于增加土壤溫度。

由表2 可以看出，相比于0—15 cm 土層土壤，15—30 cm 土層土壤的解凍期早，凍結(jié)期晚，但模擬增溫條件下，0—15 cm 土層土壤解凍時(shí)間早于15—30 cm 土層土壤。

在0—15 cm 土層中，對(duì)照條件下，每年4 月11 日左右土壤開始解凍，11 月27 日土壤開始凍結(jié)，而在模擬增溫條件下，3 月7 日左右土壤開始解凍，12 月5 日土壤開始凍結(jié)，解凍期提前了35 d，凍結(jié)期延后8 d。在15—30 cm 土層中，對(duì)照條件下，每年4 月4 日左右土壤開始解凍，12 月20 日土壤開始凍結(jié)，而在模擬增溫條件下，3 月19 日左右土壤開始解凍，1 月1 日土壤開始凍結(jié)，解凍期提前了16 d，凍結(jié)期延后12 d?？梢酝茰y(cè)，模擬增溫會(huì)改變土壤凍融和解凍的時(shí)間，增溫對(duì)表層土壤的增溫效果更加明顯。

2.1.2 土壤溫度月變化規(guī)律

由圖3 可以看出，模擬增溫條件下不同土層深度（0—15 cm）和（15—30 cm）的土壤溫度與對(duì)照的變化趨勢(shì)一致，即：在0—15 cm 土壤層中，8月土壤溫度最高，為15.38 ℃，1 月土壤溫度最低，為-1.57 ℃，在15—30 cm 土壤層中，8 月土壤溫度最高，為 13.80 ℃，1 月土壤溫度最低，為-0.60 ℃。與對(duì)照相比，模擬增溫條件下土壤月平均溫度增加2.62 ℃（0—15 cm）和1.38 ℃（15—30 cm），4 月、5 月和6 月對(duì)照與增溫處理下土壤溫度差異較大。

2.2 模擬增溫條件下土壤水分的變化規(guī)律

2.2.1 土壤水分日變化規(guī)律

由圖4a 和圖4b 可以看出，在0—15 cm 和15—30 cm 的土層中，無論增溫與否，土壤水分總體變化趨勢(shì)一致，均表現(xiàn)為生長(zhǎng)季變化的波動(dòng)較大，非生長(zhǎng)季變化的波動(dòng)較小。在0—15 cm 土層中，模擬增溫條件下，5 月11 日水分最高，為0.41%。1 月24 號(hào)的水分最低，為0.22%；在對(duì)照條件下，9 月5 日水分最高，為0.42%。2 月29 號(hào)的水分最低，為0.07%。15—30 cm 土層土壤，模擬增溫條件下，5 月11 日水分最高，為0.43%。1 月30號(hào)的水分最低，為0.21%；在對(duì)照條件下，5 月11日水分最高，為0.42%。2 月29 號(hào)的水分最低，為0.14%。

由表3 可以看出，在0—15 cm 土層中，模擬增溫條件下，解凍時(shí)期土壤水分為0.34%，凍結(jié)時(shí)期土壤水分為0.23%，對(duì)照條件下，解凍時(shí)期土壤水分為0.33%，凍結(jié)時(shí)期土壤水分為0.11%。在15—30 cm 土層中，模擬增溫條件下，解凍時(shí)期土壤水分為0.37%，凍結(jié)時(shí)期土壤水分為0.23%，對(duì)照條件下，解凍時(shí)期土壤水分為0.29%，凍結(jié)時(shí)期土壤水分為0.15%。

表2 不同土層凍融和解凍時(shí)間 Table 2 Freezing and thawing period and thawing time of different soil layers

表3 不同土層凍融期、解凍期土壤水分的變化 Table 3 Freezing and thawing period and thawing time of different soil layers

圖3 OTC 模擬增溫土壤溫度月變化 Fig. 3 Monthly variation of soil temperature in OTC simulated warming

圖4 OTC 模擬增溫土壤水分日變化 Fig. 4 OTC simulated warming soil moisture diurnal variation

與對(duì)照相比，模擬增溫條件下不同土層0—15 cm 和15—30 cm 的土壤水分增加0.07%和0.09%。由此可見，在0—30 cm 的土層范圍內(nèi)，模擬增溫有利于增加土壤水分。

2.2.2 土壤水分月變化規(guī)律

由圖5a 和圖5b 可以看出不同土層深度0—15 cm 和15—30 cm 土壤水分的月變化情況。在0—15 cm 土層中，模擬增溫條件下，土壤水分分別在5月和9 月出現(xiàn)兩個(gè)高峰。在15—30 cm 土層中，模擬增溫條件下，土壤水分在4 月出現(xiàn)高峰。與對(duì)照相比，模擬增溫條件下土壤月平均水分增加0.04%（0—15 cm）和0.09%（15—30 cm），15—30 cm土層增加的更明顯。

圖5 OTC 模擬增溫土壤水分月變化 Fig. 5 Monthly variation of soil moisture in OTC simulated warming

2.3 模擬增溫對(duì)土壤水分的影響

為進(jìn)一步研究模擬增溫條件下不同土層土壤水分和土壤溫度的關(guān)系，將模擬增溫小室內(nèi)、外的不同土層的土壤水分和土壤溫度的數(shù)值按解凍期、凍融期進(jìn)行相關(guān)分析。

在模擬增溫條件下（圖6），在0—15 cm 土層中，凍融期土壤含水量先隨著土壤溫度的增加而上升，當(dāng)達(dá)到最高值后，呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)（r2=0.139 2，P＜0.01）。凍結(jié)期土壤含水量隨著溫度的增加呈現(xiàn)一直上升的趨勢(shì)（r2=0.809 5，P＜0.01）。由此可以看出，不論凍結(jié)期還是解凍期，土壤溫度和土壤水分存在正相關(guān)。在15—30 cm 土層中，凍融期土壤含水量先隨著土壤溫度的增加而上升，當(dāng)達(dá)到最高值后，呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)（r2=0.003 5，P＞0.05）。凍結(jié)期土壤含水量隨著溫度的增加呈現(xiàn)一直上升的趨勢(shì)（r2=0.631 5，P＜0.01）。

在對(duì)照條件下（圖7），在0—15 cm 土層中，凍融期土壤含水量先隨著土壤溫度的增加而上升，當(dāng)達(dá)到最高值后，呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)（r2=0.012 3，P＞0.05）。凍結(jié)期土壤含水量隨著溫度的增加呈現(xiàn)一直上升的趨勢(shì)，（r2=0.460 1，P＜0.01）。由此可以看出，不論凍結(jié)期土壤溫度和土壤水分存在正相關(guān)。在15—30 cm 土層中，凍融期土壤含水量先隨著土壤溫度的增加而上升，當(dāng)達(dá)到最高值后，呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，（r2=0.013 9，P＞0.05）。凍結(jié)期土壤含水量隨著溫度的增加呈現(xiàn)一直上升的趨勢(shì)，（r2=0.423 2，P＜0.01）。由此可以看出，在0—15 cm和15—30 cm 的土層中，凍結(jié)期土壤溫度和土壤水分存在正相關(guān)。

3 討論

3.1 模擬增溫對(duì)土壤水分的影響

本研究發(fā)現(xiàn)模擬增溫對(duì)高寒草甸不同土層土壤的溫度和水分都有一定的影響。模擬增溫條件下，0—15 cm 和15—30 cm 土層的土壤溫度分別增加了2.50 ℃和1.36 ℃，對(duì)表層土壤（0—15 cm）的增溫效果更加明顯，0—15 cm 土層土壤水分與對(duì)照相比增加了0.07%，15—30 cm 土層土壤水分與對(duì)照相比增加了0.09%，這說明OTC 小室內(nèi)土壤溫度、土壤水分高于OTC 小室外，這與多數(shù)研究結(jié)果一致（權(quán)欣等，2016；Zavaleta et al.，2003；Jorgenson et al.，2001；Bremer et al.，1996）。增溫使得土壤水分增加，研究發(fā)現(xiàn)增溫下土壤含水量降低（李巖等，2019；王瑞，2016），與本文結(jié)果不一致。OTC 小室內(nèi)植被生長(zhǎng)狀況比室外更密更高，密集的根系分布，導(dǎo)致淺層土壤存在弱排水性，使得水分在地表蓄滿聚集這與劉光生等（2015）的研究結(jié)果一致。

圖6 OTC 模擬增溫小室內(nèi)（T）土壤水分和土壤溫度的相關(guān)性 Fig. 6 Correlation between soil moisture and soil temperature in OTC simulated warming chamber (T)

圖7 OTC 模擬增溫小室外土壤水分和土壤溫度的相關(guān)性 Fig. 7 Correlation between soil moisture and soil temperature in OTC simulated warming outdoor

蒸發(fā)和降水使淺層土壤溫度或升或降（李韻等，2015）。在亞高山草甸短期增溫實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在溫度最高的時(shí)間段，由于土壤蒸發(fā)的作用，土壤含水量在該時(shí)期達(dá)到最低值，溫度較低時(shí)，模擬增溫條件下土壤含水量的變化更明顯（歐陽青等，2019）。姜炎彬等（2017）在藏北高寒草甸短期增溫實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，增溫后土壤含水量降低的主要原因是由于溫度升高導(dǎo)致了土壤水分蒸發(fā)增加，王軍等（2018）在紫花針茅草原也得到同樣的結(jié)論。這可能是因?yàn)樵谥参锷L(zhǎng)季土壤水分散發(fā)作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致了土壤水分減少，此外，在高寒草甸，降水是土壤水分的主要來源，當(dāng)降水入滲存儲(chǔ)在土壤表層中的水量超過蒸發(fā)損失量時(shí)，土壤水分增加。土壤凍融轉(zhuǎn)換期影響土壤的水文過程，在凍融期，不同土層的土壤含水量都經(jīng)歷一個(gè)土壤凍結(jié)末期水分迅速減小期和土壤凍結(jié)初期的水分緩慢減小，在解凍期，表層土壤含水量都經(jīng)歷一個(gè)水分上下波動(dòng)期和水分急劇增加期，深層土壤含水量升高的速率比深層土壤略高（常娟等，2012）。徐滿厚等（2016）通過模擬增溫實(shí)驗(yàn)推測(cè)出在植被生長(zhǎng)季（5—7 月），凍土融化深度會(huì)隨著溫度的回升而增大，表層土壤水分會(huì)迅速增加，這與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。稱多縣地處三江源區(qū)腹地，6 月開始進(jìn)入生長(zhǎng)季，9 月植物開始枯黃，每年降雨集中在7—8 月，降雨增加了土壤水分，尤其是表層土壤含水量增加明顯，影響表層及深層土壤水分的變化，增溫使植物更加適宜生長(zhǎng)，發(fā)達(dá)的根系使土壤水分聚集。另外由于高寒草甸植物的截留作用，從而表現(xiàn)出不同土層水分變化的差異。

三江源區(qū)具有重要的水源涵養(yǎng)功能作用，對(duì)于維護(hù)我國(guó)及周邊國(guó)家生態(tài)安全、調(diào)節(jié)并維持全球氣候穩(wěn)定等方面具有極其重要的戰(zhàn)略意義（王琰，2015；張惠遠(yuǎn)等，2012）。本研究雖然僅在稱多縣高寒草甸研究了土壤水分對(duì)模擬增溫的響應(yīng)機(jī)制，但對(duì)進(jìn)一步探討土壤水分與氣候因子之間的耦合機(jī)制奠定了理論基礎(chǔ)，這將對(duì)于全球氣候變化背景下高寒草甸土壤水分變化規(guī)律有更加清晰的認(rèn)識(shí)，對(duì)探討未來氣候情景下土壤水分對(duì)氣候變化的響應(yīng)作用有重要意義?？諝鉁貪穸?、風(fēng)速風(fēng)向、雨量、土壤類型、土壤質(zhì)地、光合有效輻射等不同因素在不同土層深度對(duì)土壤水分的影響程度存在差異，而各因子對(duì)于土壤水分的具體影響機(jī)制還需進(jìn)一步研究。由于本研究數(shù)據(jù)具有一定的局限性，因此，在今后的研究中，將不斷進(jìn)一步充實(shí)和完善該方面的數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)手段進(jìn)行更加深入的研究關(guān)于水分對(duì)氣溫的影響及其作用機(jī)理。該研究對(duì)于深入理解全球氣候變化環(huán)境下青藏高原土壤水分變化對(duì)周邊地區(qū)乃至全球氣候系統(tǒng)的影響具有重要理論與現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)論

（1）采用OTC 對(duì)試驗(yàn)樣地不同土層0—15 cm和 15—30 cm 土壤溫度模擬增溫，效應(yīng)顯著（P＜0.01）。OTC 模擬增溫小室內(nèi)、外不同土層（0—15 cm 和15—30 cm）土壤溫度的年內(nèi)變化總體趨勢(shì)一致，表現(xiàn)為先上升，后下降的趨勢(shì)。0—15 cm土層土壤增溫效應(yīng)差異大于15—30 cm 土層土壤。

（2）在模擬增溫條件下，不同土層0—15 cm和15—30 cm 土壤中，呈現(xiàn)出生長(zhǎng)季變化的波動(dòng)較大，非生長(zhǎng)季變化的波動(dòng)較小的變化規(guī)律。

（3）在模擬增溫條件下，在0—15 cm 土層中，不論凍結(jié)期還是解凍期，土壤溫度和土壤水分存在正相關(guān)，（P＜0.01）。在15—30 cm 土層中，凍結(jié)期土壤含水量隨著溫度的增加呈現(xiàn)一直上升的趨勢(shì)（P＜0.01）。解凍期土壤含水量先隨著土壤溫度的增加而上升，當(dāng)達(dá)到最高值后，呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，r2=0.013 9，P＞0.05。