祁連山大野口流域不同植被類型凍土凍融特征分析

王翔，蔣志榮,2，敬文茂,3

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)村發(fā)展研究院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院，甘肅 張掖 734000)

祁連山大野口流域不同植被類型凍土凍融特征分析

王翔1，蔣志榮1,2，敬文茂1,3

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)村發(fā)展研究院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院，甘肅 張掖 734000)

通過對祁連山大野口流域內(nèi)不同海拔梯度上的凍土凍融監(jiān)測，分析評估青海云杉林、灌叢、陽坡草地3 種典型植被類型凍土凍融厚度和速率變化的差異。結(jié)果表明：(1)凍土深度上限最大值為灌叢凍土>陽坡草地凍土>青海云杉林凍土；凍土深度下限最大值為灌叢凍土>青海云杉林凍土>陽坡草地凍土。(2)凍土凍結(jié)期，青海云杉林凍土變化速率最大，其次陽坡草地凍土變化速率，灌叢凍土變化速率最慢；凍土消融期，灌叢凍土變化速率最大，其次陽坡草地凍土變化速率，青海云杉林凍土變化速率最慢。(3)青海云杉林凍土過程最長，其次為灌叢凍土，陽坡草地凍土過程時間最短。建議培育青海云杉與灌叢增強祁連山涵養(yǎng)水源功能。

凍土凍融；植被類型；變化特征

凍土，通常指的是在溫度0 ℃以下，包含冰的各種巖土和土壤。我國凍土區(qū)從中、低緯度的青藏高原和西部高山到東北大興安嶺、長白山區(qū)等區(qū)域均有廣泛分布，多年凍土面積估計約為1.53×106km2[1，2]，約占全國陸地總面積的15.9%[1，2]。在凍土區(qū)，凍土的分布對水土環(huán)境的保護(hù)利用、工程項目建設(shè)、資源開發(fā)等方面影響顯著，更為重要的是，在全球變暖的背景下，在全球變化極為敏感的寒區(qū)已經(jīng)發(fā)生了一系列生態(tài)環(huán)境變化[3]。

祁連山多年凍土面積約7.66×104km2，約占中西部地區(qū)總凍土面積28.37%[4,5]。祁連山脈地處中國甘肅省西部與青海省東北部邊境交界處，對河西內(nèi)陸三大河流的徑流補給能力強，且補給延續(xù)時間長。作為河西走廊冰雪融水補給的地區(qū)之一，其對流域水文和水資源穩(wěn)定性及對荒漠生態(tài)系統(tǒng)維持起著重要作用。凍土的發(fā)育及保存完好性是祁連山維持自然環(huán)境生態(tài)平衡的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時能對外界環(huán)境強迫做出敏感反應(yīng)。其中多年凍土減少或消失會直接導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)地下水位和湖泊水位的下降[6]，從而使生長在多年凍土帶的植被退化[7]，導(dǎo)致植被草甸→草原→荒漠這樣一個退化過程[8，9]。因此凍土的存在狀態(tài)及其變化對祁連山生態(tài)環(huán)境的演變趨勢具有決定性作用。

祁連山現(xiàn)有冰川面積1597.81±70.30 km2[10]，儲量約84.48 km3[10]，其中低海拔區(qū)的冰川退縮速度高于高海拔地區(qū)，山區(qū)中，南坡向的冰川退縮速度大于北坡向。盡管氣象部門在祁連山進(jìn)行了規(guī)范化的凍土觀測，積累了豐富的資料，但多數(shù)研究集中在凍土理化性質(zhì)及植被群落調(diào)查等相關(guān)因素，很少關(guān)注植物影響下的土壤凍融特征[1,6]。

本研究利用祁連山大野口流域凍土凍融監(jiān)測數(shù)據(jù)(2015—2016年)，研究祁連山中段地區(qū)凍土凍融的變化特征和不同植被類型在特定的海拔范圍內(nèi)土壤的凍融關(guān)系，對促進(jìn)寒冷和干旱地區(qū)的生態(tài)水文發(fā)展，揭露森林水資源的涵養(yǎng)機制有重要意義。

1 研究區(qū)概況

祁連山( 93°30′—103°E，36°30′—39°30′ N) 是我國西北地區(qū)著名山系之一[10]，氣候類型屬溫帶大陸性氣候。其山前地屬于荒漠氣候，山地東部氣候較濕潤，西部較干燥。中部山地上部為半濕潤的森林草原氣候，高山地區(qū)屬寒冷濕潤氣候[5-7]。

試驗區(qū)位于祁連山典型的中部山地氣候區(qū)域—大野口流域，大野口流域位于(38°16′—38°33′N，100°13′—100°16′E)，試驗區(qū)海拔為2 500～3 300 m[8]，中低山區(qū)域較平緩，坡度約20°～30°[8]，高山區(qū)域較陡，坡度約40°[8]；屬高寒干旱半干旱氣候，年平均氣溫約5.4 ℃[9]，月均最低氣溫-12.5 ℃[9]，月均最高氣溫約19.6 ℃[9]；年均降水量為300～500 mm[10]，且在6—9月集中，年水面蒸發(fā)量約為1 488 mm[10]。因為區(qū)域內(nèi)的海拔變化以及水熱條件差異較大，所以形成了在垂直和水平梯度上不同的植被和土壤類型，成為祁連山區(qū)域內(nèi)比較典型且尺度較大的小流域[8-11]。

2 材料與方法

凍土器外管是外部直徑為31 mm[12]PVC塑料管，管壁薄，使外界土壤與內(nèi)管之間熱量交換不會受到太多的阻塞，下段封閉，上有塑料蓋，管外標(biāo)出與內(nèi)管對應(yīng)0 cm[12]地面安裝線。凍土器內(nèi)管由內(nèi)徑略小于外管外徑的塑料墊片、海綿圈、中軸8 mm[12]尼龍棒組成。塑料墊片、海綿圈一一間隔固定在中軸尼龍棒上，尼龍墊片厚度約2.5 mm[12]。凍土器安裝后，海綿用水浸透，整個凍土器以保鮮膜或大小相同的乳膠氣球包裹，以防止水分的損失。根據(jù)本地凍土極值的記載，設(shè)計凍土器的測量深度為2.0m[13]。在樣地內(nèi)安裝1套凍土器，對凍土凍融進(jìn)行實時監(jiān)測，同時根據(jù)不同海拔，在不同植被類型(青海云杉林、灌叢、陽坡草地)的區(qū)域布設(shè)凍土器，對凍土凍融進(jìn)行監(jiān)測[13，14]。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被類型凍土凍融深度變化

3.1.1 青海云杉林凍土凍融變化特征 選取祁連山大野口2 500～3 300 m海拔上的青海云杉林內(nèi)土壤進(jìn)行研究，林內(nèi)凍土開始凍結(jié)的時間為2015年10月25日，凍土開始消融的時間為2016年3月30日。2015—2016年青海云杉林內(nèi)凍土凍融過程經(jīng)歷的時期平均為156 d，占全年時間42.74%。凍土上限從10月25日至次年3月10日內(nèi)沒有明顯變化，在次年3月10日后開始下降；凍土下限從10月25日至次年2月15日內(nèi)明顯下降，之后變化不明顯。

3.1.2 灌叢凍土凍融變化特征 選取祁連山大野口2 500～3 300 m海拔上的灌叢內(nèi)土壤進(jìn)行研究，灌叢內(nèi)凍土開始凍結(jié)時間為2015年10月25日左右，凍土開始消融時間在2016年3月25日左右。2015—2016年灌叢內(nèi)凍土凍融過程經(jīng)歷的時期平均為152 d，占全年時間的41.64%。凍土上限從10月25日至次年3月25日內(nèi)沒有明顯變化，在次年3月25日后開始下降；凍土下限從10月25日至次年2月5日內(nèi)明顯下降，之后因凍土器測量深度有限，不能觀測到2月5日后的凍土深度。

3.1.3 陽坡草地凍土凍融變化特征 選取祁連山大野口流域2 500～3 300 m海拔上的陽坡草地內(nèi)土壤進(jìn)行研究，陽坡草地凍土開始凍結(jié)時間為2015年10月25日左右。凍土開始消融時間在2016年3月5日左右，2015—2016年陽坡草地凍土凍融過程經(jīng)歷的時期平均為131 d，占全年時間的35.89%。凍土上限從10月25日至次年3月5日內(nèi)沒有明顯變化，在次年3月5日后開始下降；凍土下限從10月25日至次年3月10日內(nèi)明顯下降，之后不再有明顯變化。

表1 祁連山大野口流域不同植被類型下凍土變化特征

3.1.4 不同植被類型凍土凍融深度變化特征分析 祁連山大野口流域海拔2 500～3 000 m不同植被類型的凍土凍融深度有著規(guī)律性變化，凍土開始凍結(jié)時間都為2015年10月25日左右，開始消融時間不同，其中凍土凍融經(jīng)歷的時間有以下規(guī)律：青海云杉林凍土>灌叢凍土>陽坡草地凍土。由于陽坡草地比青海云杉林和灌叢吸收更多的熱量，所以陽坡草地開始消融時間最早，經(jīng)歷時間最短。凍土上限均呈先無明顯變化后下降的趨勢，下限呈先下降后無明顯變化的趨勢。因為從10月開始，氣溫逐漸降低，土壤溫度隨之降低，表層土壤開始凍結(jié)，故凍土上限沒有明顯變化，隨著溫度持續(xù)降低，土壤凍結(jié)深度加深，下限呈顯著下降趨勢；到次年3月之后，氣溫開始回升，上層土壤溫度也隨之上升，凍土開始消融，上限開始下降，下層土壤溫度沒有明顯變化，所以下限下降到一定深度后不再有明顯變化。上限最大值：灌叢凍土>陽坡草地凍土>青海云杉林凍土，下限最大值：灌叢凍土>青海云杉林凍土>陽坡草地凍土。

3.2 不同植被類型凍土凍融厚度與速率變化

3.2.1 青海云杉林凍土凍融厚度與速率變化特征 選取祁連山大野口2 500～3 300 m海拔上的青海云杉林內(nèi)土壤進(jìn)行研究，由圖1可以看出，2015年10月—2016年7月，青海云杉林內(nèi)凍土凍融厚度呈先升后降的趨勢，從10月25日左右開始，土壤開始凍結(jié)，之后，凍土的厚度緩慢增加，直到翌年3月5日左右，凍土的厚度達(dá)到最大值；此后，凍土厚度緩慢減小，到次年6月15日左右，季節(jié)性的凍土消融。從10月25日至12月25日，土壤的凍結(jié)速率呈現(xiàn)波動性變化；12月25日至3月25 日，土壤的凍結(jié)速率呈波動性減小，緩慢趨于0，從凍土消融開始，直到次年4月20日，土壤凍結(jié)速率降到最低；4月20日至6月30日，土壤凍結(jié)速率呈現(xiàn)波動性變化。

圖1 祁連山大野口流域青海云杉林凍土厚度和速率變化

3.2.2 灌叢凍土凍融厚度與速率變化特征 選取祁連山大野口2 500～3 300 m海拔上的灌叢土壤進(jìn)行研究，由圖2可以看出2015年10月—2016年7月，灌叢凍土凍融厚度呈先升后降的趨勢。從10月25日開始，土壤逐漸凍結(jié)，之后，凍土的厚度緩慢增加，直到翌年3月10日左右，凍土的厚度達(dá)到最大值；此后，凍土厚度緩慢減小，到次年6月15日左右，季節(jié)性的凍土消融。10月25日至12月5日，土壤凍結(jié)速率逐漸波動性變化；12月5日至翌年3月10日，土壤凍結(jié)速率波動性減小，逐漸趨于0，凍土消融開始，直到4月25 日，土壤凍結(jié)速率降到最低；4月25 日至6月30日，土壤凍結(jié)速率呈現(xiàn)波動性變化。

圖2 祁連山大野口流域灌叢凍土厚度和速率變化

3.2.3 陽坡草地凍土凍融厚度與速率變化特征 選取祁連山大野口2 500～3 300 m海拔上的陽坡草地土壤進(jìn)行研究，由圖3可以看出，2015年10月—2016年7月，陽坡草地凍土凍融厚度呈先升后降的趨勢。從10月25日開始，土壤逐漸凍結(jié)，之后，凍土厚度緩慢增加，到翌年3月5日左右，凍土的厚度達(dá)到最大值；此后，凍土厚度緩慢減小，到次年6月15日左右，季節(jié)性的凍土消融。10月25日至12月5日，土壤的凍結(jié)速率出現(xiàn)波動性變化；12月25日至2月20日，土壤凍結(jié)速率波動性減小，逐漸趨于0，凍土消融開始，直到3月10日，土壤凍結(jié)速率降到最低；3月10日至6月30日，土壤凍結(jié)速率呈現(xiàn)波動性變化。

圖3 祁連山大野口流域陽坡草地凍土厚度和速率變化

3.2.4 不同植被類型凍土凍融厚度與速率變化特征分析 祁連山大野口流域2 500～3 300 m海拔不同植物類型凍土凍融厚度有著規(guī)律性變化。從當(dāng)年10月至次年3月上旬，凍土厚度緩慢增加，3月5日左右達(dá)到最大值，此后凍土的厚度緩慢減小，到6月15日左右，季節(jié)性的凍土消融。凍土凍融厚度極值：灌叢凍土>青海云杉林凍土>陽坡草地凍土，從10月25日至12月，土壤的凍結(jié)速率呈現(xiàn)波動性變化；此時氣溫逐漸降低，土壤溫、濕度日變化不規(guī)律，隨之凍土速率呈現(xiàn)波動性變化。從12月至次年3月，土壤凍結(jié)速率波動性減小，逐漸趨于0，解凍后凍土凍融速率為負(fù)。由圖3可知，陽坡草地凍土凍結(jié)速率先趨于0，其次為灌叢凍土，最后是青海云杉林凍土，是因為陽坡草地凍土比青海云杉林凍土和灌叢凍土能吸收更多的熱量，隨著氣溫上升，陽坡草地凍土?xí)崆敖鈨?。凍結(jié)期，青海云杉林凍土變化幅度>陽坡草地凍土變化幅度>灌叢凍土變化幅度。消融期，灌叢凍土變化幅度>陽坡草地凍土變化幅度>青海云杉凍土變化幅度。

4 結(jié)論

本研究是在祁連山大野口流域長期定位監(jiān)測，在2 500～3 300 m海拔上外界溫度相同的情況下進(jìn)行，結(jié)果表明：不同植物類型對土壤的溫度、濕度、土壤持水量有著明顯影響。凍土深度上限最大值：灌叢>陽坡草地>青海云杉林；凍土深度下限最大值：灌叢>青海云杉林>陽坡草地；凍土凍融厚度極值：灌叢>青海云杉林>陽坡草地。凍土凍結(jié)期變化速率：青海云杉林>陽坡草地>灌叢；凍土消融期變化速率：灌叢>陽坡草地>青海云杉林。3種植被類型的土壤屬性差異使得青海云杉林比灌叢和陽坡草地具有更強的水源涵養(yǎng)的功能，而陽坡草地比灌叢和青海云杉林兩種植被類型可能接收更多熱量。在消融期間，植被自身釋放熱量值未知，且土壤不同深度含水量不同，故不能比較青海云杉林內(nèi)的土壤濕度、持水量與灌叢的土壤濕度、持水量之間的大小。建議在未來流域生態(tài)系統(tǒng)管理與可持續(xù)發(fā)展利用中，應(yīng)重視青海云杉林與灌叢蓄水保水對流域水文和生態(tài)系統(tǒng)健康的作用。

[1] 金銘，李毅，劉賢德，等.祁連山黑河中上游季節(jié)凍土年際變化特征分析[J].冰川凍土，2011，33(5): 1068-1078

[2] 王一薄，王根緒，常娟，等.人類活動對青藏高原凍土環(huán)境的影響[J]．冰川凍土，2004，26(5): 517-522

[3] 高榮，韋志剛，董文杰，等.青藏高原西部冬春積雪和季節(jié)凍土年際變化[J]．冰川凍土，2004，26(2): 153-159

[4] 李述訓(xùn)，吳通華．凍土溫度狀況研究方法和應(yīng)用分析[J]．冰川凍土，2004，26(4):377-383

[5] 牛赟，劉賢德，敬文茂，等.祁連山排露溝流域氣溫、凍土凍融與河川徑流特征[J].林業(yè)科學(xué)，2014，50(1):27-31

[6] 張國勝，李林，汪青春，等.青海高原凍土退化驅(qū)動因素的定量辨識[J].地理科學(xué)，2007，27(3): 337-341

[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，2014，23(3): 385-391

[8] 王順利，劉賢德，金銘.祁連山區(qū)氣候變化與流域徑流特征研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2011，25(1): 162-165

[9] 王金葉，常宗強，金博文，等.祁連山林區(qū)積雪分布規(guī)律調(diào)查[J].西北林學(xué)院學(xué)報，2001，16(S) : 14-16

[10] 牛赟，劉賢德，王強，等.基于雷達(dá)監(jiān)測河川徑流的測量及算法[J].山地學(xué)報，2014，32(6):685-690

[11] 牛赟，劉賢德，敬文茂，等.祁連山大野口流域氣溫、降水、河川徑流特征分析[J].干旱區(qū)地理，2014，37(5)：1-8

[12] 楊麗中，朱曉虎，束正勇，等.基于凍土器改進(jìn)試驗的凍土與氣象要素關(guān)系研究[J].氣象水文海洋儀器，2011(2)：8-11

[13] 王瑾，牛赟，敬文茂，等.祁連山林草復(fù)合流域氣象因子、土壤特性及其蒸發(fā)對比研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2014，34(10)：90-94

[14] 丁國民，呂海元.基于主成分分析的森林群落脆弱性評價研究——以甘肅祁連山國家級自然保護(hù)區(qū)哈溪保護(hù)站為例[J].林業(yè)實用技術(shù)，2012(10)：9-11

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

甘肅省科技創(chuàng)新服務(wù)平臺項目(144JTCG2 54)

王翔(1991-)，男，碩士研究生，主要從事水土保持與荒漠化防治研究，Email：wx.19911208@qq.com

蔣志榮(1959-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事林學(xué)、水土保持與荒漠化防治研究.

Q948.152

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.03.001