人工建植對(duì)多年凍土區(qū)“黑土灘”凍融過程的影響

王 淼，陳生云，魏培潔，賈映蘭，侯光良，徐浩杰，楊梅學(xué)

（1. 中國(guó)科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 冰凍圈科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 疏勒河源冰凍圈與生態(tài)環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)研究站, 甘肅 蘭州730000；2. 青海師范大學(xué) 高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院 地理科學(xué)學(xué)院, 青海 西寧 810008；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049；4. 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730000）

青藏高原是地球上最年輕、海拔最高的高原，也是地球上最獨(dú)特的地質(zhì)-地理-生態(tài)單元，更是我國(guó)乃至全球生態(tài)安全的重要屏障[1]。青藏高原上多年凍土廣泛發(fā)育，其作為我國(guó)以及世界上中、低緯度地帶海拔最高、面積最大的多年凍土分布區(qū)域，發(fā)育有1.40 × 106km2的多年凍土，占我國(guó)青藏高原總面積的54.30%[2-3]。凍融過程(也稱凍融循環(huán))是多年凍土區(qū)地表最為顯著的物理特征之一[3]，即由于晝夜或季節(jié)等因素引起的熱量變化在表土及其以下一定深度所形成的反復(fù)凍結(jié)-解凍的土壤過程[4-5]。青藏高原在氣候復(fù)雜、地貌類型多樣的條件下，存在凍融、風(fēng)力、水力和重力等多種侵蝕營(yíng)力[6]。凍融循環(huán)通過改變土壤性質(zhì)和坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程，導(dǎo)致劇烈的水土流失，加劇土壤侵蝕，這一過程稱為凍融侵蝕[7]。發(fā)生凍融循環(huán)的頻次越高，凍融侵蝕強(qiáng)度越大，土壤侵蝕就越嚴(yán)重[7]。其中影響凍融侵蝕的主要因素為溫度、降水、坡度、坡向以及植被，在溫度、降水、坡度和坡向一致的情況下，較高的植被蓋度可以提高土壤穩(wěn)定性，減弱土壤溫度變化，削弱凍融強(qiáng)度，進(jìn)而減弱凍融侵蝕強(qiáng)度[6]。目前，青藏高原凍融侵蝕總面積為1.49 × 106km2，占青藏高原總面積的62.20%[8]、國(guó)土面積的59.00%[6]。

凍融侵蝕也是導(dǎo)致“黑土灘”型退化草地(以下簡(jiǎn)稱黑土灘)形成的因素之一[9]。黑土灘是全球草地生態(tài)系統(tǒng)退化行為發(fā)生在高原的特殊表現(xiàn)形式[10]，指在海拔3 700 m 以上高寒環(huán)境條件下，以嵩草屬植物為建群種的高寒草甸嚴(yán)重退化后形成的大面積次生裸地，或原生植被退化呈丘島狀的自然景觀[11]，是土壤侵蝕的嚴(yán)重區(qū)域[12-14]。青藏高原黑土灘面積約為7.03 × 106hm2[15]，其引發(fā)的諸如水土流失、毒雜草擴(kuò)張、畜牧業(yè)生產(chǎn)功能喪失、區(qū)域性社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)紊亂、生態(tài)難民等問題對(duì)區(qū)域生態(tài)、生產(chǎn)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等方面產(chǎn)生負(fù)面影響[10]。針對(duì)重度退化的黑土灘草地，實(shí)施栽培草地改建技術(shù)，具有創(chuàng)造高生產(chǎn)力和改善草地生態(tài)環(huán)境的雙重功能[16-21]，目前對(duì)人工建植區(qū)的植被群落特征(覆蓋度、物種多樣性和生物量)[22-26]、土壤特征(理化性質(zhì)、呼吸速率和酶活性)[22,24,26-29]、生產(chǎn)力[28,30-32]、固碳能力[28,30,33]方面的研究較多，但有關(guān)土壤水熱狀況方面的研究以及人工建植后黑土灘土壤凍融過程的研究仍然十分缺乏。

已有研究對(duì)藏北高寒草地土壤凍融過程水熱變化特征進(jìn)行分析[34]，該研究區(qū)位于藏北的中國(guó)科學(xué)院申扎高寒草原與濕地生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)試驗(yàn)站，試驗(yàn)站植被原始性狀保持良好，植被覆蓋度約40%，該區(qū)域草地凍結(jié)期分為初凍期、穩(wěn)定凍結(jié)期、消融前期、消融后期，日凍融循環(huán)主要發(fā)生在初凍期和消融前期的表層土壤，但全年尺度上的研究仍然缺乏?；诖?，本研究基于青藏高原東北緣祁連山中西段疏勒河源蘇里小流域多年凍土區(qū)一處黑土灘和人工建植區(qū)土壤溫度、含水量、鹽分實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料，對(duì)人工建植后的黑土灘活動(dòng)層土壤凍融過程進(jìn)行對(duì)比分析，并提出以下假設(shè)：1)人工建植區(qū)較黑土灘有更好的保溫和抗鹽堿化作用，且土壤含水量更高。2)人工建植區(qū)能夠減弱凍融循環(huán)發(fā)生的頻率。本研究可為繼續(xù)開展青藏高原多年凍土區(qū)黑土灘生態(tài)恢復(fù)工作提供更多參考，對(duì)寒區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與修復(fù)起到切實(shí)有效的指導(dǎo)作用，具有極其重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 研究樣地概況

研究樣地位于青藏高原東北緣祁連山中西段疏勒河源，青海省海西蒙古族藏族自治州天峻縣蘇里鄉(xiāng)境內(nèi)。試驗(yàn)樣地為黑土灘生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)場(chǎng)(98°22′08″ E，38°25′35″ N，海拔3 859 m)，在觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)選擇兩個(gè)樣點(diǎn)，分別是黑土灘區(qū)(對(duì)照區(qū)，SLP9)和人工建植區(qū)(SLP9-1)。觀測(cè)場(chǎng)所在區(qū)域?qū)俅箨懶愿珊祷哪畾夂?，年均?4.16 ℃，最冷月(1 月)為-17.80 ℃，最暖月(8 月)為9.32 ℃，年均空氣相對(duì)濕度為59.03%，年降水量為474.71 mm，全年干冷多風(fēng)。研究樣地生長(zhǎng)季月份為5 月-9 月，非生長(zhǎng)季月份為10 月-次年4 月，其中黑土灘植被退化嚴(yán)重，植被覆蓋度約13.00%，代表性物種有垂穗披堿草(Elymus nutans)、早熟禾(Poa annua)、海乳草(Glaux maritima)、沙蒿(Artemisia desertorum)、婆婆納(Veronica didyma)、昆侖蒿(Artemisia nanschanica)、鐵棒錘(Aconitum pendulum)、西伯利亞蓼(Polygonum sibiricum)；人工建植區(qū)為2014 年在黑土灘上選取一塊33 hm2區(qū)域作為研究樣地，進(jìn)行垂穗披堿草、‘青?！莸卦缡旌?Poaannua pratensis‘Qinghai’)、‘青?！涞卦缡旌?P. crymophila‘Qinghai’) 和中華羊茅(Festuca sinensis)的人工建植，植被覆蓋度為65.00%。黑土灘和人工建植區(qū)多年凍土活動(dòng)層厚度分別約為2.77 和1.93 m。研究樣地中黑土灘沙粒、粉粒、粘粒平均重量分別占比39.95%、47.39%和12.66%，人工建植區(qū)沙粒、粉粒、粘粒平均重量分別占比33.85%、52.11%和13.86%，由此可知黑土灘和人工建植區(qū)土壤類型一致，均為砂土。

1.2 研究方法

觀測(cè)場(chǎng)采用鐵絲網(wǎng)保護(hù)，以防止外界因素的干擾(如人類或動(dòng)物的破壞)。分別在黑土灘和人工建植區(qū)各布設(shè)一套儀器，觀測(cè)場(chǎng)空氣溫度和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)通過HMP155A 型溫濕度傳感器(Vaisala，芬蘭)測(cè)定，兩個(gè)樣點(diǎn)地下2 cm 處土壤溫度、含水量和鹽分通過Hydra-ProbeⅡ型土壤含水量傳感器(Stevens，美國(guó)) 進(jìn)行測(cè)定，其中土壤含水量冬季儀器所測(cè)定為未凍結(jié)水。10、20、30 和40 cm 的土壤溫度利用109 型土壤溫度傳感器(Campbell，美國(guó)) 測(cè)定，并進(jìn)行分層布設(shè)。上述傳感器連接至CR1000 型數(shù)據(jù)采集器(Campbell，美國(guó))獲得原始數(shù)據(jù)，時(shí) 段 為2018 年1 月1 日00:00-2018 年12 月31 日24:00，采集頻率為每10 min 記錄一次。季節(jié)劃分為：春季，3 月-5 月；夏季，6 月-8 月；秋季，9 月-11 月；冬季，12 月、1 月-2 月。

不同深度土壤凍結(jié)及融化指數(shù)、系數(shù)的計(jì)算參照n 系數(shù)的定義[35-37]，即氣溫對(duì)地表的影響因素指標(biāo)，將不同深度土壤溫度的凍結(jié)/融化指數(shù)與氣溫凍結(jié)/融化指數(shù)之比定義為不同深度土壤的n 系數(shù)，凍結(jié)指數(shù)與融化指數(shù)為各層土壤溫度/氣溫的年內(nèi)負(fù)積溫與正積溫，基于土壤溫度及氣溫的凍結(jié)/融化指數(shù)即可計(jì)算出不同深度土壤凍結(jié)及融化系數(shù)(凍結(jié)系數(shù)n-與融化系數(shù)n+呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，凍結(jié)系數(shù)n-越大，越有利于吸熱，反之越有利于放熱[38])。各土層的土壤凍結(jié)日、融化日、凍融日與凍融時(shí)期的劃分依據(jù)[39-40]為：土壤日最高溫度 ≤ 0 ℃時(shí)，則視為土壤完全凍結(jié)，土壤日最低溫度 ＞ 0 ℃時(shí)，則視為土壤完全融化；土壤日最高溫度 ＞ 0 ℃而最低溫度≤ 0 ℃則認(rèn)為發(fā)生了日凍融循環(huán)。土壤開始凍結(jié)與融化時(shí)間確定的依據(jù)為：日均最低土壤溫度連續(xù)3 d＞ 0 ℃，則將 ＞ 0 ℃的第1 天視為開始融化時(shí)間，日均最高土壤溫度連續(xù)3 d ≤ 0 ℃，則將 ≤ 0 ℃的第1 天視為開始凍結(jié)時(shí)間[40]。根據(jù)Chen 等[5]對(duì)凍融時(shí)期的劃分依據(jù)，將試驗(yàn)樣地土壤溫度的年變化過程劃分為4 個(gè)凍融時(shí)期：完全凍結(jié)期(土壤溫度日最大值連續(xù)3 d ≤ 0 ℃)、融化過程期(土壤溫度日最大值連續(xù)3 d ＞ 0 ℃、最小值連續(xù)3 d ≤ 0 ℃的第1 天開始計(jì)算)、完全融化期(土壤溫度日最小值連續(xù)3 d ＞0 ℃的第1 天開始計(jì)算)以及凍結(jié)過程期(土壤溫度日最大值連續(xù)3 d ＞ 0 ℃、最小值連續(xù)3 d ≤ 0 ℃的第1 天開始計(jì)算)。數(shù)據(jù)處理、分析及制圖采用中國(guó)科學(xué)院自主研發(fā)軟件“土壤凍融過程相關(guān)數(shù)據(jù)處理分析平臺(tái)V2.0、Excel、SPSS (季節(jié)與單因素方差分析)、Surfer 和Origin 軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤溫度、含水量、鹽分變化特征

2.1.1 土壤溫度

SLP9 (對(duì)照區(qū)) 與SLP9-1 (人工建植區(qū)) 樣點(diǎn)2018 年數(shù)據(jù)資料顯示，2 cm 處土壤日均最高溫和最低 溫 分 別 為17.69 和-17.11 ℃、12.87 和-14.35 ℃，40 cm 處土壤日均最高溫和最低溫分別為11.76 和-12.40 ℃、8.90 和-10.76 ℃，即2-40 cm 深度日均尺度上SLP9 和SLP9-1 樣點(diǎn)土壤最高溫分別降低5.93 和3.97 ℃，最 低 溫 升 高4.71 和3.59 ℃ (圖1)。這表明隨土壤深度的增加，土壤溫度整體變幅減小，且兩個(gè)樣點(diǎn)土壤溫度與空氣溫度變化的回歸關(guān)系圖顯示(圖2)，SLP9 樣點(diǎn)土壤溫度隨氣溫變化斜率較大(0.958 4 ＞ 0.680 2)，表明SLP9 樣點(diǎn)土壤溫度較SLP9-1 樣點(diǎn)受氣溫波動(dòng)更大。此外，從2 cm 處土壤溫度日均值來看(表1)，冬季SLP9-1 樣點(diǎn)-10.82 ℃比SLP9 樣點(diǎn)-12.20 ℃高了1.38 ℃，兩個(gè)樣點(diǎn)2 cm 處日均土壤溫度季節(jié)變化的顯著性差異結(jié)果表明，SLP9-1 樣點(diǎn)和SLP9 樣點(diǎn)土壤溫度四季之間均有顯著性差異(P＜ 0.05)，SLP9-1 樣點(diǎn)冬季溫度顯著高于SLP9 樣點(diǎn)(P＜ 0.05)。

圖1 SLP9 和SLP9-1 樣點(diǎn)2-40 cm 日均土壤溫度Figure 1 Daily mean soil temperature of SLP9 and SLP9-1 sample points at 2-40 cm depth

表1 SLP9 和SLP9-1 樣點(diǎn)2 cm 土壤溫度、含水量、鹽分變化Table 1 Changes in soil temperature, moisture contents, and salinity of SLP9 and SLP9-1 sample points at 2 cm depth

圖2 SLP9 和SLP9-1 樣點(diǎn)2 cm 日均土壤溫度及空氣溫度Figure 2 Daily mean soil temperature and air temperature of SLP9 and SLP9-1 sample points at 2 cm depth

2.1.2 土壤含水量

2018 年兩個(gè)樣點(diǎn)2 cm 處日均土壤含水量變化特征表明(圖3)，SLP9-1 樣點(diǎn)1 月-4 月與11 月-12 月土壤含水量明顯高于SLP9 樣點(diǎn)，9 月-10月土壤含水量略低于SLP9 樣點(diǎn)，4 月-9 月兩個(gè)樣點(diǎn)土壤含水量相差不大。兩個(gè)樣點(diǎn)土壤含水量與降水量變化的相關(guān)關(guān)系圖顯示(圖4)，SLP9 樣點(diǎn)土壤含水量較SLP9-1 樣點(diǎn)受降水量影響波動(dòng)更大，SLP9樣點(diǎn)與降水量和SLP9-1 樣點(diǎn)與降水量的相關(guān)關(guān)系均達(dá)到極顯著水平(P＜ 0.01)。此外，2 cm 處土壤含水量日均值表明(表1)，春、冬兩季SLP9-1 樣點(diǎn)土壤含水量日均值高于SLP9 樣點(diǎn)，夏、秋兩季相反；季節(jié)變化的差異值顯示， SLP9-1 樣點(diǎn)與SLP9 樣點(diǎn)土壤溫度在四季之間均有顯著性差異(P＜ 0.05)。

圖3 SLP9 和SLP9-1 樣點(diǎn)2 cm 日均土壤含水量Figure 3 Daily mean soil moisture contents of SLP9 and SLP9-1 sample points at 2 cm depth

圖4 SLP9 和SLP9-1 樣點(diǎn)2 cm 日均土壤含水量及降水量Figure 4 Daily mean soil moisture contents and precipitation of SLP9 and SLP9-1 sample points at 2 cm depth

2.1.3 土壤鹽分含量

2018 年兩個(gè)樣點(diǎn)2 cm 處日均土壤鹽分含量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明(圖5)，SLP9 樣點(diǎn)年最高土壤鹽分含量高達(dá)413.83 mg·L-1，而SLP9-1 樣點(diǎn)年最高土壤鹽分含量?jī)H有276.93 mg·L-1，兩者相差136.90 mg·L-1；SLP9-1 樣點(diǎn)年均土壤鹽分含量為90.08 mg·L-1，而SLP9 樣點(diǎn)年均土壤鹽分含量為134.17 mg·L-1，兩者相差44.09 mg·L-1。5 月-10 月SLP9-1 樣點(diǎn)土壤鹽分含量較SLP9 樣點(diǎn)明顯減少，1 月-4 月和11 月-12 月兩者相近。此外，從2 cm 處土壤鹽分含量日均值來看(表1)，春、夏、秋、冬四季SLP9-1 樣點(diǎn)土壤鹽分含量日均值均低于SLP9 樣點(diǎn)(P＞ 0.05)，土壤鹽分含量夏、秋兩季日均值差異較春、冬兩季更明顯。兩個(gè)樣點(diǎn)2 cm 處日均土壤鹽分季節(jié)變化的顯著性差異結(jié)果表明，SLP9-1 樣點(diǎn)與SLP9 樣點(diǎn)土壤鹽分含量在春、冬兩季之間無顯著性差異(P＞0.05)，在夏、秋之間有顯著性差異(P＜ 0.05)，且SLP9-1 樣點(diǎn)夏、秋兩季土壤鹽分顯著低于SLP9 樣點(diǎn)(P＜ 0.05)。

圖5 SLP9 和SLP9-1 樣點(diǎn)2cm 日均土壤鹽分含量Figure 5 Daily mean soil salinity contents of SLP9 and SLP9-1 sample points at 2 cm depth

2.2 土壤凍融過程分析

2.2.1 土壤凍融時(shí)期及開始凍結(jié)和融化時(shí)間

黑土灘和人工建植區(qū)兩個(gè)樣點(diǎn)2 cm 處完全凍結(jié)期均分為兩段：1 月1 日-3 月1 日及11 月14 日-12 月31 日(108 d)，1 月1 日-4 月19 日及10 月9 日-12 月31 日(193 d)。SLP9-1 樣 點(diǎn) 在 兩 個(gè) 時(shí) 間 段 的變化過程中出現(xiàn)了延遲融化和提前凍結(jié)的現(xiàn)象，SLP9-1 樣點(diǎn)完全凍結(jié)期比SLP9 樣點(diǎn)多85 d。SLP9和SLP9-1 樣點(diǎn)的融化過程期分別為3 月2 日-4 月20 日(50 d)和4 月20 日-5 月14 日(25 d)，分析得出，當(dāng)SLP9 樣點(diǎn)融化過程期結(jié)束時(shí)SLP9-1 樣點(diǎn)才開始進(jìn)入融化過程期，SLP9-1 樣點(diǎn)融化過程期較SLP9 樣點(diǎn)少25 d。完全融化期SLP9 和SLP9-1樣點(diǎn)起止時(shí)間分別為4 月21 日-10 月14 日(177 d)和5 月15 日-10 月5 日(144 d)，可以看出SLP9-1樣點(diǎn)完全融化期開始時(shí)間后延并且提前進(jìn)入凍結(jié)過程期，SLP9-1 樣點(diǎn)完全融化期較SLP9 樣點(diǎn)少33 d。凍結(jié)過程期SLP9 和SLP9-1 樣點(diǎn)起止時(shí)間分別為10 月15 日-11 月13 日(30d) 和10 月6 日-10 月8 日(3 d)，可知SLP9-1 樣點(diǎn)提前進(jìn)入凍結(jié)過程期，并提前步入完全凍結(jié)期，SLP9-1 樣點(diǎn)凍結(jié)過程期較SLP9 樣點(diǎn)少27 d。

基于兩個(gè)樣點(diǎn)2-40 cm 處土壤日均溫繪制等溫線圖(圖6)，SLP9 和SLP9-1 樣點(diǎn)表層2 cm 土壤開始融化的時(shí)間分別為3 月26 日和4 月28 日，可知SLP9-1 樣點(diǎn)土壤開始融化時(shí)間比SLP9 樣點(diǎn)推遲了33 d，而凍結(jié)的時(shí)間分別為10 月23 日和10 月8 日，可知SLP9-1 樣點(diǎn)土壤開始凍結(jié)的時(shí)間比SLP9 樣點(diǎn)提前了15 d。

圖6 SLP9 和SLP9-1 樣點(diǎn)2.0 ℃間隔等溫線圖Figure 6 Isothermal curve intervals of SLP9 and SLP9-1 sample points at 2.0 ℃

2.2.2 土壤凍結(jié)日、融化日和凍融日數(shù)

通過統(tǒng)計(jì)分析兩個(gè)樣點(diǎn)不同深度土壤凍結(jié)、融化以及凍融日數(shù)(表2)，2-40 cm 處SLP9-1 樣點(diǎn)土壤發(fā)生凍結(jié)的日數(shù)為189～231 d，SLP9 樣點(diǎn)土壤發(fā)生凍結(jié)的日數(shù)為114～172 d。SLP9-1 樣點(diǎn)凍結(jié)日數(shù)隨深度增加逐漸增加，融化日數(shù)持續(xù)減少，凍融日數(shù)先減少后增加，而SLP9 樣點(diǎn)凍結(jié)日數(shù)先增后減再增，融化日數(shù)呈現(xiàn)出隨深度加深先增后減再增再減的波動(dòng)性升降情況，凍融日數(shù)逐漸減少。人工建植后表層2 cm 處的凍結(jié)日較黑土灘延長(zhǎng)75 d，融化日縮短32 d，凍融日減少43 d。

表2 SLP9 和SLP9-1 樣點(diǎn)不同深度土壤凍結(jié)日數(shù)、融化日數(shù)和凍融日數(shù)Table 2 Soil freezing days, thawing days, and the freezing and freeze-thaw days at different depths of SLP9 and SLP9-1 sample points

2.2.3 n 系數(shù)

氣溫凍結(jié)指數(shù)與融化指數(shù)經(jīng)計(jì)算分別為-2 442 和925 ℃·d。土壤凍結(jié)、融化指數(shù)與系數(shù)如表3 所列，可看出，SLP9 和SLP9-1 樣點(diǎn)2 cm 處的土壤凍結(jié)系數(shù)n-均最大，分別與40 cm 處的土壤凍結(jié)系數(shù)n-相差0.12 和0.14，且凍結(jié)系數(shù)隨土壤深度增加均呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，指示土壤由吸熱慢慢轉(zhuǎn)向?yàn)榉艧幔脖砻鞅韺? cm 處土壤吸熱效應(yīng)更為明顯。此外表層2 cm 處土壤凍結(jié)系數(shù)相差不大，即兩個(gè)樣點(diǎn)土壤吸熱能力相近，但SLP9 樣點(diǎn)融化系數(shù)更大，比SLP9-1 樣點(diǎn)高1.63，更利于放熱。

表3 SLP9 和SLP9-1 樣點(diǎn)n 系數(shù)Table 3 n coefficient of SLP9 and SLP9-1 sample points

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

大氣和活動(dòng)層之間的熱量和水分交換主要發(fā)生在界面層，表層土壤恰恰是地氣相互作用過程中地表與其上大氣發(fā)生能量和水分交換的最為關(guān)鍵的界面層，因此在研究多年凍土區(qū)地氣相互作用時(shí)，表層土壤的凍融狀況十分重要[3,39]。從前人研究來看，表層土壤真正凍結(jié)的日數(shù)較少，僅有1 個(gè)月左右，將近6 個(gè)月土壤都存在日凍融循環(huán)，而在10 cm深處，只存在2 個(gè)月左右的凍融日循環(huán)過程[39]。相關(guān)研究表明，10 cm 深處土壤日凍融階段持續(xù)時(shí)間共為25 d，相比5 cm 深處土壤縮短了36 d，而20 cm處土壤日凍融循環(huán)階段持續(xù)日數(shù)更少，僅為5 d，可知在日變化尺度上隨著土壤深度的增加，土壤日凍融循環(huán)持續(xù)日數(shù)明顯減少，表明土壤與大氣之間的熱量交換對(duì)土壤溫度變化的影響隨著深度的增加明顯趨弱[3]。由此可知表層土壤的凍融循環(huán)較其他土層更頻繁。本研究結(jié)果與上述研究類似，故主要選擇對(duì)2 cm 處的水熱特征及凍融過程進(jìn)行分析。

3.1.1 黑土灘和人工建植區(qū)土壤溫度、含水量、鹽分變化特征

高植被覆蓋的土壤受到外部因素的影響較小，具有較好的保溫作用，而退化較為嚴(yán)重的黑土灘更容易受到外部環(huán)境的作用而迅速升溫和降溫，尤其是淺層土壤溫度隨大氣溫度變化而變化[41]。這與本研究結(jié)果相一致，本研究黑土灘和人工建植區(qū)土壤與空氣溫度變化的相關(guān)關(guān)系圖(圖2)顯示，黑土灘土壤溫度與氣溫的線性方程斜率更大，表明黑土灘土壤溫度較人工建植區(qū)受氣溫波動(dòng)更大，且表層2 cm處黑土灘融化系數(shù)n+為1.73，較人工建植區(qū)高1.63，更利于放熱，表明人工建植區(qū)土壤保溫作用更強(qiáng)。但本研究所揭示的人工建植區(qū)冬季土壤溫度更高(表層2 cm 處冬季黑土灘土壤溫度均值為-12.20 ℃，較人工建植區(qū)低1.38 ℃)，SLP9-1 樣點(diǎn)冬季溫度顯著高于SLP9 樣點(diǎn)(P＜ 0.05)，對(duì)植被生長(zhǎng)有利，目前未有類似研究結(jié)果報(bào)道。

高蓋度的高寒草甸草地土壤，由于表層具有較高的腐殖質(zhì)含量和致密草皮結(jié)層，上層土壤持水量較大，其植被覆蓋度與土壤水分之間有顯著相關(guān)關(guān)系，隨植被蓋度增加，土壤含水量提高，而退化后的高山草甸土壤趨于干燥，持水能力降低，退化越嚴(yán)重，土壤水分的流失就越多，流失速率也越快[41-43]，因此高蓋度下的土壤持水性較低蓋度土壤強(qiáng)。本研究表明人工建植區(qū)土壤含水量略高于黑土灘，具體表現(xiàn)為表層2 cm 處人工建植區(qū)土壤年均含水量為18.32%，較黑土灘高0.94%。并且人工建植后的土壤尤其在冬季土壤含水量更高，具體表現(xiàn)為表層2 cm處黑土灘和人工建植區(qū)春、夏、秋三季土壤含水量均值分別為14.39 和16.43%、32.93 和32.54%、19.84和17.63%，差距不大，而冬季人工建植區(qū)土壤含水量6.66%，約為黑土灘的3 倍，且SLP9-1 樣點(diǎn)春、冬兩季土壤含水量顯著高于SLP9 樣點(diǎn)(P＜ 0.05)。但Hydra-ProbeⅡ型土壤含水量傳感器(Stevens，美國(guó))冬季測(cè)定的是未凍結(jié)水，由于人工建植區(qū)冬季溫度更高，即其土壤含水量更高，但含冰量未知，難以比較土壤持水能力。另外，相關(guān)研究認(rèn)為裸地表層由于沒有植被覆蓋，降水時(shí)土壤含水量迅速上升，降水后土壤蒸發(fā)迅速，對(duì)降水的響應(yīng)更為敏感[44-45]，這與本研究所得“表層2 cm 處兩個(gè)樣點(diǎn)土壤含水量與降水量變化的相關(guān)關(guān)系圖(圖4)顯示黑土灘土壤含水量較人工建植區(qū)受降水影響波動(dòng)更大”相一致，且表層2 cm 處兩個(gè)樣點(diǎn)土壤含水量與降水量呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)，但2018年表層2 cm 處逐日降水量?jī)H能解釋黑土灘及人工建植區(qū)土壤水分變化的16.57%和20.50% (圖4)，表明黑土灘和人工建植區(qū)土壤含水量變化除了直接受到降水的影響外，還深受降水時(shí)間分配格局等因素的影響。

植被覆蓋度與土壤鹽分間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且土壤鹽分含量與景觀類型聯(lián)系密切，不同景觀類型的土壤含鹽量不一致，通常植被覆蓋度較高的景觀類型土壤鹽分含量比較低，也更適宜植被生長(zhǎng)[46-47]。這與本研究所得“人工建植區(qū)土壤鹽分含量較黑土灘低”一致，具體表現(xiàn)為表層2 cm 處黑土灘年均土壤鹽分含量為134.73 mg·L-1，較人工建植區(qū)高44.29 mg·L-1。其中夏、秋兩季人工建植后的土壤鹽分含量較黑土灘有明顯減少，具體表現(xiàn)為表層2 cm 處夏、秋兩季黑土灘和人工建植區(qū)土壤鹽分含量均值分別為268.19和152.58 mg·L-1、155.13和98.55 mg·L-1，且SLP9-1 樣點(diǎn)夏、秋兩季土壤鹽分顯著低于SLP9樣點(diǎn)(P＜ 0.05)。這也與人工建植后的土壤狀態(tài)發(fā)生改變有關(guān)，主要與植被覆蓋度高的草地土壤絕熱功能更好，不容易造成水熱散失，對(duì)鹽分有抵抗作用相關(guān)[41-43,46-52]。

3.1.2黑土灘和人工建植區(qū)土壤凍融過程

黑土灘和人工建植區(qū)土壤凍融過程不一致，相關(guān)研究表明土壤的凍融過程受到植被蓋度變化的顯著影響，植被蓋度越高，表層土壤的絕熱作用越強(qiáng)，該特性可以在凍結(jié)階段抑制向上的熱量，在融化階段抑制向下的熱量傳遞，導(dǎo)致隨著植被覆蓋度的增加，活動(dòng)層土壤完全凍結(jié)期延長(zhǎng)，完全融化期縮短[41,49,53]。研究結(jié)果與前人研究所得基本上保持一致，即人工建植有效降低了黑土灘土壤凍融過程的發(fā)生頻率，也就是高植被蓋度的土壤能夠有效降低凍融過程的發(fā)生頻率。由于發(fā)生凍融循環(huán)的頻次越高，凍融侵蝕強(qiáng)度越大，土壤侵蝕就越嚴(yán)重[7]，因此人工建植能夠減弱凍融侵蝕強(qiáng)度，減緩其對(duì)多年凍土的破壞作用，進(jìn)而保護(hù)多年凍土。具體表現(xiàn)為人工建植區(qū)表層2 cm 處土壤完全凍結(jié)期較黑土灘延長(zhǎng)85 d，融化過程期、完全融化期、凍結(jié)過程期分別減少25、33 和27 d；凍結(jié)日較黑土灘延長(zhǎng)75 d，融化日縮短32 d，凍融日減少43 d；較黑土灘提前15 d 凍結(jié)，延后33 d 融化。但研究與Guglielmin 等[54]對(duì)南極洲Signy Island 多年凍土區(qū)生態(tài)系統(tǒng)研究所得的有植被覆蓋下凍土凍融循環(huán)次數(shù)大于沒有植被覆蓋的凍土相悖，這可能與區(qū)域氣候及土壤質(zhì)地條件等地域差異有關(guān)，也可能與記錄儀器的不同有關(guān)(數(shù)據(jù)由Hobo Pro? 數(shù)據(jù)記錄儀對(duì)每小時(shí)進(jìn)行記錄)。另外研究時(shí)段不一致，Guglielmin 等[54]的研究開始于2004 年2 月22 日，結(jié)束于2005 年3 月28 日，而本研究開始于2018 年1 月1 日，結(jié)束于2018 年12 月31 日。

本研究只對(duì)比了人工建植區(qū)和黑土灘的凍融過程，未增加天然未退化草地的凍融過程，可在接下來的研究中注重天然未退化草地、黑土灘和人工建植區(qū)三者之間的差異比較，另外由于多年凍土區(qū)土壤凍融循環(huán)特性復(fù)雜，影響因素多樣，受海拔高度、氣候條件和土壤巖性等的影響，未來可結(jié)合多個(gè)參數(shù)進(jìn)一步分析。

3.2 結(jié)論

多年凍土區(qū)的人工建植區(qū)較黑土灘冬季土壤溫度更高且受氣溫波動(dòng)小，土壤含水量整體略高于黑土灘且受降水影響小，土壤鹽分含量較黑土灘有明顯降低，其中夏、秋兩季最明顯。通過人工建植措施，可以有效降低黑土灘土壤凍融過程的發(fā)生頻率，具體表現(xiàn)為人工建植區(qū)表層2 cm 完全凍結(jié)期、凍結(jié)日增加，融化過程期、完全融化期、凍結(jié)過程期、融化日及凍融日減少，且提前凍結(jié)，延后融化。表明人工建植可以有效降低凍融循環(huán)頻率，減弱凍融侵蝕強(qiáng)度，減緩其對(duì)多年凍土的破壞作用，進(jìn)而保護(hù)多年凍土，這為青藏高原地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)提供了數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)指導(dǎo)。