祁連山典型小流域大氣與土壤溫濕度季節(jié)與年際變化特征研究

張恒平顧玉梅

(1.甘肅祁連山國家級自然保護(hù)區(qū)管護(hù)中心哈溪自然保護(hù)站，甘肅 武威 733000；2.天祝藏族自治縣哈溪鎮(zhèn)人民政府，甘肅 武威 733000)

引言

草地生態(tài)系統(tǒng)(Grassland ecosystem)通常是指以多年生草本植物為主要生產(chǎn)者的陸地生態(tài)系統(tǒng)。草地是承載和保護(hù)生物多樣性的關(guān)鍵場所，具有防風(fēng)、固沙、涵養(yǎng)水源、養(yǎng)分循環(huán)、改良土壤等功能，也是集生態(tài)、生產(chǎn)和生活為一體的多功能體，對維護(hù)民族地區(qū)團(tuán)結(jié)、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和構(gòu)建和諧社會有著重要支撐；同時，在我國以國家公園為主體的自然保護(hù)地體系中具有舉足輕重的地位[1，2]。有研究表明，高山地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)比其他地區(qū)對氣候變化的敏感性要高[3，4]。也有研究認(rèn)為，自1987年以來我國西北地區(qū)氣候出現(xiàn)了由暖干向暖濕的轉(zhuǎn)變[5]。因此，研究高山地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的氣候變化對積極應(yīng)對氣候變化帶來的風(fēng)險意義重大。

當(dāng)前國內(nèi)外對于氣候變化的研究較多。國內(nèi)對氣候變化的研究主要集中于高原氣候變化、氣候變化對濕地、河流、草地、人體健康等的影響。如，鄧景成等[6]分析了氣候變化對生態(tài)環(huán)境的影響致使植被帶向南移以及對農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)發(fā)展所產(chǎn)生的破壞。王鶯等[7]從土壤侵蝕、徑流量、濕地、凍土和植被等方面深入討論了氣候變化對黃河源區(qū)生態(tài)環(huán)境的直接影響及其特點。高志勇等[8]研究表明，溫度升高和降水量減少，會導(dǎo)致生物多樣性減少、濕地退化甚至消失。國外對氣候變化的研究主要基于預(yù)測模型來預(yù)測未來幾十年氣候如何變化。如，Jiang等[9]研究了氣候和土地利用對西南山地植被時空格局變化的影響，結(jié)果表明，NDVI在海拔3400m以上和海拔3400m以下對氣候的反應(yīng)值有所不同。Xia等[10]提出了一個目標(biāo)和框架，用來以評估山區(qū)災(zāi)害威脅下的優(yōu)質(zhì)旅游點的生態(tài)脆弱性，通過生態(tài)系統(tǒng)退化和人類經(jīng)濟(jì)活動，從生態(tài)學(xué)角度分析其時空格局。Simonova等[11]分析了俄羅斯上伏爾加地區(qū)尼祿湖盆鹽漬土壤對近期氣候變化的響應(yīng)。

氣候變暖最直接的表現(xiàn)就是空氣溫濕度的升高。施雅風(fēng)等[5]研究認(rèn)為，自1987年以來我國西北地區(qū)氣候開始出現(xiàn)了由暖干向暖濕的轉(zhuǎn)變。這就意味著空氣溫度升高、濕度增大。由此可見，對空氣溫濕度的研究顯得越來越重要。成龍等[12]研究了高寒沙區(qū)吸濕凝結(jié)、水凝結(jié)過程與溫濕度的相關(guān)性，結(jié)果表明，吸濕凝結(jié)的水量與近地層空氣濕度呈現(xiàn)正相關(guān)，與近地層空氣溫度、土壤溫度和土壤濕度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。李愛博等[13]研究表明，在其他環(huán)境因子不變的情況下，空氣溫度和空氣相對濕度與空氣負(fù)離子濃度均呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系。Wei等[14]根據(jù)1951—2018年華北干旱地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)評價空氣變濕的趨勢，發(fā)現(xiàn)在過去幾十年中，年相對濕度下降了0～0.10%·a-1。Li等[15]研究認(rèn)為，氣候濕度是介導(dǎo)物種豐富度與群落生物量關(guān)系的最重要因素。

土壤溫濕度的研究在一定程度上受氣候變化的影響。而目前對土壤溫濕度的研究主要在高海拔地區(qū)，包括草地、森林、灌木等植被類型的土壤。李雪琴等[16]研究了西藏藏東南地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)土壤的溫濕度分布特征，結(jié)果表明，10cm土壤層的溫度基本按照正弦曲線變化，與太陽輻射變化一致；土壤濕度主要受降水量的影響。沈石[17]研究了黑河上游氣候土壤水文要素時序特征，結(jié)果表明土壤濕度的波動性要低于土壤溫度的波動性；土壤溫濕度之間相互影響也存在時間分異情況。卓嘎等[18]分析了不同深度的青藏高原土壤溫濕度的變化特征，結(jié)果表明，土壤溫度與濕度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤溫度升溫很快但降溫很慢，而且淺層土壤溫度梯度大于深層土壤。張音等[19]認(rèn)為積雪深度、大氣溫度和雪面溫度高低對土壤溫濕度有一定的影響，土壤溫濕度隨土壤層深度的增加而趨于平緩。付皓宇等[20]認(rèn)為，土壤溫濕度隨土壤深度的增加具有明顯的垂直分異性，且白天土壤呼吸速率與土壤溫濕度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，夜間土壤呼吸速率與土壤溫濕度呈現(xiàn)正相關(guān)。

祁連山地處青藏高原、黃土高原和蒙新荒漠交匯的地帶，位于青海省東北部，甘肅省西部邊境，是氣候變化的生態(tài)脆弱區(qū)和敏感區(qū)[21]，是國家“兩屏三帶”生態(tài)安全戰(zhàn)略格局的重要組成部分，在水源涵養(yǎng)、物種多樣性方面發(fā)揮著重要的生態(tài)屏障作用。草地生態(tài)系統(tǒng)是祁連山的優(yōu)勢生態(tài)系統(tǒng)，目前有關(guān)祁連山草地生態(tài)系統(tǒng)的研究主要集中于草地的多年凍土變化、草地生物量及生物多樣性、草地儲碳蓄水能力、草地土壤呼吸、草地物種光和特性等方面。祁連山草地生態(tài)系統(tǒng)土壤溫濕度及降水動態(tài)變化的研究鮮見。開展祁連山典型流域草地生態(tài)系統(tǒng)土壤溫濕度及降水動態(tài)變化的研究，可為祁連山草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時為祁連山的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅祁連山國家級自然保護(hù)區(qū)寺大隆自然保護(hù)站轄區(qū)的天澇池流域，屬于黑河上游的主要支流，流域總面積為12.8km2，河流縱長6.0km，縱坡比降1∶12.5。由于多種不同影響氣候的因素迭加構(gòu)成了溫帶高寒半干旱山地森林草原氣候，其氣候表現(xiàn)形式為冬長寒冷干燥，夏短溫涼濕潤。全年降水量在200mm以上，降水主要分布在5—9月，占全年降水量76%[22]。流域內(nèi)陰坡分布青海云杉林，陽坡分布祁連圓柏林，并有大面積的帶狀或塊狀森林與草原、沼澤、水域等交錯分布，野生植物資源豐富，植被類型的垂直變化具有典型性和代表性，構(gòu)成了山地復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。草地生態(tài)系統(tǒng)主要分布在海拔3000～3100m處，物種組成有苔草(Carer tristachya)、鵝絨委陵菜(Potentilla anserina)、紫花針茅(Stipa purpurea)、蒲公英(Herba Taraxaci)、毛茛(Ranunculus japonicus)、垂穗披堿草(Elymus nutans)、矮嵩草(Kobresia humilis)等。土壤類型主要有灰褐土、寒漠土、亞高山草甸土和山地灰鈣土。本研究區(qū)域地理位置示意圖如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地理位置圖

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究的數(shù)據(jù)來源于甘肅祁連山國家級自然保護(hù)區(qū)管理局寺大隆自然保護(hù)站內(nèi)天澇池流域的草地自動氣象站2013—2016年監(jiān)測數(shù)據(jù)。利用美國HOBO U3O土壤溫濕度自動記錄儀，在草地土層深度10cm處埋設(shè)溫度(ST)和水分(SW)探頭，監(jiān)測土壤溫度和水分變量，數(shù)據(jù)監(jiān)測間隔時間為30min。利用HOBOU30軟件，以半年一次的頻度對記錄儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。草地自動氣象站主要監(jiān)測項目包括氣溫、大氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、相對濕度、太陽輻射、降雨量及土壤溫濕度。

運用Excel 2010軟件將觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析整理后進(jìn)行制圖；將獲取的均值數(shù)據(jù)運用SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析、相關(guān)性分析及多元線性回歸分析。研究區(qū)地理位置示意圖運用ArcGis 10.2進(jìn)行制作。

2 結(jié)果

2.1 大氣溫濕度變化特征研究

2.1.1 大氣溫濕度季節(jié)變化特征

祁連山草地生態(tài)系統(tǒng)大氣溫度的季節(jié)變化特征如圖2所示。2013年、2015年、2016年的大氣溫度最高值均出現(xiàn)在秋季，2014年的平均最高溫出現(xiàn)在夏季。整體來說，大氣溫度在不同的年份均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，且秋季平均溫度最高(-0.79℃)，冬季最低(-12.26℃)。

圖2 祁連山草地系統(tǒng)大氣溫度季節(jié)變化特征

祁連山草地生態(tài)系統(tǒng)大氣濕度的季節(jié)變化特征如圖3所示。結(jié)果表明，2013年、2015年大氣相對濕度均為秋季最高，2014年、2016年為夏季最高。2014年和2016年四季的變化趨勢基本一致，都是夏季相對濕度最高，依次為秋季、春季和冬季。大氣濕度的最高值出現(xiàn)在2013年的秋季(76.34%)，最低值出現(xiàn)在2013年的夏季(45.75%)。整體來說，秋季的大氣濕度最高(70.9%)，春季的大氣濕度最低(53.83%)。

圖3 祁連山草地系統(tǒng)大氣濕度季節(jié)變化特征

2.1.2 大氣溫濕度年變化特征

為了進(jìn)一步了解大氣溫濕度在時間尺度上的變化特征，觀測了祁連山草地生態(tài)系統(tǒng)的大氣溫濕度年變化。祁連山草地生態(tài)系統(tǒng)大氣溫度年變化特征如圖4所示，2013—2016年的年均大氣溫度為-7.69℃。2014年、2015年和2016年的年平均溫度均為負(fù)值。2013年平均溫度最高(0.04℃)，2015年最低(-17.46℃)。大氣溫度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，先逐年降低，再從2015年逐年升高。

圖4 祁連山草地系統(tǒng)大氣溫度年變化特征

祁連山草地生態(tài)系統(tǒng)大氣濕度年變化特征如圖5所示。由圖5可知，年均大氣濕度為61%，大氣濕度的年變化呈現(xiàn)先增后減的趨勢，但年際間差異不明顯。2015年大氣濕度年平均值最高(63%)；2013年大氣濕度最低，為57%。

圖5 祁連山草地系統(tǒng)大氣濕度年變化特征

2.2 草地土壤溫濕度動態(tài)變化研究

2.2.1 草地土壤溫濕度季節(jié)變化動態(tài)

祁連山草地系統(tǒng)表層土壤溫度季節(jié)變化特征如圖6所示?？傮w來說，土壤溫度秋季最高(0.67℃)，春季最低(-9.28℃)。2013年的土壤溫度為秋季最高(8.68℃)，春季最低(-6.05℃)。2014年夏季土壤溫度最高(7.28℃)，冬季最低(-4.03℃)。2015年四季的土壤溫度均為負(fù)值，春季土壤溫度最高(-11.96℃)，夏季最低(-18.29℃)。而2016年的土壤溫度季節(jié)分布特征與2014年完全不同，秋季最高(3.43℃)，春季最低(-18.32℃)。土壤溫度的最大值出現(xiàn)在2013年的秋季，最小值出現(xiàn)在2016年的春季。

圖6 祁連山草地系統(tǒng)土壤溫度季節(jié)變化特征

祁連山草地土壤水分的季節(jié)變化情況如圖7所示?？傮w來說，土壤濕度在秋季最高(0.2079m3·m-3)，春季最低(0.0314m3·m-3)。2013年、2015年的土壤水分含量均在秋季、冬季較高，春季、夏季較低，2014年、2016年的土壤水分含量均在夏季、秋季較高，春季、冬季較低，并且差異明顯。土壤水分含量的最大值出現(xiàn)在2013年的秋季(0.2228m3·m-3)，最小值出現(xiàn)在2013年的春季(0.0183m3·m-3)。春季的土壤水分含量普遍較低。

圖7 祁連山草地系統(tǒng)土壤水分季節(jié)變化特征

2.2.2 草地土壤溫濕度年變化動態(tài)

祁連山草地系統(tǒng)土壤溫度的年變化特征如圖8所示。年均土壤溫度為-5.47℃。草地土壤溫度在2013年和2014年是正值，在2015年和2016年均為負(fù)值，整體呈現(xiàn)出土壤溫度先下降后上升的趨勢。2014年土壤年均溫度最高，為1.83℃，2015年最低，為-14.95℃，這個結(jié)果與大氣溫度的結(jié)果相一致。

圖8 祁連山草地系統(tǒng)土壤溫度年變化特征

祁連山草地土壤水分的年際變化特征如圖9所示。結(jié)果表明，年均土壤水分為0.12m3·m-3，土壤水分在年際間并未存在明顯的差異性。4年的土壤水分變化趨勢平緩，最高值出現(xiàn)在2014年，為0.1242m3·m-3，最小值出現(xiàn)在2015年，為0.1189m3·m-3。

圖9 祁連山草地系統(tǒng)土壤水分年變化特征

2.3 草地土壤溫濕度的多元線性回歸分析

為了進(jìn)一步探究草地土壤溫濕度與大氣溫濕度的關(guān)系，本研究采用多元線性回歸分析，構(gòu)建了土壤溫度、土壤水分與大氣溫、濕度的多元線性回歸方程，結(jié)果如表1、表2所示。土壤溫度均與該年的大氣溫度和大氣濕度呈現(xiàn)顯著相關(guān)性(P<0.01)。4年的土壤水分與大氣溫、濕度呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性(P<0.01)。但從多元回歸方程來看，發(fā)現(xiàn)自變量大氣溫度和大氣濕度的系數(shù)均很小。

表1 土壤溫度與氣象因子的多元線性回歸分析

表2 土壤水分與氣象因子的多元線性回歸分析

3 討論

3.1 大氣溫濕度變化特征

2013—2016年的年均溫為-7.69℃，這低于三江源地區(qū)(0.38℃)和黃土高原(0.35℃)的年平均氣溫。本研究中大氣溫度呈現(xiàn)出先上升后下降的季節(jié)變化趨勢，且秋季平均溫度最高(-0.79℃)，冬季最低(-12.26℃)。大氣溫度年變化呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，但研究發(fā)現(xiàn)三江源地區(qū)、黃土高原與青藏高原氣溫均呈現(xiàn)顯著升高的趨勢[24]，可能是因為年均大氣濕度為59.25%，大氣濕度在秋季最高(70.9%)，春季最低(53.83%)。大氣濕度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。張美玲等研究發(fā)現(xiàn)，微山湖濕地相對濕度逐年呈下降趨勢，夏季最高，春季最低。

3.2 土壤溫濕度變化特征

2013—2016年的年均土壤溫度為-5.47℃，年均土壤水分為0.12m3·m-3。整體而言，土壤溫度年變化呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢。何生錄等研究發(fā)現(xiàn)，柴達(dá)木盆地的土壤溫度年變化呈波動上升趨勢。土壤溫度季節(jié)變化表現(xiàn)為秋季>夏季>冬季>春季，而李明金等發(fā)現(xiàn)，廣西馬尾松人工林的土壤溫度季節(jié)變化為夏季>秋季>春季>冬季[25]。莫燕華等與趙維俊等[26]分別對桂林喀斯特石山和祁連山排露溝流域的土壤溫度變化特征進(jìn)行研究得出，土壤溫度在夏季最高，冬季最低。

3.3 土壤溫濕度與大氣溫濕度的關(guān)系

土壤溫度的影響因素很多，如大氣溫濕度、降雨等[27]。本研究中每年的土壤溫度均與該年的大氣溫度和大氣濕度呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性(P<0.01)，而且決定系數(shù)R2較高(0.520～0.809)，這與任濤等的研究結(jié)果一致。連帥明等對阿爾泰山森林土壤溫度研究發(fā)現(xiàn)，大氣溫度、氣壓和太陽輻射等與土壤溫度之間呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性，其中與大氣溫度的相關(guān)性最強。由此可見，大氣溫濕度是影響土壤溫濕度的關(guān)鍵因素。土壤濕度也與大氣溫濕度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，這與卓嘎等的研究結(jié)果基本一致。李雪琴等研究發(fā)現(xiàn)，土壤濕度主要受到降水的影響。因此，除大氣溫濕度之外，后期可以對降雨對土壤溫濕度的影響展開研究，為祁連山草地生態(tài)系統(tǒng)自然演替發(fā)展與環(huán)境因子的協(xié)同作用規(guī)律提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

祁連山天澇池流域草地生態(tài)系統(tǒng)的年均大氣溫度為-7.69℃，年均大氣濕度為61%。大氣溫度呈現(xiàn)出先上升后下降的季節(jié)變化趨勢，且秋季平均溫度最高(-0.79℃)，冬季最低(-12.26℃)。大氣濕度在秋季最高(70.9%)，春季最低(53.83%)。大氣溫度年變化呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，大氣濕度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，氣候呈現(xiàn)暖濕化的趨勢。

祁連山天澇池流域草地生態(tài)系統(tǒng)的年均土壤溫度為-5.47℃，年均土壤水分為0.12m3·m-3。土壤溫濕度季節(jié)變化均表現(xiàn)為秋季>夏季>冬季>春季，土壤溫度年變化呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢，土壤濕度變化平緩。大氣溫濕度與土壤溫度呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)(P<0.01)；大氣溫濕度與土壤濕度也呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)(P<0.01)。由此可見，大氣溫濕度是影響土壤水熱變化的關(guān)鍵因子。