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摘 要： 摘要：查明青藏高原高寒草甸區(qū)土壤水分運(yùn)移機(jī)制，對(duì)正確理解土壤水分遷移過程、提高高寒草甸重建效率具有重要指導(dǎo)意義。通過開展土壤剖面負(fù)壓、地溫觀測(cè)等原位試驗(yàn)，結(jié)合氣象資料，對(duì)土壤剖面地溫、含水率及總水頭特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明，土壤的凍結(jié)期起始
摘要：查明青藏高原高寒草甸區(qū)土壤水分運(yùn)移機(jī)制，對(duì)正確理解土壤水分遷移過程、提高高寒草甸重建效率具有重要指導(dǎo)意義。通過開展土壤剖面負(fù)壓、地溫觀測(cè)等原位試驗(yàn)，結(jié)合氣象資料，對(duì)土壤剖面地溫、含水率及總水頭特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明，土壤的凍結(jié)期起始于10月，解凍期起始于4月;地溫最高值出現(xiàn)在植物生長(zhǎng)旺盛期8月，最低值出現(xiàn)在1月;1~3月土壤水分呈固態(tài)，6~10月土壤水分呈液態(tài)，處于穩(wěn)定變化階段，4~5月、11~12月土壤水分呈固液轉(zhuǎn)化態(tài)，含水率變化幅度較大，處于過渡階段。隨著氣溫升高及降水量增加，6~8月水熱同季有利于高寒草甸生長(zhǎng)，屬于高寒草甸主要生長(zhǎng)階段;春季土層由表及深土壤解凍，凍土層滯水性能保障了返青期春旱牧草生長(zhǎng)的水分需求;深秋季節(jié)的由表及深的土壤凍結(jié)，深層土壤水分隨水汽發(fā)生的表聚作用保障了牧草生長(zhǎng)的水分需求，也是高原生態(tài)系統(tǒng)能夠維持穩(wěn)定的原因之一。
關(guān)鍵詞：高寒草甸;水分運(yùn)移;總水頭;青藏高原
青藏高原高寒草甸區(qū)，平均海拔4200m以上，區(qū)內(nèi)氣候寒冷，植物生長(zhǎng)期僅3個(gè)月，受高寒氣候的影響，生態(tài)系統(tǒng)脆弱而敏感，受損生態(tài)系統(tǒng)的自然恢復(fù)往往需要數(shù)十年甚至上百年。有關(guān)研究著重于高寒草甸對(duì)氣候變化的響應(yīng)與適應(yīng)-4高寒草甸的適應(yīng)性管理-1和退化高寒草地恢復(fù)與重建方面-2。
地處青海高原南部的三江源是高寒草飼集中分布的區(qū)域，草地退化十分嚴(yán)重，氣候變化被認(rèn)為是三江源草地退化的驅(qū)動(dòng)力"。掌握土壤水分含量動(dòng)態(tài)，明確土壤水分遷移過程，分析凍土的變化特征，對(duì)高寒草甸的適應(yīng)性管理、可持續(xù)利用及其退化高寒草地的恢復(fù)與重建具有重要指導(dǎo)意義。
近年來，針對(duì)青藏高原多年凍土區(qū)土壤水分運(yùn)移過程與機(jī)制進(jìn)行了研究-1，受氣候作用的影響，特別是季節(jié)性土壤凍融作用的影響，高寒草甸水文過程更復(fù)雜。目前有關(guān)高寒草甸水文過程的研究較弱。
青海省瑪沁縣德爾尼銅礦開采于2006年，礦山開采形成大量的礦采跡地，植被恢復(fù)與重建技術(shù)的選擇必須依賴于對(duì)區(qū)域內(nèi)自然草地過程的理解。本次研究在該地區(qū)通過自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備，進(jìn)行了土壤溫濕度的自動(dòng)連續(xù)觀測(cè)，以期為礦采跡地植被恢復(fù)技術(shù)的選擇提供理論依據(jù)。
1研究方法
研究區(qū)位于青�，斍呖h德爾尼銅礦區(qū)，屬于高山濕潤(rùn)寒冷灌叢峽谷區(qū)。平均海拔4200m以上，溝谷切割深度達(dá)100m以上。地帶性植被為高寒嵩草草甸和高山灌叢草甸，其中高寒草草甸分布于山間灘地和山地陽坡及偏陽坡，高寒灌叢草甸分布于山地陰坡及偏陰坡。土壤厚度為0.4-0.6m，土壤類型為草氈寒凍雛形土和暗沃寒凍錐形土。
為了更全面地理解外界影響下完整的土壤水分運(yùn)移過程，本文以青藏高原德爾尼銅礦土層較厚、地勢(shì)相對(duì)平坦的原生高寒草甸為研究區(qū)，以土壤水分為研究對(duì)象，采用收集資料，野外調(diào)查，原位試驗(yàn)的方法，開展青藏高原高寒草甸區(qū)土壤水分運(yùn)移機(jī)制研究。
1.1氣象要素觀測(cè)
生態(tài)系統(tǒng)與大氣界面的水汽交換主要受氣象要素驅(qū)動(dòng)，本次在研究區(qū)架設(shè)了一套自動(dòng)氣象觀測(cè)設(shè)備，測(cè)定指標(biāo)包括日降水量、氣溫、凈輻射、風(fēng)力、風(fēng)向、空氣濕度6個(gè)氣象要素，觀測(cè)頻率為1次/d氣象要素監(jiān)測(cè)探頭安裝位置見表1。
1.2土壤分層
本次開展的原位試驗(yàn)監(jiān)測(cè)探頭最大埋深為0.6m，其中，0-0.15m為高寒草甸根植土，屬于根系主要分布區(qū)，0.15-0.5m為單一結(jié)構(gòu)的粉土層，0.5-2.0m為砂卵礫石層。采用篩析、密度計(jì)相結(jié)合的方法對(duì)試驗(yàn)區(qū)土壤巖性進(jìn)行顆粒分析定名，土壤粒度分析結(jié)果見表2，以便對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合分析。
1.3 剖面地溫、含水率、負(fù)壓觀測(cè)采用剖面挖掘的方式，架設(shè)包括地溫、含水率及負(fù)壓的自動(dòng)測(cè)量設(shè)備，土壤物理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀器型號(hào)為SP100，架設(shè)深度分別為0.1m、0.2m、0.3m、0.45m、0.6m等，觀測(cè)時(shí)段為2015年1-12月。其中，觀測(cè)頻度為1次/30min。土壤剖面巖性及監(jiān)測(cè)探頭安裝位置見圖1，主要觀測(cè)儀器性能及精度見表31.4 數(shù)據(jù)處理
采用Excel和SPSS 20.0對(duì)不同土層含水率和水勢(shì)的不同土層分異進(jìn)行分析，其中，單因子方差分析(ANOVA)最小顯著差數(shù)法(LSD)的顯著性系數(shù)為0.05結(jié)合氣象要素分析，揭示青藏高原高寒草甸區(qū)土壤水分運(yùn)移機(jī)制。為便于查明監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的宏觀變化規(guī)律，本次研究將逐時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按月取平均值處理后再進(jìn)行分析。
2結(jié)果
2.1氣象要素
研究區(qū)域氣溫季節(jié)動(dòng)態(tài)變化呈現(xiàn)單峰變化曲線，1~7月為大氣溫度持續(xù)回升期，7~12月為持續(xù)回落期，最高氣溫10℃，出現(xiàn)于植物生長(zhǎng)季7月，最低氣溫-11℃，出現(xiàn)于非生長(zhǎng)季12月。晝夜溫差較大，達(dá)15℃。
高寒草甸生長(zhǎng)的最低氣溫為6℃[26] ，研究區(qū)氣溫穩(wěn)定保持在6℃以上的季節(jié)僅6~8月，即高寒草甸每年主要生長(zhǎng)季節(jié)僅3個(gè)月。
研究期內(nèi)，區(qū)域大氣降水量累計(jì)達(dá) 627.3mm，集中分布于植物生長(zhǎng)季 5~9 月，占年總降水量的 80%，降水量的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化呈雙峰變化曲線，在生長(zhǎng)季 7 月和 9 月有 2 個(gè)降水高峰期，其降水量為156mm和128mm，年內(nèi)氣溫、降水量變化曲線見圖2
2.2土壤地溫
測(cè)試期內(nèi)，各層土壤地溫的變化呈現(xiàn)相似的單峰季節(jié)變化趨勢(shì)，土壤剖面年內(nèi)地溫變化曲線見圖3，其中，土壤的凍結(jié)期起始于10月，解凍期起始于4月，凍結(jié)期長(zhǎng)達(dá)半年。地溫最高期出現(xiàn)在植物生長(zhǎng)盛期8月，最低期出現(xiàn)在隆冬1月。
受土壤熱傳導(dǎo)的限制，不同土層凍結(jié)、解凍和土壤溫度隨土層的加深呈現(xiàn)出規(guī)律性變化。總體來說，土層越深，土壤的凍結(jié)期、解凍期越晚，表明該地區(qū)土壤的凍結(jié)和解凍是由表土逐步向深層發(fā)展的。剖面60cm土層的完全凍結(jié)發(fā)生在11月，解凍發(fā)生在5月。0.1cm，0.2cm，0.3cm、0.45cm和0.6cm的土壤年均溫分別為2.0℃.1.89℃、1.84℃、
1.86℃.1.89℃.
2.3剖面含水率
含水率的變化反映土壤水分遷移過程為靜止?fàn)顟B(tài)，試驗(yàn)場(chǎng)土壤剖面含水率等值線見圖4，具有以下規(guī)律。
(1)含水率變化總體呈現(xiàn)3種特征，1-3月含水率變化趨勢(shì)一致，處于穩(wěn)定變化階段，且均低于20%，6~10月含水率變化趨勢(shì)一致，處于穩(wěn)定變化階段，且均高于30%，45月、11-12月含水率變化幅度較大，處于過度階段，含水率變化范圍在20%~ 30%之間。
(2)受季節(jié)變化的影響，土壤剖面0.3m以上的含水率變化較劇烈，而0.3m以下的含水率變化較穩(wěn)定，受外界氣候變化影響較小。
(3)受較大降水量的影響，全年6-10月含水率較大，1-3月土壤剖面0.3m以上區(qū)域含水率較小。(4)受極端寒冷氣溫變化的影響，11-12月屬于土壤水分凍結(jié)時(shí)期，凍結(jié)鋒面由上向下遷移;4-5月屬于土壤水分消融時(shí)期，消融鋒面由上向下遷移。(5)土壤剖面0.2m以上是草甸根系主要分布區(qū)域，6-8月是草甸的主要生長(zhǎng)期，因此，在0-0.2m的區(qū)域含水率較深部區(qū)域偏小，屬于植被根系耗水對(duì)土壤水分遷移的影響。
2.4剖面總水頭
總水頭是土壤水分?jǐn)y帶的總能量，可以反映土壤水分的流動(dòng)方向、驅(qū)動(dòng)力大小等特征。試驗(yàn)場(chǎng)土壤剖面總水頭等值線見圖5。可以看出：05-11月近地表土壤總水勢(shì)大于土壤深部，水分總體處于入滲狀態(tài) ②剖面0.2m以上土壤水分處于入滲狀態(tài)，主要為大氣降水入滲補(bǔ)給，草甸根系土壤厚度0.3m，剖面0.2-0.3m土壤是草甸根系分布的主要區(qū)域，水分近乎處于外界降水入滲、騰發(fā)作用、根系耗水等共同作用下的平衡停滯微入滲狀態(tài)，剖面在 0.3m以下不受外界氣候條件的影響，水分均處于入滲排泄?fàn)顟B(tài);③12月—翌年的4月土壤剖面水分總體呈現(xiàn)散失狀態(tài)，反映土壤水分主要以固態(tài)的形式存在;④受外界氣溫、降水量變化的影響，4月、12月為土壤水分運(yùn)移的轉(zhuǎn)折點(diǎn);⑤剖面0.3m以淺，降水入滲的水分除滿足植被生長(zhǎng)需要、蒸發(fā)蒸騰外，具有超強(qiáng)持水性且致密的原生草甸土壤水分仍處于入滲狀態(tài)，植被長(zhǎng)勢(shì)良好。
3 討 論
土壤介質(zhì)中水分遷移運(yùn)動(dòng)受諸多因素的影響和制約，其中外界氣候要素屬于根本驅(qū)動(dòng)因素，同時(shí)，土壤介質(zhì)差異性是水分運(yùn)移的重要影響因素。因此，本次研究主要結(jié)合外界氣候要素的變化，分析土壤中水分遷移的動(dòng)力學(xué)過程，進(jìn)而達(dá)到揭示土壤介質(zhì)水分運(yùn)移動(dòng)力學(xué)機(jī)制的目的。
試驗(yàn)區(qū)土壤剖面總水頭分布見圖 6，受低氣溫的影響，包氣帶水分在1~3月以固態(tài)形式存在，但是近地表的固態(tài)水不斷從外界吸熱積蓄能量;隨著氣溫不斷升高，4~5月包氣帶水分開始自地表向下融化，完成0.6m以淺區(qū)域固態(tài)水向液態(tài)水的轉(zhuǎn)化，同時(shí)，高寒草甸開始發(fā)芽進(jìn)入緩慢生長(zhǎng)階段;6~10 月隨著氣溫升降及降水量的增減，包氣帶土-氣界面的水分在氣態(tài)和液態(tài)之間頻繁轉(zhuǎn)化，在根系吸水作用影響下，包氣帶內(nèi)部水分重新分配，同時(shí)，高寒草甸完成快速生長(zhǎng)、凋零枯萎等過程;隨著氣溫回落、降水量減少，11月~翌年1月上半月，包氣帶水分開始自地表向下凍結(jié)，完成0.6m以淺區(qū)域液態(tài)水向固態(tài)水的轉(zhuǎn)化。至此，包氣帶水分完成了一個(gè)完整的水文年循環(huán)遷移過程。
相關(guān)期刊推薦：《地質(zhì)通報(bào)》(曾用刊名：中國(guó)區(qū)域地質(zhì))，1982年創(chuàng)刊，作為中國(guó)地學(xué)傳媒中的首份地質(zhì)學(xué)綜合性學(xué)術(shù)月刊。主要刊載：基礎(chǔ)地質(zhì)、經(jīng)濟(jì)地質(zhì)、海洋地質(zhì)、能源地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境地質(zhì)、災(zāi)害地質(zhì)、城市地質(zhì)、農(nóng)業(yè)地質(zhì)、勘察地球物理、勘察地球化學(xué)、地質(zhì)實(shí)驗(yàn)、探測(cè)技術(shù)、地質(zhì)調(diào)查信息技術(shù)、科技政策、科技管理等專業(yè)領(lǐng)域的專業(yè)論文。
4 結(jié) 論
(1)土壤凍結(jié)期起始于 10 月，解凍期起始于 4 月，凍結(jié)期長(zhǎng)達(dá)半年之久;地溫最高期出現(xiàn)在植物生長(zhǎng)旺盛期8月，最低期出現(xiàn)在隆冬1月。
(2)含水率變化總體呈現(xiàn)3種特征：1~3月含水率變化趨勢(shì)一致，處于穩(wěn)定變化階段，且均低于20%; 6~10月含水率變化趨勢(shì)一致，處于穩(wěn)定變化階段，且均高于30%;4~5月、11~12月含水率變化幅度較大，處于過渡階段，含水率變化范圍在20%~30%之間。
(3)隨著氣溫升高及降水量增加，6~8月水熱同季，有利于高寒草甸生長(zhǎng)，在短短3個(gè)月內(nèi)，牧草完成其生長(zhǎng)周期，屬于高寒草甸主要生長(zhǎng)階段;春季土層由表及深的土壤解凍，凍土層的滯水性能保障了返青期春旱牧草生長(zhǎng)的水分需求;深秋季節(jié)由表及深的土壤凍結(jié)，使深層土壤水分隨水汽發(fā)生表聚，保障了牧草生長(zhǎng)的水分需求;這也是高原生態(tài)系統(tǒng)能夠維持穩(wěn)定的原因之一。