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0引言 2007年IPCC［1］的氣候變化第四次評估報告預測稱全球表面溫度預計在到21世紀末升高1．8～4．0℃，高緯度和高海拔地區溫度升幅將會更大［2］．青藏高原是地球上面積最大的高海拔凍土分布區［3］，對全球變化響應異常敏感，近50a來氣增溫率平均達到0．25℃•（10a）－1［4］．氣候變暖能對多年凍土、活動層狀態等造成強烈影響，同時能引起地氣間雪蓋層和植被的水熱平衡發生變化，進而影響高寒濕地生態系統的穩定性［5－6］．對1985—1987年和1999—2000年的衛星和遙感圖片分析發現，在全球氣候變暖和人類活動的雙重影響下，目前青藏高原高寒濕地生態系統正遭受著前所未有的退化［7］．此外，氣候變化對多年凍土、活動層、植被的影響，通過各種復雜的機理反過來對氣候變化形成反饋作用［6，8－9］．青藏高原的環境變化不僅使區域地表過程具有敏感響應，也在長時間尺度和大空間范圍上影響到整個北半球乃至全球氣候環境系統，大面積的凍土導致的地表干濕狀況的時空變化以及地表熱量平衡的變化深刻地影響季風行為和全球變化過程［8－9］．活動層的水熱過程反映了土壤的干濕及熱量狀況，是多年凍土區地氣系統水能循環的重要組成部分［10－13］，通過它將氣候、水文、生態和環境緊密地聯系在一起．活動層特殊的水熱交換是維持高寒生態系統穩定的關鍵所在，凍土及其孕育的高寒生態系統具有顯著的水源涵養功能，是穩定河源區水循環與河川徑流的重要因素［10］．活動層作為高寒生態系統的下界面，是大氣與多年凍土的能量交換帶，多年凍土與大氣之間的相互作用主要通過活動層中的水熱動態變化過程而實現［11－12］．活動層變化不但會導致土壤持水性變化，直接影響土壤水熱傳輸過程、水分賦存條件，進而影響到生態系統的穩定性，并對氣候變暖形成反饋作用［8，13］．近些年在青藏高原開展了許多水熱過程的監測研究［11－12，14－16］，用于闡述凍融過程對高寒生態系統的影響．吳青柏等［12］對青藏高原季節凍土區和多年凍土區水熱過程進行分析研究，認為凍土及水熱過程與寒區生態環境有著密切的聯系．然而，增溫對高寒沼澤草甸生態系統水熱狀況的影響研究仍較為缺乏．因此，本文采用開頂式生長室（OTC）增溫方法模擬氣候變暖［17］，研究短期增溫對高寒沼澤草甸活動層土壤熱狀況的影響． 1研究區域及研究方法 1．1研究區域概況 風火山試驗區位于青藏高原多年凍土區北麓河流域（92°50′～93°3′E和34°40′～34°48′N），隸屬青海省玉樹藏族自治州曲麻萊縣境．該區屬青藏高原半干旱氣候區，區內沒有冰川和積雪覆蓋．年平均（1973—2005年）、極端最高和極端最低氣溫分別為－5．2℃、23．2℃和－37．7℃，年平均降水量290．9mm，年均水面蒸發量1316．9mm，相對濕度57％，年平均地溫－1．5～－4．0℃，多年凍土厚度50～120m，活動層厚度0．8～2．5m［18］．此外，該區屬高寒沼澤草甸區，組成草群植物主要由濕中生、濕生多年草本植物群落構成，群落覆蓋度大、物種組成豐富．優勢種為藏嵩草（Kobresiati－betica）、小嵩草（Kobresiahumilis）、紫花針茅（StipapurpureaGriseb．）、羊茅（FestucaovinaLinn．）和粗喙苔草（Carexscabrirostris）．該區土壤類型為高寒沼澤草甸土（表1），土壤發育很慢，處于原始的粗骨土形態，凍土和地下冰比較發育，河谷中存在著潛水，常形成冰錐、凍脹丘，斜坡地帶常有冰錐、冰丘、凍融泥流及凍融滑塌發育，沉積地層主要為上第三系湖相沉積及第四系全新統沖洪積層． 1．2增溫試驗布置 野外生態系統增溫實驗是研究氣候變暖與陸地生態系統關系的主要方法之一，目前最簡單和最普遍使用的一種增溫方法就是被動增溫的溫室或開頂式溫室［15］．該方法最初是由國際山地綜合研究中心（ITEX）為研究氣候變暖對高緯度和高海拔地區生態系統的影響普遍采用的一種增溫方法［19］．OTC增溫裝置的最大優點就是成本低、操作方便、易重復，適用于長期野外觀測實驗，并能保證試驗樣地土壤條件基本不受干擾和破壞．因此，于2006年6月在風火山試驗區高寒沼澤草甸觀測場內，分別選取植被蓋度（90％）、植物類型以及地勢基本一致的3處試驗樣地．在進行試驗布置，對3處樣地的土壤和植被狀況進行調查，發現3處樣地所有的土壤物理化學性質不存在顯著性差異（p＞0．4），地上生物量分別為323．3、343．1、311．9g•m－2，不存在顯著差別．OTC設計見圖1，以8mm厚的有機玻璃纖維為材料，分別搭建底面積和頂面積均為2．25m2（1．5m×1．5m），高2m的2座OTC，OTC底部四周埋于土壤30cm深處．OTC－1樣地對頂部進行半封頂處理，頂部開口面積0．36m2（0．6m×0．6m），用于限制少部分降雨及達到更高的增溫幅度，這種類型的溫室也被Havstrom等［20］在亞北極和北極地區采用過．OTC－2樣地為了減小對降水的影響，采用完全開頂直體結構；另一處Control樣地不作處理，作為室外對照．同時，計劃使OTC－1氣溫比Control點高出4～6℃，OTC－2比Control高出2～4℃．溫室建好后一直固定在試驗樣地上對室內氣溫進行增溫作用．在試驗區架設Watchdog小型氣象站采集試驗區室外常規氣象數據，空氣溫濕度、降水、輻射、日照時數、風速等．兩個OTC內空氣溫濕度的測定是在草地上空80cm處架設空氣溫濕度探頭；土壤溫度觀測是依據熱敏電阻探頭法，這種方法是凍土工程國家重點實驗室研制開發，并在青藏高原使用30多年，其觀測范圍在－40～50℃，精度在±0．02℃，探頭布設于高寒沼澤草甸試驗場5、20、30、40、65、85cm及120cm深處；土壤水分觀測采用FDR水分探頭，探頭布設于5、20、40、65cm和120cm深度．所有的探頭都連接到CampbellCR1000自動數據采集儀，每隔30min采集1次數據．本研究主要基于2008年1月1日至2008年12月31日的觀測數據進行分析．#p#分頁標題#e# 1．3研究方法 為了更好的分析土壤地溫變化過程及地溫在活動層內的分布，本文采用一些參數來衡量分析［21］：1）不同深度的月均溫度、年均溫度、月極端溫度及年極端溫度；2）等溫日、凍結日、融化日和凍融日采用小時步長觀測的地溫資料．等溫日，日內觀測的地溫變化范圍介于±0．5℃，該天能量主要消耗于凍結融化過程中水分的相變，即由于潛熱交換而產生的“零幕層”現象；3）凍結日，地溫（小時步長）皆為負值，且至少一個地溫觀測值低于－0．5℃，土壤正處于凍結狀態；4）融化日，地溫（小時步長）皆為正值，且至少一個地溫觀測值高于0．5℃，土壤正處于融化狀態；5）凍融日，地溫（小時步長）皆為皆有正負，且至少一個地溫觀測值低于－0．5℃或高于0．5℃，表示該日土壤存在凍融循環；6）負積溫，負溫的累積量；7）正積溫，正溫的累積量；8）總積溫，溫度的總累積量．積溫傳統上主要用于表示大氣溫度凍融變化的強烈程度，本文同時將其應用于地溫凍融變化過程，可以用于衡量土壤能量平衡過程中的輻射強迫及潛熱交換通量． 2結果與討論 2．1增溫效果 OTC－1和OTC－2與Control點相比（圖2a），年平均氣溫分別增加了6．7℃、3．5℃，基本上屬于IPCC［1］對全球氣候變暖模型預測的增溫幅度范圍；而相對濕度都有所下降，分別比Control點低8．0％、6．2％，主要由于OTC內相對較高的氣溫引起的．OTC－1于11月份的增溫幅度最大，1月份的增幅最小，分別為9．2℃和4．7℃；而OTC－2于6月份的增溫幅度最大，1月份的增幅最小，分別為4．6℃和2．3℃．這與一些研究結果闡述的OTC使夏季氣溫增幅比冬季大有所差別［22］，主要是與青藏高原特有的微氣候特征有關，而OTC內氣溫增幅是隨著日照時數的變化而變化的．OTC內外的氣溫日變化過程分析采用8月15日的觀測數據，由于該日云量較少，能較好反映OTC的增溫效果．不同處理類型下夜間（21：00—08：00）氣溫基本趨于一致，08：00左右OTC內的氣溫相對于Control開始顯著升高，OTC－2于10：00基本達到峰值，而OTC－1于11：00達到峰值；OTC－1和OTC－2都于19：00左右開始顯著下降，于21：00基本趨于一致．可以看出OTC處理后，日間氣溫顯著增加而夜間溫度基本不變，從而導致更大的晝夜溫差，這基本上與Hollister和Webber的研究結果［19，22］相一致．短期增溫對高寒生態系統植被的生長發育具有顯著的影響（表2），植物生長期（5—9月）內，OTC－1、OTC－2地上生物量分別是室外的1．6、2．1倍．這主要是由于OTC改善了高寒生態系統的小氣候環境，一定程度上滿足了植物對熱量的需求，有利于植物的生長和發育，使得地上生物量增加［23］．而OTC－1內地上生物量小于OTC－2，可能是由于OTC－1相對密閉的結構使得植被受到高溫脅迫，以及降水及種子的傳播限制等原因造成的． 2．2增溫對地表熱狀態的影響 從表3及圖2中可以看出，不同處理類型下地表溫度的季節變化特征存在較大的差別，OTC－1年平均地表溫度要明顯高于室外對照點，然而OTC－2與室外對照基本相當．月最低地表地溫基本都表現出隨著氣溫的增加而逐漸增高，而月最高氣溫及月均氣溫呈現不一致的規律，寒季表現為OTC－1＞OTC－2＞Control，暖季表現為OTC－1＞Control＞OTC－2．Marion等［22］的研究結果表明，越封閉的OTC增溫系統，將導致更高的增溫幅度及更多不必要的生態效應．這能很好解釋OTC－1相對OTC－2及Control較高的氣溫及地溫．而OTC－2地表溫度與Control相當，Marion等［22］于AlexandraFjord的Salix站點也發現類似的情況．由于OTC－2的地上生物量要顯著高于室外對照點（表2），即相對更高的植被覆蓋率．隨著植被蓋度的不斷增加，植被的熱隔絕作用不斷增強，將減少暖季向下傳輸的熱量和寒季向上傳輸的熱量，從而在暖季和寒季分別起到冷卻和保溫作用［14］．因此，在暖季（5—10月）OTC－2內地表溫度甚至要略低于室外對照，寒季（11月至翌年4月）OTC－2地表溫度要明顯高于室外對照．不同處理類型下地表（5cm）的等溫日、凍結日、融化日及凍融日數都存在一些差異（表4）．OTC－2及Control點等溫日主要集中在5月和10月，前者的等溫日略多于后者，而OTC－1點僅在11月出現，表明OTC－1樣地僅在凍結過程呈現零幕層現象且出現的時間滯后于OTC－2及Control點．此外，隨著深度的增加，不同處理類型下等溫日均逐漸增多的趨勢．同時，OTC－1和OTC－2點的等溫日要略多于Control點，主要是由于OTC內相對較大的氣溫日內波動變幅．OTC－1、OTC－2及Control點地表的凍結日主要集中在11月至翌年4月，且OTC－1的凍結日明顯少于OTC－2和Control，而融化日主要集中在5—10月，且OTC－1的融化日要明顯多于OTC－2和Control．不同處理類型下凍結日表現出隨著深度的增加逐漸增多，而融化日都明顯表現出隨深度的增加逐漸減少．凍融日主要分布在凍結日及融化日之間的過渡期（5月和10月），OTC－1內凍融日要明顯多于室外對照，主要是由于OTC－1點在3—4月地表就存在凍融交替現象，且持續64d之久． 2．3增溫對活動層土壤積溫狀況的影響 從圖4可以看出，除了85cm深度，不同深度年負積溫均表現為OTC－1＞OTC－2＞Control，呈現隨著溫度的增加逐漸增加的趨勢．此外，可以發現OTC－1點負積溫隨著深度增加基本趨于一致，于－600℃•d附近波動，而OTC－2及Control點負積溫絕對值隨著深度的增加逐漸減少．不同深度年正積溫也表現為OTC－1＞OTC－2＞Control，正積溫隨著深度的增加都表現為逐漸遞減的趨勢，從地表OTC－1年正積溫要顯著高于室外對照，直至深層土壤不存在顯著差別．以往的研究表明［16，18］，地表正積溫和負積溫分別與融化深度和和凍結深度存在較好的線性相關關系．因而可以推測，OTC－1相對于室外對照，融化深度不斷加深而凍結深度不斷減少；而OTC－2相對于室外對照，融化深度僅略有增加．基于正負積溫隨深度的變化特征，可以發現OTC－1點總積溫表現出隨著深度增加逐漸降低，且土壤淺層（5cm、20cm深度）總積溫為正值．而OTC－2及Control點總積溫從地表至65cm深度存在降低的趨勢，且降低幅度遠小于OTC－1點，而65cm深度以下基本趨于一致，同時在整個土壤剖面中，總積溫均為負值．這些現象表明，由于OTC－1的存在，是淺層土壤地溫顯著升高，使活動層能量循環過程發生顯著改變．Marion［21］等的研究表明，越封閉的OTC增溫系統，將導致更多不必要的生態效應，從而改變地氣間水能的傳輸方式，這可能造成OTC－1內土壤熱狀況與OTC－2和Con－trol存在顯著差異的主要原因．#p#分頁標題#e# 2．4土壤溫度變化過程 在一個年周期中，隨著太陽輻射的周期性循環，土壤溫度也完成一個周期的循環．根據凍融過程活動層能量狀況的不同特征，可以將土壤的溫度變化過程劃分為4個階段：完全凍結期、融化過程期、完全融化期、凍結過程期．從圖5中可以看出，1）完全凍結期．當活動層完全凍結后，土壤溫度開始急劇降低，隨后存在一個緩慢降溫期，直至活動層溫度降低到最低值為止，這個過程持續到2月初左右，然后開始一個相對固定增溫速率的升溫過程．在整個凍結期的降升溫過程中，OTC地溫要高于室外對照，且其地溫變化速率小于Control，這與OTC內較高植被覆蓋率有關；2）融化過程期．不同處理類型下不同深度消融起始時間比較分散，隨著深度增加而不斷延后，主要分布在5—8月，說明高寒沼澤草甸活動層融化過程表現為單向融化特性．這主要是由于大氣－土壤間及土壤內部的熱傳輸過程導致溫度傳輸上有較大的遲滯，距地表越深，遲滯時間越長．OTC－1、OTC－2和Control的融化鋒面從地表遷移到120cm深度的時間都是100d左右，表明地溫增高雖然使融化過程的起止時間不斷提前，而對整個土壤剖面（5～120cm）融化過程持續時間的影響很??；3）完全融化期．活動層融化后，地溫急劇升高至最高溫度后，而后開始一個溫度緩慢降低期，隨著氣溫的升高，未凍結期延長，地溫變化速率逐漸增大；4）凍結過程期．不同處理類型下不同深度凍結起始時間也不一致，淺層（5～40cm）及深層（85～120cm）的凍結時間早于中間層（40～85cm），表明凍結過程表現為多年凍土區特有的雙向凍結性．OTC－1、OTC－2和Control整個土壤剖面（5～120cm）完全凍結需要的時間分別為40d、67d、70d，表明隨著氣溫的升高，活動層凍結過程持續時間縮短，鋒面遷移速率降低． 3結論 （1）OTC－1和OTC－2年均氣溫分別增加了6．7℃和3．5℃，日間氣溫增加顯著，而夜間氣溫基本保持不變，從而加大了氣溫日較差．（2）OTC內地上生物量要顯著高于室外，這可能是由于OTC改善了高寒生態系統的小氣候環境，一定程度上滿足了植物對熱量的需求，有利于植物的生長和發育．（3）OTC－1年平均地溫要明顯高于室外，這主要是由于OTC－1相對封閉的環境造成的．而OTC－2地溫與室外對照基本相當，具體表現為寒季要高于對照，暖季表現為低于對照，這可能是由于OTC－2內相對更高的植被覆蓋率，使植被的熱隔絕作用不斷增強，將減少暖季向下傳輸的熱量和寒季向上傳輸的熱量，從而在暖季和寒季分別起到冷卻和保溫作用造成的．（4）OTC－1總積溫隨著深度的增加不斷降低，且在5cm、20cm深度總積溫為正值，而OTC－2和Control在土壤淺層略有降低，65cm深度以下基本趨于一致．