青藏高原多年冻土区植被盖度变化对活动层水热过程的影响

植被覆盖度 深度/cm 容重/(g.cm-3) 有机质/% 全 N/% 全 P/% 全 K/%
30%
0~10
1.1
1.32
0.25
0.064
1.76
3
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10~20
1.5
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1.4
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0.9
65%
10~20
1.1
20~40
1.2
0~10
0.8
0.66
得由 2005 年 8 月 1 日至 2006 年 10 月 31 日约 15 个月连续的资料，本文主要对这些地温水
分资料进行分析。
3 结果与讨论
3.1 不同植被盖度下活动层的冻融起始时间、冻结持续时间及冻融过程划分
以日平均土壤温度开始持续<0℃为开始冻结日期，而日平均温度开始持续>0℃为开始 消融日期[6,10,11]，则可以得到不同盖度不同深度土壤的开始冻结日期、开始消融日期和土壤 持续冻结时间，见表 2。根据冻融过程中活动层水热状况的不同特征和表 2 结果，将径流场 地活动层的年变化过程分为 4 个阶段[3]，即夏季融化过程(ST)，秋季冻结过程(AF)，冬季降 温过程(WC)和春季升温过程(SW)，不同植被盖度下冻融过程时间划分列于表 3。
数据，分析了青藏高原冻土区土壤水分和温度的时空分布特征，发现土壤冻融过程及水热分 布状况存在较大的时空差异；吴青柏[4]等人对青藏高原季节冻土区和多年冻土区水热过程进 行分析研究，认为冻土及水热过程与寒区生态环境有着密切的联系；陆子建[7]等人对青藏高 原北麓河不同地表覆被下活动层的水热差异进行研究，结果表明不同的下垫面造成了活动层 冻融过程和活动层厚度差异。然而，在同一地区不同植被盖度对青藏高原高寒草甸水热变化 过程有何影响，目前这方面的研究尚未见报道。同时，青藏高原多年冻土区的生态环境是脆 弱的，在自然和人为因素的干扰下，它会发生重大的变化。通过 1969、1986、2000 和 2004 年多期航片和卫星遥感数据分析发现[8,9]，青藏高原植被退化具有普遍性，在全球气候变暖 和人类活动的双重影响下，近年来退化有加剧的趋势。对于青藏高原不同植被退化程度下多 年冻土活动层的水热过程研究有利于为高寒冻土地区冻土和生态环境的保护及合理利用提 供科学依据。因此，在青藏高原长江源区风火山流域高寒草甸区，选择坡向、坡型和坡度趋 于一致的平均植被覆盖度分别为 92%、65%、30%的坡面，建立了天然径流观测场，通过观 测多年冻土活动层中的地温和水分状况，研究青藏高原多年冻土区植被盖度变化对活动层水 热过程的影响。
0.17
0.056
1.83
1.43
0.04
0.055
1.85
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0.34
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0.2
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1.77
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92%
10~20
1.3
1.63
0.25
0.05
1.74
20~40
1.3
1.38
0.17
源自文库
0.058
1.71
2.2 研究方法
土壤温度的观测是依据热敏电阻法，在不同的深度布置热敏电阻，通过 Fluke 表观测获
得。这种方法是冻土国家重点实验室研制开发，并在青藏高原使用的 20 多年，取得良好的
成效。其观测范围在-40℃~50℃，精度在±0.02℃，分别在 20cm、30cm、40cm、55cm、65cm、
85cm、120cm 埋设地温观测探头。土壤水分的测量是采用荷兰 Eijkelamp 公司生产的 FDR
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长的草甸，主要植物种为矮嵩草、短穗兔儿草( Lagotis brevituba.)、藏嵩草( Kobresiat tibetica. ) 、兰花棘豆(Oxytropis spp.)、紫花龙胆( Gentiana spp.)、冷地早熟禾( Poacrymop nila. )、红景天( Rhodiola rosea.) 等，高度在3～14cm；根系分布稠密，在0～30cm密集分布， 与枯根交织在一起形成毡状层，50cm以下分布较少，最深可达100cm。
图1 风火山试验区图 Fig. 1 Map of Fenghuoshan study area 表1 不同植被盖度场地土壤剖面特征 Table 1 The physical and chemical characteristics of soils changing with depth in different locations under different vegetation coverage
3个径流场采用传统的并已趋标准化的100m2的径流集水观测小区，其长度为20m，宽度 为5m，坡面选择较为平整的直型坡，坡度30°，投影面积为86.6m2。径流场土壤为高山草甸 土，土层厚度在30～80cm，其植被盖度分别为30％、65％、92％，分别代表严重退化、中 度退化、未退化情况，其土壤性质见表1。30%盖度场地内优势建群种为青藏野青 (D.holciformis.)、早熟禾( Poaspp.)、矮嵩草(Kobresia humiilis.)等，物种单一稀少，高度在4～ 18 cm；根系分布稀疏，在0～20cm密集分布，枯根较少，多为新根，20cm以下明显较少, 为 典型的浅根性植物。65%和92%两种植被盖度下是以矮嵩草为优势建群种的多种物种混合生
摘要：不同植被盖度变化下活动层水热过程是多年冻土区水能循环中一个重要的不确定因 素。为了研究植被盖度变化对活动层水热过程的影响，在青藏高原多年冻土区，选择坡向、 坡型和坡度趋于一致植被覆盖度分别为92%、65%、30%的坡面建立天然径流观测场，观测多 年冻土活动层中的地温和水分状况。研究结果表明，活动层开始冻结和消融时间随着植被盖 度的减少不断提前，且冻结持续时间缩短；植被盖度对夏季融化过程和秋季冻结过程活动层 地温和水分的影响明显大于冬季降温和春季升温过程，对融化过程的影响较冻结过程更明 显。此外，不同植被盖度下活动层都存在着一个低含水层和两个高水层，低含水层都分布在 60cm～75cm深度，次高含水层都分布在40cm深度附近，不随植被盖度变化，而活动层底部高 含水层明显受到植被盖度的影响，30%盖度分布在110cm附近，而65%、92%盖度高含水层在 120cm以下。 关键词：青藏高原，多年冻土，植被盖度，水热过程，活动层 中图分类号：S152
杨梅学[5,6]等人根据“全球能水平衡试验-青藏高原亚洲季风试验（GAME-Tibet）获得的
1 基金项目：国家 973 项目（No.2007CB411504）， 中国科学院百人计划（2004）；国家自然科学基金项目 （No. 90511003）以及教育部新世纪人才计划联合资助
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从表 2、表 3 看出，不同植被盖度下活动层的开始冻结过程和融化过程时间不同。开始 冻结时间都集中在 10 月份，在 40cm 以上，30%盖度的冻结时间和 65%盖度和 92%盖度相 比，分别提前 3~5 天、4~8 天，而在 40cm 以下，提前时间仅有 1~2 天。然而，开始消融时 间比较分散，分布在 5～7 月份，30%覆盖度的开始消融时间较 65%覆盖度和 92%覆盖度， 分别提前 15~30 天、5~10 天。冻结持续时间随着盖度的减少有缩短的趋势，30%盖度和 65% 盖度平均冻结时间分别比 92%盖度的缩短了 9.5%和 2.2%。从 20cm 冻结到 120cm 所用的时 间远小于融化时间，30%盖度从 20cm 冻结到 120cm 所用的时间与 65%盖度和 92%盖度基本 相等，而 30%盖度从 20cm 融化到 120cm 所用的时间与 65%盖度和 92%盖度相比，明显有 增加的趋势。
水分观测仪获得，其观测精度为±2%。这里我们用 FDR 所测得的土壤水分湿度主要是指土
壤中未冻水的体积含水量，因此在下面的分析当中，土壤含水量指的是未冻水含水量，而不
包括含冰量，同时在 20cm、40cm、65cm、120cm 埋设水分观测探头。地温资料和水分资料
是同步观测的，在 5～10 月，每天观测 2～8 次；在 11～4 月份，每天观测 1～2 次，目前获
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青藏高原多年冻土区植被盖度变化对活动层水热过程
的影响1
刘光生1，王根绪1,2，胡宏昌1，李太兵1，王俊峰1，任东兴1
1 兰州大学资源环境学院，甘肃兰州 （730000） 2 中国科学院成都山地灾害与环境研究所，四川成都 （610041）
E-mail：liugsh_1985@yahoo.com.cn
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表 2 不同植被覆盖度下不同深度土壤的冻结消融起始日期及冻结持续时间
Table 2 The date of soil began to freeze, melt and the duration (days) of the soil frozen in various
depths under different vegetation coverage
项目
植被覆盖度
观测点深度/cm
20cm 30cm 40cm 55cm 65cm 85cm 120cm
30%
10-14 10-17 10-21 10-25 10-26 10-27 10-28
冻结起始日期/月-日
65%
10-19 10-23 10-26 10-27 10-27 11-2 10-30
1 引言
青藏高原约占我国陆地面积的四分之一，平均海拔在4000m以上，广泛发育着多年冻土 和季节冻土，是世界上海拔最高、地形最复杂的高原冻土区，正是由于其特殊的地理位置及 其地貌特征，使其在全球气候变化等方面扮演着重要的角色 [1] 。青藏高原多年冻土是随着 自然气候的波动，在高原植被、雪盖、地表水、地下水和地质构造及地貌的形成演化等地理、 地质因素共同作用下的结果[2]，是通过活动层、植被和雪盖与大气相互作用而形成和发展的。 活动层作为高寒生态系统的下界面，是大气与多年冻土的能量交换带，多年冻土与大气之间 的相互作用主要通过活动层中的水热动态变化过程而实现[3,4]，活动层变化不但会导致土壤 持水性变化，而且改变植被的生存环境。地表特征是多年冻土区水热变化过程的直接影响因 素，地表的植被、积雪和土质等条件直接影响多年冻土区活动层的厚度、年平均地温等的变 化，地表植被、水分等条件与多年冻土的发生和发展是一个相互依存、相互发展的关系[4]。 由于植被状况是地表特征重要主要组成部分，就必须明确地表植被对多年冻土活动层土壤水 热动态变化过程的影响。
92%
10-18 10-20 10-29 10-29 10-29 10-30 11-1
30%
消融起始日期/月-日
65%
5-17 5-18 5-22 5-29 6-1 6-9 6-25 5-30 6-4 6-10 6-23 7-1 7-13 7-17
92%
6-4 6-11 6-23 6-30 7-3 7-13 7-13
2 试验区概况及研究方法
2.1 试验区概况
风火山实验区位于青藏高原长江源区多年冻土和高寒草甸比较典型北麓河一级支流-左冒西孔曲小流域内，径流实验观测场建在敦宰加陇与左冒西孔曲汇流处的坡面上，位于N 34°45.294’, E92°53.892’，海拔高度4745m，处于109国道3066～3067km路标处（图1）。该区 属青藏高原干旱气候区，年平均气温-5.2℃，极端最高气温23.2℃，极端最低气温-37.7℃， 年平均降雨量290.9mm，年平均蒸发量1316.9mm，相对湿度平均为57%。连续多年冻土区的 平均地温-1.5～-4.0℃，天然冻土上限0.8～2.5m，多年冻土厚度50～120m，活动层厚度0.8～ 2.5m。
风火山及北麓河各支流流域的成土母质多为第四纪沉积物，及变质岩、中性侵入岩等岩 石风化的坡、残积物, 砂砾石、碎石土基亚粘土夹碎石[12,13]；该区土壤发育很慢，处于原始 的粗骨土形态，冻土和地下冰比较发育，河谷中存在着潜水,常形成冰锥、冻胀丘，斜坡地 带常有冰锥、冰丘、冻融泥流及冻融滑塌发育；实验区内沉积地层主要为上第三系湖相沉积 及第四系全新统冲洪积层。