2021-4-9 | 城市生态论文
０引言
２００７年ＩＰＣＣ［１］发布的气候变化第四次评估报告预测称全球表面温度预计在到２１世纪末升高１．８～４．０℃，高纬度和高海拔地区温度升幅将会更大［２］．青藏高原是地球上面积最大的高海拔冻土分布区［３］，对全球变化响应异常敏感，近５０ａ来气增温率平均达到０．２５℃•（１０ａ）－１［４］．气候变暖能对多年冻土、活动层状态等造成强烈影响，同时能引起地气间雪盖层和植被的水热平衡发生变化，进而影响高寒湿地生态系统的稳定性［５－６］．对１９８５—１９８７年和１９９９—２０００年的卫星和遥感图片分析发现，在全球气候变暖和人类活动的双重影响下，目前青藏高原高寒湿地生态系统正遭受着前所未有的退化［７］．此外，气候变化对多年冻土、活动层、植被的影响，通过各种复杂的机理反过来对气候变化形成反馈作用［６，８－９］．青藏高原的环境变化不仅使区域地表过程具有敏感响应，也在长时间尺度和大空间范围上影响到整个北半球乃至全球气候环境系统，大面积的冻土导致的地表干湿状况的时空变化以及地表热量平衡的变化深刻地影响季风行为和全球变化过程［８－９］．活动层的水热过程反映了土壤的干湿及热量状况，是多年冻土区地气系统水能循环的重要组成部分［１０－１３］，通过它将气候、水文、生态和环境紧密地联系在一起．活动层特殊的水热交换是维持高寒生态系统稳定的关键所在，冻土及其孕育的高寒生态系统具有显著的水源涵养功能，是稳定河源区水循环与河川径流的重要因素［１０］．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［１１－１２］．活动层变化不但会导致土壤持水性变化，直接影响土壤水热传输过程、水分赋存条件，进而影响到生态系统的稳定性，并对气候变暖形成反馈作用［８，１３］．近些年在青藏高原开展了许多水热过程的监测研究［１１－１２，１４－１６］，用于阐述冻融过程对高寒生态系统的影响．吴青柏等［１２］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．然而，增温对高寒沼泽草甸生态系统水热状况的影响研究仍较为缺乏．因此，本文采用开顶式生长室（ＯＴＣ）增温方法模拟气候变暖［１７］，研究短期增温对高寒沼泽草甸活动层土壤热状况的影响．
１研究区域及研究方法
１．１研究区域概况
风火山试验区位于青藏高原多年冻土区北麓河流域（９２°５０′～９３°３′Ｅ和３４°４０′～３４°４８′Ｎ），隶属青海省玉树藏族自治州曲麻莱县境．该区属青藏高原半干旱气候区，区内没有冰川和积雪覆盖．年平均（１９７３—２００５年）、极端最高和极端最低气温分别为－５．２℃、２３．２℃和－３７．７℃，年平均降水量２９０．９ｍｍ，年均水面蒸发量１３１６．９ｍｍ，相对湿度５７％，年平均地温－１．５～－４．０℃，多年冻土厚度５０～１２０ｍ，活动层厚度０．８～２．５ｍ［１８］．此外，该区属高寒沼泽草甸区，组成草群植物主要由湿中生、湿生多年草本植物群落构成，群落覆盖度大、物种组成丰富．优势种为藏嵩草（Ｋｏｂｒｅｓｉａｔｉ－ｂｅｔｉｃａ）、小嵩草（Ｋｏｂｒｅｓｉａｈｕｍｉｌｉｓ）、紫花针茅（ＳｔｉｐａｐｕｒｐｕｒｅａＧｒｉｓｅｂ．）、羊茅（ＦｅｓｔｕｃａｏｖｉｎａＬｉｎｎ．）和粗喙苔草（Ｃａｒｅｘｓｃａｂｒｉｒｏｓｔｒｉｓ）．该区土壤类型为高寒沼泽草甸土（表１），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，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．
１．２增温试验布置
野外生态系统增温实验是研究气候变暖与陆地生态系统关系的主要方法之一，目前最简单和最普遍使用的一种增温方法就是被动增温的温室或开顶式温室［１５］．该方法最初是由国际山地综合研究中心（ＩＴＥＸ）为研究气候变暖对高纬度和高海拔地区生态系统的影响普遍采用的一种增温方法［１９］．ＯＴＣ增温装置的最大优点就是成本低、操作方便、易重复，适用于长期野外观测实验，并能保证试验样地土壤条件基本不受干扰和破坏．因此，于２００６年６月在风火山试验区高寒沼泽草甸观测场内，分别选取植被盖度（９０％）、植物类型以及地势基本一致的３处试验样地．在进行试验布置，对３处样地的土壤和植被状况进行调查，发现３处样地所有的土壤物理化学性质不存在显著性差异（ｐ＞０．４），地上生物量分别为３２３．３、３４３．１、３１１．９ｇ•ｍ－２，不存在显著差别．ＯＴＣ设计见图１，以８ｍｍ厚的有机玻璃纤维为材料，分别搭建底面积和顶面积均为２．２５ｍ２（１．５ｍ×１．５ｍ），高２ｍ的２座ＯＴＣ，ＯＴＣ底部四周埋于土壤３０ｃｍ深处．ＯＴＣ－１样地对顶部进行半封顶处理，顶部开口面积０．３６ｍ２（０．６ｍ×０．６ｍ），用于限制少部分降雨及达到更高的增温幅度，这种类型的温室也被Ｈａｖｓｔｒｏｍ等［２０］在亚北极和北极地区采用过．ＯＴＣ－２样地为了减小对降水的影响，采用完全开顶直体结构；另一处Ｃｏｎｔｒｏｌ样地不作处理，作为室外对照．同时，计划使ＯＴＣ－１气温比Ｃｏｎｔｒｏｌ点高出４～６℃，ＯＴＣ－２比Ｃｏｎｔｒｏｌ高出２～４℃．温室建好后一直固定在试验样地上对室内气温进行增温作用．在试验区架设Ｗａｔｃｈｄｏｇ小型气象站采集试验区室外常规气象数据，空气温湿度、降水、辐射、日照时数、风速等．两个ＯＴＣ内空气温湿度的测定是在草地上空８０ｃｍ处架设空气温湿度探头；土壤温度观测是依据热敏电阻探头法，这种方法是冻土工程国家重点实验室研制开发，并在青藏高原使用３０多年，其观测范围在－４０～５０℃，精度在±０．０２℃，探头布设于高寒沼泽草甸试验场５、２０、３０、４０、６５、８５ｃｍ及１２０ｃｍ深处；土壤水分观测采用ＦＤＲ水分探头，探头布设于５、２０、４０、６５ｃｍ和１２０ｃｍ深度．所有的探头都连接到ＣａｍｐｂｅｌｌＣＲ１０００自动数据采集仪，每隔３０ｍｉｎ采集１次数据．本研究主要基于２００８年１月１日至２００８年１２月３１日的观测数据进行分析．