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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 32 卷 第 4 期摇 摇 2012 年 2 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
围垦对南汇东滩湿地大型底栖动物的影响 马长安,徐霖林,田摇 伟,等 (1007)…………………………………
基于 ArcView鄄WOE的下辽河平原地下水生态系统健康评价 孙才志,杨摇 磊 (1016)…………………………
京郊典型集约化“农田鄄畜牧冶生产系统氮素流动特征 侯摇 勇,高志岭,马文奇,等 (1028)……………………
不同辐射条件下苹果叶片净光合速率模拟 高照全,冯社章,张显川,等 (1037)…………………………………
藏北高原典型植被样区物候变化及其对气候变化的响应 宋春桥,游松财,柯灵红,等 (1045)…………………
祁连山中段林草交错带土壤水热特征及其对气象要素的响应 唐振兴,何志斌,刘摇 鹄 (1056)………………
祁连山青海云杉林冠生态水文效应及其影响因素 田风霞,赵传燕,冯兆东,等 (1066)…………………………
呼伦贝尔沙地樟子松年轮生长对气候变化的响应 尚建勋,时忠杰,高吉喜,等 (1077)…………………………
结合激光雷达分析上海地区一次连续浮尘天气过程 马井会,顾松强,陈摇 敏,等 (1085)………………………
福建中部近海浮游动物数量分布与水团变化的关系 田丰歌 ,徐兆礼 (1097)…………………………………
香港巨牡蛎和长牡蛎幼虫及稚贝的表型性状 张跃环,王昭萍,闫喜武,等 (1105)………………………………
东海原甲藻与中肋骨条藻的种间竞争特征 李摇 慧,王江涛 (1115)………………………………………………
起始生物量比对 3 种海洋微藻种间竞争的影响 魏摇 杰,赵摇 文,杨为东,等 (1124)……………………………
不同磷条件下塔玛亚历山大藻氮的生态幅 文世勇,宋琍琍,龙摇 华,等 (1133)…………………………………
秦岭天然次生油松林冠层降雨再分配特征及延滞效应 陈书军,陈存根,邹伯才,等 (1142)……………………
伊犁河谷北坡垂直分布格局及其与环境的关系———一种特殊的双峰分布格局
田中平,庄摇 丽,李建贵 (1151)
…………………………………
…………………………………………………………………………………
濒危种四合木与其近缘种霸王水分关系参数和光合特性的比较 石松利,王迎春,周红兵,等 (1163)…………
干旱胁迫下黄土高原 4 种乡土禾草抗氧化特性 单长卷,韩蕊莲,梁宗锁 (1174)………………………………
施加角担子菌 B6 对连作西瓜土壤微环境和西瓜生长的影响 肖摇 逸,王兴祥,王宏伟,等 (1185)……………
内蒙古典型草原区芨芨草群落适生生境 张翼飞,王摇 炜,梁存柱,等 (1193)……………………………………
盐渍化灌区土壤盐分的时空变异特征及其与地下水埋深的关系 管孝艳,王少丽,高占义,等 (1202)…………
黄土高原水蚀风蚀交错区坡地土壤剖面饱和导水率空间异质性 刘春利,胡摇 伟,贾宏福,等 (1211)…………
松嫩平原玉米带农田土壤氮密度时空格局 张春华,王宗明,居为民,等 (1220)…………………………………
小麦冬性强弱评价体系的建立 王摇 鹏,张春庆,陈化榜,等 (1230)………………………………………………
唐家河自然保护区高山姬鼠和中华姬鼠夏季生境选择的比较 黎运喜,张泽钧,孙宜然,等 (1241)……………
西花蓟马在 6 种蔬菜寄主上的实验种群生命表 曹摇 宇,郅军锐,孔译贤 (1249)………………………………
同位素富集鄄稀释法研究食性转变对鱼类不同组织 N同位素转化率的影响
曾庆飞,谷孝鸿,毛志刚,等 (1257)
……………………………………
……………………………………………………………………………
基于生态网络分析的南京主城区重要生态斑块识别 许文雯,孙摇 翔,朱晓东,等 (1264)………………………
珠三角城市绿地 CO2通量的季节特征 孙春健,王春林,申双和,等 (1273)………………………………………
污染场地地下水渗流场模拟与评价———以柘城县为例 吴以中,朱沁园,刘摇 宁,等 (1283)……………………
专论与综述
湿地退化研究进展 韩大勇,杨永兴,杨摇 杨,等 (1293)……………………………………………………………
绿洲农田氮素积累与淋溶研究述评 杨摇 荣,苏永中,王雪峰 (1308)……………………………………………
问题讨论
抗辐射菌 Deinococcus radiodurans的多样性 屠振力,方俐晶,王家刚 (1318)……………………………………
平茬措施对柠条生理特征及土壤水分的影响 杨永胜,卜崇峰,高国雄 (1327)…………………………………
研究简报
祁连山典型灌丛降雨截留特征 刘章文,陈仁升,宋耀选,等 (1337)………………………………………………
野生鸭儿芹种子休眠特性及破除方法 喻摇 梅,周守标,吴晓艳,等 (1347)………………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*348*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*36*
室室室室室室室室室室室室室室
2012鄄02
封面图说: 遗鸥群飞来———遗鸥意即“遗落之鸥冶(几乎是最后才被发现的新鸥种,因此得名)。 1931 年,瑞典动物学家隆伯格
撰文记述在中国额济纳采到了标本。 1987 年,中国的鸟类学家在鄂尔多斯的 桃力庙获得了一对遗鸥的标本 。 1990
年春夏之交,发现了湖心各岛上大量的遗鸥种群。 近年来的每年夏季,大约全球 90%以上的遗鸥都会 到陕西省神
木县境内的沙漠 淡水湖鄄红碱淖上聚集。 遗鸥———国家一级重点保护、CITES附录一物种。
彩图提供: 陈建伟教授摇 国家林业局摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 32 卷第 4 期
2012 年 2 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 4
Feb. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学基金项目(30800147); 国家自然科学基金重大研究计划培育项目 (91025014); 中国科学院百人计划项目资助
(29Y127D11)
收稿日期:2010鄄10鄄09; 摇 摇 修订日期:2011鄄11鄄10
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: hzbmail@ lzb. ac. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201010091418
唐振兴,何志斌,刘鹄.祁连山中段林草交错带土壤水热特征及其对气象要素的响应.生态学报,2012,32(4):1056鄄1065.
Tang Z X, He Z B, Liu H. Soil moisture and temperature characteristics of forest鄄grassland ecotone in middle Qilian Mountains and the responses to
meteorological factors. Acta Ecologica Sinica,2012,32(4):1056鄄1065.
祁连山中段林草交错带土壤水热特征
及其对气象要素的响应
唐振兴,何志斌*,刘摇 鹄
(中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,中国生态系统研究网络临泽内陆河流域研究站,兰州摇 730000)
摘要:利用综合环境观测仪(ENVIS)的长期监测数据,分析了 2002鄄06鄄01—2008鄄05鄄31 期间祁连山阴坡林草交错带土壤水热特
征及其与气象要素的统计关系,结果表明:1)土壤温度与空气温度年内变化格局相似,但存在滞后期,滞后时间随土壤深度增
加而增加;土壤温度年际变化与气温一致,呈逐渐降低趋势。 2)土壤水分表现为 20—80 cm土壤水分易受外界降水过程影响,
120 cm和 160 cm深度土壤水分变化相对平缓;土壤水分季节性冻融过程中的主要控制因子为温度,但 20—80 cm冻土的融化
还受上层土壤水分融化和降雨下渗影响。 3)月尺度上土壤水分和温度与气象要素的统计关系优于日尺度。 利用气象要素在
月尺度上建立的经验模型上对 20—60 cm深度土壤温度的估算效果相对较好。
关键词:祁连山;林草交错带;土壤水热特征;气象要素
Soil moisture and temperature characteristics of forest鄄grassland ecotone in
middle Qilian Mountains and the responses to meteorological factors
TANG Zhenxing, HE Zhibin*, LIU Hu
Linze Inland River Research Station, Chinese Ecosystem Network Research, Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, China
Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China
Abstract: Land surface processes and land鄄atmosphere interactions are hot research focuses of the earth science, and the
coupling soil heat and water dynamics in the near surface is the critical link between these processes and interactions.
Analysis of the soil heat and water dynamics in Qilian Mountains was quite limited, primarily because there was no enough
long鄄term monitoring data. This situation has been moderated, more or less, with a lot of automatic recording field station
been established over the past decade. Pailugou forest station is among the stations with the longest periods of observations
(10 years) in this region. By using the long鄄term field monitoring dataset (measured via ENVIS system from Jun 1, 2002 to
May 31, 2008), we analyzed the relationships between soil temperature, soil moisture dynamics and other meteorological
factors in the forest鄄grassland ecotone of Qilian Mountains. The results were shown as follows: 1) the changing patterns and
trends of the soil temperature are largely consistent with the air temperature at different temporal scale, while a lag phase
between them was observed which increase with soil depth. 2) Soil moisture dynamics is much more complex compared with
the temperature dynamics, and strongly affected by the precipitation / evaporation and melting / freezing processes.
Generally, the variability of soil moisture is relatively more intense at the depths of 20—80 cm and less intense at the
depths of 80—160 cm in the soil profile. Moreover, small differences exist between the evolution trends in the soil moisture
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dynamics at the different depths, for example, soil moisture slightly decreased at the 40 cm and 80 cm, while increased at
the other depths of the soil profile during the study period. 3) Energy budget at the soil surface significantly controlled the
seasonal melting of the top鄄layer frozen soil (0—20 cm), while the liquid water infiltrated from the precipitation and
melting water in the top鄄layers also contributed a lot to the melting processes of low鄄layer frozen soil (20—80 cm). 4) At
the daily time scale, soil temperature is highly related with the air temperature, while the soil moisture is also highly related
with the net solar radiation beside the air temperature. At the monthly time scale, soil temperature is mainly controlled by
the air temperature and relative air humidity, and soil moisture dynamics is controlled by the air temperature, saturated
vapor pressure differences ( VPD), and net solar radiation. Better statistical relationships between soil temperature and
meteorological factors was observed at month鄄scale rather than a daily time scale, and as a result, the relationships built at
monthly time scale can be used to get a better prediction of temperature in the top soil layers, i. e. 20 cm, 40 cm and 60
cm. The results derived from this study clearly indicate that precipitation and air temperature are among the most important
environmental factors that affect soil heat and water dynamics in Qilian Mountains. More modeling efforts are needed to
quantify and qualify these effects for the fragile alpine ecosystem in the arid northwest China, especially under future
climate scenarios and under regional disturbance regimes.
Key Words: Qilian Mountains; forest鄄grassland ecotone; soil water and temperature characteristics; meteorological factors
地表土壤的水热动态过程和变化机制是陆面过程的重要研究内容[1鄄3],越来越多的研究侧重于大气过程
和地表过程的耦合模拟研究[1,4鄄7],但土壤水热变化仍缺乏长期观测资料,与气象要素间的关系及相互影响机
理理解不够[1,8鄄9]。 Porporato 等[10]的研究认为土壤水分即是气候鄄植被鄄土壤属性等综合因素的影响结果,也
是决定植被水分供给的关键因素,是生态水文过程研究的重要切入点;Edorado 和 Porporato[11]就影响土壤水
分的动态变化的各种物理与生态过程的前期研究作了详细的综述;同时研究表明[12鄄14]土壤水分与降水在大
尺度上存在强烈的耦合关系,Randal等[5]利用 12 种地表鄄大气耦合模型对全球进行模拟的结果表明土壤水分
对降水存在显著的反馈作用,是季节性降水预报的重要指标。
近年来,关于祁连山林地、草地土壤水热特征已有较多研究,对山区土壤水热变化过程有了一定认识。 如
刘鹄等[15]研究了祁连山浅山区不同植被类型的土壤水分在典型生长季期间的时间异质性,发现山区土壤水
分时间变异系数最大值并不在表层;党宏忠等[16]就青海云杉林土壤水分特征进行了探讨,根据土壤水分的动
态变化将其分为活跃鄄调节鄄传输鄄蓄水 4 个层次;王金叶等[17]对排露沟流域不同土壤类型分析了其土壤水分
状况,认为亚高山灌丛草甸土持水能力最强,水文特性最好。 康尔泗等[4]对西北内陆河流域山区水文过程进
行了综述,提出了后续研究的重点和难点在于研究山区森林草地生态系统在山区水文循环中的作用以及在维
持和保护山区生态和环境中的作用和意义。 虽然在区域或全球尺度上对地表土壤水热与大气的相互关系已
有较多的模拟结果,但是相关结果并不适合气象要素变化剧烈的山区。 其次祁连山虽有较多的土壤水热研究
结果,但长期定点观测资料较少,主要以人工观测为主,观测密度低、观测时间短,同时缺乏土壤水热与气象要
素的综合同步观测,这些都制约了对土壤水热特征及其与气象要素间的关系的深入理解。
综上,利用山区综合环境观测仪(ENVIS)长期定点实验可以弥补区域地表鄄大气模型的相关不足,探讨点
尺度上大气要素对土壤水热的强迫过程。 本文通过对 2002鄄06鄄01—2008鄄05鄄31 共 6a的土壤水分和气象数观
测数据进行诊断分析,试图就以下问题做出分析:1)土壤水分和温度的年内、年际变化特征;2)降水和温度变
化对不同深度土壤水热强迫过程的差异; 3)控制土壤水热变化的主要气象要素。
1摇 研究区概况
中国生态系统研究网络临泽内陆河流域研究站———祁连山森林生态系统观测点位于黑河上游排露沟流
域(38毅24忆N;100毅17忆E),流域总面积 2. 91 km2,长 4. 25 km,纵坡比降 1颐4. 19;海拔 2650—3800 m。 该流域阳
坡为山地干草原,阴坡为斑块森林和草地景观,森林总面积 1. 12 km2,覆盖率 38. 5% 。 年均气温-0. 6—
7501摇 4 期 摇 摇 摇 唐振兴摇 等:祁连山中段林草交错带土壤水热特征及其对气象要素的响应 摇
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2. 0 益,年降水量 435. 5 mm,覫20 cm蒸发器年蒸发量 1051. 7 mm,年平均相对湿度为 60% 。 研究区内植被因
地形和气候的差异而形成明显的垂直分布带,以青海云杉林(Piceacrassifolia)为主的建群种呈斑块状分布于
阴坡、半阴坡,灌木主要以金露梅(Potentilla fruticosa Linn. )、银露梅(Potentilla glabra Lodd. )、高山柳(Salix
cupularis Rehd. )、高山杜鹃(Rhododendron lapponicum (Linn. ) Wahl. )等为建群种,林下植被主要以山羽藓、
珠芽蓼(Polygonum viviparum Linn. )、木贼(Ephedra equisetina Bunge)等为主。 阴坡草地主要分布珠芽蓼
(Polygonum viviparum Linn. ) 黑穗苔 ( Carex atrata ) 针茅 ( Stipa ) 等,阳坡草地主要为红砂 ( Reaumuria
soongorica)、合头草(Sympegma regelu)、驼绒藜(Ceratodies Latens)、芨芨草(Achnatherum)等。 土壤主要是山地
灰褐土、亚高山灌丛草甸土和山地草原栗钙土,平均厚度 0. 8—2. 2 m,土层较薄,以粉沙块为主,成土母质主
要是泥炭岩、砾岩、紫红色沙页岩等,pH值 7. 0—8. 0。 其中,仪器观测点的海拔 2700 m,位于林草交错带。
2摇 研究方法
2. 1摇 实验仪器
在排露沟阴坡林草交错带布设 1 套 ENVIS(德国,IMKO)综合环境观测系统,海拔 2700 m,从 2002 年 5 月
起至今连续监测 1. 5 m和 3 m处的气象要素和深度为 20,40,60,80,120 cm和 160 cm的土壤要素,传感器类
型:入射辐射与反射辐射(CM7B,KIPP&ZOEN,荷兰)、 净辐射(TYPE 8110,Wein GmbH & Co. KG,奥地利)、
气压(PTB100,Vaisala,芬兰)、空气温度与湿度(HMP45D,Vaisala,芬兰)、土壤热通量(HFT鄄 3 与 HFP01,
Campbell,英国)、风向与风速(RITA and LISA,Siggelkow Geratebau,德国),降水(RG50,SEBA Hydrometrie,德
国),土壤体积含水量(TRIME鄄EZ,IMKO,德国),土壤温度与水势(T8,IMKO,德国)。 数据采集步长均为 30
min。 本文选取数据连续性较好的时间段 2002鄄06鄄01—2008鄄05鄄31 进行分析。
2. 2摇 数据处理及分析
本文所用的观测数据为气象要素和土壤水分、温度要素。 其中气象要素为 1. 5 m高度的气温(Ta)、相对
湿度(RH)、风速(W),1. 2m高度的降水(P),3m 高度的向下总辐射(Rd)、向上净辐射(Ru)和净辐射(Rn),
饱和水汽压差(VPD)根据下式计算:
VPD = 0. 611exp 17. 27TT + 237. 3 1
( )- RH (1)
式中,T(益)为空气温度,RH(% )为相对湿度。
土壤要素:仪器观测的 6 个深度的土壤体积含水量( soil volumetric water content,简称为 SW20,SW40,
SW60,SW80,SW120,SW160)和土壤温度(soil temperature,简称为 ST20, ST40,ST60, ST80, ST120, ST160)。
在分析季节性冻土的冻融过程时,本文以土壤温度 0 益作为土壤水分的冻融起始温度,进而计算了各土
层的冻融时间差:
驻ti = tu-td (2)
式中,t(d)为土壤日均温度到达 0益的时间,i取值 1—5,分别对应土壤深度差 20—40 cm,40—60 cm,60—80
cm,80—120 cm和 120—160 cm;u,d分别表示上、下相邻 2 土层深度。
对数据进行修订校正后将各要素的 30 min步长观测数据整理为逐日平均和逐月平均。
逐日平均处理: 軈Aday =
移a
48 (3)
逐月平均处理: 軈Amonth =
移a
48M (4)
式中, 軈Aday 和軈Amonth 分别为逐日、逐月处理后的观测因子; a 为变量的观测值; M 为变量观测时段所处月份的
天数。
在分析气象要素与土壤水热的统计关系时为了避免不同量纲的影响,在 SPSS 中对全部要素进行了标准
化处理。 本文所用软件为:数据整理 excel2007,统计分析及画图 SPSS13. 0、origin8. 0。
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3摇 结果分析
3. 1摇 排露沟流域降水和气温变化
图 1 为 6a内(2002鄄06鄄01—2008鄄05鄄31)综合环境观测仪 ENVIS记录的降水和气温日平均数据。 降水量
表现为减少的趋势,趋势线斜率为-0. 0004,其中 2006鄄07鄄12 单次降雨量 37. 7 mm为观测时段最大值;同一时
段气温也表现为降低趋势,趋势线斜率为-0. 0012,2005鄄07鄄12 为观测时段气温最大值 20. 8 益, 2008鄄01鄄28
为气温最小值-21. 9 益。 图 2 为 2002鄄06鄄01—2008鄄05鄄31 气温和降水的 6a 逐月平均值,气温和降水曲线的
年内变化过程相似,在 5—9 月期间气温和降水均属于全年的极大值阶段。
降水
P/m
m
气温
T/
图 1摇 排露沟流域降水与气温变化日变化
Fig. 1 摇 Precipitation and temperature daily change in Pailugou
catchment
图 2摇 2002鄄06鄄01—2008鄄05鄄31 间气温和降水 6a逐月平均
Fig. 2 摇 Precipitation and temperature monthly mean change in
2002鄄06鄄01—2008鄄05鄄31
3. 2摇 土壤水热变化特征
图 3 和图 4 分别给出了土壤水热的日变化格局,结合图 2 可知浅层土壤水热值在每年的 5—9 月期间处
于全年的极大值过程,由于山区雨季主要出现在夏季,所以土壤水热曲线在夏季的波动显著,同时受气温影
响,土壤水热变化在春季、秋季和冬季相对稳定。
土壤温度的年内变化特征与气温一致(图 3),呈“单峰型冶,在年内表现为明显的波峰与波谷的交替变化
过程,同时各层次土壤温度年内的变化幅度随深度增加而减小,但 120 cm 与 160 cm 的年内变化中波谷形状
相对波峰稍有差异,在出现出极小值后会出现一个转折,波形在一段时间内趋于较为平缓的变化。 随着深度
增加土壤温度的变化周期与空气温度存在滞后期,滞后时间随深度增加而增加;不同层次的土壤温度变化趋
势与气温一致,如 20—160 cm的趋势线斜率分别为-0. 0021,-0. 0021,-0. 0021,-0. 0018,-0. 0012,-0. 0009。
其中 20—60 cm的土壤温度趋势线斜率近似相等,从 80—160 cm趋势线斜率逐步减小,结合各土层间的温度
滞后时间,20—60 cm属于土壤温度变化相似层,即相互间土壤热传导性质差异较小。 其次土壤温度趋势线
斜率随深度加深而减小,说明在 0—160 cm深度内气温对土壤温度影响随深度加深而降低。
对 6a的土壤温度进行统计分析表明:土壤温度 6a 日平均最低值为 80 cm 的 1. 32 益,最高值为表层 20
cm的 1. 95 益。 土壤温度的年平均变异系数 CV最大值为 60 cm的 0. 556,最小值为 160 cm的 0. 314(此处土
壤温度的年变异系数以土壤年平均温度的标准偏差与 6a 年平均值之比计算)。 其次不同月份的分析结果表
明受温度滞后效应的影响,不同深度土壤温度和变异系数的极值发生顺序在不同月份有所差异。
土壤水分年内变化特征较为复杂(图 4),从 20—80 cm深度的土壤水分年内变化易受外界降水过程的影
响,土壤水分曲线呈 “多峰型冶变化,土壤水分极值的大小和出现频率随深度增加而减小。 120 cm 和 160 cm
深度土壤水分变化平缓,曲线为“单谷型冶,即年内变化周期没有明显的极值变化过程,但在每年的 3—6 月期
9501摇 4 期 摇 摇 摇 唐振兴摇 等:祁连山中段林草交错带土壤水热特征及其对气象要素的响应 摇
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图 3摇 土壤温度日变化特征,虚线为趋势线
Fig. 3摇 Soil temperature daily variation features, dashed line is trend line
间土壤水分会处于一个变化平缓的低谷期。
与土壤温度不同的是各层土壤水分的变化趋势与降水趋势并不一致,如 20—160 cm 土壤水分趋势线斜
率分别为 0. 0021,-0. 0001,0. 0025,-0. 0003,0. 0018,0. 0014。 其中除 40 cm 和 80 cm 土壤水分表现为减少
外,其它层次土壤水分均表现为增加趋势。 由于土壤蒸散发是表层土壤主要的土壤水分损失过程,表层土壤
水分的损失会增加对深层土壤水分的上升吸力,进而导致深层土壤水分的减少,因此气温减低趋势对土壤温
度的影响有助于减少土壤蒸发量,但是对于 40 cm和 80 cm深度的土壤水分变化不仅需要考虑土壤温度对土
壤水分的影响,还存在植被根系的吸水作用的影响。
测点土壤水分 6a平均最大值出现在 20 cm土层(17. 1% ),最小值为 120 cm(11. 7% )。 日平均的最大值
为 20 cm(35. 1% ),最小值为 80 cm(5. 4% )。 变异系数 CV 最大值出现在 40 cm(0. 468),极小值为 160 cm
(0. 142)。
3. 3摇 季节性冻融过程
山区土壤水热特征表明存在季节性冻土(图 3,图 4),其冻融过程随深度表现为:先由浅层土壤开始冻结
(融化),逐渐向深层发展,土壤水分表现为随深度增加而逐步减少(增加)的特点。 土壤的冻融过程均在一定
温度范围内进行,但各土层冻融的起始和结束温度存在差异,这可能与不同深度土壤水分的溶质浓度不同有
关。 此外,土壤水分在冻结和融化过程对气象要素的响应不同:处于冻结阶段时,土壤表层先冻结,此时的降
水过程表现为为固态雪,对深层土壤水分没有影响,仅有温度要素成为影响土壤水分的主要因子;但在融化阶
段,20—80 cm深度的土壤水分变化不仅与本层次土壤温度上升致使冻土消融有关,还受上一层次土壤融化
时水分下渗和降雨下渗的共同作用,不过土壤融化和降雨下渗仅对浅层 20—80 cm 的土壤水分产生影响,而
120 cm和 160 cm深度的土壤冻结和融化过程主要受温度变化控制。 进一步分析不同土壤层次间冻融时间
差(图 5)可知,不同深度土层的冻融时间存在较大差异。 从 20 cm土壤温度到达 0 益开始,依次计算其它深
度土壤温度到达 0 益时的时间与前一土层的差值 驻ti,可知 80—120 cm 的土壤冻结和融化时间差均为最大
值,分别为 25d和 22d。 冻结时间差的最小值为 20—40cm的 12d,融化时间差的最小值为 60—80cm的 13d。
0601 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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图 4摇 土壤水分日变化特征,虚线为趋势线
Fig. 4摇 Soil volume water content variation features, dashed line is trend line
图 5摇 土壤冻融滞后时间
Fig. 5摇 Lag time between different soil depth at freezing and
melting phase
3. 4摇 土壤水热对气象要素的响应
多元逐步回归过程可以较好的解释不同自变量对因
变量的作用大小,故以不同层次的土壤水分和温度作为因
变量,将气温、降水、辐射、饱和水汽压差和风速等气象要
素作为自变量进行多远逐步线形回归,可找出影响土壤水
分和温度的主要气象因子,同时还可以根据最后的回归结
果建立气象要素对土壤水分和温度的经验预报方程。
基于观测数据的逐日平均结果,分析了土壤水热与外
界气象要素的统计关系。 图 6 给出了主要的气象控制因
子与土壤温度的关系。 土层 20—160 cm 土壤温度的主要
气象控制因子均为气温 T,与气温的相关系数 R 随深度逐
步减小,表层 20 cm 土壤温度与气温的相关性最好为
0郾 903,深层 160 cm的相关性最小为 0. 278,进一步证明土
壤温度随深度变化与气温存在的滞后时间越来越长。
图 7 为土壤水分的主要气象控制因子,其结果与土壤
温度相比更复杂。 如 20—80 cm的主要气象因子为气温 T成正相关,其中 20 cm土壤水分与气温的相关性最
好为 0. 643。 但 120 cm和 160 cm却为向上净辐射 Ru成负相关,其中 160 cm土壤水分与向上净辐射的相关
性最差为-0. 117。
气象要素中降水因子与土壤水分的统计结果不显著,可能是由于降水数据为非连续型数据,而土壤水分
和其它气象要素为连续型数据,这影响了其统计结果。 同时在日变化过程中降水只是作为土壤水分来源的输
入参量,其雨后变化过程主要受其它气象要素以及土壤属性、地形和植被的综合作用。
由于气象要素的日变化远比土壤水分和温度变化剧烈,在日尺度上的主要气象控制因子随时间尺度的变
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图 6摇 土壤温度对气象要素的响应
Fig. 6摇 Soil temperature control facts of meteorological
图 7摇 土壤水分对气象要素的响应
Fig. 7摇 Soil moisture control facts of meteorological
化而产生差异,如月平均的结果表明饱和水汽压差和空气相对湿度对土壤水分和温度也有一定影响,表 1,2
给出了统计结果。 土壤温度月尺度上的气象控制因子为气温 T和空气相对湿度 RH,而日尺度的控制因子仅
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为气温 T;土壤水分月尺度的气象控制因子为气温 T、饱和水汽压差 VPD 和向上净辐射 Ru,日尺度为气温 T
和向上净辐射 Ru。 其次月尺度上主要气象控制因子对土壤水分和温度的影响更加明显,其判定系数 R2除 60
cm深度的土壤水分外,均优于日平均结果,如 20 cm土壤温度 R2为 0. 938,明显高于日尺度的 0. 789。
表 1摇 土壤温度与主要气象因子的统计关系
Table 1摇 Statistical relationship of soil temperature and mainly meteorological factor
时间 Time 指标 Index 20 cm 40 cm 60 cm 80 cm 120 cm 160 cm
日平均 气象因子 meteorological factor T T T T T T
Daily average 判定系数 R2 0. 789 0. 779 0. 539 0. 51 0. 139 0. 082
月平均 气象因子 meteorological factor T T T T RH RH
Monthly average 判定系数 R2 0. 938 0. 848 0. 716 0. 573 0. 355 0. 26
摇 摇 结果均通过显著性水平 0. 01 检验,表中 T,RH分别表示气温(益)和空气相对湿度(% )
表 2摇 土壤水分与主要气象因子的统计关系
Table 2摇 Statistical relationship of soil moisture and mainly meteorological factor
时间 Time 指标 Index 20 cm 40 cm 60 cm 80 cm 120 cm 160 cm
日平均 气象因子 meteorological factor T T T T Ru Ru
Daily average 判定系数 R2 0. 394 0. 434 0. 38 0. 349 0. 218 0. 567
月平均 气象因子 meteorological factor T VPD VPD VPD Ru Ru
Monthly average 判定系数 R2 0. 457 0. 468 0. 302 0. 401 0. 529 0. 642
摇 摇 结果均通过显著性水平 0. 01 检验,表中 T,Ru,VPD分别表示气温(益)、向上净辐射(W / m2)和饱和水汽压差(hPa)
最后给出了 20、40 cm和 60 cm的月尺度土壤温度与气象要素的统计方程:
ST20 = - 15. 497 + 0. 767T - 0. 039Rd + 0. 145RH + 21. 502VDP摇 摇 R2 = 0. 981
ST40 = 0. 91 + 1. 037T - 0. 05Rd + 0. 116RH摇 摇 R2 = 0. 955
ST60 = 1. 872 + 0. 935T - 0. 05Rd + 0. 12RH摇 摇 R2 = 0. 915
式中, ST为土壤温度(益),20,40,60 分别代表土壤深度(cm);T为气温;Rd 为向下总辐射(W / m2);RH为空
气相对湿度(% );VPD为饱和水汽压差(hPa)。
4摇 结论与讨论
4. 1摇 结论
通过 6a的连续观测数据,分析了阴坡草地不同深度土壤水分和温度的年内变化特征和年际变化趋势以
及与气象要素的统计关系,其主要结论如下:
1)土壤温度年内变化与气温一致,但存在滞后期,滞后时间随深度增加而增加;土壤温度年际变化与气
温相似,呈逐渐降低趋势。
2)土壤水分年内变化复杂。 浅层土壤水分年内变化易受外界降水过程的影响,深层 120 cm和 160 cm深
度土壤水分变化平缓。 不同深度土壤水分变化趋势与降水存在差异, 40 cm 和 80 cm 表现为减少外,20、60、
120 cm和 160 cm均表现为增加。
3)土壤的季节性冻融过程中主要控制因子为温度,但 20—80cm深度的融化阶段除温度外还受上层土壤
融化和降雨下渗影响。
4)土壤水热与气象要素在月尺度上的统计关系好于日尺度。 日尺度上控制土壤温度的主要气象因子为
气温;土壤水分为气温、向上净辐射。 月尺度土壤温度的气象控制因子为气温、空气相对湿度;土壤水分为气
温、饱和水汽压差和向上净辐射。 表层土壤的水热变化对气象因子更敏感,利用气象要素在月尺度上对 20、
40 cm和 60 cm土壤温度进行估算的效果最好。
4. 2摇 讨论
(1)本文的结果主要基于实测数据的统计结果进行分析,但深层土壤的水热的变化在物理机制上考虑主
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要受上下层土壤水热平衡影响。 本文从统计上分析了气象要素与深层土壤水分和温度的关系,试图理解气象
要素与深层土壤水分和温度的相关关系,进而判断其影响力的大小,但两者间的物理机制还需要进一步研究。
(2)结果表明土壤水热的变异系数最大值均不发生在表层,土壤温度的变异系数最大值为 60 cm 深度,
土壤水分最大值为 40 cm深度。 土壤温度可能是 60 cm土层相比浅层 20 cm和 40 cm容易受深层土壤温度的
影响,同时与深层 80—160 cm 土壤温度相比又属于对外界气温变化敏感层次,故 60 cm 具有最大的变异系
数;土壤水分可能是 40 cm土层与深层土壤相比容易受降水入渗影响,且草类根系深度主要位于 40 cm[15],根
系吸水的提升作用导致 40 cm土壤水分产生剧烈变化。 需要注意的是此结论是与排露沟流域的气候特征和
植被格局相适应的,对于不存在季节性冻土和不同植被的区域需要重新考虑。
(3)降水是影响土壤水热特征的重要气象因子,本文的统计结果表明降水在日平均和月平均时间尺度上
都没进入土壤水热预报方程。 有关降水与土壤水分相关关系的结论主要来自大尺度的模拟和实测,同时考虑
了前期降水过程对土壤水分的影响,本文是点尺度上的观测结果,重点在于分析日、月 2 个较短时间尺度下气
象要素对土壤水热影响,也没考虑前期降水作用,这可能弱化了降水在土壤水热变化过程中的作用。 但本文
的结果也表明在点尺度上土壤水热与除降水外的其它气象要素也存在较好的耦合关系。
(4)在 6a间山区气温和降水都为降低趋势,但土壤水分除 40 cm和 80 cm有所减少外,其它层次表现为
增加,可能是植物在生长过程耗水量增加,研究区草类和青海云杉根系在 40 cm 和 80 cm 深度较为密集。 考
虑到降水和温度对土壤水分作用的复杂性[18],杨永辉等[19]利用实验和模型结合的方法探讨了温度与降水变
化对土壤水分的影响,结果表明温度升高 3 益将抵消降水增加 10%的增益效果。 故进一步利用土壤水热模
型细化模拟未来温度和降水不同变化幅度对不同深度土层的作用非常重要,可以提高预测山区水文过程的准
确性。
(5)在排露沟流域存在放牧现象,从土壤水热的年内变化可知 6—9 月期间是植被的生长季,此时降水和
气温均有利于植被的自我修复,其它时间段水热条件较差,植被状况脆弱,建议山区放牧在 6—9 月期间,其它
时间可以选择圈养,维持草类生长和放牧活动的平衡。
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5601摇 4 期 摇 摇 摇 唐振兴摇 等:祁连山中段林草交错带土壤水热特征及其对气象要素的响应 摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 32,No. 4 February,2012(Semimonthly)
CONTENTS
The influence of a reclamation project on the macrobenthos of an East Nanhui tidal flat
MA Changan, XU Linlin, TIAN Wei, et al (1007)
………………………………………………
…………………………………………………………………………………
Ecological health assessment of groundwater in the lower Liaohe River Plain using an ArcView鄄WOE technique
SUN Caizhi, YANG Lei (1016)
………………………
……………………………………………………………………………………………………
Nitrogen flows in intensive “crop鄄livestock冶 production systems typically for the peri鄄urban area of Beijing
HOU Yong, GAO Zhiling, MA Wenqi, et al (1028)
……………………………
………………………………………………………………………………
The simulation of leaf net photosynthtic rates in different radiation in apple canopy
GAO Zhaoquan,FENG Shezhang, ZHANG Xianchuan, et al (1037)
……………………………………………………
………………………………………………………………
Phenological variation of typical vegetation types in northern Tibet and its response to climate changes
SONG Chunqiao, YOU Songcai, KE Linghong, et al (1045)
………………………………
………………………………………………………………………
Soil moisture and temperature characteristics of forest鄄grassland ecotone in middle Qilian Mountains and the responses to
meteorological factors TANG Zhenxing, HE Zhibin, LIU Hu (1056)………………………………………………………………
Eco鄄hydrological effects of Qinghai spruce (Picea crassifolia) canopy and its influence factors in the Qilian Mountains
TIAN Fengxia, ZHAO Chuanyan, FENG Zhaodong, et al (1066)
………………
…………………………………………………………………
Response of tree鄄ring width of Pinus sylvestris var. mongolica to climate change in Hulunbuir sand land,China
SHANG Jianxun, SHI Zhongjie, GAO Jixi, et al (1077)
………………………
…………………………………………………………………………
Analysis of a dust case using lidar in Shanghai MA Jinghui, GU Songqiang, CHEN Min, et al (1085)………………………………
Relating the distribution of zooplankton abundance in the coastal waters of central Fujian Province to the seasonal variation of
water masses TIAN Fengge, XU Zhaoli (1097)……………………………………………………………………………………
Phenotypic traits of both larvae and juvenile Crasstrea hongkongensis and C. gigas
ZHANG Yuehuan, WANG Zhaoping, YAN Xiwu, et al (1105)
……………………………………………………
……………………………………………………………………
Inter鄄specific competition between Prorocentrum donghaienseand Skeletonema costatum LI Hui, WANG Jiangtao (1115)……………
Effects of initial biomass ratio on the interspecific competition outcome between three marine microalgae species
WEI Jie,ZHAO Wen,YANG Weidong,et al (1124)
……………………
…………………………………………………………………………………
On the ecological amplitude of nitrate of Alexandrium tamarense at different initial phosphate concentrations in laboratory cultures
WEN Shiyong,SONG Lili,LONG Hua,et al (1133)
…
…………………………………………………………………………………
Time lag effects and rainfall redistribution traits of the canopy of natural secondary Pinus tabulaeformis on precipitation in the
Qinling Mountains, China CHEN Shujun, CHEN Cungen, ZOU Bocai, et al (1142)……………………………………………
The vertical distribution of vegetation patterns and its relationship with environment factors at the northern slope of Ili River Valley:
a bimodal distribution pattern TIAN Zhongping, ZHUANG Li, LI Jiangui (1151)………………………………………………
Comparative analysis of water related parameters and photosynthetic characteristics in the endangered plant Tetraena mongolica
Maxim. and the closely related Zygophyllum xanthoxylon (Bunge) Maxim.
SHI Songli, WANG Yingchun, ZHOU Hongbing, et al (1163)
………………………………………………………
……………………………………………………………………
Antioxidant properties of four native grasses in Loess Plateau under drought stress
SHAN Changjuan, HAN Ruilian, LIANG Zongsuo (1174)
……………………………………………………
…………………………………………………………………………
The effects of the addition of Ceratobasidum stevensii B6 and its growth on the soil microflora at a continuously cropped water鄄
melon (Citrullus lanatus) site in China XIAO Yi, WANG Xingxiang, WANG Hongwei, et al (1185)…………………………
Suitable habitat for the Achnatherum splendens community in typical steppe region of Inner Mongolia
ZHANG Yifei, WANG Wei, LIANG Cunzhu, et al (1193)
…………………………………
…………………………………………………………………………
Spatio鄄temporal variability of soil salinity and its relationship with the depth to groundwater in salinization irrigation district
GUAN Xiaoyan,WANG Shaoli,GAO Zhanyi,et al (1202)
…………
…………………………………………………………………………
Spatial heterogeneity of soil saturated hydraulic conductivity on a slope of the wind鄄water erosion crisscross region on the Loess
Plateau LIU Chunli, HU Wei, JIA Hongfu, et al (1211)…………………………………………………………………………
Spatial and temporal variations of total nitrogen density in agricultural soils of the Songnen Plain Maize Belt
ZHANG Chunhua, WANG Zongming, JU Weimin, et al (1220)
…………………………
…………………………………………………………………
The evaluation system of strength of winterness in wheat WANG Peng, ZHANG Chunqing, CHEN Huabang, et al (1230)…………
A comparison of summer habitats selected by sympatric Apodemus chevrieri and Apodemus draco in Tiangjiahe Nature Reserve,
China LI Yunxi, ZHANG Zejun, SUN Yiran,et al (1241)…………………………………………………………………………
Life tables for experimental populations of Frankliniella occidentalis on 6 vegetable host plants
CAO Yu, ZHI Junrui, KONG Yixian (1249)
………………………………………
………………………………………………………………………………………
Effect of diet switch on turnover rates of tissue nitrogen stable isotopes in fish based on the enrichment鄄dilution approach
ZENG Qingfei, GU Xiaohong,MAO Zhigang,et al (1257)
……………
…………………………………………………………………………
Recognition of important ecological nodes based on ecological networks analysis: A case study of urban district of Nanjing
XU Wenwen, SUN Xiang, ZHU Xiaodong, et al (1264)
…………
……………………………………………………………………………
Seasonal characteristics of CO2 fluxes above urban green space in the Pearl River Delta, China
SUN Chunjian, WANG Chunlin, SHEN Shuanghe, et al (1273)
………………………………………
…………………………………………………………………
Simulation and evaluation of groundwater seepage in contaminated sites:case study of TuoCheng County
WU Yizhong, ZHU Qinyuan, LIU Ning, LU Genfa, DAI Mingzhoet al (1283)
………………………………
……………………………………………………
Review and Monograph
Recent advances in wetland degradation research HAN Dayong, YANG Yongxing, YANG Yang, LI Ke (1293)……………………
A review concerning nitrogen accumulation and leaching in agro鄄ecosystems of oasis
YANG Rong, SU Yongzhong, WANG Xuefeng (1308)
……………………………………………………
……………………………………………………………………………
Discussion
The diversity of the radio鄄resistant bacteria Deinococcus radiodurans TU Zhenli, FANG Lijing, WANG Jiagang (1318)………………
Effect of pruning measure on physiology character and soil waters of Caragana korshinskii
YANG Yongsheng, BU Chongfeng, GAO Guoxiong (1327)
……………………………………………
…………………………………………………………………………
Scientific Note
Characteristics of rainfall interception for four typical shrubs in Qilian Mountain
LIU Zhangwen, CHEN Rensheng, SONG Yaoxuan, et al (1337)
………………………………………………………
…………………………………………………………………
Dormancy break approaches and property of dormant seeds of wild Cryptotaenia japonica
YU Mei, ZHOU Shoubiao, WU Xiaoyan, et al (1347)
………………………………………………
……………………………………………………………………………
《生态学报》2012 年征订启事
《生态学报》是中国生态学学会主办的自然科学高级学术期刊,创刊于 1981 年。 主要报道生态学研究原
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法、新技术介绍;新书评介和学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,280 页,国内定价 70 元 /册,全年定价 1680 元。
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生摇 态摇 学摇 报
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第 32 卷摇 第 4 期摇 (2012 年 2 月)
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