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摘 要： 摘要：查明青藏高原高寒草甸區土壤水分運移機制，對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意義。通過開展土壤剖面負壓、地溫觀測等原位試驗，結合氣象資料，對土壤剖面地溫、含水率及總水頭特征進行分析。結果表明，土壤的凍結期起始
摘要：查明青藏高原高寒草甸區土壤水分運移機制，對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意義。通過開展土壤剖面負壓、地溫觀測等原位試驗，結合氣象資料，對土壤剖面地溫、含水率及總水頭特征進行分析。結果表明，土壤的凍結期起始于10月，解凍期起始于4月;地溫最高值出現在植物生長旺盛期8月，最低值出現在1月;1~3月土壤水分呈固態，6~10月土壤水分呈液態，處于穩定變化階段，4~5月、11~12月土壤水分呈固液轉化態，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，屬于高寒草甸主要生長階段;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的水分需求;深秋季節的由表及深的土壤凍結，深層土壤水分隨水汽發生的表聚作用保障了牧草生長的水分需求，也是高原生態系統能夠維持穩定的原因之一。
關鍵詞：高寒草甸;水分運移;總水頭;青藏高原
青藏高原高寒草甸區，平均海拔4200m以上，區內氣候寒冷，植物生長期僅3個月，受高寒氣候的影響，生態系統脆弱而敏感，受損生態系統的自然恢復往往需要數十年甚至上百年。有關研究著重于高寒草甸對氣候變化的響應與適應-4高寒草甸的適應性管理-1和退化高寒草地恢復與重建方面-2。
地處青海高原南部的三江源是高寒草飼集中分布的區域，草地退化十分嚴重，氣候變化被認為是三江源草地退化的驅動力"。掌握土壤水分含量動態，明確土壤水分遷移過程，分析凍土的變化特征，對高寒草甸的適應性管理、可持續利用及其退化高寒草地的恢復與重建具有重要指導意義。
近年來，針對青藏高原多年凍土區土壤水分運移過程與機制進行了研究-1，受氣候作用的影響，特別是季節性土壤凍融作用的影響，高寒草甸水文過程更復雜。目前有關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，植被恢復與重建技術的選擇必須依賴于對區域內自然草地過程的理解。本次研究在該地區通過自動觀測設備，進行了土壤溫濕度的自動連續觀測，以期為礦采跡地植被恢復技術的選擇提供理論依據。
1研究方法
研究區位于青海瑪沁縣德爾尼銅礦區，屬于高山濕潤寒冷灌叢峽谷區。平均海拔4200m以上，溝谷切割深度達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移過程，本文以青藏高原德爾尼銅礦土層較厚、地勢相對平坦的原生高寒草甸為研究區，以土壤水分為研究對象，采用收集資料，野外調查，原位試驗的方法，開展青藏高原高寒草甸區土壤水分運移機制研究。
1.1氣象要素觀測
生態系統與大氣界面的水汽交換主要受氣象要素驅動，本次在研究區架設了一套自動氣象觀測設備，測定指標包括日降水量、氣溫、凈輻射、風力、風向、空氣濕度6個氣象要素，觀測頻率為1次/d氣象要素監測探頭安裝位置見表1。
1.2土壤分層
本次開展的原位試驗監測探頭最大埋深為0.6m，其中，0-0.15m為高寒草甸根植土，屬于根系主要分布區，0.15-0.5m為單一結構的粉土層，0.5-2.0m為砂卵礫石層。采用篩析、密度計相結合的方法對試驗區土壤巖性進行顆粒分析定名，土壤粒度分析結果見表2，以便對計算結果進行綜合分析。
1.3 剖面地溫、含水率、負壓觀測采用剖面挖掘的方式，架設包括地溫、含水率及負壓的自動測量設備，土壤物理參數監測儀器型號為SP100，架設深度分別為0.1m、0.2m、0.3m、0.45m、0.6m等，觀測時段為2015年1-12月。其中，觀測頻度為1次/30min。土壤剖面巖性及監測探頭安裝位置見圖1，主要觀測儀器性能及精度見表31.4 數據處理
采用Excel和SPSS 20.0對不同土層含水率和水勢的不同土層分異進行分析，其中，單因子方差分析(ANOVA)最小顯著差數法(LSD)的顯著性系數為0.05結合氣象要素分析，揭示青藏高原高寒草甸區土壤水分運移機制。為便于查明監測數據的宏觀變化規律，本次研究將逐時監測數據按月取平均值處理后再進行分析。
2結果
2.1氣象要素
研究區域氣溫季節動態變化呈現單峰變化曲線，1~7月為大氣溫度持續回升期，7~12月為持續回落期，最高氣溫10℃，出現于植物生長季7月，最低氣溫-11℃，出現于非生長季12月。晝夜溫差較大，達15℃。
高寒草甸生長的最低氣溫為6℃[26] ，研究區氣溫穩定保持在6℃以上的季節僅6~8月，即高寒草甸每年主要生長季節僅3個月。
研究期內，區域大氣降水量累計達 627.3mm，集中分布于植物生長季 5~9 月，占年總降水量的 80%，降水量的季節動態變化呈雙峰變化曲線，在生長季 7 月和 9 月有 2 個降水高峰期，其降水量為156mm和128mm，年內氣溫、降水量變化曲線見圖2
2.2土壤地溫
測試期內，各層土壤地溫的變化呈現相似的單峰季節變化趨勢，土壤剖面年內地溫變化曲線見圖3，其中，土壤的凍結期起始于10月，解凍期起始于4月，凍結期長達半年。地溫最高期出現在植物生長盛期8月，最低期出現在隆冬1月。
受土壤熱傳導的限制，不同土層凍結、解凍和土壤溫度隨土層的加深呈現出規律性變化。總體來說，土層越深，土壤的凍結期、解凍期越晚，表明該地區土壤的凍結和解凍是由表土逐步向深層發展的。剖面60cm土層的完全凍結發生在11月，解凍發生在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狀態，試驗場土壤剖面含水率等值線見圖4，具有以下規律。
(1)含水率變化總體呈現3種特征，1-3月含水率變化趨勢一致，處于穩定變化階段，且均低于20%，6~10月含水率變化趨勢一致，處于穩定變化階段，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時期，凍結鋒面由上向下遷移;4-5月屬于土壤水分消融時期，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域，6-8月是草甸的主要生長期，因此，在0-0.2m的區域含水率較深部區域偏小，屬于植被根系耗水對土壤水分遷移的影響。
2.4剖面總水頭
總水頭是土壤水分攜帶的總能量，可以反映土壤水分的流動方向、驅動力大小等特征。試驗場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大于土壤深部，水分總體處于入滲狀態 ②剖面0.2m以上土壤水分處于入滲狀態，主要為大氣降水入滲補給，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域，水分近乎處于外界降水入滲、騰發作用、根系耗水等共同作用下的平衡停滯微入滲狀態，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狀態;③12月—翌年的4月土壤剖面水分總體呈現散失狀態，反映土壤水分主要以固態的形式存在;④受外界氣溫、降水量變化的影響，4月、12月為土壤水分運移的轉折點;⑤剖面0.3m以淺，降水入滲的水分除滿足植被生長需要、蒸發蒸騰外，具有超強持水性且致密的原生草甸土壤水分仍處于入滲狀態，植被長勢良好。
3 討 論
土壤介質中水分遷移運動受諸多因素的影響和制約，其中外界氣候要素屬于根本驅動因素，同時，土壤介質差異性是水分運移的重要影響因素。因此，本次研究主要結合外界氣候要素的變化，分析土壤中水分遷移的動力學過程，進而達到揭示土壤介質水分運移動力學機制的目的。
試驗區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月以固態形式存在，但是近地表的固態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以淺區域固態水向液態水的轉化，同時，高寒草甸開始發芽進入緩慢生長階段;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和液態之間頻繁轉化，在根系吸水作用影響下，包氣帶內部水分重新分配，同時，高寒草甸完成快速生長、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，完成0.6m以淺區域液態水向固態水的轉化。至此，包氣帶水分完成了一個完整的水文年循環遷移過程。
相關期刊推薦：《地質通報》(曾用刊名：中國區域地質)，1982年創刊，作為中國地學傳媒中的首份地質學綜合性學術月刊。主要刊載：基礎地質、經濟地質、海洋地質、能源地質、生態環境地質、災害地質、城市地質、農業地質、勘察地球物理、勘察地球化學、地質實驗、探測技術、地質調查信息技術、科技政策、科技管理等專業領域的專業論文。
4 結 論
(1)土壤凍結期起始于 10 月，解凍期起始于 4 月，凍結期長達半年之久;地溫最高期出現在植物生長旺盛期8月，最低期出現在隆冬1月。
(2)含水率變化總體呈現3種特征：1~3月含水率變化趨勢一致，處于穩定變化階段，且均低于20%; 6~10月含水率變化趨勢一致，處于穩定變化階段，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，在短短3個月內，牧草完成其生長周期，屬于高寒草甸主要生長階段;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的水分需求;深秋季節由表及深的土壤凍結，使深層土壤水分隨水汽發生表聚，保障了牧草生長的水分需求;這也是高原生態系統能夠維持穩定的原因之一。
