青藏高原高寒凍土區(qū)生物結(jié)皮對淺層土壤水熱過程的影響

明 姣,孔令陽,趙允格,杜玉霞

1 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 凍土工程國家重點實驗室, 蘭州 730000 2 吉林省水利科學(xué)研究院, 長春 130022 3 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 楊凌 712100

凍土是一種對溫度和外界因素極為敏感的負(fù)溫地質(zhì)體[1],其穩(wěn)定性和土壤的溫度場有著直接的聯(lián)系[1-2]。近年來,青藏高原淺層土壤溫度呈升高趨勢[3-4],從而導(dǎo)致凍土退化,嚴(yán)重影響多年凍土區(qū)地表熱量平衡、植被生長、水文循環(huán)和工程建設(shè)等生態(tài)水文過程[5-7]。因此,凍土土體水熱變化研究是凍土研究中一直被關(guān)注的問題[7-9]。而凍土區(qū)淺層土壤水熱狀態(tài)的變化與下墊面條件密切相關(guān)[10]。

20世紀(jì)70年代以來,隨著氣候的逐漸干旱化和人口、牲畜數(shù)量的迅速增加,青藏高原黃河源區(qū)生態(tài)環(huán)境急劇惡化,至20世紀(jì)末,植被退化面積占源區(qū)草地總面積1/3[11]。自2005年以來,隨著三江源地區(qū)“生態(tài)保護(hù)和建設(shè)”工程的具體實施(圍欄封育、退牧還草、沙漠化治理、濕地保護(hù)等)[11-12],生物結(jié)皮開始在該地區(qū)逐漸發(fā)育,其蓋度可高達(dá)52%[13-14],成為青藏高原高寒草甸退化過程中地被層的重要組成部分。生物結(jié)皮作為地表特殊的結(jié)構(gòu)層,其可通過改變土壤理化屬性(顆粒組成、容重、孔隙度、養(yǎng)分含量等)、土壤反照率、土層水分狀況,而使土壤熱性質(zhì)發(fā)生變化,繼而改變土體溫度[15-17]。迄今,關(guān)于生物結(jié)皮對土壤溫度的影響,其研究結(jié)果在不同區(qū)域存在較大差異。早期Belnap(1995)在美國猶他州沙漠地區(qū)的研究表明,藻-地衣結(jié)皮在冬夏分別增加土表溫度14、10 ℃[17]。在極地沙漠地區(qū)的研究也表明,在濕熱的夏季,深色生物結(jié)皮降低土壤表層溫度11.8 ℃,而在干冷的冬季,生物結(jié)皮則增加地表粗糙度,降低了地表反照率從而使土壤表層溫度升高[18-19]。然而,近年來楊永勝等人在中國毛烏素沙地研究則表明,生物結(jié)皮的覆蓋極顯著降低了地表土壤溫度[20-21]。同時,Xiao等研究也表明,在濕熱的夏季,生物結(jié)皮降低土壤表層溫度11.8 ℃,而在干冷的冬季,生物結(jié)皮則增加土壤表層溫度1.2 ℃[22]。因此,生物結(jié)皮對土壤溫度的影響可能由于生物結(jié)皮的組成、發(fā)育狀況、土壤濕度條件,下伏土壤性質(zhì)以及氣候條件不同而不同[22-27]。

青藏高原地處中國西南邊陲,海拔高,氣候寒冷,植被類型獨特,被譽(yù)為“地球第三極”[28]。高寒凍土區(qū)土壤溫度是反映土壤水分相變(即凍融)過程中熱量傳遞的重要指標(biāo),長期淺層(0—30 cm)地溫升高會改變深層溫度、水分空間分布特征及土壤水熱耦合關(guān)系,引起凍土退化,進(jìn)而影響凍土區(qū)生態(tài)平衡[29-33]。因此,該地區(qū)廣泛發(fā)育的生物結(jié)皮很可能成為影響凍土區(qū)淺層土壤水熱變化的關(guān)鍵影響因素之一。亟須探明生物結(jié)皮對青藏高原凍土區(qū)生物結(jié)皮對凍土淺層土壤水熱變化的影響,這也是明確生物結(jié)皮在高寒凍土區(qū)生態(tài)功能的前提。

為此,本文以青藏高原黃河源區(qū)瑪多縣附近的退化草甸中的生物結(jié)皮為研究對象,布設(shè)野外定點監(jiān)測裝置,觀測生物結(jié)皮覆蓋下淺層凍土土體水溫變化過程,以探知高寒凍土區(qū)草甸退化過程中,生物結(jié)皮對下覆土體水溫變化的影響,為評估生物結(jié)皮在高寒地區(qū)生態(tài)功能提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

觀測場地位于瑪多縣野馬灘,位于38°34′N,98°00′E,海拔4320 m。位于青海省南部(圖1),巴顏喀拉山北麓。該地屬于平原地區(qū),平均海拔4200 m。植被類型以草地為主。區(qū)域氣候類型屬于青藏高原亞寒帶半干旱半濕潤型氣候[34-35],晝夜溫差大,年平均氣溫-1.6℃；年內(nèi)降水多集中在5—9月,年內(nèi)累積降水量407—582 mm；年累積蒸發(fā)量為484—584 mm[32]。該地區(qū)特有的地理位置和地形、地貌、水文、干燥寒冷的氣候條件決定了該區(qū)為季節(jié)凍土區(qū),并形成鑲嵌著不連續(xù)多年凍土、零星高溫多年凍土和季節(jié)性凍土[36-37]。

圖1 高寒草甸凍土區(qū)生物結(jié)皮野外監(jiān)測場地

1.2 場地布設(shè)及野外監(jiān)測

1.2.1野外調(diào)查及采樣

于兩種(淺色藻結(jié)皮和深色藻結(jié)皮)不同類型生物結(jié)皮斑塊中,分別選取人為干擾較少、地形地貌呈現(xiàn)較高一致性、生物結(jié)皮發(fā)育穩(wěn)定的5—6封禁地作為研究樣地,即每個樣地重復(fù)5—6次。每個樣地中隨機(jī)設(shè)定4個5 m×5 m的調(diào)查樣方(大樣方),每個大樣方中隨機(jī)選擇10個25 cm×25 cm的小樣方,調(diào)查生物結(jié)皮物種組成、蓋度及樣地植被的詳細(xì)情況。樣點的具體情況如表1。

表1 土壤采樣點基本情況

1.2.2場地布設(shè)及野外監(jiān)測

2016年10月在研究區(qū)根據(jù)生物結(jié)皮的特征差異布置了3個水溫監(jiān)測場地,分別為深色藻結(jié)皮,淺色藻結(jié)皮及裸地,每個樣點相距近100 m左右。地表狀況如圖2所示。在各場地5cm、15 cm、30 cm、50 cm深度處布設(shè)水溫一體溫度探頭(5TM, Campbell Scientic, Inc., 精度：0.1℃/0.08% WC)；采用HC2-S3 溫度探頭測量氣溫,其測量范圍-40—100℃,精度為±0.1℃；采用RG3-M 自動式雨量筒雨量記錄儀測定降水量,其量程0—127 cm/h, 精度±1.0%。所有的探頭與CR300數(shù)據(jù)采集器連接,進(jìn)行自動采集,所有的要素為每10 min記錄一次數(shù)據(jù)。

圖2 高寒草甸退化過程中地表特征

生物結(jié)皮層及裸地表面土壤導(dǎo)熱系數(shù)測定：每種地表覆蓋下選擇三塊試驗樣地,每個樣地以梅花式選取5個點,使用導(dǎo)熱系數(shù)測定儀 KD2 Pro(Decagon)進(jìn)行土壤導(dǎo)熱系數(shù)的測定,每種地表類型土壤導(dǎo)熱系數(shù)取15次測量平均值。

1.2.3數(shù)據(jù)處理

本文采用5—50 cm土壤溫度與土壤水分含量,其計算方法為：

式中,T10min為數(shù)采儀每10 min采集的溫度值,θ10min數(shù)采儀每10 min采集的土壤未凍水含水量；Th為數(shù)采儀每小時平均溫度,θh為每小時平均含水量；MST和MWC為日平均溫度和土壤含水量；MST1和MWC1為2016年10月—2017年10月日均溫及日均含水量,MST2和MWC2為2017年10月—2018年10月日均溫及日均含水量MSTm和MWCm為2016年—2018年日均溫及日均土壤含水量平均值。借助于Origin 9和SPSS 17.0完成數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析,針對各種類型的生物結(jié)皮及裸地土壤導(dǎo)熱系數(shù)及其理化屬性分別進(jìn)行單因素方差分析,用LSD法進(jìn)行多重比較,處理間差異均達(dá)5%顯著水平。選取深色藻結(jié)皮為代表,以2016—2018年日均溫度的平均值MSTm和日均含水量平均值MWCm,根據(jù)土壤溫度變化情況,分為3個階段,T<-4℃,-4℃4℃,進(jìn)行水溫相關(guān)性分析。

2 結(jié)果分析

2.1 生物結(jié)皮及其覆蓋下淺層土體土壤導(dǎo)熱系數(shù)

土壤的導(dǎo)熱系數(shù)是反應(yīng)土體熱量傳導(dǎo)的能力。通過野外實際測量可知生物結(jié)皮層土壤導(dǎo)熱系數(shù)顯著低于裸地(圖3),且深色藻結(jié)皮的導(dǎo)熱系數(shù)顯著低于淺色藻結(jié)皮。同時,深色藻結(jié)皮覆蓋下,0—30 cm 土層土壤導(dǎo)熱系數(shù)均顯著低于淺色藻結(jié)皮和裸地。然而淺色藻結(jié)皮0—10 cm土層土壤導(dǎo)熱系數(shù)亦低于裸地,在20—30 cm 土層,二者導(dǎo)熱系數(shù)沒有顯著差異。

圖3 生物結(jié)皮層土壤導(dǎo)熱系數(shù)

2.2 生物結(jié)皮對高寒草甸淺層土壤水分的影響

高寒地區(qū)土壤水分變化過程反映了土壤的干濕狀況,是地氣系統(tǒng)水循環(huán)中的重要組成部分。兩種類型生物結(jié)皮與裸地日均含水量隨時間變化情況如圖4所示。由圖4中可知,兩種類型生物結(jié)皮對土壤未凍水含量具有顯著的影響,但不同類型生物結(jié)皮對土壤不同土層土壤未凍水含量的影響不同。深色藻結(jié)皮對土壤含水量的影響主要集中在5—15 cm土層,對土壤30—50 cm土層未凍水含量影響較小：凍結(jié)期深色藻結(jié)皮覆蓋下5—50 cm 土層土壤含水量與裸地相比僅增加了0.4%,而融化期5—15 cm土層土壤含水量較裸地增加1%—5.4%(平均為2.9%),其中八月中上旬(8.1—8.16),深色藻結(jié)皮覆蓋下5 cm土層土壤含水量與裸地之間沒有顯著差異(差值<0.5%)；淺色藻結(jié)皮則對表層土壤含水量影響很小,其對土壤未凍水含量的影響主要集中在15—30 cm土層：在融化期,淺色藻結(jié)皮覆蓋下15 cm土層土壤含水量較裸地增加了2.3%,而淺色藻結(jié)皮在凍結(jié)期和融化期均增加了30 cm土層土壤含水量,含水量增量分別達(dá)3%—5%和5%—12%。

圖4 土壤淺層日均未凍水含量變化(深色藻結(jié)皮/裸地；淺色藻結(jié)皮/裸地)

2.3 生物結(jié)皮對高寒草甸淺層土壤溫度的影響

土壤的溫度變化體現(xiàn)了土壤能量狀況的變化過程,以土壤日平均溫度開始持續(xù)小于0℃為開始凍結(jié)日期,日平均溫度開始持續(xù)大于0℃為開始消融日期[38]。有無生物結(jié)皮覆蓋淺層土壤溫度年內(nèi)變化過程可分為兩個時期：凍結(jié)期(11月—次年3月)和融化期(4月—10月)[39]。兩種類型生物結(jié)皮及裸地土壤日均溫年內(nèi)動態(tài)如圖5所示。從圖5可知,生物結(jié)皮對土壤溫度的影響主要集中在融化期,凍結(jié)期兩種類型生物結(jié)皮在不同土層于裸地土壤溫度差異均不顯著；從表2中可知,在凍結(jié)期,兩種類型生物結(jié)皮對表層土壤溫度沒有顯著的影響,其平均溫差均小于0.5℃。而在融化期,兩種類型生物結(jié)皮均顯著降低了土壤溫度達(dá)0.8—1.9℃。同時,生物結(jié)皮對表層土壤溫度的影響顯著低于其下15—50 cm土層,且不同類型生物結(jié)皮,對土壤溫度的影響程度不同。表2顯示深色藻結(jié)皮覆蓋下土壤在0—50 cm土層深度處土壤溫度較裸地分別平均降低了1.1—2.1℃；而淺色藻結(jié)皮則較裸地分別降低了0.8—1.3℃,其降溫幅度低于深色藻結(jié)皮。

表2 兩種類型生物結(jié)皮覆蓋下不同土層土壤與裸地日均溫差(ΔT)

圖5 土壤淺層日均溫變化(深色藻結(jié)皮/裸地；淺色藻結(jié)皮/裸地)

2.4 生物結(jié)皮覆蓋下土壤水熱耦合過程

土壤中水分與溫度密切相關(guān)。本研究以深色藻結(jié)皮為例,選取深色藻結(jié)皮覆蓋下5cm土層土壤含水量及土壤溫度數(shù)據(jù),進(jìn)行相關(guān)性分析。圖6為生物結(jié)皮影響下土壤未凍水含量與溫度相關(guān)關(guān)系,由圖6A可知,生物結(jié)皮覆蓋下,凍土淺層土壤具有水熱耦合效應(yīng)。土壤中未凍水含量與溫度變化的關(guān)系可以分為3個階段：(1)當(dāng)MSTdark<-4℃時,土壤中未凍水含量基本保持在4.3%左右(圖6B)；(2)當(dāng)-4℃ 4℃,土壤含水量 >10%,土壤含水量與土壤溫度呈反比(圖6D),土壤中未凍水含量的增加,土壤導(dǎo)熱系數(shù)增大,土壤含水量影響土壤溫度。同時隨著土壤土壤溫度的升高,土壤中未凍水含量的又逐漸顯著降低。

圖6 生物結(jié)皮覆蓋下土壤溫度與水分變化相關(guān)關(guān)系

3 討論

3.1 生物結(jié)皮對淺層凍土水分含量的影響

凍土的溫度、濕度等條件直接影響著凍土的分布、地氣相互作用及生態(tài)環(huán)境的變化[39]。生物結(jié)皮作為地表廣泛發(fā)育的地被層,其具有低容重、高孔隙度、高持水性等特點,因此生物結(jié)皮的存在能夠增加土壤表層含水量這一研究結(jié)論在很多研究中已經(jīng)被證實[26,40]。生物結(jié)皮對土壤水分的影響程度與結(jié)皮類型有關(guān),不同類型生物結(jié)皮其理化屬性(容重、孔隙度及厚度不同及有機(jī)質(zhì)含量等)不同,對土壤水分的影響不同[13, 20-21]。肖波等人的研究也表明蘚類生物結(jié)皮其結(jié)皮層土壤含水量顯著高于藻類結(jié)皮[27, 41]。本研究結(jié)果表明,兩種類型生物結(jié)皮對土壤未凍水含量及分布的影響在不同凍結(jié)融化期內(nèi)存在顯著差異。生物結(jié)皮對土壤含水量的影響與其持水性有關(guān)。如表3所示,由于深色藻結(jié)皮容重較低,孔隙度較大,其田間持水量顯著高于淺色藻結(jié)皮和裸地,淺色藻結(jié)皮持水性高于裸地[13]。故深色藻結(jié)皮在凍結(jié)期內(nèi),對5—50 cm土層土壤未凍水含量均沒有顯著影響；而在融化期由于其高持水性,顯著增加了5—15 cm土層土壤含水量,而對30—50 cm土層土壤含水量沒有顯著影響。淺色藻結(jié)皮則與之相反,在整個凍結(jié)融化期內(nèi),均顯著增加了15—30 cm土層土壤含水量,而對表層土壤未凍水含量沒有顯著影響。生物結(jié)皮對土壤未凍水分布狀況的影響則與生物結(jié)皮的滲透性有關(guān)。從表3可見,深色藻結(jié)皮的初始入滲速率為0.20 mm/min,顯著低于淺色藻結(jié)皮,表明淺色藻結(jié)皮具有快速吸收降雨產(chǎn)生水分的能力。由于該區(qū)域降水主要發(fā)生在5—9月,加之深色藻結(jié)皮厚度較大,持水性強(qiáng),故導(dǎo)致深色藻結(jié)皮在融化期顯著增加了5—15 cm土壤含水量,而對下層土壤含水量沒有顯著影響。同時,在8月中上旬,深色藻結(jié)皮覆蓋下5 cm土層土壤含水量與裸地沒有顯著差異。由于7月底8月初,太陽輻射最強(qiáng),氣溫達(dá)到全年最高,土壤蒸發(fā)量較大,使得深色結(jié)皮層土壤含水量顯著降低,驗證了土壤溫度驅(qū)動蒸發(fā)作用也是影響土壤含水量的重要因子之一[42-43]。但淺色藻結(jié)皮厚度較薄,滲透速率較深色藻結(jié)皮高(表3),因此其能夠快速吸收降雨產(chǎn)生的徑流,水分向下層遷移,使得30 cm土層土壤含水量顯著增加,吸收的水分貯存在30 cm土層。因此,其土壤未凍水含量顯著性高于裸地。

表3 生物結(jié)皮基本屬性

3.2 生物結(jié)皮對淺層凍土溫度的影響

生物結(jié)皮對土壤溫度的影響主要有兩方面：一方面,生物結(jié)皮的發(fā)育改變地表顏色,從而改變地表反照率,增加或減少進(jìn)入土層、使土壤溫度升高的熱量；另外,生物結(jié)皮作為地表的特殊結(jié)構(gòu)層,其具有自身的結(jié)構(gòu)及特殊的理化屬性,熱性質(zhì)也隨之發(fā)生改變,故影響土壤溫度變化[16,20-24]。早期有研究表明覆被在地表深色的生物結(jié)皮,可通過吸收更多太陽輻射而使土壤溫度升高[17-18]。本研究區(qū)主要以深色及淺色藻結(jié)皮為主,其覆蓋度可達(dá)35%—45%。而研究結(jié)果卻表明,該區(qū)生物結(jié)皮的存在顯著降低了凍土淺層土壤溫度。由此可見,生物結(jié)皮由于改變地表顏色從而導(dǎo)致地表反照率的改變并不是凍土區(qū)導(dǎo)致土壤溫度變化的主要原因。凍土區(qū)生物結(jié)皮對土壤溫度的影響與土壤的凍結(jié)融化期相關(guān)。在凍結(jié)期,生物結(jié)皮對土壤淺層溫度沒有顯著的影響；在融化期,生物結(jié)皮均顯著降低了土壤溫度。不同氣候類型區(qū)及生態(tài)環(huán)境條件下,生物結(jié)皮的發(fā)育狀況及其理化屬性不同,因此其對土壤溫度的影響也不同[18,21-22]。肖波等人在黃土高原的研究結(jié)果表明,在濕熱的夏季,生物結(jié)皮降低土壤表層溫度11.8℃[22]。楊永勝等在沙區(qū)的研究結(jié)果也表明生物結(jié)皮的覆蓋極顯著降低了地表的土壤溫度[21],這些研究結(jié)果與我們的研究結(jié)果有相似之處。由于凍結(jié)期,生物結(jié)皮及其下層土壤均處于凍結(jié)狀態(tài),生物結(jié)皮層的含冰量與裸地的差異并不足以引起土壤熱性質(zhì)的變化[44]。加之,生物結(jié)皮由于其較低的導(dǎo)熱系數(shù)(圖3),地氣之間熱傳遞較慢,相當(dāng)于土體表面保溫層,在凍結(jié)期對凍土具有一定的保溫作用,但其對土壤溫度的影響并不顯著。而在融化期,由于生物結(jié)皮層能夠固持較多的水分,結(jié)皮層熱容量隨著土壤含水量的增加而增大,生物結(jié)皮層存儲的熱量增加,其向下傳遞的熱量減少[44]。與此同時,在融化期,生物結(jié)皮的多孔結(jié)構(gòu)中孔隙被水分填充較多,能夠在融化期(暖季)阻止空氣中熱量向土壤中擴(kuò)散,能夠降低下層土壤溫度。再者,生物結(jié)皮能夠顯著提高土壤中碳氮含量,形成一個富含有機(jī)質(zhì)層。有機(jī)質(zhì)作為不良導(dǎo)體,在融化期阻止土體中冷量的流出,也延緩了下覆土體的升溫[21,45],亦對土壤具有降溫的效應(yīng)。

生物結(jié)皮對土壤溫度的影響與生物結(jié)皮的類型有關(guān),深色藻結(jié)皮覆蓋下土壤在5—50 cm土層深度處土壤溫度較裸地分別平均降低了1.1—2.1 ℃；淺色藻結(jié)皮則較裸地分別降低了0.8—1.8℃,其降溫幅度較深色藻結(jié)皮低。由于淺色藻結(jié)皮的土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著低于深色藻結(jié)皮,同時其田間持水量也顯著低于深色藻結(jié)皮,故其熱容量在融化期較深色藻結(jié)皮低,對土壤溫度的影響也較小,亦表明生物結(jié)皮可通過增加土壤有機(jī)質(zhì)而產(chǎn)生隔熱效應(yīng)及在融化期增加土壤含水量從增加自身儲熱量而對下層土體溫度產(chǎn)生影響[22-25]。

3.3 水溫相關(guān)關(guān)系

水熱因子在土壤中相互影響、相互聯(lián)系、相互制約。通過分析生物結(jié)皮層土壤水分和溫度的相關(guān)關(guān)系發(fā)現(xiàn),生物結(jié)皮覆蓋下土壤含水量與土壤溫度密切相關(guān),表明土壤中水熱運(yùn)動的相互耦合作用[20,46-47]。本研究結(jié)果表明當(dāng)MSTdark<-4℃時,生物結(jié)皮覆蓋下,土壤中未凍水含量并未隨著土壤溫度的變化,保持在4.3%左右。表明生物結(jié)皮在凍結(jié)期對土壤溫度影響不顯著。驗證了生物結(jié)皮對土壤溫度的影響與土壤中水分含量密切相關(guān)[20-21]。當(dāng)-4℃ 4℃時,隨著溫度的增加,土壤含水量因蒸發(fā)作用逐漸降低。圖7為不同地表覆蓋下,土壤剖面水分含量變化。由圖7可知,當(dāng)土壤溫度從0—12℃,土壤表層含水量逐漸增大,而當(dāng)土壤溫度溫度繼續(xù)升高至15℃時,深色藻結(jié)皮表層0—15 cm土壤含水量低于6℃及12℃時土壤含水量,而下層土壤含水量沒有顯著變化?？赡苁怯捎诘乇頊囟雀哂?5℃時,土壤蒸發(fā)作用較為強(qiáng)烈,減少了表層土壤水分,驗證了土壤溫度驅(qū)動蒸發(fā)作用是深色藻結(jié)皮影響土壤含水量的重要因子[43,49]。同時,蒸發(fā)作用耗能,降低了淺層土壤的溫度。因此,深色藻結(jié)在溫度較高時強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用是融化期降低土壤溫度的主要因素之一。

圖7 不同溫度下土壤未凍水含量剖面變化

淺色藻結(jié)皮和裸地0—15 cm土層土壤含水量在15℃時略低于6℃及12℃時土壤含水量,但差異不顯著。表明淺色藻結(jié)皮對土壤溫度的影響較深色藻結(jié)皮低。然而,隨著土壤溫度的增加,淺色藻結(jié)皮30 cm土層處土壤含水量顯著增加,圖8為不同溫度下土壤未凍水儲量剖面變化。從圖7及圖8可知,隨著溫度升高,30 cm土層處土壤未凍水含量及儲量均顯著增加。因此淺色藻結(jié)皮在融化期降低了下層15—50 cm土層土壤的溫度。長期淺層土體的溫度降低對凍土的保護(hù)具有極為重要的作用,同時,由圖8可知,由于生物結(jié)皮的存在,增加了下層0—50 cm土層土體未凍水的儲量,對高寒凍土區(qū)植被恢復(fù)及生態(tài)環(huán)境具有重要意義[1,50]。

圖8 不同溫度下土壤未凍水儲量剖面變化

4 結(jié)論

(1)生物結(jié)皮對凍土淺層土壤水熱過程具有顯著的影響,而其影響主要發(fā)生在土壤融化期內(nèi),在凍結(jié)期生物結(jié)皮對土水熱過程沒有顯著的影響；同時,生物結(jié)皮對土壤水熱過程的影響不僅與土壤的凍結(jié)融化期有關(guān),還與生物結(jié)皮的類型密切相關(guān),不同類型生物結(jié)皮對土壤的未凍水含量和溫度的影響不同：

在融化期內(nèi),生物結(jié)皮增加了凍土淺層土壤水分,其中深色藻結(jié)皮增加了0—15 cm土層土壤含水量,而淺色藻結(jié)皮卻顯著增加了30 cm土層土壤含水量；同時,生物結(jié)皮降低凍土淺層(15—50 cm)土壤溫度,其中深色藻結(jié)皮的降溫效應(yīng)顯著高于淺色藻結(jié)皮。

(2)凍土地區(qū)生物結(jié)皮覆蓋下淺層土壤具有水熱耦合效應(yīng)：根據(jù)淺層土壤水熱運(yùn)移特征可將深色藻結(jié)皮覆蓋下凍土淺層水熱過程分為兩個階段：

土壤未凍水含量<10% 時(土壤溫度<4℃),土壤溫度影響土壤含水量,其中T<-4℃時,土壤處于完全凍結(jié)狀態(tài),生物結(jié)皮層覆蓋下,土壤未凍水含量保持在4.3%左右；-4℃10% 時(土壤溫度 > 4℃), 隨著土壤溫度升高,土壤中未凍水含量的降低。同時土壤含水量影響土壤溫度, 隨著土壤含水量的增加,土壤溫度降低。