模擬增溫對寒溫帶興安落葉松林土壤及空氣溫濕度的影響1)

吳天龍 馬秀枝 梁芝 高偉 劉洋 張曉璞

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特，010019)(內(nèi)蒙古根河市氣象局)(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué))

近年來，全球氣候變化導(dǎo)致的氣候變暖已引起人們的廣泛關(guān)注[1]。IPCC(2021)[2]在第六次評估報告《氣候變化2021：自然科學(xué)基礎(chǔ)》中指出：2011年以來，大氣中溫室氣體含量持續(xù)上升，預(yù)測到21世紀(jì)末全球表面溫度將增高1.5～2.0 ℃，且陸地生態(tài)系統(tǒng)地上和地下部分的生態(tài)過程對溫度增高響應(yīng)明顯[3-4]。1961—2015年內(nèi)蒙古大興安嶺地區(qū)溫度呈逐漸升高趨勢。英國Hadley氣候預(yù)測與研究中心的結(jié)果表明，東北大興安嶺地區(qū)的溫度將在2015—2050年升高1.44～1.89 ℃[5-6]。在諸多生態(tài)系統(tǒng)中，冰凍圈是對氣候系統(tǒng)響應(yīng)最直接和最敏感的圈層[7]。

全球氣候變暖影響著地上和地下部分的生態(tài)過程，當(dāng)前已經(jīng)有許多對陸地生態(tài)系統(tǒng)模擬增溫的研究。李娜等[8]的研究結(jié)果表明，增溫可以增加高寒草甸的土壤溫度。高福光等[9]在荒漠草原的研究認(rèn)為，增溫顯著提高了土壤各層溫度，呈現(xiàn)出隨著土壤深度的增加，增溫幅度相對減小的趨勢。有相似的試驗也表明，增溫也可以提高羊草草甸的土壤溫度[10]。在高寒地區(qū)，土壤溫度與水分密切相關(guān)，水分變化受溫度的影響，增溫不僅會改變土壤的水力參數(shù)，并且土壤水分也會依據(jù)溫度梯度產(chǎn)生運移[11]。研究表明，不同溫度下土壤水分隨溫度增加而降低[12]。石福孫等[13]的研究發(fā)現(xiàn)，增溫會增加高寒草甸氣溫。權(quán)欣等[14]的研究也發(fā)現(xiàn)，增溫能提高地上的空氣溫度。但是，根據(jù)開頂室(OTC)所采用的材質(zhì)、形狀、高度等的不同，增溫效應(yīng)也會有所不同[15-16]。這些研究很大程度上促進(jìn)了學(xué)術(shù)界關(guān)于對土壤溫濕度與氣候變暖響應(yīng)的認(rèn)識。然而，過往的研究主要集中在干旱和高海拔地區(qū)，對來自凍土地帶的證據(jù)較少[17]。大興安嶺北部地處歐亞大陸凍土帶南緣，是氣候變化的敏感區(qū)域。

興安落葉松(Larixgmelinii)林是我國北方針葉林的主要代表，分布于大興安嶺寒溫帶山地，由于其對全球氣候變化具有高度敏感性，是國內(nèi)研究全球氣候變化與區(qū)域響應(yīng)等問題最受關(guān)注的區(qū)域之一。多年以來，大興安嶺北部地區(qū)氣候變暖趨勢明顯，在過去30 a間，該地區(qū)氣溫增長速率約為全球平均水平的2倍。開頂室(OTC)模擬增溫方法被認(rèn)為是在地處偏僻、缺乏電源供給環(huán)境下的理想方法之一[18]。研究模擬增溫小室中空氣和土壤溫濕度變化趨勢以及對土壤溫濕之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，旨在探討和認(rèn)識全球氣候變化背景下凍土區(qū)興安落葉松林土壤和空氣溫濕度變化趨勢，有助于理解該地區(qū)氣候條件的改變對森林生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，為開展高寒地區(qū)對氣候變化響應(yīng)方面的研究提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗地位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾根河市大興安嶺國家森林生態(tài)站試驗區(qū)，地理位置為東經(jīng)120°12′～122°55′，北緯50°20′～52°30′。氣候?qū)俸疁貛駶櫺蜕謿夂颍瑲夂蚝錆駶?，低溫時間長，高溫時間短，春秋相連，無霜期平均為90 d。年平均氣溫-5.3 ℃，年平均降水量414 mm，多集中在植物生長季節(jié)。土壤凍結(jié)期從10月至次年的5月，土壤以棕色針葉林土(表潛棕色針葉林土)為主，表層枯枝落葉厚度達(dá)5～8 cm，并且由于滯水性強，土壤在生長季處于濕潤狀態(tài)。

2 材料與方法

2.1 模擬增溫試驗

國際凍原計劃(ITEX)的模擬增溫試驗是研究氣候變暖與陸地生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系的重要方法之一，目前最常使用的增溫方法就是開頂室(OTC)。OTC增溫裝置的最大優(yōu)勢就是成本低、方法便捷、易重復(fù)、干擾低，可以適用長期的野外觀測試驗。

本文基于此方法，在內(nèi)蒙古大興安嶺杜香-興安落葉松林內(nèi)安裝了模擬增溫的野外試驗平臺，在林內(nèi)選取地形、植被相對比較一致的生境，設(shè)置3個10 m×10 m的樣方，每個樣方靠近中心位置設(shè)置一個開頂式溫室作為增溫處理，增溫裝置是以聚碳酸酯(透光率為90%)為制作材料的八面體開頂式溫室，其規(guī)格為底部直徑2.75 m，頂部直徑1.50 m，高2.42 m。在每個樣方內(nèi)設(shè)置OTC增溫處理的對照小區(qū)。該試驗布設(shè)增溫與對照兩個處理，每個處理3次重復(fù)。

2.2 土壤和空氣溫濕度測定

在試驗樣地架設(shè)和安裝HOBO、Watchdog小型氣象站，可以連續(xù)觀測開頂室內(nèi)外土壤及空氣溫濕度，并且分別在室內(nèi)外地上1.5 m、地下5、10、15、20 cm處安置溫濕度傳感器，自動監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集頻率1次/h。本文研究模擬增溫及對照環(huán)境下2019年11月—2020年10月的土壤和空氣溫濕度的相應(yīng)變化情況。

2.3 數(shù)據(jù)處理

將采集到的空氣、土壤溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，分析模擬增溫和對照處理下空氣與不同土層(5、10、15、20 cm)土壤濕度和土壤溫度的年變化、月變化以及晝夜變化趨勢以及不同處理間的差異顯著性。數(shù)據(jù)采用Sigmaplot 12.5軟件作圖，采用SPSS 23.0對模擬增溫和對照處理下的土壤和空氣溫濕度進(jìn)行單因素方差分析和相關(guān)性分析，統(tǒng)計極顯著水平為P<0.01，顯著水平為P<0.05。

3 結(jié)果與分析

3.1 模擬增溫處理下土壤與空氣溫度的變化

3.1.1 土壤與空氣溫度年變化

由表1可知，模擬增溫和對照處理下，土壤溫度總體變化趨勢相同，均表現(xiàn)為“先上升后下降”，且各層土壤溫度間無顯著差異；不同溫度處理下空氣溫度有顯著差異。模擬增溫處理下，5、10、15、20 cm土層溫度均高于對照，且土壤溫度年均變化較對照依次增高1.18、1.83、1.69、1.29 ℃。綜上，模擬增溫有利于提高10～15 cm的土壤溫度。空氣年均溫度在增溫處理下同樣高于對照，為1.18 ℃。

表1 增溫處理下土壤與空氣溫度年變化 ℃

3.1.2 土壤與空氣溫度月變化

由表2可知，模擬增溫和對照處理下，不同深度(5、10、15、20 cm)的土壤溫度變化趨勢一致，均表現(xiàn)為“先下降后上升”的變化規(guī)律。模擬增溫和對照處理下，5、15 cm土壤溫度在各月間無顯著差異；10 cm土壤層中，模擬增溫與對照在5、8、9、10月間具有顯著性，且8月土壤溫度最高；20 cm土壤層中，在9月具有顯著性。試驗期間增溫處理土壤各層溫度均高于對照，因而開頂式溫室改變了凍土區(qū)的土壤溫度。從溫度的動態(tài)變化分析，7—9月的土壤各層溫度最高，12月—翌年2月的溫度最低。5、10、15、20 cm的土壤溫度在增溫處理下均高于對照。模擬增溫處理下，在4個土壤層中，8月溫度最高，分別為12.58、14.97、14.30、11.25 ℃。4月和10月土壤溫度在增溫與對照處理下的差異較大。

表2 增溫處理下土壤與空氣溫度月變化 ℃

模擬增溫處理下的空氣溫度與對照的變化趨勢一致，均表現(xiàn)為“先下降后上升”的趨勢，并且增溫處理下的空氣溫度始終高于對照。模擬增溫處理下，空氣溫度在2019年12月和2020年8月與對照呈顯著差異。增溫處理下，7月空氣溫度最高，為19.54 ℃，12月空氣溫度最低，為-27.81 ℃；對照處理下，7月空氣溫度最高，為18.03 ℃，12月空氣溫度最低，為-28.67 ℃?？諝庠缕骄鶞囟容^對照提高1.05 ℃，4月空氣溫度在對照和增溫處理下差異較大。

3.1.3 土壤與空氣溫度晝夜變化

由表3可以看出，5、10、15、20 cm土壤溫度晝夜變化均表現(xiàn)為“先增高后降低”的趨勢，且白天的土壤溫度均大于夜間。春季，模擬增溫處理下，無論白天夜間，5 cm的土壤溫度最高，且顯著高于其他土層；對照處理下的土壤溫度無顯著差異。夏季，對照處理下，20 cm的白天土壤溫度最低，且顯著低于其他土層，其余處理下的土壤溫度并無顯著差異。秋季，模擬增溫處理下，無論白天夜間，5、10 cm土壤溫度間具有顯著差異；對照處理下，各層土壤溫度間無顯著差異。冬季，對照處理下，5 cm的白天土壤溫度最低，且顯著低于其他土層；其余處理下的土壤溫度無顯著差異。春季、秋季、冬季，模擬增溫和對照處理下，白天夜間的各層土壤溫度無顯著差異；在夏季，對照處理下，白天和夜間的10 cm土壤溫度之間具有顯著差異。在模擬增溫和對照處理下，白天夜間空氣溫度在四季都有顯著性。從地下5和10 cm土壤溫度變化分析，增溫后的白天土壤溫度高于對照，均在夏季達(dá)到最大，為12.85和13.82 ℃。15與20 cm土壤溫度在夏季的白天和夜間均是增溫高于對照，白天溫度分別為13.03、9.73 ℃，比對照高0.89和0.29 ℃；夜間溫度為11.52和9.19 ℃，分別比對照高1.92、0.26 ℃。地下5和10 cm土壤溫度，受增溫影響較大，但總體上模擬增溫和對照處理的土壤各層次晝夜增溫效果相差不大，增溫幅度基本一致。

表3 增溫處理下土壤與空氣溫度晝夜變化 ℃

3.2 模擬增溫處理下土壤與空氣濕度的變化

3.2.1 土壤與空氣濕度年變化

由表4可知，在模擬增溫和對照處理下，土壤濕度隨土層深度呈現(xiàn)“持續(xù)升高”的趨勢。模擬增溫和對照處理下，20 cm的土壤濕度最高，且顯著高于其他土層；增溫處理下，15 cm的土壤濕度與其他3個土層之間有顯著差異；模擬增溫和對照處理對空氣濕度無顯著差異。OTC內(nèi)土壤濕度在5、10、15、20 cm處較CK分別降低了2.31%、1.85%、1.14%、5.07%，空氣濕度降低了2.15%。

表4 增溫處理下土壤與空氣濕度年變化 %

3.2.2 土壤與空氣濕度月變化

由表5可以看出，土壤各層濕度的月變化狀態(tài)。在5、10、15、20 cm的土層中，無論增溫與否，土壤濕度總體變化趨勢一致，均顯現(xiàn)為“非生長季變化波動較小，生長季變化波動較大”。在5、10 cm土壤層中，模擬增溫與對照在各月間無顯著差異；15 cm土壤層中，在12月具有顯著性；20 cm土壤層中，在4、8、10月間具有顯著性。土壤各層濕度總體呈升高的趨勢。對照處理下，土壤各層濕度均高于OTC內(nèi)相同土層的土壤濕度。模擬增溫處理下5、10和20 cm土層的土壤濕度與對照相比差異變化明顯。

表5 增溫處理下土壤與空氣濕度月變化 %

空氣濕度的月變化情況。無論增溫與否，空氣濕度的變化基本保持一致，呈“先降低后增高”的趨勢。模擬增溫與對照處理在各月份間無顯著性。增溫處理下，空氣濕度在8月達(dá)到最高，為88.18%，在4月最低，為46.91%；對照處理下，8月空氣濕度最高，為90.06%，4月空氣濕度最低，為48.24%。與對照相比，增溫處理下空氣月平均濕度降低了2.9%。

3.2.3 土壤與空氣濕度晝夜變化

春季，模擬增溫處理下，無論白天夜間，20 cm的土壤濕度最高，且顯著高于其他土層；對照處理下的土壤濕度無顯著差異。夏季，模擬增溫和對照處理下，夜間的15、20 cm土壤濕度與5、10 cm間具有顯著性；20 cm土壤濕度在白天最高，且與5 cm間具有顯著性。秋季，模擬增溫和對照處理下，無論白天夜間，20 cm土壤濕度最高，且顯著高于其他土層。冬季，模擬增溫處理下，20 cm土壤濕度在白天夜間均為最高，且顯著高于其他土層；對照處理下，5、20 cm土壤濕度間具有顯著差異。四季，模擬增溫和對照處理下，白天夜間的各層土壤濕度無顯著差異。春季、夏季、秋季不同處理間的白天夜間空氣濕度有顯著差異。

在白天，OTC內(nèi)空氣濕度都處于降濕狀態(tài)，其中秋季降濕最明顯，為5.91%；在黑夜，CK內(nèi)空氣濕度在各月份都在增加，其中秋季增濕最明顯，為5.71%。從土壤濕度的晝夜變化分析，5、10、15、20 cm土壤濕度的降濕效果不同，但在模擬增溫和對照處理下的變化趨勢一致。對照處理下，各層土壤濕度均在秋季夜間達(dá)到最大，分別為8.34%、8.97%、20.04%、32.47%。

表6 增溫處理下土壤與空氣濕度晝夜變化 %

3.3 土壤溫濕度耦合關(guān)系

對全年土壤溫濕度進(jìn)行對比分析，通過圖1、2雙Y軸可知，不論增溫與否，土壤各層溫、濕度在2019年11月—2020年10月1 a間的變化趨勢一致，進(jìn)入凍結(jié)期后，土壤溫、濕度總體保持在相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)；在6—9月，土壤溫濕度呈現(xiàn)相反的變化趨勢，即當(dāng)溫度上升時，濕度下降；在春、秋過渡時期，土壤溫濕度的變化明顯，秋季向冬季過渡時，土壤溫濕度呈明顯降低趨勢，之后冬季向春季過渡時，土壤溫濕度呈明顯升高趨勢，土壤進(jìn)入解凍期。

圖1 OTC模擬增溫室外土壤溫濕特征

圖2 OTC模擬增溫室內(nèi)(T)土壤溫濕特征

4 討論與結(jié)論

4.1 模擬增溫對土壤和空氣溫濕度的影響

開頂室(OTC)對于研究高海拔地區(qū)自然環(huán)境條件下土壤對全球變暖的響應(yīng)是便捷的工具[18]。本研究發(fā)現(xiàn)模擬增溫對高寒凍土區(qū)不同土層土壤、空氣溫濕度都有一定的影響。模擬增溫能夠顯著提高OTC內(nèi)氣溫[8]。5～20 cm的土壤溫度較對照依次增加了1.18、1.83、1.69、1.29 ℃，對10～15 cm土層溫度的增溫幅度明顯；同時,增溫處理導(dǎo)致土壤濕度顯著下降，與對照相比，5～20 cm土壤濕度分別降低了2.31%、1.85%、1.14%和5.07%，說明開頂室內(nèi)土壤溫度高于室外，土壤濕度低于小室外[14，19-22]。劉美、馬志良[23]研究發(fā)現(xiàn)：利用開頂式增溫箱模擬增溫使青藏高原高寒灌叢大氣溫度與土壤溫度增加，土壤濕度降低。

4.2 模擬增溫對增溫幅度大小的影響

開頂室增溫幅度易受自然條件限制[24],例如太陽輻射強弱能夠明顯影響其增溫幅度的大小，在高海拔地區(qū)，如極端低溫、暴雨等極端天氣會造成數(shù)據(jù)的差別。研究結(jié)果顯示，在不同月份模擬增溫的效果不同，試驗地最高溫度出現(xiàn)在7—8月份，8月中旬之后隨氣候變冷，這一時段溫度增加緩慢。本研究發(fā)現(xiàn)土壤和空氣晝夜增溫幅度隨著月份的不同呈現(xiàn)出不規(guī)則的分布規(guī)律，在炎熱的月份增溫幅度迅速遞增，隨著天氣逐漸變冷，增溫幅度也隨之減小，這也與自然條件的變化有關(guān)。另外，增溫幅度與植物生長狀況有關(guān)，OTC內(nèi)各層土壤溫度在生長后期增溫不明顯，這可能的原因是在OTC內(nèi)植物生長速度較快，植被覆蓋面積大，太陽輻射到地面的熱量變少，以至于熱量無法從地表傳導(dǎo)到更深層的土壤中，造成溫度相對較低。對照樣地和OTC內(nèi)的植物種類和植被遮蓋度有差別，也會對數(shù)據(jù)造成影響。

4.3 影響土壤溫濕度的主要因素

影響淺層土壤溫度升高或降低的兩個主要因素是蒸發(fā)和降水[25]。早有前人在亞高山草甸短期增溫試驗中發(fā)現(xiàn)，土壤含水量會在溫度最高的時段里，由于土壤蒸發(fā)作用而達(dá)到最低值[26]；姜炎彬等[27]在藏北高寒草甸短期增溫試驗發(fā)現(xiàn)，由于溫度增高，土壤水分的蒸發(fā)，使得土壤含水量降低；王軍等[28]在紫花針茅草原試驗中也得到了相同的結(jié)論，本文通過分析土壤溫濕度耦合關(guān)系發(fā)現(xiàn)，在溫度最高的時段里，土壤濕度也有明顯下降趨勢。另外，李巖[29]、王瑞[30]等研究也發(fā)現(xiàn)增溫處理下土壤濕度降低。另外，在本研究中，受日照影響，白天的土壤濕度要低于夜間，可能是由于植物生長需水和土壤水分蒸發(fā)較強烈導(dǎo)致。秋季雨水較多，土壤濕度相較于其他季節(jié)變化較為舒緩，也不難看出溫度較低時，模擬增溫作用對土壤濕度的影響更為明顯。此外，在寒溫帶半濕潤氣候區(qū)，降水是土壤水分的主要來源，當(dāng)降水入滲保留在土壤表層中的水量超過蒸發(fā)量時，土壤水分增加。根河市地處大興安嶺北段，6月開始進(jìn)入生長季，9月植物開始枯黃，每年降雨集中在7—8月，降雨增加了土壤含水量，尤其是表層土壤增加明顯，影響表層及深層土壤水分的變化，增溫使植物更加適宜生長，發(fā)達(dá)的根系使土壤水分聚集。另外，由于興安落葉松林以及地表腐殖質(zhì)的截留作用，從而表現(xiàn)出不同土層水分變化的差異。

大興安嶺是我國北方生態(tài)屏障，對于維持國家生態(tài)安全、調(diào)節(jié)氣候穩(wěn)定等方面具有重要的意義。本研究雖然僅在大興安嶺凍土區(qū)研究了大氣和土壤溫濕度對模擬增溫的響應(yīng)機制，但對進(jìn)一步探討土壤溫濕與氣候因子之間的耦合機制奠定了理論基礎(chǔ)，對探討未來氣候變化背景下土壤溫濕對氣候變化的響應(yīng)作用有重要意義。

本研究利用開頂式增溫箱模擬在大興安嶺地區(qū)的增溫試驗，增溫降濕效果與大多數(shù)學(xué)者的研究結(jié)論一致。但因各種增溫裝置在不同區(qū)域的局限性以及各裝置對增溫降濕效果的不同，所以本研究數(shù)據(jù)具有一定的局限性。因此，在今后的研究中，將不斷進(jìn)一步充實和完善該方面的數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)手段進(jìn)行更加深入的研究。

本研究中模擬增溫和對照處理下，20 cm的土壤濕度最高，且顯著高于其他土層；空氣年均溫度間有顯著性。模擬增溫和對照處理下，夏季夜間的15、20 cm土壤濕度與5、10 cm間具有顯著性；5、10 cm土壤溫度在秋季具有顯著差異。與對照相比，OTC內(nèi)地下5～20 cm土壤年均溫度依次增幅1.18、1.83、1.69、1.29 ℃，地上空氣溫度增幅1.18 ℃；土壤年均濕度較CK依次降低2.31%、1.85%、1.14%、5.07%，空氣濕度降低2.15%。模擬增溫處理下，土壤濕度月變化呈現(xiàn)出生長季變化波動大，非生長季變化波動小的規(guī)律。對土壤溫濕度耦合關(guān)系分析，不論增溫與否，呈現(xiàn)出生長季變化趨勢相反，非生長季總體趨勢保持相對穩(wěn)定。