0引言 2007年IPCC［1］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．#p#分页标题#e# 1．3研究方法 为了更好的分析土壤地温变化过程及地温在活动层内的分布，本文采用一些参数来衡量分析［21］：1）不同深度的月均温度、年均温度、月极端温度及年极端温度；2）等温日、冻结日、融化日和冻融日采用小时步长观测的地温资料．等温日，日内观测的地温变化范围介于±0．5℃，该天能量主要消耗于冻结融化过程中水分的相变，即由于潜热交换而产生的“零幕层”现象；3）冻结日，地温（小时步长）皆为负值，且至少一个地温观测值低于－0．5℃，土壤正处于冻结状态；4）融化日，地温（小时步长）皆为正值，且至少一个地温观测值高于0．5℃，土壤正处于融化状态；5）冻融日，地温（小时步长）皆为皆有正负，且至少一个地温观测值低于－0．5℃或高于0．5℃，表示该日土壤存在冻融循环；6）负积温，负温的累积量；7）正积温，正温的累积量；8）总积温，温度的总累积量．积温传统上主要用于表示大气温度冻融变化的强烈程度，本文同时将其应用于地温冻融变化过程，可以用于衡量土壤能量平衡过程中的辐射强迫及潜热交换通量． 2结果与讨论 2．1增温效果 OTC－1和OTC－2与Control点相比（图2a），年平均气温分别增加了6．7℃、3．5℃，基本上属于IPCC［1］对全球气候变暖模型预测的增温幅度范围；而相对湿度都有所下降，分别比Control点低8．0％、6．2％，主要由于OTC内相对较高的气温引起的．OTC－1于11月份的增温幅度最大，1月份的增幅最小，分别为9．2℃和4．7℃；而OTC－2于6月份的增温幅度最大，1月份的增幅最小，分别为4．6℃和2．3℃．这与一些研究结果阐述的OTC使夏季气温增幅比冬季大有所差别［22］，主要是与青藏高原特有的微气候特征有关，而OTC内气温增幅是随着日照时数的变化而变化的．OTC内外的气温日变化过程分析采用8月15日的观测数据，由于该日云量较少，能较好反映OTC的增温效果．不同处理类型下夜间（21：00—08：00）气温基本趋于一致，08：00左右OTC内的气温相对于Control开始显著升高，OTC－2于10：00基本达到峰值，而OTC－1于11：00达到峰值；OTC－1和OTC－2都于19：00左右开始显著下降，于21：00基本趋于一致．可以看出OTC处理后，日间气温显著增加而夜间温度基本不变，从而导致更大的昼夜温差，这基本上与Hollister和Webber的研究结果［19，22］相一致．短期增温对高寒生态系统植被的生长发育具有显著的影响（表2），植物生长期（5—9月）内，OTC－1、OTC－2地上生物量分别是室外的1．6、2．1倍．这主要是由于OTC改善了高寒生态系统的小气候环境，一定程度上满足了植物对热量的需求，有利于植物的生长和发育，使得地上生物量增加［23］．而OTC－1内地上生物量小于OTC－2，可能是由于OTC－1相对密闭的结构使得植被受到高温胁迫，以及降水及种子的传播限制等原因造成的． 2．2增温对地表热状态的影响 从表3及图2中可以看出，不同处理类型下地表温度的季节变化特征存在较大的差别，OTC－1年平均地表温度要明显高于室外对照点，然而OTC－2与室外对照基本相当．月最低地表地温基本都表现出随着气温的增加而逐渐增高，而月最高气温及月均气温呈现不一致的规律，寒季表现为OTC－1＞OTC－2＞Control，暖季表现为OTC－1＞Control＞OTC－2．Marion等［22］的研究结果表明，越封闭的OTC增温系统，将导致更高的增温幅度及更多不必要的生态效应．这能很好解释OTC－1相对OTC－2及Control较高的气温及地温．而OTC－2地表温度与Control相当，Marion等［22］于AlexandraFjord的Salix站点也发现类似的情况．由于OTC－2的地上生物量要显著高于室外对照点（表2），即相对更高的植被覆盖率．随着植被盖度的不断增加，植被的热隔绝作用不断增强，将减少暖季向下传输的热量和寒季向上传输的热量，从而在暖季和寒季分别起到冷却和保温作用［14］．因此，在暖季（5—10月）OTC－2内地表温度甚至要略低于室外对照，寒季（11月至翌年4月）OTC－2地表温度要明显高于室外对照．不同处理类型下地表（5cm）的等温日、冻结日、融化日及冻融日数都存在一些差异（表4）．OTC－2及Control点等温日主要集中在5月和10月，前者的等温日略多于后者，而OTC－1点仅在11月出现，表明OTC－1样地仅在冻结过程呈现零幕层现象且出现的时间滞后于OTC－2及Control点．此外，随着深度的增加，不同处理类型下等温日均逐渐增多的趋势．同时，OTC－1和OTC－2点的等温日要略多于Control点，主要是由于OTC内相对较大的气温日内波动变幅．OTC－1、OTC－2及Control点地表的冻结日主要集中在11月至翌年4月，且OTC－1的冻结日明显少于OTC－2和Control，而融化日主要集中在5—10月，且OTC－1的融化日要明显多于OTC－2和Control．不同处理类型下冻结日表现出随着深度的增加逐渐增多，而融化日都明显表现出随深度的增加逐渐减少．冻融日主要分布在冻结日及融化日之间的过渡期（5月和10月），OTC－1内冻融日要明显多于室外对照，主要是由于OTC－1点在3—4月地表就存在冻融交替现象，且持续64d之久． 2．3增温对活动层土壤积温状况的影响 从图4可以看出，除了85cm深度，不同深度年负积温均表现为OTC－1＞OTC－2＞Control，呈现随着温度的增加逐渐增加的趋势．此外，可以发现OTC－1点负积温随着深度增加基本趋于一致，于－600℃•d附近波动，而OTC－2及Control点负积温绝对值随着深度的增加逐渐减少．不同深度年正积温也表现为OTC－1＞OTC－2＞Control，正积温随着深度的增加都表现为逐渐递减的趋势，从地表OTC－1年正积温要显著高于室外对照，直至深层土壤不存在显著差别．以往的研究表明［16，18］，地表正积温和负积温分别与融化深度和和冻结深度存在较好的线性相关关系．因而可以推测，OTC－1相对于室外对照，融化深度不断加深而冻结深度不断减少；而OTC－2相对于室外对照，融化深度仅略有增加．基于正负积温随深度的变化特征，可以发现OTC－1点总积温表现出随着深度增加逐渐降低，且土壤浅层（5cm、20cm深度）总积温为正值．而OTC－2及Control点总积温从地表至65cm深度存在降低的趋势，且降低幅度远小于OTC－1点，而65cm深度以下基本趋于一致，同时在整个土壤剖面中，总积温均为负值．这些现象表明，由于OTC－1的存在，是浅层土壤地温显著升高，使活动层能量循环过程发生显著改变．Marion［21］等的研究表明，越封闭的OTC增温系统，将导致更多不必要的生态效应，从而改变地气间水能的传输方式，这可能造成OTC－1内土壤热状况与OTC－2和Con－trol存在显著差异的主要原因．#p#分页标题#e# 2．4土壤温度变化过程 在一个年周期中，随着太阳辐射的周期性循环，土壤温度也完成一个周期的循环．根据冻融过程活动层能量状况的不同特征，可以将土壤的温度变化过程划分为4个阶段：完全冻结期、融化过程期、完全融化期、冻结过程期．从图5中可以看出，1）完全冻结期．当活动层完全冻结后，土壤温度开始急剧降低，随后存在一个缓慢降温期，直至活动层温度降低到最低值为止，这个过程持续到2月初左右，然后开始一个相对固定增温速率的升温过程．在整个冻结期的降升温过程中，OTC地温要高于室外对照，且其地温变化速率小于Control，这与OTC内较高植被覆盖率有关；2）融化过程期．不同处理类型下不同深度消融起始时间比较分散，随着深度增加而不断延后，主要分布在5—8月，说明高寒沼泽草甸活动层融化过程表现为单向融化特性．这主要是由于大气－土壤间及土壤内部的热传输过程导致温度传输上有较大的迟滞，距地表越深，迟滞时间越长．OTC－1、OTC－2和Control的融化锋面从地表迁移到120cm深度的时间都是100d左右，表明地温增高虽然使融化过程的起止时间不断提前，而对整个土壤剖面（5～120cm）融化过程持续时间的影响很小；3）完全融化期．活动层融化后，地温急剧升高至最高温度后，而后开始一个温度缓慢降低期，随着气温的升高，未冻结期延长，地温变化速率逐渐增大；4）冻结过程期．不同处理类型下不同深度冻结起始时间也不一致，浅层（5～40cm）及深层（85～120cm）的冻结时间早于中间层（40～85cm），表明冻结过程表现为多年冻土区特有的双向冻结性．OTC－1、OTC－2和Control整个土壤剖面（5～120cm）完全冻结需要的时间分别为40d、67d、70d，表明随着气温的升高，活动层冻结过程持续时间缩短，锋面迁移速率降低． 3结论 （1）OTC－1和OTC－2年均气温分别增加了6．7℃和3．5℃，日间气温增加显著，而夜间气温基本保持不变，从而加大了气温日较差．（2）OTC内地上生物量要显著高于室外，这可能是由于OTC改善了高寒生态系统的小气候环境，一定程度上满足了植物对热量的需求，有利于植物的生长和发育．（3）OTC－1年平均地温要明显高于室外，这主要是由于OTC－1相对封闭的环境造成的．而OTC－2地温与室外对照基本相当，具体表现为寒季要高于对照，暖季表现为低于对照，这可能是由于OTC－2内相对更高的植被覆盖率，使植被的热隔绝作用不断增强，将减少暖季向下传输的热量和寒季向上传输的热量，从而在暖季和寒季分别起到冷却和保温作用造成的．（4）OTC－1总积温随着深度的增加不断降低，且在5cm、20cm深度总积温为正值，而OTC－2和Control在土壤浅层略有降低，65cm深度以下基本趋于一致．