温暖化加剧青藏高原高寒草甸土非生长季冻融循环

doi:10.13209/j.0479-8023.2016.121

北京大学学报自然科学版 ›› 2017, Vol. 53 ›› Issue (1): 171-178.DOI: 10.13209/j.0479-8023.2016.121

温暖化加剧青藏高原高寒草甸土非生长季冻融循环

林笠¹, 王其兵², 张振华^3,^†(), 贺金生^1,^3,^†()

1. 地表过程分析与模拟教育部重点实验室, 北京大学城市与环境学院生态学系, 北京 100871
2. 植被与环境变化国家重点实验室, 中国科学院植物研究所, 北京 100093
3. 高原适应与进化重点实验室, 中国科学院西北高原生物研究所, 西宁 810008

收稿日期:2015-08-09 修回日期:2015-10-06 出版日期:2017-01-09 发布日期:2017-01-20
通讯作者: 张振华,贺金生
基金资助:
国家重点基础研究发展计划和重大科学研究计划(2014CB954003, 2014CB954004)和国家自然科学基金(31300415)资助

Warming Enhances Soil Freezing and Thawing Circles in the Non-growing Season in a Tibetan Alpine Grassland

Li LIN¹, Qibing WANG², Zhenhua ZHANG^3,^†(), Jinsheng HE^1,^3,^†()

1. Key Laboratory for Earth Surface Processes (MOE), Department of Ecology, College of Urban and Environmental Sciences, Peking University, Beijing 100871
2. State Key Laboratory of Vegetation and Environmental Change, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093
3. Key Laboratory of Adaptation and Evolution of Plateau Biota, Northwest Institute of Plateau Biology, Chinese Academy of Sciences, Xining 810008;

Received:2015-08-09 Revised:2015-10-06 Online:2017-01-09 Published:2017-01-20
Contact: Zhenhua ZHANG,Jinsheng HE

摘要/Abstract

摘要：

在2013年10月至次年4月, 首次利用微根管直接观测和土壤温度间接观测相结合的方法, 研究增温对青藏高原高寒草甸土壤冻融循环过程的影响。结果显示: 1) 全年增温和冬季增温均显著增加非生长季 5, 10, 20 cm 的土壤温度, 而且冬季增温处理下的 5~20 cm土壤非生长季月平均温度比全年增温处理下的高0.01~0.18^oC; 2) 全年增温和冬季增温显著降低了完全冻结期和冬春解冻期的冻土层厚度, 而对秋冬始冻期的冻土层厚度没有影响; 3) 全年增温和冬季增温显著减少了完全冻结期的持续天数和增加冬春解冻期的持续天数, 而对秋冬始冻期的持续天数没有影响; 4) 冬季增温比全年增温对冻土层厚度和冻融循环持续天数的影响更加显著。研究表明, 在青藏高原高寒草甸气候温暖化的趋势下, 非生长季土壤冻融交替天数的增加, 可能会进一步对高寒地区的地下碳氮循环产生重要的影响。

关键词: 冻土层, 冻融过程, 土壤温度, 增温

Abstract:

Seasonal freezing and thawing process occurs in the non-growing season in the alpine grassland on the Tibetan Plateau. However, it is still unclear that how warming would affect this process in the alpine zone. From October 2013 to April 2014, the research used minirhizotron directily and soil temperature indirectly to investigate the effects of warming on the freezing and thawing process. The results showed that, warming significently increased soil temperature at the depths of 5, 10 and 20 cm, and soil temperatue in the winter warming plots was 0.01-0.18^oC higher than that in the annual warming plots. Wamrming significantly decreased the depth of soil frozen layer in the frozen period and thawing period of winter spring, but had no effect on the the depth of soil frozen layer in the thawing period of fall-winter. It is due to warming-induced redution on soil miosture. Warming significantly reduced lasting days of frozen period and increased lasting days thawing period of winter-spring, and did not affect the lasting days of freezing period of fall-winter. Effects of winter warming on frozen soil depths and lasting days were much greater than annual warming. The reults suggest that the enhanced freezing and thawing circles with a warming trend may subsequently affect soil carbon (C) and nitrogen (N) in this region.

Key words: frozen layer, freezing and thawing process, soil temperature, warming

中图分类号:

S154

林笠, 王其兵, 张振华, 贺金生. 温暖化加剧青藏高原高寒草甸土非生长季冻融循环[J]. 北京大学学报自然科学版, 2017, 53(1): 171-178.

Li LIN, Qibing WANG, Zhenhua ZHANG, Jinsheng HE. Warming Enhances Soil Freezing and Thawing Circles in the Non-growing Season in a Tibetan Alpine Grassland[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, 2017, 53(1): 171-178.

图/表 6

图1 增温对非生长季(2013年10月至次年4月)气温以及5, 10, 20 cm土壤温度季节动态和平均温度的影响

Fig. 1 Effects of warming on seasonal dynamic and average values of air temperature and soil temperatures at 5 , 10, 20 cm depths over the non-growing season from October 2013 to April 2014

图2 利用微根管监测增温对冻土层厚度的季节动态的影响右侧为增温对冻土层厚度的季节动态影响的重复测量方差分析结果

Fig. 2 Effects of warming on seasonal dynamics of frozen soil layer depths using Minirhizoteon over the experimental period

表1 增温对不同土壤深度冻融发生起始日期和持续天数的影响

Table 1 Effects of warming on freezing periods and lasting days at 5, 10, 20 cm depths

土壤深度/cm	处理	秋冬始冻期		完全冻结期		冬春解冻期
土壤深度/cm	处理	起始日期	持续天数	起始日期	持续天数	起始日期	持续天数
5	对照	11月15日	10^a	11月25日	90^a	2月23日	24^b
	全年增温	11月17日	9^a	11月26日	55^b	1月20日	63^a
	冬季增温	11月18日	8^a	11月26日	54^b	1月19日	65^a
10	对照	11月23日	1^a	11月24日	109^a	3月13日	5^c
	全年增温	11月26日	2^a	11月28日	74^b	2月10日	30^b
	冬季增温	11月27日	1^a	11月28日	57^c	1月24日	49^a
20	对照	12月2日	1^a	12月3日	116^a	3月29日	1^b
	全年增温	12月15日	2^a	12月17日	46^b	2月1日	36^a
	冬季增温	12月22日	3^a	12月25日	33^b	1月27日	38^a

表2 采用微根管监测增温对不同时期冻土层厚度的影响

Table 2 Summary of one-way ANOVA for frozen soil depths under warming conditions over the experimental period

处理	不同时期冻土层厚度/cm
处理	11月10日	12月8日	1月5日	2月2日	3月3日	3月30日	4月15日
对照	0.00^a	31.38^a	38.25^a	35.88^a	27.60^a	10.33^a	0.00^a
全年增温	0.00^a	27.05^a	35.38^b	30.15^b	18.38^b	0.00^b	0.00^a
冬季增温	0.00^a	25.10^a	32.58^b	16.45^c	12.08^c	0 .00^b	0.00^a

图3 增温对不同土壤深度5 , 10, 20 cm冻融持续天数的影响不同字母表示同一冻融期的不同处理间差异显著(p<0.05)

Fig. 3 Effects of warming on lasting days of 3 stages of freezing and thawing process at depths of 5, 10, 20 cm

图4 增温对11月份5, 10, 20 cm土壤水分的影响不同字母表示同一深度的不同处理间差异显著(p<0.05)

Fig. 4 Effects of warming on soil moisture in November at depths of 5, 10, 20 cm

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温暖化加剧青藏高原高寒草甸土非生长季冻融循环

Warming Enhances Soil Freezing and Thawing Circles in the Non-growing Season in a Tibetan Alpine Grassland

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