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:2017-01-20 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:2017-01-20 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.

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: https://xbna.pku.edu.cn/CN/10.13209/j.0479-8023.2016.121

https://xbna.pku.edu.cn/CN/Y2017/V53/I1/171

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

参考文献 46

[1]	王连峰, 蔡延江, 解宏图. 冻融作用下土壤物理和微生物性状变化与氧化亚氮排放的关系. 应用生态学报, 2007, 18(10): 2361-2367
[2]	Cheng G, Wu T.Responses of permafrost to climate change and their environmental significance, Qinghai-Tibet Plateau. Journal of Geophysical Research, 2007, 112(F2): 93-104
[3]	Zimov S, Schuur E, Chapin F.Permafrost and the global carbon budget. Nature, 2006, 312: 1612-1613
[4]	王学佳, 杨梅学, 万国宁. 藏北高原D105点土壤冻融状况与温湿特征分析. 冰川冻土, 2012, 34(1): 56-62
[5]	杨梅学, 姚檀栋, 勾晓华. 青藏公路沿线土壤的冻融过程及水热分布特征. 自然科学进展, 2000, 10(5): 443-450
[6]	刘帅, 于贵瑞, 浅沼顺, 等. 蒙古高原中部草地土壤冻融过程及土壤含水量分布. 土壤学报, 2009, 46(1): 46-50
[7]	Sushama L, Laprise R, Caya D, et al.An RCM projection of soil thermal and moisture regimes for North American permafrost zones. Geophysical Research Letters, 2007, 34(20): 891-895
[8]	Iijima Y, Fedorov A N, Park H, et al.Abrupt increases in soil temperatures following increased precipitation in a permafrost region, central Lena River basin, Russia. Permafrost and Periglacial Processes, 2010, 21(1): 30-41
[9]	Li X, Jin R, Pan X D, et al.Changes in the near-surface soil freeze-thaw cycle on the Qinghai-Tibetan Plateau. International Journal of Applied Earth Obser-vation and Geoinformation, 2012, 17(7): 33-42
[10]	常宗强, 马亚丽, 刘蔚, 等. 土壤冻融过程对祁连山森林土壤碳氮的影响. 冰川冻土, 2014, 36(1): 200-206
[11]	伍星, 沈珍瑶. 冻融作用对土壤温室气体产生与排放的影响. 生态学杂志, 2010, 29(7): 1432-1439
[12]	Hansson K, Simunek J, Mizoguchi M, et al.Water flow and heat transport in frozen soil: numerical solution and freeze-thaw applications. Vadose Zone Journal, 2004, 3(2): 693-704
[13]	Radke J K, Berry E C.Soil water and solute movement and bulk density changes in repacked soil columns as a result of freezing and thawing under field conditions. Soil Science, 1998, 163(8): 611-624
[14]	Oztas T, Fayetorbay F.Effect of freezing and thawing processes on soil aggregate stability. Catena, 52(1): 1-8
[15]	Van B E, Prévost D, Pelletier F.Effects of freeze-thaw and soil structure on nitrous oxide produced in a clay soil. Soil Science Society of America Journal, 2000, 64(5): 1638-1643
[16]	Mastepanov M, Sigsgaard C, Dlugokencky E J.Large tundra methane burst during onset of freezing. Nature, 2008, 456(4): 628-630
[17]	Song W M, Wang H, Wang G S, et al.Methane emissions from an alpine wetland on the Tibetan Plateau: neglected but vital contribution of non-growing season. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 2015, 120(8): 1475-1490
[18]	蒲健辰, 姚檀栋, 王宁练, 等. 近百年来青藏高原冰川的进退变化. 冰川冻土, 2004, 26(5): 517-522
[19]	周幼吾, 郭东信, 邱国庆, 等. 中国冻土. 北京:科学出版社, 2000: 44-79
[20]	Yao T, Shi Y, Thompson L G.High resolution record of paleoclimate since the Little Ice Age from the Tibetan ice cores. Quaternary International, 1997, 37(2): 19-23
[21]	Liu X, Chen B.Climatic warming in the Tibetan Plateau during recent decades. International Journal of Climatology, 2000, 20(14): 1729-1742
[22]	Duan A, Wu G, Zhang Q, et al.New proofs of the recent climate warming over the Tibetan Plateau as a result of the increasing greenhouse gases emissions. Chinese Science Bulletin, 2006, 51(11): 1396-1400
[23]	Li L, Yang S, Wang Z, et al.Evidence of warming and wetting climate over the Qinghai-Tibet Plateau. Arctic, Antarctic, and Alpine Research, 2010, 42(4): 449-457
[24]	Chen H, Zhu QA, Peng CH, et al.The impacts of climate change and human activities on biogeo-chemical cycles on the Qinghai-Tibetan Plateau. Global Change Biology, 2013, 19(10): 2940-2955
[25]	Piao S, Ciais P, Huang Y, et al.The impacts of climate change on water resources and agriculture in China. Nature, 2010, 467: 43-51
[26]	王澄海, 董文杰, 韦志刚. 青藏高原季节性冻土年际变化的异常特征. 地理学报, 2001, 56(5): 523-530
[27]	高荣, 韦志刚, 董文杰, 等. 20 世纪后期青藏高原积雪和冻土的变化特征及其对气候变化的响应. 高原气象, 2003, 22( 2): 191-196
[28]	李林, 朱西德, 汪青春, 等. 青海高原冻土退化的若干事实揭示. 冰川冻土, 2005, 27(3): 320-328
[29]	赵新全. 高寒草甸生态系统与全球变化. 北京: 科学出版社, 2009
[30]	Zhao X Q, Zhou X M.Ecological basis of alpine meadow ecosystem management in Tibet: Haibei Alpine Meadow Ecosystem Research Station. Ambio, 1999, 28(8): 642-647
[31]	Wang Y H, Liu H Y, Chung H, et al.Non-growing-season soil respiration is controlled by freezing and thawing processes in the summer monsoon-dominated Tibetan alpine grassland. Global Biogeochemistry Cycle, 2014, 28(10): 1081-1095
[32]	Wang S P, Duan J C, Xu G P, et al.Effects of warming and grazing on soil N availability, species composition, and ANPP in an alpine meadow. Ecology, 2012, 93(11): 2365-2376
[33]	王绍令, 赵秀锋, 郭东信, 等. 青藏高原冻土对气候变化的响应. 冰川冻土, 1996, 18(增刊 1): 157-165
[34]	高荣, 韦志刚, 董文杰. 青藏高原土壤冻结始日和终日的年际变化. 冰川冻土, 2003, 25(1): 49-54
[35]	马柱国, 黄刚, 甘文强, 等. 近代中国北方干湿变化趋势的多时段特征. 大气科学, 2005, 29(5): 671-681
[36]	李新周, 马柱国, 刘晓东. 中国北方干旱化年代际特征与大气环流的关系. 大气科学, 2006, 30(2): 277-284
[37]	李英年, 关定国, 赵亮, 等. 海北高寒草甸的季节冻土及在植被生产力形成过程中的作用. 冰川冻土, 2005, 27(3): 311-319
[38]	吴青柏, 沈永平, 施斌. 青藏高原冻土及水热过程与寒区生态环境的关系. 冰川冻土, 2003, 25(3): 250-255
[39]	Kato T, Hirota M, Tang Y, et al.Strong temperature dependence and no moss photosynthesis in winter CO2 flux for a Kobrasia meadow on the Qinghai-Tibetan plateau. Soil Biology & Biochemistry, 2005, 37(10): 1966-1969
[40]	Teepe R, Ludwig B.Variability of CO2 and N2O emissions during freeze-thaw cycles: results of model experiments off undisturbed forest soil cores. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2004, 167(2): 153-159
[41]	Preme A, Christensen S.Natural perturbations, drying rewetting and freeze thawing cycles, and the emission of nitrous oxide, carbon dioxide and methane from farmed organic soils. Soil Biology & Biochemistry, 2001, 33(33): 2083-2091
[42]	Müller C, Martin M, Stevens R J, et al.Processes leading to N2O emissions in grassland soil during freezing and thawing. Soil Biology & Biochemistry, 2002, 34(9): 1325-133l
[43]	蔡延江, 王小丹, 丁维新, 等. 冻融对土壤氮素转化和 N2O 排放的影响研究进展. 土壤学报, 2013, 50(5): 1032-1042
[44]	Fitzhugh R D, Driscoll C T, Groffman P M, et al.Effects of soil freezing disturbance on soil solution nitrogen, phosphorus, and carbon chemistry in a northern hardwood ecosystem. Biogeochemistry, 2001, 56(2): 215-238
[45]	Herrmann A, Witter E.Sources of C and N contri-buting to the flush in mineralization upon freeze-thaw cycles in soils. Soil Biology & Biochemistry, 2002, 34(10): 1495-1505
[46]	Shilpi S, Zsofia S, Rolf S, et al.Influence of freeze-thaw stress on the structure and function of microbial communities and denitrifying populations in soil. Applied and Environmental Microbiology, 2006, 72(3): 2148-2154

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

RichHTML

PDF

PDF (翻译版)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 6

参考文献 46

相关文章 7

编辑推荐

Metrics

留言

[1]	李娟, 夏炎, 杨军. 干、湿大气环流模式中地表增温的经向分布及其机制[J]. 北京大学学报自然科学版, 2020, 56(1): 123-134.
[2]	王玥, 鄢春华, 邱国玉. 土壤温度对油松树干液流启动与停止的影响[J]. 北京大学学报自然科学版, 2019, 55(3): 580-586.
[3]	王安阔, 王娓, 曾辉. 青藏高原高寒草甸不同海拔梯度上增温和优势植物物种去除对生态系统碳通量的影响[J]. 北京大学学报自然科学版, 2019, 55(2): 299-309.
[4]	林笠, 王其兵, 贺金生. 青藏高原高寒草甸土发生季节性潜育化及其生态学意义[J]. 北京大学学报（自然科学版）, 2016, 52(6): 1161-1166.
[5]	张海宏,刘树华,韦志刚,吕世华,侯旭宏,文军,高晓清. 干旱半干旱区不同下垫面土壤温度计算方法比较研究[J]. 北京大学学报（自然科学版）, 2011, 47(6): 1025-1033.
[6]	张鹏,张宏升,杜金林,刘辉志. 科尔沁沙地地区地表温度的确定和分析[J]. 北京大学学报（自然科学版）, 2011, 47(4): 655-663.
[7]	张恩洁, 赵昕奕,张晶晶. 近50年深圳气候变化研究[J]. 北京大学学报（自然科学版）, 2007, 43(4): 535-541.