在模拟变暖条件下，高山草甸土壤水分动态的特征及其来源

《Geoderma》：Characteristics and sources of soil moisture dynamics in alpine meadows under simulated warming conditions

青藏高原高山草甸在2023-2024年气候变暖实验中，土壤水分动态受蒸发分馏和降水补给共同调控。浅层（0-10cm）2024年土壤含水量高于2023年，但变暖处理（ZWCK）加剧了水分流失；深层（10-20cm）因优先流增强（8-9月占比达38-48%）显著增湿。同位素分析显示δ1?O和δ2H的季节性分馏特征，夏季高温导致蒸发分馏显著（SWL斜率6.64），而雨季降水稀释效应使秋季SWL趋近大气水线。恢复框架提出“遮阳降温+三级水分管理+夜间补水”策略，强调植被覆盖与土壤孔隙结构协同调控。

　　该研究围绕青藏高原地区高山草甸土壤水分的动态变化及其来源展开，通过稳定同位素追踪技术，结合实验性增温处理，对2023年至2024年的土壤水分变化进行了系统分析。研究区域位于青海湖流域的沙柳河支流，是青藏高原生态系统的重要组成部分。该地区属于高山半干旱气候，年均温约为0.1°C，年降水量约400毫米，潜在蒸发量可达1300毫米。在温暖的夏季，植物蒸腾作用显著，对土壤水分的消耗较大。

研究发现，在增温条件下，除了增温加增加降水（ZWZY）处理中的浅层土壤（0–10厘米）外，2024年的土壤水分含量在各个深度均显著高于2023年。这表明，即使在气温上升的情况下，增加的降水对土壤水分的补充作用起到了关键作用。同时，在2023年，增温处理（ZWCK）下的所有土壤层水分含量均低于对照组（CKCK），但在2024年，增温组的水分含量显著超过对照组，可能是由于降雨后测量导致的短期水分增加。这种变化趋势表明，土壤水分不仅受温度影响，还与降水的多少密切相关。

在同位素分析方面，研究发现土壤水分的δ¹⁸O和δ²H值在6月至7月期间经历了显著的蒸发富集，而在8月受到季风降雨的影响，出现同位素贫化和趋同现象。9月至10月，随着气温下降和降雨减少，同位素值再次上升，但变化幅度较小。这表明，蒸发和降水的交替作用主导了土壤水分的同位素组成变化。夏季土壤-水线的斜率（约6.64）低于当地大气降水线（约7.71），说明蒸发过程尚未达到平衡状态，而秋季降雨的迅速补充则可能稀释了之前蒸发富集的信号。

研究还通过“线条件过量”（LC-Excess）方法，进一步分析了土壤水分的来源及其在不同季节的动态变化。LC-Excess值在夏季为负，表明蒸发主导了水分变化，而在秋季则趋于正，反映出降水对土壤水分的补充作用。这种同位素变化与土壤水分的来源结构密切相关。在增温条件下，土壤水分的来源结构发生了显著变化，降水的贡献比例从对照组的46%–61%下降至增温组的29%–55%，而表层土壤水分则更多地受到上层冻土水的补充。这一发现揭示了增温对水分来源的重塑作用，特别是对表层土壤水分的影响更为显著。

进一步的分析表明，土壤水分的来源不仅受降水和蒸发的影响，还与土壤结构、植被覆盖、地下水补给以及冻土融水等因素密切相关。在增温条件下，土壤水分的来源更加依赖于表层的冻土水和降水，而深层土壤水分则受到冻土融水的显著影响。这种变化趋势可能与土壤孔隙结构的改变、植物根系对水分的吸收以及冻土层的融化有关。此外，研究还发现，在夏季和秋季，土壤水分的同位素组成变化与季节性降雨和蒸发的交互作用密切相关。这种复杂的水循环过程使得土壤水分的同位素组成呈现出显著的时空异质性。

在生态恢复方面，研究提出了一个基于增温响应的高山草甸恢复框架，包括保持植被覆盖以减少地表热负荷、多层次水管理（地表、根系层、深层土壤）以及夜间有针对性的补水措施，以缓解未来气候变化带来的不确定性。这些措施旨在增强土壤和植被的适应能力，减少因增温导致的水分流失，同时维持生态系统的稳定性。研究还强调，基于同位素数据的水管理策略，能够更准确地识别水分来源，优化水资源的分配和利用。

此外，研究指出，增温可能通过多种机制影响高山草甸的水循环过程。一方面，增温导致蒸发作用增强，从而加剧了地表水分的消耗；另一方面，增温也可能加速冻土层的融化，使深层土壤水分受到更多来自融水的影响。这种多因素耦合效应使得高山草甸的水分循环更加复杂，需要综合考虑气候、植被、土壤结构等多方面的因素。同时，研究还表明，土壤水分的来源和分布对生态系统功能具有重要影响，尤其是在高寒地区，土壤水分的动态变化可能直接影响植被的生长和碳循环过程。

通过该研究，可以更深入地理解高山草甸在气候变化背景下的水分循环机制，并为高原地区的水资源管理和生态保护提供科学依据。研究还指出，稳定同位素技术在分析土壤水分来源和迁移路径方面具有独特优势，能够有效克服传统水文观测方法的局限性。结合LC-Excess和端元混合模型（EMMA）等方法，可以更精确地评估不同水分来源对土壤水分的贡献比例，并揭示其在不同季节的动态变化。

总的来说，该研究为高寒地区土壤水分变化的机理提供了新的视角，揭示了增温对水分来源、迁移路径以及同位素组成的影响。同时，研究提出的生态恢复框架和水管理策略，对于应对未来气候变化带来的挑战具有重要意义。这些发现不仅有助于理解高山草甸生态系统的响应机制，也为相关地区的可持续发展和生态保护提供了理论支持和实践指导。