自然降雨過程對典型草原土壤水分的影響研究
——以錫林浩特為例

王海梅，侯 瓊，馮旭宇，云文麗

（內蒙古自治區(qū)生態(tài)與農業(yè)氣象中心，內蒙古 呼和浩特 010051）

自然降雨過程對典型草原土壤水分的影響研究
——以錫林浩特為例

王海梅，侯 瓊，馮旭宇，云文麗

（內蒙古自治區(qū)生態(tài)與農業(yè)氣象中心，內蒙古 呼和浩特 010051）

利用內蒙古錫林浩特氣象站2013—2015年生長季自動土壤水分逐時觀測數(shù)據(jù)及逐日降水量數(shù)據(jù)，分析北方典型草原降雨過程前后各層土壤水分的變化特征。結果表明，隨著雨量的增加，各層土壤水分變化規(guī)律不同。0—10 cm、10—20 cm土層土壤水分增量與降雨量之間存在二項式回歸關系，要使這兩層土壤水分穩(wěn)定增加，至少分別需要約10．0 mm、17．0 mm的降雨量；＞25．5 mm的降雨過程才能引起20—30 cm土層土壤水分的穩(wěn)定增加；29．0 mm以上的降雨過程能使30—40 cm土層的土壤水分穩(wěn)定增加；極端降水過程（70．2 mm）能引起40 cm以下土層土壤水分的穩(wěn)定增加。對5．0 mm以上降水過程的統(tǒng)計分析表明，隨著土層的加深，各層平均土壤水分增量呈減少趨勢，60 cm以下土層土壤水分受天然降水的影響較小。

自然降雨過程；土壤水分；典型草原

王海梅，侯 瓊，馮旭宇，等．自然降雨過程對典型草原土壤水分的影響研究［J］．干旱氣象，2016，34（6）：1010－1015，［WANG Haimei，HOU Qiong，F(xiàn)ENG Xuyu，etal．EffectofDifferentMagnitude Rainfall Processon SoilMoisture in TypicalGrassland of Xilinhotof InnerMongolia［J］．Journal of Arid Meteorology，2016，34（6）：1010－1015］，DOI：10．11755／j．issn．1006－7639（2016）－06－1010

引 言

我國北方典型草原地處大陸性干旱、半干旱季風氣候區(qū)，水是干旱、半干旱區(qū)植被生長最大的生態(tài)限制因子，對植被恢復和長期穩(wěn)定發(fā)展有著重要影響。土壤水分是土壤—植物—大氣連續(xù)體的一個關鍵因子，它又是水循環(huán)的一個主要環(huán)節(jié)。在干旱、半干旱地區(qū)，土壤水分是控制生物群落生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能的重要因素，對氣候變化較為敏感。

天然降水是北方草原土壤水分唯一補給來源，不同的降雨量級、土壤質地、基礎土壤水分含量、植被狀況等均影響天然降水的下滲過程，從而影響植被對降雨的有效利用。近年來，國外學者就土壤水分入滲等問題做了大量研究，Richards［1］、Matsui［2［3－9］，但針對北方草原區(qū)的相關研究較少。當前牧業(yè)氣象業(yè)務服務提供雨情和土壤墑情監(jiān)測，缺乏對降雨入滲深度、速度等的深入分析［10－11］，難以基于天氣預報結論對未來土壤水分變化情況做出準確的預測服務。因此，本文利用錫林浩特自動觀測站的土壤水分逐時數(shù)據(jù)及日降雨量數(shù)據(jù)，分析天然降水過程的滲透深度及其影響因素，探索不同量級降雨過程對土壤水分的影響規(guī)律，為深入理解典型草原干旱持續(xù)及緩解特征提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況、資料及方法

錫林郭勒盟是我國最典型的草原分布區(qū)，以高原、平原為主體，平均海拔在1 000 m以上，屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，春秋短暫，夏無酷暑，冬季漫長，四季分明。年平均氣溫1～2℃，年降水量150～400 mm，由東南向西北遞減。由于地域廣闊且東西跨度較大，自然地理條件的區(qū)域差異導致該盟由西到東跨越3個地帶性植被類型（荒漠草原、典型草原、草甸草原）以及1個隱域性沙地植被類型——沙地草原，見圖1。

圖1 研究區(qū)地表土地覆蓋類型及實驗站點的位置Fig．1 The landcover types in study area and the location of experimentalmeteorological station

選取典型草原代表站錫林浩特氣象站（116．07°E，43．57°N，海拔1 030 m），利用該站2013—2015年4—9月（生長季）校準的自動土壤水分8層逐時觀測數(shù)據(jù)及逐日降水量觀測數(shù)據(jù)，采用滑動平均、相關分析等方法，分析不同量級降雨過程對土壤水分的影響規(guī)律［12－14］。日降雨量的統(tǒng)計時段為前一天20：00（北京時，下同）至當天20：00，將連續(xù)出現(xiàn)＞0．1 mm的連續(xù)降雨日視為一次降雨過程。以降雨過程開始前一天20：00土壤水分為基礎，統(tǒng)計降雨過程結束當天、后1天（24 h后）、后2天（48 h后）、后3天（72 h后）20：00土壤水分的變化情況，探討不同量級降雨過程結束后，土壤水分下滲對不同深度土層土壤的影響及其時間效應。土壤水分為體積含水率（單位：%）。

2 結果分析

2．1 不同量級降雨過程對各層土壤水分的影響

2．1．1 0—10 cm土層

由表1及圖2a可以看出，4個時段內過程雨量與0—10 cm土層土壤水分增量之間均存在二項式回歸關系，擬合方程均通過F檢驗（P＜0．01），說明過程雨量的大小決定了0—10 cm土層土壤水分增量的多寡。然而，不同時段方程的擬合效果不同，降水過程結束后24 h方程的擬合效果最佳，決定系數(shù)R2達0．749，即該擬合模型能解釋因變量74．9%的變化；隨后，隨著降雨過程結束時間的推移，模型擬合效果越來越差，到72 h后，擬合模型僅能解釋因變量52．8%的變化（表1）。從圖2a可看出，當過程雨量＜10．0 mm左右時，當天及24 h后的0—10 cm土層土壤水分增量基本為負，且隨雨量增加波動變化，無穩(wěn)定變化趨勢，而后轉為正值，且隨雨量增加顯著增大；而48 h和72 h后的土壤水分增量由負值轉為正值的拐點在15．0 mm左右。此外，隨著降雨過程結束時間的推移，土壤水分增量的波動整體逐漸增大。可見，0—10 cm土層的土壤水分受蒸發(fā)、下滲過程等水分流失的影響較大，使得該層土壤水分增量隨著降雨過程結束時間的推移存在顯著不同的變化規(guī)律。

表1 2013—2015年錫林浩特站生長季不同時段0—10 cm、10—20 cm土層土壤水分增量隨降雨量變化的擬合方程Tab．1 The fitting equations of soilmoisture increment at0－10 cm，10－20 cm depths for different time periods of the growing season with precipitation change in Xilinhot station of Inner Mongolia during 2013－2015

2．1．2 10—20 cm土層

由圖2c和表1可以看出，擬合方程均通過F檢驗（P＜0．01）。4個時期內過程雨量與10—20 cm土層土壤水分增量之間仍存在二項式回歸關系，但與0—10 cm土層相比，方程擬合效果明顯下降。表1顯示，降雨過程結束后24 h，過程雨量與10—20 cm土層土壤水分增量之間的二項式回歸關系最顯著，決定系數(shù)R2達0．555，即擬合模型能解釋因變量55．5%的變化，表明降雨過程對10—20 cm土層土壤水分的影響存在時滯效應，即降雨過程結束24 h后，土壤水分才充分下滲至10—20 cm土層，導致該層的土壤水分增加顯著；降雨過程結束后72 h和結束當天的模型擬合效果均較差，其原因是降雨過程結束當天土壤水分沒有完全下滲到該層，降雨過程結束24 h后該層土壤水分變化最大，至48 h、72 h后，隨著土壤水分進一步下滲流失，10—20 cm土層土壤水分損失明顯。另外，對比圖2a和圖2c發(fā)現(xiàn)，2個土層土壤水分增量由負轉正的拐點位置大致相同，但顯著增加的過程雨量不同，過程雨量淺層小于深層，分別在17．0、25．0 mm左右；隨著土層加深，4個時段土壤水分增量的差異減小。

圖2 2013—2015年錫林浩特站生長季0—10 cm（a、b）與10—20 cm（c、d）土層土壤水分增量（a、c）及土壤體積含水量（b、d）隨降雨量的變化Fig．2 Changes of soilmoisture increment（a，c）and soil volume water content（b，d）at0－10 cm（a，b）and 10－20 cm（c，d）depthswith precipitation change during the growing season in Xilinhot station of Inner Mongolia from 2013 to 2015

綜合圖2b和圖2d可以看出，與降雨前的基礎土壤水分狀況相比，隨著降雨過程結束時間的推移，0—10 cm和10—20 cm土層土壤水分含量總體呈下降趨勢，即降雨過程結束當天土壤水分增加最明顯，且前者的土壤水分增加量比后者顯著。

2．1．3 20—30 cm土層

由圖3可知，與0—10 cm、10—20 cm土層相比，20—30 cm土層土壤水分增量隨過程雨量變化由負值轉為正值的拐點更大，出現(xiàn)在25．5 mm附近，＜25．5 mm的降雨過程對該層土壤水分影響不明顯，土壤水分呈波動變化；＞25．5 mm的降水過程才能引起該層土壤水分的穩(wěn)定增加，且隨過程雨量的增加土壤水分增量呈顯著增加趨勢。

圖3 2013—2015年錫林浩特站生長季20—30 cm土層土壤水分隨雨量的變化Fig．3 Changes of soilmoisture increment at 20－30 cm depth with precipitation change during the growing season in Xilinhot station of Inner Mongolia from 2013 to 2015

2．1．4 30—40 cm及以下土層

經統(tǒng)計，30—40 cm土層僅受過程雨量＞29．0 mm降雨的影響，29．0 mm以下降水對該土層影響不顯著，但29．0 mm以上的降雨過程僅4次，無法用方程擬合。40—50 cm、50—60 cm、70—80 cm、90—100 cm土層變化規(guī)律一致，僅1次極端降雨過程（70．2 mm）后土壤水分明顯上升，其余降雨過程均未對以上層次的土壤水分產生穩(wěn)定影響。

2．2 各層土壤水分穩(wěn)定增加的臨界雨量

利用氣候上常用的5次滑動平均方法，先確定出第一個土壤水分增量大于0，并在其后不再出現(xiàn)土壤水分增量低于0的連續(xù)5個降雨過程值，并在以上的5個雨量中，挑選出第一個大于土壤水分增量零值的降雨過程，作為各層土壤水分穩(wěn)定增加時的臨界過程雨量。該方法穩(wěn)定性較好，為農業(yè)、氣象部門普遍使用。表2給出2013—2015年錫林浩特站生長季各層土壤水分穩(wěn)定增加的臨界過程雨量?？煽闯?，若要使0—10 cm土層在降雨過程結束當天、24 h、48 h、72 h后土壤水分穩(wěn)定增加，分別至少需要9．7 mm、9．9 mm、15．0 mm、15．0 mm的過程雨量，總體看來，隨著降雨過程結束時間的推移，該層土壤水分穩(wěn)定增加所需雨量越大，其原因是0—10 cm土層與大氣層及下層土壤間存在活躍的水分交換，下滲、蒸發(fā)等作用強烈影響該層的土壤水分含量，因此，若要該層土壤水分增加保持的時間越長，則所需過程雨量越大。10 cm以上的同一土層4個時段的土壤水分穩(wěn)定增加所需的臨界過程雨量相同；在10—40 cm深度內，隨著土層加深，同一時期土壤水分穩(wěn)定增加所需的臨界過程雨量逐漸增大。

常規(guī)的自然降水過程僅能影響40 cm以上土層，更深層的土壤僅受極端降水過程的影響。由表2可知，只有1次極端降水過程（70．2 mm）引起40 cm以下土層土壤水分的穩(wěn)定增加。根據(jù)氣象上降雨量級的規(guī)定，70．2 mm（24 h）已屬于暴雨，在干旱半干旱典型草原區(qū)，暴雨極少發(fā)生。

表2 2013—2015年錫林浩特站生長季各層土壤水分穩(wěn)定增加的臨界過程雨量（單位：mm）Tab．2 The threshold of total precipitation for soilmoisture steady increase at different depths during the growing season in Xilinhot station of Inner Mongolia from 2013 to 2015（Unit：mm）

2．3 不同降雨量級與土壤水分增量的關系

將降雨量級按區(qū)間劃分，并與不同深度土層的土壤水分增量進行相關分析（表3），可以看出，降雨過程結束當天，除0—10 cm土層外，＜10．0 mm的降雨與其余各層土壤水分增量之間存在負相關關系，且40—80 cm范圍負相關顯著；＞10．0 mm的降雨過程與0—80 cm土層土壤水分增量之間呈現(xiàn)極顯著的正相關關系（P＜0．01），且40 cm以上相關性隨著深度增加而逐漸增大，而40 cm以下正相反，表明隨著過程雨量的增加，0—80 cm土層土壤水分呈現(xiàn)增加趨勢。

降雨過程結束24 h后，＞10．0 mm的降雨過程與10—80 cm土層土壤水分增量之間呈現(xiàn)極顯著正相關關系（P＜0．01），但與表層0—10 cm土壤水分正相關不顯著，表明降雨過程結束24 h后，0—10 cm表層土壤水分受下滲或蒸發(fā)影響，土壤水分損失嚴重。此外還發(fā)現(xiàn)，30 cm及以上土層在10．0 mm以上降雨過程結束后24 h的相關系數(shù)較當天偏小，而30 cm以下土層24 h后的相關系數(shù)較當天偏大，說明隨著降雨過程結束時間的推移，深層土壤水分受下滲作用的影響逐漸增大。

降雨過程結束當天，所有過程與0—60 cm土層土壤水分增量呈極顯著正相關關系（P＜0．01），但70 cm以下土層二者之間無顯著相關關系；降雨過程結束24 h后，所有降雨過程與0—80 cm土層土壤水分增量呈極顯著正相關關系（P＜0．01），而與90—100 cm土層無顯著相關關系。另外，60 cm以上土層土壤水分增量與當天所有降雨過程的相關系數(shù)均高于24 h后的。

2．4 土壤濕度的垂直變化規(guī)律

為了分析土壤水分的垂直變化規(guī)律，以降雨過程結束24 h后為例，分析不同層次土壤水分增量隨降雨量級的變化規(guī)律（圖 4），可以看出，0—80 cm土壤各層的土壤水分均在降雨量級達到一定值后，表現(xiàn)出顯著增加趨勢，而90—100 cm土層極端降雨過程也不能影響其土壤水分；隨著土層的加深，土壤水分增量整體呈現(xiàn)降低趨勢，其中0—10 cm土層土壤水分增加最為明顯，40—80 cm土層土壤水分僅受幾次極端降雨過程影響而穩(wěn)定增加?？梢?，一般自然降雨過程（小雨、中雨、大雨）對0—50 cm土層的土壤水分含量影響比較顯著，更深層的土壤含水量變化甚微。通過對5．0 mm以上降雨過程的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm土層平均土壤水分增量最大，分別為2．9%、1．4%、0．8%、0．5%；40—50 cm和50—60 cm土層平均土壤水分增量相當，約為0．1%，而70—80 cm、90—100 cm土層平均土壤水分增量為0%，表明60 cm以下土層土壤水分受天然降水的影響較小。

表3 2013—2015年錫林浩特站生長季降雨量級與土壤水分增量的相關關系Tab．3 Correlation coefficients between rainfall and soilmoisture increment during the growing season in Xilinhot station of Inner Mongolia from 2013 to 2015

圖4 2013—2015年錫林浩特站生長季降雨過程結束24 h后土壤水分的垂直變化規(guī)律Fig．4 The vertical variation of soilmoisture increment for 24 hours after the end of the rainfall process during the growing season in Xilinhot station of Inner Mongolia from 2013 to 2015

2．5 初始土壤體積含水率對降雨過后土壤水分增量的影響

為了探討初始土壤體積含水率對降雨過后土壤水分增量的影響，以0—10 cm土層為例，將降雨過程開始前一天20：00的土壤水分含量為初始值，對比降雨過程結束24 h后土壤水分含量的變化情況（單位降雨量引起的土壤水分增量的變化）。圖5給出錫林浩特站0—10 cm土層初始土壤體積含水率對5．0 mm以上降雨過后24 h土壤水分增量的影響。可以看出，初始土壤含水率與單位降雨量引起的土壤水分增量之間存在二項式回歸關系，擬合方程為：

初始土壤體積含水率在5%～10%之間時，單位降雨量引起的土壤水分增量最大，平均每毫米降水能導致土壤體積含水率增加0．26%；初始土壤體積含水率＜5%和介于10%～15%，都不利于土壤對降雨的吸收，單位降雨量引起的土壤水分增量分別為0．18%和0．09%；土壤初始含水率＞15%時，土壤體積含水量接近飽和狀態(tài)，降雨量已不能引起土壤水分增加；而過于干燥的土壤，天然降水落到土壤表層后，由于蒸發(fā)、植被蒸騰等作用，水分散失比較嚴重，也不利用土壤水分含量的增加。

圖5 2013—2015年錫林浩特站生長季0—10 cm土層初始土壤體積含水率對土壤水分增量的影響Fig．5 The effect of initial soil volume water content on soil moisture increment at0－10 cm depth during the growing season in Xilinhot station of Inner Mongolia from 2013 to 2015

3 結論與討論

（1）要使0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm土層土壤水分穩(wěn)定增加，分別至少需要約10．0 mm、17．0 mm、25．5 mm、29．0 mm的降雨量。

（2）0—10 cm和10—20 cm 2個土層土壤水分增量與過程雨量之間均存在二項式回歸關系；20—30 cm及其以下土層，在達到各層所需臨界雨量之前，各層土壤水分隨降雨量增加呈波動變化，無明顯規(guī)律，之后，各層土壤水分穩(wěn)定增加。

（3）隨著土層加深，相同降雨過程引起各層土壤水分增量呈降低趨勢，0—10 cm土層土壤水分增加最為明顯，40—80 cm土層的土壤水分僅受幾次極端降雨過程的影響而穩(wěn)定增加。

以上分析結果將應用于內蒙古牧業(yè)氣象服務中，結合未來天氣預報的降雨過程雨量及落區(qū)，推算不同量級降雨落區(qū)的土壤水分變化，預測未來土壤墑情變化情況，從而提供更加準確的牧業(yè)氣象服務。干旱是內蒙古牧區(qū)發(fā)生最頻繁的氣象災害，研究結果的應用可為解決典型草原區(qū)干旱持續(xù)或緩解提供重要的理論依據(jù)。

所選的錫林浩特氣象站，經校驗的土壤水分數(shù)據(jù)時段為2013—2015年，由于地處干旱半干旱氣候區(qū)，平均每年生長季的降雨量約270．0 mm，降雨過程共82次，其中≥20．0 mm降雨過程14次，占總數(shù)17．07%，≥30．0 mm降雨過程5次，占總數(shù)6．10%，≥40．0 mm降雨過程僅1次，占總數(shù)1．22%，因此，能下滲至40 cm及以下土層的降雨過程數(shù)量有限，統(tǒng)計模型及相關結論因數(shù)量限制而精度有限，在以后的研究中，通過選取更多典型草原氣象站點的對比分析，輔助野外人工降雨模擬試驗等，詳細闡述各量級降雨過程對土壤水分影響，對本次結果加以驗證和修訂。

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Effect of Different M agnitude Rainfall Process on Soil M oisture in Typical Grassland of Xilinhot of Inner M ongolia

WANG Haimei，HOU Qiong，F(xiàn)ENG Xuyu，YUNWenli

（Ecological and Agricultural Meteorological Center of Inner Mongolia，Huhhot010051，China）

In order to investigate the effects of different intensity rainfall process on soilmoisture in typical steppe of Northern China，based on the hourly soilmoisture automatic observation data and daily precipitation data in Xilinhotweather station of Inner Mongolia from 2013 to 2015，the variation characteristics of soilmoisture before and after the rainfall processwere analyzed．The results showed that the variation characteristics of each layer soilmoisture at different stages after the rainfall process ended were differentwith the increase of precipitation．There was binomial regression relationship between soilmoisture increment and precipitation at 0－10 cm and 10－20 cm depth soil layers．The precipitationswere at least10．0mm，17．0mm，25．5mm and 29．0mm to cause the stable increase of soilmoisture at0－10 cm，10－20 cm，20－30 cm and 30－40 cm depth soil layers，respectively，while the extreme precipitation could cause the stable increase of soilmoisture below 40 cm depth soil layer，which indicated that the precipitation causing the stable rising of soilmoisture increased gradually with the increase of soil depth．Moreover，the average soilmoisture increment gradually decreased with the increase of soil depth during the rainfall processwith precipitation more than 5．0 mm，and thatwas almost closed to 0%at70－80 cm and 90－100 cm depth soil layers，which indicated that the effectofnatural rainfallon the soilmoisture below 60 cm depth was less．

natural rainfall process；soilmoisture；typical steppe

1006－7639（2016）－06－1010－06

10．11755／j．issn．1006－7639（2016）－06－1010

P426．68

A

2016－05－23；改回日期：2016－06－22

公益性行業(yè)（氣象）科研重大專項（GYHY201506001－3）資助

王海梅（1976－），女，博士，高級工程師，主要從事農業(yè)氣象、生態(tài)氣象科研工作．E－mail：wanghmhuhe＠126．com

侯瓊，女，碩士，研究員，主要從事草原氣象研究．E－mail：nmg－h(huán)q＠qq．com