希拉穆仁草原根層土壤水分變化特征

張瑞強(qiáng)，高天明，王 健，岳征文

(1.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

希拉穆仁草原根層土壤水分變化特征

張瑞強(qiáng)1,2，高天明2，王 健2，岳征文2

(1.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

摘要：為了探明陰山北麓希拉穆仁草原土壤水分的自然變化規(guī)律，采用AZ-DT自動(dòng)水分監(jiān)測(cè)儀長期定位監(jiān)測(cè)天然草地根層土壤水分，結(jié)合降水量觀測(cè)和植被調(diào)查，分析該區(qū)域土壤水分的變化特征及其對(duì)植被的影響。結(jié)果表明，1)降水是坡面土壤水分的主要來源，由于該地區(qū)降水稀少，導(dǎo)致坡面土壤水分經(jīng)常處于體積含水量15%以下的較低水平；坡底土壤水分除降水以外還有徑流來源，徑流形成地面積水，使坡底土壤水分較高甚至經(jīng)常處于過飽和狀態(tài)。2)生長季降水量對(duì)坡面植被高度、蓋度和生物量影響明顯，但對(duì)坡底植物生長影響很小。坡底土壤通氣不良并且鹽堿化，致使植株低矮、細(xì)弱，但株叢數(shù)較多。3)由于凍融和積雪融化的影響，春季土壤水分較高且波動(dòng)劇烈，這有利于牧草返青期的水分供應(yīng)。

關(guān)鍵詞：希拉穆仁草原；土壤水分；植被

土壤水分是水循環(huán)中的重要部分，多數(shù)生態(tài)環(huán)境問題都是由于土壤水分問題而導(dǎo)致[1]。國內(nèi)外眾多研究表明，干旱半干旱區(qū)土壤水分季節(jié)動(dòng)態(tài)與降水的季節(jié)性變化基本一致[2-3]，降水格局及土壤有效儲(chǔ)水量的時(shí)空特征決定了植物水分利用策略，從而影響著整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，對(duì)植被的穩(wěn)定生長與恢復(fù)重建具有極大的限制性[4-5]。同時(shí)，許多研究也顯示，小流域尺度下的地形地貌以及土地利用方式的差異造成了土壤水分的規(guī)律性變化，間接影響植被的時(shí)空分布格局，并在一定程度上影響小氣候的變化[6-7]。近年來，我國大力發(fā)展以植被建造為主的生態(tài)環(huán)境建設(shè)，土壤水分植被承載力問題也愈加受到重視，因?yàn)檫@不僅是生態(tài)環(huán)境建設(shè)的核心問題，也是區(qū)域生態(tài)承載力研究的重要內(nèi)容[8-9]。

獲得準(zhǔn)確的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)是研究區(qū)域土壤水分植被承載力的關(guān)鍵問題之一，對(duì)于區(qū)域植被選擇和布局具有重要的實(shí)踐意義，直接關(guān)系到生態(tài)環(huán)境建設(shè)的成敗[10-11]。陰山北麓地區(qū)氣候干旱，寒冷多風(fēng)，屬于中國生態(tài)環(huán)境最差的地區(qū)，同時(shí)也是我國北方重要的生態(tài)安全屏障。但由于近年來人為和自然因素的干擾，該地區(qū)草原退化嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境惡化加劇，已嚴(yán)重威脅到了我國的生態(tài)安全，因此急需加強(qiáng)草原生態(tài)保護(hù)與建設(shè)[12-14]。本研究選取位于陰山北麓中部以克氏針茅(Stipakrylovii)為建群種的希拉穆仁草原為研究樣地，其地理位置和植被類型具有較強(qiáng)的代表性。目前基于長期觀測(cè)該地區(qū)根層土壤水分的研究報(bào)道較少。本研究旨在分析該地區(qū)根層土壤水分的變化特征及其對(duì)植被的影響，為探求該地區(qū)土壤水分植被承載力、指導(dǎo)生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供理論依據(jù)及相關(guān)參數(shù)。

1研究地區(qū)與研究方法

1.1研究區(qū)概況

希拉穆仁草原位于內(nèi)蒙古包頭市達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗東南部，地理位置41°12′-41°31′ N，111°00′-111°20′ E。地形低緩起伏，地貌多呈渾圓丘陵波狀，平均海拔1 600 m。中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，春秋季干旱多風(fēng)，夏季雨量較充沛，冬季干燥寒冷。多年平均降水量為279.4 mm，主要集中在7、8月，多年平均蒸發(fā)量為2 305 mm，年均氣溫2.5 ℃，年均日照時(shí)數(shù)3 100～3 300 h，無霜期約83 d，年均風(fēng)速4.5 m·s-1，冬春季以北風(fēng)和西北風(fēng)為主，年大風(fēng)日數(shù)為63 d，沙塵暴日數(shù)20～25 d。地帶性土壤為栗鈣土，質(zhì)地粗糙，土層厚度一般30 cm，其下的鈣積層一般厚30～50 cm。地帶性植被建群種植物為克氏針茅，伴生冷蒿(Aritimisiafrigida)、羊草(Leymuschinensis)、冰草(Agropyroncristatum)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、銀灰旋花(Convolvulusammannii)、狹葉錦雞兒(Caraganastenophylla)等多年生旱生草本和小灌木。

1.2研究方法

1.2.1樣地設(shè)置樣地設(shè)立在位于希拉穆仁草原腹地的水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所綜合試驗(yàn)基地(面積133 hm2，以下簡稱基地)。2009年春季在基地內(nèi)選取一處典型坡面(克氏針茅群落伴生羊草、冰草、糙隱子草、銀灰旋花等，坡度3°，坡向東西)，采用鐵絲網(wǎng)圍封實(shí)現(xiàn)完全禁牧。在坡中部選擇3個(gè)典型樣點(diǎn)(3次重復(fù))，3個(gè)樣點(diǎn)成三角形排列，各相距20 m，代表坡面。在坡底的平地[克氏針茅群落伴生羊草、二裂委陵菜(Potentillabifurca)、馬藺(Irislactea)等，東西寬約700 m，南北長約3 km]選擇3個(gè)典型樣點(diǎn)(3次重復(fù))，3個(gè)樣點(diǎn)呈三角形排列，各相距20 m，代表坡底。

1.2.2觀測(cè)方法土壤水分觀測(cè)：2009年5月下旬，在坡中部和坡底平地分別利用AZ-DT自動(dòng)水分監(jiān)測(cè)儀(DT80數(shù)據(jù)采集器、9個(gè)經(jīng)過烘干校正過的FDR針式傳感器)觀測(cè)土壤體積含水量。每臺(tái)AZ-DT自動(dòng)水分監(jiān)測(cè)儀觀測(cè)3個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)分別在土壤10、20和30 cm深度處布設(shè)傳感器。

土壤性質(zhì)調(diào)查：坡面和坡底均為弱石質(zhì)沙質(zhì)壤土，坡面根層土壤有機(jī)質(zhì)含量1.5%～2.5%，坡底2.2%～4%，坡底明顯高于坡面；坡面根層土壤pH值平均為7.8，坡底為8.3；坡面根層土壤含鹽量平均為0.09%，坡底為0.14%，坡底比坡面高55.6%，坡底土壤輕度鹽堿化。

降水量觀測(cè)：2009年5月下旬，在坡中部樣點(diǎn)與坡底樣點(diǎn)的中間布設(shè)一臺(tái)小型自動(dòng)氣象站用于觀測(cè)降水量。

植被調(diào)查：每年8月中旬分別在每個(gè)樣點(diǎn)設(shè)置1 m×1 m樣方3個(gè)，記錄樣方蓋度和高度，將所有植物齊地面剪掉，帶回實(shí)驗(yàn)室80 ℃烘干稱重。

根據(jù)以往觀測(cè)，該地區(qū)坡面和坡底的根層土壤田間持水量一般為25%～28%。

1.2.3計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析方法

統(tǒng)計(jì)分析方法：采用Excel和SPSS 15.0進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、制圖和回歸分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同區(qū)域根層土壤水分年際變化

希拉穆仁草原0-30 cm根層土壤于每年4月中下旬開始解凍，植物返青，10月底完全封凍，植物枯萎。表1列出了研究區(qū)2009年至2014年4月-10月坡面和坡底根層土壤水分含量及降水量情況，發(fā)現(xiàn)2009年為干旱年，2012年為濕潤年，其余年份均為中等年，研究期內(nèi)水文代表性較好。坡面根層土壤水分平均含量2009年最低，2012年最高；坡底有所不同，表現(xiàn)為2009年最低，2013年最高。每年的4-10月內(nèi)，坡底根層土壤水分平均含量高于坡面8%～72%(表1)。坡面土壤水分與4-10月降水量的回歸方程為y=0.021x+5.6，r=0.93>r0.01,40.917，F(xiàn)=25.155>F0.01(1,4)21.2，極顯著相關(guān)，回歸效果好。坡底土壤水分與4-10月降水量的回歸方程為y=0.042x+4.568，r=0.694

表1　2009-2014年(0-30 cm)根層土壤水分平均含量及降水量

2.2不同區(qū)域根層土壤水分季節(jié)變化

各年降水月分配均呈“單峰”曲線，春秋季較少，夏季偏多。2009為干旱年，最大月降水量為8月(46.8 mm)， 2010和2011年為中等年，最大月降水量分別為8月(60.1 mm)和7月(55.8 mm)，2012年為濕潤年，最大月降水量為6月(100.8 mm)，2013和2014年為中等年，最大月降水量均出現(xiàn)在7月,分別為85.3和64 mm(圖1)。相比而言，干旱年最大月降水量較少且時(shí)間較晚，濕潤年最大月降水量較大且時(shí)間較早，中等年集中于7-8月間。

各年不同區(qū)域根層土壤含水量月變化有所不同(圖1)。2009年為干旱年，坡面與坡底均呈平緩“單峰”曲線，最大值均出現(xiàn)在8月，分別為9.5%和10.4%，最小值分別為10月(7.9%)和6月(8.1%)，均處于較低水平。2010和2011年為中等年，坡面呈“雙峰”型曲線，4月和10月出現(xiàn)兩次峰值，2010年的分別為12%和16.2%、2011年的分別為14.3%和11.3%；坡底2010年呈逐漸上升曲線，由4月的8.5%逐漸增加至10月的16.6%，坡底2011年呈“雙峰”曲線，分別為6月(16.2%)和9月(19.9%)。2012年為濕潤年，坡面與坡底均呈“雙峰”曲線，4月和8月出現(xiàn)兩次峰值，坡面的分別為12.9%和19.3%、坡底的分別為17.8%和26.4%。2013年為中等年，坡面與坡底均呈“雙峰”曲線，坡面峰值分別為4月(14.3%)和7月(13.8%)，坡底峰值分別為4月(21.8%)和8月(30%)。2014年為中等年，坡面與坡底均為“雙峰”曲線，坡面峰值分別為8月(14.9%)和10月(16.1%)，坡底峰值分別為4月(20.1%)和8月(25.8%)。

總體看來，坡面和坡底土壤含水量的月變化均為干旱年“單峰”曲線、濕潤年“雙峰”曲線。在中等年，坡面和坡底的土壤水分月變化特征較為復(fù)雜，這可能與降水格局有關(guān)。

2.3不同區(qū)域根層土壤水分垂直變化

坡面和坡底不同深度土壤水分平均含量均為表層10 cm最高，其次為中層20 cm，底層30 cm最低(表2)。這說明，來自地下水補(bǔ)給的土壤水分來源微乎其微。坡面與坡底相比，各深度土壤含水量除2009年20和30 cm以及2010年20 cm略高以外，其余年份均不同程度低于坡底(表2)。這表明，坡底土壤水分除了降水以外還有非地下水形式的其它來源。

圖1　2009-2014年坡面和坡底根層土壤

年份Year坡面Slope10cm20cm30cm坡底Bottom10cm20cm30cm200911.47.86.414.96.95.8201014.89.79.516.29.67.9201114.19.78.821.113.011.8201217.312.211.726.217.415.1201314.010.310.026.318.416.4201415.311.09.625.217.015.4

各年份坡面和坡底土壤10 cm含水量通常在日降水量>10 mm后(中雨)明顯升高，變化幅度一般在20%以上，與此同時(shí)，20 cm土壤含水量也會(huì)略有升高，變化幅度一般在5%左右，30cm土壤含水量幾乎不變。當(dāng)日降水量>20 mm后，坡面和坡底各深度土壤含水量均會(huì)明顯升高，如2013年7月22日下午突降暴雨，12 h降水量45.3 mm，傍晚發(fā)生洪水，導(dǎo)致7月23日坡面平均土壤體積含水量達(dá)到26%，坡底接近40%(圖2)。坡面各深度土壤水分與4―10月降水量的回歸方程分別為：y10 cm=0.023x+8.273，r=0.92>r0.01,40.917,F=21.126>F0.05(1,4)7.709;y20 cm=0.018x+5.449,r=0.918>r0.01,40.917，F(xiàn)=22.385>F0.01(1,4)21.2;y30 cm=0.02x+3.888,r=0.919>r0.01,40.917，F(xiàn)=19.669>F0.05(1,4)7.709，相關(guān)極顯著，回歸效果好。坡底各深度土壤水分與4―10月降水量的回歸方程為：y10 cm=0.046x+9.241,r=0.697

2.4不同區(qū)域土壤水分差異對(duì)植被的影響

坡面與坡底在植被物種組成、高度、蓋度和生物量方面存在明顯差異(表3)。坡面植被以典型的旱生草本植物為主，坡底除建群種植物克氏針茅和羊草外，還分布有耐鹽堿植物二裂委陵菜和馬藺等，反映了坡底土壤的鹽堿化傾向。坡面每年的植物高度、蓋度和生物量變化很大，這主要是受降水量年際變化的影響；坡底每年變化很小，其中植被蓋度維持60%左右的較高水平，但由于植株普遍低矮、細(xì)弱，造成生物量并不高。坡面植被數(shù)量特征與4―10月降水量的回歸方程分別為：y高度=0.145x+12.418,r=0.916>r0.05,40.811,F=20.783>F0.05(1,4)7.709;y蓋度=0.002x+0.088,r=0.908>R0.05,40.811，F(xiàn)=17.716>F0.05(1,4)7.709;y生物量=1.507x+219.16，r=0.925>r0.01,40.917，F(xiàn)=23.855>F0.01(1,4)21.2，顯著或極顯著相關(guān)，回歸效果好。坡底植被數(shù)量特征與4―10月降水量的回歸方程為:y高度=0.015x+33.617，r=0.378

圖2　2009-2014年根層土壤水分日均含量及日降水量

3討論

在生長季，坡面根層土壤水分與降水量呈明顯正相關(guān)關(guān)系，并且表層10cm土壤水分高于20和30cm土層處，說明降水是研究區(qū)坡面草地根層土壤水分的主要來源，而非來源于地下水，這與其他研究者結(jié)論一致[2-3,15-17]。坡底根層土壤水分每年均高于坡面，并且與降水量相關(guān)不顯著，并且表層10 cm土壤水分高于20和30 cm說明也不是來源于地下水，其原因主要是在強(qiáng)降雨時(shí)坡面發(fā)生地表徑流，匯流至坡底形成洪水，給坡底土壤提供了額外的水分補(bǔ)充，這證明了地形通過影響地表徑流導(dǎo)致水分再分配，從而影響不同地形條件下的土壤水分[6,18]。另外，土壤性質(zhì)如質(zhì)地、鹽堿化及有機(jī)質(zhì)含量等也是影響土壤水分的重要因素[19]，坡面與坡底根層土壤雖然均為弱石質(zhì)沙質(zhì)壤土，但坡底由于有機(jī)質(zhì)含量及鹽堿程度高于坡面，使坡底根層土壤的持水性較高于坡面。綜上，坡面無額外水源補(bǔ)充，其土壤水分完全依靠降水，由于研究區(qū)氣候干旱，降水稀少，導(dǎo)致坡面根層土壤水分經(jīng)常處于體積含水量15%以下的較低水平，低于其土壤田間持水量的60%；而坡底在洪水過后，局部形成積水，特別是每年夏季降雨較多時(shí)，坡底積水時(shí)間經(jīng)常達(dá)半月以上，土壤水分經(jīng)常處于過飽和狀態(tài)，加之坡底土壤持水性強(qiáng)于坡面土壤。因此，坡底根層土壤水分高于坡面。

表3　2009-2014年坡面與坡底植被數(shù)據(jù)特征

降水季節(jié)分配是土壤水分季節(jié)波動(dòng)的主要影響因素[20-21]。雖然研究區(qū)各年份降水月變化均呈“單峰”曲線，但各年的“峰值”及其出現(xiàn)時(shí)間有所不同，如在干旱年2009年，最大月降水量出現(xiàn)在8月(46.8 mm)，在濕潤年2012年，最大月降水量出現(xiàn)在6月(100.8 mm)，兩個(gè)年份的“峰值”相差兩倍以上，在中等年，最大月降水量集中于7―8月(55～85 mm)。然而，坡面和坡底土壤水分月變化與降水月變化各年份并不完全保持一致。這主要是受每年降水格局、洪水發(fā)生時(shí)間及土壤前期含水量差異的影響，該方面還需進(jìn)一步深入研究。

研究表明，植物生長與土壤水分呈明顯正相關(guān)關(guān)系[22-24]，本研究在坡面證實(shí)了這一點(diǎn)。但坡底有所不同，這主要是因?yàn)槠碌子捎诤樗伴L時(shí)間積水造成土壤通氣狀況較差，影響植物生長，造成植株低矮、細(xì)弱，但這反而使得每種植物的株叢數(shù)較多，導(dǎo)致生物量并不高但植被蓋度較高。

研究區(qū)每年4月雖然降水稀少，但此時(shí)的坡面和坡底均維持較高的土壤含水量，并且波動(dòng)劇烈，這主要與凍融作用導(dǎo)致的土壤水分運(yùn)動(dòng)和積雪融化有關(guān)[25-26]。此時(shí)正值牧草返青期，這有利于牧草返青期的土壤水分供應(yīng)。

4結(jié)論

坡面與坡底的根層土壤水分在對(duì)降水的響應(yīng)、年際和季節(jié)變化特征、垂直分布規(guī)律及對(duì)植被的影響等方面存在差異。降水是坡面根層土壤水分在生長季內(nèi)的唯一來源，由于希拉穆仁草地區(qū)氣候干旱，降水稀少，導(dǎo)致土壤水分經(jīng)常處于15%以下的較低水平。坡面植被群落高度、蓋度和生物量等數(shù)量特征與生長季降水量呈明顯正相關(guān)關(guān)系。坡底土壤水分在生長季內(nèi)除降水以外還有徑流來源，徑流形成地面積水，使坡底土壤水分較高甚至經(jīng)常處于過飽和狀態(tài)。由于土壤通氣不良并且鹽堿化，使植物生長受到限制，植株低矮、細(xì)弱，生物量并不高但株叢數(shù)較多。降水對(duì)坡底植被生長的影響很小。由于凍融作用和積雪融化的影響，每年4月坡面和坡底土壤水分均較高，且波動(dòng)劇烈，這有利于牧草返青期的土壤水分供應(yīng)。

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(責(zé)任編輯王芳)

Soil moisture characteristics of root zone on Xilamuren grassland

Zhang Rui-qiang1,2, Gao Tian-ming2, Wang Jian2, Yue Zheng-wen2

(1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China;2.The Institute of Water Resources for Pastoral Areas, Hohhot 010020, China)

Abstract:In order to explore the natural variation laws of soil moisture in Xilamuren grassland, north Yinshan Mountains, AZ-DT automatic soil moisture monitor was used to monitor the soil moisture of root zonewith long-term period. Soil moisture, in combination with rainfall observation and vegetation survey, was applied to analyze local soil moisture variation characteristics and its impact on vegetation. The results of this study showed rainfall was the only source of soil moisture of the slope soil and was often below 15% due to rare rainfall. However, soil moisture at slope bottom come from runoff resources and rainfall, and was higher than that of slope soil, which led the soil moisture to be saturation condition. Rainfall significantly affected the height, coverage and biomass of plant community in slope soil, however, did not affect on those of plant community in slope bottom. The plant community in slope bottom is low and thin but large number because poor ventilation and salinization of slope bottom soil was not beneficial to plants growth. The soil moisture of the slope and the bottom was higher and the fluctuation was severe in spring season every year due to freezing thawing and snow melting, which was helpful to grassland regreen with enough water supply.

Key words:Xilamuren grassland; soil moisture; vegetation

DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0367

*收稿日期：2015-06-29

基金項(xiàng)目：中國水利水電科學(xué)研究院科研專項(xiàng)(節(jié)基本科研1556)；國家自然科學(xué)基金(41301302，31400482);水利部“948”項(xiàng)目(201402)

通信作者：高天明(1981-)，男(蒙古族)，內(nèi)蒙古赤峰人，工程師，碩士，主要從事草地生態(tài)研究。E-mail：zaohuer@163.com

中圖分類號(hào)：S812.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-0629(2016)5-0878-08*1

Corresponding author:Gao Tian-mingE-mail：zaohuer@163.com

張瑞強(qiáng),高天明,王健,岳征文.希拉穆仁草原根層土壤水分變化特征.草業(yè)科學(xué),2016,33(5)：878-885.

Zhang R Q,Gao T M,Wang J,Yue Z W.Soil moisturecharacteristics of root zoneon Xilamuren Grassland.Pratacultural Science，2016,33(5)：878-885.

接受日期：2016-01-19

第一作者：張瑞強(qiáng)(1964-)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事草地水土保持與節(jié)水灌溉研究工作。E-mail：zrqabc@163.com