水分脅迫對半干旱典型草原土壤水分變化特征的影響

侯 瓊，苗百嶺，王英舜，董春麗

(1.內(nèi)蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古氣象科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林浩特國家氣候觀象臺，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

引 言

土壤水分是植被生長的基礎(chǔ)，草原生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性在很大程度上依靠于土壤水分的平衡[1]。隨著氣候變暖、降水極端事件增加，旱澇災(zāi)害發(fā)生頻繁，降水格局的變化導(dǎo)致土壤水分狀況改變，對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生顯著影響，嚴(yán)重威脅著草原生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)和畜牧業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。典型草原是歐亞草原區(qū)東端的一種優(yōu)勢草原類型，位于半干旱氣候區(qū)，是我國溫帶最重要的牧場。水分是半干旱草原的主要限制因子，降水是主要甚至是唯一的水分獲得途徑，對生態(tài)系統(tǒng)的影響主要通過土壤水分的變化來實現(xiàn)，土壤水分的變化進(jìn)一步調(diào)控生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[2-3]。與其他生態(tài)系統(tǒng)相比，半干旱草原生態(tài)系統(tǒng)對水分的變化更為敏感[4]，作為水循環(huán)和能量循環(huán)的重要組成部分，土壤水分的研究在干旱半干旱地區(qū)的陸面過程和陸氣相互作用中占有重要地位[1]。半干旱典型草原降水稀少，土壤包氣帶較厚，土壤含水量較低，水文地質(zhì)參數(shù)變化小且難以確定，包氣帶土壤水分平衡極易受地表植被以及人類活動的影響[5-6]。加之降水量年際波動較大且蒸發(fā)作用強烈，植被生長易受水分脅迫的影響[7]，導(dǎo)致干旱災(zāi)害經(jīng)常發(fā)生，因此，及時判別干旱發(fā)生時間和程度就成為抗旱防災(zāi)的重要內(nèi)容。

土壤水分的大小不僅決定植被的生長狀態(tài)，同時也是表征干旱化程度的重要變量，可作為衡量干旱程度的重要指標(biāo)，其時空分布規(guī)律既影響植物根系分布和生長，又影響土壤干旱指標(biāo)的確定[8]。有關(guān)氣候變化背景下土壤水分變化規(guī)律、降水格局變化對土壤水分影響以及土壤水分監(jiān)測模擬技術(shù)等方面已取得許多有益的研究成果[9-19]，對認(rèn)識氣候與土壤水分的相互作用、干旱的影響和判定有重要幫助。然而，針對不同程度的水分脅迫對土壤水分的季節(jié)變化規(guī)律和垂直變化特征有何影響缺少系統(tǒng)分析，土壤水分閾值常用一個固定值，對季節(jié)和土層深度變化考慮不足，導(dǎo)致土壤干旱指標(biāo)在制定和實際應(yīng)用中存在粗放和模糊不清的現(xiàn)象，影響草原干旱判斷的精度和服務(wù)效果。由于草原地區(qū)土壤水分地面觀測數(shù)據(jù)較少，更缺少不同水分梯度下的觀測數(shù)據(jù)，使得深入了解土壤水分的季節(jié)和垂直變化對水分脅迫的響應(yīng)和土壤干旱指標(biāo)的確定造成了困難。本文以內(nèi)蒙古錫林浩特觀象臺2016—2017年人工水分控制試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析半干旱典型草原不同供水條件下土壤水分的時空變化特征，探討水分脅迫對土壤水分季節(jié)變化規(guī)律和垂直分布特征的影響程度，對細(xì)化土壤干旱指標(biāo)，深入理解生態(tài)干旱有重要意義，為減緩和預(yù)防干旱對草原生態(tài)的不良影響提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

錫林浩特國家氣候觀象臺野外試驗研究基地位于典型草原區(qū)的中心地帶(43°58′N、116°50′E，海拔1030 m)，屬于中溫帶半干旱大陸性氣候區(qū)，年平均氣溫2.6 ℃，年大于0 ℃積溫2972 ℃，無霜期100～120 d，年降水量286.6 mm，年蒸發(fā)量1830.9 mm，年平均相對濕度57%，年平均風(fēng)速3.5 m·s-1，年日照時數(shù)2969.8 h。地帶性植被為克氏針茅(stipakrylovii)草原群落，是典型草原代表類型之一。除了以克氏針茅和羊草(leymuschinensis)為主要建群種外，糙隱子草(cleistogenessquarrosa)、冰草(agropyroncristatum)、冷蒿(artemisiafrigida)等作為重要伴生種出現(xiàn)，土壤類型為淡栗鈣土。

試驗于2016—2017年4—9月在平坦開闊的自然放牧區(qū)開展，水分試驗場地面積1680 m2，東西長42 m，南北寬40 m，四周用網(wǎng)圍欄圍封，避免牲畜干擾，水電輸送方便，易于灌溉管理及觀測，距試驗場300 m處有一自動氣象站。整個草場地勢較為平坦，每年輕度放牧，秋季打草。年產(chǎn)草量(干重)1500 kg·hm-2，具備較好的區(qū)域代表性，能反映當(dāng)?shù)氐湫筒菰瓍^(qū)生產(chǎn)和利用狀況。

1.2 試驗設(shè)計

水分試驗場建有2500 m2(50 m×50 m)的遮雨設(shè)施，其中23 m2和7.5 m2的遮雨棚各6個，遮雨棚外設(shè)置水分適宜(充分供水)和自然降水(對照)處理小區(qū)各3個，面積25 m2，共計18個小區(qū)，圖1為試驗小區(qū)遮雨棚。

圖1 面積23 m2(a)及面積7.5 m2(b)的試驗小區(qū)遮雨棚Fig.1 The rain shelters of experimental plots with area of 23 square meters (a) and 7.5 square meters (b)

1985—2015年土壤水分觀測資料分析表明，研究區(qū)0～40 cm土層生長季平均土壤相對濕度為37.5%，土壤相對濕度在50%以上的年份僅占13.3%，土壤相對濕度在40%～50%、30%～40%和30%以下的年份分別占23.3%、46.7%和16.7%。根據(jù)土壤水分分布和干旱情況，設(shè)置4個梯度水分處理及1個自然降水(對照)處理，分別標(biāo)記為A、B、C、E、CK，其中A、B、C處理分別為降水減少100%、75%、50%，E為水分適宜，CK為自然降水。參照0～40 cm土層的相對含水量判斷水分脅迫程度，土壤相對含水量≤30%為嚴(yán)重脅迫，土壤相對含水量在30%～40%為中度脅迫，土壤相對含水量在40%～50%為輕度脅迫，土壤相對含水量在50%以上為水分適宜。水分控制方式是根據(jù)發(fā)育進(jìn)程和降水情況，從5月開始進(jìn)行遮雨控水至7月結(jié)束，同時逐旬監(jiān)測土壤水分，通過人工補水調(diào)節(jié)土壤水分，確保各處理水分梯度的差異，各處理重復(fù)3次。

1.3 數(shù)據(jù)采集和處理方法

采用TDR土壤水分速測儀定點測定土壤水分，并利用土鉆法在返青期和每月末與TDR同步測定一次，以校驗TDR的測定結(jié)果。觀測時間從返青期后10 d(5月10日)到生長期結(jié)束(9月30日)，每隔10 d測量1 次，測深1 m，每層間隔10 cm。氣象資料來源于錫林浩特國家氣候觀象臺，包括1985—2018年4—9月地面溫度、逐日降水觀測資料和0～50 cm土壤水分逐旬觀測資料。數(shù)據(jù)處理和分析采用Excel表格和SAS統(tǒng)計軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分脅迫對土壤水分季節(jié)變化的影響

圖2為2016—2017年4—9月對照小區(qū)(CK)不同深度土壤水分逐旬變化?？梢钥闯?，自然狀態(tài)下研究區(qū)土壤水分生長季內(nèi)呈現(xiàn)“高、低、高、低”變化，春季返青期水分較高，之后逐漸減少，到5月上、中旬達(dá)到最低，5月下旬土壤水分逐漸增加，7月上、中旬達(dá)最大，7月下旬因植被需水多、蒸散量大，土壤水分呈波動性下降，9月初達(dá)到最低值；秋末冬初降水雖然減少，但蒸散量減少，土壤水分下降趨緩或有所增加，這一變化規(guī)律與前期研究結(jié)果一致[10]。土層深度增加會使土壤水分變化幅度減小，如對照小區(qū)0～20 cm、0～30 cm和0～50 cm土壤水分振幅分別為5.2%、4.9%和3.2%，0～50 cm土層土壤水分變幅減小明顯，說明土壤水分的變化主要在30 cm以上土層。

圖2 2016—2017年4—9月對照小區(qū)土壤水分逐旬變化Fig.2 The 10 days variation of soil moisture of different soil layers in CK plot from April to September during 2016-2017

圖3為不同控水處理小區(qū)不同土層土壤水分逐旬變化?？梢钥闯觯置{迫會降低土壤水分年內(nèi)變化幅度，隨脅迫強度增加曲線趨于平滑，嚴(yán)重脅迫小區(qū)(A)隨時間變化基本呈現(xiàn)由高到低的變化，土壤重量含水率大多在6%～9%之間變化，其波峰與波谷相差3%，明顯低于水分適宜的5.7%。與此同時，水分虧缺加劇了土壤水分變化幅度隨土層加深而減弱的程度，與水分適宜區(qū)(CK)比較，A區(qū)0～20 cm、0～30 cm、0～50 cm土層的土壤含水量振幅分別減小4.0%、1.9%和1.0%。

圖3 2016—2017年4—9月不同控水處理小區(qū)不同土層土壤水分逐旬變化Fig.3 The 10 days variations of soil moisture of different soil layers under different water supply conditions from April to September during 2016-2017

2.2 水分脅迫對土壤水分垂直分布的影響

土壤水分隨季節(jié)變化的同時在垂直深度上也表現(xiàn)出一定的規(guī)律。圖4為2016—2017年4—9月水分適宜(E區(qū))和嚴(yán)重脅迫(A區(qū))下土壤水分垂直變化特征?？梢钥闯?，E區(qū)0～100 cm土層的土壤水分隨深度增加呈減少趨勢，30 cm以上土壤水分波動最大，深度越深變化幅度越小。春季返青期是土壤水分的高值區(qū)，4月20日除表層外，50 cm以上土壤水分明顯偏高；5月底30 cm以上土壤水分迅速減少，但下層水分接近或超過4月，說明下層仍有返漿現(xiàn)象；6月底10 cm土層水分最高，其余土層的土壤水分明顯減少；7、8月土壤水分持續(xù)緩慢減少，至9月中旬減少到最低值。這種變化規(guī)律與植被的生長和需水規(guī)律及土層的儲水量有關(guān)。6月以前因植被需水少，30 cm以上土層的土壤水分能夠滿足植物的水分需求，7、8月植物進(jìn)入需水最大時期，淺層水分難以滿足植物旺盛生長的需要，且新生根系不斷下伸，需要40 cm以下的土壤水分的補給，以滿足水分的消耗。

水分脅迫的出現(xiàn)，特別是A區(qū)嚴(yán)重的水分脅迫改變了土壤水分的垂直分布格局，由圖4(b)可以看出，與水分適宜小區(qū)比較，A區(qū)5月底前土壤水分變化最大的區(qū)域是40 cm以上，比E區(qū)深10 cm；6—9月40～60 cm土層的土壤水分也呈明顯減少趨勢，反映水分脅迫強度增加導(dǎo)致土壤水分減少向深層發(fā)展；另外，6、7月土壤水分呈現(xiàn)出緩慢減少或保持穩(wěn)定，說明當(dāng)水分脅迫發(fā)展到一定程度，或土壤水分減少到一定程度時出現(xiàn)水分停止散失，保持相對恒定的現(xiàn)象。

圖5為2016—2017年4—9月水分適宜(E)和嚴(yán)重脅迫(A)小區(qū)不同深度土壤水分變化。可以看出，表層土壤水分波動最大，20、30 cm土層土壤水分波動明顯，下層土壤水分波動逐漸減小，100 cm土層土壤水分幾乎沒有變化。其中，A區(qū)7、8月30～40 cm土層土壤含水率變化較E區(qū)明顯。

圖4 2016—2017年4—9月水分適宜(a)和嚴(yán)重水分脅迫(b)小區(qū)土壤水分垂直變化Fig.4 Vertical changes of soil moisture under water suitability (a) and severe water stress (b) condition from April to September during 2016-2017

圖5 2016—2017年4—9月水分適宜(a)和嚴(yán)重脅迫(b)小區(qū)不同深度土壤水分變化Fig.5 The variation of soil moisture of different soil layers under water suitability (a) and severe water stress (b) condition from April to September during 2016-2017

2.3 水分脅迫對較深土層土壤水分的影響

土壤水分變異系數(shù)(coefficient of variation，CV)可以反映土壤水分的穩(wěn)定程度。通過分析2016—2017年4—9月不同水分供給條件下不同土層土壤水分時間變異系數(shù)CV的垂直變化(圖6)看出，土壤水分變化在50 cm以上比較明顯，平均變異系數(shù)17.2%，越接近地表CV越大，0～20 cm的CV達(dá)到30.0%，0～30 cm為24.0%，50 cm以下CV低于10%，60～100 cm土層的平均CV僅有6.5%，且不同水分供給條件下變化不大，在1.4%～8.1%之間。土壤水分變異系數(shù)隨深度呈冪函數(shù)曲線變化，0～30 cm土層CV急劇減小，40 cm后減速變慢，進(jìn)而趨于平緩，與前述結(jié)論基本一致。

土壤水分的多寡影響變異系數(shù)的大小。水分適宜的E區(qū)CV最小，表明水分波動小，穩(wěn)定性高；脅迫嚴(yán)重的A區(qū)CV較大，特別是40～70 cm土層CV明顯偏大，說明該區(qū)域水分波動大，不穩(wěn)定性增加，水分消耗向深層發(fā)展。

圖6 2016—2017年4—9月不同控制水分處理小區(qū)土壤水分時間變異系數(shù)隨土壤深度的變化Fig.6 The variations of soil moisture variation coefficients of different soil layers under different water supply conditions from April to September during 2016-2017

2.4 水分脅迫對土壤水分季節(jié)變化和垂直分布的綜合影響

圖7為2016—2017年4—9月水分適宜(E)與嚴(yán)重脅迫(A)小區(qū)不同深度土壤水分差值變化，可以清晰地反映出水分脅迫對土壤水分季節(jié)變化和垂直分布的綜合影響。水分適宜小區(qū)各時段基本都能滿足植被水分需求，水分差異的大小主要取決于水分脅迫小區(qū)水分的虧缺程度。生長初期雖然缺水小區(qū)土壤水分供給不足，但植被需水量少，水分虧缺不明顯，隨著生長加速，植被需水量增加，土壤水分明顯不足，二者的差值增大，生長后期需水減少，差值又減小。垂直分布上以50 cm以上土壤水分變化明顯，差值普遍大于15%，50 cm之下差異多小于5%，最大差值(20%～25%)出現(xiàn)在0～30 cm土層，是根系層主要集中的區(qū)域[20]；最大值出現(xiàn)的時間在6月下旬(0～20 cm土層)和7月中旬(20～30 cm土層)，次高值(15%～20%)出現(xiàn)在6月中旬到8月中旬，6月上旬之前和8月下旬之后差異較小，在10%～15%之間，與植物群落生長發(fā)育的需水規(guī)律相吻合。

圖7 2016—2017年4—9月水分適宜與嚴(yán)重脅迫小區(qū)不同深度土壤含水率差值變化(單位：%)Fig.7 The depth-time sections of soil moisture content difference between water suitability and severe water stress (Unit: %) from April to September during 2016-2017

3 結(jié)論與討論

(1)正常年份土壤水分的季節(jié)變化具有雙峰曲線特征，春季返青和7月雨季時多處于峰值期，5月下旬和9月初多為谷底。與鄧明珊等[12]和卓嘎等[21]對青藏高原土壤濕度的研究結(jié)論“青藏高原土壤濕度呈現(xiàn)顯著的季節(jié)變化特征，一年之中出現(xiàn)兩個峰值和兩個低值階段，春季最大、夏季次之、秋季最小”基本一致。不同土層的土壤水分往往表現(xiàn)出不同的水文過程和生態(tài)功能。表層或者淺層土壤水分通常是植被生長的常用水分來源，受降水入滲和蒸散的強烈影響，而深層土壤水分通常發(fā)揮“土壤水庫”的作用[18]。典型草原區(qū)50 cm以上土層的土壤水分在垂直深度上變化明顯，特別是0～30 cm土層，60 cm以下土壤水分變化明顯減小，與李晉波等[11]的研究結(jié)果“表層土壤含水量最高，0～30 cm隨著深度增加急劇減少，30 cm以下土層含水量整體保持在較低水平”相吻合。這種變化特征的形成既受雨季變化的影響，也與植物的生長發(fā)育和耗水有關(guān)。在牧草生長初期(返青后一個月左右)因溫度低、降水少，地表蒸發(fā)和植被耗水少，土壤水分變化以表層(0～20 cm)為主，生長中期(旺盛生長期)隨溫度升高和降水增多，植被生長旺盛，需水量增加并達(dá)到最大，使土壤耗水量增加并向深層發(fā)展，50 cm以上土層土壤水分變化最為劇烈，生長末期由于降水和植被耗水均為減少狀態(tài)，土壤水分變化以30 cm以上土層較為明顯。表明植被的耗水量和耗水深度隨發(fā)育進(jìn)程而發(fā)生變化，在判斷土壤水分的供給時需要考慮季節(jié)變化和土層深度的影響。

(2)草原生態(tài)系統(tǒng)土壤水分既受降水、溫度等氣候條件影響，也受植物組成、根系分布特征等生物因素和土壤質(zhì)地的影響。陳敏玲等[9]研究指出“降水量的季節(jié)變化顯著影響錫林浩特草原0～30 cm土層的土壤水分，而對30 cm以下更深土層土壤含水量的影響較小”。也有研究認(rèn)為草地生態(tài)系統(tǒng)植物根系主要分布于淺層土壤，對深層土壤水分影響較小，20 cm以上土層的根系量可占70%～80%，40～50 cm深處的根量只占10%左右，深層土壤水分主要受土壤顆粒組成影響；隨土層深度的增加，有機質(zhì)減少，土壤質(zhì)地趨于緊實，45～60 cm常出現(xiàn)鈣基層，地下生物量呈迅速下降的趨勢[22-25]。本文得出的土壤水分主要活躍在0～30 cm土層，水分脅迫僅能影響60 cm以上土層含水量，符合研究區(qū)的氣候和植被生長特點。由此將0～20 cm、0～40 cm和0～30 cm土層的土壤水分作為典型草原區(qū)春、夏、秋不同時期供水量或干旱判別依據(jù)較為科學(xué)合理。

(3)在水分限制的生態(tài)系統(tǒng)中，土壤水分是植被恢復(fù)重建、水資源管理和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制因子[26]。水分脅迫不僅影響植被的生長發(fā)育，而且會改變土壤水分的季節(jié)變化規(guī)律，減小變化幅度，嚴(yán)重的水分脅迫還會造成土壤水分季節(jié)變化曲線失去雙峰特征而變得平滑，并使耗水向深層發(fā)展，水分變化敏感區(qū)域下伸至60～80 cm土層。水分脅迫一方面會引發(fā)下層水分的補償作用，另一方面也會促使植物根系吸收下層水分，如克氏針茅分蘗節(jié)入土深度為2～3 cm，根系集中于20 cm以上土層中，但最長的根系可以分布到55 cm，甚至更深的土層中[20]，加劇下層水分的消耗。因此，在水分脅迫與生物量及生態(tài)系統(tǒng)相互關(guān)系的研究和土壤干旱指標(biāo)閾值確定中，土層深度是不容忽視的一個因素。