甘肅祁連山西水林區(qū)草地土壤水勢變化特征研究

蔣志成蔣志仁趙維俊廖空太羅玉梅馮金元

（1.甘肅祁連山國家級自然保護區(qū)管理局，甘肅 張掖 734000；2.甘肅祁連山國家級自然保護區(qū)祁連自然保護站，甘肅 武威 733000；3.甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院，甘肅 張掖 734000；4.甘肅祁連山國家級自然保護區(qū)夏瑪自然保護站，甘肅 武威 733000）

在描述植被與土壤水分的相互作用過程，常用土壤含水量和土壤水勢作為土壤水分的衡量指標[1]，但土壤含水量的局限性是它只能表征一種土壤質(zhì)地下的植被與土壤水分的相互關(guān)系，無法推廣到不同性質(zhì)的土壤中，而且有關(guān)研究還表明，土壤含水量并不能作為土壤干旱程度的指標[2]；土壤水勢不受土壤質(zhì)地的影響，而且能很好的表征植物生長對土壤水分吸收利用的有效性及衡量土壤干旱程度的重要指標[3-4]。在野外定位監(jiān)測技術(shù)中，土壤水勢為量化植被對土壤水資源的利用提供了技術(shù)支撐。目前國內(nèi)許多專家和學者對不同地區(qū)分布的植被其土壤水勢進行了大量的研究，如肖恩邦等[5]對黃土高原區(qū)的人工刺槐（Robinia pseudoacacia）林的不同土層和時間的土壤水勢進行了灰關(guān)聯(lián)度分析；代建翔[6]通過對巴丹吉林沙漠區(qū)的包氣帶不同土層的土壤水勢的監(jiān)測，分析了其非飽和滲透系數(shù)的變化特征；楊曉東等[7]對新疆艾比湖濕地自然保護區(qū)荒漠河岸林的主要建群種胡楊（Populus euphratica）土壤水勢和其他因子的測定，構(gòu)建了根系水分再分配估算模型和水分再分配過程的短期模擬；傅偉等[8]對喀斯特峰叢洼地不同處理方式下的草地生態(tài)系統(tǒng)土壤水勢差異性進行了比較。但是這些研究較少涉及高緯度寒區(qū)旱區(qū)山地植被的土壤水勢研究。

位于寒區(qū)旱區(qū)的祁連山草地植被帶主要分布在陽坡、半陽坡，其所處的自然環(huán)境相對脆弱，包括降水量少、蒸發(fā)量大、人為不合理的放牧活動，加上全球氣候變化的影響，草地植被在一定程度上處于退化演替階段。因此，深入探討草地植被的土壤水分利用已成為科學管理草地植被急需解決的關(guān)鍵科學問題。目前，對祁連山草地土壤水分研究多集中在土壤含水量的變化特征研究[9-11]，而對土壤水勢變化特征的研究較少。本研究選擇位于祁連山低海拔的陽坡草地作為研究對象，利用土壤水勢測定儀測定其土壤水勢并對其土壤水勢的動態(tài)變化進行了研究，分析了土壤水勢的時間和剖面變化規(guī)律及成因，同時結(jié)合降水量觀測數(shù)據(jù)，分析土壤水勢對降水量的響應(yīng)，掌握草地覆被下的土壤水勢變化特征，為進一步研究草地植被與土壤水的相互作用研究奠定基礎(chǔ)，也為祁連山林草復合流域[9]分布的陽坡草地土壤水勢變化規(guī)律和生態(tài)環(huán)境保護提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于祁連山國家級自然保護區(qū)中段的西水林區(qū)內(nèi)。西水林區(qū)行政區(qū)域上屬甘肅省肅南縣裕固族自治縣馬蹄藏族鄉(xiāng)，地理位置為100°03′～100°23′E，38°23′～38°48′N，林區(qū)面積大小約為72 390 hm2，海 拔 落 差 較 大，海 拔 介 于2 000～4 700 m，低山丘陵區(qū)平均坡度為25°，高山地帶坡度均值為40°，整體上屬于淺山區(qū)。區(qū)內(nèi)自然條件總體上屬于大陸性山地草原氣候，其年均氣溫為5.4 ℃，年均降水量約為360 mm，年均蒸發(fā)量約為1 488 mm，植被生長期為90～150 d[12]。林區(qū)植被保護較好，覆被度高，植被類型豐富，區(qū)內(nèi)水熱條件差異較大，形成了明顯的植被垂直分布帶，從低海拔到高海拔依次分布草類荒漠帶（2 000～2 500 m）、森林草原帶（2 500～2 800 m）、森林灌叢帶（2 800～3 200 m）、亞高山灌叢草甸帶（3 200～3 500 m）、高山草甸帶（3 500～4 000 m）、高山寒漠帶（4 000～4 700 m），對應(yīng)的土壤類型依次為山地棕鈣土、山地栗鈣土、山地灰褐土、灌叢草甸土、高山草甸土、寒漠土，成土母質(zhì)主要以殘積、坡積狀母巖為主，受山地地形的影響，土壤剖面除栗鈣土外，其他土壤類型土壤剖面深度不足1 m。

2 研究方法

2.1 試驗設(shè)計

試驗選擇在祁連山森林生態(tài)站的草地氣象觀測場（100°17′18.4″E，38°34′01.0″N，海拔2 570 m）進行，場地分布的植被類型屬于森林草原帶植被類型，草本優(yōu)勢種主要有冰草（Agropyron cristatum）、蒲公英（Taraxacum mongolicum）、委陵菜（Potentilla chinensis）、南苜蓿（Medicago polymorpha）等，植被蓋度達到了85%以上，其平均高度為43 cm（2019年7月13日測定值）。土壤類型為栗鈣土，土層厚度達到了1 m以上。

2018年9月份將采購到的1臺土壤水勢測定儀布設(shè)在祁連山森林生態(tài)站草地觀測場內(nèi)，安裝前挖掘土壤剖面并劃分土層，分別在10、20、30、40 cm和60 cm土層均安裝1個探頭，隨后進行填埋，對土壤水勢進行連續(xù)測定。為避免安裝儀器開挖時土壤結(jié)構(gòu)破壞對草地植被土壤水勢值的影響，對土壤水勢值測定值進行了驗證分析，確保其測定值的準確性和合理性。本研究所采用的數(shù)據(jù)段為2019年的4月份至2019年的10月份，即土壤的解凍開始時間至土壤封凍的開始時間。

2.2 土壤水勢和大氣降水測定

土壤水勢測定采用德國生產(chǎn)的PF Meter土壤基質(zhì)勢傳感器，免維護、免除像傳統(tǒng)張力計需要注水的維護，防霜凍，具有長期的高穩(wěn)定性。傳感器每半小時測定1次水勢值（pF），其響應(yīng)精度為：pF±0.05，采用CR200數(shù)據(jù)采集器進行土壤水勢記錄，測量值不受土壤酸堿和鹽分的影響。

大氣降水數(shù)據(jù)利用該草地氣象觀測場附近已建立的氣象觀測塔的測定數(shù)據(jù)，為避免觀測數(shù)據(jù)誤差或補充數(shù)據(jù)，同時利用雨量筒進行人工觀測。

2.3 數(shù)據(jù)分析

研究中的數(shù)據(jù)分析及圖表制作均利用Excel 2016軟件來完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 草地土壤水勢的月變化

對草地不同土層的土壤水勢、大氣降水月變化與不同土層土壤水勢月均值進行了統(tǒng)計分析（圖1～3），由圖1和圖2可知，降水量主要集中在5—6月份，其次是7—9月份，4月份和10月份降水量最小，10月份的降水僅為2.0 mm。由圖3可知，10 cm土壤水勢波動最為劇烈，其次是60 cm土壤水勢也波動明顯，20、30 cm和40 cm土層的土壤水勢波動較為平緩，而且不同月份的水勢值表現(xiàn)為10 cm和60 cm土層明顯低于其他土層?？傮w上來看，10 cm土層表現(xiàn)為4—7月份水勢波動上升，水勢值變化范圍為?90.72～?15.43 kPa，8月份水勢下降且值最小，其值大小為?95.48 kPa，9—10月份水勢波動增加，水勢值變化范圍為?43.30～?34.92 kPa；20、30、40 cm和60 cm土層水勢值均表現(xiàn)為4—7月份波動上升，水勢值變化范圍分別為?38.72～?13.22、?19.22～?7.65、?41.56～?19.30、?60.21～?32.66 kPa，8—9月波動降低，水勢值變化范圍分別為?43.63～?34.50、?18.55～?13.40、?31.41～?22.51、?46.47～?38.61 kPa，10月份又上升，水勢值分別為?30.21、?13.47、?26.41、?37.69 kPa。

圖 1 大氣降水月變化圖Fig.1 Monthly variation of atmospheric precipitation

圖 2 土壤水勢月變化圖Fig.2 Monthly variation of soil water potential

3.2 草地土壤水勢的剖面變化

對草地不同深度的土壤水勢剖面變化進行了分析（圖4），由圖4可知，隨土壤深度的增加，在0～30 cm土層土壤水勢表現(xiàn)先增大，而且增大的趨勢相對緩和，其值變化范圍為?67.19～?13.76 kPa，水勢值增加了53.43 kPa；隨后在30～60 cm土層土壤水勢逐漸減小，減小的趨勢變化相對明顯其值變化范圍為?46.49～?13.76 kPa，水勢值減小了32.73 kPa；在土層深度30 cm處，出現(xiàn)明顯的拐點，土壤水勢最大，其值為?13.76 kPa。

圖 3 不同土層土壤水勢月均值Fig.3 Average monthly of soil water potential in different soil layers

圖 4 土壤水勢剖面變化Fig.4 Profile changes of soil water potential

3.3 草地土壤水勢對降水的響應(yīng)

根據(jù)國家氣象局頒布的降水強度等級劃分標準[13]，對研究區(qū)4月初至10月底的降水強度進行了統(tǒng)計分析，在81個降水日中，0.1～9.9 mm的小雨次數(shù)占77.8 %，10.0～24.9 mm的中雨次數(shù)占21.0 %，25.0～49.9 mm的大雨次數(shù)占1.2 %，試驗區(qū)降水主要以小雨為主。為分析土壤水勢對降水的響應(yīng)，本研究對連續(xù)幾天的降水事件只考慮第1天的降水，共分析了23次降水事件對土壤水勢的影響（取各土層的平均值）（圖5）。由圖5可知，土壤水勢1 d后的變化值表現(xiàn)為：降水量事件為小雨的時候，其土壤水勢增加值在0 kPa附近波動；為中雨的時候，土壤水勢明顯的增加了，其水勢增加的變化范圍為5.14～9.48 kPa；為大雨的時候，其土壤水勢增加了11.32 kPa（僅1次大雨事件），在研究的23次降水事件中，土壤水勢值隨雨量級的增加呈線性增加趨勢（R2=0.813 8，P＜ 0.01），即雨量級越大，土壤水勢值增加越明顯。

圖 5 土壤水勢對降水量的響應(yīng)Fig.5 Response of the soil water potential to the rainfall event

4 結(jié)論與討論

土壤水勢的時間變化隨大氣降水、季節(jié)性凍土消融水、土壤溫度及植被的生長過程等環(huán)境因子的變化而變化。本研究不同土層土壤水勢明顯呈現(xiàn)出各自的變化特點，緊臨土壤?大氣界面10 cm土層土壤水勢波動較為劇烈，該土層更易受到諸如大氣降水、土壤蒸發(fā)、植物蒸騰等環(huán)境因子的影響；60 cm土層土壤水勢波動也較為明顯，因研究區(qū)地下水埋藏較深，該土層的土壤水分唯一來源是上部下滲水，因此深層土壤水勢波動也較為明顯；其他土層（20、30 cm和40 cm）土壤水勢變化較為平緩，而且這幾個土層是草本根系的主要分布區(qū)（根系深度為25～35 cm），盡管根系區(qū)是耗水層，而本研究的水勢變化較為平緩，可能是密集的根系作用將未被植物吸收利用的水分進行了蓄存和穩(wěn)定。4—7月份，土壤水勢呈上升的趨勢，因降水量逐漸增加，加上季節(jié)性凍土的逐漸融化，需要指出的是7月份雖然降水量有所減少，但是土壤中的蓄存水仍能滿足土壤蒸散發(fā)及植物耗水，說明草地的土壤蓄水性較好。8—9月份，10 cm土層的8月份達到了最低值，其他土層在9月份了達到了最低值，由于降水量有所減少，加上氣溫影響土壤蒸發(fā)和植物生長旺盛期蒸騰作用的加強[14]，使得土壤水勢逐漸減小。到了10月份，土壤水勢緩慢上升，雖然降水稀少，但氣溫下降，蒸發(fā)量減少，植被生長期即將結(jié)束并枯萎，耗水量減少。

在山地森林區(qū)，土壤剖面水分分布拐點的出現(xiàn)與大氣降水、土壤蒸發(fā)、植被覆蓋、植物耗水、土壤物理性質(zhì)等因素直接相關(guān)。本研究的草地植被土壤水勢拐點出現(xiàn)在30 cm處，30 cm以上的淺層土壤盡管蒸發(fā)強烈，但有利于降水的入滲，來不及供植物生長消耗的水分增加，導致其土壤水勢隨土層深度增加，其水勢值不斷增加。30 cm以下的深層土壤蒸發(fā)減弱，水分下滲量也逐漸減少，同時加上根系吸水的影響，導致了深層土壤水分含量減少，土壤水勢不斷減小。該研究結(jié)論與王鵬等[13]對太行山區(qū)草地的土壤水勢剖面變化研究結(jié)論不一致，主要原因是太行山區(qū)的草地土壤入滲水較為充足加上根系耗水低的原因所導致的，而本研究的主要原因是草地位于低海拔的陽坡，光照時間充足、蒸散量大、降水量少[14]，導致入滲到一定的深度的水分含量減少。不同土層土壤水分變化表現(xiàn)為淺層土壤（0～30 cm）水分從中等水分虧缺向中等濕潤過渡，之后在30 cm以下土層水分由中等濕潤向虧缺過渡[15]?？梢钥闯?，草地土壤水勢剖面變化表征了土壤水蒸散發(fā)消耗發(fā)生在30 cm以下土層，原因是植被蒸騰和深層根系吸水作用過度消耗土壤儲水量造成的水分虧缺現(xiàn)象[16]。

對特定植被覆被下的土壤，其水勢值大小主要取決于降水量大小[17-18]。本研究的草地土壤對小于10 mm的小雨事件沒明顯的響應(yīng)，原因是大氣降水被地被物所截留，加上土壤表層的蒸發(fā)蒸騰等作用，使得入滲到土壤水的水分減少，對土壤水勢沒有明顯的提高作用。對降雨量大于10 mm的降水事件，土壤水勢發(fā)生了明顯的提高，原因是輸入到土壤深處的水分大于因截留、蒸發(fā)、蒸騰等損耗的水分，水分在重力的作用下下滲，土壤水分得到了較強的補充，進而提高了土壤水勢，而且隨降水量的增加，其土壤水勢的提高越明顯，如6月6日15.9 mm的降雨后第2天土壤水勢增加值為9.48 kPa，8月31日11.32 mm的降雨后第2天土壤水勢增加值為11.32 kPa，土壤水勢對降水量響應(yīng)具有累積效應(yīng)，使得更深的土層土壤水分的脈動產(chǎn)生。本研究結(jié)論與王鵬等[13]對太行山區(qū)典型植被類型土壤水勢對降水的響應(yīng)結(jié)論一致，即刺槐林地、側(cè)柏（Platycladus orientalis）林和草地土壤水勢對降水強度響應(yīng)一致。但雨后水分在土壤中的再分配及對深層土壤水分的影響是一個復雜的過程，需要長期監(jiān)測和系統(tǒng)分析來闡明不同降雨格局和氣象要素及植被根系分布對不同土壤層水分平衡的影響。

[1]李曉敏,魏江生,智宇.大興安嶺南段落葉闊葉次生林土壤水勢特征 [J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè),2019(1): 95?97.