青海湖北岸天然草地土壤濕度變化規(guī)律及土壤干旱特征分析

高貴生，馬扶林，王 明，孫豐海

(1.海北牧業(yè)氣象試驗(yàn)站，青海 西海 810200；2.海晏縣氣象局，青海 三角城 812200)

1 前言

土壤水分是土壤成分之一，是土壤系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和流動的載體，它不但直接影響土壤的特性和植物的生長，同時(shí)又是水分平衡組成項(xiàng)，是植物需水的直接來源，對植物的生理活動有重大影響。環(huán)湖北岸土壤缺水較重時(shí)容易出現(xiàn)草原干旱，影響天然牧草的返青和后期的生長發(fā)育。多年來，許多學(xué)者對不同地區(qū)土壤水分動態(tài)分布規(guī)律進(jìn)行了深入的研究和探討[1～6]，對青海高原天然草地土壤水分動態(tài)變化的研究也取得了一些有意義的研究成果[7～9]，但針對環(huán)湖北岸天然草地土壤水分動態(tài)變化的研究相對較少[10，11]。 環(huán)湖北岸是青海省重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地，由于降水較少，土壤供水不足，草場干旱時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重制約牧草的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成，導(dǎo)致牧草產(chǎn)量偏低。

2 研究地點(diǎn)和資料來源

研究地點(diǎn)位于青海湖北岸、海晏縣西部的天然牧草觀測場，隸屬于青海省海北牧業(yè)氣象試驗(yàn)站(36°57′N，100°51′E，海拔3 140 m)，屬典型的高原大陸性氣候，干旱少雨，光照時(shí)間長，太陽輻射強(qiáng)，氣候溫涼。下墊面為高寒草原草地。氣象資料來源于海晏縣氣象局同期觀測資料，大氣觀測場距牧草觀測場11 km，周圍地勢平坦，氣候差異不明顯。土壤水分資料每月 8、18、28 日采用烘干稱重法測定，測定深度分別為0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 和40～50 cm。牧草產(chǎn)量按照農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范牧草返青至黃枯期每月末測定一次。

3 天然草地土壤水分動態(tài)變化規(guī)律及其缺水時(shí)段分析

通過對研究地點(diǎn)近21 a來土壤水分監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，春季由于降水量較少，大氣降水無法彌補(bǔ)土壤蒸發(fā)所造成的水分散失，土壤解凍后表層0～10 cm水分散失嚴(yán)重，土壤重量含水率全年最低，一直持續(xù)到6月中旬，6月下旬開始隨著降水增多，土壤表層水分略有增加，但增幅不明顯。7～8月土壤重量含水率起伏明顯，特別是7月下旬到8月上旬波動起伏最大。9月上旬由于牧草蒸騰和土壤蒸發(fā)的減少，表層土壤水分上升明顯，到9月下旬達(dá)到全年最高值。10月上旬到土壤封凍前隨著降水量的減少土壤重量含水率略有下降(圖1)。

圖1 青海湖北岸0～50 cm逐旬平均土壤重量含水率

3.1 降水在時(shí)間上的分布狀況對土壤干旱的影響

從不同年份年降水量的多少和不同土壤深度(0～30cm)歷年平均土壤重量含水率變化綜合分析，牧草生長季降水總量并不是造成土壤干旱的決定性因素，土壤重量含水率的高低取決于降水量的多少和時(shí)間分布上的均勻程度(圖2)。2000年年降水量較歷年平均偏少41%，土壤重量含水率卻處于較高水平，2014年年降水量較歷年平均偏多15%，由于5月上旬至6月中旬降水異常偏少，期間發(fā)生較為嚴(yán)重的土壤干旱。年降水偏少且土壤干旱較為嚴(yán)重的年份僅出現(xiàn)在2003年和2016年，其中2003年年降水量較歷年平均偏少10%，土壤重量含水率全年整體偏低。2016年年降水量較歷年平均偏少4%，但由于降水分布不均，6月上旬至7月上旬出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間最長且最為嚴(yán)重的土壤干旱，特別是7月8日土壤水分監(jiān)測數(shù)據(jù)根據(jù)青海省DB-63/T372-2011土壤相對濕度干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到重度干旱，也是近21 a出現(xiàn)的唯一一次重度土壤干旱，牧草生長發(fā)育受到明顯影響，造成部分禾本科牧草未能正常開花結(jié)實(shí)。

3.2 春季不同深度土壤水分變化規(guī)律分析

利用海北牧試站近21 a土壤10 cm解凍至5月下旬共126個(gè)土壤濕度測定樣本，根據(jù)青海省DB-63/T372-2011土壤相對濕度干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，對環(huán)湖北岸春季草原干旱等級出現(xiàn)的概率統(tǒng)計(jì)分析表明：青海湖北岸春季干旱主要以輕旱為主，0～10 cm土壤深度出現(xiàn)輕度土壤干旱的概率為36.5%；其次為中度干旱，出現(xiàn)中度土壤干旱的概率為13.5%，尚未發(fā)生過重度干旱。0～10 cm土壤深度發(fā)生輕度及以上干旱發(fā)生的機(jī)率為50.0%，即海北州春季一半的時(shí)間出現(xiàn)土壤水分不足的現(xiàn)象。土壤干旱主要發(fā)生在0～10 cm土壤深度。由于環(huán)湖北岸地下水位較低，土壤儲水主要取決于大氣降水，當(dāng)淺層土壤缺水嚴(yán)重時(shí)，通過牧草的蒸騰拉力自下而上由較深層土壤向上輸送，而更深層土壤由于地下水位較低無法得到有效的水分補(bǔ)充，導(dǎo)致土壤重量含水率下降，30～40 cm深度土壤干旱出現(xiàn)頻率較高，輕度干旱發(fā)生概率為25.7%，但尚未出現(xiàn)過中度及以上土壤干旱。輕度土壤干旱出現(xiàn)概率僅次于0～10 cm土壤深度。結(jié)合土壤水分含量統(tǒng)計(jì)得出海北州春季不同土壤深度干旱發(fā)生頻率及干旱程度(圖3)。

圖2 青海湖北岸年降水量和0～50 cm年平均土壤重量含水率

圖3 青海湖北岸春季不同深度土壤干旱發(fā)生頻率

3.3 夏季不同深度土壤水分變化規(guī)律分析

夏季是青海湖北岸土壤干旱的高發(fā)時(shí)段，由于夏季牧草正處于快速生長階段，牧草需水量增加，同時(shí)隨著氣溫升高，牧草葉面積增加，土壤蒸發(fā)和作物蒸騰加劇，出現(xiàn)降水天氣但降水量較小時(shí)，淺層土壤重量含水率上升明顯，深層土壤不能獲得有效的水分補(bǔ)充導(dǎo)致土壤干旱逐步向縱深發(fā)展，深層土壤干旱發(fā)生的頻率較春季明顯偏多(圖4)。30～40 cm深度土壤輕度干旱發(fā)生的概率達(dá)53.8%，較春季明顯增多，中度土壤干旱主要出現(xiàn)在0～10 cm深度，出現(xiàn)概率為12.9%，30～40 cm深度發(fā)生輕度及以上干旱的機(jī)率達(dá)55.4%，不同深度均出現(xiàn)土壤水分不足。

圖4 青海湖北岸夏季不同深度土壤不同等級干旱發(fā)生概率

4 氣象條件對牧草生長發(fā)育的影響

青海湖北岸天然牧草一般從 4 月中下旬開始返青，干物質(zhì)即從牧草返青開始積累，并隨著植物自身生長發(fā)育節(jié)律和氣溫升高、降水量的增加而逐漸增加。

4.1 氣象條件對牧草返青的影響

氣象條件對天然牧草不同發(fā)育階段的影響存在明顯差異，天然牧草返青的早晚主要取決于春季土壤含水量的多少和氣溫的高低。青海湖北岸由于春季降水較少，牧草返青期土壤含水量的高低主要取決于上年度土壤封凍前降水量的多少，特別是9～11月降水量的多寡。近年來，牧草開始返青的4月份氣溫?zé)o明顯變化，9～11月降水量呈緩慢上升趨勢(圖5)，牧草返青期略有提前。

利用氣溫的高低及降水量的多少通過回歸分析建立的天然牧草返青期預(yù)報(bào)模式如下：

Y=18.276-0.033X1-0.297X2

(相關(guān)系數(shù)r=0.557，n=21，相關(guān)系r數(shù)通過 0.01檢驗(yàn)水平的顯著性檢驗(yàn))

其中Y為返青日期；X1為上年度9～11月降水合計(jì)；X2為當(dāng)年4月份平均氣溫。

(預(yù)報(bào)結(jié)果為4月份的Y值，即當(dāng)Y值為16時(shí)，牧草返青日期為4月16日)

圖5 青海湖北岸歷年9～11月降水量

4.2 氣象條件對牧草產(chǎn)量的影響

良好的水熱搭配有利于牧草的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成，但牧草生長季降水量的多少并非決定牧草產(chǎn)量高低的主要因素，青海湖北岸天然牧草一般在4月中旬開始返青，生育期內(nèi)的生長動態(tài)呈緩慢生長→積極生長→緩慢生長，即返青初期牧草高度變化較為緩慢，隨著時(shí)間的推移生長速度加快，當(dāng)達(dá)到某一階段后生長速度趨于緩慢直到停止生長。 年內(nèi)天然牧草快速生長期主要出現(xiàn)在6～7月，該時(shí)期由于氣溫升高，降水增加，是牧草產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期，期間降水量的多少，氣溫的高低直接決定牧草產(chǎn)量的高低。青海湖北岸牧草產(chǎn)量監(jiān)測從5月份開始到9月底結(jié)束，根據(jù)逐月牧草產(chǎn)量絕對增加量分析，牧草返青到8月份牧草產(chǎn)量持續(xù)增加，但增速差異明顯，牧草產(chǎn)量快速形成期出現(xiàn)在6月份，牧草產(chǎn)量絕對增加值達(dá)每月140.7 kg/666.7m2，7月份為 85.0 kg/666.7 m2，到8月份增速下降明顯，絕對增加量僅為9.7 kg/666.7m2，9月份牧草開始進(jìn)入黃枯階段，牧草含水量降低，牧草鮮產(chǎn)以44.3 kg/666.7m2的速率下降(圖6)。

近年來，青海湖北岸牧草生長季降水量呈上升趨勢，同時(shí)由于氣溫增高，牧草產(chǎn)量呈逐年上升趨勢(圖7)。利用逐年牧草產(chǎn)量和氣象條件通過回歸分析建立的牧草黃枯期產(chǎn)量預(yù)報(bào)模式如下。

圖6 歷年逐月平均牧草產(chǎn)量

圖7 青海湖北岸牧草生長季降水量和黃枯期牧草產(chǎn)量

Y=-635.118+2.741X1+40.077 X2

(相關(guān)系數(shù)r=0.563，n=21，相關(guān)系r數(shù)通過 0.01檢驗(yàn)水平的顯著性檢驗(yàn))

Y為黃枯期牧草產(chǎn)量、X1為6～7月降水量合計(jì)、X2為7月平均氣溫。

5 降水對不同深度土壤相對濕度的影響

隨著春季地溫升高，土壤逐層解凍，表層解凍較早，土壤水分散失較大，同時(shí)由于降水量偏少，淺層土壤含水量明顯低于深層。深層土壤水分以固態(tài)形式保存在土壤中，難以向表層土壤轉(zhuǎn)移，深層土壤含水率明顯高于表層，隨著地溫升高，土壤解凍深度加深，深層土壤水分由土壤含水率高值區(qū)向低值區(qū)不斷轉(zhuǎn)移輸送，隨著時(shí)間的推移，深層土壤水分逐步下降，到夏末秋初由于土壤蒸發(fā)和植物蒸騰減弱，土壤水分開始逐步回升，一直持續(xù)到土壤封凍期，秋末到土壤封凍期是環(huán)湖北岸土壤相對濕度最高的時(shí)期。

青海湖北岸土壤10 cm解凍一般出現(xiàn)在4月中旬，凍結(jié)出現(xiàn)在10月中旬，因此，分別統(tǒng)計(jì)了4～10月土壤濕度測定間隔日期間的降水量及旬平均氣溫與土壤相對濕度資料，分析青海湖北岸不同時(shí)段不同深度降水量及旬平均氣溫與相對濕度之間的相互關(guān)系。通過分析發(fā)現(xiàn)不同土壤深度土壤相對濕度與旬降水量和旬平均氣溫的高低回歸分析系數(shù)及相關(guān)性檢驗(yàn)擬合效果良好(見表1)。

根據(jù)建立的土壤水分預(yù)測模式對2018年土壤水分起伏較大的6～8月土壤相對濕度預(yù)測結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析表明，當(dāng)降水量與歷年同期相比偏少幅度較大且前期土壤濕度較小時(shí)，土壤水分散失減緩，預(yù)測值較實(shí)際監(jiān)測偏?。辉谕寥老鄬穸容^高甚至接近或超過飽和狀態(tài)且其后10d內(nèi)降水量較歷年同期明顯偏多時(shí)，土壤毛管懸著水接近或甚至超過上限，土壤水分由于重力作用向深層滲透，土壤水分無法長時(shí)間維持在飽和狀態(tài)下，導(dǎo)致后期預(yù)測值較實(shí)測值明顯偏高(見表2)。

表1 氣象因子與不同深度土壤相對濕度關(guān)系表

Y為土壤相對濕度；X1為旬平均氣溫； X2為旬降水量，n=378，相關(guān)系R數(shù)均通過 0.01檢驗(yàn)水平的顯著性檢驗(yàn)。

表2 不同深度土壤相對濕度預(yù)測檢驗(yàn)表

續(xù)表：

6 討論與結(jié)論

通過以上分析，青海湖北岸天然草地土壤水分變化及氣象條件對牧草生長發(fā)育的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)環(huán)湖北岸春季干旱發(fā)生概率較大，以輕度土壤干旱為主，中度土壤干旱只出現(xiàn)在0～10cm深度；夏季土壤干旱發(fā)生概率最大，土壤干旱向縱深發(fā)展，不同深度均可能出現(xiàn)中度土壤干旱；秋季是一年當(dāng)中土壤墑情最好的時(shí)期，干旱發(fā)生的概率很小。

(2)根據(jù)建立的土壤水分預(yù)測模型預(yù)測后期土壤水分時(shí)，當(dāng)前期土壤相對濕度接近或達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，后期土壤水分預(yù)測值明顯偏高，容易出現(xiàn)預(yù)測偏濕的情況發(fā)生，當(dāng)土壤缺水較重時(shí)，土壤水分散失減緩，導(dǎo)致后期土壤相對濕度預(yù)測值偏低。

(3)降水量的多寡直接決定牧草返青的早晚和產(chǎn)量的高低。

(4)6～7月是牧草產(chǎn)量快速形成期，期間氣象條件對牧草黃枯期產(chǎn)量影響明顯。

(5)降水分布的均勻程度是造成草原干旱的主要因素，不完全取決于年降水量的多少。

(6)由于土壤的物理性質(zhì)導(dǎo)致土壤水分變化規(guī)律并非單純的線性關(guān)系，造成土壤水分預(yù)測模型與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果存在差異，需要進(jìn)一步深入研究，提高預(yù)測精度。