周曙光 ，張耀生 ，趙新全 ，米兆榮

（1.中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所，高原生物適應(yīng)與進(jìn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810001；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100001）

土壤水分是生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容，是土壤-植物-大氣連續(xù)體的一個(gè)關(guān)鍵因子，也是限制干旱半干旱地區(qū)植物生長(zhǎng)和分布的主要因子之一[1-4]。而對(duì)于地處干旱半干旱地區(qū)的黃河源區(qū)草地來(lái)說(shuō)，水分已成為限制牧草生長(zhǎng)的主要因素[5]。很多學(xué)者曾對(duì)草地土壤水分的變化規(guī)律及對(duì)降水的響應(yīng)進(jìn)行過(guò)深入的研究和探討[6-10]，但是大多是對(duì)單一草地類型進(jìn)行研究，而對(duì)比研究不同草地類型土壤水分及其對(duì)天然降水響應(yīng)特點(diǎn)的比較少[11-12]。近年來(lái)，為治理三江源區(qū)草地退化，增加草原植被覆蓋面積，三江源區(qū)人工草地面積在不斷擴(kuò)大，約160 000 km2[13 ]，但是針對(duì)該地區(qū)人工草地土壤水分的研究并不多。人們對(duì)三江源區(qū)各種草地土壤水分涵養(yǎng)及其對(duì)降水響應(yīng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)還較少，生態(tài)學(xué)研究人員迫切需要了解三江源區(qū)草地水循環(huán)的情況。本研究對(duì)比分析人工草地和兩種天然草地土壤水分的時(shí)空變化和土壤水分與天然降水的關(guān)系，將有助于人們了解不同草地類型的土壤水分狀況和土壤的水分涵養(yǎng)功能，也能為掌握三江源地區(qū)草地土壤水分與牧草生長(zhǎng)發(fā)育的內(nèi)在關(guān)系、預(yù)測(cè)草原干旱的發(fā)生程度、綜合防治草原旱災(zāi)和實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于黃河上游，是三江源自然保護(hù)區(qū)的試驗(yàn)區(qū)，屬大陸高原性氣候。海拔3 105～4 036 m，地處北緯 34°38′～ 35°39′，東經(jīng) 100°08′～ 101°09′；年均溫-3.0～ 6.1℃，最熱月 7 月平均氣溫為 11.9℃，最冷月1月平均氣溫為－13.2℃；年降水量230～540 mm，蒸發(fā)量1 466 mm；各地降水差異懸殊，雨量分布呈南多北少、東多西少的趨勢(shì)，降水多集中在5～9月，占年總降水量的85%以上，季節(jié)分布極不均勻；年日照時(shí)數(shù)2 550～2 760 h。

2 研究方法

選擇地勢(shì)平坦且廣闊的高寒草原、溫性草原和人工草地3種草地類型。高寒草原海拔3 800 m，優(yōu)勢(shì)種為紫花針茅（Stipa purpurea）、矮嵩草（Kobresia humilis）等。溫性草原海拔3 330 m，優(yōu)勢(shì)種為克氏針茅（Stipa krylovii）、青海固沙草（Orinus kokonorica）等，這兩者都是冬季牧草。人工草地海拔3 340 m，優(yōu)勢(shì)種為垂穗披堿草（Elymus nutans）、小嵩草（Kobresia pgymaea）等，已種植 6 a，一直嚴(yán)格禁牧，但每年定期收割，隨著種植年限的延長(zhǎng)，草地早熟禾（Poa pratensis）、二裂委陵菜（Potentilla bifurca）等種群在草地群落中呈逐年增加趨勢(shì)。

在每種草地上設(shè)小型自動(dòng)氣象站（HOBO Weather Station，USA），2007 年采集降水和 20、40、60、80 cm土壤濕度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄間隔為20 min。對(duì)每5 d各層土壤含水量求均值，對(duì)每5 d的降水量求和，然后作土壤水分含量和降水量時(shí)空變化關(guān)系圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤水分的時(shí)空動(dòng)態(tài)

從圖1可知，高寒草原各層土壤水分含量在4月到10月期間可分為4月初到6月末的土壤含水量增加階段和6月末到10月末保持相對(duì)穩(wěn)定兩個(gè)階段。第一階段：20、40、60、80 cm土壤含水量的平均值分別為 0.137、0.063、0.067、0.031 m3/m3，6 月末含水量分別比 4月初增加了 2.54、4.28、4.31和15.43倍。

6月25 到10月底為第二個(gè)階段：20、40、60、80 cm土壤含水量的平均值分別為0.155，0.109，0.102、0.075 m3/m3，標(biāo)準(zhǔn)差分別為 0.018，0.010，0.013、0.007 m3/m3，最高含水量分別是最低含水量的1.56、1.25、1.45和1.14倍。由這些分析可知，這一階段各層土壤含水量的變化幅度都不大，20 cm土壤平均含水量最高，含水量波動(dòng)也最劇烈，其次是40 cm和60 cm，最后是80 cm。20 cm土壤平均含水量比40、60、80 cm含水量分別高41.3%、51.6%和105.6%。

圖1 高寒草原土壤含水量及降水量的動(dòng)態(tài)變化

從圖2可知，在整個(gè)研究期間，溫性草原土壤含水量沒(méi)有明顯的階段性變化特點(diǎn)。20、40、60、80 cm土壤含水量的平均值分別為 0.096、0.043、0.048、0.049 m3/m3，標(biāo)準(zhǔn)差分別為 0.017、0.010、0.006、0.008 m3/m3，最高含水量分別是最低含水量的 2.54、3.38、0.89、1.07 倍。由這些分析可知，溫性草原20 cm土壤含水量明顯高于其他三層，波動(dòng)變化也最明顯。這是因?yàn)樵搶犹幱诘乇?，容易受到降水及地表蒸散等因素影響所致?0 cm土壤含水量隨時(shí)間的波動(dòng)變化動(dòng)態(tài)與20 cm處較接近，但是平均水分含量與60 cm和80 cm較接近，20 cm土壤平均含水量比40 cm、60 cm和80 cm含水量分別高120.1%、99.3%和93.7%。這些結(jié)果說(shuō)明，在溫性草原20 cm和40 cm之間可能存在一個(gè)限制水分入滲的土層。

圖2 溫性草原土壤含水量及降水量的動(dòng)態(tài)變化

從圖3可知，人工草地各層土壤水分含量波動(dòng)幅度都比較大，都表現(xiàn)出明顯的階段性特征。20 cm和40 cm土壤含水量變化趨勢(shì)較一致，4月初～6月初，這兩層土壤含水量都沒(méi)有大的變化，平均含水量分別為0.028 m3/m3和0.057 m3/m3，隨后，20 cm和40 cm土壤含水量都迅速增加，6月中下旬達(dá)到一年中的最大值，另兩個(gè)峰值出現(xiàn)在9月中旬和10月初，谷值在8月末和9月末。60 cm和80 cm土壤含水量總體變化趨勢(shì)比較一致。土壤含水量在4月初到6月末之間都沒(méi)有大的變化，平均含水量分別為 0.032、0.047 m3/m3，6月末以后開(kāi)始增加，7月末達(dá)到極大值，隨后又降低，8月末達(dá)到極小值，8月末到10月末，含水量一直增加。

圖3 人工草地土壤含水量及降水量的動(dòng)態(tài)變化

從圖3還可知，6月10日以前，各層土壤水分含量都不高，且變化不大，20、40、60、80 cm 土壤平均含水量分別為 0.028、0.056、0.031、0.045 m3/m3。6月初到7月初，淺層土壤含水量高于深層，20、40、60、80 cm土壤平均含水量分別為 0.155、0.176、0.090、0.078 m3/m3。7月中旬到9月上旬，深層土壤含水量高于淺層，20、40、60 80 cm土壤平均含水量分別為 0.073、0.097、0.125、0.138 m3/m3。9 月上中旬，淺層含水量高于深層，20、40、60、80 cm 土壤平均含水量分別為 0.126、0.134、0.082、0.101 m3/m3。9月下旬到10月末，深層土壤含水量又高于淺層，20、40、60、80 cm 土壤平均含水量分別為 0.106、0.113、0.168、0.176 m3/m3。

3.2 土壤水分與降水的關(guān)系

圖1中光滑曲線為高寒草原降水3周期的移動(dòng)平均趨勢(shì)線。20 cm土壤含水量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與降水趨勢(shì)線的變化非常相似，40、60、80 cm土壤含水量的變化趨勢(shì)雖然與降水趨勢(shì)線的變化也有相似之處，但表現(xiàn)不如20 cm明顯。分析發(fā)現(xiàn)，降水趨勢(shì)線出現(xiàn)峰和谷的時(shí)候，各層土壤含水量通常也會(huì)出現(xiàn)峰和谷，而且各層土壤含水量的峰和谷出現(xiàn)的時(shí)間相差不大。這說(shuō)明高寒草原土壤水分入滲快，各層都比較容易受到降水的影響。

圖2中光滑曲線為溫性草原降水3周期的移動(dòng)平均趨勢(shì)線。20 cm土壤含水量的變化趨勢(shì)與該趨勢(shì)線的變化最接近，降水趨勢(shì)線出現(xiàn)峰和谷時(shí)，20 cm含水量通常也出現(xiàn)峰和谷，40、60、80 cm土壤含水量與降水的變化沒(méi)有明顯的相關(guān)關(guān)系。

圖3中光滑曲線為人工草地降水3周期的移動(dòng)平均趨勢(shì)線。20 cm和40 cm土壤含水量的變化趨勢(shì)與該趨勢(shì)線的變化比較相似，降水趨勢(shì)線出現(xiàn)峰時(shí)，這兩層土壤含水量也相應(yīng)出現(xiàn)峰值，但是，當(dāng)趨勢(shì)線出現(xiàn)谷時(shí)，這兩層土壤含水量谷值的出現(xiàn)有較長(zhǎng)時(shí)間的滯后。60 cm和80 cm土壤含水量的變化趨勢(shì)與降水趨勢(shì)線也有相似之處，但是，土壤含水量的峰和谷出現(xiàn)的時(shí)間相對(duì)于趨勢(shì)線的峰和谷出現(xiàn)的時(shí)間都有較大的滯后，且這兩層土壤含水量的變化都相對(duì)平緩。

3.3 植被對(duì)土壤水分的涵養(yǎng)作用分析

從表1可知，各種草地降水量與平均土壤含水量的比值有很大不同，總體表現(xiàn)出：人工草地<高寒草原<溫性草原。對(duì)于沒(méi)有人工灌溉和地表徑流水分輸入的廣大草場(chǎng)來(lái)說(shuō)，天然降水是土壤水分補(bǔ)充的最主要來(lái)源，降水量與土壤含水量的比值小，說(shuō)明降水量的更大部分被保留在土壤中，反之，降水有較大部分流失，保留在土壤中的部分減少。溫性草原降水量與土壤含水量比值最大，分別比高寒草原和人工草地高62.3%和87.0%。

表1 2007年草地土壤含水量及降水量

4 結(jié)論與討論

（1）不同草地類型的土壤含水量在生長(zhǎng)季中的波動(dòng)變化差別很大。高寒草原各層土壤含水量變化相似，都有比較明顯的階段性特征，可分為逐步增長(zhǎng)和保持穩(wěn)定兩個(gè)階段。溫性草原各層土壤含水量都沒(méi)有明顯的階段性特征。人工草地各層土壤含水量表現(xiàn)出較明顯的階段性特征，較淺的兩層土壤含水量變化規(guī)律相似，較深的兩層變化規(guī)律相似，而淺層和深層之間的變化規(guī)律差異較大。

（2）各種草地土壤含水量垂直變化明顯。整個(gè)生長(zhǎng)季中，高寒草原土壤含水量大致都表現(xiàn)出20 cm>40 cm>60 cm>80 cm的特點(diǎn)。溫性草原20 cm土壤含水量明顯高于其它三層，而其它三層含水量之間差別不大。人工草地各層土壤含水量之間相比，不同時(shí)間表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，總的來(lái)看，在降水量多時(shí)，20 cm和40 cm土壤含水量高于60 cm和80 cm，反之，60 cm和80 cm土壤含水量高于20 cm和40 cm。

（3）不同草地類型土壤含水量與降水量變化的關(guān)系不同。總體來(lái)看，土層越淺，土壤含水量與降水的關(guān)系越密切，但各草地土壤水分與降水的關(guān)系又有不同。高寒草原各層土壤水分含量的變化相似，而且都與降水量趨勢(shì)線的變化比較接近，各層含水量的峰與谷和降水趨勢(shì)線的峰與谷出現(xiàn)的時(shí)間都比較接近，說(shuō)明高寒草原20 cm到80 cm水分入滲都比較好，對(duì)降水的響應(yīng)較快。溫性草原只有20 cm土壤對(duì)降水的響應(yīng)快，其它3層含水量很低，而且對(duì)降水沒(méi)有明顯的響應(yīng)，說(shuō)明在20 cm到40 cm之間存在水分入滲的限制層。人工草地20 cm和40 cm土壤對(duì)降水的響應(yīng)較快，60 cm和80 cm則較慢，尤其在較長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有降水的情況下，可以明顯看出，土壤含水量降低的速度比降水減少的速度慢很多。因此，在降水量通常都會(huì)減少的9月份以后[14]，土壤中，尤其是深層土壤中還保存有較多的水分，再加上氣溫和土壤溫度越來(lái)越低[15]，這些水分就會(huì)被固存在土壤中，有利于下一年土壤墑情的恢復(fù)。

（4）降水量與平均土壤含水量的比值表現(xiàn)出人工草地<高寒草原<溫性草原。這一結(jié)果說(shuō)明，建植6 a的垂穗披堿草人工草地的水分涵養(yǎng)功能要好于兩種天然草地，而天然草地中高寒草原的水分涵養(yǎng)功能要好于溫性草原。

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