買小虎，張玉娟，張英俊，師尚禮，黃 頂

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心,甘肅 蘭州 730070；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，北京 100193)

返青期是牧草萌動(dòng)生長(zhǎng)對(duì)外界環(huán)境變化反應(yīng)最為敏感時(shí)期[1,2]，是草地生態(tài)系統(tǒng)的啟動(dòng)階段，對(duì)整個(gè)草地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量循環(huán)起決定性作用。在草地生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力作用下，返青期草地生態(tài)系統(tǒng)從冬季休眠低速循環(huán)逐漸進(jìn)入生長(zhǎng)季高效運(yùn)轉(zhuǎn)，從休眠狀態(tài)進(jìn)入生理活躍狀態(tài)。在返青期，牧草生長(zhǎng)極易受外界環(huán)境因子的擾動(dòng)，從而引起整個(gè)草地生態(tài)系統(tǒng)變化[3,4]。研究報(bào)道，返青期牧草不宜進(jìn)行過(guò)度放牧，過(guò)度放牧影響牧草正常生長(zhǎng)，甚至導(dǎo)致牧草死亡[5-8]。通過(guò)探索多年生牧草春季生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)機(jī)制，研究典型草原返青期土壤溫度和水分動(dòng)態(tài)變化，達(dá)到提高返青期草地管理水平和高效利用草地資源的目的。

隨日照增加、地溫升高、土壤解凍，土壤含水量增加，返青期牧草開(kāi)始萌動(dòng)生長(zhǎng)，研究發(fā)現(xiàn)，返青期牧草生長(zhǎng)與牧草干草產(chǎn)量和生產(chǎn)力具有顯著相關(guān)性[9，10]。李興華等[11]研究報(bào)道，當(dāng)4月降水量減少到多年同期平均降水量的50%時(shí)，牧草返青期推遲10～15 d。Bork[12]研究牧草產(chǎn)量與土壤水分相關(guān)性，結(jié)果表明，牧草產(chǎn)量與土壤水分含量呈顯著正相關(guān)性，草產(chǎn)量與土壤水分的相關(guān)性隨著地形和地勢(shì)的變化而變化。Jensen[13]研究結(jié)果表明，高水分條件的牧草干物質(zhì)產(chǎn)量與灌溉量呈線性相關(guān)；低水分條件的牧草干物質(zhì)產(chǎn)量與灌溉量呈2次拋物線相關(guān)，灌溉牧草干草產(chǎn)量顯著高于非灌溉牧草。土壤水分與熱量相互影響和相互作用，土壤熱量變化引起土壤水分遷移和轉(zhuǎn)化[14]，同時(shí)，土壤水分變化導(dǎo)致土壤熱通量變化，進(jìn)而影響土壤溫度[15]。部分研究表明，土壤溫度和土壤水分是限制多年生牧草返青和萌動(dòng)生長(zhǎng)的重要因子[16,17]。

研究返青期典型草原土壤溫度和水分含量動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，闡述多年生牧草春季萌動(dòng)生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)機(jī)制，為管理和高效利用草地資源提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)樣地位于河北省沽源縣國(guó)家草地生態(tài)系統(tǒng)野外科學(xué)觀測(cè)站，E 116°14′，N 41°37′，海拔1 430 m，地處半干旱大陸季風(fēng)氣候帶。年降水量350～450 mm，降水多集中在6～9月。2012～2013年試驗(yàn)期間月平均降水量與年平均同期降水量、月平均溫度與年平均溫度同期差異不顯著(圖1)。年潛在蒸發(fā)量1 700～2 300 mm，平均氣溫為1 ℃，最冷月(1月)平均氣溫-18.6 ℃，最熱(7月)平均氣溫17.6 ℃，≥0 ℃年積溫2 000～2 800 ℃，≥10 ℃年積溫1 500～2 200 ℃。寒冷、干旱、多風(fēng)和水熱同季的氣候特征對(duì)典型草原牧草生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生有利的影響[18,19]。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)建群種為克氏針茅(Stipakrylovii)，優(yōu)勢(shì)種為羊草(Leymuschinensis)，劣勢(shì)種多為冷蒿(Artemisiafrigida)。土壤類型為典型草原植被下發(fā)育1種地帶性粟鈣土[20,21]。

圖1 2012～2013年試驗(yàn)區(qū)月均溫與降水量Fig.1 The average temperature and the average precipitation in the experimental plots in 2012～2013

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用時(shí)間序列重復(fù)采樣法測(cè)定土壤溫度和水分，采樣時(shí)段為草地春季返青期(3月15～5月15日)[4]，小區(qū)面積為300 m×300 m，小區(qū)間隔50 m，設(shè)4次重復(fù)。為排除家畜和人為擾動(dòng)，用鐵絲圍欄圍封試驗(yàn)小區(qū)，使試驗(yàn)區(qū)牧草生長(zhǎng)在自然封育狀態(tài)。

1.2.1 土壤溫度測(cè)定 用熱敏電阻地溫計(jì)測(cè)定土壤溫度，測(cè)定深度分別為0、5、15、30、60、90和120 cm，每3 d測(cè)定1次，每1小區(qū)布設(shè)6個(gè)測(cè)定點(diǎn)。

1.2.2 土壤體積含水量測(cè)定 采用時(shí)域反射儀(TDR，加拿大，MP917)測(cè)定土壤體積含水量，測(cè)定深度分別為0～15、15～30、30～45和45～60 cm，每3 d測(cè)定1次。當(dāng)降水量>5 mm，利用時(shí)域反射儀和土鉆法加測(cè)土壤體積含水量。測(cè)定時(shí)間為上午10∶00，每1小區(qū)布設(shè)4個(gè)測(cè)定點(diǎn)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SAS 8.0軟件進(jìn)行方差、相關(guān)和回歸分析，用Excel作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣溫度和土壤溫度動(dòng)態(tài)變化

典型草原返青期植物生長(zhǎng)和發(fā)育受土壤溫度和濕度的影響，土壤溫度和濕度是直接影響典型草原返青期植物發(fā)芽和出苗的主要因素，同時(shí)，太陽(yáng)輻射和空氣溫度影響典型草原返青期草地土壤溫度和濕度。典型草原返青期空氣平均溫度增幅較大，表現(xiàn)出不穩(wěn)定性。返青早期(3月15～4月5日)空氣溫度-4.9～5 ℃，平均-3.4 ℃，表層(0～15 cm)土壤溫度-0.5～5.2 ℃，中層(15～30 cm)土壤溫度-3～0.6 ℃，深層(30～120 cm)土壤溫度為-3.2～0 ℃；返青中期(4月5～4月25日)空氣溫度為-1.4～11 ℃，平均值7.3 ℃，表層土壤溫度為0.8～14.3 ℃,中層土壤溫度為-0.3～10.6 ℃，深層土壤溫度為-0.4～5 ℃；返青后期(4月25～5月15日)空氣溫度為4.5～15.2 ℃，平均值8.8 ℃，表層土壤溫度為3.2～20.4 ℃，中層土壤溫度為1.9～11.6 ℃，深層土壤溫度為0.5～7.9 ℃。

返青早期，表層、中層和深層土壤平均溫度分別為1.9,-0.8和-1.2 ℃，土壤沒(méi)有完全解凍，土壤環(huán)境處于日消夜凍的狀態(tài)，該過(guò)程消耗大量熱量，土壤積溫增幅較小，植物生長(zhǎng)較慢。返青中期，表層、中層和深層土壤溫度平均值分別為6.4，2.8和0.7 ℃，表層土壤完全解凍，典型草原植被生物量顯著增加。返青后期，表層、中層和深層土壤溫度平均值分別為10.4、6.3和2.7 ℃，植物進(jìn)入正常生長(zhǎng)。2012和2013年平均值顯示，在典型草原返青期(3月15～5月15日)，空氣溫度增幅為14.3 ℃，表層、中層和深層土壤溫度增幅分別為15.2，12.7和9.6 ℃。典型草原返青期表層土壤溫度隨空氣溫度變化較為明顯，深層土壤溫度隨空氣溫度變化不明顯。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，典型草原返青期土壤溫度隨晝夜空氣溫度變化而變化，白天土壤溫度明顯大于夜間土壤溫度(圖2)。

圖2 返青期典型草原空氣平均溫度和和土壤溫度Fig.2 The dynamics of air temperature and soil temperature during the returning green period in typical steppe

2.2 土壤體積含水量動(dòng)態(tài)變化

由于氣候變化和過(guò)度放牧使典型草原出現(xiàn)不同程度退化，典型草原退化使其涵養(yǎng)水分能力下降，土壤水分是決定典型草原牧草生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的主要因子，尤其在干旱或半干旱地區(qū)，表層土壤體積含水量隨返青季節(jié)變化中層和深層不同。返青早期，表層、中層和深層土壤體積含水量分別為19.8%～27.2%，11.4%～18.6%和10.4%～17.6%，平均分別20.7%，14.5%和11.5%；返青中期，表層、中層和深層土壤體積含水量分別為14.6%～19.6%，15.7%～29.9%和14.8%～28.8%，平均分別為17.8%，21.3%和20.6%；返青后期，表層、中層和深層土壤體積含水量分別為10.9%～18.2%，21.4%～33.9%和24.8%～32.8%，平均分別為15.1%，27.5%和28.2%。返青早期，表層土壤體積含水量變化較大，明顯大于中層和深層。在返青中期和后期，中層和深層土壤體積含水量變化較大，中層和深層的土壤體積含水量明顯大于表層。在返青早期，中層和深層土壤沒(méi)有完全解凍，處于凍融交替狀態(tài)，但表層土壤大部分解凍，融化積雪和冰層水分首先到達(dá)表層土壤，使表層土壤體積含水量明顯增大；在返青中期和返青后期，中層和深層土壤大部分或完全解凍，表層土壤水分滲透到中層和深層土壤，使中層和深層土壤體積含水量明顯增大，同時(shí)表層土壤水分蒸發(fā)和植株蒸騰，使表層的土壤體積含水量明顯小于中層和深層，中層和深層土壤體積含水量變化趨勢(shì)與表層土壤體積含水量相反。

圖3 返青期典型草原土壤體積含水量Fig.3 The dynamics of soil moisture during the returning green period in typical steppe

2.3 土壤溫度和土壤水分的相關(guān)性

隨全球氣候變暖和降水資源緊缺，提高典型草原蓄水能力成為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)持續(xù)發(fā)展主要策略。土壤中水分運(yùn)移受植被、土壤理化性質(zhì)、地形、地貌和空氣溫度等影響，其中空氣溫度對(duì)土壤水分的影響最為直接。土壤溫度與土壤水分相互影響，在熱傳導(dǎo)和熱輻射作用下，空氣溫度變化引起土壤溫度變化，土壤溫度變化引起土壤水分遷移和轉(zhuǎn)化。2013年土壤體積含水量隨土壤溫度變化規(guī)律與2012年類似，因此，分析了2012年土壤體積含水量與土壤溫度變化規(guī)律。除表層土壤外，其余土層土壤體積含水量與土壤溫度具有較好正相關(guān)性(圖4)。表層土壤體積含水量與土壤溫度呈負(fù)相關(guān)，隨土壤平均溫度增加而降低；中層和深層土壤體積含水量與土壤平均溫度呈正相關(guān)，中層和深層土壤體積含水量隨土壤平均溫度增加而增加。在典型草原返青期，隨空氣溫度升高，表層土壤開(kāi)始解凍，土壤水分蒸發(fā)增大，部分植株開(kāi)始生長(zhǎng)，該季節(jié)降水較少，大量的蒸發(fā)使表層土壤體積含水量逐漸降低，土壤連續(xù)進(jìn)行日消夜凍過(guò)程，土壤表層容易形成一定厚度干層，該干層降低中層和深層土壤水分散失，有利于典型草原返青期土壤保墑，為多年生牧草萌動(dòng)生長(zhǎng)提供較好土壤環(huán)境。隨空氣溫度升高，表層土壤開(kāi)始解凍，表層多余土壤水分通過(guò)重力作用滲漏到中層和深層土壤，同時(shí)中層或深層土壤下存在永凍層或巖石隔水層，中層或深層土壤補(bǔ)給水分大于土壤水分損失，使中層或深層土壤體積含水量逐漸升高。

圖4 典型草原返青期土壤水分和土壤溫度相關(guān)性Fig.4 The correlation between soil moisture and soil temperature during the returning greenperiod in typical steppe

3 討論

典型草原土壤為季節(jié)性凍土，返青期土壤經(jīng)歷日消夜凍和季節(jié)凍融交替2個(gè)過(guò)程。土壤溫度梯度表征土壤內(nèi)熱量傳輸?shù)姆较蚝蛷?qiáng)度，是空氣溫度和土壤溫度耦合的結(jié)果，空氣溫度和土壤溫度變化影響土壤水分運(yùn)移，從而對(duì)典型草原植被返青和恢復(fù)產(chǎn)生較大影響。此次研究表明，表層土壤體積含水量與土壤溫度呈負(fù)相關(guān)，中層和深層土壤體積含水量與土壤平均溫度呈正相關(guān)。張法偉等[22]研究顯示，青藏高原表層土壤溫度的晝夜變化明顯，溫度振幅垂直傳遞深度約為40 cm，土壤濕度隨土壤溫度變化而變化。研究表明，典型草原返青期土壤溫度變化滯后于空氣溫度變化，表層土壤溫度隨空氣溫度變化較為明顯，深層土壤溫度隨空氣溫度變化較為遲緩，使典型草原土壤季節(jié)性凍土保持時(shí)間較長(zhǎng)，季節(jié)性凍土經(jīng)歷時(shí)段為當(dāng)年10月下旬至次年5月中旬。典型草原返青期空氣溫度持續(xù)上升，但不同深度土壤溫度變化不一致，表層土壤溫度變化隨空氣溫度變化幅度較大，中層和深層土壤溫度變化幅度較小，同時(shí)，土壤溫度隨土壤深度增加而降低，各層土壤溫度呈上升趨勢(shì)。

典型草原返青期與空氣溫度、土壤溫度、土壤含水量、光照、土質(zhì)、土壤肥力和植物群落抗寒性等有關(guān)。于晶等[23]研究顯示，當(dāng)土壤含水量超過(guò)田間持水量30%時(shí)，冬小麥根系腐爛，不利于冬小麥返青；當(dāng)土壤含水量等于田間持水量20%～25%時(shí)，冬小麥根系生長(zhǎng)旺盛，有利于冬小麥返青；當(dāng)土壤含水量低于田間持水量20%時(shí)，冬小麥根系難以吸收土壤水分，土壤含水量嚴(yán)重制約冬小麥返青。研究表明，在典型草原返青期，表層土壤體積含水量隨返青期延伸而逐漸降低，中層和深層土壤體積含水量隨返青期延伸而逐漸升高。在返青早期，表層土壤體積含水量明顯大于中層和深層；在返青中期和后期，中層和深層的土壤體積含水量明顯大于表層。入冬前土壤凍結(jié)有利于較深層土壤水分向表層集聚，隨空氣溫度持續(xù)降低，表層土壤出現(xiàn)穩(wěn)定凍土層，中層和深層土壤溫度相對(duì)較高，土壤水分由較深層土壤向表層凍土層遷移。在典型草原返青早期，土壤地表開(kāi)始解凍，深層土壤水分向上運(yùn)移并集聚，表層土壤水分含量較高，表層凍土層阻止降雨對(duì)深層土壤水分補(bǔ)給[24]；在典型草原返青中期和后期，隨空氣溫度升高，表層土壤含水量逐漸下降。

4 結(jié)論

返青早期空氣溫度為-4.9～5 ℃，平均-3.4 ℃，表層土壤溫度為-0.5～5.2 ℃，平均-0.8 ℃，中層土壤溫度為-3～0.6 ℃，平均值1.9 ℃，深層土壤溫度為-3.2～0 ℃，平均-1.2 ℃。返青中期空氣平均溫度為-1.4～11 ℃，平均7.3 ℃，表層土壤溫度為0.8～14.3 ℃，平均6.4 ℃，中層土壤溫度-0.3～10.6 ℃，平均2.8 ℃，深層土壤溫度為-0.4～5 ℃，平均0.7 ℃。返青后期空氣溫度為4.5～15.2 ℃，平均8.8 ℃，表層土壤溫度為3.2～20.4 ℃，平均10.4 ℃；中層土壤溫度為1.9～11.6 ℃，平均6.3 ℃，深層土壤溫度為0.5～7.9 ℃，平均2.7 ℃。典型草原返青期土壤溫度變化滯后于空氣溫度變化，表層土壤溫度隨空氣溫度變化較為明顯，深層土壤溫度隨空氣溫度變化較為遲緩。在典型草原返青期，表層土壤體積含水量隨返青期延伸而逐漸降低，中層和深層土壤體積含水量隨返青期延伸而逐漸升高。在返青早期，表層土壤體積含水量明顯大于中層和深層；在返青中期和后期，中層和深層的土壤體積含水量明顯大于表層。表層土壤體積含水量與土壤溫度呈負(fù)相關(guān)，中層和深層土壤體積含水量與土壤平均溫度呈正相關(guān)。

參考文獻(xiàn):

[1] Anderson DM.Seasonal stocking of taboos managed under continuous and rotation grazing [J].Journal of RangeManagement,1988,41(1):78-83.

[2] Kato Y,Asano Y.Anew enzymatic method of stereoselective oxidation of raccmic1,2indandiols [J].J MolCatal B:Enzymatic,2001,13:27-36.

[3] Mathew E D.Plant community change following fifty-years of management at KalsowPrairi[J].Amer Midland Nat,2004,151(2):241-250.

[4] 黃亮亮,劉曉靜,張德罡,等.不同水肥處理對(duì)冷季型草坪草返青的影響[J].草原與草坪,2005(2):46-49.

[5] Woledge J.Competition between grass and clover in spring as affected by nitrogen fertilizer [J].Ann Appl Boil,1988,112(2):175-186.

[6] Booth D T.Seedbed ecology of winterfat:imbibitions temperature affects post germination growth[J].J Range Manage,1992,45,159-164.

[7] 張鶴山,劉曉靜,張德罡,等.氮肥對(duì)冷季型混播草坪返青期生長(zhǎng)特性的影響[J].草原與草坪,2006(2):19-23..

[8] 李青豐,趙鋼,鄭蒙安,等.春季休牧對(duì)草原和家畜生產(chǎn)力的影響[J].草地學(xué)報(bào)，2005,13:53-56.

[9] 烏云娜,張?jiān)骑w.錫林郭勒草原植物物種多樣性的水分梯度[J].內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，29(3):304-413.

[10] 呂貽忠，李保國(guó)，胡克林,等.鄂爾多斯初夏不同地形土壤水分得空間變異[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002,7(5):38-43.

[11] 李興華,陳素華,韓芳.干旱對(duì)內(nèi)蒙古草地牧草返青期的影響[J].草業(yè)科學(xué)，2013,30(3):452-456.

[12] Bork.Edwardw.The relationship between grass yield and precipitation[J].J Range.Manage,2001,54:243-248.

[13] Jensen K B.Dry matter production of Orchardgrass and perennial rygrass at five irrigation levels[J].Crop Science，2001,41(2):479-487.

[14] Shao M A,Hortonr J.Analytical solution for one dimension salhat conduction convection equation[J].Soil SciSoc Am J,1998,62:123-128.

[15] 葉樂(lè)安,劉春平,邵明安.土壤水熱和溶質(zhì)耦合運(yùn)移研究進(jìn)展[J].湖南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)學(xué)報(bào)),2002,25(2):88-91.

[16] Finch-Savage W E,Steckel J R A,Phelps K.Germination and post-germination growth to carrot seedling emergence:predictive threshold models and sources of variation between sowing occasions[J].New Phytol,1998,139:505-516.

[17] Whalley W R,Finch-Savage R E,Cope R E,etal.The response of carrot (DaucuscarotaL.) and onion (AlliumcepaL.) seedlings to mechanical impedance and water stress at sub-optimal temperatures[J].Plant Cell Environ,1999,22:229-242.

[18] Decker K L M,Boerner B E J.Scale dependent patterns of soil enzyme activity in a forest landscape[J].Canadian Journal of Forest Research,1999,29(2):232-241.

[19] Donaghy D J,Fulkerson W J.Priority for allocation of water soluble carbohydrate reserves during regrowth ofLoliumperenne[J].Grass and Forage Science,1998,53(3):211-218.

[20] 李香真,曲秋皓.蒙古高原草原土壤微生物量碳氮特征[J].土壤學(xué)報(bào),2002,39(1):97-104.

[21] Ourry A,Kim T H,Boucaud J.Nitrogen reserve mobilization during regrowth of Medicago sativa L[J].Plant Physiol,1994,105:831-837.

[22] 張法偉,李英年,曹廣民,等.青海湖北岸高寒草甸草原生態(tài)系統(tǒng)CO2通量特征及其驅(qū)動(dòng)因子[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2012,36(3):187-198.

[23] 于晶,孟健男,曾儼,等.溫度及土壤含水量對(duì)冬小麥生長(zhǎng)習(xí)性及返青率的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,41(5):9-13.

[24] 張巍,馮玉杰.松嫩平原鹽堿化草原土壤微生物的分布及其與土壤因子間的關(guān)系[J].草原與草坪,2008,(3):7-11.