王善舉, 王秀芳, 王 零

(1.甘肅祁連山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局, 甘肅 張掖 734000; 2.天水市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心, 甘肅 天水 741000)

黃土高原非植物生長(zhǎng)季節(jié)水熱狀況與生態(tài)功能

王善舉1, 王秀芳2, 王 零1

(1.甘肅祁連山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局, 甘肅 張掖 734000; 2.天水市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心, 甘肅 天水 741000)

[目的] 對(duì)黃土高原非植物生長(zhǎng)季節(jié)水分狀況與利用潛力進(jìn)行分析，為該區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)中的水資源高效利用提供參考。 [方法] 根據(jù)分布在黃土高原地區(qū)的氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)和定位試驗(yàn)結(jié)果，分析研究區(qū)非植物生長(zhǎng)季節(jié)的水熱狀況。 [結(jié)果] 研究區(qū)大部分地區(qū)植物經(jīng)歷春季萌發(fā)和秋季枯死過程，土壤經(jīng)歷凍融過程，最大凍土深度186 cm，并有一定量的降雪，最大降雪深度30 cm，非生長(zhǎng)季節(jié)降水平均占全年降水的7.7%。陜西省北部的典型定位觀測(cè)點(diǎn)的土壤凍結(jié)時(shí)間達(dá)3月之久，有利于土壤水分的保持。 [結(jié)論] 黃土高原非植物生長(zhǎng)季節(jié)水熱過程較弱，但是在水資源短缺條件下，能夠明確非植物生長(zhǎng)季節(jié)的水熱過程，提高這一時(shí)段的水熱資源利用效率對(duì)退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)有重要意義。

黃土高原; 非植物生長(zhǎng)季節(jié); 植被恢復(fù); 水熱狀況

文獻(xiàn)參數(shù)： 王善舉, 王秀芳, 王零.黃土高原非植物生長(zhǎng)季節(jié)水熱狀況與生態(tài)功能[J].水土保持通報(bào)，2017,37(2)：284-288.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.043； Wang Shanju, Wang Xiufang, Wang Ling. Status and Ecological Functions of Water and Heat During Non-growing Period in Loess Plateau[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：284-288.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.043

研究植被與土壤水分相互作用過程是干旱地區(qū)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容，退化生態(tài)系統(tǒng)在人類活動(dòng)過程中，往往導(dǎo)致半干旱向干旱和沙漠化方向發(fā)展，而且區(qū)域土地利用類型發(fā)生較大變化后的平衡過程需要較長(zhǎng)時(shí)段才能顯示出來[1-2]。已有關(guān)于黃土高原地區(qū)植被與土壤水分相互作用的大量研究報(bào)道將直接促進(jìn)該區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)，但是以往的研究主要集中在植物的生長(zhǎng)季節(jié)。盡管該區(qū)的水熱過程在生長(zhǎng)季節(jié)要比其它時(shí)段強(qiáng)烈的多，但是非植物生長(zhǎng)季節(jié)的水熱過程幾乎被忽視了。人們?cè)诎言囼?yàn)規(guī)律從點(diǎn)到面，再到流域和區(qū)域擴(kuò)展的同時(shí)也需要更加細(xì)致的觀測(cè)和模擬結(jié)果。盡管沒有植物生長(zhǎng)的時(shí)期，土壤-大氣系統(tǒng)的水熱交換弱，但是其變化規(guī)律仍然需要進(jìn)行研究。根據(jù)國家氣象中心資料對(duì)中國的凍土空間分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)河北北部、山西、陜西和四川省西北部一線均出現(xiàn)過1 m以上的凍土層[3]。由此推斷，黃土高原地區(qū)冬季大部分土壤經(jīng)歷凍結(jié)融化過程并有一定的降雪。也有關(guān)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)冬季水分變化方面的研究[4]，但是中國關(guān)于土壤凍融對(duì)水分循環(huán)與遷移的研究主要集中在高寒地區(qū)的多年凍土區(qū)域[5-7]，本文根據(jù)分布在黃土高原地區(qū)的氣象站數(shù)據(jù)，主要就該區(qū)非植物生長(zhǎng)季節(jié)水分狀況與利用潛力進(jìn)行分析，以期為該區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)中的水資源高效利用提供參考。

1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與方法

黃土高原地區(qū)1951—2000年63個(gè)氣象站數(shù)據(jù)用來分析本地區(qū)冬季降水狀況，凍土和積雪情況只選取其中17個(gè)典型站點(diǎn)進(jìn)行分析，這些站點(diǎn)地理上基本均勻的分布在黃土高原地區(qū)。利用設(shè)在陜西省神木縣的中國科學(xué)院水利部水土保持研究所神木侵蝕與環(huán)境試驗(yàn)站的野外氣象站(38.79N， 110.36E，海拔1 216 m)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析典型點(diǎn)的非生長(zhǎng)季節(jié)水熱特征。定位觀測(cè)點(diǎn)的土壤質(zhì)地為沙質(zhì)黃土，生長(zhǎng)長(zhǎng)芒草，土壤溫度和水分測(cè)定分不同的層次，水分測(cè)定用ML2x水分測(cè)定儀(Delta公司，英國)連接在CR10X數(shù)據(jù)采集器(Campbell Scientific公司，美國)上進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，土壤溫度用熱電偶方法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃土高原非植物生長(zhǎng)季節(jié)與降水分配

近代氣象學(xué)家為了客觀、準(zhǔn)確地劃分處于不同緯度和不同地形各地的季節(jié)，發(fā)掘和利用中國的氣象資源，提出了以溫度為標(biāo)準(zhǔn)，并兼顧一些能反映季節(jié)來臨的動(dòng)、植物活動(dòng)和生長(zhǎng)規(guī)律來劃分季節(jié)的方法。即是以候(5 d為一候)平均氣溫低于10 ℃的作為冬季，高于22 ℃的作為夏季，介于10～22 ℃的作為春季和秋季。以此為據(jù)，根據(jù)黃土高原63個(gè)氣象站的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，每年的11，12到次年的1—3月大部分站點(diǎn)的多年平均溫度在10 ℃以下，南部地區(qū)相對(duì)短一些，而北部地區(qū)相對(duì)長(zhǎng)一些。因此，黃土高原天然和人工1年生植物的主要生長(zhǎng)期在4—10月，根據(jù)緯度的不同，存在一定的差異。例如在陜北的榆林地區(qū)，天然植被在4月下旬開始萌發(fā)生長(zhǎng)，到10月初進(jìn)入枯萎，農(nóng)作物的生長(zhǎng)期更短。根據(jù)黃土高原63個(gè)氣象站1951-2000年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，黃土高原地區(qū)多年平均降水401 mm，蒸發(fā)1 847 mm；每年的1-3月與11，12這5個(gè)月是一年中降水最少的時(shí)段，多年平均33.2 mm，最大82 mm，最小僅5.6 mm，占全年降水的比例分別為7.7%，13.8%與2.5%。這段時(shí)間是黃土高原水分最不活躍的時(shí)期，地表植被覆蓋率低，氣溫相對(duì)較低。這5個(gè)月的蒸發(fā)也較低，根據(jù)20 cm小型蒸發(fā)器的測(cè)定結(jié)果，多年平均蒸發(fā)332.4 mm，占全年的18.7%(表1)。

表1 黃土高原地區(qū)不同季節(jié)的降水分配

注：1—4與10—12月這6個(gè)月處于旱季，降水主要在6—9月?！氨壤笔侵刚既昕偭康陌俜直?。

2.2 黃土高原非植物生長(zhǎng)季節(jié)水分的特征

非植物生長(zhǎng)季節(jié)的水分特征主要通過降水和土壤水分表征，本研究根據(jù)多年觀測(cè)氣象資料，主要從積雪和凍土2個(gè)方面來反映研究區(qū)的非生長(zhǎng)季節(jié)水分狀況。

根據(jù)圖1所示，黃土高原地區(qū)最大凍土深度隨緯度增加有增加趨勢(shì)，平均最大凍土深度97.8 cm，最小值27 cm，最大值186 cm。北部的呼和浩特與大同，在10月到次年4月間出現(xiàn)凍土現(xiàn)象，最大深度可達(dá)到186 cm，最南端的西安與鄭州市凍土主要在11月至次年3月的5個(gè)月間出現(xiàn)，最大深度不超過40 cm。土壤凍結(jié)過程阻礙土壤水分蒸發(fā)，因此盡管冬季降水很少，春季土壤融化時(shí)的含水量卻增加了[8]。據(jù)那平山等[9]的研究?jī)鼋Y(jié)滯水形成機(jī)制是在冬季的凍結(jié)作用下，包氣帶凍土層內(nèi)產(chǎn)生氫鍵吸附能、飽和水汽壓差和毛管薄膜等機(jī)制構(gòu)成凍結(jié)勢(shì)(熱力學(xué)勢(shì))。它具有很強(qiáng)的吸附能凝聚水分，使包氣帶水和潛水從液態(tài)、汽態(tài)向凍結(jié)層移富集，形成季節(jié)性固態(tài)地下水。

圖1 黃土高原各市區(qū)歷年最大凍土深度

在過去30 a間，黃土高原地區(qū)10月到次年5月不同程度出現(xiàn)了積雪現(xiàn)象。空間分布上并沒有顯示明顯的規(guī)律性，平均最大積雪深度14.7 cm，最小值9 cm，最大值30 cm。最大深度出現(xiàn)在呼和浩特的3月份(圖2)。黃土高原冬季風(fēng)速相對(duì)高，降雪往往發(fā)生局部的堆積或者被風(fēng)吹離原地，坡面降雪很難就地融化。凍融水在春季為植物發(fā)芽、生長(zhǎng)提供了一次較好的水分來源，尤其對(duì)缺乏灌溉的天然植被的生長(zhǎng)十分有利[6]。那平山等認(rèn)為在我國的西北地區(qū)，土壤凍結(jié)滯水的融水是樹木等植物春季萌發(fā)繁衍、生長(zhǎng)最可靠的甚至唯一水資源，故控制凍結(jié)滯水量是生態(tài)環(huán)境建設(shè)的關(guān)鍵措施[10]。

圖2 黃土高原各市區(qū)歷年最大積雪深度

2.3 典型試驗(yàn)站點(diǎn)非植物生長(zhǎng)季節(jié)水熱特征

神木試驗(yàn)站2004與2006年3 a的試驗(yàn)結(jié)果顯示(圖3)，日平均土壤溫度在0 ℃以下的天數(shù)可以達(dá)到94和93 d，表層日平均最低溫度可以達(dá)到-10.4 ℃，可見在該區(qū)土壤處于凍結(jié)狀態(tài)的天數(shù)可以達(dá)3月之久，而這兩個(gè)冬季降水僅為9.8和6.9 mm。

從2 a的觀測(cè)資料來看，進(jìn)入非生長(zhǎng)季節(jié)，土壤水分的變化變緩和，但是在土壤完全凍結(jié)前，土壤水分、特別是淺層水分含量在沒有降水的條件下有明顯的降低。進(jìn)入凍結(jié)過程，水分有顯著的降低，這是因?yàn)閭鞲衅鳒y(cè)定的是土壤中的未凍結(jié)的液態(tài)水分。在進(jìn)入凍結(jié)期后，土壤未凍結(jié)水分含量相對(duì)穩(wěn)定，從觀測(cè)數(shù)據(jù)看，期間的凍土深度已經(jīng)超過儀器的最大測(cè)量深度56 cm。其后隨著季節(jié)變化，溫度上升，土壤解凍，土壤中的未凍結(jié)水分含量有增加趨勢(shì)，而且有明顯的向上層聚積的現(xiàn)象,這和龔家棟等[11]的結(jié)論一致。而表層含水率由于沒有降水有明顯的下降趨勢(shì)(圖4)。約3個(gè)月的凍結(jié)期有利于土壤水分的保持，觀測(cè)結(jié)果證實(shí)，在凍結(jié)期內(nèi)土壤水分含量并沒有明顯降低，主要是進(jìn)入凍結(jié)狀態(tài)，土壤蒸發(fā)量少，保持在土壤中的水分將為來年植物的萌發(fā)和生長(zhǎng)提供水源。按照黃土高原區(qū)域凍土分布推斷，這種現(xiàn)象應(yīng)該存在于整個(gè)地區(qū)，但其凍結(jié)深度和程度有較大的空間變異性。

圖3 神木站土壤溫度變化特征

圖4 神木站非植物生長(zhǎng)季節(jié)土壤水分變化

3 冬季水分循環(huán)及其生態(tài)功效

黃土高原地區(qū)冬季土壤凍融與降雪對(duì)土壤熱容量、土壤水容量、地表反照率、水分蒸發(fā)與升華等產(chǎn)生影響，感熱、潛熱通量和動(dòng)量交換隨之改變，從而對(duì)來年植被生長(zhǎng)產(chǎn)生影響。而地表植被覆蓋度的改變，特別是植被建設(shè)造成的冬季地表覆蓋的增加必然對(duì)土壤凍融與降雪融化等水熱過程產(chǎn)生影響。植被冠層對(duì)太陽輻射(尤其是直射輻射)具有反射和遮擋作用，減小了到達(dá)林下地表的凈輻射，阻滯了地表溫度的變化，對(duì)凍土水熱過程產(chǎn)生直接的影響[12]。活動(dòng)層開始凍結(jié)和消融時(shí)間隨著植被蓋度的減少不斷提前，且凍結(jié)持續(xù)時(shí)間縮短；隨著植被蓋度減小，活動(dòng)層地溫水分變化速率增大植被起到抑制土壤地溫水分變化速率的作用[13]，凍土埋深通過影響淺層土壤含水量影響植被生長(zhǎng)的[14]。地表蓋度增加，下墊面的粗糙度增加，這不但可以阻礙降雪的運(yùn)動(dòng)，增加其融化入滲，作物殘茬可以阻截地表雪的運(yùn)動(dòng)，可以通過適當(dāng)?shù)耐寥拦芾泶胧┨岣邇鼋Y(jié)土壤的入滲率減少春季徑流，同時(shí)增加土壤儲(chǔ)水[15]。而且植物殘茬可以阻礙土壤凍融作用因此有利于土壤結(jié)構(gòu)體的形成[16]，削弱凍融作用對(duì)土壤團(tuán)粒穩(wěn)定性的破壞。但是，植被覆蓋度的增加，植物根系吸水也隨之增加，土壤含水量的降低，可能導(dǎo)致土壤凍融過程退化[17]。根據(jù)黃土丘陵區(qū)不同坡向的土壤儲(chǔ)水量測(cè)定結(jié)果，北坡與西坡的儲(chǔ)水量明顯高于南坡與東坡，主要是降水再分配與能量的多寡造成[18]，我們也經(jīng)常觀測(cè)到冬季降雪往往在北坡與西坡存在的時(shí)間長(zhǎng)于南坡與東坡的現(xiàn)象。因此不同坡向水熱循環(huán)差異不但在植物生長(zhǎng)季節(jié)存在差異，在非生長(zhǎng)季節(jié)也存在差異，而這種差異對(duì)生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)的影響作用和程度均需要進(jìn)一步的深入研究。有研究表明，隨著氣候變暖，出現(xiàn)凍土深度變淺及凍結(jié)時(shí)間變短等退化現(xiàn)象，土壤含水量可能減少，導(dǎo)致植被物種更替退化，同時(shí)包氣帶熱容量減少，溫差增大，植被生長(zhǎng)的適宜溫度層也發(fā)生了變化[14]。

4 研究展望

在建立生態(tài)系統(tǒng)SVAT模擬模型時(shí)，需要長(zhǎng)時(shí)段的監(jiān)測(cè)資料，同時(shí)也要求完整的資料序列，隨著相關(guān)研究的深入，建立或改進(jìn)模型對(duì)非生長(zhǎng)時(shí)期的水熱過程的描述也要求獲得這一時(shí)期的資料。模擬干旱缺水條件下，高效利用水資源一直是植被建設(shè)與提高生產(chǎn)力的有效途徑，而黃土區(qū)非植物生長(zhǎng)季節(jié)水熱循環(huán)及其在本區(qū)土壤—植被—大氣水分傳輸過程所起的作用并未引起足夠重視。降雪與凍結(jié)滯水的有效利用與調(diào)控以及植被覆蓋變化所導(dǎo)致的非生長(zhǎng)季節(jié)水熱變化、黃土區(qū)冬季土壤—大氣水分能量傳輸過程模擬與模型是值得研究的問題。

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[18] 楊文治,邵明安.黃土高原土壤水分研究[M].北京:科學(xué)出版社,2000.

Status and Ecological Functions of Water and Heat During Non-growing Period in Loess Plateau

WANG Shanju1, WANG Xiufang2, WANG Ling1

(1.GansuQilianMountainsNationalNatureReserveAdministration,Zhangye，Gansu734000，China; 2.AgriculturalTechnologyExtensionCenterinTianshuiCity,Tianshui,Gansu741000，China)

[Objective] The water status and utilization potential of the non-growing growing season on the Loess Plateau were analyzed to provide reference for the efficient utilization of water resources in the process of ecological environment construction. [Methods] Data from meteorological stations in Loess Plateau and test in situ was used to analyze the status of water and heat during non-growing season. [Results] Plants in most parts of the study area go through spring germination and autumn dead process. Soil has freeze-thaw cycles with the maximum frozen depth of 186 cm. And there is a certain amount of snowfall and the maximum snow depth record is 30 cm. On average, precipitation during non-growing season accounted for 7.7% annual precipitation . In the north area of Shaanxi Province, the freezing time of typical observation field station is up to three months. [Conclusion] Water and heat should be studied and use efficiency of the limited water resources should be improved. It is very important for vegetative restoration in the region.

the Loess Plateau; non-vegetative period; vegetative restoration; status of water and heat

2016-08-31

2016-09-01

甘肅省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目項(xiàng)目“祁連山典型生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)”(1604FKCG117)

王善舉(1974—),男(漢族),甘肅省天水市人,本科,主要從事自然保護(hù)區(qū)科學(xué)研究,保護(hù)區(qū)管理方面的工作。E-mail:870028013@qq.com。

A

1000-288X(2017)02-0284-05

S159