黃河源區不同草地類型土壤水分狀況及其與降水的關系

周曙光 ，張耀生 ，趙新全 ，米兆榮

（1.中國科學院西北高原生物研究所，高原生物適應與進化重點實驗室，青海 西寧 810001；2.中國科學院研究生院，北京 100001）

土壤水分是生態學領域的一個重要研究內容，是土壤-植物-大氣連續體的一個關鍵因子，也是限制干旱半干旱地區植物生長和分布的主要因子之一[1-4]。而對于地處干旱半干旱地區的黃河源區草地來說，水分已成為限制牧草生長的主要因素[5]。很多學者曾對草地土壤水分的變化規律及對降水的響應進行過深入的研究和探討[6-10]，但是大多是對單一草地類型進行研究，而對比研究不同草地類型土壤水分及其對天然降水響應特點的比較少[11-12]。近年來，為治理三江源區草地退化，增加草原植被覆蓋面積，三江源區人工草地面積在不斷擴大，約160 000 km2[13 ]，但是針對該地區人工草地土壤水分的研究并不多。人們對三江源區各種草地土壤水分涵養及其對降水響應規律的認識還較少，生態學研究人員迫切需要了解三江源區草地水循環的情況。本研究對比分析人工草地和兩種天然草地土壤水分的時空變化和土壤水分與天然降水的關系，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功能，也能為掌握三江源地區草地土壤水分與牧草生長發育的內在關系、預測草原干旱的發生程度、綜合防治草原旱災和實現水資源的可持續利用提供科學依據。

1 試驗區概況

試驗區位于黃河上游，是三江源自然保護區的試驗區，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 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，降水多集中在5～9月，占年總降水量的85%以上，季節分布極不均勻；年日照時數2 550～2 760 h。

2 研究方法

選擇地勢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，優勢種為紫花針茅（Stipa purpurea）、矮嵩草（Kobresia humilis）等。溫性草原海拔3 330 m，優勢種為克氏針茅（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，優勢種為垂穗披堿草（Elymus nutans）、小嵩草（Kobresia pgymaea）等，已種植 6 a，一直嚴格禁牧，但每年定期收割，隨著種植年限的延長，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。

在每種草地上設小型自動氣象站（HOBO Weather Station，USA），2007 年采集降水和 20、40、60、80 cm土壤濕度數據，數據自動記錄間隔為20 min。對每5 d各層土壤含水量求均值，對每5 d的降水量求和，然后作土壤水分含量和降水量時空變化關系圖。

3 結果與分析

3.1 土壤水分的時空動態

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月末保持相對穩定兩個階段。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，標準差分別為 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態變化

從圖2可知，在整個研究期間，溫性草原土壤含水量沒有明顯的階段性變化特點。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，標準差分別為 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，波動變化也最明顯。這是因為該層處于地表，容易受到降水及地表蒸散等因素影響所致。40 cm土壤含水量隨時間的波動變化動態與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%。這些結果說明，在溫性草原20 cm和40 cm之間可能存在一個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態變化

從圖3可知，人工草地各層土壤水分含量波動幅度都比較大，都表現出明顯的階段性特征。20 cm和40 cm土壤含水量變化趨勢較一致，4月初～6月初，這兩層土壤含水量都沒有大的變化，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月中下旬達到一年中的最大值，另兩個峰值出現在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比較一致。土壤含水量在4月初到6月末之間都沒有大的變化，平均含水量分別為 0.032、0.047 m3/m3，6月末以后開始增加，7月末達到極大值，隨后又降低，8月末達到極小值，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態變化

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系

圖1中光滑曲線為高寒草原降水3周期的移動平均趨勢線。20 cm土壤含水量隨時間的變化趨勢與降水趨勢線的變化非常相似，40、60、80 cm土壤含水量的變化趨勢雖然與降水趨勢線的變化也有相似之處，但表現不如20 cm明顯。分析發現，降水趨勢線出現峰和谷的時候，各層土壤含水量通常也會出現峰和谷，而且各層土壤含水量的峰和谷出現的時間相差不大。這說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周期的移動平均趨勢線。20 cm土壤含水量的變化趨勢與該趨勢線的變化最接近，降水趨勢線出現峰和谷時，20 cm含水量通常也出現峰和谷，40、60、80 cm土壤含水量與降水的變化沒有明顯的相關關系。

圖3中光滑曲線為人工草地降水3周期的移動平均趨勢線。20 cm和40 cm土壤含水量的變化趨勢與該趨勢線的變化比較相似，降水趨勢線出現峰時，這兩層土壤含水量也相應出現峰值，但是，當趨勢線出現谷時，這兩層土壤含水量谷值的出現有較長時間的滯后。60 cm和80 cm土壤含水量的變化趨勢與降水趨勢線也有相似之處，但是，土壤含水量的峰和谷出現的時間相對于趨勢線的峰和谷出現的時間都有較大的滯后，且這兩層土壤含水量的變化都相對平緩。

3.3 植被對土壤水分的涵養作用分析

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，總體表現出：人工草地<高寒草原<溫性草原。對于沒有人工灌溉和地表徑流水分輸入的廣大草場來說，天然降水是土壤水分補充的最主要來源，降水量與土壤含水量的比值小，說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 結論與討論

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

（2）各種草地土壤含水量垂直變化明顯。整個生長季中，高寒草原土壤含水量大致都表現出20 cm>40 cm>60 cm>80 cm的特點。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，不同時間表現出不同的特點，總的來看，在降水量多時，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系不同。總體來看，土層越淺，土壤含水量與降水的關系越密切，但各草地土壤水分與降水的關系又有不同。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線的變化比較接近，各層含水量的峰與谷和降水趨勢線的峰與谷出現的時間都比較接近，說明高寒草原20 cm到80 cm水分入滲都比較好，對降水的響應較快。溫性草原只有20 cm土壤對降水的響應快，其它3層含水量很低，而且對降水沒有明顯的響應，說明在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土壤對降水的響應較快，60 cm和80 cm則較慢，尤其在較長時間沒有降水的情況下，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越低[15]，這些水分就會被固存在土壤中，有利于下一年土壤墑情的恢復。

（4）降水量與平均土壤含水量的比值表現出人工草地<高寒草原<溫性草原。這一結果說明，建植6 a的垂穗披堿草人工草地的水分涵養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功能要好于溫性草原。

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