高寒草地干濕生態(tài)系統(tǒng)土壤水分及入滲對降水的響應(yīng)

石明明 ，王曉敏 ，陳奇 ，韓炳宏 ，周秉榮 *，肖建設(shè) ，肖宏斌

（1. 青海省防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，青海 西寧810001；2. 青海省氣象科學(xué)研究所，青海西寧 810001；3. 河南縣氣象局，青海河南811599；4. 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室，蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅蘭州730020）

土壤水分作為生物圈和土壤圈的重要紐帶，通過影響植物蒸騰和光合等過程，進而調(diào)控生態(tài)系統(tǒng)水、能量和生物化學(xué)循環(huán)［1-2］。降水作為土壤水分的主要來源，主要通過降水量、降水季節(jié)分布、降水歷時、降水強度和降水間隔等年際和季節(jié)變化影響土壤水分的改變［3-5］。同時，因植被覆蓋和土壤類型的差異，不同生態(tài)系統(tǒng)降水驅(qū)動的土壤水分變化特征差異較大［6］。Heisler-White 等［7］通過研究半干旱地區(qū)植物生長季降水對土壤水分的影響，發(fā)現(xiàn)小降水事件僅增加了表層土壤含水量，而大降水事件不僅能明顯增加表層土壤含水量，還能入滲到深層土壤，大降水事件對于提高半干旱地區(qū)土壤剖面蓄水量具有重要作用。研究發(fā)現(xiàn)在降水總量相同的情況下，降水間隔的延長可以顯著提高干旱地區(qū)的土壤含水量［8］，而降低濕潤地區(qū)的土壤含水量［9］。因此，深入理解土壤水分對降水格局變化的響應(yīng)有助于更好地認識土壤水分的維持機制，預(yù)測未來降水格局變化對生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵過程的潛在影響。

青藏高原是全球氣候變化的敏感區(qū)和關(guān)鍵區(qū)，近幾十年來，在全球氣候變化的背景下，青藏高原的氣候發(fā)生了顯著變化，例如，氣溫呈顯著增加趨勢，降水也發(fā)生了一定變化［10-11］。許建偉等［12］通過分析1979-2016 年青藏高原降水的變化特征，發(fā)現(xiàn)高原整體年總降水量呈不顯著的增加趨勢，同時，不同氣候區(qū)降水峰值和分布形態(tài)變化差異較大，這種降水格局的變化將影響土壤水分的狀況和維持。高寒草原和沼澤草甸作為青藏高原主要的草地類型［13-14］，近年來，前者干旱頻發(fā)［15］，后者退化嚴(yán)重［16］，土壤水分是重要的影響因子［17-18］，理解降水驅(qū)動其土壤水分變化的特征是認識這些關(guān)鍵過程的基礎(chǔ)。而目前，關(guān)于高寒草原和沼澤草甸等高寒草地土壤水分變化的研究主要集中在土壤水分時間和空間變異特征［19］及植被和降水量對其的影響研究［17，20］，對這些地區(qū)土壤水分改變對降水格局變化的響應(yīng)研究仍缺少深入的分析，同時，未考慮入滲過程土壤剖面水分的動態(tài)變化，這限制了從機理上理解高寒草地生態(tài)系統(tǒng)土壤水分變化對降水的響應(yīng)過程。

本研究以海北高寒草原和隆寶高寒沼澤草甸生態(tài)氣象試驗站的降水和土壤含水量等連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，分析了土壤水分改變對降水事件的響應(yīng)規(guī)律及入滲過程特征，以期為理解高寒草地生態(tài)系統(tǒng)土壤水分對降水事件的響應(yīng)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

選擇青海省氣象科學(xué)研究所海北高寒草原生態(tài)氣象試驗站（100°51′E，36°57′N）和隆寶高寒沼澤草甸生態(tài)氣象試驗站（96°30′E，33°13′N）為試驗區(qū)。前者位于青海高原北部的海晏縣，海拔3140 m；屬高原亞干旱氣候；年平均氣溫1.4 ℃；年降水量502.2 mm，降水主要發(fā)生在5-9 月。試驗樣地面積26 hm2，地勢平坦，植被均一；植被類型屬于典型的高寒草原，植物群落中以禾本科的西北針茅（Stipa sareptana）為優(yōu)勢種，伴生種有矮嵩草（Kobresia humilis）、草地早熟禾（Poa pratensis）、洽草（Koeleria cristata）和斜莖黃芪（Astragalus adsurgens）。整個區(qū)域分布有季節(jié)性凍土（表1）。

隆寶高寒沼澤草甸生態(tài)氣象試驗站位于青海高原南部的玉樹市，海拔4167 m；屬于典型的高原大陸性氣候；年平均氣溫0.6 ℃；年降水量468.2 mm，降水主要發(fā)生在6-9 月。試驗樣地面積0.01 hm2，地勢平坦，植被均一，樣地附近有河流和水域；植被類型屬于典型的高寒沼澤草甸，植物群落中以莎草科的苔草（Carex atrofusca）為優(yōu)勢種，伴生種有藏嵩草（Kobresia tibetica）、水麥冬（Triglochin palustre）和鈍葉銀蓮花（Anemone obtusiloba）。整個區(qū)域分布有永久或季節(jié)性凍土（表1）。

表1 試驗站基本信息Table 1 General information of testing sites

1.2 研究方法

1.2.1 微氣象觀測系統(tǒng) 于2014 和2011 年夏季，分別在草原和沼澤草甸試驗站，選擇能夠代表整個試驗區(qū)域的樣地為試驗樣區(qū)，安裝一套自動氣象觀測系統(tǒng)，各觀測設(shè)備各一套，進行長時間序列的集中觀測，采用大氣溫度和相對濕度探頭（HMP-45C，Vaisala）測定離地面1 m 處大氣溫、濕度。采用三維超聲風(fēng)速儀（CSAT3，Campbell）測定離地面1 m 處風(fēng)速。采用土壤水分測定探頭（CS616，Campbell）測定不同深度（5、10、20、30、40 cm）的土壤含水量，利用烘干法對儀器測定的土壤含水量進行標(biāo)定，以標(biāo)定后的土壤含水量作為實際值。采用稱重式降水傳感器（T200B，Geonor）測定降水量，配備CR1000 采集器每10 min 記錄一次數(shù)據(jù)并存儲。其中，安裝土壤水分測定探頭時，在樣區(qū)中挖一個足夠?qū)挼目樱繉右粋€探頭，通過坑側(cè)插入土壤中，與地面保持平行，然后按出土相反的順序?qū)⑼撂钊肟又校箍拥谋砻婧涂又車莸乇砻嫦嗨啤Ｔ诎惭b完設(shè)備2 個月后開始觀測，以便土壤恢復(fù)原狀。本研究采用試驗站2015-2017 年的降水和土壤水分連續(xù)觀測數(shù)據(jù)進行土壤水分變化及對降水事件的響應(yīng)分析。

1.2.2 降水事件的提取和土壤水分增量的確定 降水事件的篩選條件為降水發(fā)生在24 h 以內(nèi)，降水前24 h 無降水發(fā)生，降水后0～40 cm 土壤剖面土壤含水量達到最大值的過程中沒有別的其他降水事件干擾［3，18］。根據(jù)2015-2017 年的10 min 降水?dāng)?shù)據(jù)，草原試驗站生長季（6-9 月）共篩選出44 個降水事件，沼澤草甸試驗站生長季（6-9 月）共篩選出35 個降水事件。結(jié)合已挑選的降水事件，確定各層土壤含水量的增量，即降水后土壤含水量與降水前土壤含水量的差值，其中，降水前和降水后的土壤含水量，利用10 min 降水和土壤含水量數(shù)據(jù)確定，降水前土壤含水量為降水發(fā)生前的土壤含水量，降水后土壤含水量為降水發(fā)生后使土壤含水量實際達到的最大值。同時，0～40 cm 土壤剖面蓄水增量通過剖面平均土壤含水量的增量和土層深度來確定［21-22］。氣溫、風(fēng)速和相對濕度為降水期間的平均值。

1.3 統(tǒng)計分析

采用多元線性回歸分析土壤水分增量與降水事件大小和強度的關(guān)系。采用Pearson 相關(guān)性分析土壤水分增量和降水前表層（0～10 cm）土壤含水量、氣溫、風(fēng)速和相對濕度之間的關(guān)系。采用曲線回歸分析降水事件大小對0～40 cm 土壤剖面蓄水增量的影響。CV 表示變異系數(shù)（coefficient of variation）。采用OriginPro 9.1 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生長季降水事件特征

2015-2017 年生長季，草原和沼澤草甸平均降水量分別為360.0（CV=4.8%）和314.6 mm（CV=20.9%），占年總降水量的比例分別為71.7%和67.2%；降水日數(shù)草原和沼澤草甸分別為84（CV=4.8%）和92 d（CV=13.0%）；0～5 mm、5～10 mm 和＞10 mm 的降水累計量占生長季總降水的比例，草原分別為29.2%、32.1%和38.7%，沼澤草甸分別為36.6%、33.1%和30.4%；0～5 mm、5～10 mm 和＞10 mm 的降水日數(shù)占生長季總降水日數(shù)的比例，草原分別為70.7%、19.7%和9.7%，沼澤草甸分別為74.4%、17.5%和8.1%；隨著降水量級增大，降水累計量草原呈增大趨勢，沼澤草甸呈減小趨勢；降水日數(shù)草原和沼澤草甸均呈減少趨勢（圖1）。

圖1 降水月均值變化與各量級降水情況Fig.1 Mean monthly precipitation and rainfall at various levels

2.2 不同降水量級下土壤水分增量變化

在草原，隨著降水事件的增大，土壤水分增量逐漸增大，同一降水量級下土壤水分增量隨土層加深逐漸減小；0～5 mm 的降水事件使5 cm 土層土壤含水量平均增加0.013 cm3·cm-3，5 cm 以下土層土壤含水量未改變；5～10 mm 的降水事件使0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm 和 20～30 cm 土層土壤含水量分別平均增加0.058、0.018、0.007和 0.002 cm3·cm-3，40 cm 土層未改變；＞10 mm 的降水事件使 0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 和 30～40 cm 土層土壤平均含水量分別增加0.119、0.079、0.043、0.029 和0.013 cm3·cm-（3圖2）。

圖2 不同降水量級下土壤水分增量變化Fig.2 The increase of soil moisture content at various rainfall levels

在沼澤草甸，0～5 mm 的降水事件對0～40 cm 土壤剖面各層土壤含水量均起到了微弱補充；5～10 mm 和＞10 mm 的降水事件使40 cm 土層平均土壤含水量增加較大，而0～30 cm 土層平均土壤含水量增加較小，5～10 mm的降水事件使0～30 cm 和40 cm 土層平均土壤含水量分別增加0.006 和0.024 cm3·cm-3，＞10 mm 的降水事件使0～30 cm 和40 cm 土層平均土壤含水量分別增加0.009 和0.018 cm3·cm-（3圖2）。

2.3 土壤水分對降水事件的響應(yīng)

降水事件大小和強度對草原和沼澤草甸表層（0～10 cm）與下層（10～40 cm）土壤水分增量均有顯著主導(dǎo)作用（表2）。草原降水事件大小和強度能夠解釋0～10 cm 土層土壤水分增量75%的變化（P＜0.001），10～40 cm土層土壤水分增量63%的變化（P＜0.001）；沼澤草甸降水事件大小和強度對0～10 cm 和10～40 cm 土層土壤水分增量的解釋度均較低，分別為26%（P=0.017）和38%（P=0.001）。

表2 土壤水分增量與降水事件大小和降水強度的關(guān)系Table 2 The relationship between the increase of soil moisture content and rainfall event size and rainfall intensity

分析了降水前表層（0～10 cm）土壤含水量、氣溫、風(fēng)速和相對濕度對土壤水分增量的影響（表3），發(fā)現(xiàn)降水前表層（0～10 cm）土壤含水量和氣溫對土壤水分增量的影響較為明顯，降水前表層（0～10 cm）土壤含水量和單位降水引起的土壤水分增量在草原10～40 cm 土層和沼澤草甸0～10 cm 與10～40 cm 土層呈顯著正相關(guān)。氣溫和單位降水引起的土壤水分增量在草原10～40 cm 土層呈顯著負相關(guān)。風(fēng)速和相對濕度對土壤水分增量的影響較弱。

表3 單位降水引起的土壤水分增量和降水前表層（0~10 cm）土壤含水量、氣溫、風(fēng)速、相對濕度之間的相關(guān)性Table 3 The correlation between the increase of soil moisture content induced by 1 mm rainfall and surface（0-10 cm）soil moisture content before rainfall events，air temperature，wind speed，relative humidity

2.4 入滲過程土壤剖面水分動態(tài)變化

分析了不同降水量級下，草原和沼澤草甸兩個區(qū)域土壤剖面水分的變化過程。草原4.3 mm 的降水事件，幾乎沒有引起土壤含水量的變化。8.3 mm 的降水事件，從降水開始160 min 后表層（0～10 cm）土壤含水量開始增加，降水結(jié)束 230 min 后，達到最大值（0.253 cm3·cm-3），最大增量為 0.029 cm3·cm-3；10～40 cm 土層土壤含水量只有微弱的增加。16.0 mm 的降水事件，從降水開始310 min 后表層（0～10 cm）土壤含水量開始增加，降水結(jié)束30 min 后，達到最大值（0.335 cm3·cm-3），最大增量為 0.102 cm3·cm-3；10～40 cm 土層土壤含水量也明顯增加，降水結(jié)束后，表層土壤水分繼續(xù)下滲補充下層土壤水分（圖3）。

圖3 草原入滲過程土壤剖面水分變化Fig.3 The wetting front infiltration processes in the alpine grassland

沼澤草甸3.2 mm 的降水事件只引起0～40 cm 土壤剖面土壤含水量微弱的增加。9.6 mm 的降水事件，從降水開始40 min 后，0～10 cm 和10～40 cm 土層土壤含水量均開始增加，其土壤含水量達到最大值發(fā)生在降水結(jié)束之前，表層（0～10 cm）土壤含水量增加較少，10～40 cm 土層土壤含水量最大增量為0.004 cm3·cm-3，增加較多。17.0 mm 的降水事件，從降水開始30～50 min 后，0～10 cm 和10～40 cm 土層土壤含水量開始增加，其土壤含水量達到最大值發(fā)生在降水結(jié)束之前，表層（0～10 cm）和10～40 cm 土層土壤含水量最大增量分別為0.011 和0.007 cm3·cm-（3圖4）。

圖4 沼澤草甸入滲過程土壤剖面水分變化Fig.4 The wetting front infiltration processes in the alpine swamp meadow

2.5 土壤剖面蓄水增量和降水事件大小的關(guān)系

回歸分析顯示（圖5），草原0～40 cm 土壤剖面蓄水增量和降水事件大小呈顯著的三次函數(shù)關(guān)系（P＜0.001）；沼澤草甸0～40 cm 土壤剖面蓄水增量和降水事件大小呈顯著的二次函數(shù)關(guān)系（P＜0.001）。降水事件大小能夠解釋草原0～40 cm 土壤剖面蓄水增量的94.9%；能夠解釋沼澤草甸0～40 cm 土壤剖面蓄水增量的59.1%。相比于草原，在降水事件較小時，沼澤草甸0～40 cm 土壤剖面蓄水量增加較多；反之，則較少。

圖5 0~40 cm 土壤剖面蓄水增量和降水事件大小的關(guān)系Fig. 5 Relationships of increase in soil water storage in 0-40 cm soil profiles with rainfall event size

3 討論

3.1 降水事件對土壤水分的影響

生長季降水顯著影響土壤水分的變化，在降水總量相同的情況下，通常以小降水事件為主導(dǎo)的降水系統(tǒng)中，由于土壤蒸發(fā)及植物蒸騰作用，導(dǎo)致土壤水分損失嚴(yán)重，這將影響降水對土壤水分補充的量和水分的下滲［23］。而以大降水事件為主導(dǎo)的降水系統(tǒng)中，降水間隔增加，將使表層土壤更加頻繁、長期地處于干旱狀況，但大降水事件的增加會促進更多水分下滲到深層土壤［24-25］。本研究發(fā)現(xiàn)，草原小降水事件（≤5 mm）僅增加了5 cm 土層土壤含水量，而＞5 mm 的降水事件才可滲透到下層土壤，對下層土壤水分起到補充作用；而沼澤草甸小降水事件（≤5 mm）對0～40 cm 土壤剖面各層土壤含水量均起到微弱的補充，這主要是因為沼澤草甸土壤含水量較高，且土壤根系發(fā)達粗壯，較密的根系網(wǎng)使水分更容易下滲到深層以補充土壤水分［21］。因此，在草原生態(tài)系統(tǒng)，一系列小降水事件對土壤水分的補充效應(yīng)并不一定等于相同總量的單次降水（相比小降水事件，滲透更大，蒸發(fā)更少）的補充效應(yīng)［21］，而在沼澤草甸生態(tài)系統(tǒng)，相同總量的一系列小降水事件對土壤水分的補充效應(yīng)比草原更強。發(fā)生＞5 mm 的降水事件時，沼澤草甸下層（40 cm）土壤含水量較上層（0～30 cm）明顯增加，主要是因為沼澤草甸高的土壤含水量和較密根系特征可使降水容易滲透到下層，且沼澤草甸地區(qū)具有高的地下水位，下滲的水分明顯增加了下層（40 cm）土壤含水量［23，26］。可見，草原和沼澤草甸土壤水分對降水事件的響應(yīng)存在較大差異，草原土壤水分增量隨著降水事件的增大逐漸增加，同一降水量級下土壤水分增加的量隨土層加深逐漸減小；而沼澤草甸降水發(fā)生時，小降水事件可對0～40 cm 土壤剖面各土層土壤含水量均起到補充，大降水事件對下層土壤含水量的增加明顯。

3.2 入滲過程土壤剖面水分變化

草原和沼澤草甸土壤剖面（0～40 cm）展示出不同的土壤水分垂直分布結(jié)構(gòu)。土壤水分滲透過程受多種生物、物理因素的影響，包括地表覆蓋、土壤類型、水力屬性和降水強度等［27-28］。降水發(fā)生后，草原土壤含水量從表層到深層依次增加，表層土壤含水量增加和降水累計增加具有相似趨勢，降水結(jié)束表層土壤含水量增加到一定值后開始下降，速率較增加的速率緩慢。當(dāng)降水事件較小時，降水通過滲透增加上層土壤水分，水分保持在上層土壤，沒有滲透到下層土壤；當(dāng)降水事件較大時，上層土壤不僅可以保持較大的水分，還能再分配到下層土壤，使下層土壤含水量增加，表明受降水的影響下，草原表層土壤水分波動最為明顯，這與其他干旱、半干旱地區(qū)研究的結(jié)論一致［3，5］。相比草原，沼澤草甸土壤水分變化對降水的響應(yīng)較快，降水發(fā)生時，由于沼澤草甸初始土壤含水量較高，且土壤孔隙度較小，濕潤鋒運移較快［29］，能快速到達表層土壤（0～10 cm），對于小降水事件（≤5 mm）也能滲透到下層土壤（10～40 cm），這種土壤滲透特征可使沼澤草甸土壤更快更有效地獲取和保持水分資源［6］。相比草原，當(dāng)降水事件較小時，沼澤草甸0～40 cm 土壤剖面蓄水量增加較多；當(dāng)降水事件較大時，沼澤草甸0～40 cm 土壤剖面蓄水量增加較少。前者主要是因為沼澤草甸小降水事件可快速滲透到深層，減少了蒸發(fā)、蒸騰損失，后者主要是因為沼澤草甸土壤含水量較高，降水發(fā)生后，土壤含水量容易達到飽和，部分降水通過形成徑流而損失［22］。

土壤水分的維持是區(qū)域尺度復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)［26］，高寒草原和沼澤草甸是重要的半干旱和濕潤生態(tài)系統(tǒng)［15-16］，是高寒草地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。本研究發(fā)現(xiàn)大降水事件（＞10 mm）對草原0～40 cm 土壤剖面蓄水具有重要作用，大降水事件比例較大的降水格局特征可以很好地維持草原生態(tài)系統(tǒng)植被的生長。在降水總量相同時，小降水事件占比大，有利于沼澤草甸土壤水分更有效地補充，小降水事件占比較大，高頻次降水的降水格局特征可以很好地使沼澤草甸土壤保持水分資源。因此，在氣候變化的大背景下，應(yīng)更注重小區(qū)域尺度降水格局變化及其對土壤水循環(huán)的影響研究，以更好地評估和預(yù)測氣候變化對大區(qū)域尺度的影響。

4 結(jié)論

1）草原和沼澤草甸土壤水分對降水事件的響應(yīng)存在較大差異，草原小降水事件（≤5 mm）僅增加了5 cm 土層土壤含水量，＞5 mm 的降水事件才可明顯增加下層（10～40 cm）土壤含水量；沼澤草甸小降水事件（≤5 mm）對0～40 cm 土壤剖面各層土壤含水量均起到微弱的補充，＞5 mm 降水事件對40 cm 土層土壤含水量較上層（0～30 cm）增加明顯。

2）土壤水分增量不僅受降水事件大小和強度的顯著影響，同時受降水前表層（0～10 cm）土壤含水量和降水期間氣溫的明顯影響。草原降水發(fā)生時，土壤含水量從表層到深層依次增加。沼澤草甸土壤水分對降水的響應(yīng)較快，更容易滲透到深層土壤，沼澤草甸這種土壤滲透特征，使土壤能更快更有效地獲取和保持水分資源。

3）相比草原，當(dāng)降水事件較小時，沼澤草甸0～40 cm 土壤剖面蓄水量增加較多；當(dāng)降水事件較大時，沼澤草甸0～40 cm 土壤剖面蓄水量增加較少。沼澤草甸降水頻次高，小降水事件占比大，有利于降水對土壤水分更高效的補充。