不同放牧條件內蒙古草原土壤凍融期水熱動態(tài)

姚 楠, 趙 英,2, 張建國, 何海龍, 司炳成, 焦 瑞

(1.西北農林科技大學 資源環(huán)境學院, 陜西 楊凌 712100; 2.Department of Soil Science, University of Saskatchewan,Saskatoon, SKS7N5A8 Canada; 3.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院, 陜西 楊凌 712100)

不同放牧條件內蒙古草原土壤凍融期水熱動態(tài)

姚 楠1, 趙 英1,2, 張建國1, 何海龍1, 司炳成2,3, 焦 瑞1

(1.西北農林科技大學 資源環(huán)境學院, 陜西 楊凌 712100; 2.Department of Soil Science, University of Saskatchewan,Saskatoon, SKS7N5A8 Canada; 3.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院, 陜西 楊凌 712100)

內蒙古草原地處季節(jié)性凍土區(qū)，與放牧強度相關，土壤凍融過程對該地生態(tài)和水文過程有著顯著影響，但相關研究相對欠缺。該文重點研究了內蒙古錫林郭勒草原3種放牧條件下UG79(1979年以來禁牧)、UG99(1999年以來禁牧)、HG(1979年以來持續(xù)放牧)季節(jié)性凍融期的土壤水熱動態(tài)，以期準確理解放牧這一當?shù)刂饕恋乩媚Ｊ綄ν寥郎鷳B(tài)水文過程的影響。結果表明：與地上覆蓋度相關，不同放牧條件下地表積雪厚度有明顯差異，其中HG處理積雪厚度遠小于其他處理，其土壤溫度變化也最為劇烈。與不同處理土壤凍結速率相關，土壤凍結時HG，UG79和UG99的“聚墑區(qū)”分別為20—30 cm，10—20 cm和10—30 cm，其中UG99“聚墑區(qū)”分布范圍最廣，且集中在牧草根系發(fā)達區(qū)域，對來年牧草生長提供了更好的水分條件。換言之，由于凍后聚墑效應，土壤消融期水分含量在土壤表層高于凍融前，其中UG99處理最大，達到了0.19 m3/m3。該研究結果為內蒙古草原季節(jié)性凍土區(qū)控制放牧及合理的禁牧措施提供理論依據(jù)。

錫林郭勒草原; 放牧條件; 凍融; 水熱狀況

凍土是指溫度低于0℃且含有冰的土壤[1]，其對外界溫度的變化十分敏感[2]，伴隨著溫度變化土壤凍融交替現(xiàn)象頻繁發(fā)生[3]。土壤凍融過程可以改變土壤的水力特性和微生物活性[4-8]，影響地表、植被和大氣之間的熱量交換，甚至于區(qū)域氣候特征。反之，氣候變化也能引起土壤凍融過程的變化[9-10]。由此可見，寒區(qū)凍土生態(tài)系統(tǒng)中的土壤水熱變化規(guī)律可為研究氣候變暖引起的生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)變化奠定基礎[11-12]，與之相關的研究也得到了專家學者的重視。宗芹等[13]在科爾沁沙地西部設置模擬試驗觀測場，通過觀測不同地下水埋深對凍融土壤水分狀況的影響，探究土壤凍融作用對水分物理性提升的作用。胡國杰等[14]對青藏高原凍土區(qū)土壤凍融期間水熱動態(tài)變化進行分析，擬合了未凍水含量和土壤溫度的關系，揭示土壤凍融對水熱耦合運移的影響，為高海拔凍土區(qū)土壤水熱耦合模擬研究提供了理論依據(jù)；吳曉玲[15]采用水量—能量平衡法研究了凍土活動層土壤水熱變化和積雪變化的關系。目前，由于野外控制試驗成本較高，有關土壤凍融過程的研究目前多是在實驗室內培養(yǎng)小體積土壤開展，難以準確揭示凍土的凍融過程。另外，人類活動如放牧對土壤性質的影響，特別是在凍融情況下，與之相關的研究還很缺乏。

錫林郭勒草原地處我國北部邊陲，處在典型草原、草甸草原和荒漠草原的生態(tài)交錯區(qū)[16]，本研究站點位于典型草原區(qū)域。20世紀80年代以來，由于不合理的管理與過度放牧，該區(qū)草原退化日趨嚴重，導致植被生產力大幅度降低，土壤物理性狀惡化，水文循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生改變[17]，嚴重影響了其載畜能力與植被生產力。本研究所在地為季節(jié)性凍土區(qū)，具有長期放牧強度對土壤性質影響的痕跡，這為本研究提供了一個理想的研究土壤凍融交替下人類活動對生態(tài)水文過程影響的區(qū)域。本研究以內蒙古草原季節(jié)性凍土區(qū)為研究對象，通過長期土壤水熱、雪量及土壤凍結深度監(jiān)測，分析不同放牧處理土壤水熱動態(tài)變化特征，論證季節(jié)性凍土區(qū)積雪融水對土壤水分補給及其潛在生態(tài)環(huán)境效應的影響，為該區(qū)草原的合理利用和生產力的提高提供理論依據(jù)和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于中國科學院內蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(43°37′50″N，116°42′18″E，海拔約1 270 m)，屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，干燥多風，年均風速3.5～4 m/s，年均氣溫0.7℃，1月氣溫最低，平均-20℃，7月氣溫最高，平均21℃，冬季平均氣溫為-15.2℃[18]。年均降水量約280 mm，大部分集中在夏季(6—8月)，年降雪量為30～40 mm，主要集中在冬季(11月至翌年2月)。潛在最大年蒸發(fā)量為2 600 mm[19]，由于每年降雨量波動較大以及強烈的蒸發(fā)作用[20]，植被生長易受水分虧缺的脅迫。該區(qū)域土壤為淋溶黑鈣土，從沉積在更新世玄武巖高原的風沙沉積物發(fā)育而來。植被是以多年生根狀莖類羊草和叢生禾草大針茅為主，另外還分布有貝加爾針茅、克氏針茅、冷蒿、糙隱子草等[21]。

1.2 研究方法

利用在草原站布設的3個不同放牧條件樣區(qū)進行試驗研究，所選樣區(qū)地勢較為平坦(有1°～2°小坡)，草地狀況基本一致(包括植物種類及土壤)，無刈割情況。每個樣區(qū)分別埋設用于野外長期持續(xù)監(jiān)測土壤水熱、積雪和凍土深度等參數(shù)的設備，監(jiān)測時間為一個完整水文年(2014年5月至2015年5月)。所設處理分別為1979年以來規(guī)劃的禁牧(UG79)，1999年以來規(guī)劃的禁牧(UG99)和持續(xù)放牧(HG)。規(guī)劃前各試驗處理草場情況相同。

1.2.1 土壤水熱監(jiān)測 土壤水分和溫度動態(tài)采用5TE傳感器進行測定，其精準、便捷、能耗少，適合野外定位監(jiān)測，可靈敏準確地反映土壤水熱變化動態(tài)[22]。測定深度為10，30，50，70，100 cm。將監(jiān)測探頭連接到EM50數(shù)據(jù)采集器上自動記錄數(shù)據(jù)，測定間隔時間為0.5 h。5TE是通過電磁場原理測定周圍介質的介電常數(shù)來確定含水量，而水的介電常數(shù)(81)要顯著大于空氣(1) 土壤介質(3～5)和冰(3.2)的介電常數(shù)，因此冬季凍融過程中土壤介電常數(shù)變化主要表現(xiàn)為液態(tài)水含量(未凍水)的變化。

1.2.2 土壤凍結深度、雪深及雪融水量監(jiān)測 土壤凍結深度利用一個防凍的帶有刻度的橡皮管，放在PVC管中以保持豎直狀態(tài)。橡皮管里面裝純凈水，可以通過管的軟硬來判斷土壤凍結的深度。雪深采用標尺進行測定。同時，在每個處理內布設一個直徑19 cm、高1 m已知重量的圓柱形筒用來接收降雪，于降雪時逐日測量雪重，并轉換為雪水體積，從而算出每日的雪融水量。

1.2.3 土壤貯水量計算 土壤貯水量是指一定土層厚度的土壤含水量，以水層深度(mm)表示。計算公式為：

S=10×θ·DB·H

(1)

式中：S為土壤貯水量(mm)；θ為土壤重量含水率(%)；DB為土壤容重(g/cm3)；H為土層厚度(cm)。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析及處理 采用Excel 2003進行數(shù)據(jù)運算及統(tǒng)計，采用Origin 9.0和Surfer 11.0進行數(shù)據(jù)分析及作圖，數(shù)據(jù)插值方法為Kriging。

2 結果與分析

2.1 不同放牧條件下凍融土壤溫度變化

由圖1可知，不同處理在各個土層深度的溫度變化趨勢大體相同，且土壤溫度的年變化幅度隨著土層深度的增加而減小。以UG79為例，土層深度為100 cm的年溫差為22.1℃，而土層深度為10 cm的年溫差達到了36.3℃。這主要是由于土壤熱量傳遞的滯后性，導致土壤表層溫度變化劇烈，更易受氣溫變化的影響。冬季(12月至次年2月)，隨土層深度的增加，土壤溫度呈升高的趨勢，以HG為例，100 cm深度處土壤溫度月平均值比土壤表層可高達10.5℃；夏季(6—8月)，隨土層深度的增加，土壤溫度呈降低的趨勢，HG處理100 cm深度處土壤溫度月平均值比土壤表層可低至7.6℃。

在整個土壤凍融期間(11月至次年5月)，10 cm處HG，UG99和UG79處理土壤最高溫與最低溫差值分別為30.8℃，25.5℃和22.5℃，50 cm處分別為19.8℃，14.6℃和13.9℃，100 cm處分別為12.9℃，12.4，11℃。對比不同放牧條件下相同土層溫度，HG處理土壤溫度變化最為劇烈，UG79處理土壤溫度變化最為平緩，而隨著土層深度的增加，這種差異性逐漸縮小，10 cm處HG處理差值比UG79高8.3℃，100 cm處僅高1.9℃。在凍結期(11月至次年2月)，淺層土壤(0—30 cm)UG79和UG99處理土壤溫度明顯高于HG處理，而在深層100 cm深度處三種放牧條件下土壤的溫度變化趨勢基本一致，放牧對深層土壤溫度的影響有限。不同土層深度下，不同放牧條件下土壤最低溫度及其出現(xiàn)的時間有一定差異。50 cm深度處，UG79和UG99處理土壤最低溫度均出現(xiàn)在2月2日，溫度分別為-9.9℃，-9.7℃；而HG處理土壤最低溫度則出現(xiàn)在1月2日，溫度為-11.28℃。這也進一步說明HG處理的土壤凍結現(xiàn)象較其他處理提前，且更為明顯。

2.2 不同放牧條件下凍融土壤水分變化

從土壤液態(tài)水含量的變化過程(圖2)可以看到，從11月中旬開始，不同處理土壤液態(tài)含水量迅速降低，即部分液態(tài)水凍結變成了固態(tài)水；3月中旬以后，不同處理土壤液態(tài)含水量顯著增加，即固態(tài)水開始融化變成了液態(tài)水。在此期間，由于土壤溫度一直保持在較低水平，土壤液態(tài)水含量變化十分微弱。這說明不同處理土壤均發(fā)生了凍融交替過程，呈現(xiàn)出液態(tài)水含量先減少，后穩(wěn)定，再增加的趨勢。從圖2中可看出，在三種不同放牧條件下，淺層土壤的液態(tài)水含量變化最為劇烈且趨勢基本相似。土壤未凍結前，由于受夏季降水的影響，土壤液態(tài)水含量顯著增加。土壤始凍和融化期間，土壤液態(tài)水含量波動幅度較大。

圖12014年5月-2015年5月不同放牧條件下

土壤溫度動態(tài)變化

圖22014年5月-2015年5月不同放牧條件下

土壤液態(tài)水動態(tài)變化

土壤始凍期，地表溫度在0℃附近波動，表層土壤凍融交替現(xiàn)象頻繁發(fā)生。2014年11月5日—6日，10 cm處土壤溫度降至0℃以下，此時HG處理土壤液態(tài)水含量降低32%，UG79和UG99分別降低30%，23%。圖3A為11月6日UG99土壤表層(10 cm)液態(tài)含水量日變化，由圖可清楚地看到始凍期土壤液態(tài)水含量明顯降低。土壤凍結時期(12月至次年3月)，冰層不斷加厚，土壤水分主要以氣相的形式遷移，在溫度梯度的作用下，不斷向上(冰層下界面附近)聚集，使土壤剖面水分分布發(fā)生變化，由此出現(xiàn)了“聚墑區(qū)”和“虧缺區(qū)”，不同處理在其出現(xiàn)的深度上有差異，HG，UG79和UG99的“聚墑區(qū)”分別為20—30 cm，10—20 cm和10—30 cm，“虧缺區(qū)”分別為40—100 cm，30—50 cm和40—60 cm。此時期土壤表層(0—20 cm)液態(tài)水含量UG99>UG79>HG，而在深層土壤(大于30 cm)，土壤液態(tài)水含量UG99>HG>UG79。HG處理表層土壤(0—20 cm)液態(tài)水含量最低，UG99處理的土壤液態(tài)水含量在各個深度均略高于其他處理。土壤消融期，受溫度的影響，土壤開始解凍，表層土壤的液態(tài)水含量逐漸上升，UG99液態(tài)含水量增加幅度均大于UG79和HG處理，其最大值達到了0.19 m3/m3，UG79和HG土壤液態(tài)含水量分別為0.16 m3/m3，0.14 m3/m3，且3個處理土壤液態(tài)含水量均高于凍結前。由圖3B看出，2015年4月10日一天中，UG99土壤表層液態(tài)含水量增加了56%。水分的相變導致了土壤表層液態(tài)水含量增加，土壤剖面水勢分布發(fā)生變化，土壤水分將在土水勢梯度的作用下向土壤深層運移。

圖3 UG99凍融期土壤表層(10 cm)液態(tài)水含量日變化

圖4是不同放牧處理0—120 cm土壤貯水量動態(tài)變化。由圖可知，各土層中UG99貯水量最高，0—60 cm分別比UG79和HG處理高出47%和13%，60—120 cm土層分別比UG79和HG處理高出87%和20%。0—60 cm土層土壤貯水量變化較深層變化更為劇烈，尤其是6—8月，土壤貯水量呈現(xiàn)大幅度的升降。而在6—8月HG處理深層(60—120 cm)土壤貯水量波動幅度較大。三個處理在土壤凍融時期(11月至次年5月)的液態(tài)水貯量變化趨勢相似，UG79在60—120 cm土層土壤貯水量明顯低于其他處理，在出現(xiàn)最大值的時間上，3個處理0—60 cm土壤貯水量于4月下旬達到最大。

圖4不同放牧處理0-120cm土壤液態(tài)水貯量動態(tài)變化

2.3 不同放牧條件下積雪消融、土壤凍結深度變化過程

圖5是不同放牧條件下土壤凍融變化過程及雪深、土壤含水量和土壤溫度變化。從中可看出，受大氣溫度的影響，土壤凍結時，三種處理均從表層開始向下凍結；土壤消融時，隨著大氣溫度回升及深層土壤的熱傳導作用，土壤表層和深層同時融化，整個區(qū)域呈現(xiàn)出自表層而下以及自深層而上的“雙向”融化狀態(tài)。不同處理間HG的凍結和融化速率最快。凍層上界面融化速度快于下層，這是由于土壤上層輻射熱傳輸?shù)玫降臒崃勘认聦油寥罒嵬看笏隆?/p>

對比不同處理積雪厚度，不同時期其積雪厚度有明顯的差異。土壤始凍期，積雪厚度依次為UG99>UG79>HG，HG積雪厚度遠小于其他兩個處理，最高值僅有28.3 mm，而UG99處理則達到了78.3 mm。從圖1可以看到，HG處理土壤溫度下降趨勢最為明顯，且波動幅度也大于其他兩個處理。在此期間，三種處理積雪厚度不斷增加，各處理土壤凍結速率逐漸變慢。土壤解凍期，由于4月2日降溫，三種處理土壤都出現(xiàn)了不同程度的返凍現(xiàn)象，其中HG處理最為明顯，而其他處理土壤溫度幾乎無變化，進一步表明HG處理土壤溫度變化的不穩(wěn)定性。此時，各處理積雪厚度依次為UG79>UG99>HG，各處理土壤解凍時間也存在差異。HG處理土壤于4月30日完全融化，而UG79和UG99處理土壤于5月4日才完全融化。消融期，由于土壤溫度升高，土壤固態(tài)水變?yōu)橐簯B(tài)水，導致土壤表層的含水量大幅度上升，土壤表層的水勢大于深層，使得土壤水分向深層入滲，為春季植被生長提供了更為充足的水分。

圖5 不同放牧條件下土壤凍融過程

3 討 論

3.1 放牧程度對凍融期土壤水熱狀況的影響

不同的放牧條件使土壤植被覆蓋度發(fā)生了變化。由于過度放牧，家畜對植被枝葉的過度采食，導致植被葉面積減少，地下根量減少，根系分布變淺，從而阻礙了植被的正常生長發(fā)育，植被覆蓋程度低。有研究表明，植被對太陽輻射具有吸收和反射作用[23]，因而植被蓋度對土壤溫度有很大的影響。UG79和UG99處理土壤表面的植被覆蓋度較HG處理高，因此形成了土壤和大氣熱交換的阻礙層，既可以阻擋太陽的直接輻射，又可以減少熱量向大氣的散發(fā)，使溫差明顯縮小，具有一定的絕熱效果。因此，其土壤溫度變化趨于平緩，并且在低溫時有“增溫效應”[24]。相反，HG處理土壤退化較為嚴重，植被覆蓋度低，易受外部環(huán)境因素的影響而變幅較大，因此其溫度變化較為劇烈，土壤液態(tài)水含量也發(fā)生相應的變化。董智等[25]研究表明，草場的退化以及植被覆蓋度降低與近地表風速呈負相關關系。植被可以降低風速，從而減小大氣湍流，使熱量和水汽的水平和垂直交換作用減弱，因而使土壤溫度趨于平緩。其次，HG處理土壤液態(tài)含水量較其他兩個處理低，而土壤組分中水的熱容量最大，因此土壤熱容量與UG79和UG99處理相比較低，從而引起土壤溫度變化劇烈。

土壤始凍和融化期間，土壤液態(tài)水含量波動幅度較大，這主要是土壤水分的相變所致。土壤凍結期間，上層水分高于下層水分，這與土壤“凍后聚墑”效應有密切關系，即下層水分會在溫度梯度的作用下向上運動，從而出現(xiàn)土壤水分“聚墑區(qū)”和“虧缺區(qū)”。其中，UG99“聚墑區(qū)”分布范圍最廣，且集中在牧草根系發(fā)達區(qū)域，對牧草根系層的儲水保墑效果最為明顯。在整個凍融期內，HG處理表層土壤(0—20 cm)液態(tài)水含量低于其他處理，其原因主要為HG處理植被覆蓋度低，對雪的截留作用較弱，導致融雪入滲量減少。其次，由于長期遭羊群踩踏，HG處理土壤容重偏大，降雪融水難以入滲，表土因水分聚積變得濕潤，而試驗樣地太陽有效輻射強度大，最終導致更多水分因蒸發(fā)而損失掉。UG79處理深層土壤(大于30 cm)液態(tài)含水量低于其他處理，其主要原因為UG79處理植被生長旺盛，強烈的蒸騰作用使深層的土壤水分被植被吸收利用，從而降低了深層液態(tài)水含量。UG99在整個剖面上土壤液態(tài)含水量最高，最有利于土壤水分的保持。由此可見，控制放牧和合理的退牧還草措施能夠起到蓄水保墑的作用，為植物生長提供良好的水分環(huán)境。

不同放牧處理0—60 cm土層土壤貯水量變化較深層變化更為劇烈，該層是牧草根系主要分布層，受牧草生長、人類活動和天氣氣候等因素影響較大，水分移動較為活躍，干濕變化明顯。尤其是6—8月，此時正值雨季，降水是本地區(qū)土壤水分的唯一來源[26]，是土壤水穩(wěn)定與否的關鍵因素，頻繁的降水以及強烈的土壤蒸散，土壤貯水量呈現(xiàn)大幅度的升降。而在6—8月HG處理深層(60—120 cm)土壤貯水量波動幅度較大，主要原因是過度放牧導致植被破壞嚴重，植物的根量減少，根系變短[27]，土壤結構變差，不利于水分的貯存與保持。不同放牧條件下凍融期土壤貯水量最大值均出現(xiàn)在4月下旬，即凍融后土壤貯水量高于凍融前初始土壤貯水量，“凍后聚墑”效應明顯，有效減少了土壤水分滲漏，為春季土壤水分補給和植被生長創(chuàng)造了有利條件。

3.2 放牧程度對土壤凍融過程的影響

不同放牧條件下，土壤積雪厚度有明顯的差異。本試驗研究中，HG處理積雪厚度遠小于其他處理，始凍期積雪厚度最高值與UG99處理的差值高達50.0 mm。其原因為過度放牧導致植被高度和蓋度減小，而植被對降雪有一定的攔截作用。有研究表明，積雪量和積雪深度與植被蓋度具有顯著的正相關性[28]。

雪被在草地生態(tài)系統(tǒng)的土壤凍融循環(huán)中有著重要的地位，它可以直接影響土壤水分、溫度以及凍融狀況[29]。付強等[30]研究表明積雪能減緩土壤凍結速度，影響土壤水分遷移過程。淺層土壤凍結對雪被的響應程度較強，深層土壤凍結對雪被的響應程度降低。本試驗研究表明，不同放牧條件下植被覆蓋情況導致了雪被厚度的不同，雪被可以有效隔絕氣溫的影響，加之積雪本身所具有的弱導熱性和大熱容量等特性，有效阻隔了凍土層熱能的散失，從而延緩了外部大氣條件對地溫的影響，從而使凍融速度變慢。HG處理土壤植被覆蓋度低，雪被厚度小，因而凍結和融化速率最快。土壤凍結時，三種處理均從表層開始向下凍結，而消融時土壤表層和深層同時融化。這與劉小燕等[31]在科爾沁草甸生態(tài)水文試驗站的研究結果一致。郭占榮等[32]認為凍土層形成的過程，也是表層土壤含水量增加的過程。本試驗研究表明，凍結期凍土層向下發(fā)育過程中，土壤水汽在溫度梯度的作用下向凍土層下界面凝結，使上層土壤水分增加，進入解凍期后，在土壤水勢的作用下，土壤水分向下入滲。由于凍結期土壤水分損耗很小，加之土壤融化期融雪補給，有利于土壤水分的保持，為春季植被的生長發(fā)育提供了良好的條件。

4 結 論

(1) 一定厚度的積雪可以有效隔絕氣溫的影響，從而降低土壤溫度下降幅度。不同放牧條件下土壤積雪厚度有明顯差異，HG處理積雪厚度遠小于其他處理，其土壤溫度變化最劇烈，土壤凍結和融化速率最快。淺層土壤(0—30 cm)UG79和UG99處理土壤溫度明顯高于HG處理，而在深層100 cm深度處三種放牧條件下土壤的溫度變化趨勢基本一致，放牧對深層土壤溫度的影響有限。

(2) 土壤凍結期，HG，UG79和UG99的“聚墑區(qū)”分別為20—30 cm，10—20 cm和10—30 cm，UG99“聚墑區(qū)”分布范圍最廣，且集中在牧草根系發(fā)達區(qū)域，對牧草根系層的儲水保墑效果最佳。土壤消融期，土壤液態(tài)含水量高于凍融前，表層土壤UG99液態(tài)含水量增加幅度大于UG79和HG處理，其最大值達到了0.19 m3/m3，“凍后聚墑”效應最為明顯，為春季植被的生長發(fā)育提供了良好的水分環(huán)境。因此，控制放牧和合理的退牧還草措施可以有效保持較高的水分條件，以促進植被在春夏季節(jié)的生長，從而提高植被生產力，為草原生態(tài)環(huán)境的治理和改善奠定基礎。

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SoilWaterandHeatDynamicsDuringFreezingandThawingPeriodUnderThreeGrazingDensitiesinGrasslandofInnerMongolia

YAO Nan1, ZHAO Ying1,2, ZHANG Jianguo1, HE Hailong1, SI Bingcheng2,3, JIAO Rui1

(1.CollageofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.DepartmentofSoilScience,UniversityofSaskatchewan,Saskatoon,SKS7N5A8Canada;3.CollegeofWaterResourcesandArchitectureEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Inner Mongolia grassland is located at seasonally frozen ground. The soil freezing and thawing processes, associated with grazing intensity, have a significant impact on ecological and hydrological process in this region. However, the relevant research is limited. This paper is mainly focusing on soil water and heat regime during seasonal freezing and thawing period in Xilingol grassland under three typical grazing treatments， i. e., UG79 (ungrazed site since 1979), UG99 (ungrazed site since 1999), and HG (heavily grazed site since 1979), thereby clarifying how different extent of grazing affects rates and intensities of soil freezing and thawing, and snowmelting water infiltration. The results showed that snow thickness varied from different grazing treatments, and was the function of surface coverage such as litter. For instance, the snow thickness under HG site was far less than that in the other two ungrazed sites. Accordingly, the soil temperature fluctuated more strongly in HG. The area of unfrozen water content extended into 20—30 cm, 10—20 cm and 10—30 cm in HG, UG79 and UG99 site, respectively, due to the water migration caused by soil frozen. This trend was the strongest in UG99 characterizid by the zone of the largest root system which provides a better moisture condition to grass germination in the coming year. In other words, the soil moisture content after soil thawing is higher than before soil freezing due to the hydraulic lift of soil frozen. Consequently, among the three sites, the soil moisture content in UG99 site was the greatest, which reached to 0.19 m3/m3after soil thawing. This result can provide the theoretical basis for reduction of grazing activity and reasonable grazing management in grassland of Inner Mongolia.

Xilingol grassland; grazing intensities; soil freezing and thawing process; soil water and heat regime

2016-10-11

：2016-10-25

國家自然科學基金項目(4137124,41371233,41501231)

姚楠(1991—),女,山東昌樂人,碩士研究生,研究方向為土壤物理及水文研究。E-mail:nanguayn@163.com

趙英(1979—),男,甘肅西和人,副教授,博士,主要從事土壤與生態(tài)水文過程研究。E-mail:yzhaosoils@gmail.com

S152.7+5

：A

：1005-3409(2017)05-0132-07