三江源區(qū)高寒草原土壤濕度變化特征及與氣候因子的關(guān)系

郭連云(青海省共和縣氣象局，青海 共和 813099)

草地作為陸地的重要生態(tài)系統(tǒng),是生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)，也是畜牧業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)和牧民賴以生存的基本生產(chǎn)資料[1-3]。土壤水分是影響青藏高原高寒草地生態(tài)過(guò)程、生態(tài)承載能力以及退化草地恢復(fù)和重建的關(guān)鍵因素之一[4]，同時(shí)，土壤水分對(duì)植物的生長(zhǎng)期發(fā)育和產(chǎn)量的形成有直接作用[5]。對(duì)青藏高原多年凍土區(qū)高寒草地地上生物量影響最大的因子是土壤含水量[6]。土壤水分是主要生態(tài)因子之一，是對(duì)氣候因子變化最敏感的響應(yīng)指標(biāo)，對(duì)于某一特定的區(qū)域而言，土壤結(jié)構(gòu)、地形、植被等自然因素在一定的時(shí)期、季節(jié)內(nèi)是相對(duì)穩(wěn)定的，而氣候因子的變化彼此間并非始終一致，因而氣象因子變化對(duì)土壤濕度波動(dòng)起著決定性作用[7-9]。

眾多研究[10-15]表明，干旱半干旱區(qū)自然降水是該區(qū)域土壤水分的主要補(bǔ)充源，自然降水的變化直接影響土壤水分的變化，從而影響植物水分利用策略,進(jìn)而影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。地下生物量與土壤含水量有顯著的正相關(guān)關(guān)系，在同樣的溫度條件下，土壤含水量是地下生物量的重要影響因子[16]；土層水分含量的好壞直接影響著植物的生長(zhǎng),而且間接影響植物分布并在一定程度上影響小氣候的變化[17-18]。在旱作區(qū)土壤水分是作物所需水分的直接來(lái)源，是作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵因素[19-21]。以往的研究大多集中在通過(guò)短期觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)揭示土壤水分的動(dòng)態(tài)變化，本研究則側(cè)重在利用長(zhǎng)期觀測(cè)的氣象數(shù)據(jù)和土壤含水量數(shù)據(jù)來(lái)探討高寒草原牧草生長(zhǎng)季及各生育期間土壤濕度變化特征，同時(shí)研究高寒草原氣候因子與土壤濕度之間的關(guān)系，以期揭示高寒草原土壤濕度變化規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)高寒草原土壤濕度的充分開(kāi)發(fā)利用，為合理利用高寒草原土壤水資源及牧草的生產(chǎn)和決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃河上游“三江源”地區(qū)的興?？h，屬于環(huán)湖牧區(qū)和青南牧區(qū)過(guò)渡的區(qū)域，99°01′-100°20′ E，34°48′-36°14′ N。全縣總面積121.86萬(wàn)hm2，平均海拔4 300 m，全縣地勢(shì)西南高，東北低，境內(nèi)地貌類型多樣。草原面積101.03萬(wàn)hm2，占全縣總面積的83%，可利用草地面積93.6萬(wàn)hm2，占草地面積的92.7%。氣候具有顯著的高原大陸性氣候特征，年平均氣溫1.4 ℃，氣溫極端最高30.2 ℃，極端最低-31.5 ℃，年降水量353.2 mm，年日照時(shí)數(shù)4 431.8 h，晝夜溫差大，年平均大風(fēng)日數(shù)48.9 d，年平均沙塵暴日數(shù)11.1 d，無(wú)霜期44 d。草地類型為高寒草原天然草地，草本植物以西北針茅(Stipasareptanavar.krylovii)，伴生冷地早熟禾(Poacrymophila)、斜莖黃芪(Astragalusadsurgens)、矮嵩草(Kobresiahumilis)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)等，植被均勻，覆蓋率在60%以上。

1.2 研究方法

1.2.1樣地設(shè)置與資料來(lái)源 樣地位于興?？h子科灘鎮(zhèn)高寒針茅草原，地理位置為35°35′ N，99°59′ E，海拔3 300 m，設(shè)立于1999年。樣地面積為50 m×50 m，每年4月至9月開(kāi)始觀測(cè)牧草發(fā)育并圍欄封育禁牧,10月至次年3月期間放牧。依據(jù)該草原優(yōu)勢(shì)牧草西北針茅的生長(zhǎng)變化，按照中國(guó)氣象局牧業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范，觀測(cè)牧草的返青、抽穗、開(kāi)花、成熟、枯黃等5個(gè)生育期時(shí)間，在圍欄草地牧草生長(zhǎng)發(fā)育期取4個(gè)重復(fù)樣方，每個(gè)樣方面積1 m×1 m， 4-8月份為牧草生長(zhǎng)季節(jié)。選用興?？h牧業(yè)氣象觀測(cè)站采集的1999-2016年18年土壤濕度資料，在春季土壤表層0-10 cm完全融化至土壤凍結(jié)深度≤10 cm期間的每旬逢8日測(cè)定土壤濕度,采用土鉆法分層取樣，分別為0-10、10-20、20-30、30-40和40-50 cm，共5個(gè)層次，各層均取4個(gè)重復(fù)，每層重復(fù)取樣4次，然后用烘干法(105 ℃)烘干稱重，取其平均值為該層的土壤水分含量。測(cè)定方法是在天然牧草固定觀測(cè)地段，從4月8日開(kāi)始測(cè)定水分，測(cè)定時(shí)間間隔為10 d，最后一次為10月28日，共測(cè)定7個(gè)月，采集21次。從距樣地2.5 km處的興海國(guó)家基準(zhǔn)氣候站獲取同期的氣溫、降水、日照時(shí)數(shù)等觀測(cè)資料。土壤相對(duì)濕度為土壤重量含水率占田間持水量的百分比。

土壤相對(duì)濕度=[土壤重量含水率(%)/田間持水率(%)]×100%。

1.2.2計(jì)算分析方法 采用線性氣候傾向估計(jì)法[22]研究1999-2016年18年牧草生長(zhǎng)季降水量及各生育期土壤相對(duì)濕度變化趨勢(shì)。線性氣候傾向估計(jì)法屬于時(shí)間序列分析范疇，該方法是對(duì)資料的時(shí)間序列y(x),x=1,2,3,……,n,以線性函數(shù)y(x)=a+bx來(lái)擬合，其中，a為常數(shù)，b為回歸系數(shù)，用最小二乘法估計(jì)回歸系數(shù)b和常數(shù)a。其中b為氣候傾向率，單位為每年某要素單位?；貧w系數(shù)b的正負(fù)表示該資料序列隨時(shí)間變化的方向，正值表示氣象要素隨時(shí)間變化有增多的趨勢(shì)，負(fù)值則表示有減少的趨勢(shì)。采用氣候要素與年份的相關(guān)系數(shù)來(lái)確定變化是否顯著。

利用相關(guān)分析法[23]計(jì)算牧草各生育和同期影響牧草生育期的土壤相對(duì)濕度及溫度、降水和日照時(shí)數(shù)的相關(guān)系數(shù)，根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小，判斷土壤相對(duì)濕度、溫度、降水和日照時(shí)數(shù)等與牧草各生育期是否有明顯相關(guān)關(guān)系。采用Excel 2003和DPS 7.05進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、制圖和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 高寒草地土壤濕度特征

2.1.1土壤濕度年變化特征 0-10、10-20、20-30、30-40和40-50 cm土層土壤濕度均隨年際呈增加趨勢(shì)，且在2009年達(dá)到最高值(圖1)。最低值除10-20、40-50 cm分別出現(xiàn)在2013、1999年外，其余各層均出現(xiàn)在2000年。0-10、10-20、20-30、30-40和40-50 cm各層土壤濕度最高值與最低值之差分別為48.7%、34.6%、30.7%、26.8%、14.9%，可見(jiàn)隨著土壤深度的增加其差值逐漸減少。0-50 cm土壤濕度最高值與最低值的差值為31.1%，變化幅度較大。18年間0-50 cm土壤濕度總體呈現(xiàn)逐漸上升的變化趨勢(shì)，將其變化趨勢(shì)可以劃分為兩個(gè)階段：第1階段為1999-2009年，該階段土壤濕度年均值在62.3%～93.4%之間波動(dòng)，屬于土壤濕度的較高階段；第2階段為2000-2016年，該階段土壤濕度年均值在67.6%～83.8%之間波動(dòng)，屬于土壤濕度的較低階段。各層土壤濕度的各階段變化趨勢(shì)和0-50 cm土壤濕度的基本一致。

高寒草原0-10、10-20、20-30、30-40和40-50 cm土層土壤濕度的氣候傾向率分別為0.60%·年-1、0.55%·年-1、0.54%·年-1、0.33%·年-1和0.00%·年-1，各土層土壤濕度與年份的相關(guān)系數(shù)分別為0.303(P>0.10)、0.335(P>0.10)、0.310(P>0.10)、0.222(P>0.10)和0.003(P>0.10)，隨著土壤深度的增加，其氣候傾向率逐漸減小，到40-50 cm時(shí)氣候傾向率無(wú)增無(wú)減，變化平穩(wěn)(表1)。而0-50 cm整層土壤濕度則以每年0.40%的氣候傾向率增加，土壤濕度與年份的相關(guān)系數(shù)為0.287(P>0.10)，但增加趨勢(shì)小于0-10、10-20和20-30 cm土壤濕度。雖然各土層土壤濕度隨年際延長(zhǎng)均呈增加趨勢(shì)，但增加趨勢(shì)均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明各層土壤濕度隨年際延長(zhǎng)增加的趨勢(shì)不明顯。

圖1 土壤濕度年變化趨勢(shì)Fig. 1 The annual trend of soil moisture content

2.1.2土壤濕度季節(jié)變化特征 由于測(cè)定的是3月中旬至11月上旬解凍到封凍時(shí)段的土壤濕度，所以本研究只分析春、夏、秋季土壤濕度的變化。春季高寒草原0-10、10-20、20-30、30-40 cm各層土壤濕度隨年際延長(zhǎng)均呈顯著增加趨勢(shì)，其氣候傾向率在0.85%～1.21%·年-1，而40-50 cm土壤濕度的氣候傾向率為0.46%·年-1(P>0.10)，增加不顯著(表1)。春季土壤濕度與年變化一樣隨著土壤深度的增加其氣候傾向率總體呈逐漸減小趨勢(shì)。而春季0-50 cm土壤濕度則以每年0.88%速率顯著增加，相關(guān)系數(shù)為0.557(P<0.05)。

夏、秋兩季中，40-50 cm土壤濕度均呈減少趨勢(shì)，但不顯著(P>0.05)，其中秋季的減少速度大于夏季。0-10、10-20、20-30、30-40 cm各土層土壤濕度在夏、秋季均呈不顯著的增加趨勢(shì)，其中各土層夏季的增加幅度表現(xiàn)為0-10>20-30>10-20>30-40 cm；秋季的增加幅度表現(xiàn)為20-30>10-20>0-10>30-40 cm。

2.2 牧草生長(zhǎng)季土壤相對(duì)濕度和降水量的變化趨勢(shì)及相互關(guān)系

興海高寒草原牧草全生育期0-50 cm土壤相對(duì)濕度和降水量隨年際延長(zhǎng)的線性變化趨勢(shì)如圖2所示，可見(jiàn)興海高寒草原牧草生長(zhǎng)季土壤相對(duì)濕度以每年0.51%的線性速率增加，土壤相對(duì)濕度與年份的相關(guān)系數(shù)為0.380(P>0.10)。牧草生長(zhǎng)季土壤相對(duì)濕度多年平均值為75%，最小值為62%，最高值為91%，18年中有9年高于多年平均值，2004-2009年土壤相對(duì)濕度增加最快，2010年開(kāi)始又急劇下降，2013年以后土壤相對(duì)濕度又呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)。牧草生長(zhǎng)季降水量則以每年3.5 mm(P>0.10)的線性趨勢(shì)呈不顯著的增加趨勢(shì)。牧草生長(zhǎng)季降水量波動(dòng)變化較大，多年平均值是326.5 mm，2000年為最少年(205.8 mm)，2005年為最多年(441.2 mm)，最多年與最少年之間相差2.14倍，年際間差異顯著(P<0.05)。牧草生長(zhǎng)季土壤相對(duì)濕度和降水量的年變化均呈增加趨勢(shì)，二者之間極顯著相關(guān)(P<0.01)。可見(jiàn)，自然降水是近18年來(lái)影響興海縣高寒草原牧草生長(zhǎng)季土壤干濕程度的主要因素。

表1 春、夏、秋季和年土壤濕度的年氣候傾向率及其與年份間的相關(guān)系數(shù)(n=18)Table 1 The limate tendency rate and the correlation coefficient of the soil moisture content in spring, summer, autumn, and throughout the year

*和**分別表示P<0.10、P<0.05顯著水平。

* and ** indicate significance at 0.10 and 0.05 level, respectively.

圖2 牧草全生育期土壤相對(duì)濕度和降水量的變化Fig. 2 Change in of soil moisture content and soil relative humidity during the whole growing season of the pasture

2.3 牧草不同生育期土壤相對(duì)濕度的變化趨勢(shì)

高寒草原牧草返青期土壤相對(duì)濕度以每年0.77%的線性趨勢(shì)增加，其土壤相對(duì)濕度與年份的相關(guān)系數(shù)為0.315(P>0.10)。成熟和枯黃期的土壤相對(duì)濕度分別以每年1.06%和1.70%的線性速率增加，土壤相對(duì)濕度和年份的相關(guān)系數(shù)分別為0.567(P<0.05)、0.482(P<0.05)，可見(jiàn)其隨年際的增加趨勢(shì)是顯著的。而抽穗和開(kāi)花期的土壤相對(duì)濕度分別以每年1.26 %和1.42 %的線性趨勢(shì)增加，其土壤相對(duì)濕度與年份的相關(guān)系數(shù)分別為0.609(P<0.01)和0.651(P<0.01)，可見(jiàn)抽穗和開(kāi)花期土壤相對(duì)濕度隨年際延長(zhǎng)均呈極顯著增加趨勢(shì)(圖3)。牧草各發(fā)育期中，以枯黃期土壤相對(duì)濕度的線性增加速率最大，返青期土壤相對(duì)濕度的線性增加速率最小。各發(fā)育期土壤相對(duì)濕度的大小依次為枯黃期>開(kāi)花期>抽穗期>成熟期>返青期。

興海高寒草原牧草返青至枯黃期各生育期的平均土壤相對(duì)濕度在71%～79%，變化幅度依次是：返青期在58%～93%，抽穗期在61%～89%，開(kāi)花期在60%～96%，成熟期在58%～96%，枯黃期在57%～109%。從變化幅度可見(jiàn)，牧草枯黃期間的土壤相對(duì)濕度最大，開(kāi)花和成熟期其次，返青和抽穗期間的土壤相對(duì)濕度最小。

2.4 高寒草原牧草不同生育期土壤濕度與氣候因子的相關(guān)性分析

對(duì)高寒草原1999-2016年牧草生長(zhǎng)季土壤濕度與降水、氣溫、日照等氣候因子進(jìn)行相關(guān)性分析(表2)，結(jié)果表明，氣溫與牧草抽穗期(P<0.10)、枯黃期(P<0.10)和全生育期(P<0.05)土壤濕度之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。降水量與牧草抽穗期、開(kāi)花期土壤相對(duì)濕度均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；成熟期和全生育期土壤相對(duì)濕度與降水量均為極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)?？蔹S期土壤相對(duì)濕度與日照時(shí)數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.10)。

圖3 牧草不同生育期土壤相對(duì)濕度變化Fig. 3 Change in soil moisture content during different growth periods

表2 土壤濕度與氣候因子相關(guān)系數(shù)(n=18)Table 2 Correlation of soil moisture content with climate factors

*、**和***分別表示P<0.10、P<0.05和P<0.01顯著水平。

*、** and *** indicate significance at the 0.10, 0.05 and 0.01 level, respectively.

3 討論

進(jìn)入春季，隨著氣溫回升，當(dāng)氣溫達(dá)到牧草萌芽返青的界限溫度時(shí)，牧草開(kāi)始萌芽返青，土壤水分自上而下融化，因此該階段土壤濕度與氣溫之間表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。該階段盡管氣溫回升快，但自然降水很少(僅為年降水量的3.5%)，因此土壤濕度不但不增加，反而增大了土壤水分的蒸發(fā)消耗，造成土壤濕度降低。這是因?yàn)橥寥浪值目衫眯允悄敛莘登嗟臎Q定因素，但作為區(qū)域土壤水分唯一來(lái)源的降水主要集中在植物生長(zhǎng)季，非生長(zhǎng)季幾乎無(wú)降水，返青期的早晚受控于生長(zhǎng)季降水[24]。到6月上中旬時(shí)，進(jìn)入牧草抽穗期，由于氣溫回升快，植物生長(zhǎng)速度加快，植被蓋度擴(kuò)大，導(dǎo)致耗水量增加，此階段該地易出現(xiàn)少雨時(shí)段，造成不能有效補(bǔ)償土壤水分，土壤濕度不升反降，因此表現(xiàn)出該時(shí)期氣溫與土壤濕度之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而降水量與土壤濕度之間顯著正相關(guān)。至7月中旬時(shí)，牧草為開(kāi)花期，由于此階段為當(dāng)?shù)刂餮雌冢邓^(guò)程及降水量明顯增多，有效補(bǔ)充了土壤水分，土壤濕度較高，水熱條件滿足牧草的生長(zhǎng)發(fā)育及光合作用，表現(xiàn)出氣溫和降水因子與土壤濕度之間顯著正相關(guān)。土壤水分的有效性是草原植被的重要限制因子,尤其區(qū)域植被多以淺根植物為主,更加劇了種間水分的競(jìng)爭(zhēng)。在牧草生長(zhǎng)旺盛期，也難以滿足植物群落的需求，加之區(qū)域雨熱同期，反應(yīng)出土壤濕度和溫度、降水顯著正相關(guān)[25]。8月中旬為牧草的成熟期，此階段溫度高、降水量多，雖然相應(yīng)的植物蒸騰和土壤蒸發(fā)量也較大，但由于土壤淺層水分容易得到有效補(bǔ)給，土壤水分較高，表現(xiàn)出此階段土壤濕度與降水量具有顯著的正相關(guān)關(guān)系。9月上中旬時(shí)牧草進(jìn)入枯黃期，大部分植物由于完成了整個(gè)生育周期而基本停止生長(zhǎng)，此時(shí)土壤水分的消耗主要以土壤蒸發(fā)為主[26]，無(wú)論是土壤濕度與降水正相關(guān)關(guān)系，還是土壤濕度與溫度、日照時(shí)數(shù)之間負(fù)相關(guān)關(guān)系均不顯著，由于受到前期降水的緩慢累積，降水對(duì)土壤濕度影響較小。氣溫與牧草全生育期土壤濕度顯著負(fù)相關(guān)，表明牧草生長(zhǎng)季溫度升高會(huì)加大土壤蒸發(fā)、作物蒸騰，從而降低土壤含水量。由此可見(jiàn)，降水季節(jié)分配是土壤水分季節(jié)波動(dòng)的主要影響因素[27-28]。由于近年來(lái)三江源大部分地區(qū)生長(zhǎng)季降水量增加，整體氣候適宜程度呈上升趨勢(shì)，有利于草地植被生長(zhǎng)[29]。

4 結(jié)論

1)高寒草原0-50 cm各層土壤濕度隨年際延長(zhǎng)均呈增加趨勢(shì)，牧草生長(zhǎng)季降水量波動(dòng)變化是導(dǎo)致土壤濕度的升降變化的主要原因。2)高寒草原牧草生長(zhǎng)季的土壤濕度隨年際延長(zhǎng)呈顯著增加趨勢(shì)，且與降水量之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。3)氣溫與牧草抽穗期、枯黃期和全生育期的土壤濕度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。降水量與牧草抽穗期、開(kāi)花期、成熟期和全生育期的土壤濕度均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

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