水分胁迫对半干旱典型草原土壤水分变化特征的影响

侯 琼，苗百岭，王英舜，董春丽

(1.内蒙古生态与农业气象中心，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古气象科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010051；3.内蒙古自治区锡林浩特国家气候观象台，内蒙古 锡林浩特 026000)

引 言

土壤水分是植被生长的基础，草原生态系统的稳定性在很大程度上依靠于土壤水分的平衡[1]。随着气候变暖、降水极端事件增加，旱涝灾害发生频繁，降水格局的变化导致土壤水分状况改变，对生态系统的结构和功能产生显著影响，严重威胁着草原生态环境良性循环和畜牧业生产的可持续发展。典型草原是欧亚草原区东端的一种优势草原类型，位于半干旱气候区，是我国温带最重要的牧场。水分是半干旱草原的主要限制因子，降水是主要甚至是唯一的水分获得途径，对生态系统的影响主要通过土壤水分的变化来实现，土壤水分的变化进一步调控生态系统的结构和功能[2-3]。与其他生态系统相比，半干旱草原生态系统对水分的变化更为敏感[4]，作为水循环和能量循环的重要组成部分，土壤水分的研究在干旱半干旱地区的陆面过程和陆气相互作用中占有重要地位[1]。半干旱典型草原降水稀少，土壤包气带较厚，土壤含水量较低，水文地质参数变化小且难以确定，包气带土壤水分平衡极易受地表植被以及人类活动的影响[5-6]。加之降水量年际波动较大且蒸发作用强烈，植被生长易受水分胁迫的影响[7]，导致干旱灾害经常发生，因此，及时判别干旱发生时间和程度就成为抗旱防灾的重要内容。

土壤水分的大小不仅决定植被的生长状态，同时也是表征干旱化程度的重要变量，可作为衡量干旱程度的重要指标，其时空分布规律既影响植物根系分布和生长，又影响土壤干旱指标的确定[8]。有关气候变化背景下土壤水分变化规律、降水格局变化对土壤水分影响以及土壤水分监测模拟技术等方面已取得许多有益的研究成果[9-19]，对认识气候与土壤水分的相互作用、干旱的影响和判定有重要帮助。然而，针对不同程度的水分胁迫对土壤水分的季节变化规律和垂直变化特征有何影响缺少系统分析，土壤水分阈值常用一个固定值，对季节和土层深度变化考虑不足，导致土壤干旱指标在制定和实际应用中存在粗放和模糊不清的现象，影响草原干旱判断的精度和服务效果。由于草原地区土壤水分地面观测数据较少，更缺少不同水分梯度下的观测数据，使得深入了解土壤水分的季节和垂直变化对水分胁迫的响应和土壤干旱指标的确定造成了困难。本文以内蒙古锡林浩特观象台2016—2017年人工水分控制试验数据为基础，分析半干旱典型草原不同供水条件下土壤水分的时空变化特征，探讨水分胁迫对土壤水分季节变化规律和垂直分布特征的影响程度，对细化土壤干旱指标，深入理解生态干旱有重要意义，为减缓和预防干旱对草原生态的不良影响提供依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

锡林浩特国家气候观象台野外试验研究基地位于典型草原区的中心地带(43°58′N、116°50′E，海拔1030 m)，属于中温带半干旱大陆性气候区，年平均气温2.6 ℃，年大于0 ℃积温2972 ℃，无霜期100～120 d，年降水量286.6 mm，年蒸发量1830.9 mm，年平均相对湿度57%，年平均风速3.5 m·s-1，年日照时数2969.8 h。地带性植被为克氏针茅(stipakrylovii)草原群落，是典型草原代表类型之一。除了以克氏针茅和羊草(leymuschinensis)为主要建群种外，糙隐子草(cleistogenessquarrosa)、冰草(agropyroncristatum)、冷蒿(artemisiafrigida)等作为重要伴生种出现，土壤类型为淡栗钙土。

试验于2016—2017年4—9月在平坦开阔的自然放牧区开展，水分试验场地面积1680 m2，东西长42 m，南北宽40 m，四周用网围栏围封，避免牲畜干扰，水电输送方便，易于灌溉管理及观测，距试验场300 m处有一自动气象站。整个草场地势较为平坦，每年轻度放牧，秋季打草。年产草量(干重)1500 kg·hm-2，具备较好的区域代表性，能反映当地典型草原区生产和利用状况。

1.2 试验设计

水分试验场建有2500 m2(50 m×50 m)的遮雨设施，其中23 m2和7.5 m2的遮雨棚各6个，遮雨棚外设置水分适宜(充分供水)和自然降水(对照)处理小区各3个，面积25 m2，共计18个小区，图1为试验小区遮雨棚。

图1 面积23 m2(a)及面积7.5 m2(b)的试验小区遮雨棚Fig.1 The rain shelters of experimental plots with area of 23 square meters (a) and 7.5 square meters (b)

1985—2015年土壤水分观测资料分析表明，研究区0～40 cm土层生长季平均土壤相对湿度为37.5%，土壤相对湿度在50%以上的年份仅占13.3%，土壤相对湿度在40%～50%、30%～40%和30%以下的年份分别占23.3%、46.7%和16.7%。根据土壤水分分布和干旱情况，设置4个梯度水分处理及1个自然降水(对照)处理，分别标记为A、B、C、E、CK，其中A、B、C处理分别为降水减少100%、75%、50%，E为水分适宜，CK为自然降水。参照0～40 cm土层的相对含水量判断水分胁迫程度，土壤相对含水量≤30%为严重胁迫，土壤相对含水量在30%～40%为中度胁迫，土壤相对含水量在40%～50%为轻度胁迫，土壤相对含水量在50%以上为水分适宜。水分控制方式是根据发育进程和降水情况，从5月开始进行遮雨控水至7月结束，同时逐旬监测土壤水分，通过人工补水调节土壤水分，确保各处理水分梯度的差异，各处理重复3次。

1.3 数据采集和处理方法

采用TDR土壤水分速测仪定点测定土壤水分，并利用土钻法在返青期和每月末与TDR同步测定一次，以校验TDR的测定结果。观测时间从返青期后10 d(5月10日)到生长期结束(9月30日)，每隔10 d测量1 次，测深1 m，每层间隔10 cm。气象资料来源于锡林浩特国家气候观象台，包括1985—2018年4—9月地面温度、逐日降水观测资料和0～50 cm土壤水分逐旬观测资料。数据处理和分析采用Excel表格和SAS统计软件。

2 结果与分析

2.1 水分胁迫对土壤水分季节变化的影响

图2为2016—2017年4—9月对照小区(CK)不同深度土壤水分逐旬变化。可以看出，自然状态下研究区土壤水分生长季内呈现“高、低、高、低”变化，春季返青期水分较高，之后逐渐减少，到5月上、中旬达到最低，5月下旬土壤水分逐渐增加，7月上、中旬达最大，7月下旬因植被需水多、蒸散量大，土壤水分呈波动性下降，9月初达到最低值；秋末冬初降水虽然减少，但蒸散量减少，土壤水分下降趋缓或有所增加，这一变化规律与前期研究结果一致[10]。土层深度增加会使土壤水分变化幅度减小，如对照小区0～20 cm、0～30 cm和0～50 cm土壤水分振幅分别为5.2%、4.9%和3.2%，0～50 cm土层土壤水分变幅减小明显，说明土壤水分的变化主要在30 cm以上土层。

图2 2016—2017年4—9月对照小区土壤水分逐旬变化Fig.2 The 10 days variation of soil moisture of different soil layers in CK plot from April to September during 2016-2017

图3为不同控水处理小区不同土层土壤水分逐旬变化。可以看出，水分胁迫会降低土壤水分年内变化幅度，随胁迫强度增加曲线趋于平滑，严重胁迫小区(A)随时间变化基本呈现由高到低的变化，土壤重量含水率大多在6%～9%之间变化，其波峰与波谷相差3%，明显低于水分适宜的5.7%。与此同时，水分亏缺加剧了土壤水分变化幅度随土层加深而减弱的程度，与水分适宜区(CK)比较，A区0～20 cm、0～30 cm、0～50 cm土层的土壤含水量振幅分别减小4.0%、1.9%和1.0%。

图3 2016—2017年4—9月不同控水处理小区不同土层土壤水分逐旬变化Fig.3 The 10 days variations of soil moisture of different soil layers under different water supply conditions from April to September during 2016-2017

2.2 水分胁迫对土壤水分垂直分布的影响

土壤水分随季节变化的同时在垂直深度上也表现出一定的规律。图4为2016—2017年4—9月水分适宜(E区)和严重胁迫(A区)下土壤水分垂直变化特征。可以看出，E区0～100 cm土层的土壤水分随深度增加呈减少趋势，30 cm以上土壤水分波动最大，深度越深变化幅度越小。春季返青期是土壤水分的高值区，4月20日除表层外，50 cm以上土壤水分明显偏高；5月底30 cm以上土壤水分迅速减少，但下层水分接近或超过4月，说明下层仍有返浆现象；6月底10 cm土层水分最高，其余土层的土壤水分明显减少；7、8月土壤水分持续缓慢减少，至9月中旬减少到最低值。这种变化规律与植被的生长和需水规律及土层的储水量有关。6月以前因植被需水少，30 cm以上土层的土壤水分能够满足植物的水分需求，7、8月植物进入需水最大时期，浅层水分难以满足植物旺盛生长的需要，且新生根系不断下伸，需要40 cm以下的土壤水分的补给，以满足水分的消耗。

水分胁迫的出现，特别是A区严重的水分胁迫改变了土壤水分的垂直分布格局，由图4(b)可以看出，与水分适宜小区比较，A区5月底前土壤水分变化最大的区域是40 cm以上，比E区深10 cm；6—9月40～60 cm土层的土壤水分也呈明显减少趋势，反映水分胁迫强度增加导致土壤水分减少向深层发展；另外，6、7月土壤水分呈现出缓慢减少或保持稳定，说明当水分胁迫发展到一定程度，或土壤水分减少到一定程度时出现水分停止散失，保持相对恒定的现象。

图5为2016—2017年4—9月水分适宜(E)和严重胁迫(A)小区不同深度土壤水分变化。可以看出，表层土壤水分波动最大，20、30 cm土层土壤水分波动明显，下层土壤水分波动逐渐减小，100 cm土层土壤水分几乎没有变化。其中，A区7、8月30～40 cm土层土壤含水率变化较E区明显。

图4 2016—2017年4—9月水分适宜(a)和严重水分胁迫(b)小区土壤水分垂直变化Fig.4 Vertical changes of soil moisture under water suitability (a) and severe water stress (b) condition from April to September during 2016-2017

图5 2016—2017年4—9月水分适宜(a)和严重胁迫(b)小区不同深度土壤水分变化Fig.5 The variation of soil moisture of different soil layers under water suitability (a) and severe water stress (b) condition from April to September during 2016-2017

2.3 水分胁迫对较深土层土壤水分的影响

土壤水分变异系数(coefficient of variation，CV)可以反映土壤水分的稳定程度。通过分析2016—2017年4—9月不同水分供给条件下不同土层土壤水分时间变异系数CV的垂直变化(图6)看出，土壤水分变化在50 cm以上比较明显，平均变异系数17.2%，越接近地表CV越大，0～20 cm的CV达到30.0%，0～30 cm为24.0%，50 cm以下CV低于10%，60～100 cm土层的平均CV仅有6.5%，且不同水分供给条件下变化不大，在1.4%～8.1%之间。土壤水分变异系数随深度呈幂函数曲线变化，0～30 cm土层CV急剧减小，40 cm后减速变慢，进而趋于平缓，与前述结论基本一致。

土壤水分的多寡影响变异系数的大小。水分适宜的E区CV最小，表明水分波动小，稳定性高；胁迫严重的A区CV较大，特别是40～70 cm土层CV明显偏大，说明该区域水分波动大，不稳定性增加，水分消耗向深层发展。

图6 2016—2017年4—9月不同控制水分处理小区土壤水分时间变异系数随土壤深度的变化Fig.6 The variations of soil moisture variation coefficients of different soil layers under different water supply conditions from April to September during 2016-2017

2.4 水分胁迫对土壤水分季节变化和垂直分布的综合影响

图7为2016—2017年4—9月水分适宜(E)与严重胁迫(A)小区不同深度土壤水分差值变化，可以清晰地反映出水分胁迫对土壤水分季节变化和垂直分布的综合影响。水分适宜小区各时段基本都能满足植被水分需求，水分差异的大小主要取决于水分胁迫小区水分的亏缺程度。生长初期虽然缺水小区土壤水分供给不足，但植被需水量少，水分亏缺不明显，随着生长加速，植被需水量增加，土壤水分明显不足，二者的差值增大，生长后期需水减少，差值又减小。垂直分布上以50 cm以上土壤水分变化明显，差值普遍大于15%，50 cm之下差异多小于5%，最大差值(20%～25%)出现在0～30 cm土层，是根系层主要集中的区域[20]；最大值出现的时间在6月下旬(0～20 cm土层)和7月中旬(20～30 cm土层)，次高值(15%～20%)出现在6月中旬到8月中旬，6月上旬之前和8月下旬之后差异较小，在10%～15%之间，与植物群落生长发育的需水规律相吻合。

图7 2016—2017年4—9月水分适宜与严重胁迫小区不同深度土壤含水率差值变化(单位：%)Fig.7 The depth-time sections of soil moisture content difference between water suitability and severe water stress (Unit: %) from April to September during 2016-2017

3 结论与讨论

(1)正常年份土壤水分的季节变化具有双峰曲线特征，春季返青和7月雨季时多处于峰值期，5月下旬和9月初多为谷底。与邓明珊等[12]和卓嘎等[21]对青藏高原土壤湿度的研究结论“青藏高原土壤湿度呈现显著的季节变化特征，一年之中出现两个峰值和两个低值阶段，春季最大、夏季次之、秋季最小”基本一致。不同土层的土壤水分往往表现出不同的水文过程和生态功能。表层或者浅层土壤水分通常是植被生长的常用水分来源，受降水入渗和蒸散的强烈影响，而深层土壤水分通常发挥“土壤水库”的作用[18]。典型草原区50 cm以上土层的土壤水分在垂直深度上变化明显，特别是0～30 cm土层，60 cm以下土壤水分变化明显减小，与李晋波等[11]的研究结果“表层土壤含水量最高，0～30 cm随着深度增加急剧减少，30 cm以下土层含水量整体保持在较低水平”相吻合。这种变化特征的形成既受雨季变化的影响，也与植物的生长发育和耗水有关。在牧草生长初期(返青后一个月左右)因温度低、降水少，地表蒸发和植被耗水少，土壤水分变化以表层(0～20 cm)为主，生长中期(旺盛生长期)随温度升高和降水增多，植被生长旺盛，需水量增加并达到最大，使土壤耗水量增加并向深层发展，50 cm以上土层土壤水分变化最为剧烈，生长末期由于降水和植被耗水均为减少状态，土壤水分变化以30 cm以上土层较为明显。表明植被的耗水量和耗水深度随发育进程而发生变化，在判断土壤水分的供给时需要考虑季节变化和土层深度的影响。

(2)草原生态系统土壤水分既受降水、温度等气候条件影响，也受植物组成、根系分布特征等生物因素和土壤质地的影响。陈敏玲等[9]研究指出“降水量的季节变化显著影响锡林浩特草原0～30 cm土层的土壤水分，而对30 cm以下更深土层土壤含水量的影响较小”。也有研究认为草地生态系统植物根系主要分布于浅层土壤，对深层土壤水分影响较小，20 cm以上土层的根系量可占70%～80%，40～50 cm深处的根量只占10%左右，深层土壤水分主要受土壤颗粒组成影响；随土层深度的增加，有机质减少，土壤质地趋于紧实，45～60 cm常出现钙基层，地下生物量呈迅速下降的趋势[22-25]。本文得出的土壤水分主要活跃在0～30 cm土层，水分胁迫仅能影响60 cm以上土层含水量，符合研究区的气候和植被生长特点。由此将0～20 cm、0～40 cm和0～30 cm土层的土壤水分作为典型草原区春、夏、秋不同时期供水量或干旱判别依据较为科学合理。

(3)在水分限制的生态系统中，土壤水分是植被恢复重建、水资源管理和农业生产的主要限制因子[26]。水分胁迫不仅影响植被的生长发育，而且会改变土壤水分的季节变化规律，减小变化幅度，严重的水分胁迫还会造成土壤水分季节变化曲线失去双峰特征而变得平滑，并使耗水向深层发展，水分变化敏感区域下伸至60～80 cm土层。水分胁迫一方面会引发下层水分的补偿作用，另一方面也会促使植物根系吸收下层水分，如克氏针茅分蘖节入土深度为2～3 cm，根系集中于20 cm以上土层中，但最长的根系可以分布到55 cm，甚至更深的土层中[20]，加剧下层水分的消耗。因此，在水分胁迫与生物量及生态系统相互关系的研究和土壤干旱指标阈值确定中，土层深度是不容忽视的一个因素。