草甸草原降水影响土壤水分渗透分析

王 芳

（海拉尔区气象局，内蒙古 呼伦贝尔 021008）

水分是植物光合作用合成有机物质的原料， 水分的多少影响着植物光合作用的强度。 水分通过不同的方式对植物生长产生影响，主要有大气水分和土壤水分[1]。 土壤水分既是对气候变化较为敏感的环境因子， 也是水循环的一个主要环节。 降水是草原牧区土壤水分的主要来源,降水对土壤水分影响十分明显[2]。针对降水对土壤水分影响，专家学者[3-5]分析较多，大部分围绕农业开展研究。陈敏玲等[6]对内蒙古半干旱草原土壤水分对降水格局变化的响应进行了分析，得出降水量平均每增加1mm，下渗深度在0.79cm～1.06cm；降水前土壤含水量越高，下渗深度越大；植被因子对降水下降的影响相对较小等结论。 分布于大兴安岭东西两麓低山丘陵、 高平原上的草甸草原是内蒙古草原重要的组成部分， 同时主要优势植物对降水的敏感性很高，降水对生物多样性影响也很大[7]。 因此,笔者通过本文的分析， 拟找出草甸草原降水量对土壤水分状况的影响， 为今后通过降水来分析土壤水分状况提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

本研究区域选择在内蒙古呼伦贝尔草甸草原区的鄂温克族自治旗（以下简称鄂温克）和额尔古纳市（以下简称额尔古纳）两个站点。鄂温克地理位置49°07′N，119°44′E， 海拔620.8m， 年平均气温为-0.9℃， 年降水量为327.9mm，土壤多为暗栗钙土。 植被类型属于草甸草原，优势种植物有羊草、大针茅、冷蒿、线叶菊等[8]。

额尔古纳地理位置50°14′N，120°10′E，海拔581.4m，年平均气温-2.0℃，年降水量361.5mm，无霜期119 天。 土壤多为黑钙土、栗钙土。 植被类型属于草甸草原，优势种植物有羊草、贝加尔针茅、野豌豆等。

1.2 数据来源

在内蒙古呼伦贝尔草甸草原区选取鄂温克旗和额尔古纳市国家气象观测站提供的2013—2017 年585 组过程降水数据，土壤重量含水率及体积含水量数据为中国电科27 所与河南气象科研所共同研发的DZN2 （GStar-Ⅰ）型自动土壤水分观测仪观测数据，该仪器是利用FDR 原理，通过电磁波在不同介电常数物质中的频率变化，计算出被测物含水量。本试验监测深度为50cm，测定层次之间间隔为10cm。定时自动采集不同层次的土壤湿度数据，时间步长为10min，可获得每次降水过程前后完整的土壤重量含水率(θg)数据。 土壤重量含水率是指土壤中水分的重量与相应固相物质重量的比值。

1.3 研究方法

把降水量对各层（0～10cm、10cm～20cm、20cm～30cm、30cm～40cm、40cm～50cm）土壤重量含水率(θg)的变化分为两个部分：1）θg 是否对降水有响应, 试验把θg 增减幅度在±0.1%以内的数据视为不受响应数据(否=0)(是=1)。 不同草地或不同深度θg 与降水的关系不同[9]，降水前土壤水分状况也影响θg 是否对降水有响应[6]。 2）θg 对降水有响应后,θg 增量(⊿θg)与降水量、降水前后θg 相关性分析及模拟模型。 相关性及增长模型由SPSS19 软件计算分析。

2 结果与分析

2.1 θg 对降水的响应

由表1 可知，降水量与各层θg 响应显著相关。鄂温克10cm～20cm 相关系数很大， 而额尔古纳30cm～40cm 相关系数很大，而两地0～10cm 相关系数很小，可能是0～10cm土壤达到饱和程度的频率较高， 土壤到达饱和后θg 对降水的响应降低。 比如： 额尔古纳2013 年8 月23 日降水1mm，降水前0～10cmθg 为31.24%，降水后0～10cmθg 无增长，而2013 年9 月11 日降水0.3mm，降水前0～10cmθg 为16.20%，降水后0～10cmθg 有增长。 可见，土壤越接近田间持水量，θg 对降水响应越低， 同时田间持水量是θg 对降水响应的重要因子，与前人研究一致[10]。

表1 降水量与各层θg 是否增长相关性

2.2 θg 对降水量的响应Logistic 模型

分析两地各层次土壤响应模型，基本一致，仅0～10cm模型中X2 响应效果不同，鄂温克为正值，而额尔古纳为负值。 通过分析，产生差异的主要因素有土壤性质不同，额尔古纳以黑钙土为主，土壤含水能力较强，加之降水量较多， 导致影响0～10cm 土壤θg 对降水的响应主要因素为是否达到饱和状态（上限状态），越接近饱和状态，土壤θg 响应概率越低[11]，降水前0～10cmθg 越高，降水后的θg越不可能（0）增长。 而鄂温克以暗栗钙土为主，含水能力较弱，降水量较少，主要考虑因素为θg 值过低导致无法响应降水（下限状态），降水前0～10cmθg 越高，降水后的θg越可能(1)增长。

其它层次θg 对降水的响应和降水量及降水前θg 值成正向关系，降水越大，降水前θg 值越高，能够响应（1）的概率越大。 同时, 控制其它因素， 额尔古纳降水每增加1mm,各层θg 对降水的响应概率增加2.683、1.781、1.213、1.226、1.152 倍；鄂温克降水每增加1mm，各层θg 对降水的响应概率增加2.215、1.881、1.369、1.325、1.212 倍。

2.3 θg 增量与降水量相关性分析

在降水能够对θg 产生影响的基础上，讨论θg 增量与降水量相关性。 θg 增量与降水量成正向相关关系 （P<0.01），随着深度增加相关系数变小。 额尔古纳30cmθg 增量与降水、 降水前θg30cm 均成正向相关关系（P<0.01）；40cmθg 增量与降水、10cm～30cmθg 增量成正向相关关系（P<0.01）；50cmθg 增量与降水、降水前后θg40cm 值、降水前θg50cm 值成正向相关关系。 而鄂温克20cmθg 增量不仅与降水显著相关而且与10cmθg 增量、 降水后θg10cm值正向相关；30cmθg 增量与降水、降水后θg20cm、20cmθg增量均相关；40cmθg 增量与降水、30cmθg 增量正向相关；50cmθg 增量与降水、降水后θg40cm 值正向相关。

2.4 降水量影响θg 增量模拟模型

为了探明降水量影响θg 增量值， 对θg 增量与降水量、各层降水前θg 值等数据进行了曲线估计后发现，不同层次的θg 增量与降水量、各层降水前θg 值等数据呈线性相关，利用逐步回归建立模拟模型，所有模型在显著性水平0.01 上显著。 模型表示，田间持水量较高地区（额尔古纳）20cm～50cmθg 增量与上一层土壤状况显著相关，田间持水量较低地区（鄂温克）除10cm～20cmθg 增量与降水量无明显显著相关外，其它层次均有相关关系。

3 讨论

土壤水分变化对降水的响应是一个非常复杂的过程，不仅受降水量大小的主导，而且还受干旱长短、植被类型和土壤质地影响[12]。 本研究中，草甸草原降水渗透与土壤田间持水量显著相关，田间持水量较高，对降水敏感度低。相同量级降水对田间持水量较低地区的土壤深层影响更大。 除地表外（0～10cm），其它层土壤θg 值受上一层影响较大。 农业气象学中“透雨”，通常指下的雨与地下水分连在一起，中间没有干土层[13]。 θg 对降水量的响应反映了降水深入深度随着降水量与降水前土壤θg 的增大而加深，但由于降水前土壤θg 值较小，致使降水量虽大，但深度并不大，这与前人研究一致[14]。