高寒草地干湿生态系统土壤水分及入渗对降水的响应

石明明 ，王晓敏 ，陈奇 ，韩炳宏 ，周秉荣 *，肖建设 ，肖宏斌

（1. 青海省防灾减灾重点实验室，青海 西宁810001；2. 青海省气象科学研究所，青海西宁 810001；3. 河南县气象局，青海河南811599；4. 兰州大学草地农业生态系统国家重点实验室，兰州大学草地农业科技学院，甘肃兰州730020）

土壤水分作为生物圈和土壤圈的重要纽带，通过影响植物蒸腾和光合等过程，进而调控生态系统水、能量和生物化学循环［1-2］。降水作为土壤水分的主要来源，主要通过降水量、降水季节分布、降水历时、降水强度和降水间隔等年际和季节变化影响土壤水分的改变［3-5］。同时，因植被覆盖和土壤类型的差异，不同生态系统降水驱动的土壤水分变化特征差异较大［6］。Heisler-White 等［7］通过研究半干旱地区植物生长季降水对土壤水分的影响，发现小降水事件仅增加了表层土壤含水量，而大降水事件不仅能明显增加表层土壤含水量，还能入渗到深层土壤，大降水事件对于提高半干旱地区土壤剖面蓄水量具有重要作用。研究发现在降水总量相同的情况下，降水间隔的延长可以显著提高干旱地区的土壤含水量［8］，而降低湿润地区的土壤含水量［9］。因此，深入理解土壤水分对降水格局变化的响应有助于更好地认识土壤水分的维持机制，预测未来降水格局变化对生态系统关键过程的潜在影响。

青藏高原是全球气候变化的敏感区和关键区，近几十年来，在全球气候变化的背景下，青藏高原的气候发生了显著变化，例如，气温呈显著增加趋势，降水也发生了一定变化［10-11］。许建伟等［12］通过分析1979-2016 年青藏高原降水的变化特征，发现高原整体年总降水量呈不显著的增加趋势，同时，不同气候区降水峰值和分布形态变化差异较大，这种降水格局的变化将影响土壤水分的状况和维持。高寒草原和沼泽草甸作为青藏高原主要的草地类型［13-14］，近年来，前者干旱频发［15］，后者退化严重［16］，土壤水分是重要的影响因子［17-18］，理解降水驱动其土壤水分变化的特征是认识这些关键过程的基础。而目前，关于高寒草原和沼泽草甸等高寒草地土壤水分变化的研究主要集中在土壤水分时间和空间变异特征［19］及植被和降水量对其的影响研究［17，20］，对这些地区土壤水分改变对降水格局变化的响应研究仍缺少深入的分析，同时，未考虑入渗过程土壤剖面水分的动态变化，这限制了从机理上理解高寒草地生态系统土壤水分变化对降水的响应过程。

本研究以海北高寒草原和隆宝高寒沼泽草甸生态气象试验站的降水和土壤含水量等连续观测数据，分析了土壤水分改变对降水事件的响应规律及入渗过程特征，以期为理解高寒草地生态系统土壤水分对降水事件的响应提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

选择青海省气象科学研究所海北高寒草原生态气象试验站（100°51′E，36°57′N）和隆宝高寒沼泽草甸生态气象试验站（96°30′E，33°13′N）为试验区。前者位于青海高原北部的海晏县，海拔3140 m；属高原亚干旱气候；年平均气温1.4 ℃；年降水量502.2 mm，降水主要发生在5-9 月。试验样地面积26 hm²，地势平坦，植被均一；植被类型属于典型的高寒草原，植物群落中以禾本科的西北针茅（Stipa sareptana）为优势种，伴生种有矮嵩草（Kobresia humilis）、草地早熟禾（Poa pratensis）、洽草（Koeleria cristata）和斜茎黄芪（Astragalus adsurgens）。整个区域分布有季节性冻土（表1）。

隆宝高寒沼泽草甸生态气象试验站位于青海高原南部的玉树市，海拔4167 m；属于典型的高原大陆性气候；年平均气温0.6 ℃；年降水量468.2 mm，降水主要发生在6-9 月。试验样地面积0.01 hm²，地势平坦，植被均一，样地附近有河流和水域；植被类型属于典型的高寒沼泽草甸，植物群落中以莎草科的苔草（Carex atrofusca）为优势种，伴生种有藏嵩草（Kobresia tibetica）、水麦冬（Triglochin palustre）和钝叶银莲花（Anemone obtusiloba）。整个区域分布有永久或季节性冻土（表1）。

表1 试验站基本信息Table 1 General information of testing sites

1.2 研究方法

1.2.1 微气象观测系统 于2014 和2011 年夏季，分别在草原和沼泽草甸试验站，选择能够代表整个试验区域的样地为试验样区，安装一套自动气象观测系统，各观测设备各一套，进行长时间序列的集中观测，采用大气温度和相对湿度探头（HMP-45C，Vaisala）测定离地面1 m 处大气温、湿度。采用三维超声风速仪（CSAT3，Campbell）测定离地面1 m 处风速。采用土壤水分测定探头（CS616，Campbell）测定不同深度（5、10、20、30、40 cm）的土壤含水量，利用烘干法对仪器测定的土壤含水量进行标定，以标定后的土壤含水量作为实际值。采用称重式降水传感器（T200B，Geonor）测定降水量，配备CR1000 采集器每10 min 记录一次数据并存储。其中，安装土壤水分测定探头时，在样区中挖一个足够宽的坑，每层一个探头，通过坑侧插入土壤中，与地面保持平行，然后按出土相反的顺序将土填入坑中，使坑的表面和坑周围草地表面相似。在安装完设备2 个月后开始观测，以便土壤恢复原状。本研究采用试验站2015-2017 年的降水和土壤水分连续观测数据进行土壤水分变化及对降水事件的响应分析。

1.2.2 降水事件的提取和土壤水分增量的确定 降水事件的筛选条件为降水发生在24 h 以内，降水前24 h 无降水发生，降水后0～40 cm 土壤剖面土壤含水量达到最大值的过程中没有别的其他降水事件干扰［3，18］。根据2015-2017 年的10 min 降水数据，草原试验站生长季（6-9 月）共筛选出44 个降水事件，沼泽草甸试验站生长季（6-9 月）共筛选出35 个降水事件。结合已挑选的降水事件，确定各层土壤含水量的增量，即降水后土壤含水量与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 降水和土壤含水量数据确定，降水前土壤含水量为降水发生前的土壤含水量，降水后土壤含水量为降水发生后使土壤含水量实际达到的最大值。同时，0～40 cm 土壤剖面蓄水增量通过剖面平均土壤含水量的增量和土层深度来确定［21-22］。气温、风速和相对湿度为降水期间的平均值。

1.3 统计分析

采用多元线性回归分析土壤水分增量与降水事件大小和强度的关系。采用Pearson 相关性分析土壤水分增量和降水前表层（0～10 cm）土壤含水量、气温、风速和相对湿度之间的关系。采用曲线回归分析降水事件大小对0～40 cm 土壤剖面蓄水增量的影响。CV 表示变异系数（coefficient of variation）。采用OriginPro 9.1 作图。

2 结果与分析

2.1 生长季降水事件特征

2015-2017 年生长季，草原和沼泽草甸平均降水量分别为360.0（CV=4.8%）和314.6 mm（CV=20.9%），占年总降水量的比例分别为71.7%和67.2%；降水日数草原和沼泽草甸分别为84（CV=4.8%）和92 d（CV=13.0%）；0～5 mm、5～10 mm 和＞10 mm 的降水累计量占生长季总降水的比例，草原分别为29.2%、32.1%和38.7%，沼泽草甸分别为36.6%、33.1%和30.4%；0～5 mm、5～10 mm 和＞10 mm 的降水日数占生长季总降水日数的比例，草原分别为70.7%、19.7%和9.7%，沼泽草甸分别为74.4%、17.5%和8.1%；随着降水量级增大，降水累计量草原呈增大趋势，沼泽草甸呈减小趋势；降水日数草原和沼泽草甸均呈减少趋势（图1）。

图1 降水月均值变化与各量级降水情况Fig.1 Mean monthly precipitation and rainfall at various levels

2.2 不同降水量级下土壤水分增量变化

在草原，随着降水事件的增大，土壤水分增量逐渐增大，同一降水量级下土壤水分增量随土层加深逐渐减小；0～5 mm 的降水事件使5 cm 土层土壤含水量平均增加0.013 cm3·cm-3，5 cm 以下土层土壤含水量未改变；5～10 mm 的降水事件使0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm 和 20～30 cm 土层土壤含水量分别平均增加0.058、0.018、0.007和 0.002 cm3·cm-3，40 cm 土层未改变；＞10 mm 的降水事件使 0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 和 30～40 cm 土层土壤平均含水量分别增加0.119、0.079、0.043、0.029 和0.013 cm3·cm-（3图2）。

图2 不同降水量级下土壤水分增量变化Fig.2 The increase of soil moisture content at various rainfall levels

在沼泽草甸，0～5 mm 的降水事件对0～40 cm 土壤剖面各层土壤含水量均起到了微弱补充；5～10 mm 和＞10 mm 的降水事件使40 cm 土层平均土壤含水量增加较大，而0～30 cm 土层平均土壤含水量增加较小，5～10 mm的降水事件使0～30 cm 和40 cm 土层平均土壤含水量分别增加0.006 和0.024 cm3·cm-3，＞10 mm 的降水事件使0～30 cm 和40 cm 土层平均土壤含水量分别增加0.009 和0.018 cm3·cm-（3图2）。

2.3 土壤水分对降水事件的响应

降水事件大小和强度对草原和沼泽草甸表层（0～10 cm）与下层（10～40 cm）土壤水分增量均有显著主导作用（表2）。草原降水事件大小和强度能够解释0～10 cm 土层土壤水分增量75%的变化（P＜0.001），10～40 cm土层土壤水分增量63%的变化（P＜0.001）；沼泽草甸降水事件大小和强度对0～10 cm 和10～40 cm 土层土壤水分增量的解释度均较低，分别为26%（P=0.017）和38%（P=0.001）。

表2 土壤水分增量与降水事件大小和降水强度的关系Table 2 The relationship between the increase of soil moisture content and rainfall event size and rainfall intensity

分析了降水前表层（0～10 cm）土壤含水量、气温、风速和相对湿度对土壤水分增量的影响（表3），发现降水前表层（0～10 cm）土壤含水量和气温对土壤水分增量的影响较为明显，降水前表层（0～10 cm）土壤含水量和单位降水引起的土壤水分增量在草原10～40 cm 土层和沼泽草甸0～10 cm 与10～40 cm 土层呈显著正相关。气温和单位降水引起的土壤水分增量在草原10～40 cm 土层呈显著负相关。风速和相对湿度对土壤水分增量的影响较弱。

表3 单位降水引起的土壤水分增量和降水前表层（0~10 cm）土壤含水量、气温、风速、相对湿度之间的相关性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 入渗过程土壤剖面水分动态变化

分析了不同降水量级下，草原和沼泽草甸两个区域土壤剖面水分的变化过程。草原4.3 mm 的降水事件，几乎没有引起土壤含水量的变化。8.3 mm 的降水事件，从降水开始160 min 后表层（0～10 cm）土壤含水量开始增加，降水结束 230 min 后，达到最大值（0.253 cm3·cm-3），最大增量为 0.029 cm3·cm-3；10～40 cm 土层土壤含水量只有微弱的增加。16.0 mm 的降水事件，从降水开始310 min 后表层（0～10 cm）土壤含水量开始增加，降水结束30 min 后，达到最大值（0.335 cm3·cm-3），最大增量为 0.102 cm3·cm-3；10～40 cm 土层土壤含水量也明显增加，降水结束后，表层土壤水分继续下渗补充下层土壤水分（图3）。

图3 草原入渗过程土壤剖面水分变化Fig.3 The wetting front infiltration processes in the alpine grassland

沼泽草甸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，从降水开始40 min 后，0～10 cm 和10～40 cm 土层土壤含水量均开始增加，其土壤含水量达到最大值发生在降水结束之前，表层（0～10 cm）土壤含水量增加较少，10～40 cm 土层土壤含水量最大增量为0.004 cm3·cm-3，增加较多。17.0 mm 的降水事件，从降水开始30～50 min 后，0～10 cm 和10～40 cm 土层土壤含水量开始增加，其土壤含水量达到最大值发生在降水结束之前，表层（0～10 cm）和10～40 cm 土层土壤含水量最大增量分别为0.011 和0.007 cm3·cm-（3图4）。

图4 沼泽草甸入渗过程土壤剖面水分变化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关系

回归分析显示（图5），草原0～40 cm 土壤剖面蓄水增量和降水事件大小呈显著的三次函数关系（P＜0.001）；沼泽草甸0～40 cm 土壤剖面蓄水增量和降水事件大小呈显著的二次函数关系（P＜0.001）。降水事件大小能够解释草原0～40 cm 土壤剖面蓄水增量的94.9%；能够解释沼泽草甸0～40 cm 土壤剖面蓄水增量的59.1%。相比于草原，在降水事件较小时，沼泽草甸0～40 cm 土壤剖面蓄水量增加较多；反之，则较少。

图5 0~40 cm 土壤剖面蓄水增量和降水事件大小的关系Fig. 5 Relationships of increase in soil water storage in 0-40 cm soil profiles with rainfall event size

3 讨论

3.1 降水事件对土壤水分的影响

生长季降水显著影响土壤水分的变化，在降水总量相同的情况下，通常以小降水事件为主导的降水系统中，由于土壤蒸发及植物蒸腾作用，导致土壤水分损失严重，这将影响降水对土壤水分补充的量和水分的下渗［23］。而以大降水事件为主导的降水系统中，降水间隔增加，将使表层土壤更加频繁、长期地处于干旱状况，但大降水事件的增加会促进更多水分下渗到深层土壤［24-25］。本研究发现，草原小降水事件（≤5 mm）仅增加了5 cm 土层土壤含水量，而＞5 mm 的降水事件才可渗透到下层土壤，对下层土壤水分起到补充作用；而沼泽草甸小降水事件（≤5 mm）对0～40 cm 土壤剖面各层土壤含水量均起到微弱的补充，这主要是因为沼泽草甸土壤含水量较高，且土壤根系发达粗壮，较密的根系网使水分更容易下渗到深层以补充土壤水分［21］。因此，在草原生态系统，一系列小降水事件对土壤水分的补充效应并不一定等于相同总量的单次降水（相比小降水事件，渗透更大，蒸发更少）的补充效应［21］，而在沼泽草甸生态系统，相同总量的一系列小降水事件对土壤水分的补充效应比草原更强。发生＞5 mm 的降水事件时，沼泽草甸下层（40 cm）土壤含水量较上层（0～30 cm）明显增加，主要是因为沼泽草甸高的土壤含水量和较密根系特征可使降水容易渗透到下层，且沼泽草甸地区具有高的地下水位，下渗的水分明显增加了下层（40 cm）土壤含水量［23，26］。可见，草原和沼泽草甸土壤水分对降水事件的响应存在较大差异，草原土壤水分增量随着降水事件的增大逐渐增加，同一降水量级下土壤水分增加的量随土层加深逐渐减小；而沼泽草甸降水发生时，小降水事件可对0～40 cm 土壤剖面各土层土壤含水量均起到补充，大降水事件对下层土壤含水量的增加明显。

3.2 入渗过程土壤剖面水分变化

草原和沼泽草甸土壤剖面（0～40 cm）展示出不同的土壤水分垂直分布结构。土壤水分渗透过程受多种生物、物理因素的影响，包括地表覆盖、土壤类型、水力属性和降水强度等［27-28］。降水发生后，草原土壤含水量从表层到深层依次增加，表层土壤含水量增加和降水累计增加具有相似趋势，降水结束表层土壤含水量增加到一定值后开始下降，速率较增加的速率缓慢。当降水事件较小时，降水通过渗透增加上层土壤水分，水分保持在上层土壤，没有渗透到下层土壤；当降水事件较大时，上层土壤不仅可以保持较大的水分，还能再分配到下层土壤，使下层土壤含水量增加，表明受降水的影响下，草原表层土壤水分波动最为明显，这与其他干旱、半干旱地区研究的结论一致［3，5］。相比草原，沼泽草甸土壤水分变化对降水的响应较快，降水发生时，由于沼泽草甸初始土壤含水量较高，且土壤孔隙度较小，湿润锋运移较快［29］，能快速到达表层土壤（0～10 cm），对于小降水事件（≤5 mm）也能渗透到下层土壤（10～40 cm），这种土壤渗透特征可使沼泽草甸土壤更快更有效地获取和保持水分资源［6］。相比草原，当降水事件较小时，沼泽草甸0～40 cm 土壤剖面蓄水量增加较多；当降水事件较大时，沼泽草甸0～40 cm 土壤剖面蓄水量增加较少。前者主要是因为沼泽草甸小降水事件可快速渗透到深层，减少了蒸发、蒸腾损失，后者主要是因为沼泽草甸土壤含水量较高，降水发生后，土壤含水量容易达到饱和，部分降水通过形成径流而损失［22］。

土壤水分的维持是区域尺度复合生态系统可持续发展的基础［26］，高寒草原和沼泽草甸是重要的半干旱和湿润生态系统［15-16］，是高寒草地生态系统的重要组成部分。本研究发现大降水事件（＞10 mm）对草原0～40 cm 土壤剖面蓄水具有重要作用，大降水事件比例较大的降水格局特征可以很好地维持草原生态系统植被的生长。在降水总量相同时，小降水事件占比大，有利于沼泽草甸土壤水分更有效地补充，小降水事件占比较大，高频次降水的降水格局特征可以很好地使沼泽草甸土壤保持水分资源。因此，在气候变化的大背景下，应更注重小区域尺度降水格局变化及其对土壤水循环的影响研究，以更好地评估和预测气候变化对大区域尺度的影响。

4 结论

1）草原和沼泽草甸土壤水分对降水事件的响应存在较大差异，草原小降水事件（≤5 mm）仅增加了5 cm 土层土壤含水量，＞5 mm 的降水事件才可明显增加下层（10～40 cm）土壤含水量；沼泽草甸小降水事件（≤5 mm）对0～40 cm 土壤剖面各层土壤含水量均起到微弱的补充，＞5 mm 降水事件对40 cm 土层土壤含水量较上层（0～30 cm）增加明显。

2）土壤水分增量不仅受降水事件大小和强度的显著影响，同时受降水前表层（0～10 cm）土壤含水量和降水期间气温的明显影响。草原降水发生时，土壤含水量从表层到深层依次增加。沼泽草甸土壤水分对降水的响应较快，更容易渗透到深层土壤，沼泽草甸这种土壤渗透特征，使土壤能更快更有效地获取和保持水分资源。

3）相比草原，当降水事件较小时，沼泽草甸0～40 cm 土壤剖面蓄水量增加较多；当降水事件较大时，沼泽草甸0～40 cm 土壤剖面蓄水量增加较少。沼泽草甸降水频次高，小降水事件占比大，有利于降水对土壤水分更高效的补充。