典型草原返青期土壤温度和水分动态变化

买小虎，张玉娟，张英俊，师尚礼，黄 顶

(1.甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心,甘肃 兰州 730070；2.中国农业大学动物科技学院，北京 100193)

返青期是牧草萌动生长对外界环境变化反应最为敏感时期[1,2]，是草地生态系统的启动阶段，对整个草地生态系统物质和能量循环起决定性作用。在草地生态系统动力作用下，返青期草地生态系统从冬季休眠低速循环逐渐进入生长季高效运转，从休眠状态进入生理活跃状态。在返青期，牧草生长极易受外界环境因子的扰动，从而引起整个草地生态系统变化[3,4]。研究报道，返青期牧草不宜进行过度放牧，过度放牧影响牧草正常生长，甚至导致牧草死亡[5-8]。通过探索多年生牧草春季生长对环境变化响应机制，研究典型草原返青期土壤温度和水分动态变化，达到提高返青期草地管理水平和高效利用草地资源的目的。

随日照增加、地温升高、土壤解冻，土壤含水量增加，返青期牧草开始萌动生长，研究发现，返青期牧草生长与牧草干草产量和生产力具有显著相关性[9，10]。李兴华等[11]研究报道，当4月降水量减少到多年同期平均降水量的50%时，牧草返青期推迟10～15 d。Bork[12]研究牧草产量与土壤水分相关性，结果表明，牧草产量与土壤水分含量呈显著正相关性，草产量与土壤水分的相关性随着地形和地势的变化而变化。Jensen[13]研究结果表明，高水分条件的牧草干物质产量与灌溉量呈线性相关；低水分条件的牧草干物质产量与灌溉量呈2次抛物线相关，灌溉牧草干草产量显著高于非灌溉牧草。土壤水分与热量相互影响和相互作用，土壤热量变化引起土壤水分迁移和转化[14]，同时，土壤水分变化导致土壤热通量变化，进而影响土壤温度[15]。部分研究表明，土壤温度和土壤水分是限制多年生牧草返青和萌动生长的重要因子[16,17]。

研究返青期典型草原土壤温度和水分含量动态变化规律，阐述多年生牧草春季萌动生长对环境变化响应机制，为管理和高效利用草地资源提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验样地位于河北省沽源县国家草地生态系统野外科学观测站，E 116°14′，N 41°37′，海拔1 430 m，地处半干旱大陆季风气候带。年降水量350～450 mm，降水多集中在6～9月。2012～2013年试验期间月平均降水量与年平均同期降水量、月平均温度与年平均温度同期差异不显著(图1)。年潜在蒸发量1 700～2 300 mm，平均气温为1 ℃，最冷月(1月)平均气温-18.6 ℃，最热(7月)平均气温17.6 ℃，≥0 ℃年积温2 000～2 800 ℃，≥10 ℃年积温1 500～2 200 ℃。寒冷、干旱、多风和水热同季的气候特征对典型草原牧草生长发育产生有利的影响[18,19]。试验区内建群种为克氏针茅(Stipakrylovii)，优势种为羊草(Leymuschinensis)，劣势种多为冷蒿(Artemisiafrigida)。土壤类型为典型草原植被下发育1种地带性粟钙土[20,21]。

图1 2012～2013年试验区月均温与降水量Fig.1 The average temperature and the average precipitation in the experimental plots in 2012～2013

1.2 试验设计

采用时间序列重复采样法测定土壤温度和水分，采样时段为草地春季返青期(3月15～5月15日)[4]，小区面积为300 m×300 m，小区间隔50 m，设4次重复。为排除家畜和人为扰动，用铁丝围栏围封试验小区，使试验区牧草生长在自然封育状态。

1.2.1 土壤温度测定 用热敏电阻地温计测定土壤温度，测定深度分别为0、5、15、30、60、90和120 cm，每3 d测定1次，每1小区布设6个测定点。

1.2.2 土壤体积含水量测定 采用时域反射仪(TDR，加拿大，MP917)测定土壤体积含水量，测定深度分别为0～15、15～30、30～45和45～60 cm，每3 d测定1次。当降水量>5 mm，利用时域反射仪和土钻法加测土壤体积含水量。测定时间为上午10∶00，每1小区布设4个测定点。

1.3 数据分析

试验数据用SAS 8.0软件进行方差、相关和回归分析，用Excel作图。

2 结果与分析

2.1 空气温度和土壤温度动态变化

典型草原返青期植物生长和发育受土壤温度和湿度的影响，土壤温度和湿度是直接影响典型草原返青期植物发芽和出苗的主要因素，同时，太阳辐射和空气温度影响典型草原返青期草地土壤温度和湿度。典型草原返青期空气平均温度增幅较大，表现出不稳定性。返青早期(3月15～4月5日)空气温度-4.9～5 ℃，平均-3.4 ℃，表层(0～15 cm)土壤温度-0.5～5.2 ℃，中层(15～30 cm)土壤温度-3～0.6 ℃，深层(30～120 cm)土壤温度为-3.2～0 ℃；返青中期(4月5～4月25日)空气温度为-1.4～11 ℃，平均值7.3 ℃，表层土壤温度为0.8～14.3 ℃,中层土壤温度为-0.3～10.6 ℃，深层土壤温度为-0.4～5 ℃；返青后期(4月25～5月15日)空气温度为4.5～15.2 ℃，平均值8.8 ℃，表层土壤温度为3.2～20.4 ℃，中层土壤温度为1.9～11.6 ℃，深层土壤温度为0.5～7.9 ℃。

返青早期，表层、中层和深层土壤平均温度分别为1.9,-0.8和-1.2 ℃，土壤没有完全解冻，土壤环境处于日消夜冻的状态，该过程消耗大量热量，土壤积温增幅较小，植物生长较慢。返青中期，表层、中层和深层土壤温度平均值分别为6.4，2.8和0.7 ℃，表层土壤完全解冻，典型草原植被生物量显著增加。返青后期，表层、中层和深层土壤温度平均值分别为10.4、6.3和2.7 ℃，植物进入正常生长。2012和2013年平均值显示，在典型草原返青期(3月15～5月15日)，空气温度增幅为14.3 ℃，表层、中层和深层土壤温度增幅分别为15.2，12.7和9.6 ℃。典型草原返青期表层土壤温度随空气温度变化较为明显，深层土壤温度随空气温度变化不明显。同时研究发现，典型草原返青期土壤温度随昼夜空气温度变化而变化，白天土壤温度明显大于夜间土壤温度(图2)。

图2 返青期典型草原空气平均温度和和土壤温度Fig.2 The dynamics of air temperature and soil temperature during the returning green period in typical steppe

2.2 土壤体积含水量动态变化

由于气候变化和过度放牧使典型草原出现不同程度退化，典型草原退化使其涵养水分能力下降，土壤水分是决定典型草原牧草生长发育和产量的主要因子，尤其在干旱或半干旱地区，表层土壤体积含水量随返青季节变化中层和深层不同。返青早期，表层、中层和深层土壤体积含水量分别为19.8%～27.2%，11.4%～18.6%和10.4%～17.6%，平均分别20.7%，14.5%和11.5%；返青中期，表层、中层和深层土壤体积含水量分别为14.6%～19.6%，15.7%～29.9%和14.8%～28.8%，平均分别为17.8%，21.3%和20.6%；返青后期，表层、中层和深层土壤体积含水量分别为10.9%～18.2%，21.4%～33.9%和24.8%～32.8%，平均分别为15.1%，27.5%和28.2%。返青早期，表层土壤体积含水量变化较大，明显大于中层和深层。在返青中期和后期，中层和深层土壤体积含水量变化较大，中层和深层的土壤体积含水量明显大于表层。在返青早期，中层和深层土壤没有完全解冻，处于冻融交替状态，但表层土壤大部分解冻，融化积雪和冰层水分首先到达表层土壤，使表层土壤体积含水量明显增大；在返青中期和返青后期，中层和深层土壤大部分或完全解冻，表层土壤水分渗透到中层和深层土壤，使中层和深层土壤体积含水量明显增大，同时表层土壤水分蒸发和植株蒸腾，使表层的土壤体积含水量明显小于中层和深层，中层和深层土壤体积含水量变化趋势与表层土壤体积含水量相反。

图3 返青期典型草原土壤体积含水量Fig.3 The dynamics of soil moisture during the returning green period in typical steppe

2.3 土壤温度和土壤水分的相关性

随全球气候变暖和降水资源紧缺，提高典型草原蓄水能力成为当地生态持续发展主要策略。土壤中水分运移受植被、土壤理化性质、地形、地貌和空气温度等影响，其中空气温度对土壤水分的影响最为直接。土壤温度与土壤水分相互影响，在热传导和热辐射作用下，空气温度变化引起土壤温度变化，土壤温度变化引起土壤水分迁移和转化。2013年土壤体积含水量随土壤温度变化规律与2012年类似，因此，分析了2012年土壤体积含水量与土壤温度变化规律。除表层土壤外，其余土层土壤体积含水量与土壤温度具有较好正相关性(图4)。表层土壤体积含水量与土壤温度呈负相关，随土壤平均温度增加而降低；中层和深层土壤体积含水量与土壤平均温度呈正相关，中层和深层土壤体积含水量随土壤平均温度增加而增加。在典型草原返青期，随空气温度升高，表层土壤开始解冻，土壤水分蒸发增大，部分植株开始生长，该季节降水较少，大量的蒸发使表层土壤体积含水量逐渐降低，土壤连续进行日消夜冻过程，土壤表层容易形成一定厚度干层，该干层降低中层和深层土壤水分散失，有利于典型草原返青期土壤保墒，为多年生牧草萌动生长提供较好土壤环境。随空气温度升高，表层土壤开始解冻，表层多余土壤水分通过重力作用渗漏到中层和深层土壤，同时中层或深层土壤下存在永冻层或岩石隔水层，中层或深层土壤补给水分大于土壤水分损失，使中层或深层土壤体积含水量逐渐升高。

图4 典型草原返青期土壤水分和土壤温度相关性Fig.4 The correlation between soil moisture and soil temperature during the returning greenperiod in typical steppe

3 讨论

典型草原土壤为季节性冻土，返青期土壤经历日消夜冻和季节冻融交替2个过程。土壤温度梯度表征土壤内热量传输的方向和强度，是空气温度和土壤温度耦合的结果，空气温度和土壤温度变化影响土壤水分运移，从而对典型草原植被返青和恢复产生较大影响。此次研究表明，表层土壤体积含水量与土壤温度呈负相关，中层和深层土壤体积含水量与土壤平均温度呈正相关。张法伟等[22]研究显示，青藏高原表层土壤温度的昼夜变化明显，温度振幅垂直传递深度约为40 cm，土壤湿度随土壤温度变化而变化。研究表明，典型草原返青期土壤温度变化滞后于空气温度变化，表层土壤温度随空气温度变化较为明显，深层土壤温度随空气温度变化较为迟缓，使典型草原土壤季节性冻土保持时间较长，季节性冻土经历时段为当年10月下旬至次年5月中旬。典型草原返青期空气温度持续上升，但不同深度土壤温度变化不一致，表层土壤温度变化随空气温度变化幅度较大，中层和深层土壤温度变化幅度较小，同时，土壤温度随土壤深度增加而降低，各层土壤温度呈上升趋势。

典型草原返青期与空气温度、土壤温度、土壤含水量、光照、土质、土壤肥力和植物群落抗寒性等有关。于晶等[23]研究显示，当土壤含水量超过田间持水量30%时，冬小麦根系腐烂，不利于冬小麦返青；当土壤含水量等于田间持水量20%～25%时，冬小麦根系生长旺盛，有利于冬小麦返青；当土壤含水量低于田间持水量20%时，冬小麦根系难以吸收土壤水分，土壤含水量严重制约冬小麦返青。研究表明，在典型草原返青期，表层土壤体积含水量随返青期延伸而逐渐降低，中层和深层土壤体积含水量随返青期延伸而逐渐升高。在返青早期，表层土壤体积含水量明显大于中层和深层；在返青中期和后期，中层和深层的土壤体积含水量明显大于表层。入冬前土壤冻结有利于较深层土壤水分向表层集聚，随空气温度持续降低，表层土壤出现稳定冻土层，中层和深层土壤温度相对较高，土壤水分由较深层土壤向表层冻土层迁移。在典型草原返青早期，土壤地表开始解冻，深层土壤水分向上运移并集聚，表层土壤水分含量较高，表层冻土层阻止降雨对深层土壤水分补给[24]；在典型草原返青中期和后期，随空气温度升高，表层土壤含水量逐渐下降。

4 结论

返青早期空气温度为-4.9～5 ℃，平均-3.4 ℃，表层土壤温度为-0.5～5.2 ℃，平均-0.8 ℃，中层土壤温度为-3～0.6 ℃，平均值1.9 ℃，深层土壤温度为-3.2～0 ℃，平均-1.2 ℃。返青中期空气平均温度为-1.4～11 ℃，平均7.3 ℃，表层土壤温度为0.8～14.3 ℃，平均6.4 ℃，中层土壤温度-0.3～10.6 ℃，平均2.8 ℃，深层土壤温度为-0.4～5 ℃，平均0.7 ℃。返青后期空气温度为4.5～15.2 ℃，平均8.8 ℃，表层土壤温度为3.2～20.4 ℃，平均10.4 ℃；中层土壤温度为1.9～11.6 ℃，平均6.3 ℃，深层土壤温度为0.5～7.9 ℃，平均2.7 ℃。典型草原返青期土壤温度变化滞后于空气温度变化，表层土壤温度随空气温度变化较为明显，深层土壤温度随空气温度变化较为迟缓。在典型草原返青期，表层土壤体积含水量随返青期延伸而逐渐降低，中层和深层土壤体积含水量随返青期延伸而逐渐升高。在返青早期，表层土壤体积含水量明显大于中层和深层；在返青中期和后期，中层和深层的土壤体积含水量明显大于表层。表层土壤体积含水量与土壤温度呈负相关，中层和深层土壤体积含水量与土壤平均温度呈正相关。

参考文献:

[1] Anderson DM.Seasonal stocking of taboos managed under continuous and rotation grazing [J].Journal of RangeManagement,1988,41(1):78-83.

[2] Kato Y,Asano Y.Anew enzymatic method of stereoselective oxidation of raccmic1,2indandiols [J].J MolCatal B:Enzymatic,2001,13:27-36.

[3] Mathew E D.Plant community change following fifty-years of management at KalsowPrairi[J].Amer Midland Nat,2004,151(2):241-250.

[4] 黄亮亮,刘晓静,张德罡,等.不同水肥处理对冷季型草坪草返青的影响[J].草原与草坪,2005(2):46-49.

[5] Woledge J.Competition between grass and clover in spring as affected by nitrogen fertilizer [J].Ann Appl Boil,1988,112(2):175-186.

[6] Booth D T.Seedbed ecology of winterfat:imbibitions temperature affects post germination growth[J].J Range Manage,1992,45,159-164.

[7] 张鹤山,刘晓静,张德罡,等.氮肥对冷季型混播草坪返青期生长特性的影响[J].草原与草坪,2006(2):19-23..

[8] 李青丰,赵钢,郑蒙安,等.春季休牧对草原和家畜生产力的影响[J].草地学报，2005,13:53-56.

[9] 乌云娜,张云飞.锡林郭勒草原植物物种多样性的水分梯度[J].内蒙古大学学报，1998，29(3):304-413.

[10] 吕贻忠，李保国，胡克林,等.鄂尔多斯初夏不同地形土壤水分得空间变异[J].中国农业大学学报，2002,7(5):38-43.

[11] 李兴华,陈素华,韩芳.干旱对内蒙古草地牧草返青期的影响[J].草业科学，2013,30(3):452-456.

[12] Bork.Edwardw.The relationship between grass yield and precipitation[J].J Range.Manage,2001,54:243-248.

[13] Jensen K B.Dry matter production of Orchardgrass and perennial rygrass at five irrigation levels[J].Crop Science，2001,41(2):479-487.

[14] Shao M A,Hortonr J.Analytical solution for one dimension salhat conduction convection equation[J].Soil SciSoc Am J,1998,62:123-128.

[15] 叶乐安,刘春平,邵明安.土壤水热和溶质耦合运移研究进展[J].湖南师范大学学报(自然科学学报),2002,25(2):88-91.

[16] Finch-Savage W E,Steckel J R A,Phelps K.Germination and post-germination growth to carrot seedling emergence:predictive threshold models and sources of variation between sowing occasions[J].New Phytol,1998,139:505-516.

[17] Whalley W R,Finch-Savage R E,Cope R E,etal.The response of carrot (DaucuscarotaL.) and onion (AlliumcepaL.) seedlings to mechanical impedance and water stress at sub-optimal temperatures[J].Plant Cell Environ,1999,22:229-242.

[18] Decker K L M,Boerner B E J.Scale dependent patterns of soil enzyme activity in a forest landscape[J].Canadian Journal of Forest Research,1999,29(2):232-241.

[19] Donaghy D J,Fulkerson W J.Priority for allocation of water soluble carbohydrate reserves during regrowth ofLoliumperenne[J].Grass and Forage Science,1998,53(3):211-218.

[20] 李香真,曲秋皓.蒙古高原草原土壤微生物量碳氮特征[J].土壤学报,2002,39(1):97-104.

[21] Ourry A,Kim T H,Boucaud J.Nitrogen reserve mobilization during regrowth of Medicago sativa L[J].Plant Physiol,1994,105:831-837.

[22] 张法伟,李英年,曹广民,等.青海湖北岸高寒草甸草原生态系统CO2通量特征及其驱动因子[J].植物生态学报,2012,36(3):187-198.

[23] 于晶,孟健男,曾俨,等.温度及土壤含水量对冬小麦生长习性及返青率的影响[J].东北农业大学学报，2010,41(5):9-13.

[24] 张巍,冯玉杰.松嫩平原盐碱化草原土壤微生物的分布及其与土壤因子间的关系[J].草原与草坪,2008,(3):7-11.