希拉穆仁草原根层土壤水分变化特征

张瑞强，高天明，王 健，岳征文

(1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.水利部牧区水利科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010020)

希拉穆仁草原根层土壤水分变化特征

张瑞强1,2，高天明2，王 健2，岳征文2

(1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.水利部牧区水利科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010020)

摘要：为了探明阴山北麓希拉穆仁草原土壤水分的自然变化规律，采用AZ-DT自动水分监测仪长期定位监测天然草地根层土壤水分，结合降水量观测和植被调查，分析该区域土壤水分的变化特征及其对植被的影响。结果表明，1)降水是坡面土壤水分的主要来源，由于该地区降水稀少，导致坡面土壤水分经常处于体积含水量15%以下的较低水平；坡底土壤水分除降水以外还有径流来源，径流形成地面积水，使坡底土壤水分较高甚至经常处于过饱和状态。2)生长季降水量对坡面植被高度、盖度和生物量影响明显，但对坡底植物生长影响很小。坡底土壤通气不良并且盐碱化，致使植株低矮、细弱，但株丛数较多。3)由于冻融和积雪融化的影响，春季土壤水分较高且波动剧烈，这有利于牧草返青期的水分供应。

关键词：希拉穆仁草原；土壤水分；植被

土壤水分是水循环中的重要部分，多数生态环境问题都是由于土壤水分问题而导致[1]。国内外众多研究表明，干旱半干旱区土壤水分季节动态与降水的季节性变化基本一致[2-3]，降水格局及土壤有效储水量的时空特征决定了植物水分利用策略，从而影响着整个生态系统的结构和功能，对植被的稳定生长与恢复重建具有极大的限制性[4-5]。同时，许多研究也显示，小流域尺度下的地形地貌以及土地利用方式的差异造成了土壤水分的规律性变化，间接影响植被的时空分布格局，并在一定程度上影响小气候的变化[6-7]。近年来，我国大力发展以植被建造为主的生态环境建设，土壤水分植被承载力问题也愈加受到重视，因为这不仅是生态环境建设的核心问题，也是区域生态承载力研究的重要内容[8-9]。

获得准确的土壤水分数据是研究区域土壤水分植被承载力的关键问题之一，对于区域植被选择和布局具有重要的实践意义，直接关系到生态环境建设的成败[10-11]。阴山北麓地区气候干旱，寒冷多风，属于中国生态环境最差的地区，同时也是我国北方重要的生态安全屏障。但由于近年来人为和自然因素的干扰，该地区草原退化严重，生态环境恶化加剧，已严重威胁到了我国的生态安全，因此急需加强草原生态保护与建设[12-14]。本研究选取位于阴山北麓中部以克氏针茅(Stipakrylovii)为建群种的希拉穆仁草原为研究样地，其地理位置和植被类型具有较强的代表性。目前基于长期观测该地区根层土壤水分的研究报道较少。本研究旨在分析该地区根层土壤水分的变化特征及其对植被的影响，为探求该地区土壤水分植被承载力、指导生态环境建设提供理论依据及相关参数。

1研究地区与研究方法

1.1研究区概况

希拉穆仁草原位于内蒙古包头市达尔罕茂明安联合旗东南部，地理位置41°12′-41°31′ N，111°00′-111°20′ E。地形低缓起伏，地貌多呈浑圆丘陵波状，平均海拔1 600 m。中温带半干旱大陆性季风气候，春秋季干旱多风，夏季雨量较充沛，冬季干燥寒冷。多年平均降水量为279.4 mm，主要集中在7、8月，多年平均蒸发量为2 305 mm，年均气温2.5 ℃，年均日照时数3 100～3 300 h，无霜期约83 d，年均风速4.5 m·s-1，冬春季以北风和西北风为主，年大风日数为63 d，沙尘暴日数20～25 d。地带性土壤为栗钙土，质地粗糙，土层厚度一般30 cm，其下的钙积层一般厚30～50 cm。地带性植被建群种植物为克氏针茅，伴生冷蒿(Aritimisiafrigida)、羊草(Leymuschinensis)、冰草(Agropyroncristatum)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)、银灰旋花(Convolvulusammannii)、狭叶锦鸡儿(Caraganastenophylla)等多年生旱生草本和小灌木。

1.2研究方法

1.2.1样地设置样地设立在位于希拉穆仁草原腹地的水利部牧区水利科学研究所综合试验基地(面积133 hm2，以下简称基地)。2009年春季在基地内选取一处典型坡面(克氏针茅群落伴生羊草、冰草、糙隐子草、银灰旋花等，坡度3°，坡向东西)，采用铁丝网围封实现完全禁牧。在坡中部选择3个典型样点(3次重复)，3个样点成三角形排列，各相距20 m，代表坡面。在坡底的平地[克氏针茅群落伴生羊草、二裂委陵菜(Potentillabifurca)、马蔺(Irislactea)等，东西宽约700 m，南北长约3 km]选择3个典型样点(3次重复)，3个样点呈三角形排列，各相距20 m，代表坡底。

1.2.2观测方法土壤水分观测：2009年5月下旬，在坡中部和坡底平地分别利用AZ-DT自动水分监测仪(DT80数据采集器、9个经过烘干校正过的FDR针式传感器)观测土壤体积含水量。每台AZ-DT自动水分监测仪观测3个样点，每个样点分别在土壤10、20和30 cm深度处布设传感器。

土壤性质调查：坡面和坡底均为弱石质沙质壤土，坡面根层土壤有机质含量1.5%～2.5%，坡底2.2%～4%，坡底明显高于坡面；坡面根层土壤pH值平均为7.8，坡底为8.3；坡面根层土壤含盐量平均为0.09%，坡底为0.14%，坡底比坡面高55.6%，坡底土壤轻度盐碱化。

降水量观测：2009年5月下旬，在坡中部样点与坡底样点的中间布设一台小型自动气象站用于观测降水量。

植被调查：每年8月中旬分别在每个样点设置1 m×1 m样方3个，记录样方盖度和高度，将所有植物齐地面剪掉，带回实验室80 ℃烘干称重。

根据以往观测，该地区坡面和坡底的根层土壤田间持水量一般为25%～28%。

1.2.3计算与统计分析方法

统计分析方法：采用Excel和SPSS 15.0进行数据整理、制图和回归分析。

2结果与分析

2.1不同区域根层土壤水分年际变化

希拉穆仁草原0-30 cm根层土壤于每年4月中下旬开始解冻，植物返青，10月底完全封冻，植物枯萎。表1列出了研究区2009年至2014年4月-10月坡面和坡底根层土壤水分含量及降水量情况，发现2009年为干旱年，2012年为湿润年，其余年份均为中等年，研究期内水文代表性较好。坡面根层土壤水分平均含量2009年最低，2012年最高；坡底有所不同，表现为2009年最低，2013年最高。每年的4-10月内，坡底根层土壤水分平均含量高于坡面8%～72%(表1)。坡面土壤水分与4-10月降水量的回归方程为y=0.021x+5.6，r=0.93>r0.01,40.917，F=25.155>F0.01(1,4)21.2，极显著相关，回归效果好。坡底土壤水分与4-10月降水量的回归方程为y=0.042x+4.568，r=0.694

表1　2009-2014年(0-30 cm)根层土壤水分平均含量及降水量

2.2不同区域根层土壤水分季节变化

各年降水月分配均呈“单峰”曲线，春秋季较少，夏季偏多。2009为干旱年，最大月降水量为8月(46.8 mm)， 2010和2011年为中等年，最大月降水量分别为8月(60.1 mm)和7月(55.8 mm)，2012年为湿润年，最大月降水量为6月(100.8 mm)，2013和2014年为中等年，最大月降水量均出现在7月,分别为85.3和64 mm(图1)。相比而言，干旱年最大月降水量较少且时间较晚，湿润年最大月降水量较大且时间较早，中等年集中于7-8月间。

各年不同区域根层土壤含水量月变化有所不同(图1)。2009年为干旱年，坡面与坡底均呈平缓“单峰”曲线，最大值均出现在8月，分别为9.5%和10.4%，最小值分别为10月(7.9%)和6月(8.1%)，均处于较低水平。2010和2011年为中等年，坡面呈“双峰”型曲线，4月和10月出现两次峰值，2010年的分别为12%和16.2%、2011年的分别为14.3%和11.3%；坡底2010年呈逐渐上升曲线，由4月的8.5%逐渐增加至10月的16.6%，坡底2011年呈“双峰”曲线，分别为6月(16.2%)和9月(19.9%)。2012年为湿润年，坡面与坡底均呈“双峰”曲线，4月和8月出现两次峰值，坡面的分别为12.9%和19.3%、坡底的分别为17.8%和26.4%。2013年为中等年，坡面与坡底均呈“双峰”曲线，坡面峰值分别为4月(14.3%)和7月(13.8%)，坡底峰值分别为4月(21.8%)和8月(30%)。2014年为中等年，坡面与坡底均为“双峰”曲线，坡面峰值分别为8月(14.9%)和10月(16.1%)，坡底峰值分别为4月(20.1%)和8月(25.8%)。

总体看来，坡面和坡底土壤含水量的月变化均为干旱年“单峰”曲线、湿润年“双峰”曲线。在中等年，坡面和坡底的土壤水分月变化特征较为复杂，这可能与降水格局有关。

2.3不同区域根层土壤水分垂直变化

坡面和坡底不同深度土壤水分平均含量均为表层10 cm最高，其次为中层20 cm，底层30 cm最低(表2)。这说明，来自地下水补给的土壤水分来源微乎其微。坡面与坡底相比，各深度土壤含水量除2009年20和30 cm以及2010年20 cm略高以外，其余年份均不同程度低于坡底(表2)。这表明，坡底土壤水分除了降水以外还有非地下水形式的其它来源。

图1　2009-2014年坡面和坡底根层土壤

年份Year坡面Slope10cm20cm30cm坡底Bottom10cm20cm30cm200911.47.86.414.96.95.8201014.89.79.516.29.67.9201114.19.78.821.113.011.8201217.312.211.726.217.415.1201314.010.310.026.318.416.4201415.311.09.625.217.015.4

各年份坡面和坡底土壤10 cm含水量通常在日降水量>10 mm后(中雨)明显升高，变化幅度一般在20%以上，与此同时，20 cm土壤含水量也会略有升高，变化幅度一般在5%左右，30cm土壤含水量几乎不变。当日降水量>20 mm后，坡面和坡底各深度土壤含水量均会明显升高，如2013年7月22日下午突降暴雨，12 h降水量45.3 mm，傍晚发生洪水，导致7月23日坡面平均土壤体积含水量达到26%，坡底接近40%(图2)。坡面各深度土壤水分与4―10月降水量的回归方程分别为：y10 cm=0.023x+8.273，r=0.92>r0.01,40.917,F=21.126>F0.05(1,4)7.709;y20 cm=0.018x+5.449,r=0.918>r0.01,40.917，F=22.385>F0.01(1,4)21.2;y30 cm=0.02x+3.888,r=0.919>r0.01,40.917，F=19.669>F0.05(1,4)7.709，相关极显著，回归效果好。坡底各深度土壤水分与4―10月降水量的回归方程为：y10 cm=0.046x+9.241,r=0.697

2.4不同区域土壤水分差异对植被的影响

坡面与坡底在植被物种组成、高度、盖度和生物量方面存在明显差异(表3)。坡面植被以典型的旱生草本植物为主，坡底除建群种植物克氏针茅和羊草外，还分布有耐盐碱植物二裂委陵菜和马蔺等，反映了坡底土壤的盐碱化倾向。坡面每年的植物高度、盖度和生物量变化很大，这主要是受降水量年际变化的影响；坡底每年变化很小，其中植被盖度维持60%左右的较高水平，但由于植株普遍低矮、细弱，造成生物量并不高。坡面植被数量特征与4―10月降水量的回归方程分别为：y高度=0.145x+12.418,r=0.916>r0.05,40.811,F=20.783>F0.05(1,4)7.709;y盖度=0.002x+0.088,r=0.908>R0.05,40.811，F=17.716>F0.05(1,4)7.709;y生物量=1.507x+219.16，r=0.925>r0.01,40.917，F=23.855>F0.01(1,4)21.2，显著或极显著相关，回归效果好。坡底植被数量特征与4―10月降水量的回归方程为:y高度=0.015x+33.617，r=0.378

图2　2009-2014年根层土壤水分日均含量及日降水量

3讨论

在生长季，坡面根层土壤水分与降水量呈明显正相关关系，并且表层10cm土壤水分高于20和30cm土层处，说明降水是研究区坡面草地根层土壤水分的主要来源，而非来源于地下水，这与其他研究者结论一致[2-3,15-17]。坡底根层土壤水分每年均高于坡面，并且与降水量相关不显著，并且表层10 cm土壤水分高于20和30 cm说明也不是来源于地下水，其原因主要是在强降雨时坡面发生地表径流，汇流至坡底形成洪水，给坡底土壤提供了额外的水分补充，这证明了地形通过影响地表径流导致水分再分配，从而影响不同地形条件下的土壤水分[6,18]。另外，土壤性质如质地、盐碱化及有机质含量等也是影响土壤水分的重要因素[19]，坡面与坡底根层土壤虽然均为弱石质沙质壤土，但坡底由于有机质含量及盐碱程度高于坡面，使坡底根层土壤的持水性较高于坡面。综上，坡面无额外水源补充，其土壤水分完全依靠降水，由于研究区气候干旱，降水稀少，导致坡面根层土壤水分经常处于体积含水量15%以下的较低水平，低于其土壤田间持水量的60%；而坡底在洪水过后，局部形成积水，特别是每年夏季降雨较多时，坡底积水时间经常达半月以上，土壤水分经常处于过饱和状态，加之坡底土壤持水性强于坡面土壤。因此，坡底根层土壤水分高于坡面。

表3　2009-2014年坡面与坡底植被数据特征

降水季节分配是土壤水分季节波动的主要影响因素[20-21]。虽然研究区各年份降水月变化均呈“单峰”曲线，但各年的“峰值”及其出现时间有所不同，如在干旱年2009年，最大月降水量出现在8月(46.8 mm)，在湿润年2012年，最大月降水量出现在6月(100.8 mm)，两个年份的“峰值”相差两倍以上，在中等年，最大月降水量集中于7―8月(55～85 mm)。然而，坡面和坡底土壤水分月变化与降水月变化各年份并不完全保持一致。这主要是受每年降水格局、洪水发生时间及土壤前期含水量差异的影响，该方面还需进一步深入研究。

研究表明，植物生长与土壤水分呈明显正相关关系[22-24]，本研究在坡面证实了这一点。但坡底有所不同，这主要是因为坡底由于洪水及长时间积水造成土壤通气状况较差，影响植物生长，造成植株低矮、细弱，但这反而使得每种植物的株丛数较多，导致生物量并不高但植被盖度较高。

研究区每年4月虽然降水稀少，但此时的坡面和坡底均维持较高的土壤含水量，并且波动剧烈，这主要与冻融作用导致的土壤水分运动和积雪融化有关[25-26]。此时正值牧草返青期，这有利于牧草返青期的土壤水分供应。

4结论

坡面与坡底的根层土壤水分在对降水的响应、年际和季节变化特征、垂直分布规律及对植被的影响等方面存在差异。降水是坡面根层土壤水分在生长季内的唯一来源，由于希拉穆仁草地区气候干旱，降水稀少，导致土壤水分经常处于15%以下的较低水平。坡面植被群落高度、盖度和生物量等数量特征与生长季降水量呈明显正相关关系。坡底土壤水分在生长季内除降水以外还有径流来源，径流形成地面积水，使坡底土壤水分较高甚至经常处于过饱和状态。由于土壤通气不良并且盐碱化，使植物生长受到限制，植株低矮、细弱，生物量并不高但株丛数较多。降水对坡底植被生长的影响很小。由于冻融作用和积雪融化的影响，每年4月坡面和坡底土壤水分均较高，且波动剧烈，这有利于牧草返青期的土壤水分供应。

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(责任编辑王芳)

Soil moisture characteristics of root zone on Xilamuren grassland

Zhang Rui-qiang1,2, Gao Tian-ming2, Wang Jian2, Yue Zheng-wen2

(1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China;2.The Institute of Water Resources for Pastoral Areas, Hohhot 010020, China)

Abstract:In order to explore the natural variation laws of soil moisture in Xilamuren grassland, north Yinshan Mountains, AZ-DT automatic soil moisture monitor was used to monitor the soil moisture of root zonewith long-term period. Soil moisture, in combination with rainfall observation and vegetation survey, was applied to analyze local soil moisture variation characteristics and its impact on vegetation. The results of this study showed rainfall was the only source of soil moisture of the slope soil and was often below 15% due to rare rainfall. However, soil moisture at slope bottom come from runoff resources and rainfall, and was higher than that of slope soil, which led the soil moisture to be saturation condition. Rainfall significantly affected the height, coverage and biomass of plant community in slope soil, however, did not affect on those of plant community in slope bottom. The plant community in slope bottom is low and thin but large number because poor ventilation and salinization of slope bottom soil was not beneficial to plants growth. The soil moisture of the slope and the bottom was higher and the fluctuation was severe in spring season every year due to freezing thawing and snow melting, which was helpful to grassland regreen with enough water supply.

Key words:Xilamuren grassland; soil moisture; vegetation

DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0367

*收稿日期：2015-06-29

基金项目：中国水利水电科学研究院科研专项(节基本科研1556)；国家自然科学基金(41301302，31400482);水利部“948”项目(201402)

通信作者：高天明(1981-)，男(蒙古族)，内蒙古赤峰人，工程师，硕士，主要从事草地生态研究。E-mail：zaohuer@163.com

中图分类号：S812.2

文献标志码：A

文章编号：1001-0629(2016)5-0878-08*1

Corresponding author:Gao Tian-mingE-mail：zaohuer@163.com

张瑞强,高天明,王健,岳征文.希拉穆仁草原根层土壤水分变化特征.草业科学,2016,33(5)：878-885.

Zhang R Q,Gao T M,Wang J,Yue Z W.Soil moisturecharacteristics of root zoneon Xilamuren Grassland.Pratacultural Science，2016,33(5)：878-885.

接受日期：2016-01-19

第一作者：张瑞强(1964-)，男，内蒙古呼和浩特人，高级工程师，硕士，主要从事草地水土保持与节水灌溉研究工作。E-mail：zrqabc@163.com