青海湖北岸天然草地土壤湿度变化规律及土壤干旱特征分析

高贵生，马扶林，王 明，孙丰海

(1.海北牧业气象试验站，青海 西海 810200；2.海晏县气象局，青海 三角城 812200)

1 前言

土壤水分是土壤成分之一，是土壤系统养分循环和流动的载体，它不但直接影响土壤的特性和植物的生长，同时又是水分平衡组成项，是植物需水的直接来源，对植物的生理活动有重大影响。环湖北岸土壤缺水较重时容易出现草原干旱，影响天然牧草的返青和后期的生长发育。多年来，许多学者对不同地区土壤水分动态分布规律进行了深入的研究和探讨[1～6]，对青海高原天然草地土壤水分动态变化的研究也取得了一些有意义的研究成果[7～9]，但针对环湖北岸天然草地土壤水分动态变化的研究相对较少[10，11]。 环湖北岸是青海省重要的畜牧业生产基地，由于降水较少，土壤供水不足，草场干旱时有发生，严重制约牧草的生长发育和产量形成，导致牧草产量偏低。

2 研究地点和资料来源

研究地点位于青海湖北岸、海晏县西部的天然牧草观测场，隶属于青海省海北牧业气象试验站(36°57′N，100°51′E，海拔3 140 m)，属典型的高原大陆性气候，干旱少雨，光照时间长，太阳辐射强，气候温凉。下垫面为高寒草原草地。气象资料来源于海晏县气象局同期观测资料，大气观测场距牧草观测场11 km，周围地势平坦，气候差异不明显。土壤水分资料每月 8、18、28 日采用烘干称重法测定，测定深度分别为0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 和40～50 cm。牧草产量按照农业气象观测规范牧草返青至黄枯期每月末测定一次。

3 天然草地土壤水分动态变化规律及其缺水时段分析

通过对研究地点近21 a来土壤水分监测数据分析，春季由于降水量较少，大气降水无法弥补土壤蒸发所造成的水分散失，土壤解冻后表层0～10 cm水分散失严重，土壤重量含水率全年最低，一直持续到6月中旬，6月下旬开始随着降水增多，土壤表层水分略有增加，但增幅不明显。7～8月土壤重量含水率起伏明显，特别是7月下旬到8月上旬波动起伏最大。9月上旬由于牧草蒸腾和土壤蒸发的减少，表层土壤水分上升明显，到9月下旬达到全年最高值。10月上旬到土壤封冻前随着降水量的减少土壤重量含水率略有下降(图1)。

图1 青海湖北岸0～50 cm逐旬平均土壤重量含水率

3.1 降水在时间上的分布状况对土壤干旱的影响

从不同年份年降水量的多少和不同土壤深度(0～30cm)历年平均土壤重量含水率变化综合分析，牧草生长季降水总量并不是造成土壤干旱的决定性因素，土壤重量含水率的高低取决于降水量的多少和时间分布上的均匀程度(图2)。2000年年降水量较历年平均偏少41%，土壤重量含水率却处于较高水平，2014年年降水量较历年平均偏多15%，由于5月上旬至6月中旬降水异常偏少，期间发生较为严重的土壤干旱。年降水偏少且土壤干旱较为严重的年份仅出现在2003年和2016年，其中2003年年降水量较历年平均偏少10%，土壤重量含水率全年整体偏低。2016年年降水量较历年平均偏少4%，但由于降水分布不均，6月上旬至7月上旬出现持续时间最长且最为严重的土壤干旱，特别是7月8日土壤水分监测数据根据青海省DB-63/T372-2011土壤相对湿度干旱等级划分标准，达到重度干旱，也是近21 a出现的唯一一次重度土壤干旱，牧草生长发育受到明显影响，造成部分禾本科牧草未能正常开花结实。

3.2 春季不同深度土壤水分变化规律分析

利用海北牧试站近21 a土壤10 cm解冻至5月下旬共126个土壤湿度测定样本，根据青海省DB-63/T372-2011土壤相对湿度干旱等级划分标准，对环湖北岸春季草原干旱等级出现的概率统计分析表明：青海湖北岸春季干旱主要以轻旱为主，0～10 cm土壤深度出现轻度土壤干旱的概率为36.5%；其次为中度干旱，出现中度土壤干旱的概率为13.5%，尚未发生过重度干旱。0～10 cm土壤深度发生轻度及以上干旱发生的机率为50.0%，即海北州春季一半的时间出现土壤水分不足的现象。土壤干旱主要发生在0～10 cm土壤深度。由于环湖北岸地下水位较低，土壤储水主要取决于大气降水，当浅层土壤缺水严重时，通过牧草的蒸腾拉力自下而上由较深层土壤向上输送，而更深层土壤由于地下水位较低无法得到有效的水分补充，导致土壤重量含水率下降，30～40 cm深度土壤干旱出现频率较高，轻度干旱发生概率为25.7%，但尚未出现过中度及以上土壤干旱。轻度土壤干旱出现概率仅次于0～10 cm土壤深度。结合土壤水分含量统计得出海北州春季不同土壤深度干旱发生频率及干旱程度(图3)。

图2 青海湖北岸年降水量和0～50 cm年平均土壤重量含水率

图3 青海湖北岸春季不同深度土壤干旱发生频率

3.3 夏季不同深度土壤水分变化规律分析

夏季是青海湖北岸土壤干旱的高发时段，由于夏季牧草正处于快速生长阶段，牧草需水量增加，同时随着气温升高，牧草叶面积增加，土壤蒸发和作物蒸腾加剧，出现降水天气但降水量较小时，浅层土壤重量含水率上升明显，深层土壤不能获得有效的水分补充导致土壤干旱逐步向纵深发展，深层土壤干旱发生的频率较春季明显偏多(图4)。30～40 cm深度土壤轻度干旱发生的概率达53.8%，较春季明显增多，中度土壤干旱主要出现在0～10 cm深度，出现概率为12.9%，30～40 cm深度发生轻度及以上干旱的机率达55.4%，不同深度均出现土壤水分不足。

图4 青海湖北岸夏季不同深度土壤不同等级干旱发生概率

4 气象条件对牧草生长发育的影响

青海湖北岸天然牧草一般从 4 月中下旬开始返青，干物质即从牧草返青开始积累，并随着植物自身生长发育节律和气温升高、降水量的增加而逐渐增加。

4.1 气象条件对牧草返青的影响

气象条件对天然牧草不同发育阶段的影响存在明显差异，天然牧草返青的早晚主要取决于春季土壤含水量的多少和气温的高低。青海湖北岸由于春季降水较少，牧草返青期土壤含水量的高低主要取决于上年度土壤封冻前降水量的多少，特别是9～11月降水量的多寡。近年来，牧草开始返青的4月份气温无明显变化，9～11月降水量呈缓慢上升趋势(图5)，牧草返青期略有提前。

利用气温的高低及降水量的多少通过回归分析建立的天然牧草返青期预报模式如下：

Y=18.276-0.033X1-0.297X2

(相关系数r=0.557，n=21，相关系r数通过 0.01检验水平的显著性检验)

其中Y为返青日期；X1为上年度9～11月降水合计；X2为当年4月份平均气温。

(预报结果为4月份的Y值，即当Y值为16时，牧草返青日期为4月16日)

图5 青海湖北岸历年9～11月降水量

4.2 气象条件对牧草产量的影响

良好的水热搭配有利于牧草的生长发育和产量形成，但牧草生长季降水量的多少并非决定牧草产量高低的主要因素，青海湖北岸天然牧草一般在4月中旬开始返青，生育期内的生长动态呈缓慢生长→积极生长→缓慢生长，即返青初期牧草高度变化较为缓慢，随着时间的推移生长速度加快，当达到某一阶段后生长速度趋于缓慢直到停止生长。 年内天然牧草快速生长期主要出现在6～7月，该时期由于气温升高，降水增加，是牧草产量形成的关键时期，期间降水量的多少，气温的高低直接决定牧草产量的高低。青海湖北岸牧草产量监测从5月份开始到9月底结束，根据逐月牧草产量绝对增加量分析，牧草返青到8月份牧草产量持续增加，但增速差异明显，牧草产量快速形成期出现在6月份，牧草产量绝对增加值达每月140.7 kg/666.7m2，7月份为 85.0 kg/666.7 m2，到8月份增速下降明显，绝对增加量仅为9.7 kg/666.7m2，9月份牧草开始进入黄枯阶段，牧草含水量降低，牧草鲜产以44.3 kg/666.7m2的速率下降(图6)。

近年来，青海湖北岸牧草生长季降水量呈上升趋势，同时由于气温增高，牧草产量呈逐年上升趋势(图7)。利用逐年牧草产量和气象条件通过回归分析建立的牧草黄枯期产量预报模式如下。

图6 历年逐月平均牧草产量

图7 青海湖北岸牧草生长季降水量和黄枯期牧草产量

Y=-635.118+2.741X1+40.077 X2

(相关系数r=0.563，n=21，相关系r数通过 0.01检验水平的显著性检验)

Y为黄枯期牧草产量、X1为6～7月降水量合计、X2为7月平均气温。

5 降水对不同深度土壤相对湿度的影响

随着春季地温升高，土壤逐层解冻，表层解冻较早，土壤水分散失较大，同时由于降水量偏少，浅层土壤含水量明显低于深层。深层土壤水分以固态形式保存在土壤中，难以向表层土壤转移，深层土壤含水率明显高于表层，随着地温升高，土壤解冻深度加深，深层土壤水分由土壤含水率高值区向低值区不断转移输送，随着时间的推移，深层土壤水分逐步下降，到夏末秋初由于土壤蒸发和植物蒸腾减弱，土壤水分开始逐步回升，一直持续到土壤封冻期，秋末到土壤封冻期是环湖北岸土壤相对湿度最高的时期。

青海湖北岸土壤10 cm解冻一般出现在4月中旬，冻结出现在10月中旬，因此，分别统计了4～10月土壤湿度测定间隔日期间的降水量及旬平均气温与土壤相对湿度资料，分析青海湖北岸不同时段不同深度降水量及旬平均气温与相对湿度之间的相互关系。通过分析发现不同土壤深度土壤相对湿度与旬降水量和旬平均气温的高低回归分析系数及相关性检验拟合效果良好(见表1)。

根据建立的土壤水分预测模式对2018年土壤水分起伏较大的6～8月土壤相对湿度预测结果与实际监测数据对比分析表明，当降水量与历年同期相比偏少幅度较大且前期土壤湿度较小时，土壤水分散失减缓，预测值较实际监测偏小；在土壤相对湿度较高甚至接近或超过饱和状态且其后10d内降水量较历年同期明显偏多时，土壤毛管悬着水接近或甚至超过上限，土壤水分由于重力作用向深层渗透，土壤水分无法长时间维持在饱和状态下，导致后期预测值较实测值明显偏高(见表2)。

表1 气象因子与不同深度土壤相对湿度关系表

Y为土壤相对湿度；X1为旬平均气温； X2为旬降水量，n=378，相关系R数均通过 0.01检验水平的显著性检验。

表2 不同深度土壤相对湿度预测检验表

续表：

6 讨论与结论

通过以上分析，青海湖北岸天然草地土壤水分变化及气象条件对牧草生长发育的影响主要表现在以下几个方面：

(1)环湖北岸春季干旱发生概率较大，以轻度土壤干旱为主，中度土壤干旱只出现在0～10cm深度；夏季土壤干旱发生概率最大，土壤干旱向纵深发展，不同深度均可能出现中度土壤干旱；秋季是一年当中土壤墒情最好的时期，干旱发生的概率很小。

(2)根据建立的土壤水分预测模型预测后期土壤水分时，当前期土壤相对湿度接近或达到饱和状态时，后期土壤水分预测值明显偏高，容易出现预测偏湿的情况发生，当土壤缺水较重时，土壤水分散失减缓，导致后期土壤相对湿度预测值偏低。

(3)降水量的多寡直接决定牧草返青的早晚和产量的高低。

(4)6～7月是牧草产量快速形成期，期间气象条件对牧草黄枯期产量影响明显。

(5)降水分布的均匀程度是造成草原干旱的主要因素，不完全取决于年降水量的多少。

(6)由于土壤的物理性质导致土壤水分变化规律并非单纯的线性关系，造成土壤水分预测模型与实际监测结果存在差异，需要进一步深入研究，提高预测精度。