典型草原返青期土壤溫度和水分動態變化

買小虎，張玉娟，張英俊，師尚禮，黃 頂

(1.甘肅農業大學 草業學院/草業生態系統教育部重點實驗室/甘肅省草業工程實驗室/中-美草地畜牧業可持續發展研究中心,甘肅 蘭州 730070；2.中國農業大學動物科技學院，北京 100193)

返青期是牧草萌動生長對外界環境變化反應最為敏感時期[1,2]，是草地生態系統的啟動階段，對整個草地生態系統物質和能量循環起決定性作用。在草地生態系統動力作用下，返青期草地生態系統從冬季休眠低速循環逐漸進入生長季高效運轉，從休眠狀態進入生理活躍狀態。在返青期，牧草生長極易受外界環境因子的擾動，從而引起整個草地生態系統變化[3,4]。研究報道，返青期牧草不宜進行過度放牧，過度放牧影響牧草正常生長，甚至導致牧草死亡[5-8]。通過探索多年生牧草春季生長對環境變化響應機制，研究典型草原返青期土壤溫度和水分動態變化，達到提高返青期草地管理水平和高效利用草地資源的目的。

隨日照增加、地溫升高、土壤解凍，土壤含水量增加，返青期牧草開始萌動生長，研究發現，返青期牧草生長與牧草干草產量和生產力具有顯著相關性[9，10]。李興華等[11]研究報道，當4月降水量減少到多年同期平均降水量的50%時，牧草返青期推遲10～15 d。Bork[12]研究牧草產量與土壤水分相關性，結果表明，牧草產量與土壤水分含量呈顯著正相關性，草產量與土壤水分的相關性隨著地形和地勢的變化而變化。Jensen[13]研究結果表明，高水分條件的牧草干物質產量與灌溉量呈線性相關；低水分條件的牧草干物質產量與灌溉量呈2次拋物線相關，灌溉牧草干草產量顯著高于非灌溉牧草。土壤水分與熱量相互影響和相互作用，土壤熱量變化引起土壤水分遷移和轉化[14]，同時，土壤水分變化導致土壤熱通量變化，進而影響土壤溫度[15]。部分研究表明，土壤溫度和土壤水分是限制多年生牧草返青和萌動生長的重要因子[16,17]。

研究返青期典型草原土壤溫度和水分含量動態變化規律，闡述多年生牧草春季萌動生長對環境變化響應機制，為管理和高效利用草地資源提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗樣地位于河北省沽源縣國家草地生態系統野外科學觀測站，E 116°14′，N 41°37′，海拔1 430 m，地處半干旱大陸季風氣候帶。年降水量350～450 mm，降水多集中在6～9月。2012～2013年試驗期間月平均降水量與年平均同期降水量、月平均溫度與年平均溫度同期差異不顯著(圖1)。年潛在蒸發量1 700～2 300 mm，平均氣溫為1 ℃，最冷月(1月)平均氣溫-18.6 ℃，最熱(7月)平均氣溫17.6 ℃，≥0 ℃年積溫2 000～2 800 ℃，≥10 ℃年積溫1 500～2 200 ℃。寒冷、干旱、多風和水熱同季的氣候特征對典型草原牧草生長發育產生有利的影響[18,19]。試驗區內建群種為克氏針茅(Stipakrylovii)，優勢種為羊草(Leymuschinensis)，劣勢種多為冷蒿(Artemisiafrigida)。土壤類型為典型草原植被下發育1種地帶性粟鈣土[20,21]。

圖1 2012～2013年試驗區月均溫與降水量Fig.1 The average temperature and the average precipitation in the experimental plots in 2012～2013

1.2 試驗設計

采用時間序列重復采樣法測定土壤溫度和水分，采樣時段為草地春季返青期(3月15～5月15日)[4]，小區面積為300 m×300 m，小區間隔50 m，設4次重復。為排除家畜和人為擾動，用鐵絲圍欄圍封試驗小區，使試驗區牧草生長在自然封育狀態。

1.2.1 土壤溫度測定 用熱敏電阻地溫計測定土壤溫度，測定深度分別為0、5、15、30、60、90和120 cm，每3 d測定1次，每1小區布設6個測定點。

1.2.2 土壤體積含水量測定 采用時域反射儀(TDR，加拿大，MP917)測定土壤體積含水量，測定深度分別為0～15、15～30、30～45和45～60 cm，每3 d測定1次。當降水量>5 mm，利用時域反射儀和土鉆法加測土壤體積含水量。測定時間為上午10∶00，每1小區布設4個測定點。

1.3 數據分析

試驗數據用SAS 8.0軟件進行方差、相關和回歸分析，用Excel作圖。

2 結果與分析

2.1 空氣溫度和土壤溫度動態變化

典型草原返青期植物生長和發育受土壤溫度和濕度的影響，土壤溫度和濕度是直接影響典型草原返青期植物發芽和出苗的主要因素，同時，太陽輻射和空氣溫度影響典型草原返青期草地土壤溫度和濕度。典型草原返青期空氣平均溫度增幅較大，表現出不穩定性。返青早期(3月15～4月5日)空氣溫度-4.9～5 ℃，平均-3.4 ℃，表層(0～15 cm)土壤溫度-0.5～5.2 ℃，中層(15～30 cm)土壤溫度-3～0.6 ℃，深層(30～120 cm)土壤溫度為-3.2～0 ℃；返青中期(4月5～4月25日)空氣溫度為-1.4～11 ℃，平均值7.3 ℃，表層土壤溫度為0.8～14.3 ℃,中層土壤溫度為-0.3～10.6 ℃，深層土壤溫度為-0.4～5 ℃；返青后期(4月25～5月15日)空氣溫度為4.5～15.2 ℃，平均值8.8 ℃，表層土壤溫度為3.2～20.4 ℃，中層土壤溫度為1.9～11.6 ℃，深層土壤溫度為0.5～7.9 ℃。

返青早期，表層、中層和深層土壤平均溫度分別為1.9,-0.8和-1.2 ℃，土壤沒有完全解凍，土壤環境處于日消夜凍的狀態，該過程消耗大量熱量，土壤積溫增幅較小，植物生長較慢。返青中期，表層、中層和深層土壤溫度平均值分別為6.4，2.8和0.7 ℃，表層土壤完全解凍，典型草原植被生物量顯著增加。返青后期，表層、中層和深層土壤溫度平均值分別為10.4、6.3和2.7 ℃，植物進入正常生長。2012和2013年平均值顯示，在典型草原返青期(3月15～5月15日)，空氣溫度增幅為14.3 ℃，表層、中層和深層土壤溫度增幅分別為15.2，12.7和9.6 ℃。典型草原返青期表層土壤溫度隨空氣溫度變化較為明顯，深層土壤溫度隨空氣溫度變化不明顯。同時研究發現，典型草原返青期土壤溫度隨晝夜空氣溫度變化而變化，白天土壤溫度明顯大于夜間土壤溫度(圖2)。

圖2 返青期典型草原空氣平均溫度和和土壤溫度Fig.2 The dynamics of air temperature and soil temperature during the returning green period in typical steppe

2.2 土壤體積含水量動態變化

由于氣候變化和過度放牧使典型草原出現不同程度退化，典型草原退化使其涵養水分能力下降，土壤水分是決定典型草原牧草生長發育和產量的主要因子，尤其在干旱或半干旱地區，表層土壤體積含水量隨返青季節變化中層和深層不同。返青早期，表層、中層和深層土壤體積含水量分別為19.8%～27.2%，11.4%～18.6%和10.4%～17.6%，平均分別20.7%，14.5%和11.5%；返青中期，表層、中層和深層土壤體積含水量分別為14.6%～19.6%，15.7%～29.9%和14.8%～28.8%，平均分別為17.8%，21.3%和20.6%；返青后期，表層、中層和深層土壤體積含水量分別為10.9%～18.2%，21.4%～33.9%和24.8%～32.8%，平均分別為15.1%，27.5%和28.2%。返青早期，表層土壤體積含水量變化較大，明顯大于中層和深層。在返青中期和后期，中層和深層土壤體積含水量變化較大，中層和深層的土壤體積含水量明顯大于表層。在返青早期，中層和深層土壤沒有完全解凍，處于凍融交替狀態，但表層土壤大部分解凍，融化積雪和冰層水分首先到達表層土壤，使表層土壤體積含水量明顯增大；在返青中期和返青后期，中層和深層土壤大部分或完全解凍，表層土壤水分滲透到中層和深層土壤，使中層和深層土壤體積含水量明顯增大，同時表層土壤水分蒸發和植株蒸騰，使表層的土壤體積含水量明顯小于中層和深層，中層和深層土壤體積含水量變化趨勢與表層土壤體積含水量相反。

圖3 返青期典型草原土壤體積含水量Fig.3 The dynamics of soil moisture during the returning green period in typical steppe

2.3 土壤溫度和土壤水分的相關性

隨全球氣候變暖和降水資源緊缺，提高典型草原蓄水能力成為當地生態持續發展主要策略。土壤中水分運移受植被、土壤理化性質、地形、地貌和空氣溫度等影響，其中空氣溫度對土壤水分的影響最為直接。土壤溫度與土壤水分相互影響，在熱傳導和熱輻射作用下，空氣溫度變化引起土壤溫度變化，土壤溫度變化引起土壤水分遷移和轉化。2013年土壤體積含水量隨土壤溫度變化規律與2012年類似，因此，分析了2012年土壤體積含水量與土壤溫度變化規律。除表層土壤外，其余土層土壤體積含水量與土壤溫度具有較好正相關性(圖4)。表層土壤體積含水量與土壤溫度呈負相關，隨土壤平均溫度增加而降低；中層和深層土壤體積含水量與土壤平均溫度呈正相關，中層和深層土壤體積含水量隨土壤平均溫度增加而增加。在典型草原返青期，隨空氣溫度升高，表層土壤開始解凍，土壤水分蒸發增大，部分植株開始生長，該季節降水較少，大量的蒸發使表層土壤體積含水量逐漸降低，土壤連續進行日消夜凍過程，土壤表層容易形成一定厚度干層，該干層降低中層和深層土壤水分散失，有利于典型草原返青期土壤保墑，為多年生牧草萌動生長提供較好土壤環境。隨空氣溫度升高，表層土壤開始解凍，表層多余土壤水分通過重力作用滲漏到中層和深層土壤，同時中層或深層土壤下存在永凍層或巖石隔水層，中層或深層土壤補給水分大于土壤水分損失，使中層或深層土壤體積含水量逐漸升高。

圖4 典型草原返青期土壤水分和土壤溫度相關性Fig.4 The correlation between soil moisture and soil temperature during the returning greenperiod in typical steppe

3 討論

典型草原土壤為季節性凍土，返青期土壤經歷日消夜凍和季節凍融交替2個過程。土壤溫度梯度表征土壤內熱量傳輸的方向和強度，是空氣溫度和土壤溫度耦合的結果，空氣溫度和土壤溫度變化影響土壤水分運移，從而對典型草原植被返青和恢復產生較大影響。此次研究表明，表層土壤體積含水量與土壤溫度呈負相關，中層和深層土壤體積含水量與土壤平均溫度呈正相關。張法偉等[22]研究顯示，青藏高原表層土壤溫度的晝夜變化明顯，溫度振幅垂直傳遞深度約為40 cm，土壤濕度隨土壤溫度變化而變化。研究表明，典型草原返青期土壤溫度變化滯后于空氣溫度變化，表層土壤溫度隨空氣溫度變化較為明顯，深層土壤溫度隨空氣溫度變化較為遲緩，使典型草原土壤季節性凍土保持時間較長，季節性凍土經歷時段為當年10月下旬至次年5月中旬。典型草原返青期空氣溫度持續上升，但不同深度土壤溫度變化不一致，表層土壤溫度變化隨空氣溫度變化幅度較大，中層和深層土壤溫度變化幅度較小，同時，土壤溫度隨土壤深度增加而降低，各層土壤溫度呈上升趨勢。

典型草原返青期與空氣溫度、土壤溫度、土壤含水量、光照、土質、土壤肥力和植物群落抗寒性等有關。于晶等[23]研究顯示，當土壤含水量超過田間持水量30%時，冬小麥根系腐爛，不利于冬小麥返青；當土壤含水量等于田間持水量20%～25%時，冬小麥根系生長旺盛，有利于冬小麥返青；當土壤含水量低于田間持水量20%時，冬小麥根系難以吸收土壤水分，土壤含水量嚴重制約冬小麥返青。研究表明，在典型草原返青期，表層土壤體積含水量隨返青期延伸而逐漸降低，中層和深層土壤體積含水量隨返青期延伸而逐漸升高。在返青早期，表層土壤體積含水量明顯大于中層和深層；在返青中期和后期，中層和深層的土壤體積含水量明顯大于表層。入冬前土壤凍結有利于較深層土壤水分向表層集聚，隨空氣溫度持續降低，表層土壤出現穩定凍土層，中層和深層土壤溫度相對較高，土壤水分由較深層土壤向表層凍土層遷移。在典型草原返青早期，土壤地表開始解凍，深層土壤水分向上運移并集聚，表層土壤水分含量較高，表層凍土層阻止降雨對深層土壤水分補給[24]；在典型草原返青中期和后期，隨空氣溫度升高，表層土壤含水量逐漸下降。

4 結論

返青早期空氣溫度為-4.9～5 ℃，平均-3.4 ℃，表層土壤溫度為-0.5～5.2 ℃，平均-0.8 ℃，中層土壤溫度為-3～0.6 ℃，平均值1.9 ℃，深層土壤溫度為-3.2～0 ℃，平均-1.2 ℃。返青中期空氣平均溫度為-1.4～11 ℃，平均7.3 ℃，表層土壤溫度為0.8～14.3 ℃，平均6.4 ℃，中層土壤溫度-0.3～10.6 ℃，平均2.8 ℃，深層土壤溫度為-0.4～5 ℃，平均0.7 ℃。返青后期空氣溫度為4.5～15.2 ℃，平均8.8 ℃，表層土壤溫度為3.2～20.4 ℃，平均10.4 ℃；中層土壤溫度為1.9～11.6 ℃，平均6.3 ℃，深層土壤溫度為0.5～7.9 ℃，平均2.7 ℃。典型草原返青期土壤溫度變化滯后于空氣溫度變化，表層土壤溫度隨空氣溫度變化較為明顯，深層土壤溫度隨空氣溫度變化較為遲緩。在典型草原返青期，表層土壤體積含水量隨返青期延伸而逐漸降低，中層和深層土壤體積含水量隨返青期延伸而逐漸升高。在返青早期，表層土壤體積含水量明顯大于中層和深層；在返青中期和后期，中層和深層的土壤體積含水量明顯大于表層。表層土壤體積含水量與土壤溫度呈負相關，中層和深層土壤體積含水量與土壤平均溫度呈正相關。

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