黃土高原非植物生長季節水熱狀況與生態功能

王善舉, 王秀芳, 王 零

(1.甘肅祁連山國家級自然保護區管理局, 甘肅 張掖 734000; 2.天水市農業技術推廣中心, 甘肅 天水 741000)

黃土高原非植物生長季節水熱狀況與生態功能

王善舉1, 王秀芳2, 王 零1

(1.甘肅祁連山國家級自然保護區管理局, 甘肅 張掖 734000; 2.天水市農業技術推廣中心, 甘肅 天水 741000)

[目的] 對黃土高原非植物生長季節水分狀況與利用潛力進行分析，為該區生態環境建設中的水資源高效利用提供參考。 [方法] 根據分布在黃土高原地區的氣象站觀測數據和定位試驗結果，分析研究區非植物生長季節的水熱狀況。 [結果] 研究區大部分地區植物經歷春季萌發和秋季枯死過程，土壤經歷凍融過程，最大凍土深度186 cm，并有一定量的降雪，最大降雪深度30 cm，非生長季節降水平均占全年降水的7.7%。陜西省北部的典型定位觀測點的土壤凍結時間達3月之久，有利于土壤水分的保持。 [結論] 黃土高原非植物生長季節水熱過程較弱，但是在水資源短缺條件下，能夠明確非植物生長季節的水熱過程，提高這一時段的水熱資源利用效率對退化生態系統的恢復有重要意義。

黃土高原; 非植物生長季節; 植被恢復; 水熱狀況

文獻參數： 王善舉, 王秀芳, 王零.黃土高原非植物生長季節水熱狀況與生態功能[J].水土保持通報，2017,37(2)：284-288.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.043； Wang Shanju, Wang Xiufang, Wang Ling. Status and Ecological Functions of Water and Heat During Non-growing Period in Loess Plateau[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：284-288.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.043

研究植被與土壤水分相互作用過程是干旱地區環境可持續發展的重要內容，退化生態系統在人類活動過程中，往往導致半干旱向干旱和沙漠化方向發展，而且區域土地利用類型發生較大變化后的平衡過程需要較長時段才能顯示出來[1-2]。已有關于黃土高原地區植被與土壤水分相互作用的大量研究報道將直接促進該區的生態環境建設，但是以往的研究主要集中在植物的生長季節。盡管該區的水熱過程在生長季節要比其它時段強烈的多，但是非植物生長季節的水熱過程幾乎被忽視了。人們在把試驗規律從點到面，再到流域和區域擴展的同時也需要更加細致的觀測和模擬結果。盡管沒有植物生長的時期，土壤-大氣系統的水熱交換弱，但是其變化規律仍然需要進行研究。根據國家氣象中心資料對中國的凍土空間分布進行分析，發現河北北部、山西、陜西和四川省西北部一線均出現過1 m以上的凍土層[3]。由此推斷，黃土高原地區冬季大部分土壤經歷凍結融化過程并有一定的降雪。也有關于農田生態系統冬季水分變化方面的研究[4]，但是中國關于土壤凍融對水分循環與遷移的研究主要集中在高寒地區的多年凍土區域[5-7]，本文根據分布在黃土高原地區的氣象站數據，主要就該區非植物生長季節水分狀況與利用潛力進行分析，以期為該區生態環境建設中的水資源高效利用提供參考。

1 試驗數據與方法

黃土高原地區1951—2000年63個氣象站數據用來分析本地區冬季降水狀況，凍土和積雪情況只選取其中17個典型站點進行分析，這些站點地理上基本均勻的分布在黃土高原地區。利用設在陜西省神木縣的中國科學院水利部水土保持研究所神木侵蝕與環境試驗站的野外氣象站(38.79N， 110.36E，海拔1 216 m)觀測數據分析典型點的非生長季節水熱特征。定位觀測點的土壤質地為沙質黃土，生長長芒草，土壤溫度和水分測定分不同的層次，水分測定用ML2x水分測定儀(Delta公司，英國)連接在CR10X數據采集器(Campbell Scientific公司，美國)上進行自動測量，土壤溫度用熱電偶方法測定。

2 結果與分析

2.1 黃土高原非植物生長季節與降水分配

近代氣象學家為了客觀、準確地劃分處于不同緯度和不同地形各地的季節，發掘和利用中國的氣象資源，提出了以溫度為標準，并兼顧一些能反映季節來臨的動、植物活動和生長規律來劃分季節的方法。即是以候(5 d為一候)平均氣溫低于10 ℃的作為冬季，高于22 ℃的作為夏季，介于10～22 ℃的作為春季和秋季。以此為據，根據黃土高原63個氣象站的統計結果，每年的11，12到次年的1—3月大部分站點的多年平均溫度在10 ℃以下，南部地區相對短一些，而北部地區相對長一些。因此，黃土高原天然和人工1年生植物的主要生長期在4—10月，根據緯度的不同，存在一定的差異。例如在陜北的榆林地區，天然植被在4月下旬開始萌發生長，到10月初進入枯萎，農作物的生長期更短。根據黃土高原63個氣象站1951-2000年的統計結果顯示，黃土高原地區多年平均降水401 mm，蒸發1 847 mm；每年的1-3月與11，12這5個月是一年中降水最少的時段，多年平均33.2 mm，最大82 mm，最小僅5.6 mm，占全年降水的比例分別為7.7%，13.8%與2.5%。這段時間是黃土高原水分最不活躍的時期，地表植被覆蓋率低，氣溫相對較低。這5個月的蒸發也較低，根據20 cm小型蒸發器的測定結果，多年平均蒸發332.4 mm，占全年的18.7%(表1)。

表1 黃土高原地區不同季節的降水分配

注：1—4與10—12月這6個月處于旱季，降水主要在6—9月。“比例”是指占全年總量的百分比。

2.2 黃土高原非植物生長季節水分的特征

非植物生長季節的水分特征主要通過降水和土壤水分表征，本研究根據多年觀測氣象資料，主要從積雪和凍土2個方面來反映研究區的非生長季節水分狀況。

根據圖1所示，黃土高原地區最大凍土深度隨緯度增加有增加趨勢，平均最大凍土深度97.8 cm，最小值27 cm，最大值186 cm。北部的呼和浩特與大同，在10月到次年4月間出現凍土現象，最大深度可達到186 cm，最南端的西安與鄭州市凍土主要在11月至次年3月的5個月間出現，最大深度不超過40 cm。土壤凍結過程阻礙土壤水分蒸發，因此盡管冬季降水很少，春季土壤融化時的含水量卻增加了[8]。據那平山等[9]的研究凍結滯水形成機制是在冬季的凍結作用下，包氣帶凍土層內產生氫鍵吸附能、飽和水汽壓差和毛管薄膜等機制構成凍結勢(熱力學勢)。它具有很強的吸附能凝聚水分，使包氣帶水和潛水從液態、汽態向凍結層移富集，形成季節性固態地下水。

圖1 黃土高原各市區歷年最大凍土深度

在過去30 a間，黃土高原地區10月到次年5月不同程度出現了積雪現象。空間分布上并沒有顯示明顯的規律性，平均最大積雪深度14.7 cm，最小值9 cm，最大值30 cm。最大深度出現在呼和浩特的3月份(圖2)。黃土高原冬季風速相對高，降雪往往發生局部的堆積或者被風吹離原地，坡面降雪很難就地融化。凍融水在春季為植物發芽、生長提供了一次較好的水分來源，尤其對缺乏灌溉的天然植被的生長十分有利[6]。那平山等認為在我國的西北地區，土壤凍結滯水的融水是樹木等植物春季萌發繁衍、生長最可靠的甚至唯一水資源，故控制凍結滯水量是生態環境建設的關鍵措施[10]。

圖2 黃土高原各市區歷年最大積雪深度

2.3 典型試驗站點非植物生長季節水熱特征

神木試驗站2004與2006年3 a的試驗結果顯示(圖3)，日平均土壤溫度在0 ℃以下的天數可以達到94和93 d，表層日平均最低溫度可以達到-10.4 ℃，可見在該區土壤處于凍結狀態的天數可以達3月之久，而這兩個冬季降水僅為9.8和6.9 mm。

從2 a的觀測資料來看，進入非生長季節，土壤水分的變化變緩和，但是在土壤完全凍結前，土壤水分、特別是淺層水分含量在沒有降水的條件下有明顯的降低。進入凍結過程，水分有顯著的降低，這是因為傳感器測定的是土壤中的未凍結的液態水分。在進入凍結期后，土壤未凍結水分含量相對穩定，從觀測數據看，期間的凍土深度已經超過儀器的最大測量深度56 cm。其后隨著季節變化，溫度上升，土壤解凍，土壤中的未凍結水分含量有增加趨勢，而且有明顯的向上層聚積的現象,這和龔家棟等[11]的結論一致。而表層含水率由于沒有降水有明顯的下降趨勢(圖4)。約3個月的凍結期有利于土壤水分的保持，觀測結果證實，在凍結期內土壤水分含量并沒有明顯降低，主要是進入凍結狀態，土壤蒸發量少，保持在土壤中的水分將為來年植物的萌發和生長提供水源。按照黃土高原區域凍土分布推斷，這種現象應該存在于整個地區，但其凍結深度和程度有較大的空間變異性。

圖3 神木站土壤溫度變化特征

圖4 神木站非植物生長季節土壤水分變化

3 冬季水分循環及其生態功效

黃土高原地區冬季土壤凍融與降雪對土壤熱容量、土壤水容量、地表反照率、水分蒸發與升華等產生影響，感熱、潛熱通量和動量交換隨之改變，從而對來年植被生長產生影響。而地表植被覆蓋度的改變，特別是植被建設造成的冬季地表覆蓋的增加必然對土壤凍融與降雪融化等水熱過程產生影響。植被冠層對太陽輻射(尤其是直射輻射)具有反射和遮擋作用，減小了到達林下地表的凈輻射，阻滯了地表溫度的變化，對凍土水熱過程產生直接的影響[12]。活動層開始凍結和消融時間隨著植被蓋度的減少不斷提前，且凍結持續時間縮短；隨著植被蓋度減小，活動層地溫水分變化速率增大植被起到抑制土壤地溫水分變化速率的作用[13]，凍土埋深通過影響淺層土壤含水量影響植被生長的[14]。地表蓋度增加，下墊面的粗糙度增加，這不但可以阻礙降雪的運動，增加其融化入滲，作物殘茬可以阻截地表雪的運動，可以通過適當的土壤管理措施提高凍結土壤的入滲率減少春季徑流，同時增加土壤儲水[15]。而且植物殘茬可以阻礙土壤凍融作用因此有利于土壤結構體的形成[16]，削弱凍融作用對土壤團粒穩定性的破壞。但是，植被覆蓋度的增加，植物根系吸水也隨之增加，土壤含水量的降低，可能導致土壤凍融過程退化[17]。根據黃土丘陵區不同坡向的土壤儲水量測定結果，北坡與西坡的儲水量明顯高于南坡與東坡，主要是降水再分配與能量的多寡造成[18]，我們也經常觀測到冬季降雪往往在北坡與西坡存在的時間長于南坡與東坡的現象。因此不同坡向水熱循環差異不但在植物生長季節存在差異，在非生長季節也存在差異，而這種差異對生態系統水循環的影響作用和程度均需要進一步的深入研究。有研究表明，隨著氣候變暖，出現凍土深度變淺及凍結時間變短等退化現象，土壤含水量可能減少，導致植被物種更替退化，同時包氣帶熱容量減少，溫差增大，植被生長的適宜溫度層也發生了變化[14]。

4 研究展望

在建立生態系統SVAT模擬模型時，需要長時段的監測資料，同時也要求完整的資料序列，隨著相關研究的深入，建立或改進模型對非生長時期的水熱過程的描述也要求獲得這一時期的資料。模擬干旱缺水條件下，高效利用水資源一直是植被建設與提高生產力的有效途徑，而黃土區非植物生長季節水熱循環及其在本區土壤—植被—大氣水分傳輸過程所起的作用并未引起足夠重視。降雪與凍結滯水的有效利用與調控以及植被覆蓋變化所導致的非生長季節水熱變化、黃土區冬季土壤—大氣水分能量傳輸過程模擬與模型是值得研究的問題。

[1] 于貴瑞,謝高地,王秋鳳,等.西部地區植被恢復重建中幾個問題的思考[J].自然資源學報,2002,17(2):216-220.

[2] 山侖.怎樣實現退耕還林還草[J].林業科學,2000,36(5):2-4.

[3] 劉小寧,李慶祥.我國最大凍土深度變化及初步解釋[J].應用氣象學報,2003,14(3):299-308.

[4] 尚松浩,雷志棟,楊詩秀.冬季田間水熱狀況的數值模擬[J].灌溉排水,1997,16(3):13-17.

[5] 李述訓,南卓銅,趙林.凍融作用對地氣系統能量交換的影響分析[J].冰川凍土,2002,24(5):506-511.

[6] 郭占榮,荊恩春,聶振龍,等.凍結期和凍融期土壤水分運移特征分析[J].水科學進展,2002,13(2):298-302.

[7] 李英年.高寒草甸地區冷季水分資源及對牧草產量的可能影響[J].草地學報,2001,10(3):15-20.

[8] Yang, Meixue, Yao Tandong, Gou Xiaohua, et al. The soil moisture distribution, thawing-freezing processes and their effects on the seasonal transition on the Qinghai-Xizang(Tibetan) Plateau[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2003,21(5)：457-465.

[9] 那平山,徐樹林.凍結滯水形成機制的探討[J].冰川凍土,1996,18(3):273-278.

[10] 那平山,張明如,徐樹林.中國三北地區凍結滯水資源對生態環境建設的效應研究[J].中國生態農業學報,2001,9(3):22-24.

[11] 龔家棟,祁旭升,謝忠奎,等.季節性凍融對土壤水分的作用及其在農業生產中的意義[J].冰川凍土, 1997,19(4):328-333.

[12] 常曉麗,金會軍,王永平,等.植被對多年凍土的影響研究進展[J].生態學報,2012,32(24):7981-7990.

[13] 劉光生,王根緒,胡宏昌,等.青藏高原多年凍土區植被蓋度變化對活動層水熱過程的影響[J].冰川凍土,2009,31(1):89-95.

[14] 梁四海,萬力,李志明,等.黃河源區凍土對植被的影響[J].冰川凍土,2007,29(1):45-52.

[15] Pikul J L, Ase J K. Fall contour ripping increases water infiltration into frozen soil[J]. Soil Science Society of America Journal, 1998,62(4):1017-1025.

[16] Oztas T, Fayetorbay F. Effect of freezing and thawing processes on soil aggregate stability[J]. Catena, 2003,52(1):1-8.

[17] 常曉麗,金會軍,于少鵬,等.大興安嶺林區不同植被對凍土地溫的影響[J].生態學報,2011,31(18):5138-5147.

[18] 楊文治,邵明安.黃土高原土壤水分研究[M].北京:科學出版社,2000.

Status and Ecological Functions of Water and Heat During Non-growing Period in Loess Plateau

WANG Shanju1, WANG Xiufang2, WANG Ling1

(1.GansuQilianMountainsNationalNatureReserveAdministration,Zhangye，Gansu734000，China; 2.AgriculturalTechnologyExtensionCenterinTianshuiCity,Tianshui,Gansu741000，China)

[Objective] The water status and utilization potential of the non-growing growing season on the Loess Plateau were analyzed to provide reference for the efficient utilization of water resources in the process of ecological environment construction. [Methods] Data from meteorological stations in Loess Plateau and test in situ was used to analyze the status of water and heat during non-growing season. [Results] Plants in most parts of the study area go through spring germination and autumn dead process. Soil has freeze-thaw cycles with the maximum frozen depth of 186 cm. And there is a certain amount of snowfall and the maximum snow depth record is 30 cm. On average, precipitation during non-growing season accounted for 7.7% annual precipitation . In the north area of Shaanxi Province, the freezing time of typical observation field station is up to three months. [Conclusion] Water and heat should be studied and use efficiency of the limited water resources should be improved. It is very important for vegetative restoration in the region.

the Loess Plateau; non-vegetative period; vegetative restoration; status of water and heat

2016-08-31

2016-09-01

甘肅省科技支撐計劃項目項目“祁連山典型生態系統物質循環及其對氣候變化的響應”(1604FKCG117)

王善舉(1974—),男(漢族),甘肅省天水市人,本科,主要從事自然保護區科學研究,保護區管理方面的工作。E-mail:870028013@qq.com。

A

1000-288X(2017)02-0284-05

S159