草甸草原降水影響土壤水分滲透分析

王 芳

（海拉爾區氣象局，內蒙古 呼倫貝爾 021008）

水分是植物光合作用合成有機物質的原料， 水分的多少影響著植物光合作用的強度。 水分通過不同的方式對植物生長產生影響，主要有大氣水分和土壤水分[1]。 土壤水分既是對氣候變化較為敏感的環境因子， 也是水循環的一個主要環節。 降水是草原牧區土壤水分的主要來源,降水對土壤水分影響十分明顯[2]。針對降水對土壤水分影響，專家學者[3-5]分析較多，大部分圍繞農業開展研究。陳敏玲等[6]對內蒙古半干旱草原土壤水分對降水格局變化的響應進行了分析，得出降水量平均每增加1mm，下滲深度在0.79cm～1.06cm；降水前土壤含水量越高，下滲深度越大；植被因子對降水下降的影響相對較小等結論。 分布于大興安嶺東西兩麓低山丘陵、 高平原上的草甸草原是內蒙古草原重要的組成部分， 同時主要優勢植物對降水的敏感性很高，降水對生物多樣性影響也很大[7]。 因此,筆者通過本文的分析， 擬找出草甸草原降水量對土壤水分狀況的影響， 為今后通過降水來分析土壤水分狀況提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

本研究區域選擇在內蒙古呼倫貝爾草甸草原區的鄂溫克族自治旗（以下簡稱鄂溫克）和額爾古納市（以下簡稱額爾古納）兩個站點。鄂溫克地理位置49°07′N，119°44′E， 海拔620.8m， 年平均氣溫為-0.9℃， 年降水量為327.9mm，土壤多為暗栗鈣土。 植被類型屬于草甸草原，優勢種植物有羊草、大針茅、冷蒿、線葉菊等[8]。

額爾古納地理位置50°14′N，120°10′E，海拔581.4m，年平均氣溫-2.0℃，年降水量361.5mm，無霜期119 天。 土壤多為黑鈣土、栗鈣土。 植被類型屬于草甸草原，優勢種植物有羊草、貝加爾針茅、野豌豆等。

1.2 數據來源

在內蒙古呼倫貝爾草甸草原區選取鄂溫克旗和額爾古納市國家氣象觀測站提供的2013—2017 年585 組過程降水數據，土壤重量含水率及體積含水量數據為中國電科27 所與河南氣象科研所共同研發的DZN2 （GStar-Ⅰ）型自動土壤水分觀測儀觀測數據，該儀器是利用FDR 原理，通過電磁波在不同介電常數物質中的頻率變化，計算出被測物含水量。本試驗監測深度為50cm，測定層次之間間隔為10cm。定時自動采集不同層次的土壤濕度數據，時間步長為10min，可獲得每次降水過程前后完整的土壤重量含水率(θg)數據。 土壤重量含水率是指土壤中水分的重量與相應固相物質重量的比值。

1.3 研究方法

把降水量對各層（0～10cm、10cm～20cm、20cm～30cm、30cm～40cm、40cm～50cm）土壤重量含水率(θg)的變化分為兩個部分：1）θg 是否對降水有響應, 試驗把θg 增減幅度在±0.1%以內的數據視為不受響應數據(否=0)(是=1)。 不同草地或不同深度θg 與降水的關系不同[9]，降水前土壤水分狀況也影響θg 是否對降水有響應[6]。 2）θg 對降水有響應后,θg 增量(⊿θg)與降水量、降水前后θg 相關性分析及模擬模型。 相關性及增長模型由SPSS19 軟件計算分析。

2 結果與分析

2.1 θg 對降水的響應

由表1 可知，降水量與各層θg 響應顯著相關。鄂溫克10cm～20cm 相關系數很大， 而額爾古納30cm～40cm 相關系數很大，而兩地0～10cm 相關系數很小，可能是0～10cm土壤達到飽和程度的頻率較高， 土壤到達飽和后θg 對降水的響應降低。 比如： 額爾古納2013 年8 月23 日降水1mm，降水前0～10cmθg 為31.24%，降水后0～10cmθg 無增長，而2013 年9 月11 日降水0.3mm，降水前0～10cmθg 為16.20%，降水后0～10cmθg 有增長。 可見，土壤越接近田間持水量，θg 對降水響應越低， 同時田間持水量是θg 對降水響應的重要因子，與前人研究一致[10]。

表1 降水量與各層θg 是否增長相關性

2.2 θg 對降水量的響應Logistic 模型

分析兩地各層次土壤響應模型，基本一致，僅0～10cm模型中X2 響應效果不同，鄂溫克為正值，而額爾古納為負值。 通過分析，產生差異的主要因素有土壤性質不同，額爾古納以黑鈣土為主，土壤含水能力較強，加之降水量較多， 導致影響0～10cm 土壤θg 對降水的響應主要因素為是否達到飽和狀態（上限狀態），越接近飽和狀態，土壤θg 響應概率越低[11]，降水前0～10cmθg 越高，降水后的θg越不可能（0）增長。 而鄂溫克以暗栗鈣土為主，含水能力較弱，降水量較少，主要考慮因素為θg 值過低導致無法響應降水（下限狀態），降水前0～10cmθg 越高，降水后的θg越可能(1)增長。

其它層次θg 對降水的響應和降水量及降水前θg 值成正向關系，降水越大，降水前θg 值越高，能夠響應（1）的概率越大。 同時, 控制其它因素， 額爾古納降水每增加1mm,各層θg 對降水的響應概率增加2.683、1.781、1.213、1.226、1.152 倍；鄂溫克降水每增加1mm，各層θg 對降水的響應概率增加2.215、1.881、1.369、1.325、1.212 倍。

2.3 θg 增量與降水量相關性分析

在降水能夠對θg 產生影響的基礎上，討論θg 增量與降水量相關性。 θg 增量與降水量成正向相關關系 （P<0.01），隨著深度增加相關系數變小。 額爾古納30cmθg 增量與降水、 降水前θg30cm 均成正向相關關系（P<0.01）；40cmθg 增量與降水、10cm～30cmθg 增量成正向相關關系（P<0.01）；50cmθg 增量與降水、降水前后θg40cm 值、降水前θg50cm 值成正向相關關系。 而鄂溫克20cmθg 增量不僅與降水顯著相關而且與10cmθg 增量、 降水后θg10cm值正向相關；30cmθg 增量與降水、降水后θg20cm、20cmθg增量均相關；40cmθg 增量與降水、30cmθg 增量正向相關；50cmθg 增量與降水、降水后θg40cm 值正向相關。

2.4 降水量影響θg 增量模擬模型

為了探明降水量影響θg 增量值， 對θg 增量與降水量、各層降水前θg 值等數據進行了曲線估計后發現，不同層次的θg 增量與降水量、各層降水前θg 值等數據呈線性相關，利用逐步回歸建立模擬模型，所有模型在顯著性水平0.01 上顯著。 模型表示，田間持水量較高地區（額爾古納）20cm～50cmθg 增量與上一層土壤狀況顯著相關，田間持水量較低地區（鄂溫克）除10cm～20cmθg 增量與降水量無明顯顯著相關外，其它層次均有相關關系。

3 討論

土壤水分變化對降水的響應是一個非常復雜的過程，不僅受降水量大小的主導，而且還受干旱長短、植被類型和土壤質地影響[12]。 本研究中，草甸草原降水滲透與土壤田間持水量顯著相關，田間持水量較高，對降水敏感度低。相同量級降水對田間持水量較低地區的土壤深層影響更大。 除地表外（0～10cm），其它層土壤θg 值受上一層影響較大。 農業氣象學中“透雨”，通常指下的雨與地下水分連在一起，中間沒有干土層[13]。 θg 對降水量的響應反映了降水深入深度隨著降水量與降水前土壤θg 的增大而加深，但由于降水前土壤θg 值較小，致使降水量雖大，但深度并不大，這與前人研究一致[14]。