青海湖北岸天然草地土壤濕度變化規律及土壤干旱特征分析

高貴生，馬扶林，王 明，孫豐海

(1.海北牧業氣象試驗站，青海 西海 810200；2.海晏縣氣象局，青海 三角城 812200)

1 前言

土壤水分是土壤成分之一，是土壤系統養分循環和流動的載體，它不但直接影響土壤的特性和植物的生長，同時又是水分平衡組成項，是植物需水的直接來源，對植物的生理活動有重大影響。環湖北岸土壤缺水較重時容易出現草原干旱，影響天然牧草的返青和后期的生長發育。多年來，許多學者對不同地區土壤水分動態分布規律進行了深入的研究和探討[1～6]，對青海高原天然草地土壤水分動態變化的研究也取得了一些有意義的研究成果[7～9]，但針對環湖北岸天然草地土壤水分動態變化的研究相對較少[10，11]。 環湖北岸是青海省重要的畜牧業生產基地，由于降水較少，土壤供水不足，草場干旱時有發生，嚴重制約牧草的生長發育和產量形成，導致牧草產量偏低。

2 研究地點和資料來源

研究地點位于青海湖北岸、海晏縣西部的天然牧草觀測場，隸屬于青海省海北牧業氣象試驗站(36°57′N，100°51′E，海拔3 140 m)，屬典型的高原大陸性氣候，干旱少雨，光照時間長，太陽輻射強，氣候溫涼。下墊面為高寒草原草地。氣象資料來源于海晏縣氣象局同期觀測資料，大氣觀測場距牧草觀測場11 km，周圍地勢平坦，氣候差異不明顯。土壤水分資料每月 8、18、28 日采用烘干稱重法測定，測定深度分別為0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 和40～50 cm。牧草產量按照農業氣象觀測規范牧草返青至黃枯期每月末測定一次。

3 天然草地土壤水分動態變化規律及其缺水時段分析

通過對研究地點近21 a來土壤水分監測數據分析，春季由于降水量較少，大氣降水無法彌補土壤蒸發所造成的水分散失，土壤解凍后表層0～10 cm水分散失嚴重，土壤重量含水率全年最低，一直持續到6月中旬，6月下旬開始隨著降水增多，土壤表層水分略有增加，但增幅不明顯。7～8月土壤重量含水率起伏明顯，特別是7月下旬到8月上旬波動起伏最大。9月上旬由于牧草蒸騰和土壤蒸發的減少，表層土壤水分上升明顯，到9月下旬達到全年最高值。10月上旬到土壤封凍前隨著降水量的減少土壤重量含水率略有下降(圖1)。

圖1 青海湖北岸0～50 cm逐旬平均土壤重量含水率

3.1 降水在時間上的分布狀況對土壤干旱的影響

從不同年份年降水量的多少和不同土壤深度(0～30cm)歷年平均土壤重量含水率變化綜合分析，牧草生長季降水總量并不是造成土壤干旱的決定性因素，土壤重量含水率的高低取決于降水量的多少和時間分布上的均勻程度(圖2)。2000年年降水量較歷年平均偏少41%，土壤重量含水率卻處于較高水平，2014年年降水量較歷年平均偏多15%，由于5月上旬至6月中旬降水異常偏少，期間發生較為嚴重的土壤干旱。年降水偏少且土壤干旱較為嚴重的年份僅出現在2003年和2016年，其中2003年年降水量較歷年平均偏少10%，土壤重量含水率全年整體偏低。2016年年降水量較歷年平均偏少4%，但由于降水分布不均，6月上旬至7月上旬出現持續時間最長且最為嚴重的土壤干旱，特別是7月8日土壤水分監測數據根據青海省DB-63/T372-2011土壤相對濕度干旱等級劃分標準，達到重度干旱，也是近21 a出現的唯一一次重度土壤干旱，牧草生長發育受到明顯影響，造成部分禾本科牧草未能正常開花結實。

3.2 春季不同深度土壤水分變化規律分析

利用海北牧試站近21 a土壤10 cm解凍至5月下旬共126個土壤濕度測定樣本，根據青海省DB-63/T372-2011土壤相對濕度干旱等級劃分標準，對環湖北岸春季草原干旱等級出現的概率統計分析表明：青海湖北岸春季干旱主要以輕旱為主，0～10 cm土壤深度出現輕度土壤干旱的概率為36.5%；其次為中度干旱，出現中度土壤干旱的概率為13.5%，尚未發生過重度干旱。0～10 cm土壤深度發生輕度及以上干旱發生的機率為50.0%，即海北州春季一半的時間出現土壤水分不足的現象。土壤干旱主要發生在0～10 cm土壤深度。由于環湖北岸地下水位較低，土壤儲水主要取決于大氣降水，當淺層土壤缺水嚴重時，通過牧草的蒸騰拉力自下而上由較深層土壤向上輸送，而更深層土壤由于地下水位較低無法得到有效的水分補充，導致土壤重量含水率下降，30～40 cm深度土壤干旱出現頻率較高，輕度干旱發生概率為25.7%，但尚未出現過中度及以上土壤干旱。輕度土壤干旱出現概率僅次于0～10 cm土壤深度。結合土壤水分含量統計得出海北州春季不同土壤深度干旱發生頻率及干旱程度(圖3)。

圖2 青海湖北岸年降水量和0～50 cm年平均土壤重量含水率

圖3 青海湖北岸春季不同深度土壤干旱發生頻率

3.3 夏季不同深度土壤水分變化規律分析

夏季是青海湖北岸土壤干旱的高發時段，由于夏季牧草正處于快速生長階段，牧草需水量增加，同時隨著氣溫升高，牧草葉面積增加，土壤蒸發和作物蒸騰加劇，出現降水天氣但降水量較小時，淺層土壤重量含水率上升明顯，深層土壤不能獲得有效的水分補充導致土壤干旱逐步向縱深發展，深層土壤干旱發生的頻率較春季明顯偏多(圖4)。30～40 cm深度土壤輕度干旱發生的概率達53.8%，較春季明顯增多，中度土壤干旱主要出現在0～10 cm深度，出現概率為12.9%，30～40 cm深度發生輕度及以上干旱的機率達55.4%，不同深度均出現土壤水分不足。

圖4 青海湖北岸夏季不同深度土壤不同等級干旱發生概率

4 氣象條件對牧草生長發育的影響

青海湖北岸天然牧草一般從 4 月中下旬開始返青，干物質即從牧草返青開始積累，并隨著植物自身生長發育節律和氣溫升高、降水量的增加而逐漸增加。

4.1 氣象條件對牧草返青的影響

氣象條件對天然牧草不同發育階段的影響存在明顯差異，天然牧草返青的早晚主要取決于春季土壤含水量的多少和氣溫的高低。青海湖北岸由于春季降水較少，牧草返青期土壤含水量的高低主要取決于上年度土壤封凍前降水量的多少，特別是9～11月降水量的多寡。近年來，牧草開始返青的4月份氣溫無明顯變化，9～11月降水量呈緩慢上升趨勢(圖5)，牧草返青期略有提前。

利用氣溫的高低及降水量的多少通過回歸分析建立的天然牧草返青期預報模式如下：

Y=18.276-0.033X1-0.297X2

(相關系數r=0.557，n=21，相關系r數通過 0.01檢驗水平的顯著性檢驗)

其中Y為返青日期；X1為上年度9～11月降水合計；X2為當年4月份平均氣溫。

(預報結果為4月份的Y值，即當Y值為16時，牧草返青日期為4月16日)

圖5 青海湖北岸歷年9～11月降水量

4.2 氣象條件對牧草產量的影響

良好的水熱搭配有利于牧草的生長發育和產量形成，但牧草生長季降水量的多少并非決定牧草產量高低的主要因素，青海湖北岸天然牧草一般在4月中旬開始返青，生育期內的生長動態呈緩慢生長→積極生長→緩慢生長，即返青初期牧草高度變化較為緩慢，隨著時間的推移生長速度加快，當達到某一階段后生長速度趨于緩慢直到停止生長。 年內天然牧草快速生長期主要出現在6～7月，該時期由于氣溫升高，降水增加，是牧草產量形成的關鍵時期，期間降水量的多少，氣溫的高低直接決定牧草產量的高低。青海湖北岸牧草產量監測從5月份開始到9月底結束，根據逐月牧草產量絕對增加量分析，牧草返青到8月份牧草產量持續增加，但增速差異明顯，牧草產量快速形成期出現在6月份，牧草產量絕對增加值達每月140.7 kg/666.7m2，7月份為 85.0 kg/666.7 m2，到8月份增速下降明顯，絕對增加量僅為9.7 kg/666.7m2，9月份牧草開始進入黃枯階段，牧草含水量降低，牧草鮮產以44.3 kg/666.7m2的速率下降(圖6)。

近年來，青海湖北岸牧草生長季降水量呈上升趨勢，同時由于氣溫增高，牧草產量呈逐年上升趨勢(圖7)。利用逐年牧草產量和氣象條件通過回歸分析建立的牧草黃枯期產量預報模式如下。

圖6 歷年逐月平均牧草產量

圖7 青海湖北岸牧草生長季降水量和黃枯期牧草產量

Y=-635.118+2.741X1+40.077 X2

(相關系數r=0.563，n=21，相關系r數通過 0.01檢驗水平的顯著性檢驗)

Y為黃枯期牧草產量、X1為6～7月降水量合計、X2為7月平均氣溫。

5 降水對不同深度土壤相對濕度的影響

隨著春季地溫升高，土壤逐層解凍，表層解凍較早，土壤水分散失較大，同時由于降水量偏少，淺層土壤含水量明顯低于深層。深層土壤水分以固態形式保存在土壤中，難以向表層土壤轉移，深層土壤含水率明顯高于表層，隨著地溫升高，土壤解凍深度加深，深層土壤水分由土壤含水率高值區向低值區不斷轉移輸送，隨著時間的推移，深層土壤水分逐步下降，到夏末秋初由于土壤蒸發和植物蒸騰減弱，土壤水分開始逐步回升，一直持續到土壤封凍期，秋末到土壤封凍期是環湖北岸土壤相對濕度最高的時期。

青海湖北岸土壤10 cm解凍一般出現在4月中旬，凍結出現在10月中旬，因此，分別統計了4～10月土壤濕度測定間隔日期間的降水量及旬平均氣溫與土壤相對濕度資料，分析青海湖北岸不同時段不同深度降水量及旬平均氣溫與相對濕度之間的相互關系。通過分析發現不同土壤深度土壤相對濕度與旬降水量和旬平均氣溫的高低回歸分析系數及相關性檢驗擬合效果良好(見表1)。

根據建立的土壤水分預測模式對2018年土壤水分起伏較大的6～8月土壤相對濕度預測結果與實際監測數據對比分析表明，當降水量與歷年同期相比偏少幅度較大且前期土壤濕度較小時，土壤水分散失減緩，預測值較實際監測偏小；在土壤相對濕度較高甚至接近或超過飽和狀態且其后10d內降水量較歷年同期明顯偏多時，土壤毛管懸著水接近或甚至超過上限，土壤水分由于重力作用向深層滲透，土壤水分無法長時間維持在飽和狀態下，導致后期預測值較實測值明顯偏高(見表2)。

表1 氣象因子與不同深度土壤相對濕度關系表

Y為土壤相對濕度；X1為旬平均氣溫； X2為旬降水量，n=378，相關系R數均通過 0.01檢驗水平的顯著性檢驗。

表2 不同深度土壤相對濕度預測檢驗表

續表：

6 討論與結論

通過以上分析，青海湖北岸天然草地土壤水分變化及氣象條件對牧草生長發育的影響主要表現在以下幾個方面：

(1)環湖北岸春季干旱發生概率較大，以輕度土壤干旱為主，中度土壤干旱只出現在0～10cm深度；夏季土壤干旱發生概率最大，土壤干旱向縱深發展，不同深度均可能出現中度土壤干旱；秋季是一年當中土壤墑情最好的時期，干旱發生的概率很小。

(2)根據建立的土壤水分預測模型預測后期土壤水分時，當前期土壤相對濕度接近或達到飽和狀態時，后期土壤水分預測值明顯偏高，容易出現預測偏濕的情況發生，當土壤缺水較重時，土壤水分散失減緩，導致后期土壤相對濕度預測值偏低。

(3)降水量的多寡直接決定牧草返青的早晚和產量的高低。

(4)6～7月是牧草產量快速形成期，期間氣象條件對牧草黃枯期產量影響明顯。

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

(6)由于土壤的物理性質導致土壤水分變化規律并非單純的線性關系，造成土壤水分預測模型與實際監測結果存在差異，需要進一步深入研究，提高預測精度。