扎鲁特旗山地草地土壤含水量动态与气候因子的关系

张桂珍，高 凯，张丽娟

（1．内蒙古民族大学，内蒙古 通辽028000；2．通辽市扎鲁特旗气象局，内蒙古 通辽029123）

气候因子的复杂性和多变性已经被众多研究学者所认可，其通过时间序列和空间序列对生态［1］、农牧业生产［2］、社会经济［3］和可持续发展产生着区域性、关联性、周期性和不确定性的影响。同时气候变化对生态、农业生产、社会经济和可持续发展的影响也是当前的研究热点问题［4］。研究内容丰富，如：在气候变化情况下学者们对气温和降水量动态变化的研究［5］、暖干化趋势对土地荒漠化的影响［6］、气候变化对草原退化的影响［7］、气候变化对植物物候期的影响［8］、气候变化对农业生产的影响［9］、气候变化对环境承载力［10］的影响等方面研究。

草地作为陆地的主要生态系统是生态环境的基础，也是畜牧业发展的重要基础和牧民赖以生存的基本生产资料。但是草原的退化也是一个不争的事实，其退化原因学者们主要归结为气候变暖、超载过牧、不合理的人为因素干扰，促使天然草地面积减少、草地承载力下降、草原基况变差、草地沙化、盐碱化等［11］。其中气候变暖并不是狭义上的气温升高，而是气温、降水量、日照时数、蒸散量、相对湿度等的气候因素的综合作用。在这种情况下，学者们为了探讨气候因子变化对草地可持续利用的影响，分别从时间序列和空间序列上对气候因子变化情况下草地 的生 产 力［12－13］、草 地 间 群 植 物 物 候 期［14－15］、草 地环 境的 承 载 能 力、草 地 退 化［16－17］、植 被 盖 度［18－19］等方面进行了大量研究，探讨了气候变化对草原生产力、植被物候期、环境承载能力等的区域性、关联性、周期性的影响规律，而关于草地土壤含水量与气候因子动态变化之间的研究却相对较少。

草地土壤含水量作为草地土壤的主要性质，是草地植物的主要水分来源，其对草地植物种类、生物量、盖度、密度、高度、频度等具有重要影响，是决定草地类型的主要因素之一。土壤水分状况也是由气候因素、地形因素、土壤因素等共同决定的。其中地形因素和土壤因素基本是稳定的，其中只有气候因素是动态变化，因此气候因素对土壤水分具有重要影响。有研究表明，气候因子中降水量是山地土壤水分的主要来源，蒸散是土壤水分消耗的主要方式，此外相对湿度、风速等因素对山地土壤水分也具有一定影响［20］。同时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［21］，但都是通过短期观测数据来揭示土壤水分的动态变化，利用长期气象数据和土壤含水量数据来探讨气候因子变化对土壤含水量变化规律的影响还很少。在此基础上，本文利用内蒙古通辽市扎鲁特旗巴雅尔吐气象观测站1983－2012年4－10月（草地植物生长季）的土壤含水量数据，分析该地区土壤含水量各时段、各土层变化特征，探讨气候因素动态变化对土壤含水量的影响规律，以期揭示土壤水分与气候因子的内在关系，实现土壤水分资源的充分开发利用，为调整畜牧放牧方式及草地资源保护等方面提供科学依据。

1 材料与方法

1．1 自然概况

研究区位于巴雅尔吐胡硕镇，该地区属于大兴安岭余脉中段褶皱带和蒙古高原向松辽平原过渡地带，120°00′－120°30′E，44°46′－45°13′N，地势山丘起伏连绵，海拔628．3 m。年平均气温3．6 ℃，气温极端最高40．7℃，最低－33．0℃，年降水量411．2 mm，年日照时数3 028．5 h，年大风日数43 d，无霜期155 d 左右。草本植物以针茅（Stipa capill ata）、野古草（Ar undinell a anomal a）、羊草（Leymus chinensis）、冰草（Agropyron cristatu m）、委陵菜（Potentill a aiscolor）等，覆盖率为60%～90%。

1．2 项目与方法

1．2．1 土壤含水量测定及计算 土壤含水量的测定资料来源于巴雅尔牧业气象站1983－2012年，测定方法是在天然牧草固定观测地段，从4月8日开始水分测定，测定时间间隔为10 d，最后一次为10月28日，共测定7个月。采用土钻法分层取样，取样深度为50 c m，各层分别为0－10、10－20、20－30、30－40、40－50 c m，共5个层次，每层重复取样4次，然后用烘干法（105 ℃）烘干称重，取其平均值为该层的土壤水分含量。气候因子、土壤含水量等相关指标年、月变化均采用均值。

1．2．2 气象数据收集 气象资料来源于内蒙古扎鲁特旗巴雅尔吐胡硕气象观测站，资料数据取1983－2012年，气象因子包括逐月平均气温、降水量、相对湿度、日照时数等。该气象数据观测方法按照中国气象局地面气象观测规范要求进行各气象要素的观测。

式中，R是年降水量（mm），L为年最大蒸散量（mm），L 是温度T的函数，L＝300＋25T＋0．05T3中，T为年平均气温（0．1 ℃）。

2 结果与分析

2．1 土壤含水量月变化

通过对1983－2012年土壤含水量动态变化折线图（图1）可以看出，30 年间的土壤各层（0－10、10－20、20－30、30－40、40－50和0－50 c m）水分含量变化波动曲线极其相似，大致呈“升－降－升－降”的脉冲变化趋势，各层土壤含水量在同一时间点上其大小关系没有规律可循；30年间土壤含水量总体呈现逐渐下降的变化趋势，可以粗略的将其划分为3个阶段：第1阶段为1983－1987年，该阶段土壤含水量在15%～30%之间波动，属于土壤含水量的较高阶段；第2阶段为1988年－1999年，该阶段土壤含水量在5%～15%范围内波动，属于土壤含水量高（15%～30%）向低（5%～10%）过渡阶段；第3阶段是2000 年－2012年，该阶段土壤含水量在2%～10%范围内波动，属于土壤含水量较低阶段；通过1983－2012年土壤含水量的动态变化可以粗略的总结出土壤含水量随着时间的推移呈现逐渐降低的变化趋势，也就是说在未来的10年、20年或者更长时间内，土壤含水量可能还会呈现逐渐降低的变化趋势；1983－2012年土壤含水量的变化拐点分别为1987／1988年和1999／2000年。

土壤含水量最高值出现在1987年，最低值出现在2007 年；1985－1989 年土壤含水量变幅较大，1983－1985年和1989－2012年土壤含水量变幅较小，其中1989－2012年土壤含水量呈现平缓降低的变化趋势；表层0－10 c m 土壤含水量波动较其他各层土壤剧烈。

2．2 土壤含水量年际变化与气候因子相关性分析

土壤年均含水量变化和气候因子相关性分析（表1）可以看出，各层0－10、10－20、20－30、30－40和0－50 c m 土壤含水量与日照时数之间呈极显著负相关关系（P＜0．01），与40－50 c m 土壤含水量呈负相关关系但差异不显著（P＞0．05），相关系数随着土层的加深逐渐降低；各层土壤含水量与降水量之间均呈极显著正相关关系，相关系数随着土层的加深逐渐减少；各层土壤含水量与温度之间均呈负相关关系，但均不显著；各层土壤含水量与相对湿度之间均呈正相关关系，其中0－10、10－20、20－30和0－50 c m 与相对湿度之间呈极显著相关，30－40和40－50 c m 与相对湿度呈显著相关（P＜0．05）。相关系数随土层的加深逐渐降低；各层土壤含水量与蒸散量之间相关性均达到极显著，相关系数随土层的加深呈先增加后降低的变化趋势。

2．3 土壤含水量月变化与气候因子相关性分析

土壤含水量月变化与气候因子之间相关性分析（表2）可知，各层土壤含水量与月均温之间呈极显著负相关关系（P＜0．01）；与月均相对湿度之间呈极显著正相关关系；0－10、10－20 c m 土层含水量与降水量之间呈显著正相关关系（P＜0．05），20－30、30－40、40－50和0－50 c m 土层含水量与降水量之间呈极显著正相关关系；日照时数与土壤含水量月变化之间呈负相关关系，其中在20－30和30－40 c m 土层差异不显著（P＞0．05），其他各层均显著；除0－10 c m 外，其他各层蒸散量与各层土壤含水量均呈显著正相关关系。

图1 1983－2012年土壤含水量变化曲线Fig．1 Soil moisture change cure during 1983 to 2012

表1 土壤年均含水量变化与气候因子相关性分析Table 1 Annual soil water content and interannual cli mate factor correlation analysis

表2 土壤含水量月变化与月气候因子相关性分析Table 2 Month average water content on soil changes and cli mate factor correlation analysis

3 讨论与结论

气候因素、地形因素和土壤因素是影响土壤含水量的主要因素，其中地形因素和土壤因素具有相对的稳定性，短期内对土壤含水量变化的影响较小，而气象因素本身是多变的，具有一定的时空特性，是影响土壤水分的主要因素［24］，也是当前学者们研究的热点问题。本研究通过对内蒙古通辽市扎鲁特旗巴雅尔牧业气象站1983－2012年，天然山地草地不同土层土壤含水量的观测研究表明，不同土层深度土壤含水量在30年间变化趋势基本一致，其中表层土壤含水量变化幅度要高于下层。不同土层含水量动态变化幅度差异性可能主要由于表层土壤含水量对降水、温度、蒸散量等气候因素的响应更为敏感，下层相对比较平缓。有学者在对祁连山土壤含水量的研究过程中，也得出类似结论，并认为产生这一结果的主要原因可能是由于土壤温度变化引起不同土层之间含水量的不同变化规律，因为土壤表层每天的、不同季节的温度变化较大，这种较大的变化将对土壤水分的保持和转换有明显的影响，尤其是干旱半干旱地区［20］。气候因子作为影响土壤含水量的主要因素，不同的气候因素对土壤含水量的影响各有异同。如，降水量的时空分配对土壤水分动态的变化具有重要影响，但这种影响受到降水量、降水强度和降水时间的影响［24］；蒸散量是土壤水分散失的主要方式，而水分散失的多少与植被盖度、温度、日照时数等有密切关系，同时蒸散量也是土壤水分减少的主要方式［25］；本研究通过对多年气候因子和各层土壤含水量相关性分析表明：土壤含水量与温度和日照时数呈负相关，与降水量、相对湿度、蒸散量呈正相关，其结论与前人研究一致［26－28］。

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