锡林郭勒典型草原土壤水分对降水过程的响应

　　提 要: 基于锡林浩特国家气候观象台小时降水与土壤水分数据，分析 0 - 50cm 各层土壤水分对降水的响应过程，确定土壤水分响应的降水阈值与响应概率，构建降水量与土壤相对湿度增量函数模型。结果表明:研究区 < 5mm 降水事件是降水脉动的主体，0 - 50cm 各层土壤水分响应的降水阈值分别为 5. 0、9. 5、15. 9、27. 6和 28. 6mm。小雨能引起 0 - 10cm 土壤水分响应的概率为 14. 3% ，中雨能引起 0 - 30cm 土壤水分的响应，大雨及以上级别的降水可以引起 0 - 50cm 各层土壤水分的响应。相关分析表明，降水量和 0 - 50cm 各层土壤相对湿度增量均呈现出极显著正相关关系，且均符合线性函数关系。利用 2021 年数据对模型适用性进行检验，结果显示 0 - 30cm 各层土壤相对湿度增量模型模拟效果较好。

　　关键词: 土壤水分; 降水事件; 阈值; 脉动响应; 相关分析; 典型草原

　　在干旱半干旱生态系统中，大气降水是重要的水分补给来源，也是不同时空尺度上各种生物过程的重要驱动因子[1]。干旱半干旱环境下降水事件通常以脉动形式发生[2]，降水持续时间、降水强度等特征参数具有较大的变异性，降水事件的间断性和不可预知性导致土壤水分与养分等关键资源也呈不连续的脉动状态[3]。这种由降水事件引发的资源脉动可能是干旱半干旱生态系统演替的核心驱动力[4]，对认识干旱半干旱生态系统植被格局与过程具有重要的生物学和生态学意义。在干旱半干旱区，稀少的、不连续的和不可预测的降水脉动事件是降水脉动的基本特征。

　　小降水事件是降水脉动的主体，大降水事件所占重小，对全年的贡献大，全球范围内的干旱半干旱区均具有类似的降水分布格局[5]。土壤水分作为植物生长发育的必备物质，对运输矿质养分、溶解化学物质、稳定土壤温度等起着重要作用，也是连接大气与植被的关键因子[6]。土壤水分亏缺导致干旱事件发生，使得植物光合速率下降[7 - 8]，并影响其根系形态特征和水分利用策略[9]，制约植物生长发育，影响作物与牧草最终产量[10]。

　　2. 0mm降水事件可能只会引起土壤表层微生物的活动[11]，> 3mm 的降水可能提高某些高大植物的碳同化速率[12]，而 > 25mm 的降水则可能引起多数沙漠植物萌芽[13]，降水累计到一定程度可能导致持续数周甚至数月的水分脉动，引起生态系统水平上的植被生长响应[14]。降水对生态系统的影响主要通过土壤水分的变化来实现，土壤水分的变化进一步调控生态系统的结构和功能[15]。与其他生态系统相比，干旱半干旱草原生态系统对水分的变化更为敏感[16]，对资源可利用性的瞬时波动响应更为强烈[17]。

　　内蒙古典型草原主要以草本植物为主，其根系主要集中分布在 30cm 之内，由于地下水埋藏较深，大气降水成为内蒙古典型草原草本植物生存的主要水分来源。土壤水分状况是典型草原生态系统关键因子，决定着植被演替的方向、草地生产力的丰歉以及生态系统功能的稳定。目前，利用较长时间序列大气降水研究典型草原不同深度土壤水分对独立降水脉动响应的研究不足。因此，文中基于内蒙古典型草原自动气象观测站长时间逐时降水量与 0 - 50cm 各层土壤水分数据，在完成数据匹配与独立降水事件筛选的基础上，分析典型草原土壤水分对降水脉动响应过程，确定典型草原土壤水分响应的降水阈值，构建降水量与土壤水分增量关系模型，有助于深入理解典型草原土壤水分对降水脉动的响应过程。

　　1 材料与方法

　　1. 1 研究区概况

　　研究区位于锡林浩特国家气候观象台( 43°57'N，116°07'E，海拔 1003. 8m) ，地处内蒙古锡林郭勒盟典型草原分布区的中心，是我国最有代表性的丛生禾草、根茎禾草( 针茅、羊草) 为主的温性草原。锡林浩特国家气候观象台，由原锡林浩特国家基本气象观测站和锡林郭勒盟牧业气象试验站合并组建而成。研究区年平均气温 - 0. 5℃ ～ 4. 4℃，极端最低气温 - 37. 7℃，极端最高气温 39. 4℃，年平均降水量 263. 5mm，年平均相对湿度 56. 0% ，年平均风速 3. 4m /s，稳定通过 10℃ 积温为 2469. 5℃，天数为 133. 3d，无霜期为118. 0d。植物以大针茅( Stipa grandis) 占优势，其次为羊草( Leymus chinensis) 和冰草( Agropyron cristatum)等禾草。大部分牧草 4 月中下旬返青，9 月上旬进入黄枯期，生长期约为 150d，土壤为暗栗钙土亚类中的中暗栗黄土，土层厚度达 1. 0m 以上，pH 值在 8. 2 - 8. 4。

　　1. 2 数据来源与观测方法

　　文中 2012 - 2021 年小时降水量数据与 0 - 50cm 土壤水分小时数据均来源于锡林浩特国家气候观象台。不同土层逐小时土壤含水量由 GStar - 1 DZN2 土壤水分自动测量仪获取，该仪器由河南省气象科学研究所与中国电子科技集团公司联合研制，利用频域反射法( FDR: Frequency Domain Reflection) 原理测定土壤体积含水量，传感器为插管式。

　　自上而下每 10cm 为一层，共 5 层，依次为 0 - 10cm、10 - 20cm、20 -30cm、30 - 40cm 和 40 - 50cm。数据采集频率每 1 小时自动存储一组数据。该仪器直接测定土壤中液态水分，故其使用范围为研究区土壤完全解冻之后( 通常为每年 4 月下旬) 至冻结之前( 通常为每年 10 月下旬) 。将当日北京时 08: 00 至次日 08: 00 > 0. 1mm 降水的时段作为一个降水日; 将 > 0. 1mm 降水开始日至降水结束日期间的一次降水过程定为一个降水事件; 在降水发生时段前后 72 小时内均无 > 5. 0mm 降水干扰，且降水发生前 0 - 50cm 各层土壤水分相对稳定的一次降水过程，确定为一个典型独立降水事件。依据降水量等级划分标准[18]，将研究区降水级别划分为小雨、中雨、大雨、暴雨。

　　2 结果与分析

　　2. 1 降水时间分布特征

　　2012 - 2020 年研究区共观测到降水事件 480 次，总降水量为 2879. 2mm。其中，单日降水量最大值出现在 2020 年 7 月 9 日，为 67. 2mm。将日降水量划分为 0. 1 ～ 1. 9、2. 0 ～ 4. 9、5. 0 ～ 9. 9、10. 0 ～ 19. 9mm 和大于 20. 0mm 五个等级，分析不同等级日降水的分布特点。通过 9 年逐日降水资料分析表明，典型草原主要以无降水天气为主，无降水日数占到总日数的 75. 4% ; 降水天气主要以小降水事件( < 5. 0mm 降水) 为主，占总降水事件的 86. 7% ; 大降水事件( > 10. 0mm) 发生频率低，占总降水事件的 4. 3% ，对总降水量的贡献大，占总降水量的 49. 7% 。 > 20. 0mm 降水等级的降水总量最大，降水日数和降水事件发生频率均最小，而 0. 1 ～ 1. 9mm 降水等级的降水总量最小，降水日数和降水事件发生频率均为最大 ，故研究区降水属于典型的干旱半干旱区降水脉动事件。

　　2. 2 土壤水分对降水脉动响应

　　2. 2. 1 土壤水分响应的降水阈值

　　对 2012 - 2020 年研究区小时降水量与 0 - 50cm 各层土壤水分进行统计分析，发现研究区 < 5mm 降水事件是降水脉动的主体，> 10mm 降水事件相对较少，稀少且不连续的大降水事件是典型草原生态系统得以维系的重要保障。小降水事件只能导致表层较浅的水分入渗，大降水事件可以导致较深土壤层水分的脉动响应，典型草原植被根系主要分布在0 - 30cm，大降水事件通常可以达到30cm，越往土壤深层，土壤水分响应滞后的时间越长( 图 2) 。通过对 9年典型独立降水事件统计，共筛选出76 次 典 型 独 立 降 水 事 件。分 析 表明，0 - 10cm、10 - 20cm、20 - 30cm、30 - 40cm 与 40 - 50cm 土壤水分响应的降水阈值分别为 5. 0、9. 5、15. 9、27. 6 和 28. 6mm。

　　2. 2. 2 独立降水事件

　　引起土壤水分响应的概率2012 - 2020 年间，典型草原独立降水事件统计分析得出，< 5. 0mm 的小雨级别降水过程不能引起表层土壤水分的强烈响应，与降水发生时段、强度及植被盖度等其他影响因子没有关系，中雨级别降水过程只能引起 0 - 30cm 各层土壤水分响应，只有大雨及以上级别降水过程可以对 0 - 50cm 各层土壤水分均产生一定影响。随着降水量增加，各层土壤水分响应程度均呈增加态势，中雨以上级别的降水对土壤水分的影响程度与降水强度、土壤水分初始值、植被盖度及土壤理化性质有关。

　　独立降水事件能引起 0 - 50cm土壤水分响应的概率统计分析表明，小雨级别的独立降水事件能引起 0 -10cm 土壤水分响应的概率为14. 3% ，中雨级别的独立降水事件可以引起0 - 30cm 各层土壤水分响应的概率分别为 92. 8% 、32. 5% 和6. 3% ，大雨级别的独立降水事件可以引起 0 - 50cm 各层土壤水分响应的概率分别为 100% 、68. 2% 、37. 3% 、27. 7% 和 13.6% ，暴雨级别的独立降水事件可以引起 0 - 50cm 各层土壤水分响应的概率分别为 100% 、100% 、100% 、75. 0% 和75. 0% 。随着土壤深度增加，土壤水分对不同等级的降水响应的概率均呈现出一致的递减规律。

　　2. 3 降水量与土壤相对湿度增量关系Pearson 相关分析表明，降水量和 0 - 50cm 各层土壤相对湿度增量均呈极显著正相关关系，各层相关系数从大到小依次为 40 - 50cm、30 - 40cm、20 - 30cm、0 - 10cm 和 10 - 20cm，相关系数分别为 0. 919、0. 912、0. 856、0. 834 和 0. 733( 表 3) 。统计分析表明，降水量与 0 - 50cm 各层土壤相对湿度增量均符合线性函数关。

　　2. 4 模型适用性检验利用2021 年锡林浩特自动土壤水分观测站小时降水量与 0 - 50cm 土壤相对湿度数据，筛选出研究区典型独立降水事件 12 次，用于模型适用性检验 。检验结果表明，0 - 30cm 各层模型模拟效果较好，线性回归决定系数 R2 分别为 0. 8893、0. 8948 和 0. 9367。文中基于自然降水过程开展分析，所得的数据明显不及控制实验更利于分析，特别是 30cm 及以下土壤水分相对比较稳定，受冬季降雪和春季土壤解冻影响较大，加之典型草原区大雨以上级别的独立降水事件相对较少，还存在部分降水过程相互叠加及土壤水分入渗相互干扰，2021 年研究区能引起 30 - 40cm 土壤水分响应的独立大降水事件较少，即样本量太少，故未对 30 - 40cm 进行模型检验。

　　3 讨论

　　内蒙古典型草原具有独特的区位优势，是欧亚大陆草原区亚洲东部草原亚区保存比较完整的原生草原部分，是地表特征边界层结构与全球变化响应重点观测区。然而，近年来受干旱事件与过度放牧的叠加影响，典型草原生态系统结构和功能退化严重，如何准确预测极端干旱气候事件对草原生态系统的影响依赖于对水分循环调控机理的深入解析。土壤水分作为大气降水、地表水、土壤水和地下水相互转化的一个重要环节[19]，是研究草原生态系统稳定性的关键参数。

　　文中通过分析研究区降水特征及对土壤水分的影响，确定不同深度土壤水分响应的降水阈值，构建降水量与土壤水分增量函数模型，有助于深入理解土壤水分对降水脉动响应过程。与中国北方大部地区降水分布一致，研究区以无降水天气为主，降水又以小降水事件为主体，大降水事件降水量大、发生频次低、对总降水量贡献大，全球范围内干旱半干旱区都有着类似的降水格局[3，6，20 - 22]。文中研究结果表明，典型草原 0 - 50cm 各层土壤水分响应的降水阈值分别为5. 0、9. 5、15. 9、27. 6 和 28. 6mm。

　　已有研究表明，< 5mm 降水对锡林郭勒典型草原禁牧和放牧区土壤水分均不起作用[23]，对毛乌素沙地深层土壤水分响应不明显，> 10mm 降水能对近地表水分循环起到作用[24]，< 30mm 降水不能引起黄土丘陵沟壑区 40cm 以下土壤水分响应[25]。通过近 9 年小时自然降水统计分析发现，小雨能引起 0 - 10cm 土壤水分响应的概率为 14. 3% ，中雨能引起 0 - 30cm 土壤水分的响应，大雨及以上级别的降水可以引起 0 - 50cm 各层土壤水分响应。即使是相同级别的降水对 0 - 50cm 土壤水分的影响也会存在差异，因为会受到降水发生时间、地表温度、初始土壤水分含量、植被覆盖度等诸多因子的干扰。黄土高原坡耕地土壤水分模拟试验表明，小雨可以入渗到 10cm，与典型草原结论一致，中雨可以入渗到 40cm，与典型草原结论接近[26]。

　　降水量和 0 - 50cm 各层土壤水分增量均呈现出极显著相关关系，构建降水量与0 - 50cm 各层土壤水分增量线性函数模型，并利用2021 年数据完成模型适用性检验。检验结果显示，0 - 30cm 各层土壤相对湿度增量模型模拟效果较好。由于研究是基于自然降水过程进行分析，获取的数据不及控制实验更利于分析，虽然获取的数据量大、且真实，但典型独立降水事件相对较少。研究区30cm 及以下土壤水分相对比较稳定，用于检验的 2021 年土壤水分数据，受冬季降雪、春季融雪与土壤解冻影响较大，加之典型草原区大雨以上级别能影响到 30cm 及以下土壤水分的独立降水事件较少，受样本量不足影响，30 - 40cm 未做适用性检验。下一步结合自然降水过程，同步开展土壤水分的控制性试验，有望解决自然降水不能获取的关键性降水过程参数。

　　4 结论

　　( 1) 研究区 < 5mm 降水事件是降水脉动的主体，0 - 50cm 各层土壤水分响应的降水阈值分别为 5. 0、9. 5、15. 9、27. 6 和 28. 6mm。( 2) 小雨级别的独立降水事件能引起 0 - 10cm 土壤水分响应的概率为 14. 3% ，中雨级别的独立降水事件可以引起 0 - 30cm 各层土壤水分响应的概率分别为 92. 8% 、32. 5% 和 6. 3% ，大雨及以上级别的独立降水事件可以引起 0 - 50cm 各层土壤水分响应。( 3) 相关分析表明，降水量和 0 - 50cm 各层土壤相对湿度增量均呈现出极显著相关关系，相关系数从大到小依次为 40 - 50cm、30 - 40cm、20 - 30cm、0 - 10cm 和 10 - 20cm，相关系数分别为 0. 919、0. 912、0. 856、0. 834 和 0. 733。降水量与 0 - 50cm 各层土壤相对湿度增量均符合线性函数关系。检验结果表明，0 - 30cm 各层土壤相对湿度增量模型模拟效果较好，线性回归决定系数 R2 分别为 0. 8893、0. 8948 和0. 9367。

　　参考文献

　　[1]EHLERINGER J R，SCHWINNING S，GEBAUER R. Water use in arid land ecosystems[M]. PRESS M C，SCHOLES J D，BARKER M G，eds.Physiological Plant Ecology. Boston: Black Well Science，2000: 347 - 365.

　　[2]马育军，李小雁. 青海湖流域典型生态系统土壤水分对降水脉动的响应[J]. 北京师范大学学报( 自然科学版) ，2016，52( 3) : 356 - 361.

　　[3]MOHAMMAD J B，HOWARD G. Competition for pulsed resources: An experimental study of establishment and coexistence for an arid - land grass[J]. Oecologia，2006，148( 4) : 555 - 563.

　　[4]NOY - MEIR I. Desert ecosystems: Environment and producers[J]. Annual Review of Ecology and Systematics，1973，4( 1) : 25 - 51.

　　[5]刘冰，赵文志，常学向，等. 黑河流域荒漠区土壤水分对降水脉动响应[J]. 中国沙漠，2011，31( 3) : 716 - 722.

　　[6]柴雯，王根绪，李元寿，等. 长江源区不同植被覆盖下土壤水分对降水的响应[J]. 冰川冻土，2008，30( 2) : 329 - 337.

　　[7]PASCUAL I，AZCONA I，MORALES F，et al. Photosynthetic response of pepper plants to wilt induced by Verticillium adhliae and soil water deficit[J]. Journal of Plant Physiology，2010，167( 9) : 701 - 708.

　　[8]张淑勇，夏江宝，张光灿，等. 黄河三角洲贝壳堤岛叶底珠叶片光合作用对 CO2 浓度及土壤水分的响应[J]. 生态学报，2014，34( 8) : 1937- 1945.

　　[9]单立山，李毅，段雅楠，等. 红砂幼苗根系形态特征和水分利用效率对土壤水分变化的响应[J]. 西北植物学报，2014，34( 6) : 1198 - 1205[10]HU J C，CAO W X，ZHANG J B，et al. Quantifying responses of winter wheat physiological processes to soil water stress for use in growthsimulation modeling[J]. Pedosphere，2004，14( 4) : 509.

　　选自期刊《干旱区资源与环境》第 36 卷 第 8 期

　　作者信息：张存厚1，杨丽萍1，越昆1，刘朋涛1，张德龙2( 1. 内蒙古自治区气象局生态与农业气象中心，呼和浩特 010051; 2. 内蒙古自治区气象局气象信息中心，呼和浩特 010051)