提 要: 基于錫林浩特國家氣候觀象臺小時降水與土壤水分數(shù)據(jù)，分析 0 - 50cm 各層土壤水分對降水的響應過程，確定土壤水分響應的降水閾值與響應概率，構建降水量與土壤相對濕度增量函數(shù)模型。結果表明:研究區(qū) < 5mm 降水事件是降水脈動的主體，0 - 50cm 各層土壤水分響應的降水閾值分別為 5. 0、9. 5、15. 9、27. 6和 28. 6mm。小雨能引起 0 - 10cm 土壤水分響應的概率為 14. 3% ，中雨能引起 0 - 30cm 土壤水分的響應，大雨及以上級別的降水可以引起 0 - 50cm 各層土壤水分的響應。相關分析表明，降水量和 0 - 50cm 各層土壤相對濕度增量均呈現(xiàn)出極顯著正相關關系，且均符合線性函數(shù)關系。利用 2021 年數(shù)據(jù)對模型適用性進行檢驗，結果顯示 0 - 30cm 各層土壤相對濕度增量模型模擬效果較好。

　　關鍵詞: 土壤水分; 降水事件; 閾值; 脈動響應; 相關分析; 典型草原

　　在干旱半干旱生態(tài)系統(tǒng)中，大氣降水是重要的水分補給來源，也是不同時空尺度上各種生物過程的重要驅動因子[1]。干旱半干旱環(huán)境下降水事件通常以脈動形式發(fā)生[2]，降水持續(xù)時間、降水強度等特征參數(shù)具有較大的變異性，降水事件的間斷性和不可預知性導致土壤水分與養(yǎng)分等關鍵資源也呈不連續(xù)的脈動狀態(tài)[3]。這種由降水事件引發(fā)的資源脈動可能是干旱半干旱生態(tài)系統(tǒng)演替的核心驅動力[4]，對認識干旱半干旱生態(tài)系統(tǒng)植被格局與過程具有重要的生物學和生態(tài)學意義。在干旱半干旱區(qū)，稀少的、不連續(xù)的和不可預測的降水脈動事件是降水脈動的基本特征。

　　小降水事件是降水脈動的主體，大降水事件所占重小，對全年的貢獻大，全球范圍內的干旱半干旱區(qū)均具有類似的降水分布格局[5]。土壤水分作為植物生長發(fā)育的必備物質，對運輸?shù)V質養(yǎng)分、溶解化學物質、穩(wěn)定土壤溫度等起著重要作用，也是連接大氣與植被的關鍵因子[6]。土壤水分虧缺導致干旱事件發(fā)生，使得植物光合速率下降[7 - 8]，并影響其根系形態(tài)特征和水分利用策略[9]，制約植物生長發(fā)育，影響作物與牧草最終產(chǎn)量[10]。

　　2. 0mm降水事件可能只會引起土壤表層微生物的活動[11]，> 3mm 的降水可能提高某些高大植物的碳同化速率[12]，而 > 25mm 的降水則可能引起多數(shù)沙漠植物萌芽[13]，降水累計到一定程度可能導致持續(xù)數(shù)周甚至數(shù)月的水分脈動，引起生態(tài)系統(tǒng)水平上的植被生長響應[14]。降水對生態(tài)系統(tǒng)的影響主要通過土壤水分的變化來實現(xiàn)，土壤水分的變化進一步調控生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能[15]。與其他生態(tài)系統(tǒng)相比，干旱半干旱草原生態(tài)系統(tǒng)對水分的變化更為敏感[16]，對資源可利用性的瞬時波動響應更為強烈[17]。

　　內蒙古典型草原主要以草本植物為主，其根系主要集中分布在 30cm 之內，由于地下水埋藏較深，大氣降水成為內蒙古典型草原草本植物生存的主要水分來源。土壤水分狀況是典型草原生態(tài)系統(tǒng)關鍵因子，決定著植被演替的方向、草地生產(chǎn)力的豐歉以及生態(tài)系統(tǒng)功能的穩(wěn)定。目前，利用較長時間序列大氣降水研究典型草原不同深度土壤水分對獨立降水脈動響應的研究不足。因此，文中基于內蒙古典型草原自動氣象觀測站長時間逐時降水量與 0 - 50cm 各層土壤水分數(shù)據(jù)，在完成數(shù)據(jù)匹配與獨立降水事件篩選的基礎上，分析典型草原土壤水分對降水脈動響應過程，確定典型草原土壤水分響應的降水閾值，構建降水量與土壤水分增量關系模型，有助于深入理解典型草原土壤水分對降水脈動的響應過程。

　　1 材料與方法

　　1. 1 研究區(qū)概況

　　研究區(qū)位于錫林浩特國家氣候觀象臺( 43°57'N，116°07'E，海拔 1003. 8m) ，地處內蒙古錫林郭勒盟典型草原分布區(qū)的中心，是我國最有代表性的叢生禾草、根莖禾草( 針茅、羊草) 為主的溫性草原。錫林浩特國家氣候觀象臺，由原錫林浩特國家基本氣象觀測站和錫林郭勒盟牧業(yè)氣象試驗站合并組建而成。研究區(qū)年平均氣溫 - 0. 5℃ ～ 4. 4℃，極端最低氣溫 - 37. 7℃，極端最高氣溫 39. 4℃，年平均降水量 263. 5mm，年平均相對濕度 56. 0% ，年平均風速 3. 4m /s，穩(wěn)定通過 10℃ 積溫為 2469. 5℃，天數(shù)為 133. 3d，無霜期為118. 0d。植物以大針茅( Stipa grandis) 占優(yōu)勢，其次為羊草( Leymus chinensis) 和冰草( Agropyron cristatum)等禾草。大部分牧草 4 月中下旬返青，9 月上旬進入黃枯期，生長期約為 150d，土壤為暗栗鈣土亞類中的中暗栗黃土，土層厚度達 1. 0m 以上，pH 值在 8. 2 - 8. 4。

　　1. 2 數(shù)據(jù)來源與觀測方法

　　文中 2012 - 2021 年小時降水量數(shù)據(jù)與 0 - 50cm 土壤水分小時數(shù)據(jù)均來源于錫林浩特國家氣候觀象臺。不同土層逐小時土壤含水量由 GStar - 1 DZN2 土壤水分自動測量儀獲取，該儀器由河南省氣象科學研究所與中國電子科技集團公司聯(lián)合研制，利用頻域反射法( FDR: Frequency Domain Reflection) 原理測定土壤體積含水量，傳感器為插管式。

　　自上而下每 10cm 為一層，共 5 層，依次為 0 - 10cm、10 - 20cm、20 -30cm、30 - 40cm 和 40 - 50cm。數(shù)據(jù)采集頻率每 1 小時自動存儲一組數(shù)據(jù)。該儀器直接測定土壤中液態(tài)水分，故其使用范圍為研究區(qū)土壤完全解凍之后( 通常為每年 4 月下旬) 至凍結之前( 通常為每年 10 月下旬) 。將當日北京時 08: 00 至次日 08: 00 > 0. 1mm 降水的時段作為一個降水日; 將 > 0. 1mm 降水開始日至降水結束日期間的一次降水過程定為一個降水事件; 在降水發(fā)生時段前后 72 小時內均無 > 5. 0mm 降水干擾，且降水發(fā)生前 0 - 50cm 各層土壤水分相對穩(wěn)定的一次降水過程，確定為一個典型獨立降水事件。依據(jù)降水量等級劃分標準[18]，將研究區(qū)降水級別劃分為小雨、中雨、大雨、暴雨。

　　2 結果與分析

　　2. 1 降水時間分布特征

　　2012 - 2020 年研究區(qū)共觀測到降水事件 480 次，總降水量為 2879. 2mm。其中，單日降水量最大值出現(xiàn)在 2020 年 7 月 9 日，為 67. 2mm。將日降水量劃分為 0. 1 ～ 1. 9、2. 0 ～ 4. 9、5. 0 ～ 9. 9、10. 0 ～ 19. 9mm 和大于 20. 0mm 五個等級，分析不同等級日降水的分布特點。通過 9 年逐日降水資料分析表明，典型草原主要以無降水天氣為主，無降水日數(shù)占到總日數(shù)的 75. 4% ; 降水天氣主要以小降水事件( < 5. 0mm 降水) 為主，占總降水事件的 86. 7% ; 大降水事件( > 10. 0mm) 發(fā)生頻率低，占總降水事件的 4. 3% ，對總降水量的貢獻大，占總降水量的 49. 7% 。 > 20. 0mm 降水等級的降水總量最大，降水日數(shù)和降水事件發(fā)生頻率均最小，而 0. 1 ～ 1. 9mm 降水等級的降水總量最小，降水日數(shù)和降水事件發(fā)生頻率均為最大 ，故研究區(qū)降水屬于典型的干旱半干旱區(qū)降水脈動事件。

　　2. 2 土壤水分對降水脈動響應

　　2. 2. 1 土壤水分響應的降水閾值

　　對 2012 - 2020 年研究區(qū)小時降水量與 0 - 50cm 各層土壤水分進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū) < 5mm 降水事件是降水脈動的主體，> 10mm 降水事件相對較少，稀少且不連續(xù)的大降水事件是典型草原生態(tài)系統(tǒng)得以維系的重要保障。小降水事件只能導致表層較淺的水分入滲，大降水事件可以導致較深土壤層水分的脈動響應，典型草原植被根系主要分布在0 - 30cm，大降水事件通�？梢赃_到30cm，越往土壤深層，土壤水分響應滯后的時間越長( 圖 2) 。通過對 9年典型獨立降水事件統(tǒng)計，共篩選出76 次 典 型 獨 立 降 水 事 件。分 析 表明，0 - 10cm、10 - 20cm、20 - 30cm、30 - 40cm 與 40 - 50cm 土壤水分響應的降水閾值分別為 5. 0、9. 5、15. 9、27. 6 和 28. 6mm。

　　2. 2. 2 獨立降水事件

　　引起土壤水分響應的概率2012 - 2020 年間，典型草原獨立降水事件統(tǒng)計分析得出，< 5. 0mm 的小雨級別降水過程不能引起表層土壤水分的強烈響應，與降水發(fā)生時段、強度及植被蓋度等其他影響因子沒有關系，中雨級別降水過程只能引起 0 - 30cm 各層土壤水分響應，只有大雨及以上級別降水過程可以對 0 - 50cm 各層土壤水分均產(chǎn)生一定影響。隨著降水量增加，各層土壤水分響應程度均呈增加態(tài)勢，中雨以上級別的降水對土壤水分的影響程度與降水強度、土壤水分初始值、植被蓋度及土壤理化性質有關。

　　獨立降水事件能引起 0 - 50cm土壤水分響應的概率統(tǒng)計分析表明，小雨級別的獨立降水事件能引起 0 -10cm 土壤水分響應的概率為14. 3% ，中雨級別的獨立降水事件可以引起0 - 30cm 各層土壤水分響應的概率分別為 92. 8% 、32. 5% 和6. 3% ，大雨級別的獨立降水事件可以引起 0 - 50cm 各層土壤水分響應的概率分別為 100% 、68. 2% 、37. 3% 、27. 7% 和 13.6% ，暴雨級別的獨立降水事件可以引起 0 - 50cm 各層土壤水分響應的概率分別為 100% 、100% 、100% 、75. 0% 和75. 0% 。隨著土壤深度增加，土壤水分對不同等級的降水響應的概率均呈現(xiàn)出一致的遞減規(guī)律。

　　2. 3 降水量與土壤相對濕度增量關系Pearson 相關分析表明，降水量和 0 - 50cm 各層土壤相對濕度增量均呈極顯著正相關關系，各層相關系數(shù)從大到小依次為 40 - 50cm、30 - 40cm、20 - 30cm、0 - 10cm 和 10 - 20cm，相關系數(shù)分別為 0. 919、0. 912、0. 856、0. 834 和 0. 733( 表 3) 。統(tǒng)計分析表明，降水量與 0 - 50cm 各層土壤相對濕度增量均符合線性函數(shù)關。

　　2. 4 模型適用性檢驗利用2021 年錫林浩特自動土壤水分觀測站小時降水量與 0 - 50cm 土壤相對濕度數(shù)據(jù)，篩選出研究區(qū)典型獨立降水事件 12 次，用于模型適用性檢驗 。檢驗結果表明，0 - 30cm 各層模型模擬效果較好，線性回歸決定系數(shù) R2 分別為 0. 8893、0. 8948 和 0. 9367。文中基于自然降水過程開展分析，所得的數(shù)據(jù)明顯不及控制實驗更利于分析，特別是 30cm 及以下土壤水分相對比較穩(wěn)定，受冬季降雪和春季土壤解凍影響較大，加之典型草原區(qū)大雨以上級別的獨立降水事件相對較少，還存在部分降水過程相互疊加及土壤水分入滲相互干擾，2021 年研究區(qū)能引起 30 - 40cm 土壤水分響應的獨立大降水事件較少，即樣本量太少，故未對 30 - 40cm 進行模型檢驗。

　　3 討論

　　內蒙古典型草原具有獨特的區(qū)位優(yōu)勢，是歐亞大陸草原區(qū)亞洲東部草原亞區(qū)保存比較完整的原生草原部分，是地表特征邊界層結構與全球變化響應重點觀測區(qū)。然而，近年來受干旱事件與過度放牧的疊加影響，典型草原生態(tài)系統(tǒng)結構和功能退化嚴重，如何準確預測極端干旱氣候事件對草原生態(tài)系統(tǒng)的影響依賴于對水分循環(huán)調控機理的深入解析。土壤水分作為大氣降水、地表水、土壤水和地下水相互轉化的一個重要環(huán)節(jié)[19]，是研究草原生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的關鍵參數(shù)。

　　文中通過分析研究區(qū)降水特征及對土壤水分的影響，確定不同深度土壤水分響應的降水閾值，構建降水量與土壤水分增量函數(shù)模型，有助于深入理解土壤水分對降水脈動響應過程。與中國北方大部地區(qū)降水分布一致，研究區(qū)以無降水天氣為主，降水又以小降水事件為主體，大降水事件降水量大、發(fā)生頻次低、對總降水量貢獻大，全球范圍內干旱半干旱區(qū)都有著類似的降水格局[3，6，20 - 22]。文中研究結果表明，典型草原 0 - 50cm 各層土壤水分響應的降水閾值分別為5. 0、9. 5、15. 9、27. 6 和 28. 6mm。

　　已有研究表明，< 5mm 降水對錫林郭勒典型草原禁牧和放牧區(qū)土壤水分均不起作用[23]，對毛烏素沙地深層土壤水分響應不明顯，> 10mm 降水能對近地表水分循環(huán)起到作用[24]，< 30mm 降水不能引起黃土丘陵溝壑區(qū) 40cm 以下土壤水分響應[25]。通過近 9 年小時自然降水統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，小雨能引起 0 - 10cm 土壤水分響應的概率為 14. 3% ，中雨能引起 0 - 30cm 土壤水分的響應，大雨及以上級別的降水可以引起 0 - 50cm 各層土壤水分響應。即使是相同級別的降水對 0 - 50cm 土壤水分的影響也會存在差異，因為會受到降水發(fā)生時間、地表溫度、初始土壤水分含量、植被覆蓋度等諸多因子的干擾。黃土高原坡耕地土壤水分模擬試驗表明，小雨可以入滲到 10cm，與典型草原結論一致，中雨可以入滲到 40cm，與典型草原結論接近[26]。

　　降水量和 0 - 50cm 各層土壤水分增量均呈現(xiàn)出極顯著相關關系，構建降水量與0 - 50cm 各層土壤水分增量線性函數(shù)模型，并利用2021 年數(shù)據(jù)完成模型適用性檢驗。檢驗結果顯示，0 - 30cm 各層土壤相對濕度增量模型模擬效果較好。由于研究是基于自然降水過程進行分析，獲取的數(shù)據(jù)不及控制實驗更利于分析，雖然獲取的數(shù)據(jù)量大、且真實，但典型獨立降水事件相對較少。研究區(qū)30cm 及以下土壤水分相對比較穩(wěn)定，用于檢驗的 2021 年土壤水分數(shù)據(jù)，受冬季降雪、春季融雪與土壤解凍影響較大，加之典型草原區(qū)大雨以上級別能影響到 30cm 及以下土壤水分的獨立降水事件較少，受樣本量不足影響，30 - 40cm 未做適用性檢驗。下一步結合自然降水過程，同步開展土壤水分的控制性試驗，有望解決自然降水不能獲取的關鍵性降水過程參數(shù)。

　　4 結論

　　( 1) 研究區(qū) < 5mm 降水事件是降水脈動的主體，0 - 50cm 各層土壤水分響應的降水閾值分別為 5. 0、9. 5、15. 9、27. 6 和 28. 6mm。( 2) 小雨級別的獨立降水事件能引起 0 - 10cm 土壤水分響應的概率為 14. 3% ，中雨級別的獨立降水事件可以引起 0 - 30cm 各層土壤水分響應的概率分別為 92. 8% 、32. 5% 和 6. 3% ，大雨及以上級別的獨立降水事件可以引起 0 - 50cm 各層土壤水分響應。( 3) 相關分析表明，降水量和 0 - 50cm 各層土壤相對濕度增量均呈現(xiàn)出極顯著相關關系，相關系數(shù)從大到小依次為 40 - 50cm、30 - 40cm、20 - 30cm、0 - 10cm 和 10 - 20cm，相關系數(shù)分別為 0. 919、0. 912、0. 856、0. 834 和 0. 733。降水量與 0 - 50cm 各層土壤相對濕度增量均符合線性函數(shù)關系。檢驗結果表明，0 - 30cm 各層土壤相對濕度增量模型模擬效果較好，線性回歸決定系數(shù) R2 分別為 0. 8893、0. 8948 和0. 9367。

　　參考文獻

　　[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]馬育軍，李小雁. 青海湖流域典型生態(tài)系統(tǒng)土壤水分對降水脈動的響應[J]. 北京師范大學學報( 自然科學版) ，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]劉冰，趙文志，常學向，等. 黑河流域荒漠區(qū)土壤水分對降水脈動響應[J]. 中國沙漠，2011，31( 3) : 716 - 722.

　　[6]柴雯，王根緒，李元壽，等. 長江源區(qū)不同植被覆蓋下土壤水分對降水的響應[J]. 冰川凍土，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]張淑勇，夏江寶，張光燦，等. 黃河三角洲貝殼堤島葉底珠葉片光合作用對 CO2 濃度及土壤水分的響應[J]. 生態(tài)學報，2014，34( 8) : 1937- 1945.

　　[9]單立山，李毅，段雅楠，等. 紅砂幼苗根系形態(tài)特征和水分利用效率對土壤水分變化的響應[J]. 西北植物學報，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.

　　選自期刊《干旱區(qū)資源與環(huán)境》第 36 卷 第 8 期

　　作者信息：張存厚1，楊麗萍1，越昆1，劉朋濤1，張德龍2( 1. 內蒙古自治區(qū)氣象局生態(tài)與農業(yè)氣象中心，呼和浩特 010051; 2. 內蒙古自治區(qū)氣象局氣象信息中心，呼和浩特 010051)