付 微, 任 健, 李藝帆, 魏孝榮, 于淑會(huì), 胡永翔, 尚國琲,2**

(1.河北地質(zhì)大學(xué)土地科學(xué)與空間規(guī)劃學(xué)院 石家莊 050031; 2.河北地質(zhì)大學(xué)河北省農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測國際聯(lián)合研究中心 石家莊 050031; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 楊凌 712100)

積雪和凍土是地球冰凍圈系統(tǒng)中的重要組成部分, 對氣候變化十分敏感。受全球氣候變化的影響, 東北地區(qū)降水(雪)量和積雪深度呈增加趨勢。積雪變化可導(dǎo)致季節(jié)性凍土凍融過程發(fā)生明顯變化, 進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)的土壤水熱動(dòng)態(tài)與養(yǎng)分循環(huán)過程, 從而對作物產(chǎn)量形成產(chǎn)生一系列直接或間接的影響。因此, 基于季節(jié)性積雪-季節(jié)性凍土-作物產(chǎn)量之間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系, 探究季節(jié)性凍土凍融過程在調(diào)控作物產(chǎn)量對積雪覆蓋響應(yīng)方面的潛在作用對保障東北黑土區(qū)未來氣候變化下農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和糧食安全具有重要意義。

季節(jié)性凍土凍融過程對作物產(chǎn)量有重要影響。一方面, 土壤凍融過程對作物供水具有一定的調(diào)節(jié)作用。在雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū), 季節(jié)性土壤凍層是作物生長前期重要水分來源, 其釋放的融凍水可以補(bǔ)給土壤水分, 為作物生長提供較好的水分條件, 進(jìn)而促進(jìn)作物生長和產(chǎn)量形成。值得注意的是, 土壤凍融過程對作物供水的補(bǔ)給能力與土壤凍融過程的形成發(fā)育有關(guān)。例如, 季節(jié)性凍層的融凍水補(bǔ)給量因土壤凍融持續(xù)時(shí)間、凍融循環(huán)頻率不同而發(fā)生變化。另一方面, 土壤凍融過程對作物養(yǎng)分供應(yīng)也具有一定的調(diào)節(jié)作用。有研究發(fā)現(xiàn), 土壤凍融循環(huán)可促進(jìn)土壤養(yǎng)分的釋放, 增加有效養(yǎng)分含量, 提高土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力, 進(jìn)而影響作物產(chǎn)量。積雪是引起季節(jié)性凍土發(fā)生變化的重要影響因素, 它能夠改變季節(jié)性凍土凍融過程中水熱狀況以及受其支配的凍土形成發(fā)育過程。野外積雪控制試驗(yàn)表明: 積雪對季節(jié)性凍土凍融過程中土壤水熱動(dòng)態(tài)變化的影響具有雙重性。如積雪對土壤溫度動(dòng)態(tài)變化具有“雙重效應(yīng)”主要體現(xiàn)在: 在土壤凍結(jié)階段, 積雪對土壤起著保溫作用, 而在土壤融化階段積雪對土壤起著冷卻作用, 并且積雪對土壤溫度的影響可引起土壤凍融發(fā)育持續(xù)時(shí)間和土壤凍融循環(huán)頻率發(fā)生變化。積雪對土壤水分動(dòng)態(tài)變化具有“雙重效應(yīng)”, 主要表現(xiàn)為在土壤凍結(jié)過程中積雪引起土壤水分變化波動(dòng)性顯著降低, 而在土壤融化過程中積雪導(dǎo)致土壤含水率變化波動(dòng)性顯著增加。此外,積雪對土壤水分的影響可能存在一定的“遺產(chǎn)”效應(yīng),若這一“遺產(chǎn)”效應(yīng)延續(xù)到春夏季節(jié)將對植物生長產(chǎn)生積極影響。盡管目前學(xué)者們對季節(jié)性凍土凍融過程對作物產(chǎn)量的調(diào)節(jié)作用、積雪與季節(jié)性凍土凍融過程之間的關(guān)系有了一定的認(rèn)識(shí),但關(guān)于季節(jié)性凍土凍融過程調(diào)控作物產(chǎn)量對積雪覆蓋響應(yīng)方面的研究仍缺乏報(bào)道。

東北黑土區(qū)屬典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū), 由于降水年內(nèi)分布不均, 作物生長前期的降水不足引起春旱災(zāi)害頻發(fā)。春小麥()播種早, 其前期生長發(fā)育易受春旱危害并造成嚴(yán)重減產(chǎn)。然而,由于黑土區(qū)春小麥生育前期通常處于季節(jié)性凍土的融化階段, 因此季節(jié)性凍土在增強(qiáng)春小麥抗旱能力,提高產(chǎn)量方面起著重要作用。此外, 東北季節(jié)性凍土通常被季節(jié)性積雪覆蓋, 但季節(jié)性凍土凍融過程如何調(diào)控春小麥產(chǎn)量對積雪覆蓋的響應(yīng)尚不清楚,一定程度上限制了對季節(jié)性積雪-季節(jié)性凍土-作物產(chǎn)量聯(lián)動(dòng)關(guān)系的深入理解。鑒于此, 本文以東北黑土區(qū)春小麥為研究對象, 采用積雪控制試驗(yàn), 探究季節(jié)性凍土凍融過程對積雪覆蓋的響應(yīng), 分析季節(jié)性凍土凍融過程中土壤水分、土壤溫度、凍融持續(xù)時(shí)間、土壤凍融循環(huán)頻率與春小麥產(chǎn)量的關(guān)系, 以期闡明季節(jié)性凍土凍融過程在春小麥產(chǎn)量對積雪覆蓋響應(yīng)方面的調(diào)控作用, 為準(zhǔn)確預(yù)測氣候變化對東北黑土區(qū)糧食生產(chǎn)的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)于2016年10月至2017年7月在黑龍江省海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外觀測研究站進(jìn)行(47°26′N, 126°38′E, 海拔240 m)。該站處于東北典型黑土帶中部, 屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候, 冬季寒冷干燥, 春季干旱多風(fēng), 蒸發(fā)強(qiáng)烈。1953-2015年平均氣溫2.0 ℃, 年均降水量558.0 mm (主要集中在7-9月份), 2017年降水量為419.7 mm, 與多年平均降水量相比, 2017年為枯水年。積雪覆蓋期主要集中在11月至翌年2月, 2016-2017年積雪日數(shù)132 d,積雪期170 d, 平均雪深15.6 cm, 最大雪深30 cm。土壤季節(jié)性凍融過程一般從每年10月底開始凍結(jié), 直至翌年6月下旬全部融通, 凍融持續(xù)時(shí)間長達(dá)120～240 d, 凍融交替明顯, 最大土壤凍結(jié)深度為1.6～2.3 m, 有關(guān)本研究期間表征積雪、凍土參量信息詳見圖1。該地區(qū)春小麥一般與玉米()、大豆()輪作, 在0～100 cm土層春小麥耗水量為384.3 mm, 地下水埋深20～30 m, 不能被作物吸收利用。試驗(yàn)小區(qū)土壤類型為中厚層黑土, 詳細(xì)土壤理化性質(zhì)見文獻(xiàn)[33]。

圖1 研究期間日平均氣溫和降水及積雪、季節(jié)性凍土凍融期和春小麥生育前期(播種-四葉期)基本信息Fig. 1 Daily mean air temperature and precipitation, and basic information of snow, soil freezing period and soil thawing period of seasonally frozen soil and the early growing season of spring wheat (sowing-four-leaf stage) during the study period

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究采取隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì), 設(shè)置積雪覆蓋和無積雪覆蓋兩個(gè)處理, 每個(gè)處理3個(gè)重復(fù), 各小區(qū)面積為2 m×2.1 m, 所有小區(qū)四周用1.2 m深塑料板圍隔, 阻斷橫向土壤水運(yùn)動(dòng)。無積雪覆蓋處理小區(qū)每次降雪后通過人工除雪, 盡量保證小區(qū)在整個(gè)試驗(yàn)期間維持無覆雪狀態(tài)。試驗(yàn)小區(qū)前茬作物為玉米,供試春小麥品種‘龍麥35號(hào)’, 平整土地后春小麥按300 kg·hm播種量播種, 每個(gè)小區(qū)3條壟(壟寬約67 cm), 每條壟種2行。春小麥播種時(shí)間及其生育前期各時(shí)間節(jié)點(diǎn)詳見圖1。

1.3 試驗(yàn)觀測

土壤溫度和土壤水分觀測于2016年10月至2017年5月進(jìn)行。在每個(gè)小區(qū)0～100 cm深度土層,埋設(shè)6個(gè)地溫探頭(杭州路格科技有限公司PT-100熱電阻地溫傳感器, 精度為±0.3 ℃), 分別測定10 cm、20 cm、40 cm、60 cm、80 cm和100 cm土壤溫度,每1 h自動(dòng)記錄一次。本研究根據(jù)土壤溫度計(jì)算不同深度土壤日凍融循環(huán)次數(shù): 當(dāng)土壤日最高溫度≥0 ℃且土壤日最低溫度＜0 ℃時(shí), 并持續(xù)3 d以上, 即存在日凍融循環(huán)。采用中子儀每10 d測定一次0～100 cm土壤含水量(每10 cm為1層), 該方法測得的土壤含水量包括土壤中固態(tài)水和液態(tài)水的體積含水量, 即土壤總含水量。2017年7月31日, 整個(gè)小區(qū)春小麥實(shí)收測產(chǎn)。氣溫、降水和雪深數(shù)據(jù)來源于試驗(yàn)站上氣象站的觀測資料。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與繪圖, 使用SPSS 18.0軟件包中方差分析的最小顯著差數(shù)法(Least Significant Difference, LSD)檢驗(yàn)積雪覆蓋、凍融時(shí)期、土層深度對土壤溫度、土壤凍融循環(huán)頻率、土壤水分、春小麥產(chǎn)量、土壤凍結(jié)期和融化期持續(xù)時(shí)間是否有顯著影響(＜0.05)。用線性回歸分析評(píng)價(jià)土壤水分、土壤溫度、土壤凍結(jié)期和融化期持續(xù)時(shí)間、土壤凍融循環(huán)頻率對春小麥產(chǎn)量的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 季節(jié)性凍土土壤溫度和土壤凍融形成發(fā)育過程

由表1可知, 凍融時(shí)期和土層深度均顯著影響土壤溫度(＜0.05), 表現(xiàn)為春小麥播種后的0～100 cm土壤溫度顯著高于播種前, 表層0～20 cm土壤溫度顯著高于20～100 cm土層(圖2A), 而且凍融時(shí)期和土層深度對土壤溫度存在交互效應(yīng)(＜0.05)(表1)。雖然積雪覆蓋對0～100 cm土壤溫度無顯著影響, 但積雪覆蓋與土壤凍融時(shí)期、積雪覆蓋與土層深度對土壤溫度均存在顯著交互影響(＜0.05)(表1)。例如,積雪覆蓋顯著增加凍結(jié)期0～60 cm土壤溫度、融化-播種期20～100 cm土壤溫度 (＜0.05), 但在出苗-四葉期, 積雪覆蓋顯著降低10 cm土壤溫度(＜0.05) (圖2A)。

表1 土壤凍融時(shí)期(FT: 凍結(jié)期, 融化-播種期, 播種-出苗期, 出苗-四葉期)、土層深度(SD: 10 cm, 20 cm, 20～60 cm,60～100 cm)、積雪覆蓋(SC, 積雪覆蓋vs.無積雪覆蓋)及其交互作用對土壤溫度、土壤凍融循環(huán)頻率及土壤水分影響的方差分析結(jié)果(P 值)Table 1 ANOVA results (P values) of the effects of soil freezing and thawing period (FT: freezing period, thaw start-date to sowing stage, sowing to seedling stage, seedling to four-leaf stage), soil depth (SD: 10 cm, 20 cm, 20-60 cm, 60-100 cm), snow cover (SC, snow cover vs. snow free) and their interactions on soil temperature, soil freeze-thaw cycle frequency and soil moisture

積雪覆蓋處理和無積雪覆蓋處理的凍結(jié)持續(xù)時(shí)間和融化持續(xù)時(shí)間比較接近(圖3), 相差1～2 d, 從而導(dǎo)致兩個(gè)處理間整個(gè)凍融發(fā)育過程持續(xù)時(shí)間無顯著差異。對土壤凍融循環(huán)頻率而言, 整個(gè)試驗(yàn)期20～100 cm深層土壤凍融循環(huán)頻率(12.42±1.86)顯著高于0～20 cm表層(4.15±0.92) (＜0.05), 并且土層深度對凍融循環(huán)頻率的影響與土壤凍融時(shí)期有關(guān), 例如, 凍結(jié)期在兩個(gè)處理的0～100 cm土層均觀測到土壤凍融交替現(xiàn)象, 而播種-四葉期兩個(gè)處理的土壤凍融交替現(xiàn)象主要出現(xiàn)在20～100 cm土層(圖2B)。積雪覆蓋處理土壤凍融循環(huán)頻率雖然高于無積雪覆蓋處理, 但差異并不顯著(圖2B) , 而且積雪覆蓋與凍融時(shí)期、土層深度之間交互作用對土壤凍融循環(huán)頻率均無顯著影響(表1)。

圖3 積雪覆蓋對土壤凍融持續(xù)時(shí)間的影響Fig. 3 Effects of snow cover on duration of soil freezing and thawing processes

2.2 季節(jié)性凍土土壤水分

方差分析結(jié)果表明(表1), 總體上兩個(gè)處理不同凍融時(shí)期0～100 cm土壤水分差異顯著(＜0.05), 播種-出苗期0～100 cm土壤水分最高(34.33±0.80)%,凍結(jié)期0～100 cm土壤水分最低(32.40±0.98)% (圖2C)。土層深度對土壤水分產(chǎn)生顯著影響(＜0.05), 表層(10 cm、20 cm)土壤水分明顯低于深層(20～100 cm)(圖2C), 而且土層深度與凍融時(shí)期的交互作用對土壤水分影響顯著(＜0.05)。積雪覆蓋使0～100 cm土壤水分顯著增加3.6% (＜0.05), 且積雪覆蓋與凍融時(shí)期、土層深度之間的交互作用也顯著影響土壤水分 (＜0.05) (表1)。例如, 積雪覆蓋使凍結(jié)期60～100 cm土壤水分和融化-播種期20 cm土壤水分均增加8% (＜0.05)。此外, 雖然積雪覆蓋處理融化-播種期20 cm土壤水分顯著高于無積雪覆蓋處理(＜0.05), 但隨后播種-四葉期積雪覆蓋處理20 cm土壤水分與無積雪覆蓋處理差異不顯著(圖2C), 說明積雪覆蓋對20 cm土壤水分的影響無“遺產(chǎn)”效應(yīng)。

圖2 積雪覆蓋對不同凍融時(shí)期不同深度土壤溫度(A)、土壤凍融循環(huán)頻率(B)及土壤水分(C)的影響Fig. 2 Effects of snow cover on soil temperature (A), soil freeze-thaw cycle frequency (B) and soil moisture (C) in different soildepths during different soil freezing and thawing periods不同小寫字母表示積雪覆蓋與無積雪覆蓋處理間在P＜0.05水平差異顯著。Different lowercase letters mean significant differences between treatments of snow cover and snow free at P＜0.05 level.

2.3 春小麥產(chǎn)量及其與季節(jié)性凍土凍融過程的關(guān)系

本研究中, 盡管積雪覆蓋處理的春小麥產(chǎn)量(351.10±51.53) g·m略高于無積雪覆蓋處理(333.95±39.50) g·m, 但兩個(gè)處理間枯水年春小麥產(chǎn)量差異未達(dá)顯著水平。通過對季節(jié)性凍土凍融期土壤水分、土壤溫度、土壤凍融持續(xù)時(shí)間、土壤凍融循環(huán)頻率與春小麥產(chǎn)量的關(guān)系進(jìn)行線性回歸分析發(fā)現(xiàn): 春小麥產(chǎn)量隨土壤融化階段的播種-出苗期10 cm土壤水分、融化期10 cm土壤凍融循環(huán)頻率增加而顯著提高(＜0.05) (圖4 A, B), 相反, 春小麥產(chǎn)量隨土壤融化階段的出苗-四葉期20 cm土壤水分、凍結(jié)期10 cm土壤凍融循環(huán)頻率增加而顯著降低(＜0.05) (圖4 A,B), 上述季節(jié)性凍土凍融過程中地表土壤水分(10 cm、20 cm)和土壤凍融循環(huán)頻率(10 cm)分別解釋了春小麥產(chǎn)量變化的74.3%～77.6%和77.8%～78.7%, 但20～100 cm深層土壤水分和土壤凍融循環(huán)頻率與春小麥產(chǎn)量線性擬合不顯著(未列出)。此外, 春小麥產(chǎn)量與土壤溫度和土壤凍融持續(xù)時(shí)間線性擬合也均不顯著(未列出)。

圖4 春小麥產(chǎn)量與土壤水分(A)和土壤凍融循環(huán)頻率(B)的線性回歸分析Fig. 4 Linear regression analysis between spring wheat yield and soil moisture (A), soil freeze-thaw cycle frequency (B)

3 討論和結(jié)論

東北黑土農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤被積雪覆蓋的同時(shí)往往伴隨著凍融過程, 且在土壤融化階段春小麥已進(jìn)入播種-四葉期(圖1), 因此, 受季節(jié)性凍土調(diào)控的春小麥生長環(huán)境條件(水分、溫度、養(yǎng)分等)對其產(chǎn)量形成具有重要作用。本研究中, 春小麥生育前期(播種-四葉期)降水量只有43.4 mm (圖1),顯然不能滿足春小麥正常生長的水分需求, 但該階段0～100 cm土壤濕度接近于田間持水量, 表明季節(jié)性凍土對春小麥生育前期供水的調(diào)節(jié)作用對于保證其良好生長與產(chǎn)量形成具有積極意義。本研究結(jié)果顯示, 春小麥產(chǎn)量受土壤融化階段的播種-出苗期10 cm土壤水分和出苗-四葉期20 cm土壤水分的調(diào)控。這可能是因?yàn)? 春小麥生育前期根系主要集中分布在0～20 cm表層, 土壤凍融過程中土壤水分遷移和再分布有助于改變該層土壤水分條件, 進(jìn)而會(huì)影響春小麥對土壤水分的吸收利用, 導(dǎo)致春小麥產(chǎn)量也隨之發(fā)生改變。與此同時(shí), 我們發(fā)現(xiàn)積雪覆蓋對土壤融化階段的播種-出苗期10 cm土壤水分和出苗-四葉期20 cm土壤水分均無顯著影響, 且積雪覆蓋對后者土壤水分的影響不存在“遺產(chǎn)”效應(yīng), 上述研究結(jié)果可較好地解釋枯水年春小麥產(chǎn)量對積雪覆蓋響應(yīng)不明顯這一結(jié)果。這與Li等發(fā)現(xiàn)的積雪對溫帶草地生態(tài)系統(tǒng)地上生物量沒有影響的結(jié)論基本吻合, 而與Peng等和Wang等報(bào)道的積雪對自然生態(tài)系統(tǒng)土壤水分影響存在的“遺產(chǎn)”效應(yīng), 可顯著改善植被生育前期的土壤水分條件,促進(jìn)植被生長, 進(jìn)而提高植被生產(chǎn)力這一觀點(diǎn)不符,這種差異可能與氣候、土壤和生態(tài)系統(tǒng)類型有關(guān)。在東北黑土農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng), 雖然積雪對融化-播種期表層土壤(20 cm)具有明顯的儲(chǔ)水增墑作用, 但由于早春土壤凍層融化尚淺導(dǎo)致的融雪水大量流失,引起黑土對融雪水的吸收量相對較少, 再加上土壤融化階段地面蒸發(fā)較大, 綜合起來致使這種正面效應(yīng)并沒有延續(xù)到春季的春小麥生長。

春小麥產(chǎn)量也受季節(jié)性凍土凍結(jié)期和融化期10 cm土壤凍融循環(huán)頻率的調(diào)控。土壤凍融循環(huán)過程是引起土壤水分相變的過程, 可通過改變凍結(jié)期土壤水分的聚集量和融化期土壤水分的釋放量影響土壤對作物的供水能力, 進(jìn)而可能改變作物產(chǎn)量。尤其是在春季降水不足的年份, 由于黑土對雪水的吸收率較低, 因此, 該區(qū)季節(jié)性凍層融化釋放的融凍水是春季作物生長主要水分來源。本研究中, 季節(jié)性凍土凍融期10 cm土壤凍融循環(huán)頻率對積雪覆蓋響應(yīng)不顯著, 這一結(jié)果在一定程度上證實(shí)了積雪覆蓋對表層土壤(特別是融凍后播種-出苗期10 cm土層)無明顯的蓄水提墑作用, 從而并未引起春小麥產(chǎn)量發(fā)生改變。此外, 季節(jié)性凍土凍融過程中土壤溫度和土壤凍融循環(huán)通過改變土壤碳、氮礦化作用的動(dòng)態(tài)變化而影響植物生長前期土壤養(yǎng)分的供應(yīng),進(jìn)而間接影響植物生產(chǎn)力。本研究區(qū)前期野外模擬增溫試驗(yàn)表明, 黑土農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸和土壤氮礦化對增溫響應(yīng)不敏感, 意味著在黑土農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)季節(jié)性凍土凍融期土壤碳、氮礦化過程可能受土壤凍融循環(huán)影響, 且其影響程度與凍融循環(huán)頻率有關(guān)。有研究表明, 在自然生態(tài)系統(tǒng)中,凍融循環(huán)頻率增大可以增加土壤氮素養(yǎng)分(NH-N和NO-N)的釋放量, 提高其對植物的可利用性,從而導(dǎo)致植物地上生產(chǎn)力顯著增加。本研究中, 黑土區(qū)春小麥產(chǎn)量受季節(jié)性凍土凍融期10 cm凍融循環(huán)頻率影響與上述觀點(diǎn)有部分相似之處。

綜上所述, 黑土區(qū)春小麥產(chǎn)量受土壤融化階段的播種-出苗期10 cm土壤水分、出苗-四葉期20 cm土壤水分及凍融期10 cm土壤凍融循環(huán)頻率不同程度的調(diào)控, 表明季節(jié)性凍土凍融過程對春小麥產(chǎn)量具有一定的調(diào)節(jié)作用?？菟攴? 春小麥產(chǎn)量的調(diào)控因子對積雪覆蓋無顯著響應(yīng), 表明在季節(jié)性凍土凍融過程的調(diào)控作用下, 枯水年春小麥產(chǎn)量對積雪覆蓋響應(yīng)不明顯。本研究僅從積雪覆蓋角度解析了季節(jié)性凍土凍融過程在作物產(chǎn)量對季節(jié)性積雪響應(yīng)方面所發(fā)揮的作用, 未來研究可針對季節(jié)性凍土-季節(jié)性積雪(積雪日數(shù)、積雪深度)對作物生產(chǎn)的長期影響進(jìn)行深入研究探討, 以期更好地揭示全球氣候變化背景下東北黑土區(qū)季節(jié)性積雪-季節(jié)性凍土-作物產(chǎn)量之間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系。

感謝中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑龍江省海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外觀測研究站為本研究提供良好的試驗(yàn)平臺(tái)。