付 微, 任 健, 李艺帆, 魏孝荣, 于淑会, 胡永翔, 尚国琲,2**

(1.河北地质大学土地科学与空间规划学院 石家庄 050031; 2.河北地质大学河北省农业干旱遥感监测国际联合研究中心 石家庄 050031; 3.西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室 杨凌 712100)

积雪和冻土是地球冰冻圈系统中的重要组成部分, 对气候变化十分敏感。受全球气候变化的影响, 东北地区降水(雪)量和积雪深度呈增加趋势。积雪变化可导致季节性冻土冻融过程发生明显变化, 进而影响生态系统的土壤水热动态与养分循环过程, 从而对作物产量形成产生一系列直接或间接的影响。因此, 基于季节性积雪-季节性冻土-作物产量之间的联动关系, 探究季节性冻土冻融过程在调控作物产量对积雪覆盖响应方面的潜在作用对保障东北黑土区未来气候变化下农业可持续发展和粮食安全具有重要意义。

季节性冻土冻融过程对作物产量有重要影响。一方面, 土壤冻融过程对作物供水具有一定的调节作用。在雨养农业区, 季节性土壤冻层是作物生长前期重要水分来源, 其释放的融冻水可以补给土壤水分, 为作物生长提供较好的水分条件, 进而促进作物生长和产量形成。值得注意的是, 土壤冻融过程对作物供水的补给能力与土壤冻融过程的形成发育有关。例如, 季节性冻层的融冻水补给量因土壤冻融持续时间、冻融循环频率不同而发生变化。另一方面, 土壤冻融过程对作物养分供应也具有一定的调节作用。有研究发现, 土壤冻融循环可促进土壤养分的释放, 增加有效养分含量, 提高土壤养分供应能力, 进而影响作物产量。积雪是引起季节性冻土发生变化的重要影响因素, 它能够改变季节性冻土冻融过程中水热状况以及受其支配的冻土形成发育过程。野外积雪控制试验表明: 积雪对季节性冻土冻融过程中土壤水热动态变化的影响具有双重性。如积雪对土壤温度动态变化具有“双重效应”主要体现在: 在土壤冻结阶段, 积雪对土壤起着保温作用, 而在土壤融化阶段积雪对土壤起着冷却作用, 并且积雪对土壤温度的影响可引起土壤冻融发育持续时间和土壤冻融循环频率发生变化。积雪对土壤水分动态变化具有“双重效应”, 主要表现为在土壤冻结过程中积雪引起土壤水分变化波动性显著降低, 而在土壤融化过程中积雪导致土壤含水率变化波动性显著增加。此外,积雪对土壤水分的影响可能存在一定的“遗产”效应,若这一“遗产”效应延续到春夏季节将对植物生长产生积极影响。尽管目前学者们对季节性冻土冻融过程对作物产量的调节作用、积雪与季节性冻土冻融过程之间的关系有了一定的认识,但关于季节性冻土冻融过程调控作物产量对积雪覆盖响应方面的研究仍缺乏报道。

东北黑土区属典型的雨养农业区, 由于降水年内分布不均, 作物生长前期的降水不足引起春旱灾害频发。春小麦()播种早, 其前期生长发育易受春旱危害并造成严重减产。然而,由于黑土区春小麦生育前期通常处于季节性冻土的融化阶段, 因此季节性冻土在增强春小麦抗旱能力,提高产量方面起着重要作用。此外, 东北季节性冻土通常被季节性积雪覆盖, 但季节性冻土冻融过程如何调控春小麦产量对积雪覆盖的响应尚不清楚,一定程度上限制了对季节性积雪-季节性冻土-作物产量联动关系的深入理解。鉴于此, 本文以东北黑土区春小麦为研究对象, 采用积雪控制试验, 探究季节性冻土冻融过程对积雪覆盖的响应, 分析季节性冻土冻融过程中土壤水分、土壤温度、冻融持续时间、土壤冻融循环频率与春小麦产量的关系, 以期阐明季节性冻土冻融过程在春小麦产量对积雪覆盖响应方面的调控作用, 为准确预测气候变化对东北黑土区粮食生产的影响提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2016年10月至2017年7月在黑龙江省海伦农田生态系统国家野外观测研究站进行(47°26′N, 126°38′E, 海拔240 m)。该站处于东北典型黑土带中部, 属寒温带大陆性季风气候, 冬季寒冷干燥, 春季干旱多风, 蒸发强烈。1953-2015年平均气温2.0 ℃, 年均降水量558.0 mm (主要集中在7-9月份), 2017年降水量为419.7 mm, 与多年平均降水量相比, 2017年为枯水年。积雪覆盖期主要集中在11月至翌年2月, 2016-2017年积雪日数132 d,积雪期170 d, 平均雪深15.6 cm, 最大雪深30 cm。土壤季节性冻融过程一般从每年10月底开始冻结, 直至翌年6月下旬全部融通, 冻融持续时间长达120～240 d, 冻融交替明显, 最大土壤冻结深度为1.6～2.3 m, 有关本研究期间表征积雪、冻土参量信息详见图1。该地区春小麦一般与玉米()、大豆()轮作, 在0～100 cm土层春小麦耗水量为384.3 mm, 地下水埋深20～30 m, 不能被作物吸收利用。试验小区土壤类型为中厚层黑土, 详细土壤理化性质见文献[33]。

图1 研究期间日平均气温和降水及积雪、季节性冻土冻融期和春小麦生育前期(播种-四叶期)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 试验设计

本研究采取随机区组试验设计, 设置积雪覆盖和无积雪覆盖两个处理, 每个处理3个重复, 各小区面积为2 m×2.1 m, 所有小区四周用1.2 m深塑料板围隔, 阻断横向土壤水运动。无积雪覆盖处理小区每次降雪后通过人工除雪, 尽量保证小区在整个试验期间维持无覆雪状态。试验小区前茬作物为玉米,供试春小麦品种‘龙麦35号’, 平整土地后春小麦按300 kg·hm播种量播种, 每个小区3条垄(垄宽约67 cm), 每条垄种2行。春小麦播种时间及其生育前期各时间节点详见图1。

1.3 试验观测

土壤温度和土壤水分观测于2016年10月至2017年5月进行。在每个小区0～100 cm深度土层,埋设6个地温探头(杭州路格科技有限公司PT-100热电阻地温传感器, 精度为±0.3 ℃), 分别测定10 cm、20 cm、40 cm、60 cm、80 cm和100 cm土壤温度,每1 h自动记录一次。本研究根据土壤温度计算不同深度土壤日冻融循环次数: 当土壤日最高温度≥0 ℃且土壤日最低温度＜0 ℃时, 并持续3 d以上, 即存在日冻融循环。采用中子仪每10 d测定一次0～100 cm土壤含水量(每10 cm为1层), 该方法测得的土壤含水量包括土壤中固态水和液态水的体积含水量, 即土壤总含水量。2017年7月31日, 整个小区春小麦实收测产。气温、降水和雪深数据来源于试验站上气象站的观测资料。

1.4 数据分析

试验数据采用Excel 2013软件进行数据处理与绘图, 使用SPSS 18.0软件包中方差分析的最小显著差数法(Least Significant Difference, LSD)检验积雪覆盖、冻融时期、土层深度对土壤温度、土壤冻融循环频率、土壤水分、春小麦产量、土壤冻结期和融化期持续时间是否有显著影响(＜0.05)。用线性回归分析评价土壤水分、土壤温度、土壤冻结期和融化期持续时间、土壤冻融循环频率对春小麦产量的影响。

2 结果与分析

2.1 季节性冻土土壤温度和土壤冻融形成发育过程

由表1可知, 冻融时期和土层深度均显著影响土壤温度(＜0.05), 表现为春小麦播种后的0～100 cm土壤温度显著高于播种前, 表层0～20 cm土壤温度显著高于20～100 cm土层(图2A), 而且冻融时期和土层深度对土壤温度存在交互效应(＜0.05)(表1)。虽然积雪覆盖对0～100 cm土壤温度无显著影响, 但积雪覆盖与土壤冻融时期、积雪覆盖与土层深度对土壤温度均存在显著交互影响(＜0.05)(表1)。例如,积雪覆盖显著增加冻结期0～60 cm土壤温度、融化-播种期20～100 cm土壤温度 (＜0.05), 但在出苗-四叶期, 积雪覆盖显著降低10 cm土壤温度(＜0.05) (图2A)。

表1 土壤冻融时期(FT: 冻结期, 融化-播种期, 播种-出苗期, 出苗-四叶期)、土层深度(SD: 10 cm, 20 cm, 20～60 cm,60～100 cm)、积雪覆盖(SC, 积雪覆盖vs.无积雪覆盖)及其交互作用对土壤温度、土壤冻融循环频率及土壤水分影响的方差分析结果(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

积雪覆盖处理和无积雪覆盖处理的冻结持续时间和融化持续时间比较接近(图3), 相差1～2 d, 从而导致两个处理间整个冻融发育过程持续时间无显著差异。对土壤冻融循环频率而言, 整个试验期20～100 cm深层土壤冻融循环频率(12.42±1.86)显著高于0～20 cm表层(4.15±0.92) (＜0.05), 并且土层深度对冻融循环频率的影响与土壤冻融时期有关, 例如, 冻结期在两个处理的0～100 cm土层均观测到土壤冻融交替现象, 而播种-四叶期两个处理的土壤冻融交替现象主要出现在20～100 cm土层(图2B)。积雪覆盖处理土壤冻融循环频率虽然高于无积雪覆盖处理, 但差异并不显著(图2B) , 而且积雪覆盖与冻融时期、土层深度之间交互作用对土壤冻融循环频率均无显著影响(表1)。

图3 积雪覆盖对土壤冻融持续时间的影响Fig. 3 Effects of snow cover on duration of soil freezing and thawing processes

2.2 季节性冻土土壤水分

方差分析结果表明(表1), 总体上两个处理不同冻融时期0～100 cm土壤水分差异显著(＜0.05), 播种-出苗期0～100 cm土壤水分最高(34.33±0.80)%,冻结期0～100 cm土壤水分最低(32.40±0.98)% (图2C)。土层深度对土壤水分产生显著影响(＜0.05), 表层(10 cm、20 cm)土壤水分明显低于深层(20～100 cm)(图2C), 而且土层深度与冻融时期的交互作用对土壤水分影响显著(＜0.05)。积雪覆盖使0～100 cm土壤水分显著增加3.6% (＜0.05), 且积雪覆盖与冻融时期、土层深度之间的交互作用也显著影响土壤水分 (＜0.05) (表1)。例如, 积雪覆盖使冻结期60～100 cm土壤水分和融化-播种期20 cm土壤水分均增加8% (＜0.05)。此外, 虽然积雪覆盖处理融化-播种期20 cm土壤水分显著高于无积雪覆盖处理(＜0.05), 但随后播种-四叶期积雪覆盖处理20 cm土壤水分与无积雪覆盖处理差异不显著(图2C), 说明积雪覆盖对20 cm土壤水分的影响无“遗产”效应。

图2 积雪覆盖对不同冻融时期不同深度土壤温度(A)、土壤冻融循环频率(B)及土壤水分(C)的影响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不同小写字母表示积雪覆盖与无积雪覆盖处理间在P＜0.05水平差异显著。Different lowercase letters mean significant differences between treatments of snow cover and snow free at P＜0.05 level.

2.3 春小麦产量及其与季节性冻土冻融过程的关系

本研究中, 尽管积雪覆盖处理的春小麦产量(351.10±51.53) g·m略高于无积雪覆盖处理(333.95±39.50) g·m, 但两个处理间枯水年春小麦产量差异未达显著水平。通过对季节性冻土冻融期土壤水分、土壤温度、土壤冻融持续时间、土壤冻融循环频率与春小麦产量的关系进行线性回归分析发现: 春小麦产量随土壤融化阶段的播种-出苗期10 cm土壤水分、融化期10 cm土壤冻融循环频率增加而显著提高(＜0.05) (图4 A, B), 相反, 春小麦产量随土壤融化阶段的出苗-四叶期20 cm土壤水分、冻结期10 cm土壤冻融循环频率增加而显著降低(＜0.05) (图4 A,B), 上述季节性冻土冻融过程中地表土壤水分(10 cm、20 cm)和土壤冻融循环频率(10 cm)分别解释了春小麦产量变化的74.3%～77.6%和77.8%～78.7%, 但20～100 cm深层土壤水分和土壤冻融循环频率与春小麦产量线性拟合不显著(未列出)。此外, 春小麦产量与土壤温度和土壤冻融持续时间线性拟合也均不显著(未列出)。

图4 春小麦产量与土壤水分(A)和土壤冻融循环频率(B)的线性回归分析Fig. 4 Linear regression analysis between spring wheat yield and soil moisture (A), soil freeze-thaw cycle frequency (B)

3 讨论和结论

东北黑土农田生态系统的土壤被积雪覆盖的同时往往伴随着冻融过程, 且在土壤融化阶段春小麦已进入播种-四叶期(图1), 因此, 受季节性冻土调控的春小麦生长环境条件(水分、温度、养分等)对其产量形成具有重要作用。本研究中, 春小麦生育前期(播种-四叶期)降水量只有43.4 mm (图1),显然不能满足春小麦正常生长的水分需求, 但该阶段0～100 cm土壤湿度接近于田间持水量, 表明季节性冻土对春小麦生育前期供水的调节作用对于保证其良好生长与产量形成具有积极意义。本研究结果显示, 春小麦产量受土壤融化阶段的播种-出苗期10 cm土壤水分和出苗-四叶期20 cm土壤水分的调控。这可能是因为: 春小麦生育前期根系主要集中分布在0～20 cm表层, 土壤冻融过程中土壤水分迁移和再分布有助于改变该层土壤水分条件, 进而会影响春小麦对土壤水分的吸收利用, 导致春小麦产量也随之发生改变。与此同时, 我们发现积雪覆盖对土壤融化阶段的播种-出苗期10 cm土壤水分和出苗-四叶期20 cm土壤水分均无显著影响, 且积雪覆盖对后者土壤水分的影响不存在“遗产”效应, 上述研究结果可较好地解释枯水年春小麦产量对积雪覆盖响应不明显这一结果。这与Li等发现的积雪对温带草地生态系统地上生物量没有影响的结论基本吻合, 而与Peng等和Wang等报道的积雪对自然生态系统土壤水分影响存在的“遗产”效应, 可显著改善植被生育前期的土壤水分条件,促进植被生长, 进而提高植被生产力这一观点不符,这种差异可能与气候、土壤和生态系统类型有关。在东北黑土农田生态系统, 虽然积雪对融化-播种期表层土壤(20 cm)具有明显的储水增墒作用, 但由于早春土壤冻层融化尚浅导致的融雪水大量流失,引起黑土对融雪水的吸收量相对较少, 再加上土壤融化阶段地面蒸发较大, 综合起来致使这种正面效应并没有延续到春季的春小麦生长。

春小麦产量也受季节性冻土冻结期和融化期10 cm土壤冻融循环频率的调控。土壤冻融循环过程是引起土壤水分相变的过程, 可通过改变冻结期土壤水分的聚集量和融化期土壤水分的释放量影响土壤对作物的供水能力, 进而可能改变作物产量。尤其是在春季降水不足的年份, 由于黑土对雪水的吸收率较低, 因此, 该区季节性冻层融化释放的融冻水是春季作物生长主要水分来源。本研究中, 季节性冻土冻融期10 cm土壤冻融循环频率对积雪覆盖响应不显著, 这一结果在一定程度上证实了积雪覆盖对表层土壤(特别是融冻后播种-出苗期10 cm土层)无明显的蓄水提墒作用, 从而并未引起春小麦产量发生改变。此外, 季节性冻土冻融过程中土壤温度和土壤冻融循环通过改变土壤碳、氮矿化作用的动态变化而影响植物生长前期土壤养分的供应,进而间接影响植物生产力。本研究区前期野外模拟增温试验表明, 黑土农田生态系统土壤呼吸和土壤氮矿化对增温响应不敏感, 意味着在黑土农田生态系统季节性冻土冻融期土壤碳、氮矿化过程可能受土壤冻融循环影响, 且其影响程度与冻融循环频率有关。有研究表明, 在自然生态系统中,冻融循环频率增大可以增加土壤氮素养分(NH-N和NO-N)的释放量, 提高其对植物的可利用性,从而导致植物地上生产力显著增加。本研究中, 黑土区春小麦产量受季节性冻土冻融期10 cm冻融循环频率影响与上述观点有部分相似之处。

综上所述, 黑土区春小麦产量受土壤融化阶段的播种-出苗期10 cm土壤水分、出苗-四叶期20 cm土壤水分及冻融期10 cm土壤冻融循环频率不同程度的调控, 表明季节性冻土冻融过程对春小麦产量具有一定的调节作用。枯水年份, 春小麦产量的调控因子对积雪覆盖无显著响应, 表明在季节性冻土冻融过程的调控作用下, 枯水年春小麦产量对积雪覆盖响应不明显。本研究仅从积雪覆盖角度解析了季节性冻土冻融过程在作物产量对季节性积雪响应方面所发挥的作用, 未来研究可针对季节性冻土-季节性积雪(积雪日数、积雪深度)对作物生产的长期影响进行深入研究探讨, 以期更好地揭示全球气候变化背景下东北黑土区季节性积雪-季节性冻土-作物产量之间的联动关系。

感谢中国科学院东北地理与农业生态研究所黑龙江省海伦农田生态系统国家野外观测研究站为本研究提供良好的试验平台。