第2章 重点区域的自然、生态与发展

2.1 内蒙古达茂旗主要气象要素变化趋势

2.1.1 自然概况

2.1.1.1 地理位置

内蒙古达茂旗地处内蒙古自治区中部，行政隶属于包头市，地理位置在北纬41°20′～42°40′，东经109°16′～111°25′，南北长约160km，东西宽约150km，全旗总面积为18177km²。内蒙古达茂旗行政区划及试验基地位置参见图2.1。

图2.1 内蒙古达茂旗行政区划及试验基地位置图（含包头市白云鄂博区）

2.1.1.2 地形地貌

达茂旗地处大青山北麓，内蒙古高原中部地带。地势南高北低，向北倾斜，南部为低山丘陵，北部为低缓丘陵，中部为高平原，地势平坦开阔。平均海拔1376m。山峰海拔最高为哈布特盖吉苏敖包1846m，一般在1300m左右，相对高程为30～100m。境内最低点为腾格淖尔1058m。

达茂旗地貌成因主要受地区构造、古地理、气候和水文因素的控制和影响，地质构造控制了大的地貌形态成因；古地理、气候和水文等因素控制了小的地貌形态成因。境内的山、丘和高平原属于构造剥蚀地形；山丘间沟谷、河流、湖泊淖中的沉积物和风积沙地属堆积地形。

2.1.1.3 气候

达茂旗地处中温带，又深居内陆腹地，大陆性气候特征十分显著，属中温带半干旱大陆性气候。冬季寒冷干燥，夏季干旱炎热，寒暑变化强烈，昼夜温差大，降水量少，而且年际变化悬殊，无霜期短，蒸发量大，大风较多，日照充足，有效积温多。

根据内蒙古自治区四季划分标准，季节平均气温不大于5℃为冬季，不小于20℃为夏季，5～20℃之间为春秋季，达茂旗3—5月为春季，6—8月为夏季，9—10月为秋季，11月至次年2月为冬季。年平均气温3.4℃，不小于10℃年积温2298.9℃，多年平均年日照时数3172h，年均太阳总辐射量为5962.7MJ/m²，年均太阳总辐射量为142.45kcal/cm²。无霜期106d左右，初霜日一般出现在9月下旬，最晚初霜日出现在1998年的10月25日，终霜日在5月上旬左右。多年平均年降水量为255.6mm，55%降雨集中在7—8月。全旗降水由南向北呈递减的趋势，多年平均年降水量希拉穆仁（东南）282.0mm，百灵庙（中南）256.2mm，满都拉（最北）170.2mm。年湿润度为0.13～0.31，多年平均年蒸发量2526.4mm，是降水量的9.9倍。多年平均风速5.2m/s，年最多风向为SE，次多风向为SW，频率分别为20%和15%，全年不小于17m/s大风日数为68d，沙尘暴日数20～25d。一年中，3—5月大风日数最多，12月至次年2月最少。历史记录最大冻土深度为2.68m，出现在1974年2月14日，近10年冻土深均未超过2m。土壤冻结在10月中下旬，土壤解冻在3月底至4月初。

2.1.1.4 土壤与植被

达茂旗土壤类型主要受水平与垂直地带影响呈明显的地带性分布，由于地形和水分条件的差异，局部地方有零星的隐域性土壤。全旗共有7种土类，包括栗钙土、棕钙土、草甸土、潮土、盐土、碱土和石质土，又有17个亚类，共46个土属、166个土种。其中，栗钙土是全旗分布面积最大的土壤类型之一，占全旗总土地面积的47.2%；草甸土是一种非地带性的隐域性土类，分布广而分散，河流阶地、河漫滩、山间丘陵洼地、湖淖边缘地带都有分布，占全旗总土地面积的0.24%，此种土壤水分和养分都丰富，肥力高，发展潜力大；潮土主要分布在牧区河谷间地、丘间洼地、洪积扇缘、湖淖边缘，地势相对低平，地下水位高，是较好的牧草生长地，潮土占全旗总土地面积的2.3%；石质土质地粗糙，基岩裸露，分布在山地和丘陵的中上部，是发育在各种基岩上的幼年性土壤，此类土壤在表层有微弱的腐殖质积聚，其他基本保持母岩和母质的特征，占全旗总土地面积的0.55%。草甸土、潮土、盐土和石质土为非地带性土壤。

达茂旗整个草原自然植被因地形、土壤、水热等条件的不同而存在显著差异，从而形成从南向北依次跨越典型干草原、荒漠草原和草原化荒漠3个自然植被带，并在各带内分布着非地带性的草甸草原植被。荒漠草原类植被是全旗的主体植被。

典型干草原植被类型主要分布在旗境南部，面积占全旗草原总面积的33%，植被以中旱生和旱中生类植物为主，优势植物主要有克氏针茅、冷蒿、糙隐子草、冰草和羊草等，草群盖度28%。

荒漠草原植被类型主要分布在旗境中部，占全旗草原总面积的27%，主要植物有蒙古扁桃、柄扁桃、山蒿、冷蒿、戈壁针茅、短花针茅、石生针茅、小叶锦儿、芝隐草和葱属植物等，草群覆盖率22%～23%。

草原荒漠植被类型主要分布在旗境北部，占全旗草原总面积的35%，建群植物有小叶锦鸡儿、红砂、珍珠、石生针茅、阿尔泰狗娃花和葱属植物等，植被稀疏，草群盖度15%～22%。

非地带性草甸植被类型为隐藏草甸植被，分布在各自然带中的河滩地、低洼沟谷、潮盆周围和冲洪积扇的地下水溢出地带，土壤有机质含量高，水资源丰富，植物生长茂盛，占全旗草原总面积的5%，该类型的优势植物因其所处自然地带不同而异，主要植物有芨芨草、赖草、红砂、珍珠、白刺和葱属植物等。植被覆盖度可达44%。

2.1.1.5 草地生态现状

达茂旗天然草地面积为164.3万hm²，其中可利用草地面积为149.3万hm²，占草地总面积的91%。整个草原自然景观因地形、土壤、水热等条件的不同而存在显著差异，从南向北依次跨越干草原、荒漠草原和草原化荒漠3个自然植物带，并于各带内间分布着非地带性的草甸草场。按面积计算，干草原、荒漠草原、草原化荒漠和草甸分别占总草地面积的33%、50.2%、11.8%和5%。荒漠草原是该旗的主体草场。

根据草原普查统计，全旗天然草地野生植物有384种，分属203个属、58个科，其中主要饲用植物有120种，分属56个属、15个科，饲用植物占野生植物总数的31.25%。最主要的饲用植物是禾本科的针茅、冰草、隐子草、赖草、早熟禾、狼尾草、芨芨草等属；豆科的黄芪、棘豆、岩黄芪、胡枝子、扁蓿豆、锦鸡儿等属；菊科的蒿属；莎草科的苔草属以及百合科的葱属。上述5科中占比重较大的是禾本科和菊科。牧草群体粗蛋白含量6.7%～18.4%，平均10.13%，牧草的干鲜比也比较高，达50.8%。

达茂旗草原牧草种类繁多，营养价值高，适口性好，草场质量好。但是产量不足300kg/hm²的8级草场所占比例最大，加上产量在300～600kg/hm²的7级草场，面积达到总草场面积的97%。可以说，整个达茂旗草原其实基本呈现植被稀疏的景象，盖度小，产量低，生产力水平低下。全旗各类草地平年可食干草总储量为22.76万t。天然草地平年冷季理论载畜量为78.5万羊单位，平均1.7hm²草场养一只羊；丰年载畜量为123万羊单位，平均1.1hm²草场养一只羊；歉年载畜量仅为54.7万羊单位，平均2.4hm²草场养一只羊。丰年、歉年载畜量相差2.2倍。

由于长期以来对天然草地采取粗放经营的方式，未把草原视为有限的生产资料需要合理利用和保护，重开发，轻管理，超载过牧，掠夺式经营，造成草原严重退化、沙化，生产能力急剧下降，草原生态环境恶化。落实生产责任制，实行畜草双承包之后，虽然采取了一些措施，仍然是投入少，建设速度慢，牲畜每年在以较大幅度增长，退化草地面积也在不断扩大。目前，全旗草地超载至少40万羊单位，主要草场退化面积达60%。

2.1.1.6 水资源状况

达茂旗水资源主要由地表水、地下水和过境水组成。主要来源于大气降水补给，特点是资源贫乏，地表径流量小且分布不均，以时令性径流为主，地下水多集中于丘间河谷、滩川地带，埋藏较浅。

1.河流水系

全旗有大小水系6个，大小河流9条，均为内陆河，除最大的艾不盖河常年有小量径流，塔布河为间歇性河外，其余都是季节性洪水河或较小的过境河。

2.地表水

全旗多年平均年降水总量为36.376亿m³，径流总量为2422万m³。按50%的保证率计算，地表水资源量为3245.08万m³，地表水资源可利用量为1784.79万m³。

3.地下水

全旗地下水总体循环处于阴山北麓的内陆径流系统中，南部低山丘陵区为地下补给区，宽谷、盆地为径流富集区，北部腾格淖尔地区为地下水排汇区，总的状况是南部较北部丰富。全旗地下水资源量为11244.53万m³，与地表水重复计算量为1290.58万m³；地下水资源可开采量为7554.26万m³，重复计算量为79.63万m³。地下水质普遍较好，适宜饮水和灌溉。

4.总的情况

全旗多年平均年水资源总量为13199.03万m³，按50%保证率计算，可利用水资源总量为9259.42万m³。人均水资源占有量为820.8m³，为内蒙古人均水资源量的36%，全国人均水资源量的33%。按草地和耕地平均，每公顷占有水资源量为52.3m³。

2.1.2 灌溉饲草料地发展概况

自20世纪80年代以来，达茂旗人民政府就开始关注、重视灌溉饲草料地建设。随着近几年天然草地沙化退化问题不断突出，草地生产力和载畜能力不断下降，人们对畜产品的需求不断增加，就加剧了草畜矛盾。在这种背景下，加剧了灌溉饲草料地的发展，同时也对灌溉饲草料地的技术提出了更高的要求。

当前，已建成以低压管、喷灌为主，其他灌溉形式为辅的灌溉饲草料地14.87万亩，见表2.1。

从达茂旗灌溉饲草料地现有灌溉工程的形式来看，达茂旗节水灌溉率比较高，节水灌溉的主要灌溉形式为低压管灌，占节水灌溉面积的58.75%，其次为喷灌，占节水灌溉面积的28.01%。渠道衬砌和滴灌分别占4.35%和8.88%。

达茂旗饲草料地的主要种植作物为青贮玉米，有少量紫花苜蓿。青贮玉米种植面积为14.11万亩，占总面积的94.89%，亩产青饲料3000kg左右；紫花苜蓿种植面积0.76万亩，占总面积的5.11%，亩产干草650kg左右（表2.2）。

2.1.3 典型区主要气象要素变化趋势

选择达茂旗希拉穆仁镇为典型区。希拉穆仁镇行政上归内蒙古包头市达茂旗，位于达茂旗东南部，全镇地理位置在北纬41°12′～41°31′，东经111°00′～111°20′之间，总面积为714km²（图2.1）。

2.1.3.1 基本概况

希拉穆仁镇多年平均年降水量为282.9mm，主要集中在7—8月（合计约占73%）。多年平均年蒸发量为2305.0mm，年湿润度为0.31，年平均气温2.62℃，多年平均年日照时数3100h，无霜期83d，多年平均风速4.5m/s。

希拉穆仁地处阴山山地向内蒙古高原的过渡带，低山丘陵地形，平均海拔1600m。由于长期受风蚀作用，丘陵多呈浑圆波状。

希拉穆仁草原属典型干草原类型，优势植物主要有克氏针茅（Stipa krylovii）、冷蒿（Aritimisia frigida）、糙隐子草（Cleistogenes squarrosa）、冰草（Agropyron cristatum）和羊草（Leymus chinensis），为典型草原群落结构。20世纪80年代后期到90年代初期该地区草地植被盖度38%，叶层高7cm，生殖枝高14cm，每1m²面积上植物种类超过15种，干草产量831kg/hm²。

间歇性河流——塔布河在希拉穆仁镇东南部西南—东北方向过境，多年平均年径流量254万m³，径流深8mm，径流系数3%。沿河地下岩层有东西向构造破碎带，基岩裂隙水对古、新近系含水层的补给条件良好，地下水的运动方向由南向北，受基岩丘陵所阻，有利于地下水的聚集，因而塔布河两岸谷地地下水较丰富，储水形式为潜水—承压水，含水层岩性主要为砂岩、砂砾岩层，含水层厚度3～10m，顶板埋深小于10m，底板埋深6～20m，水位3～6m，单井涌水量在10～30t/h。

2005年以来，按照国家、内蒙古自治区生态建设统一部署，希拉穆仁镇推行放牧限制政策。草地利用方式根据草地资源情况分为3类：第一类为禁牧区，牛、羊2007年以后基本全部退出，人均保留马匹1～2匹，牧民开始主要从事草原风情旅游服务业；第二类为限制性放牧区，冬春季节禁止放牧，实行舍饲，夏秋季实行天然放牧和补饲；第三类为以草定畜区，按照30～35亩草地养1只羊的载畜量确定牧户牲畜规模。

2.1.3.2 草地植被生态特征分析

希拉穆仁草原地带性植被建群种植物为克氏针茅，伴生冰草、羊草、冷蒿、糙隐子草、银灰旋花、阿尔泰狗娃花等草本植物。

图2.2为希拉穆仁草原2007—2014年封育草地主要植物种重要值8年的年际变化。从图2.2中可以看出，克氏针茅占绝对优势地位，羊草处于亚优势地位，二者重要值一直超过0.5。喜砂质土壤的冰草在围封初期占较优势地位，随着围封年限的延长则逐渐下降，稳定于0.05左右。草地退化指示植物冷蒿在围封初期特别是2007年占最大优势，2008年以后逐渐下降，一直低于0.1。低矮植物糙隐子草、银灰旋花处于群落下层，作为克氏针茅的伴生植物随着围封年限的延长其重要值变化并不明显，二者合计在0.1～0.2之间。喜砂砾质土壤的阿尔泰狗娃花在围封初期较为常见，随着围封年限的延长则慢慢消失成为偶见种。短命植物猪毛菜只有在丰水年且无其他高大禾草竞争的环境条件下才能旺盛生长，但在围封天然草地虽然2008年和2012年为丰水年，但由于建群种植物的竞争压力，猪毛菜重要值很小。总体说来，天然草地经过8年的围封，已经形成了以克氏针茅为建群种，羊草为亚优势种，冰草、糙隐子草、银灰旋花等为伴生种的群落结构，已达到稳定的群落结构。

图2.2 围封天然草地物种组成年际变化

图2.3为希拉穆仁草原2007—2014年封育草地年降水量、植被产量、高度和盖度的年际变化。由图2.3中可以看出，年降水量对植被产量、高度和盖度影响较大。其中，植被产量与年降水量呈二次抛物线回归关系，回归方程为y=0.0035x²-1.1115x+176.63，R²=0.7232；植被高度与年降水量也呈二次抛物线回归关系，回归方程为y=0.0003x²-0.0613x+40.374，R²=0.6682；植被盖度与年降水量呈二次抛物线回归关系，回归方程为y=0.001x²-0.5062x+102.13，R²=0.7848。2012年为丰水年，降水量442.3mm，该年植被产量、高度和盖度也达到历年最大。枯水年如2007年、2009年和2010年植被产量一般低于100g/m²，高度约35cm，盖度40%左右。平水年如2011年、2013年和2014年植被产量一般为200g/m²左右，高度约50m，盖度约50%。

图2.3 围封天然草地年降水量、植被产量、高度和盖度年际变化

图2.4为希拉穆仁草原2007—2014年封育草地坡面不同位置植被产量、高度和盖度。由图2.4中可以看出，坡顶部和坡上部植被稀疏，植被产量、高度和盖度较低，坡中上部植被产量、高度和盖度迅速提高，坡中部至坡下部植被产量、高度和盖度处于同一水平，较坡中上部略低，坡底部植被产量、高度和盖度又大为提高，其中植被产量和高度与坡中上部持平，植被盖度则远超过坡中上部。综合看来，坡底部更适宜植物的生长。

图2.5为希拉穆仁草原2007—2014年封育草地坡面不同位置植被物种组成和生物多样性指数。由图2.5中可以看出，坡顶部和坡上部由于土壤贫瘠，植被稀疏，因而种间竞争较弱，植物种类较多，香农-威纳生物多样性指数较高。百里香和白花点地梅高度一般在2cm以内，根系较浅，竞争能力很弱，但耐旱、耐贫瘠能力较强，只有在坡顶处才能形成优势群落，而由于高大禾草逐渐增加，阻碍了它们的生长，因此从坡上部以下几乎不见百里香和白花点地梅。从坡上部往下，高大禾草如克氏针茅、羊草和冰草成为优势种，对其他植物形成了竞争压力，因此坡上部至坡下部植物种类较少，一般不超过10种/m²。坡底部由于土层相对较厚，养分含量相对较高，土壤水分条件有所改善，其资源供应能力较坡面强，各种植物能够获得更多的资源，因此植物种类有所提高，香农-威纳生物多样性指数较高。综合看来，坡底更有利于维持较丰富的物种组成和较高的生物多样性。

图2.4 围封天然草地坡面不同位置植被产量、高度和盖度

非地带性植被以芨芨草群丛为主，在河滩地、低湿地等地段较为常见。建群种植物以芨芨草（Achnatherum splendens）为主，伴生低矮的耐盐碱草本植物如碱茅（Puccinellia distans）、碱地肤（Kochia scoparia var.scoparia）、无芒隐子草（Cleistogenes songorica）、菊叶萎陵菜（Potentilla tanacetifolia）等。植物群落结构简单，芨芨草层片平均盖度50%以上，高度50cm以上，碱茅层片低矮，一般不超过10cm，但盖度较高，很多段接近100%，并且往往形成一个物种的单优群落。

地带性植被与非地带性植被有着明显的区别，前者以克氏针茅为建群种，分布广泛，后者以芨芨草为建群种，只分布于河滩地和低湿地。但二者在自然状态下并不是彼此分开，而是呈逐渐过渡的，即在坡下部克氏针茅群落中零散生长芨芨草，至坡底部克氏针茅群落中芨芨草多株聚集呈随机性分布，再到芨芨草成为建群种而克氏针茅成为伴生种，最后至低湿地成为芨芨草群丛而不见克氏针茅。该方面的量化分析还有待今后开展相关的专业研究。

在地带性植被与非地带性植被之间的过渡地段一般地势平坦，土层较厚，利于机械化作业，土壤水分条件较好，土壤盐碱化不严重，利于植物生长，因此最适宜发展成为人工草地。

图2.5 围封天然草地坡面不同位置植被物种组成及生物多样性指数

2.1.3.3 气象特征分析

1.气温

根据1960—2013年54年气象记录，希拉穆仁镇多年平均气温为2.62℃，是达茂旗最冷的地区之一。从历年平均气温的变化趋势来看，该地区年均气温大概有一个周期为40～50年正弦曲线变化规律，振幅约为1.6°。近10年正在经历“低温期”（图2.6）。

图2.6 希拉穆仁地区历年平均气温变化

根据2011—2013年观测结果，项目区最高气温为32～35℃，平均33.03℃，一般出现在7月，但是2012年最高气温却出现在6月中旬；最低气温为-40～-35℃，平均-36.67℃，一般出现在1月上中旬。3年平均气温平均值为2.57℃。不小于10℃积温2233～2585℃，平均2350.99℃。2011—2013年气温观测结果见表2.3。

3年月平均气温变化情况如图2.7所示。

图2.7 2011—2013年月平均气温变化曲线

2.辐射

一个地方接受太阳辐射的强弱和多少受多种因素的影响，如地理位置、海拔、空气洁净度、季节等，对于一个确定的地方来说，季节和空气洁净度是主要影响因素。空气洁净度主要受沙尘、雾霾和云的影响。空中有云遮阴时，辐射会锐减85%以上。

（1）辐射的日变化。一日内太阳照射时间夏季5—8月最长，可达14h，冬季12月、1月最短，大概只有9h。6—8月进入雨季，空中云量一般较多，受云影响，辐射在1天内的变化往往呈现大幅度起伏。图2.8是不同季节辐射水平的实测日变化曲线，这种曲线像“倒垂链线”。一日内12：00—13：00辐射最强烈，夏季6月辐射可达1200W/m²或以上，而冬季12月至次年1月则只有480～490W/m²（图2.8）。

（2）辐射的月变化。从辐射的季节变化上来说，6月的辐射水平最高，12月最低，参见图2.9。

（3）光伏提水系统的辐射保证率。光伏提水系统用于饲草料作物灌溉，所以这里仅探讨灌溉期（4—8月）太阳辐射的保证率。

光伏组件安装角度大致和地区纬度相同，即41°～42°。辐射计安装在组件斜面上测得的辐射为“斜面辐射”；一般气象站的辐射计通常水平安装，测得的辐射为“水平辐射”。如图2.10所示，水平辐射和41.5°斜面上测得的斜面辐射有以下经验关系：

图2.8 不同季节辐射水平的实测日变化曲线

图2.9 月平均辐射水平的变化曲线

式中：R_斜面——斜面辐射，W/m²；

R _水平——水平辐射，W/m²。

图2.10 水平辐射与光伏组件斜面辐射的关系

由于实际情况下每日总会有云雾遮日，因此太阳辐射不能100%保证光伏提水系统工作。近3年（2012—2014年）定点观测了每15min的太阳辐射，经分析计算得到灌溉期白天辐射保证率，结果见表2.4。

3.降水

（1）时空变化。根据希拉穆仁地区1960—2013年实测降水资料进行频率分析，得出如图2.11所示的P-Ⅲ型降水频率曲线，该曲线可以用下面多项式拟合，拟合相关性指标R²可达0.9944。

f=0.000007P³-0.0058P²+1.1261P+37.97

式中：P——年降水量，mm；

f——不小于P年降水的发生概率。

图2.11 希拉穆仁地区降水频率曲线

多年平均年降水量为282.9mm，典型水文年P=25%、50%和75%的年份分别为1995年、1984年和2001年，其全年降水量分别为328.9mm、278.8mm和224.7mm。最近3年（2011—2013年）降水量分别为258.6mm、442.3mm和278.1mm，其水文概率P分别为60.0%、3.6%和54.5%。差不多相当于一个中枯年、一个湿润年和一个中等年。

图2.12显示的是50%典型年（1984年）内各月降水量分布情况。明显地，降水年内分布极不均匀，以6—8月最多，占年内总降水量的73%。

降水年际变化也较大。分析1960—2013年54年逐年降水量变化（图2.13），年降水量标准偏差为68.7mm。全年总降水量1965年最低，为148.5mm，2003年最高，为448.6mm，最高、最低相差300.1mm，相差幅度比多年平均年降水量还高约6%。

4—9月降水量和全年降水量有密切相关关系，经分析线性拟合度较高，R²=0.9611，拟合公式为

图2.12 P=50%典型年各月降水分布

图2.13 年降水量变化

P _全年=1.0237P_4—9月+25.949

式中：P_全年——全年降水量，mm；

P _4—9月——4—9月降水量，mm。

用该经验公式计算全年降水量与实测对比如图2.14所示。

图2.14 经验公式推算与实测全年降水量的对比

由图2.14可以看出，经验公式推算值与实测值十分接近。实际中，冬季降水经常受融雪条件限制、冰冻影响不便观测，利用此经验公式可以由生长期降水量近似推算全年降水量。

达茂旗降水的空间变异很大。在全旗范围内，由南到北降水逐渐减小，大概每25～30km年降水量减少20mm。处于最东南的希拉穆仁镇年降水量最大，达280mm，最北端的满都拉苏木年降水量为180mm左右（图2.15）。

图2.15 达茂旗年降水等值线图

小范围内不同地点降水也可能有较大差异。在位于希拉穆仁镇的水利部牧区水利科学研究所科研基地 （以下简称 “基地”），按地势的不同分别在坡顶部、坡中间和坡底部布置了自动气象观测站，各气象站彼此相距水平距离基本在150～200m 之间，如图2.16所示。

表2.5给出了最近3年不同测站测得的灌溉期（4—9月）降水量，可以看出，尽管在较小范围内，各测站测量结果也存在明显差异，平均标准差为8.1mm。

图2.16 基地部分观测试验设施布设位置图

（2）降水分割特征。降水到达地面时，分割为3个部分，即入渗、蒸发和径流，水文上称降水渗入土壤前的分割为“第一次分割”。分割比例与降水、土壤、地面坡度、前期土壤含水量以及地面覆盖等多种因素有关。径流的产生与否主要由降雨历时和降水强度来决定，观测试验表明，径流与综合指标——降水侵蚀力密切相关。降水侵蚀力指标R的表达式为

R=I₃₀P(210.2+89lgI)

式中：I₃₀——最大30min降水强度，cm/h；

I——一次降水平均强度，cm/h；

P——一次降水量，cm。

观测研究发现，项目区降水产流的最小侵蚀力为55，但这时产流很小，可能到达不了坡底即入渗。较大径流发生的降水侵蚀力都在70以上，发生小流域洪水的降水侵蚀力指标一般在1000以上，项目试验基地所在小流域近3年观测到最大的降水侵蚀力指标为2240，发生在2014年7月29日。

希拉穆仁地区生长期每次降水多为阵发性，即历时较短，降水量较小，有时强降水，特别在6—8月多有强对流天气，发生暴雨，产生中小规模洪水，造成较强烈水蚀。

降水入渗补给土壤水分与每次降水量有极大关系。根据基地多年观测，次降水量较小时（0mm<降水量<5mm），入渗补给土壤的可能性不足10%，入渗量很小，入渗率仅约5%，所以小于5mm的降水对于补充土壤水分来说确实可认为是“无效降水”；稍大一些的降水（5mm≤降水量＜10mm）有1/3的可能有入渗，入渗率35%左右；再大一些的降水（10mm≤降水量＜20mm）一般均有入渗，入渗率约40%，但一般没有产流；较大降水（降水量≥20mm）肯定有明显入渗补给和产流，补给率93%左右，而径流系数大约5%。不同降水的入渗、产流情况参见表2.6。

植物生长期降水入渗对土壤水分的补给率约为36%。

4.蒸散特征

基地应用涡度相关通量观测仪器系统、土壤水分监测仪和蒸渗仪等手段定位长期观测草地蒸散。通过分析研究观测数据，总结希拉穆仁地区天然草地蒸散特征和耗水规律如下。

（1）蒸散日变化。蒸散日变化类似辐射的日变化，日出以后蒸散逐渐增大，日落时逐渐变小。一日内从9：00—10：00到14：00—15：00这段时间内蒸散强度最大，达0.15～0.25mm/h。

夜间（19：00—6：00）蒸散强度很小，接近为0，甚至出现负蒸散（即水汽向地面沉降）。一般白天蒸散量占全天蒸散的90%以上，夜间蒸散量不足10%。

降水对日蒸散规律有很大影响。例如，无降雨日白天一般不出现负蒸散，但在有降水日，白天也可能出现负蒸散。降水使土壤水分充足，雨停后蒸散水平会迅速升高，蒸散强度达到无降水日的2～3倍，有阳光出现时可能达到10多倍。

（2）蒸散季节变化。生长期蒸散明显要高于枯萎寒冷期，6—8月为全年蒸散最强烈的时期，这一时期日蒸散量的月平均水平在2012年达到1.5～1.7mm/d，2013年达到1.0～1.3mm/d。植物枯萎以后蒸散强度便随即下降，月平均水平在0.5mm/d以下。冬季（12月至次年2月）保持每月0.3～0.4mm/d的蒸散水平。

生长期的蒸散量，2012年为220.8mm，2013年为159.2mm，分别占当年同期降水量的65.8%和67.7%，占全年降水量的60.1%和61.9%。

根据2013年观测，总蒸散量占全年降水量的82.9%。在全年的总蒸散中，生长期蒸散量约占3/4，枯萎期蒸散量约占1/4。

（3）蒸散量与气候因子关系分析。通过分析日平均蒸散量和主要气象因子日平均值的相关关系得知，蒸散与辐射、气温、风速、相对湿度等气象因子呈二次多项式关系，但密切程度不同，与日平均净辐射、平均气温相关性最好，与日均总辐射相关性差，与日均相对湿度、日均风速相关性非常差。

（4）通量法与蒸渗仪法观测结果对比。观测发现，蒸渗仪土柱温度与周围草地土壤温度相比，3—6月高1～3℃，7—10月接近，11月至次年2月高3～12℃。土温偏高使得蒸渗仪观测蒸散值高于通量法，即造成对蒸散水平的高估。生长期蒸散量，2012年蒸渗仪观测值比通量法高30%，2013年高出1倍。

5.风特征

根据近3年（2011—2013年）的观测，项目区年平均风速2.2～2.8m/s，每年春季3—5月和冬季11—12月为风多、风大季节。最大风速2011年测得为18.2m/s（出现在4月30日），2012年测得为18.9m/s，2013年测得为17.8m/s（出现在6月1日）。

风速在一天内一般上午较小，下午至前半夜较大，一天中的最大风常出现在傍晚时分。地势较高处一般风也较大。

图2.17为2011—2013年实测月平均风速变化曲线。从图2.17可以明确看出风速在不同季节、不同地势的变化情况。不同年度测得的风速变化具有高度的一致性。

希拉穆仁地区风向多为NW、W，图2.18为一年内0.5h间隔观测的风向玫瑰图，可以看出西北风最多，占20%～23%，东风最少，约占5%。

2.1.3.4 天然草地根层土壤水分变化

基地采用自动水分仪常年监测30cm深度内土壤水分状况。仪器分别布置在坡顶和谷地，两处地势高低相差约12m。土壤水分传感器埋置于10cm、20cm、30cm 3种深度，这是草地植物根系的主要活动范围。

图2.17 不同年份月平均风速变化曲线

图2.18 风向玫瑰图

1.一般规律

土壤水分一般处于较低的水平，含水率年内大部分时候维持在10%左右。图2.19为全年土壤水分实测日变化曲线。由图2.19可以看出，10cm深度土壤含水率最大，基本总在10%以上；20cm、30cm深度土壤水分相差不大，一般为5%～8%。

图2.19 土壤水分实测日变化曲线

注：2013年7—8月低洼草地做过人工灌水试验，水分偏高。

2.季节变化

天然草地土壤水分主要接受降水补给，所以每有降水发生，水分曲线会出现尖峰。每年6—9月降水较多的季节里，水分处于较高水平，达20%左右，洼地土壤水分甚至还会出现30%以上的近饱和或饱和状态（渍涝）。自然地，降水较多的年份，土壤水分一般也较高，这一点特别反映在雨季（图2.20）。

上层土壤水分受气候影响明显比深层土壤要大，10cm深度土壤含水率变化，无论是频度还是强度，都显著大于20cm、30cm深度处。

土壤水分在一年中有两个时期较高，一个是4月，另一个是7—9月。7—9月是多雨季节，土壤水分较高是因为降水较多。3—4月一般降水较少，雪的覆盖也一般很少，但是土壤水分在这一时期却出现明显的高峰（以2011年为例，参考图2.21），高于平时达50%之多，这与冻融期土壤水分向上层富集的机制密切相关。

图2.20 不同年份0～30cm深度土壤水分逐月变化曲线

图2.21 2011年高地、洼地土壤水分与降水量变化

3.不同地势对比

地势高低对土壤水分有明显影响。水有向下汇集的特性，同时较高处更易受风的影响（高地风速一般比低地风速大，参见图2.17），所以高处土壤水分一般比低处低。图2.22显示了3种不同年份 P=90.9%（2009年）、P=49.9%（2014年）和P=3.6%（2012年）高地和洼地各月平均土壤水分变化的对比情况，均表明高地土壤水分低于低洼地土壤水分。干旱年份差别小一些，高地土壤含水率比洼地低6%左右，湿润年份差别较大，大约低25%～35%。

图2.22 不同年份、不同地势逐月土壤水分的对比