李新樂,吳 波,張建平,辛智鳴,3,董 雪,段瑞兵,3

1 中國林業(yè)科學(xué)研究院，荒漠化研究所， 北京 100091 2 中國林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實驗中心， 磴口 015200 3 內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站， 磴口 015200

土壤水分是干旱區(qū)植被生存和發(fā)展的主要限制因子[1]。在植被生長發(fā)育過程中,大氣降雨作為土壤水分補給的重要來源,降雨入滲決定著土壤水分的分布特征,進而影響植被的生長情況和穩(wěn)定性[2]。全球變暖改變了全球的降雨格局,包括降雨量、降雨的頻率、強度和季節(jié)分配等[3]。許多氣候變化研究都預(yù)測今后的極端干旱和降雨事件將更頻繁[4],導(dǎo)致土壤水分缺乏的周期延長,土壤水分含量的可變性增加[5]。研究土壤水分的空間變異及時間動態(tài)特征有助于在水文過程與生態(tài)格局之間建立定量的聯(lián)系,由于土壤水分對整個地球系統(tǒng)的重要性,它的時間和空間變化日益引起水文界的廣泛關(guān)注[6-7]。干旱荒漠區(qū)年降雨量稀少,土壤水分在整個生物過程中的作用就顯得尤為重要[8-9]。

近年來,越來越多的學(xué)者開始關(guān)注干旱區(qū)降雨變化對土壤水分的影響。國外學(xué)者就土壤水分入滲等問題做了大量研究,Matsui等[10]研究了土壤水分入滲與土壤含水量的關(guān)系,建立了土壤水分入滲速率與時間的數(shù)學(xué)表達式。國內(nèi)也開展了大量的相關(guān)研究,涉及土壤初始狀況對入滲的影響[11]、降雨與坡面徑流特征[12]、降雨與入滲深度[13]、沙丘或特定植被群落的土壤水分動態(tài)[14-15]、降雨入滲再分配[16]、土壤水分空間異質(zhì)性的影響因子[17-18]等方面。白刺沙包作為我國西北干旱荒漠區(qū)典型且比較完整的植被單元,對其土壤水分變化特征已有一些研究[19-20],但都是針對不同演替階段的白刺沙堆開展的。關(guān)于不同降雨量對同一白刺沙包土壤水分補給差異缺乏對比研究；而且不同降雨事件,貢獻率較大的大降雨事件和占有較大比重的小降雨事件均會在土壤水分循環(huán)中產(chǎn)生重要作用,并存在明顯的差異性。

由于干旱區(qū)降雨稀少,1 年內(nèi)無法采集到不同量級的降雨事件,本研究通過對烏蘭布和沙漠白刺沙包淺層土壤水分進行連續(xù)3 年監(jiān)測,分析植被生長季不同深度土層對不同降雨量的響應(yīng)及整個生長季的土壤水分動態(tài)特征,以期為荒漠植被的發(fā)展和土壤水分承載力間平衡關(guān)系的判定提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市磴口縣,中國林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實驗中心第二實驗場,地理位置為106°43′ E,40°24′ N,海拔約1050 m。該區(qū)位于烏蘭布和沙漠東北部,屬于溫帶大陸性干旱氣候,年平均氣溫7.8℃,多年平均降水量約145 mm,降雨主要集中在6—9月份,約占全年降水的70%—80%,年蒸發(fā)量約2327 mm,無霜期136 d,土壤類型為風(fēng)沙土。植被類型屬于溫帶灌木荒漠,唐古特白刺(Nitrariatangutorum)是研究地點的優(yōu)勢植物,能夠阻擋風(fēng)沙并形成白刺灌叢沙包,沙包高約1—3 m,直徑約6—10 m,植被蓋度約為45%—75%,伴生種有沙鞭(Psammochloavillosa)、油蒿(Artemisiaordosica)等。群落蓋度為20%—30%。

1.2 儀器安裝

選擇研究區(qū)域內(nèi)處于穩(wěn)定階段的典型白刺沙包(表1),在沙包迎風(fēng)坡中部分別安裝AR5土壤水分自動測量系統(tǒng)(AR- 5-SE,Avalon,USA)。AR5土壤水分自動測量系統(tǒng)使用EC- 5水分傳感器,EC- 5土壤水分傳感器(ECH2O EC- 5 Moisture Sensor)是美國Decagon公司(Decagon Devices Inc.,Pullman,WA)研制的一種新型土壤水分監(jiān)測儀器。國內(nèi)外的一些應(yīng)用表明EC- 5土壤水分傳感器在獲取連續(xù)的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)方面具有較好的效果[21- 23]。本研究采用AR5數(shù)據(jù)采集器為EC- 5供電和存儲數(shù)據(jù)。土壤水分傳感器的安放深度分別是10、20、30、40 cm和50 cm,不同層次土壤水分傳感器上下垂直排布,以觀察降雨的垂直入滲,土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)讀取時間間隔為10 min,儀器于2014年5月安裝,為減少安放儀器時土壤擾動對測量準(zhǔn)度的影響,分析使用2015—2017年5月至9月整個生長季的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用研究區(qū)附近自動氣象站記錄2015—2017年的降雨數(shù)據(jù),分析研究區(qū)的降雨變化特征。利用Excel 2010、SigmaPlot 10.0對相關(guān)數(shù)據(jù)進行處理分析及制圖。

表1 白刺沙包基本特征

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)2015—2017年生長季降雨變化特征

對研究區(qū)2015—2017年降雨資料進行統(tǒng)計,3年生長季(5—9月)降雨量分別為：46.2、167.2 mm和54.5 mm。從圖1可知,降雨在各月份的分配差異較大,主要集中在6—9月份,其中除9月外,2016年各月降雨量均高于2015年和2017年。

圖1 研究區(qū)2015—2017年生長季降水變化特征Fig.1 Characteristics of rainfall variation in the growing season of the study area from 2015 to 2017

從降雨量級來看,最小單次降雨量為0.1 mm,最大單次降雨量為48.8 mm。0—5 mm降雨量的頻次最大,2015、2016和2017年均為12次,占總降雨次數(shù)的72%,累計降雨量54 mm,占總降雨量的20.2%。降雨量介于5—10 mm的降雨事件共發(fā)生6次,占總降雨次數(shù)的12%,累計降雨量40.6 mm,占總降雨量的15.2%。降雨量介于10—20 mm的降雨事件共發(fā)生4次,占總降雨次數(shù)的8%,累計降雨量58 mm,占總降雨量的21.6%。降雨量介于20—30 mm的降雨事件共發(fā)生2次,占總降雨次數(shù)的4%,累計降雨量47.6 mm,占總降雨量的18.1%。降雨量大于30 mm的降雨事件共發(fā)生2次,占總降雨次數(shù)的4%,累計降雨量93.5 mm,占總降雨量的34.9%。

2.2 白刺沙包淺層土壤水分動態(tài)

從圖2可以看出：白刺生長季沙包淺層土壤水分變化大致可以分為兩個階段：①土壤水分恢復(fù)期(5月初—6月初),隨著氣溫的升高,早春積雪融化,土壤解凍,同時在這個時期還有少量的降雨,使土壤含水量維持在5%—11%。②土壤水分波動期(6月中旬—9月底),6月份以后降雨增多,在較大的降雨或連續(xù)降雨的條件下,不同深度的土壤含水量波動存在差異,表層土壤水分表現(xiàn)為驟升驟降的脈沖式特點,由于表層(0—10 cm)和10—20 cm土層土壤水分滲透很快,在短時間內(nèi)迅速升至10%—15%,而后耗于土壤蒸發(fā)和植物蒸騰,逐漸降至5%；20 cm以下土層土壤水分下滲緩慢,波動相對較小,較長時間維持在3%—8%左右。由此可以認(rèn)為淺層土壤水分動態(tài)變化主要因大氣降雨的季節(jié)分布而變化,即白刺沙包淺層土壤水分的變化與生長季降雨變化同步。

圖2 2015—2017年白刺生長季沙包土壤水分動態(tài)Fig.2 Soil water content dynamics of nebkha in the growth season of Nitraria tangutorum in 2015—2017

2.3 不同降雨量前后不同土層深度水分變化特征

圖3表明,5 mm的降雨只對0—10 cm土層土壤水分產(chǎn)生影響,使0—10 cm土層土壤水分提高24.5%；15.4 mm的降雨對20 cm以上土層土壤水分產(chǎn)生影響,分別使0—10、10—20 cm土層土壤水分提高247.4%和41.8%；21.3 mm的降雨主要影響30 cm以上土層土壤水分,分別使0—10、10—20、20—30 cm土層土壤水分提高220.9%、132.1%和53.1%；26.3 mm的降雨改變了40 cm以上土層土壤水分,分別使0—10、10—20、20—30、30—40 cm土層土壤水分提高104.4%、60.6%、115.5%和188.2%；44.7 mm的降雨(降雨時間為10 h)對50 cm以上土層土壤水分均產(chǎn)生影響,分別使各土層土壤水分提高153.9%、120.8%、245.3%、453.2%和132.7%；但是,48.8 mm的降雨(降雨時間為2 h)只對20 cm以上土層土壤水分產(chǎn)生影響,分別使0—10 cm和10—20 cm土層土壤水分提高230.2%和61.8%。

2.4 不同深度土層對不同降雨量的響應(yīng)時間

由表2可以看出,白刺沙包不同深度土層對不同降雨量的響應(yīng)時間存在差異。對于10 cm土層而言,除5 mm的降雨外,其他降雨事件響應(yīng)時間均為0.5 h,說明表層土壤在發(fā)生降雨后快速完成響應(yīng)。對于10 cm以下土層而言,隨著降雨量的增大,土壤水分發(fā)生變化的響應(yīng)時間逐漸變短。白刺沙包土壤在不同降雨量影響下,10、20、30、40 cm和50 cm土層土壤水分變化的最快響應(yīng)時間分別為0.5、1、1、1.5 h和5 h。

圖3 不同降雨量前后不同土層水分變化特征Fig.3 Characteristics of water changes in different soil layers before and after different rainfall

土層深度Soil depth/cm對不同降雨量的響應(yīng)時間Response time to different rainfall/h5mm15.4mm21.3mm26.3mm44.7mm48.8mm1030.50.50.50.50.52065.551130207.5140101.5505

3 討論

3.1 不同降雨量對土壤水分含量的影響

在白刺生長季內(nèi),白刺灌叢沙包的表層(10 cm)和10—20 cm土層土壤含水量波動劇烈,特別是生長季中期大雨(>30 mm)過后可以增加到10%—15%；而30—50 cm土壤含水量則相對比較穩(wěn)定,一直在3%—8%之間波動。降雨后表層土壤的含水量得到明顯改善,而土壤30—50 cm的含水量增幅相對較小。降雨量越大,對土壤水分的影響深度越大。例如,44.7 mm的降雨能夠明顯增加0—50 cm土層的土壤含水量,而5 mm的降雨只能增加10 cm土層的土壤含水量。有研究表明,2007年8月甘肅民勤一次47.6 mm的大雨發(fā)生后,穩(wěn)定階段白刺沙包的土壤水分最大補給深度僅為30 cm[19],比本研究的穩(wěn)定階段白刺沙包土壤水分影響深度低。魏雅芬等[24]在庫布齊沙漠研究發(fā)現(xiàn)5 mm以下的降水一般有增加空氣濕度、降溫的作用,一定程度上可以緩解旱情；5 mm以上的降水能有效補充土壤水分。在毛烏素沙地的研究表明：大于15 mm的降水對土壤水分有一定的補給作用,流動沙丘土壤含水量受降雨影響較大,其中30 cm以上土壤水分波動劇烈,60 cm土壤水分主要受大于30 mm降雨影響且波動較小[25]。劉冰等[26]在黑河地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)小于5 mm降水事件對淺根性植被生長與發(fā)育有重要的意義,大于5 mm降水事件能夠有效地補充深層土壤水分；小于20 cm土層土壤水分對降水脈動響應(yīng)較為明顯。趙學(xué)勇等[27]運用地統(tǒng)計學(xué)方法在科爾沁沙區(qū)研究發(fā)現(xiàn)一定強度的降水在短期內(nèi)只能使表層土壤水分的空間變異性減弱,而對土壤深層的水分補充和影響有限?？茽柷呱车匾淮?2 mm降雨之后,小葉錦雞兒灌叢下的土壤水分會隨著蒸發(fā)而逐漸減少,表層(0—20 cm)的水分減少最快[28]。這些研究結(jié)論與本研究結(jié)果基本一致,表明表層土壤水分受降雨量影響最明顯,20 cm以下土層土壤水分只有在發(fā)生大于20 mm的降雨量后才會產(chǎn)生波動。

此外,2015年6月份土壤水分大幅降低的原因有兩方面,一方面是6月白刺進入生長旺盛期(開花結(jié)實期),植物需水量大,對土壤水分的消耗量較大,消耗了較多土壤水分；另一方面是這個時期蒸發(fā)強烈,降雨稀少,白刺沙包土壤水分沒有補給來源,因此造成土壤水分大幅度降低。

3.2 不同降雨強度對土壤水分入滲深度的影響

土壤水分入滲深度除了與降雨量大小有關(guān)外,還與降雨強度、歷時有關(guān),降雨強度越大,降雨入滲速率隨降雨時間的衰減速度越快[29]。本研究結(jié)果顯示,2016年兩次降雨量相近的降雨事件(44.7 mm和48.8 mm)對沙包土壤水分的影響深度有明顯差異,44.7 mm的降雨對沙包土壤含水量的影響深度達50 cm,而48.8 mm的降雨只影響了0—20 cm土層的土壤水分,這是由于二者的降雨強度不同造成的。干旱地區(qū)以超滲產(chǎn)流為主,當(dāng)降雨強度大于土壤入滲率時形成地表徑流,當(dāng)降雨入滲轉(zhuǎn)化為土壤水分后在一定坡度下形成壤中流[30]。通過查閱2016年降雨資料可知,44.7 mm的降雨時間為10 h,降雨強度為：4.47 mm/h,而48.8 mm的降雨時間為2 h,降雨強度為：24.4 mm/h。48.8 mm的降雨下滲較淺原因在于穩(wěn)定階段白刺沙包土壤表層結(jié)皮分布較多,且沙包表面有一定坡度,短時間內(nèi)高強度的降雨容易產(chǎn)生徑流,減少了土壤水分垂直入滲,同時穩(wěn)定階段植被蓋度較大,出現(xiàn)灌層截留,導(dǎo)致降雨出現(xiàn)再分配[31]。

3.3 降雨格局變化對荒漠植被生長的影響

研究干旱區(qū)荒漠植被土壤水分分布及其對降雨格局變化的響應(yīng)可為植被的發(fā)展和土壤水分承載力間平衡關(guān)系的判定提供科學(xué)依據(jù)[32],這也是荒漠生態(tài)系統(tǒng)維持穩(wěn)定和植被恢復(fù)與重建研究中亟需解決的關(guān)鍵問題[33]。就研究區(qū)而言,15.4 mm及以下降雨量只能補給20 cm以上土壤水分,而較大的降雨量(>20 mm)對深層土壤水分(20 cm以下)的補給非常重要。從降雨頻次上來看,研究區(qū)小于5 mm的降雨事件最多,占所有降雨事件的72%,小于20 mm的降雨事件占到94%,20 mm及以上的降雨事件僅占6%,由于小于20 mm的降雨事件只能補給20 cm以上土壤水分,所以研究區(qū)降雨格局的變化將嚴(yán)重影響土壤水分狀況,在降雨總量不變的情況下,多次少量(<5 mm)的降雨有利于淺根系草本植物的生長發(fā)育,而少次大量(>20 mm)的降雨則更有利于深根系灌木的生存,這與Ram和Aaron[34]、Li等[35]的研究結(jié)論一致。Berndtsson等[36]研究也發(fā)現(xiàn),小降雨事件能有效地恢復(fù)表層土壤水,因此淺根植物受益；而較大的降雨有利于深層土壤水分的恢復(fù),對深根系植物有利。因此,在研究區(qū)降雨事件以小于20 mm降雨為主的情況下,導(dǎo)致20 cm以下土壤水分逐步惡化,久之將有利于淺根系草本植物的生長,而白刺群落根系主要分布在30 cm以下,利用30—60 cm土層土壤水分[37],長期水分供給不足會導(dǎo)致白刺群落的衰退,研究區(qū)這種降雨格局將對淺層土壤水分及植被演替產(chǎn)生重要影響。

4 結(jié)論

(1)在烏蘭布和沙區(qū),<10 mm的降雨只能對0—10 cm土層白刺沙包土壤水分產(chǎn)生影響,10—20 mm的降雨可以對0—20 cm土層的白刺沙包土壤水分產(chǎn)生影響,20—30 mm降雨能夠?qū)?—30 cm土層土壤水分產(chǎn)生影響,>30 mm的降雨可以影響到0—50 cm土層(甚至更深)的土壤水分。

(2)研究區(qū)地下水位在5 m以下,對沙包土壤水分的補給非常有限,因此天然降雨是土壤水分的最重要補給源。白刺沙包土壤水分動態(tài)受降雨事件的影響較大,10 cm土層土壤水分受降雨的影響最為明顯,土壤水分含量變化劇烈,較大降雨事件(降雨量大于20 mm)后土壤水分含量能迅速達到15%左右,而后又逐漸下降到5%左右。

(3)白刺沙包土壤在不同降雨量影響下,10、20、30、40 cm和50 cm土層土壤水分變化的最快響應(yīng)時間分別為0.5、1、1、1.5 h和5 h。