白刺沙包淺層土壤水分動(dòng)態(tài)及其對(duì)不同降雨量的響應(yīng)

李新樂(lè),吳 波,張建平,辛智鳴,3,董 雪,段瑞兵,3

1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院，荒漠化研究所， 北京 100091 2 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心， 磴口 015200 3 內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀(guān)測(cè)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(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中,大氣降雨作為土壤水分補(bǔ)給的重要來(lái)源,降雨入滲決定著土壤水分的分布特征,進(jìn)而影響植被的生長(zhǎng)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(qiáng)度和季節(jié)分配等[3]。許多氣候變化研究都預(yù)測(cè)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(zhǎng),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(shí)間動(dòng)態(tài)特征有助于在水文過(guò)程與生態(tài)格局之間建立定量的聯(lián)系,由于土壤水分對(duì)整個(gè)地球系統(tǒng)的重要性,它的時(shí)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(gè)生物過(guò)程中的作用就顯得尤為重要[8-9]。

近年來(lái),越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始關(guān)注干旱區(qū)降雨變化對(duì)土壤水分的影響。國(guó)外學(xué)者就土壤水分入滲等問(wèn)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(shí)間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了大量的相關(guān)研究,涉及土壤初始狀況對(duì)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(dòng)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(guó)西北干旱荒漠區(qū)典型且比較完整的植被單元,對(duì)其土壤水分變化特征已有一些研究[19-20],但都是針對(duì)不同演替階段的白刺沙堆開(kāi)展的。關(guān)于不同降雨量對(duì)同一白刺沙包土壤水分補(bǔ)給差異缺乏對(duì)比研究；而且不同降雨事件,貢獻(xiàn)率較大的大降雨事件和占有較大比重的小降雨事件均會(huì)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(wú)法采集到不同量級(jí)的降雨事件,本研究通過(guò)對(duì)烏蘭布和沙漠白刺沙包淺層土壤水分進(jìn)行連續(xù)3 年監(jiān)測(cè),分析植被生長(zhǎng)季不同深度土層對(duì)不同降雨量的響應(yīng)及整個(gè)生長(zhǎng)季的土壤水分動(dòng)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(guó)林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心第二實(shí)驗(yàn)場(chǎng),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(wú)霜期136 d,土壤類(lèi)型為風(fēng)沙土。植被類(lèi)型屬于溫帶灌木荒漠,唐古特白刺(Nitrariatangutorum)是研究地點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)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(dòng)測(cè)量系統(tǒng)(AR- 5-SE,Avalon,USA)。AR5土壤水分自動(dòng)測(cè)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(guó)Decagon公司(Decagon Devices Inc.,Pullman,WA)研制的一種新型土壤水分監(jiān)測(cè)儀器。國(guó)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(chǔ)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(guān)察降雨的垂直入滲,土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)讀取時(shí)間間隔為10 min,儀器于2014年5月安裝,為減少安放儀器時(shí)土壤擾動(dòng)對(duì)測(cè)量準(zhǔn)度的影響,分析使用2015—2017年5月至9月整個(gè)生長(zhǎng)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(dòng)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(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhǎng)季降雨變化特征

對(duì)研究區(qū)2015—2017年降雨資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì),3年生長(zhǎng)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(zhǎng)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(jí)來(lái)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(dòng)態(tài)

從圖2可以看出：白刺生長(zhǎng)季沙包淺層土壤水分變化大致可以分為兩個(gè)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(shí)在這個(gè)時(shí)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(dòng)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(dòng)存在差異,表層土壤水分表現(xiàn)為驟升驟降的脈沖式特點(diǎn),由于表層(0—10 cm)和10—20 cm土層土壤水分滲透很快,在短時(shí)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(dòng)相對(duì)較小,較長(zhǎng)時(shí)間維持在3%—8%左右。由此可以認(rèn)為淺層土壤水分動(dòng)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(zhǎng)季降雨變化同步。

圖2 2015—2017年白刺生長(zhǎng)季沙包土壤水分動(dòng)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(duì)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(duì)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(shí)間為10 h)對(duì)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(shí)間為2 h)只對(duì)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(duì)不同降雨量的響應(yīng)時(shí)間

由表2可以看出,白刺沙包不同深度土層對(duì)不同降雨量的響應(yīng)時(shí)間存在差異。對(duì)于10 cm土層而言,除5 mm的降雨外,其他降雨事件響應(yīng)時(shí)間均為0.5 h,說(shuō)明表層土壤在發(fā)生降雨后快速完成響應(yīng)。對(duì)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(shí)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(shí)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(duì)不同降雨量的響應(yīng)時(shí)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(duì)土壤水分含量的影響

在白刺生長(zhǎng)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(dòng)劇烈,特別是生長(zhǎng)季中期大雨(>30 mm)過(guò)后可以增加到10%—15%；而30—50 cm土壤含水量則相對(duì)比較穩(wěn)定,一直在3%—8%之間波動(dòng)。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(duì)較小。降雨量越大,對(duì)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(bǔ)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(kù)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(bǔ)充土壤水分。在毛烏素沙地的研究表明：大于15 mm的降水對(duì)土壤水分有一定的補(bǔ)給作用,流動(dòng)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(dòng)劇烈,60 cm土壤水分主要受大于30 mm降雨影響且波動(dòng)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(duì)淺根性植被生長(zhǎng)與發(fā)育有重要的意義,大于5 mm降水事件能夠有效地補(bǔ)充深層土壤水分；小于20 cm土層土壤水分對(duì)降水脈動(dòng)響應(yīng)較為明顯。趙學(xué)勇等[27]運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法在科爾沁沙區(qū)研究發(fā)現(xiàn)一定強(qiáng)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(duì)土壤深層的水分補(bǔ)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(huì)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(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。

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(jìn)入生長(zhǎng)旺盛期(開(kāi)花結(jié)實(shí)期),植物需水量大,對(duì)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(gè)時(shí)期蒸發(fā)強(qiáng)烈,降雨稀少,白刺沙包土壤水分沒(méi)有補(bǔ)給來(lái)源,因此造成土壤水分大幅度降低。

3.2 不同降雨強(qiáng)度對(duì)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(qiáng)度、歷時(shí)有關(guān),降雨強(qiáng)度越大,降雨入滲速率隨降雨時(shí)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(duì)沙包土壤水分的影響深度有明顯差異,44.7 mm的降雨對(duì)沙包土壤含水量的影響深度達(dá)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(qiáng)度不同造成的。干旱地區(qū)以超滲產(chǎn)流為主,當(dāng)降雨強(qiáng)度大于土壤入滲率時(shí)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(guò)查閱2016年降雨資料可知,44.7 mm的降雨時(shí)間為10 h,降雨強(qiáng)度為：4.47 mm/h,而48.8 mm的降雨時(shí)間為2 h,降雨強(qiáng)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(shí)間內(nèi)高強(qiáng)度的降雨容易產(chǎn)生徑流,減少了土壤水分垂直入滲,同時(shí)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(duì)荒漠植被生長(zhǎng)的影響

研究干旱區(qū)荒漠植被土壤水分分布及其對(duì)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(wèn)題[33]。就研究區(qū)而言,15.4 mm及以下降雨量只能補(bǔ)給20 cm以上土壤水分,而較大的降雨量(>20 mm)對(duì)深層土壤水分(20 cm以下)的補(bǔ)給非常重要。從降雨頻次上來(lái)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(bǔ)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng),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(zhǎng)期水分供給不足會(huì)導(dǎo)致白刺群落的衰退,研究區(qū)這種降雨格局將對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)沙包土壤水分的補(bǔ)給非常有限,因此天然降雨是土壤水分的最重要補(bǔ)給源。白刺沙包土壤水分動(dòng)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(dá)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(shí)間分別為0.5、1、1、1.5 h和5 h。