高寒沙地典型人工林土壤水分動(dòng)態(tài)及其對(duì)降雨的響應(yīng)

楊凱悅，賈志清, ，李清雪，何凌仙子，戴捷，陳娟

1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所，北京 100091；2. 青海共和荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站，青海 共和 813005

土壤水是地表水、地下水、大氣水之間相互轉(zhuǎn)化的紐帶，在水資源形成、轉(zhuǎn)化及消耗過程中起著重要作用，也是影響植被建設(shè)的首要因素（Simmons et al.，2008，徐慶等，2011）。降雨量是影響土壤水分入滲補(bǔ)給深度的關(guān)鍵因素，但由于地理環(huán)境、土壤質(zhì)地等差異，在不同地區(qū)土壤水分對(duì)于降雨的響應(yīng)關(guān)系明顯不同。研究表明，要使同一深度的土壤達(dá)到水分補(bǔ)給，干旱半干旱地區(qū)的降雨量要顯著高于相對(duì)濕潤地區(qū)（Jia et al.，2015，Yao et al.，2013）。在沙區(qū)，降雨入滲是土壤水分主要的補(bǔ)給來源（Yang et al.，2014），沙土中水分含量及其動(dòng)態(tài)變化對(duì)土地沙漠化的發(fā)生和逆轉(zhuǎn)過程具有非常顯著的作用，是土地沙漠化的主要調(diào)控者（Berndtsson et al.，1994）。小雨只能對(duì)表層土壤進(jìn)行水分補(bǔ)給，大雨才能夠使水分滲透表層土壤補(bǔ)給深層土壤（Yang et al.，2014），而且隨著土層深度的增加，土壤水分對(duì)降雨的響應(yīng)逐漸減弱（茹豪等，2014），但即便是年降雨量達(dá)到450 mm時(shí)，降雨對(duì)地下水的補(bǔ)給作用也極其微弱（李東方等，2013）。目前針對(duì)土壤水分對(duì)降雨的響應(yīng)研究主要集中在黃土高原和各大沙區(qū)等干旱半干旱地區(qū)，對(duì)于高寒沙地區(qū)域內(nèi)土壤水分對(duì)降雨的響應(yīng)的研究還未涉及，對(duì)于不同生長階段的人工林之間的比較仍未見報(bào)道。

高寒沙區(qū)作為中國青藏高原地區(qū)重要的生態(tài)系統(tǒng)組成部分，其特殊的地理位置和生態(tài)環(huán)境條件，使得該區(qū)域水分供需矛盾突出，降雨量與土壤水分之間的響應(yīng)關(guān)系成為亟須明確的科學(xué)問題。因此，以高寒沙區(qū)不同生長階段的中間錦雞兒（Caragana intermedia）人工林為研究對(duì)象，分析其在不同深度的土壤水分動(dòng)態(tài)變化特征，探討不同深度土壤水分對(duì)不同降雨量的響應(yīng)過程，深入了解高寒沙區(qū)植物與降雨關(guān)系，為高寒沙區(qū)的植被恢復(fù)與合理配置提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

共和盆地位于青藏高原東北部祁連山與昆侖山的過渡帶，研究區(qū)位于共和盆地青海共和荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位研究站內(nèi)（99°45′－100°30′E，36°03′－36°40′N），屬高原高寒沙化土地類型區(qū)，是高原溫帶半干旱草原和干旱荒漠草原的過渡帶，海拔2871 m，年均氣溫2.4 ℃，年均降水量246.3 mm，年均蒸發(fā)量1716.7 mm，全年大風(fēng)日數(shù)平均50.6 d，最多可達(dá)97 d，風(fēng)向主要為西、西北風(fēng)，年均風(fēng)速2.7 m·s-1，最大風(fēng)速可達(dá)40 m·s-1，年均無霜期日數(shù)為91 d（Jia et al.，2012）。在共和盆地沙區(qū)植被恢復(fù)區(qū)，中間錦雞兒、檸條錦雞兒（Caragana korshinskii）、沙蒿（Artemisia desertorum）、沙柳（Salix cheilophila）等都是重要的防風(fēng)固沙植物，中間錦雞兒作為最重要固沙植被之一，得到大面積種植。中間錦雞兒為豆科錦雞兒屬多年生灌木，由于其根系發(fā)達(dá)、具根瘤、耐旱抗寒、耐風(fēng)蝕沙埋等特性（趙一之，2005），以及具有改良土壤、固氮等生態(tài)功能（Jia et al.，2012），在西北干旱區(qū)防沙固沙和植被恢復(fù)中被廣泛應(yīng)用（Fang et al.，2013，Guo et al.，2010，Li et al.，2014，周萌，2016）。

圖1 樣地位置示意圖Fig. 1 Location map of study sites

表1 中間錦雞兒人工林樣地點(diǎn)特征Table 1 Features of Caragana intermedia plantation in the plots

2 研究方法

2.1 樣地選取

在共和盆地植被恢復(fù)區(qū)內(nèi)，選取長勢良好的 4個(gè)不同生長階段（3、5、16、30 a）中間錦雞兒人工林，2015年5月在每個(gè)林齡內(nèi)分別設(shè)置1個(gè)30 m×30 m的樣地。每個(gè)樣地選取3個(gè)1 m×1 m樣方，每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)選取1叢記錄株高、地徑等信息。樣地位置、樣地特征如下圖1、表1。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

利用 ECH2O土壤含水量監(jiān)測系統(tǒng)（美國METER公司）對(duì)土壤水分進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。用手持式 GPS（Garmin）記錄坐標(biāo)點(diǎn)。ECH2O 土壤含水量監(jiān)測系統(tǒng)通過測量土壤的介電常數(shù)來計(jì)算土壤體積含水量（VWC），測量范圍為0－100%，測量精度在±3%以內(nèi)。在每個(gè)樣方中分別挖取深度為150 cm的土壤剖面，從上到下按照10、20、30、40、60、90、120、150 cm，一共8個(gè)深度，分別安裝5TM土壤水分傳感器。利用EM50數(shù)據(jù)采集器每隔20 min連續(xù)記錄監(jiān)測土壤體積含水量。利用 Dynamet-1k科研級(jí)自動(dòng)氣象站采集降雨量信息，毎30 min記錄1次數(shù)據(jù)。在對(duì)土壤水分對(duì)降雨時(shí)間的響應(yīng)過程的研究中，土壤水分的測定方法為雨后1 h內(nèi)，每隔20 min測定并記錄1次土壤水分，雨后1 h之后，以1 h為間隔進(jìn)行記錄和分析，進(jìn)而探討不同級(jí)別降雨后土壤水分的變化過程。本研究采用2016年9月－2017年9月的土壤水分及降雨量數(shù)據(jù)，分析不同林齡土壤水分對(duì)不同降雨量的響應(yīng)狀況。

2.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)EM-50采集的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，計(jì)算各層土壤的蓄水量：

式中，Wi為土層蓄水量（mm）；θi第i個(gè)探頭監(jiān)測的土壤體積含水量；Di為土層厚度（mm）；W為總蓄水量。

土壤容重的測定采用烘干稱重法。將裝有土樣的環(huán)刀（用A代表體積，100 cm3）于105 ℃左右烘干24 h至恒重后稱重（W1）；將土壤樣品棄去，稱重（W2）；土壤容重（ρb）按下式計(jì)算：

土壤孔隙度的測定采用稱重法。將裝有土樣的環(huán)刀底部墊上濾紙加蓋，放入水中12 h，稱重（W1）；105 ℃左右烘干，環(huán)刀+土樣稱重（W2）；棄去土樣，稱取環(huán)刀重（W5），土壤孔隙度（p）按下式計(jì)算：

根據(jù)以往對(duì)于降雨事件的分析方法，降雨時(shí)間間隔大于24 h便可作為兩次獨(dú)立的降雨事件。根據(jù)降雨量的大小，將降雨量劃分為 0.1－2（Ⅰ）、2.1－5（Ⅱ）、5.1－10（Ⅲ）、10.1－18 mm（Ⅳ）及＞18 mm（Ⅳ）共5個(gè)量級(jí)（常昌明等，2016）。

運(yùn)用Microsoft Excel 2010進(jìn)行處理數(shù)據(jù)，采用SPSS 20.0中的Frank Wilcoxon符號(hào)秩檢驗(yàn)對(duì)土壤水分最值的差異性進(jìn)行檢驗(yàn)，采用Pearson相關(guān)系數(shù)對(duì)降雨量和土壤水分進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，運(yùn)用Origin 9.0制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨事件特征

研究區(qū)內(nèi) 2008－2017年（部分缺失）的降雨事件統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，Ⅰ－Ⅳ級(jí)降雨隨著降雨級(jí)別的增加，降雨次數(shù)逐漸減小，貢獻(xiàn)率逐漸升高。從降雨事件上看，Ⅰ級(jí)降雨次數(shù)占總降雨事件的51.87%，降雨量占總量的8.78%；Ⅳ級(jí)降雨一共出現(xiàn)52次，占總降雨事件的9.7%，降雨量貢獻(xiàn)率為32.19%。研究區(qū)內(nèi)的降雨事件以小雨為主，發(fā)生大雨的幾率較??；在降雨量上，以Ⅳ級(jí)降雨的貢獻(xiàn)最大。2016年9月－2017年9月期間（圖1），共發(fā)生降雨事件59起，總降水量為207.2 mm。最大降雨量為18.3 mm，為Ⅴ級(jí)降雨事件，只發(fā)生過1次，最小降雨量為0.2 mm。各量級(jí)降雨特征見表2。

表2 2008年9月－2017年9月各量級(jí)降雨特征表Table 2 Rainfall characteristics at various levels from September 2008 to September 2017

圖2為試驗(yàn)區(qū)2016年9月－2017年9月的降雨量動(dòng)態(tài)變化圖。從降雨量的時(shí)間分布上看，11－1月之間，幾乎未發(fā)生降雨，從2月出現(xiàn)降雨，降雨量開始隨著時(shí)間推移，至8月達(dá)到月降雨量的峰值，降雨量開始降低。

圖2 2016年9月－2017年9月降水動(dòng)態(tài)分布圖Fig. 2 Dynamic distribution of rainfall from September 2016 to September 2017

表3 不同生長階段人工林不同深度土壤孔隙度Table 3 Soil porosity at different depths of plantation at different stages of growth

表4 不同生長階段人工林不同深度土壤容重Table 4 Soil bulk density at different depths of plantation at different stages of growth

3.2 不同生長階段人工林土壤水分的統(tǒng)計(jì)特征

不同生長階段的土壤物理性質(zhì)如表3、表4所示。隨著土層深度的增加，3、5、16 a林分土壤孔隙度呈先增加后減小的趨勢，30 a林分呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢；3、16、30 a林分土壤容重呈現(xiàn)增加－減?。黾拥淖兓厔?，5 a土壤容重則呈現(xiàn)先減?。黾樱瓬p小的似“S”形變化趨勢。

表5為試驗(yàn)期內(nèi)不同林齡林分不同深度土壤水分的變化峰值（平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差），檢驗(yàn)結(jié)果表明，土壤水分含量的最大值和最小值之間具有顯著性差異，不同林齡林分土壤水分之間也具有顯著差異（P＜0.05）。這也說明，試驗(yàn)期間201.6 mm的累計(jì)降雨量以及林齡均對(duì)0－150 cm的土壤水分含量產(chǎn)生了顯著影響。

表5 試驗(yàn)期間土壤水分的變化峰值Table 5 Change peak value of soil water in the plot

圖3為4個(gè)不同林齡不同深度的土壤蓄水量動(dòng)態(tài)變化圖。不同林齡的蓄水量隨著時(shí)間變化呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性。土壤水分動(dòng)態(tài)變化可劃分為土壤水分消耗期、土壤水分積累期和穩(wěn)定期3個(gè)時(shí)期。土壤水分的積累期為2－4月以及7－8月，期間的5－6月為土壤水分的穩(wěn)定期。從2月開始出現(xiàn)降雨，土壤水分開始積累；5月該地區(qū)氣溫明顯回升，植被開始復(fù)蘇，根系活動(dòng)加強(qiáng)，積累的土壤水分被大量消耗。因此，在穩(wěn)定期內(nèi)降雨量雖然逐漸增加，但土壤水分并未明顯升高。土壤水分的消耗期為9月至次年1月，由于高寒沙區(qū)獨(dú)特的地理環(huán)境，秋冬季節(jié)風(fēng)沙加大，蒸散作用強(qiáng)烈，9月和10月降雨量與3、4月大致相同，土壤水分卻呈現(xiàn)降低趨勢。

由圖3可知，不同林分土壤蓄水量隨著林齡的增加，土壤蓄水量整體上遵循“增大－減?。龃蟆钡淖兓厔?，30 a人工林的蓄水量最大，3 a最小。由圖4可知，隨著深度的增加，土壤蓄水量呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律。在0－30 cm深度中，3 a林分土壤蓄水量比 5、16、30 a分別多消耗了 51.12、27.62、57.76 mm；40 cm深度中，3 a林分與其他林齡林分的土壤水分消耗差值為-1.48、-9.28、2.30 mm；40－150 cm 深度中，此差值分別為 14.92、-15.29、3.68 mm，總體的土壤水分消耗差距較小。當(dāng)土壤深度在60－150 cm之間時(shí)，隨著深度的增加，土壤蓄水量增加量也逐漸增加，增加的均值呈先增加后減小，在16 a和30 a人工林中開始減小。3 a林分的土壤水分消耗主要來源于0－30 cm的表層土壤水分，而5、16、30 a人工林對(duì)土壤水分的消耗主要來源于0－40 cm。

圖3 不同生長階段人工林土壤蓄水量動(dòng)態(tài)變化圖Fig. 3 Dynamic change of soil water storage at different growth stages of plantation

圖4 不同生長階段人工林不同深度的土壤蓄水量Fig. 4 Soil water storage of different depths at different growth stages

3.3 不同生長階段人工林土壤水分對(duì)不同降雨量的響應(yīng)

不同林齡和不同深度土壤水分與降雨之間的相關(guān)性如表6所示，降雨量對(duì)所有林齡的表層土壤水分均有顯著影響，對(duì)深層土壤的影響較小。

表6 不同林齡和不同深度土壤水分與降雨之間的相關(guān)系數(shù)Table 6 Correlation coefficient between soil moisture and rainfall at different forest ages and depths

在高寒沙區(qū)內(nèi)，由于其生境的特殊性，降雨成為人工林的土壤水分的主要來源，闡明不同林齡土壤水分的變化對(duì)降雨量的響應(yīng)規(guī)律，對(duì)于人工林的經(jīng)營和管理都具有重要意義。根據(jù)不同降雨量的量級(jí)劃分，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)降雨量小于2 mm的降雨事件占總降雨事件的48.21%，該降雨事件僅能影響表層土壤水分，因此本研究不予分析。在余下的降雨事件中，每個(gè)量級(jí)中選取1個(gè)前后無明顯降雨的單場降雨事件，分別分析不同降雨量對(duì)不同林齡林分土壤水分的影響機(jī)制。篩選的降雨事件日期分別為7月8日（4.6 mm）、6月8日（6.9 mm）、8月6日（12.2 mm）和8月19日（18.3 mm）。由于土壤水分對(duì)于Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)降雨的響應(yīng)模式相同，因此，本研究僅對(duì)Ⅲ級(jí)降雨事件（6.9 mm）的響應(yīng)狀況進(jìn)行了舉例分析。

圖5為不同林齡土壤水分對(duì)Ⅱ級(jí)降雨的響應(yīng)。整個(gè)降雨事件陸續(xù)進(jìn)行 9 h（10：00－19：00），降雨量先增加后減小，2－4 h內(nèi)降雨量最大。在本次降雨中，只有0－20 cm深度的土壤水分明顯增加，3、5、16 a林分10 cm深度土壤水分從降雨開始1 h后產(chǎn)生波動(dòng)，2 h時(shí)明顯增加，此時(shí)降雨量為2.0 mm；而30 a林分在此土層的水分變化則推遲了1 h；所有林分的土壤水分均在6－9 h降雨逐漸停止時(shí)開始降低。整個(gè)降雨過程中，4個(gè)人工林在10 cm深度的土壤水分含量分別升高了0.55%、0.80%、0.44%、0.33%；20 cm的土壤水分變化時(shí)間幾乎是同步的，均在 12 h達(dá)到峰值，土壤水分含量分別增加了0.25%、0.10%、0.10%、0.09%；在30 cm深度的土壤水分沒有明顯的增加，在24 h時(shí)，都出現(xiàn)了明顯的下降現(xiàn)象?？梢?，不同生長階段的人工林在 0－30 cm深度內(nèi)的土壤水分對(duì)Ⅱ級(jí)降雨均有響應(yīng)。

圖5 不同生長階段人工林土壤水分對(duì)Ⅱ級(jí)降雨的響應(yīng)Fig. 5 Response of soil moisture to the level Ⅱ rainfall at different growth stages

圖6為不同林齡土壤水分對(duì)Ⅲ級(jí)降雨的響應(yīng)，降雨模式與Ⅱ級(jí)降雨相同。土壤水分出現(xiàn)變化的土壤層擴(kuò)大到了0－40 cm。本次降雨事件中，3、5、15、30 a人工林10 cm深度土壤水分含量對(duì)于降雨的響應(yīng)時(shí)間明顯不同，分別在降雨的1、3、4、4 h之后迅速增加，均在12 h達(dá)到最大，隨后明顯下降。而20 cm和30 cm深度土壤水分含量則在降雨開始后的24 h開始增加至最大值后降低。4個(gè)林齡的土壤水分含量在 10 cm深度處分別升高了 2.14%、1.46%、1.14%、1.03%；20 cm深度分別增加了0.41%、0.25%、0.20%、0.10%，30 cm深度分別增加了 0.15%、0.20%、0.15%、0.10%?？梢?，不同生長階段的人工林在0－40 cm深度內(nèi)的土壤水分對(duì)Ⅲ級(jí)降雨均有響應(yīng)。

圖7為不同林齡土壤水分對(duì)Ⅴ級(jí)降雨的響應(yīng)。整個(gè)降雨事件發(fā)生于12 h之內(nèi)（8月19日 16：00－8月 20日 04：00），降雨事件主要分為兩個(gè)階段間斷性發(fā)生，前半部分的降雨量為13.3 mm，后半部分為5.0 mm，不同林齡的土壤水分變化也呈現(xiàn)了明顯的階梯狀，土壤水分的響應(yīng)深度為0－60 cm。由于降雨累積量的明顯增大，在降雨開始的前 20 min降雨量就達(dá)到了5.1 mm，3、5、16 a林分10 cm土壤水分含量在短時(shí)間內(nèi)便迅速增加，而30 a林分同深度的土壤水分則在1 h之后才明顯增加。在這一階段中，4個(gè)人工林的土壤水分含量分別增加了0.46%、0.20%、0.25%、0.10%。3、5、30 a林分的土壤水分隨著時(shí)間推移而逐漸增加，降雨量越大增加的速度越快，分別在9、12、24 h達(dá)到最大，隨后土壤水分含量開始下降。與之不同的15 a林分土壤水分則在最大降雨之后的1－6 h內(nèi)，土壤水分呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢，之后隨著降雨的增加而升高，在12 h達(dá)到最高。整個(gè)降雨過程中，4個(gè)人工林10 cm深度土壤水分含量分別增加了9.15%、8.72%、5.89%、4.97%；20 cm深度土壤水分含量在24 h之內(nèi)達(dá)到最大，分別增加了0.44%、0.35%、8.20%、6.11%；在整個(gè)降雨事件中，30、40、60 cm深度土壤水分含量隨降雨量增大而逐漸增大，但增量不大?？梢?，18 mm以上的降雨量能夠影響0－60 cm的土壤水分，但主要變化出現(xiàn)在0－20 cm以內(nèi)。

4 討論

圖6 不同生長階段人工林土壤水分對(duì)Ⅲ級(jí)降雨的響應(yīng)Fig. 6 Response of soil moisture to the level Ⅲ rainfall at different growth stages

圖7 不同生長階段人工林土壤水分對(duì)Ⅴ級(jí)降雨的響應(yīng)Fig. 7 Response of soil moisture to the levelⅤ rainfall in different growth stages

在高寒沙區(qū)土壤水分的季節(jié)性變化與降雨量呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性，降雨事件能夠顯著影響土壤水分的動(dòng)態(tài)變化，這一結(jié)果與毛烏素沙地和巴丹吉林沙漠的研究結(jié)果相同（Yang，2014，馮偉，2015）。隨著降雨事件的發(fā)生，人工林內(nèi)土壤水分也隨之發(fā)生規(guī)律性變化，并將其劃分為土壤水分消耗期（9月至次年1月）、土壤水分積累期（2－4月，7－8月）和穩(wěn)定期（5－6月）。在經(jīng)歷過冬季一段時(shí)間的無降水期后，2月的降雨事件使土壤開始蓄水，此時(shí)無植被生長，氣溫低，土壤水分消耗較少，隨著降雨量的增加，土壤蓄水量逐漸增加。到了5－6月，降雨量相對(duì)增大，但由于高寒沙區(qū)光輻射強(qiáng)度大、多風(fēng)以及地表蒸散等因素共同作用，出現(xiàn)短暫的土壤蓄水量穩(wěn)定變化期。這與其他地區(qū)的劃分有所不同，在黃土區(qū)土壤水分劃分為消耗期（3－5月）、積累期（6－8月）、消退期（9－11月）和穩(wěn)定期（12月至次年2月）（趙榮瑋等，2016），這主要由于兩地地理位置、區(qū)域氣候以及植被類型等因素的不同，造成土壤水分變化時(shí)期劃分的差異性。渾善達(dá)克沙地的土壤水分劃分為降水貯存期（4－5月）、消耗期（6－9月中旬）、緩慢恢復(fù)期（9月下旬－10月）、緩慢失水和補(bǔ)充期（10月至次年 3月）（李紅麗，2006）；毛烏素沙地南緣的土壤水分劃分為緩慢積累期（4－5月）、消耗期（6－8月）、積累期（9－11月）、穩(wěn)定期（12月至次年 3月）（伍永秋，2015）；與其他沙地產(chǎn)生這種區(qū)別可能是研究區(qū)所處的地理環(huán)境，如高寒沙地海拔更高、降水量更少、地表蒸散作用更強(qiáng)，加之研究期內(nèi)的降雨量分布的不同等因素，都可能會(huì)導(dǎo)致這種差異性。而在高寒針茅草原區(qū)，生長季土壤水分的變化劃分為緩慢增墑期（4－5月）、快速增墑期（5－7月）、快速失墑期（7－8月）、快速增墑期（8－9月）以及快速失墑期（9－10月）（朱寶文，2009）；雖同為高寒地區(qū)，但由于氣候類型、土地利用類型以及植被類型的差異，土壤水分變化劃分也產(chǎn)生偏差。

不同林齡的土壤蓄水量隨著林齡的增加呈現(xiàn)“增大－減?。龃蟆钡内厔荨? a和5 a人工林處于植被生長初期，對(duì)沙區(qū)土壤的改良作用微弱，沙土的保水性能差，地表蒸散作用對(duì)土壤水分的消耗較為強(qiáng)烈，加之3 a樣地位于風(fēng)口處，土壤蓄水量更低。林齡增加，土壤肥力及持水性隨之增強(qiáng)，由于 30 a人工林處于生長衰退期，對(duì)于土壤水分的需求量開始降低，加之地表層凋落物對(duì)土壤表層水分蒸散的干擾，導(dǎo)致30 a林分土壤蓄水量高于16 a；5 a比16 a的植被耗水性能低，因此5 a土壤蓄水量較高。

高寒沙區(qū)以小降雨事件為主，大降雨事件對(duì)土壤水分的貢獻(xiàn)較大。土壤水分對(duì)降雨量的響應(yīng)，隨著降雨量的增加而越發(fā)明顯。以往的研究表明，不同的降雨量能夠補(bǔ)給的土壤深度不同，在北京鷲峰國家森林公園，水分滲透到20、40、60、80、100、120、160 cm土層，分別需要1、5、20、37、46、52、61 mm的降水，要達(dá)到完全飽和則分別需要80、120、140、150、180、200、220 mm的降水（Jia et al.，2015）。不同區(qū)域的土壤水分對(duì)于降雨的響應(yīng)也具有明顯的差異性。在本研究中，高寒沙區(qū)＜5 mm降水能夠使30 cm以上的土層水分產(chǎn)生波動(dòng)，但不能補(bǔ)充深層土壤水分，在黑河流域僅能影響20 cm以上的土壤水分（劉冰等，2011），這主要是源于年降雨量的差別，黑河流域的年降雨量幾乎達(dá)到高寒沙區(qū)的5倍之多，土壤水分含量較高，因而對(duì)于小降雨的響應(yīng)不明顯。高寒沙區(qū)內(nèi)5－18 mm的降雨量能影響0－40 cm的土壤水分，而18 mm以上的降雨量能夠引起0－60 cm土層水分含量的變化，這與科爾沁沙地的研究結(jié)果接近，降水量至少要達(dá)到20 mm時(shí)，水分才能夠達(dá)到100 cm深的土壤中（Yao，2013，李東方等，2013，劉新平等，2006）。這也表明，植被覆蓋能夠影響土壤對(duì)降雨的接收和入滲過程，小雨對(duì)表層土壤進(jìn)行水分補(bǔ)給，而大雨是對(duì)深層土壤進(jìn)行水分補(bǔ)給（Yang et al.，2014）。我們發(fā)現(xiàn)，在降雨過程中30 cm的土壤水分不直接響應(yīng)降雨量的增加，而是在降雨結(jié)束后土壤水分降低；這是由于降雨量只能補(bǔ)給0－20 cm的土壤水分，地表的水分蒸散使這部分土壤水分幾乎達(dá)到了增減平衡，降雨被消耗沒有下滲，在降雨結(jié)束后土壤水分消耗仍然以同樣的速度蒸散，這就導(dǎo)致 30 cm的土壤水分就開始補(bǔ)給上層土壤，土壤含水量也因此降低，這也是高寒沙區(qū)特殊環(huán)境條件引起的土壤水分變化的特點(diǎn)。

不同林齡的土壤水分對(duì)于降雨量的響應(yīng)明顯不同。隨著林齡的增加，10 cm以下的土壤水分對(duì)于降雨量的響應(yīng)滯后性更加明顯，這是由于地表凋落物的覆蓋厚度變大、土壤保水能力增強(qiáng)以及人工林的冠幅截留作用增加引起；土壤水分的增量逐漸減小，這與植被根系的分布及耗水性有關(guān)。研究表明，中間錦雞兒人工林的吸收根隨著林齡的增加而加深，且主要分布在60 cm深度以上，土壤吸收水分的能力隨著林齡的增加而增強(qiáng)（劉麗穎等，2012），表層土壤的水分被植被大量吸收，土壤水分增量也相對(duì)減少。

5 結(jié)論

（1）高寒沙區(qū)典型人工林土壤水分隨降雨量的變化而產(chǎn)生季節(jié)性變化，不同林齡的土壤需水量也不同，隨著深度的增加土壤蓄水量先減小后增大。所以，在高寒沙區(qū)造林應(yīng)根據(jù)土壤水分的變化規(guī)律，注意苗木栽植的密度，減小土壤干旱對(duì)苗木生長的影響，提高造林成活率。

（2）高寒沙區(qū)內(nèi)降雨主要集中在 5－9月，降雨事件以小雨為主，大雨對(duì)土壤水分的貢獻(xiàn)大。小于5 mm的降雨能夠使30 cm以上的土層水分產(chǎn)生波動(dòng)，5－18 mm的降雨量能影響0－40 cm的土壤水分，而18 mm以上的降雨量能夠引起0－60 cm土層水分的變化。不同生長階段人工林，3、5、16 a土壤水分在降雨1 h之內(nèi)上升，而30 a的土壤水分對(duì)于降雨的響應(yīng)相對(duì)滯后約 1 h，土壤水分增量也相對(duì)減少。所以，建議在造林過程中加強(qiáng)水土保持措施，防止降雨過程中土壤表層降水過度流失，使降水更多入滲到土壤中。