太行低山區(qū)荊條土壤水分動(dòng)態(tài)及其對(duì)不同降雨量的響應(yīng)

李 龍，張志華，桑玉強(qiáng)* ，施光耀，賈長(zhǎng)榮，張勁松

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，鄭州 450002；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所/國(guó)家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091；3.濟(jì)源市林業(yè)工作站，濟(jì)源 459000)

土壤水分是生物圈和土壤圈的連接紐帶，是影響植被生長(zhǎng)發(fā)育的基本參量[1]。土壤水分狀況在很大程度上決定了植被恢復(fù)與重建成功與否[2-3]，長(zhǎng)期以來(lái)一直受到學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注[4-6]。在干旱半干旱地區(qū)，降雨是土壤水分的主要補(bǔ)給來(lái)源，因此土壤水分受降雨影響強(qiáng)烈[7-9]。近年來(lái)，關(guān)于植被土壤水分動(dòng)態(tài)研究主要集中在模擬降雨和自然降雨兩個(gè)方面，其中模擬降雨條件下主要集中在植被冠層的截留作用、土壤入滲與土壤含水量的關(guān)系[10-11]、地表徑流特征[12]等方面；自然降雨條件下主要集中在不同植被覆蓋下土壤水分動(dòng)態(tài)[1-2,4-9,13-15]、不同土壤類型土壤水分變化及其對(duì)降雨入滲的影響[16-18]、不同降雨強(qiáng)度與降雨量對(duì)土壤水分補(bǔ)給深度影響研究[16]等方面。目前關(guān)于土壤水分研究多集中在荒漠草原[1,6-7]、黃土高原[2,4,16]及荒漠化地區(qū)[5,8-9]等缺水較為嚴(yán)重的干旱半干旱地區(qū)，而對(duì)太行低山區(qū)的研究相對(duì)較少[14-15]，關(guān)于土壤水分對(duì)不同降雨量的響應(yīng)也鮮見(jiàn)報(bào)道。

太行山是華北平原的生態(tài)屏障，其南端緊鄰黃河，在貫徹落實(shí)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展國(guó)家戰(zhàn)略中發(fā)揮著重要作用。由于受到人為因素和自然災(zāi)害的干擾，太行低山區(qū)植被退化、水土流失問(wèn)題嚴(yán)重[15]。太行山地處半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，在全球氣候變暖、水資源緊缺的背景下，開(kāi)展太行低山區(qū)典型植被土壤水分動(dòng)態(tài)及其對(duì)不同降雨量的響應(yīng)研究，對(duì)于調(diào)整植被結(jié)構(gòu)及布局、推動(dòng)太行山生態(tài)保護(hù)與修復(fù)、構(gòu)建中部生態(tài)安全屏障更具現(xiàn)實(shí)意義[19]。荊條(Vitexnegundo)為太行低山區(qū)鄉(xiāng)土灌木，具有根系發(fā)達(dá)、抗逆性強(qiáng)、生態(tài)可塑性高等特性[20]，在保持水土及生態(tài)修復(fù)等方面發(fā)揮重要作用。基于此，以太行低山區(qū)常見(jiàn)灌木荊條為研究對(duì)象，采用土壤水分自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)荊條主要生長(zhǎng)季土壤水分進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，同時(shí)從氣象站獲取降雨數(shù)據(jù)，以期了解荊條土壤水分動(dòng)態(tài)及其對(duì)不同降雨量的響應(yīng)，為太行低山區(qū)植被恢復(fù)重建、合理利用水資源提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地位于黃河小浪底國(guó)家森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(35°01′45″N，112°28′08″E)，研究區(qū)地處于華北地區(qū)太行山南麓、黃河中游，是典型的低山丘陵區(qū)，海拔400 m左右，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。植被類型以栓皮櫟-側(cè)柏人工混交林為主。土壤成分為棕壤和石灰?guī)r風(fēng)化母質(zhì)淋溶性褐土，石礫含量10%～18%，土層較淺。全年日照時(shí)數(shù)為2 368 h，年均氣溫12.41～4.3 ℃。年均降雨量641.7 mm，年均蒸發(fā)量1 611.2 mm。

采用三臺(tái)長(zhǎng)×寬×深=3 m×3 m×3 m規(guī)格的懸掛式大型稱重式蒸滲儀，整個(gè)土箱用作栽培池，利用周圍原狀土土層結(jié)構(gòu)填土。在距離蒸滲儀土體表面10、20、40、60及80 cm深度土層埋設(shè)土壤水分探頭，其中10 cm深度在東南西北方位各埋設(shè)一個(gè)，20 cm及40 cm深度在東南西北中方位各埋設(shè)一個(gè)，60 cm及80 cm深度在中方位埋設(shè)一個(gè)。于2015年3月移栽生長(zhǎng)狀態(tài)和冠幅基本一致的荊條，每臺(tái)蒸滲儀移栽4株，均勻分布在蒸滲儀內(nèi)。荊條樹(shù)齡約為8 a。3臺(tái)蒸滲儀均采取自然狀態(tài)的處理方式(3個(gè)重復(fù))。試驗(yàn)時(shí)間為2019年5—10月。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

采用RR-7120型土壤水分自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)(北京雨根科技有限公司)進(jìn)行土壤水分測(cè)定，該觀測(cè)系統(tǒng)由太陽(yáng)能板供電系統(tǒng)連續(xù)供電。土壤水分探頭為AV-EC5(美國(guó)AVALON公司)，精度±3%。數(shù)據(jù)采集器為RR-2016(北京雨根科技有限公司)，存儲(chǔ)時(shí)間間隔30 min。土壤水分由各土層對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)平均后進(jìn)行分析。

氣象資料的獲取依靠附近地面標(biāo)準(zhǔn)氣象站，可對(duì)降雨量(mm)等氣象因子進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)。傳感器與CR1000型數(shù)據(jù)采集器(美國(guó)Campbell公司)相連，每10 min輸出1組平均值。依據(jù)常用分析方法[7]，將時(shí)間間隔大于24 h的降雨作為兩次降雨事件。根據(jù)研究區(qū)降雨情況，將降雨事件按降雨量分為0～10.0 mm、10.1～25.0 mm、25.1～50.0 mm及>50.0 mm 4個(gè)量級(jí)。

使用LAI-2200式冠層測(cè)定系統(tǒng)(美國(guó)LI-COR公司)對(duì)荊條葉面積指數(shù)(leaf area index,LAI)進(jìn)行定期測(cè)量。測(cè)量選擇在日出前、日落后或者在陰天進(jìn)行。每10 d測(cè)定一次，每月測(cè)定3次，3次平均得月均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 Origin 2018 與 SPSS 22 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)降雨分布

如圖1(a)所示，研究區(qū)降雨分布不均，月降雨差別較大，干濕季節(jié)明顯，表現(xiàn)為8月最多，為208.5 mm，5月最少，為1.1 mm。觀測(cè)期間總降雨量526.6 mm，5—7月降雨較少，累計(jì)雨量139.8 mm，占總雨量的26.5%，而8—10月降雨充沛，累計(jì)雨量386.8 mm，占總雨量的73.5%。如圖1(b)所示，觀測(cè)期共發(fā)生24次降雨事件，0～10.0 mm、10.1～25.0 mm、25.1～50.0 mm及>50.0 mm的降雨事件分別發(fā)生了9次、7次、5次及3次，累計(jì)降雨量分別為25.1 mm、102.8 mm、179.9 mm及219.0 mm。0～10.0 mm和10.1～25.0 mm級(jí)別的降雨事件頻數(shù)多達(dá)16次，但降雨量少，僅占總降雨量的24.3%。25.1～50.0 mm、>50.0 mm級(jí)別降雨頻數(shù)雖然僅8次，但降雨量占比為75.7%。由此可見(jiàn)，隨著降雨量級(jí)別的升高，降雨頻數(shù)逐漸減少，但累計(jì)降雨量顯著增大，對(duì)土壤水分補(bǔ)給效果明顯。

圖1 研究區(qū)觀測(cè)期間降雨分布Fig.1 Precipitation distribution in the study area during the observation period

2.2 荊條土壤水分時(shí)空變化特征

2.2.1 土壤水分時(shí)間動(dòng)態(tài)變化

荊條土壤水分日變化表現(xiàn)為明顯的兩個(gè)階段：前期因降雨較少，荊條生長(zhǎng)緩慢，土壤水分變化不大，比較平穩(wěn)，后期受降雨影響波動(dòng)較大，呈驟升緩降趨勢(shì)(圖2)。具體表現(xiàn)如下：5—7月，除6月20日、7月24日分別有37.4 mm和34.3 mm的降雨對(duì)土壤水分進(jìn)行有效補(bǔ)給外，其余的零星降雨對(duì)土壤水分補(bǔ)給有限，加之荊條對(duì)干旱環(huán)境具有一定的適應(yīng)性，生長(zhǎng)緩慢，LAI僅為1.9，對(duì)土壤水分消耗較少，使得土壤水分變化較為平緩，波動(dòng)不大。8月份，隨著雨季的到來(lái)，降雨日增多，降雨強(qiáng)度增大，土壤水分補(bǔ)給明顯，其中8月1—7日累計(jì)降雨量為180.8 mm，導(dǎo)致土壤含水量驟增，由7月31日的18.96%增加到8月7日的27.64%。8月7日—9月19日，降雨較少，僅有27.7 mm，該階段為荊條旺盛生長(zhǎng)期，LAI為3.8，需消耗大量的水分以滿足自身生長(zhǎng)需求，因此該階段土壤水分下降明顯，到9月9日土壤水分降至20.28%。9月9—19日共有94.4 mm降雨，10月3—17日共有83.7 mm降雨，土壤水分得到有效補(bǔ)給，之后在荊條蒸騰耗水的作用下呈緩慢下降趨勢(shì)。

為進(jìn)一步明晰降雨對(duì)荊條土壤水分的影響，分析了荊條土壤水分月際變化與降雨的關(guān)系。從圖3可以看出，土壤水分與降雨量二者的一致性較好，即降雨量多的月份，土壤水分含量高。具體表現(xiàn)如下：5—7月降雨量總量為139.8 mm，占總降雨量的26.5%，有限的降雨使得該階段土壤水分保持在較低水平，平均土壤含水量為18.70%；8—10月降雨充沛，累計(jì)雨量386.8 mm，占總降雨量的73.5%。充沛的降雨使得該階段土壤水分保持在較高水平，平均土壤含水量為22.70%。整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)降雨最大出現(xiàn)在8月，降雨量為208.5 mm，使得該月份土壤含水量也最高，為23.94%，降雨最小出現(xiàn)在5月，降雨量為1.1 mm，5月份土壤含水量最低，僅為18.43%。說(shuō)明土壤水分變化除了與荊條蒸騰耗水有關(guān)外，受到降雨影響更明顯。同時(shí)說(shuō)明，該地區(qū)春夏相交之季，因降雨稀少，存在季節(jié)性干旱，可能會(huì)對(duì)荊條的生長(zhǎng)造成一定的抑制。

圖2 土壤水分逐日變化與日降雨量Fig.2 Daily variation of soil moisture and precipitation

圖3 土壤水分月際變化與降雨Fig.3 Monthly variation of soil moisture and precipitation

2.2.2 土壤水分空間分布

荊條土壤水分在垂直空間上分層現(xiàn)象明顯，各月份之間土壤水分變化趨勢(shì)一致，隨土壤深度增加呈反“S”形變化趨勢(shì)(圖4)，即10～20 cm層次增加，20～40 cm層次減少，40～80 cm層次再增加。0～10 cm層次受到降雨補(bǔ)給和土壤蒸發(fā)的雙重影響，與大氣交換過(guò)程強(qiáng)烈，波動(dòng)較大，土壤蒸發(fā)明顯，土壤含水量較低，平均含水量為19.49%。隨著土壤深度的增加，氣象因素對(duì)土壤蒸發(fā)的影響減弱，表現(xiàn)為20 cm層次土壤含水量略有升高，平均含水量為21.45%。40 cm處土壤水分含量最低，僅為18.45%。其可能原因在于該層次荊條根系分布較為集中，水分吸收較多。此外，降雨對(duì)該層次的水分補(bǔ)給非常有限，較少的補(bǔ)給，加上大量的水分消耗，使得該層次土壤水分含量最低。40 cm以下，因荊條根系密度減少，水分消耗減少，降雨充沛的季節(jié)又可為該層次進(jìn)行水分補(bǔ)給，使得該層次土壤水分較40 cm處大幅增加，平均土壤水分為22.05%。

圖4 土壤水分垂直空間分布Fig.4 Vertical distribution of soil moisture

2.3 荊條土壤水分對(duì)不同降雨量的響應(yīng)

不同降雨量對(duì)土壤水分補(bǔ)給深度不同，進(jìn)而影響植被根系對(duì)土壤水分的吸收。現(xiàn)選擇0～10.0 mm、10.1～25.0 mm、25.1～50.0 mm及>50.0 mm 4個(gè)降雨量級(jí)降雨事件，分析不同級(jí)別降雨對(duì)土壤水分的影響(圖5)。0～10.0 mm級(jí)別因降雨量很少，僅能對(duì)0～10 cm層的土壤水分造成微弱補(bǔ)給[圖5(a)]，使10 cm層土壤水分提高了1.4%。10.1～25.0 mm級(jí)別降雨可對(duì)20 cm層的土壤水分造成補(bǔ)給[圖5(b)]，分別使10 cm、20 cm層土壤水分提高了4.4%和1.1%。25.1～50.0 mm級(jí)別降雨對(duì)土壤水分層次補(bǔ)給較深，可達(dá)到60 cm層[圖5(c)]，分別使10、20、40與60 cm層土壤水分提高了18.7%、10.4%、5.0%和1.8%，其中10、20 cm層次補(bǔ)給明顯，土壤水分含量補(bǔ)給超過(guò)10%。>50.0 mm級(jí)別降雨可顯著提高各層次土壤水分，且各層次土壤水分增幅明顯[圖5(d)]，分別使10、20、40、60及80 cm層土壤水分提高了19.1%、23.4%、20.6%、16.0%和16.9%，均超過(guò)了15.0%。

圖5 不同降雨量前后土壤水分空間分布Fig.5 Spatial distribution of soil moisture before and after different precipitation amounts

3 討論

土壤水分受到土壤類型、降雨、植物蒸騰及土壤蒸發(fā)等多重因素的綜合影響，其中降雨作為干旱半干旱地區(qū)土壤水分的唯一來(lái)源，是植被生長(zhǎng)過(guò)程中主要的限制因子[4]。土壤水分的季節(jié)變化主要與降雨季節(jié)分布有關(guān)[7,21-22]，降雨峰值往往會(huì)引起土壤水分峰值的出現(xiàn)[7]。研究發(fā)現(xiàn)太行低山區(qū)荊條月土壤水分表現(xiàn)為單峰曲線，最大值出現(xiàn)在8月，與降雨量存在正相關(guān)關(guān)系。其主要原因在于研究區(qū)2019年春季降雨很少，不能對(duì)土壤水分實(shí)現(xiàn)有效補(bǔ)給。8月份降雨量最大，充分的降雨使得土壤水分峰值出現(xiàn)。部分地區(qū)土壤水分呈現(xiàn)雙峰變化除了受到生長(zhǎng)期降雨影響外，還與生長(zhǎng)前期的降雪融水有關(guān)[1,23]。秋冬季的積雪可對(duì)土壤進(jìn)行增墑保濕，而在生長(zhǎng)季前積雪融化導(dǎo)致土壤水分增大，引起土壤水分第一個(gè)峰值的出現(xiàn)[24]，進(jìn)入雨季，土壤水分得到降雨的充分補(bǔ)給，形成土壤水分第二個(gè)峰值[1]。黃志剛則發(fā)現(xiàn)南方丘陵區(qū)7～10月份土壤含水量呈持續(xù)下降趨勢(shì)，其原因在于生長(zhǎng)季節(jié)雖然有相對(duì)充沛的降雨補(bǔ)給，但植被蒸騰和土壤蒸發(fā)強(qiáng)度隨之增加，導(dǎo)致土壤水分持續(xù)處于消耗狀態(tài)[25]。

土壤水分垂直空間分布受土壤蒸發(fā)、植被蒸騰、根系分布及土壤類型的影響會(huì)表現(xiàn)出一定的差異性。有研究發(fā)現(xiàn)隨土壤深度增加，土壤水分呈先增大、后減小、再增大趨勢(shì)[6,21]。研究結(jié)果也顯示類似的結(jié)論。司夢(mèng)可等[15]卻發(fā)現(xiàn)隨土壤深度增加，荊條土壤水分不斷減少，可能與根系垂直空間分布有關(guān)，荊條根系延伸到土層深部，消耗深層土壤水分，對(duì)100～150 cm層土壤水分利用較多。趙娜等[26]發(fā)現(xiàn)荊條在生長(zhǎng)季主要利用0～30 cm層土壤水分，該層次土壤水分變化較大，與研究結(jié)果較為一致；鄧文平等[27]則認(rèn)為荊條具有靈活的水分利用模式，對(duì)不同深度的土壤水分都有吸收利用，但0～10 cm層土壤水分仍然是其根系吸水主要來(lái)源。這與荊條灌叢大小、根系分布有直接關(guān)系。

降雨對(duì)土壤水分的補(bǔ)給與降雨量大小、降雨強(qiáng)度、土壤類型、初始土壤水分等環(huán)境因素有密切關(guān)系，其中降雨量大小是影響土壤水分補(bǔ)給深度的決定性因素[25]。在烏蘭布和沙漠區(qū)，降雨量以小于20.0 mm為主，對(duì)20 cm以下土層土壤水分補(bǔ)給有限，會(huì)導(dǎo)致20 cm以下土壤水分逐漸惡化[9]。藏北高寒草原區(qū)，大于10.0 mm和20.0 mm的降雨量可明顯增加20～30 cm層和40 cm層土壤水分[1]。在毛烏素沙地，降雨量20.0 mm左右時(shí)對(duì)檸條錦雞兒土壤水分濕潤(rùn)深度為30～50 cm[5]，小于45.2 mm的降雨對(duì)樟子松固沙林150 cm以下土層無(wú)明顯補(bǔ)給作用，大于53.8 mm的降雨對(duì)200 cm層土壤水分有補(bǔ)給作用[8]。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)0～10.0 mm、10.1～25.0 mm、25.1～50.0 mm及>50.0 mm級(jí)別降雨量對(duì)荊條土壤水分的補(bǔ)給深度分別為10、20、60及80 cm土層，與烏蘭布和沙漠區(qū)和藏北高寒草原區(qū)較為接近，但與毛烏素沙地差異較大。其可能原因在于毛烏素沙地土壤為沙土，空隙多，質(zhì)地疏松，透水性、透氣性好，導(dǎo)致降雨的滲透率相對(duì)較高[6,28]。整體上，降雨量相同時(shí)，對(duì)毛烏素沙地土壤水分的補(bǔ)給深度大于太行低丘區(qū)、藏北高寒草原區(qū)和烏蘭布和沙漠區(qū)。

4 結(jié)論

基于研究區(qū)2019年5—10月荊條土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，結(jié)合降雨數(shù)據(jù)，對(duì)太行低山區(qū)典型灌木荊條的土壤水分時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征及其對(duì)不同降雨量的響應(yīng)進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論。

(1)觀測(cè)期間，研究區(qū)總降雨量為526.6 mm。降雨季節(jié)分布不均，其中5—7月降雨較少(占比26.5%)，8—10月降雨較多(占比73.5%)。研究期間共出現(xiàn)24次降雨事件，其中降雨量在0～25.0 mm的降雨事件共16次，但累計(jì)雨量?jī)H占總雨量的24.3%，降雨量在25.1～85.0 mm的降雨事件共8次，累計(jì)雨量占總雨量的75.7%。

(2)日尺度上，土壤水分在降雨前期變化平緩，在降雨季節(jié)呈驟升緩降的特點(diǎn)。月尺度上，土壤水分動(dòng)態(tài)與月降雨分布之間具有較好的一致性。土壤水分垂直空間分布呈反“S”形，即土壤含水量隨土壤深度增加呈先增加(10～20 cm層)、后減少(20～40 cm層)、再增加(40～80 cm層)的趨勢(shì)。

(3)降雨量是降雨補(bǔ)給深度的決定因素。0～10.0 mm、10.1～25.0 mm、25.1～50.0 mm與>50.0 mm級(jí)別降雨量對(duì)太行低山區(qū)荊條土壤水分補(bǔ)給深度分別為10、20、60與80 cm層。