毛烏素沙地樟子松固沙林土壤水分對降雨的動態響應

馮 偉, 李 衛, 楊文斌, 吳麗麗

(1.錫林郭勒職業學院, 內蒙古 錫林浩特 026000; 2.中國林業科學研究院 荒漠化研究所, 北京 100091)

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)是我國北方重要的固沙造林樹種之一，也是“三北”防護林工程重點樹種。自1962年在遼寧省章古臺科爾沁沙地引種固沙造林成功后，已有近60 a的歷史[1]，自20世紀80年代以來，章古臺沙區樟子松固沙林出現了大面積衰退或死亡現象[2]，其中非常重要的原因之一就是土壤水分失衡[3-5]。20世紀70年代初，內蒙古鄂爾多斯毛烏素沙地引種樟子松固沙造林成功[6]，已有近50 a的歷史，近年生長良好，還未見大面積衰退或死亡的報道，僅部分地區出現了生長緩慢現象[7]；目前，其研究主要集中在造林技術[8]、造林效果[9]、生長特性[7,10]、水分生理[11]、光合生理[12]、蒸騰耗水[13]、土壤理化性質[14-15]、碳儲量[16]等方面，而有關土壤水分的研究還缺乏系統連續的觀測，在分析樟子松固沙林雨養條件下的持續穩定性方面也缺少連續的土壤水分數據支撐。同時，毛烏素沙地樟子松固沙林在“三北”防護林體系中作用重大，章古臺沙區的樟子松固沙林衰退原因也將會成為毛烏素沙地的研究重點之一。因此，本文以毛烏素沙地樟子松固沙林為研究對象，采用自動監測系統連續監測降雨、0—200 cm土壤含水量、200 cm以下滲漏量，系統分析樟子松固沙林土壤水分對降雨的響應特征及水量平衡初步估算，為毛烏素沙地水量平衡、土壤水承載力、植被穩定性及水循環過程機理分析提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區伊金霍洛旗查干淖爾嘎查(39°05′N，109°36′E)。伊金霍洛旗位于北緯38°56′—39°49′，東經108°58′—110°25′，處于鄂爾多斯東南部、毛烏素沙地東北緣，境內海拔1 070～1 556 m，丘間地地下水埋深5.3～6.8 m。屬中溫帶典型大陸性季風氣候，年平均風速3.6 m/s，平均日照時數2 900 h，平均相對濕度52%，平均降水358.2 mm，平均潛在蒸發量2 563 mm，為降水的7.2倍。年平均氣溫6.2℃，無霜期127～136 d。土壤類型以風沙土為主。沙生植被、草甸植被等隱域性植被為主體，多年生草本占絕對優勢，半灌木和小灌木分布較廣，灌木和喬木種類不多。主要固沙植被油蒿(Artemisiaordosica)、沙柳(Salixpsammophila)、樟子松、花棒(Hedysarumscoparium)等。

1.2 研究方法

2012年9月采用定點監測的方法，在研究區選擇28 a生樟子松固沙林(帶距9 m，冠幅280 cm×240 cm，株高6 m；零星分布油蒿、草本等；少量物理結皮；0—200 cm平均土壤容重1.53 g/cm3，粒徑：0.1～0.5 mm占86.39%、<0.1 mm占13.60%)，在固沙林中部挖取320 cm深土壤剖面，從下到上依次將土壤深層滲漏水量測試儀(ywb-001)排水部(15 cm)、計量部(35 cm)、集流部(5 cm，礫石、陶粒填充)、毛管持水部(65 cm，原狀土填充)緊靠完整剖面一側嵌入，此時毛管持水部上沿在土壤200 cm深度，計量部將記錄滲漏到200 cm以下的水量[17]；同時在滲漏水量測試儀右側40 cm處的剖面按10 cm，30 cm，60 cm，90 cm，150 cm，200 cm安裝ECH2O-5(±2%)土壤水分傳感器測定土壤體積含水量；原狀土回填，澆水踏實；地上部安裝AVALON公司AV-3665R型雨量傳感器；采用美國產CR200X數采器記錄降雨量、土壤含水量、滲漏量數據，其中土壤含水量為每1 h記錄一次，降雨量、滲漏量每0.5 h記錄一次。因探頭位置為10 cm，代表0—10 cm土層含水量時誤差較大，因此采用烘干法測定典型降雨后表層0—10 cm土壤水分體積含水量，采用自制小型土鉆，長22 cm，頂端一把手，鉆頭長20 cm，內徑3.5 cm，樟子松固沙林帶間每2 m一個取樣點。

為減少凍融作用及降雪對土壤水分的影響，選擇2013年、2014年的5月1日—10月31日數據分析樟子松固沙林土壤水分對降雨的動態響應。土壤蓄水量(mm)=土壤體積含水量(L/L)×土層厚度(mm)。降雨損失量(降雨截留、土壤蒸發、植物蒸騰)(mm)=降雨量(mm)-滲漏量(mm)-蓄水變化量(mm)。數據處理與統計分析采用Microsoft Excel 2016和SPSS 16.0軟件，方差分析采用LSD檢驗。

2 結果與分析

2.1 研究區降雨分布特征

從圖1可以看出，研究區2013年5月1日—10月31日共發生74 d降雨事件，總降雨386.2 mm，24 h降雨量≤5 mm的53 d，共降雨76.4 mm，占總降雨的19.8%，24 h降雨量介于5～10 mm的降雨事件7 d，共降雨57.8 mm，占總降雨的15.0%，24 h降雨量≥10 mm的降雨14 d，總降雨量252.0 mm，占總降雨的65.2%；2014年5月1日—10月31日共發生80 d降雨事件，總降雨297.0 mm，24 h降雨量≤5 mm的57 d，共降雨67.8 mm，占總降雨的22.8%，24 h降雨量介于5～10 mm的降雨事件16 d，共降雨110.6 mm，占總降雨的37.20%，24 h降雨量≥10 mm的降雨7 d，共降雨118.6 mm，占總降雨的39.9%。在干旱缺水條件下，該區降雨強度為12.0 mm/h時也無徑流發生[18]，研究期間最大降雨強度為11.2 mm/h，說明研究區無地表徑流，樟子松固沙林的降雨再分配包括降雨損失(降雨截留、土壤蒸發、植物蒸騰)、土壤蓄水和深層滲漏等要素。

2.2 土壤體積含水量對降雨的動態響應

試驗期間樟子松固沙林各層土壤體積含水量時間變化上最小值和最大值見表1。方差分析表明，2013年、2014年各層土壤體積含水量最小值和最大值之間差異均顯著(p<0.01)，表明降雨對0—200 cm層土壤水分均產生了顯著影響。

圖2為試驗期間樟子松固沙林各層土壤體積含水量隨時間動態變化，從圖中可以看出，2013年5月—10月10 cm，30 cm層土壤體積含水量波動頻繁，每次波動峰值都與降雨時間相對應。其中2013年5月1日—6月17日共發生14 d降雨事件，降雨總量31.0 mm(最大一天降雨量為8.4 mm)，僅10 cm深度土壤體積含水量出現波動，變幅為3.25%～12.97%，最大值出現在8.4 mm降雨后1 d；在此期間30 cm層土壤含水量呈持續下降趨勢，降幅2.88%；60 cm，90 cm，150 cm，200 cm土層體積含水量基本穩定；2013年6月18日—10月31日間發生降雨60 d，降雨總量355.2 mm，200 cm以上各層土壤體積含水量均發生了波動，其中10 cm，30 cm層波動頻繁，60 cm波動6次，90 cm波動4次，150 cm波動3次，200 cm波動2次，波動均發生在相應降雨后；其中150 cm，200 cm的波動是雖與降雨時間基本一致，但其波動變化是與之前的降雨累積共同作用的結果。

圖1 試驗期間研究區降雨分布特征

從圖2還可以看出，2014年5月—10月10 cm，30 cm層土壤體積含水量波動頻繁，每次波動峰值都也與降雨時間相對應。其中2014年5月1日—6月28日共發生16 d降雨事件，降雨總量41.2 mm(最大一天降雨量為11.4 mm)，僅10 cm深度土壤體積含水量出現波動，變幅為3.37%～16.69%，最大值出現在11.4 mm降雨后1 d；在此期間30 cm，60 cm，90 cm，150 cm，200 cm層土壤體積含水量呈持續下降趨勢，降幅分別為5.03%，1.71%，1.79%，1.40%，2.15%，其中30 cm層降幅最大；2014年6月29日—10月31日間發生降雨64 d，降雨總量255.8 mm，90 cm以上各層土壤體積含水量都發生了波動，其中10 cm，30 cm層波動頻繁，60 cm，90 cm僅在生長季末9月22日的36.0 mm降雨事件后波動1次，150 cm，200 cm層土壤含水量呈微弱的持續下降趨勢，期間降雨沒有顯著影響其土壤水分。

以上結果表明，樟子松固沙林10 cm，30 cm深度土壤水分受降雨影響劇烈，也是受蒸散影響最強的土層；在雨季初期，水分影響到較深土層需要較長時間的入滲，且在5月—6月降雨基本不影響150 cm，200 cm土壤水分變化，水分的補給和消耗維持在相對平衡狀態。同時，從土壤水分波動變化看，樟子松固沙林生長季末期9月份的較大降雨事件(2013年9月16—18日累積降雨88.6 mm，2014年9月22—23日累積降雨45.2 mm)對0—200 cm土層水分補給作用顯著，對維持樟子松固沙林土壤水量平衡至關重要；但2014年9月的較大降雨沒有顯著影響到150 cm以下的土壤水分，結合降雨后150 cm，200 cm土壤水分變化看，表明45.2 mm降雨對樟子松固沙林150 cm以下土層無直接補給作用。

2.3 土壤蓄水量對降雨的動態響應

圖3為試驗期間樟子松固沙林0—200 cm土壤蓄水量動態變化圖，可以看出，蓄水量的波動變化均與降雨事件相對應，總體上看，2013年降雨后蓄水量6月—10月均高于5月，2014年僅7月、10月高于5月。試驗期間樟子松固沙林2013年蓄水量減少2.77 mm，其中，生長季初期(5月1日—31日)0—200 cm蓄水量減少2.34 mm，期間的20.8 mm降雨未直接補給土壤水分；生長季中期(6月1日—8月31日)0—200 cm蓄水量增加40.73 mm(有0.7 mm滲漏到200 cm以下)，期間的246.4 mm降雨對土壤水分有直接補給作用；生長季末期(9月1日—10月31日)0—200 cm蓄水量減少34.37 mm，期間的119.0 mm降雨對土壤水分也無直接補給作用。試驗期間2014年蓄水量減少8.57 mm，其中，生長季初期(5月1日—31日)0—200 cm蓄水量減少50.9 mm，期間的8.8 mm降雨未直接補給土壤水分；生長季中期(6月1日—8月31日)0—200 cm蓄水量增加3.89 mm，期間的181.8 mm降雨對土壤水分有直接補給作用；生長季末期(9月1日—10月31日)0—200 cm蓄水量增加44.71 mm，期間的106.4 mm降雨對土壤水分有直接補給作用。以上結果說明，樟子松固沙林在生長季初期降雨不能夠滿足水分的損失，需要消耗土壤中已有蓄存水；生長季中期降雨能夠滿足水分的損失，且有部分降雨蓄存在土壤中；生長季末期土壤蓄水量對降雨的響應存在差異。

圖2 樟子松固沙林各層土壤體積含水量動態變化

2.4 典型降雨事件后0-10 cm表層土壤水分動態過程

從圖4可以看出，樟子松固沙林小于8.0 mm降雨事件后0—10 cm層土壤體積含水量下降趨勢基本相同，土壤體積含水量與降雨后天數呈指數式下降趨勢(R2>0.95)。4.4 mm，7.4 mm，6.6 mm降雨后0—10 cm層土壤體積含水量分別為5.38%，9.59%，7.12%；降雨后第1天分別下降了2.29%，2.53%，2.33%，降雨后第2天分別下降了0.53%，2.29%，0.66%；降雨后第3天分別下降了0.50%，1.40%，0.47%；降雨后第4天分別下降了0.50%，0.97%，1.16%。以上結果表明，降雨后第1天時0—10 cm表層土壤水分損失量最大，占降雨后4 d總損失量的1/3以上，分別占總損失量的60.0%，35.2%，50.4%。

圖3 樟子松固沙林0-200 cm土壤層蓄水量動態變化

圖4 典型降雨后樟子松固沙林表層0-10 cm土壤體積含水量動態變化

2.5 典型降雨事件后土壤水分入滲特征

從試驗期間2013年10 cm，30 cm層土壤體積含水量峰值看(表1)，10 cm，30 cm土壤體積含水量最低值均出現在6月19日之前，最大值均出現在9月17日，且在6月18日時表層0—30 cm土壤水分維持在相對較低水平(5.46%)，9月15日表層0—30 cm土壤水分維持在相對較高水平(9.22%)。從圖2看出，在6月19日、9月16日后土壤0—200 cm各層均出現了波動變化，因此，選擇2013年6月18日后單場53.8 mm及9月15日后單場88.6 mm的典型降雨事件分析不同初始含水量下降雨入滲變化特征。

表2 典型降雨事件后樟子松固沙林各層土壤水分濕潤鋒特征及峰值

試驗期間觀測的最大含水量最多僅維持在小于2 h內保持不變，說明最多只是瞬時達到飽和含水量，試驗期間的降雨入滲過程均為非飽和條件下。從表2看出，在0—30 cm初始含水量較低水平時，從6月19日10：00(1 h)開始到7月2日23：00(335 h)后，濕潤鋒到達200 cm土層，歷時335 h，期間累積降雨70.6 mm；從濕潤鋒到達各層土壤所需降雨量和時間看，53.8 mm單次降雨(降雨強度0.76 mm/h)入滲深度為90 cm以下，累加16.8 mm降雨在第335 h濕潤鋒達到200 cm土層，然而從圖2看出在7月3日前的6次降雨(累積16.8 mm，最大降雨量7.6 mm)僅影響到30 cm以上土層含水量變化，沒有影響到60 cm以下土層水分的變化，對深層土壤水分無直接補給作用，表明53.8 mm單場降雨開始后335 h濕潤鋒可到達200 cm土層。在0—30 cm初始含水量較高水平時，從9月16日10：00(1 h)到9月19日0：00(86 h)，濕潤鋒到達200 cm土層，歷時86 h，期間累積降雨88.6 mm；從濕潤鋒到達各層土壤所需降雨量和時間看，88.6 mm單次降雨(降雨強度1.43 mm/h)入滲深度為200 cm以下，能夠影響到200 cm以下土壤水分的變化，表明88.6 mm單場降雨開始后86 h濕潤鋒可到達200 cm土層。從濕潤鋒時間、降雨時間看，均為0—30 cm土層含水量較高水平時用時短，且累積降雨量、降雨強度越大各層濕潤鋒到達時間越短、降雨后含水量峰值越大，綜合分析得出，大于53.8 mm的降雨事件對樟子松固沙林土壤水分有補給作用，且表層初始含水量較高時，降雨后入滲較快、歷時較短、對土壤水分補給作用較好。

2.6 典型降雨事件后土壤水分消退過程

試驗期間2013年9月15日—18日的單場88.6 mm的累積降雨事件后9 d內的土壤水分消退過程見圖5，在此期間僅9月19日有1.4 mm降雨，之后的8 d均無降雨事件。從圖中可以看出，樟子松固沙林降雨后土壤水分表現出蒸滲型水分消退特征(9月19日因降雨濕潤鋒到達200 cm存在時間滯后性)，0—60 cm為土壤水分消退層，60—200 cm為土壤水分補給層；且9月后樟子松固沙林進入生長末期，0—60 cm土壤水分的消退主要貢獻給蒸發或入滲補給。結合樟子松固沙林土壤水分動態變化(圖2)，分析得出如在生長季時，樟子松固沙林將由蒸滲型土壤水分消退特征轉換為蒸散型土壤水分消退特征，即土壤水分的消耗主要用于植物蒸騰及土壤蒸發，且0—90 cm為土壤水分主要消退層。

圖5 典型降雨后樟子松固沙林0-200 cm土壤水分消退

2.7 水量平衡初步估算

采用水量平衡方程初步估算了樟子松固沙林試驗期間土壤水量平衡。降雨后樟子松固沙林土壤水量平衡包括0—200 cm蓄水變化量、200 cm以下滲漏量、降雨損失量(截留、土壤蒸發、植物蒸騰)。從表3可以看出，在2013年、2014年的5月—10月0—200 cm層土壤蓄水量均有減少，說明生長季樟子松固沙林均消耗了土壤中已有蓄存水，分別消耗2.77 mm，8.57 mm；但在降雨較好的2013年，還有少量水分滲漏到200 cm以下(0.8 mm)，且2013年11月降雨7.8 mm，而2014年即無滲漏11月也無降雨，可以得出2013年樟子松固沙林能夠維持土壤水量平衡，但降雨較少的2014年樟子松固沙林已開始表現出水分虧缺現象。

以上結果說明，在豐水年與欠水年交替的過程中樟子松固沙林能夠通過自我調節降低對土壤水分的消耗，能夠基本維持水量，但如果遇到極端干旱年份或連續欠水年或沒有9月份較大降水的補給，樟子松固沙林很可能出現嚴重水分虧缺現象。

表3 試驗期間樟子松固沙林土壤水量平衡初步估算

3 結 論

(1) 試驗期間2013年、2014年累積降雨顯著(p<0.01)影響樟子松固沙林0—200 cm土壤水分的變化；其中5月—6月的降雨對150 cm以下土層影響較小，水分的補給和消耗維持在相對平衡狀態，9月后的降雨對土壤水分補給作用顯著。

(2) 典型降雨事件后(<8.0 mm、無連續降雨)樟子松固沙林表層0—10 cm土壤體積含水量與降雨后天數呈指數式下降趨勢(R2>0.95)，且降雨后第1天土壤水分損失量最大，占降雨后4 d總損失量的1/3以上。

(3) 小于45.2 mm降雨對樟子松固沙林150 cm以下土層無直接補給作用；大于53.8 mm降雨對樟子松固沙林200 cm層土壤水分有補給作用，且表層初始含水量較高時，降雨后入滲快、歷時短。降雨量、土壤表層初始含水量對降雨后樟子松固沙林土壤水分入滲過程及特征有顯著影響。

(4) 試驗期間2013年386.2 mm降雨能夠維持樟子松固沙林土壤水量平衡，但降雨較少的2014年(297.0 mm降雨)已開始表現出水分虧缺現象。當遇到極端干旱年份或連續欠水年或沒有9月份較大降水補給時，樟子松固沙林很可能出現嚴重水分虧缺現象。