白刺沙包淺層土壤水分動態及其對不同降雨量的響應

李新樂,吳 波,張建平,辛智鳴,3,董 雪,段瑞兵,3

1 中國林業科學研究院，荒漠化研究所， 北京 100091 2 中國林業科學研究院沙漠林業實驗中心， 磴口 015200 3 內蒙古磴口荒漠生態系統國家定位觀測研究站， 磴口 015200

土壤水分是干旱區植被生存和發展的主要限制因子[1]。在植被生長發育過程中,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、強度和季節分配等[3]。許多氣候變化研究都預測今后的極端干旱和降雨事件將更頻繁[4],導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特征有助于在水文過程與生態格局之間建立定量的聯系,由于土壤水分對整個地球系統的重要性,它的時間和空間變化日益引起水文界的廣泛關注[6-7]。干旱荒漠區年降雨量稀少,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,越來越多的學者開始關注干旱區降雨變化對土壤水分的影響。國外學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系,建立了土壤水分入滲速率與時間的數學表達式。國內也開展了大量的相關研究,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[14-15]、降雨入滲再分配[16]、土壤水分空間異質性的影響因子[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中產生重要作用,并存在明顯的差異性。

由于干旱區降雨稀少,1 年內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3 年監測,分析植被生長季不同深度土層對不同降雨量的響應及整個生長季的土壤水分動態特征,以期為荒漠植被的發展和土壤水分承載力間平衡關系的判定提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區巴彥淖爾市磴口縣,中國林業科學研究院沙漠林業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%,年蒸發量約2327 mm,無霜期136 d,土壤類型為風沙土。植被類型屬于溫帶灌木荒漠,唐古特白刺(Nitrariatangutorum)是研究地點的優勢植物,能夠阻擋風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

選擇研究區域內處于穩定階段的典型白刺沙包(表1),在沙包迎風坡中部分別安裝AR5土壤水分自動測量系統(AR- 5-SE,Avalon,USA)。AR5土壤水分自動測量系統使用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測儀器。國內外的一些應用表明EC- 5土壤水分傳感器在獲取連續的土壤水分數據方面具有較好的效果[21- 23]。本研究采用AR5數據采集器為EC- 5供電和存儲數據。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,土壤水分數據讀取時間間隔為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數據。

1.3 數據分析

利用研究區附近自動氣象站記錄2015—2017年的降雨數據,分析研究區的降雨變化特征。利用Excel 2010、SigmaPlot 10.0對相關數據進行處理分析及制圖。

表1 白刺沙包基本特征

2 結果與分析

2.1 研究區2015—2017年生長季降雨變化特征

對研究區2015—2017年降雨資料進行統計,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的降雨事件共發生6次,占總降雨次數的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的降雨事件共發生4次,占總降雨次數的8%,累計降雨量58 mm,占總降雨量的21.6%。降雨量介于20—30 mm的降雨事件共發生2次,占總降雨次數的4%,累計降雨量47.6 mm,占總降雨量的18.1%。降雨量大于30 mm的降雨事件共發生2次,占總降雨次數的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

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,在短時間內迅速升至10%—15%,而后耗于土壤蒸發和植物蒸騰,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。由此可以認為淺層土壤水分動態變化主要因大氣降雨的季節分布而變化,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,其他降雨事件響應時間均為0.5 h,說明表層土壤在發生降雨后快速完成響應。對于10 cm以下土層而言,隨著降雨量的增大,土壤水分發生變化的響應時間逐漸變短。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,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的大雨發生后,穩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現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]在黑河地區研究發現小于5 mm降水事件對淺根性植被生長與發育有重要的意義,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較為明顯。趙學勇等[27]運用地統計學方法在科爾沁沙區研究發現一定強度的降水在短期內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而逐漸減少,表層(0—20 cm)的水分減少最快[28]。這些研究結論與本研究結果基本一致,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生大于20 mm的降雨量后才會產生波動。

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外,還與降雨強度、歷時有關,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。干旱地區以超滲產流為主,當降雨強度大于土壤入滲率時形成地表徑流,當降雨入滲轉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定階段白刺沙包土壤表層結皮分布較多,且沙包表面有一定坡度,短時間內高強度的降雨容易產生徑流,減少了土壤水分垂直入滲,同時穩定階段植被蓋度較大,出現灌層截留,導致降雨出現再分配[31]。

3.3 降雨格局變化對荒漠植被生長的影響

研究干旱區荒漠植被土壤水分分布及其對降雨格局變化的響應可為植被的發展和土壤水分承載力間平衡關系的判定提供科學依據[32],這也是荒漠生態系統維持穩定和植被恢復與重建研究中亟需解決的關鍵問題[33]。就研究區而言,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,所以研究區降雨格局的變化將嚴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]的研究結論一致。Berndtsson等[36]研究也發現,小降雨事件能有效地恢復表層土壤水,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,對深根系植物有利。因此,在研究區降雨事件以小于20 mm降雨為主的情況下,導致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致白刺群落的衰退,研究區這種降雨格局將對淺層土壤水分及植被演替產生重要影響。

4 結論

(1)在烏蘭布和沙區,<10 mm的降雨只能對0—10 cm土層白刺沙包土壤水分產生影響,10—20 mm的降雨可以對0—20 cm土層的白刺沙包土壤水分產生影響,20—30 mm降雨能夠對0—30 cm土層土壤水分產生影響,>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時間分別為0.5、1、1、1.5 h和5 h。