荒漠草原土壤水分時空變化對降水變化的響應

羅 敘, 李建平,2, 張 翼, 井 樂, 王譽陶, 張 娟

(1.寧夏大學 農學院, 銀川 750021; 2.西北退化生態系統恢復與重建國家重點實驗室培育基地, 銀川 750021)

隨著全球氣候變暖，降水分布格局也發生了一系列變化[1]，研究發現氣候變暖會增加我國降水和極端降水事件發生的頻率[2]，然而自然降水或者人為灌溉均要先通過轉化為土壤水分才能被植物吸收利用[3]。在干旱、半干旱地區，土壤水分作為降水、地下水和地表水之間相互傳輸的橋梁不僅對植物的生長發育至關重要[4-5]，而且直接影響植被的分布與穩定[6]。在荒漠草原區，降水作為土壤水分補給的主要方式[7]決定著草原植被的分布及生態環境的穩定。土壤水分因受降水[8]、植被等[9]因素的影響，存在明顯的時空變化特征[10]，而深層土壤水分作為植物生長的儲備水源，在植物應對干旱等極端天氣方面發揮著重要作用[11]。

全球氣候變化使降水的不可預測性難度增大，在干旱缺水的地區，土壤水分的時空變化越來越受到國內外學者的關注[12]。已有研究表明，在大尺度上，如全球中緯度地區和大陸尺度，降水等氣象因素對土壤水分空間異質性影響明顯[13]；而在黃土丘陵小流域等小尺度上，地形和植被等環境因子和土壤結構、有機質等理化性質為主導因子[14]。Brocca等[15]在田間和流域尺度上，利用遙感反演土壤水分變化規律并結合土壤水分監測數據，研究土壤水分的時空變異性。Matsui等[16]研究了土壤水分入滲與土壤含水量的關系。王正安等[12]在六盤山半干旱區對華北落葉松林研究發現，0—10 cm土層土壤含水率與降雨量變化趨勢具有一致性，并且土壤含水率對不同雨強的響應表現出顯著的差異。符娜等[17]在黃土區人工林地研究發現，土壤含水率隨土層深度的增加而逐漸降低，并長期維持在較為穩定的范圍內。沈志強等[18]通過野外坡面降雨試驗研究發現不同土層對降雨的響應不同，植被密度大的試驗區土壤水分對降雨的表現較為平緩與延遲。李小英等[19]發現，黃土高原地區表層土壤水分與降水量呈顯著正相關關系，同時表層土壤水分分布存在較大時空差異和明顯的季節性變化。蘇瑩等[20]研究發現降雨量的時間變化對于土壤體積含水率的時間變化具有重要影響。方楷等[21]研究發現生長初期的土壤水分是植物生長的關鍵影響因子，并且植物生長耗水主要來自60—100 cm土層。綜上，相關研究人員對林地土壤水分在垂直方向的變化、降水量與表層土壤水分的關系、以及植被生長對土壤水分的消耗狀況和利用層次進行了相關研究，而對不同降雨量下荒漠草原深層土壤含水量的研究比較少。鑒于此，本試驗通過設置不同降雨梯度，分析研究荒漠草原不同土層土壤水分的時空變化規律以及對植被生長的影響，揭示降雨量對荒漠草原不同土層土壤含水量的影響，以期為區域生態系統建設提供理論參考。

1 試驗區概況

研究區位于寧夏回族自治區鹽池縣花馬池鎮四墩子村(37°76′N，107°28′E)，其北鄰毛烏素沙地，南接黃土高原，由南向北從黃土高原丘陵區向鄂爾多斯臺地過渡。平均海拔1 600 m，年平均氣溫8.1℃，年降水量289 mm，大部分集中在6—9月[22]；年均蒸發量2 132 mm，≥0℃年積溫為3 430℃，屬于典型的中溫帶大陸性氣候[23]。地帶性植被類型為荒漠草原，地帶性土壤為灰鈣土，土壤質地多為沙壤和粉砂壤，肥力低下。植被以旱生和中旱生植物類型為主，主要分布有胡枝子(Lespedezabicolor)、蒙古冰草(Agropyronmongolicum)、遠志(Polygalatenuifolia)、砂珍棘豆(Oxytropisracemosa)和豬毛蒿(Artemisiascoparia)等[24]。

2 試驗設計與數據來源

2.1 試驗設計

試驗于2019年6月—10月在鹽池縣四墩子基地進行，通過對試驗區近40 a的氣象觀測數據分析，以年平均降水量和波動極值為依據，利用遮雨棚和人工補水的方式模擬了5個不同梯度的降水處理，分別為正常降雨的33%，66%，100%，133%，166%，按蛇形法隨機設置小區，每個小區面積為36 m2(6 m×6 m)，間距20 m，每個處理設置3個重復，共設置15個小區。試驗前期各小區植被生長狀態及植被數量基本一致，土壤水分無顯著差異。整個試驗期間，對33%和66%減雨區采用鋼架結構和凹型長條透明塑料板通過人工遮雨的方式分別遮擋小區面積的2/3，1/3，對133%和166%增雨區，每次降雨之后利用雨量筒測定降雨量，按照小區面積計算增雨量，并用灑壺補充到增雨區(補充的水為遮雨棚收集的自然降雨)，正常降雨為100%(圖1)。利用HOBO MX2301(Onset Computer Corporation，USA)檢測各小區溫度，溫度采集間隔為15 min。為防止水分擴散，每個小區四周利用1.2 m寬的塑料板進行水分隔離，地下埋藏深度1.1 m，地上漏出10 cm阻止地表徑流。小區中心設置一個2 m深的TDR管，每半個月(分別為每月的第1天和第15天)定點測定不同土層土壤含水量，每40 cm作為一個土層，共5個土層，每個月的數據取本月兩次測量的平均值。采用收獲法[25]測定植被特征，在每個小區中隨機設置1個1 m×1 m的小樣方，測定各降水處理下植物的密度、蓋度、頻度、高度及地上和地下生物量，稱鮮重(g/m2)，作為總生物量。

圖1 試驗設計示意圖

2.2 數據處理

應用SPSS 22.0(IBM Corporation，USA)對各降水處理下不同土層土壤含水量采用One-way ANOVA和Duncan法進行單因素方差分析、多重比較(p<0.05)及對土壤水分影響因素進行Pearson相關性分析，采用Origin Pro 2017(OriginLab Corporation，USA)對分析結果作圖。

3 結果與分析

3.1 降雨量與各處理土壤含水量的動態分析

試驗期間隨著季節變化降雨量呈波動降低的趨勢(圖2)，6月、7月、8月份降水較多，分別為58.2，55.5，55.3 mm；9月、10月份降水量分別為40.1，38.0 mm。6月份平均氣溫為23.15℃，7月份平均氣溫為25.82℃，8月份平均氣溫為25.18℃，9月份平均氣溫為19.35℃，10月份出現了零下溫度，平均氣溫為12.15℃；除166%降水處理的土壤含水量在9月份最大外，其余各降水處理土壤含水量均在7月份達到最大值，之后33%，66%和100%降水處理出現了不同程度的下降，133%和166%降水處理在降水較少的9月、10月份土壤含水量出現了不同程度的回升。

圖2 降水變化與土壤含水量的動態變化

3.2 不同降水梯度下土壤平均含水量的月變化動態

由圖3可知，9月份之前土壤含水量由高到低依次為100%>66%>33%>166%>133%，增雨處理下土壤含水量相對較低，正常降雨處理下的土壤含水量均高于同期其他降水處理。每月土壤平均含水量由高到低依次為7月>6月>8月>9月>10月，33%，66%和100%降水處理隨著季節變化土壤含水量呈現先增加后減小的趨勢；133%降水處理在6月、7月份土壤含水量保持在9.16%，9月份下降至8.31%，10月份呈現小幅回升；166%降水處理在降水較少的9月、10月份土壤含水量高于相較降雨較多的6月、7月、8月份。6月、7月份增雨處理與對照呈顯著性差異(p<0.05)，8月份只有133%降水處理與對照呈顯著性差異(p<0.05)，9月、10月份，同期各處理之間無顯著性差異。

注：不同小寫字母表示不同降水處理在同一月份差異顯著(p<0.05)，下同。

3.3 不同土層土壤水分對降雨變化的響應

不同降水處理下0—40 cm土層土壤含水量的月動態變化見圖4A，各處理土壤含水量均在7月份達到最大值。166%降水處理在6月、7月、8月份土壤含水量均高于同期其他處理，9月、10月份除對照處理外，166%降水處理下土壤含水量高于同期其他處理。除33%降水處理外，其他處理均隨季節變化呈升—降—升的變化趨勢；100%和133%降水處理在9月份出現回升，66%和166%降水處理在10月份出現回升。6月份，166%降水處理與33%和133%降水處理呈顯著性差異(p<0.05)；7月份，166%降水處理與33%，66%和133%降水處理呈顯著性差異(p<0.05)；8月份，166%降水處理與同期各處理均呈顯著性差異(p<0.05)；9月、10月份100%和166%降水處理無顯著性差異。

不同降水處理下40—80 cm土層土壤含水量的月動態變化見圖4B，各處理土壤含水量依然均在7月份達到最大值，減雨處理和對照處理在6月、7月、8月份土壤含水量高于9月、10月份。對照處理在該層土壤含水量最高，增雨處理在該層土壤含水量相對較低。減雨處理與對照處理在6月、7月、8月份無顯著性差異，增雨處理與對照呈顯著性差異，但隨著時間的推遲此差異逐漸變小；9月、10月份，雖然增雨處理與對照相比土壤含水量百分點分別降低了4.04%，1.49%和2.38%，1.47%，但同期各處理之間未達到顯著差異。

不同降水處理下80—120 cm土層土壤含水量的月動態變化見圖4C，增雨處理下土壤含水量低于其他處理。8月份之后33%，66%和100%降水處理在該層土壤含水量出現了不同程度的下降，而增雨處理在該層土壤含水量出現了一定程度的增加。6月份，增雨處理與對照呈顯著性差異，之后隨著季節變化這種差異逐漸減小。9月份，133%和166%增雨處理相較于對照百分點分別降低了2.91%，0.33%；10月份，133%和166%增雨處理相較于對照百分點分別降低了1.20%，1.60%，但均未達到顯著差異。

不同降水處理下120—160 cm土層土壤含水量的月動態變化見圖4D，對照處理在該層的土壤含水量高于其他人為干擾處理。8月份之前各處理土壤含水量保持在相對穩定的狀態，之后66%，100%和133%降水處理土壤含水量開始下降，9月、10月份增、減雨處理與對照處理之間土壤含水量差值呈逐漸減小的趨勢。6月、7月、8月份各處理與對照呈顯著性差異(p<0.05)，9月、10月份除66%降水處理外，同期各處理之間無顯著性差異。

不同降水處理下160—200 cm土層土壤含水量的月動態變化見圖4E，對照處理的土壤含水量均高于其他處理。6月、7月、8月份不同時期各處理之間土壤含水量差異呈相同的變化趨勢，土壤含水量由高到低依次為100%>66%>33%>133%>166%。9月份之后各處理土壤含水量趨于12%。6月、7月、8月份同期各處理之間呈顯著性差異(p<0.05)，9月、10月份同期各處理之間無顯著性差異。

圖4 不同降水處理下各土層土壤含水量的月動態變化

3.4 不同土層土壤含水量的變異系數

不同降水處理下各土層土壤含水量的變異系數見圖5。變異系數在一定程度上能表現土壤水分在空間上的分布，變異系數越大，說明土壤含水量變化就越劇烈，反之土壤含水量變化就越小。一般認為變異系數<0.1為弱變異，變異系數在0.1～1.0為中等變異，變異系數>1.0為強變異[26]。整體來看，6月、7月、8月份深層(120—200 cm)土壤水分變異系數較上層小，120 cm以下變異系數均呈現出弱變異。9月、10月份各處理變異系數呈現升—降—升的“S”型變化。6月、7月、8月份133%降水處理在40—80 cm土層處土壤水分變異系數明顯高于其他處理，其值分別為0.25，0.31，0.22，表現出中等變異。對照處理在8月份最大變異出現在80—120 cm，9月、10月份的最小變異系數出現在80—120 cm土層。6月份，33%，100%和166%降水處理最大變異出現在0—40 cm，66%和133%降水處理最大變異系數出現在40—80 cm；7月、8月份，減雨處理和133%降水處理土壤水分變異系數最大值出現在0—40 cm，166%降水處理變異系數最大值出現在40—80 cm；9月、10月份，減雨處理和166%降水處理最大變異系數出現在0—80 cm，133%降水處理出現在40—120 cm。

圖5 各處理在不同時期各土層的變異系數

3.5 植被特征對降雨變化的響應

不同降雨處理下植被特征變化見圖6。增雨處理下植被密度大于減雨處理，除133%降水處理外，植被密度隨著降雨量的增加表現出增加的趨勢。166%降水處理的植被密度最大，較對照處理高17.70%，但各降水處理之間均未達到顯著差異；植被蓋度隨降雨量的增加呈先增加后減小的趨勢，增雨處理的植被蓋度低于減雨處理，33%，66%和133%，166%降水處理分別較對照低43.50%，33.40%，47.03%，54.14%。33%，133%和166%降水處理與對照呈顯著差異(p<0.05)；增雨處理和減雨處理的植被頻度均高于對照，各處理之間未達到顯著差異；66%和133%降水處理的植被高度較對照高，分別高出30.70%，18.72%，各處理之間未達到顯著差異水平；除133%降水處理外，地上、地下生物量隨降水的增加呈增加趨勢，166%增雨處理下根系生物量與減雨處理和133%降水處理達到顯著差異水平(p<0.05)，與對照相比未達到顯著差異。

圖6 各降水處理下植被特征的變化

3.6 土壤水分影響因素關聯分析

表1統計了不同土層土壤水分與各影響因素之間的相關系數，土壤含水量與植被蓋度、頻度和高度呈負相關，與降水、溫度、植被密度和地上、地下生物量呈正相關。

表1 土壤水分影響因素相關分析

33%降水處理在土層深度為0—40 cm和80—120 cm時土壤含水量與溫度呈顯著相關(p<0.05)，33%和66%降水處理在土層深度為40—80 cm時土壤含水量與溫度表現出極顯著相關(p<0.01)。66%和100%降水處理在120—200 cm時土壤含水量與溫度呈顯著相關(p<0.05)，133%降水處理在120—160 cm時土壤含水量與溫度表現出極顯著相關(p<0.01)。33%和166%降水處理下土壤淺層(0—40 cm)土壤含水量與降雨量在0.05水平上顯著相關，66%和100%降水處理的0—80 cm和120—200 cm土層土壤含水量與降水量在0.01水平上顯著相關。減雨處理在深層(160—200 cm)時植被密度與土壤含水量呈正相關，而增雨處理在淺層表現出正相關，并且隨著降雨量的增加正相關土層減少。隨著降水量的增加160—200 cm土層土壤含水量與植被蓋度的相關性呈先增大后減小的變化趨勢，正常降雨處理下相關性最強，當降水量增加到166%時該層土壤含水量與植被蓋度呈負相關。減雨處理下植被頻度的相關性強于增雨處理。33%和133%降水處理在土層深度為40—120 cm，66%降水處理下土層深度為0—160 cm，166%降水處理土層深度為80—200 cm時，土壤含水量與高度呈正相關關系。除33%降水處理的0—40 cm土層外，減雨處理各土層地上、地下生物量與對應的土層土壤含水量的相關性相反，而增雨處理的相關性一致。

4 討 論

土壤水分是限制植被形成與發展的關鍵因子，其在氣候干旱、生態環境相對脆弱的荒漠草原區發揮著重要作用[27]。本研究通過對2019年6—10月植物生長期降雨量變化對荒漠草原不同土層土壤含水量在時間和空間變化的分析，得出除166%降水處理土壤含水量在9月份最高外，其余各降水處理土壤含水量均在7月份達到最大值，且增雨處理在9月、10月份土壤含水量相較于8月份表現出不同程度的回升。說明是土壤含水量的變化對增雨變化有一定的滯后性；正常降水處理的土壤含水量在同期各處理之間最高，不同降水處理土壤水分含量變化趨勢不同。其原因是2019年6月份開始測量時，此時寧夏中部干旱帶處于春末夏初，植被剛剛萌發，風速較大，空氣濕度相對低，土壤水分蒸發強烈。6月15日開始，自然降雨增加，土壤開始補充水分，相應的土壤含水量逐漸增加，較高的土壤含水量有利于補充植被消耗和土壤蒸散的水分，7月份測得土壤含水量達到最大。8月份自然降水減少，加之該時期是植被生長的旺盛期，對水分的需求非常敏感。同時該區氣溫高，導致植物、土壤蒸騰蒸發量升高。9月、10月份自然降雨較8月份更少，植被只能消耗土壤貯存的水分，并且此時試驗地日照時間縮短，蒸發量減少。說明植被對水分的利用影響了土壤水分在時間尺度上的變異[28]。

增雨處理植被密度大于減雨處理，原因是增雨處理下的一部分土壤水分用于植物生長且166%降水處理豐富的地上生物量(主要植被為胡枝子、蒙古冰草和遠志)對雨水有很好的截留和保持能力；而減雨處理伴隨干旱脅迫的持續導致植被生長弱小，土表裸露面積較增雨處理大，加上試驗期間植物正處于生長期，土壤水分只能蓄積在深層以保證植物正常蒸騰需水。說明土壤水分對降雨的響應受樣地植被及草本植物密度大小的影響[18]。8月份之后，土壤含水量出現了不同程度的下降，9月、10月份時各降水處理之間土壤含水量未達到顯著性差異。由此可見，土壤含水量與降雨量表現一致，這與李新榮等[29]研究一致。

不同土層對降雨量變化的響應不同，166%最大降水處理的土壤含水量在土壤淺層(0—40 cm)最高，這與馬生花等[7]研究一致。原因是33%，66%，100%，133%降水處理植被生物量低，表層土壤與大氣直接接觸，地表蒸發強烈，即使降雨較多的月份表層土壤含水量仍然不會有太大的升高。在40—120 cm土層中增雨處理土壤含水量低于其他降水處理，因為草原植被生長耗水主要是在60—100 cm土層[21]；隨著土層深度的增加降水對土壤水分的補給減弱，對土壤含水量的影響越來越小。這與潘顏霞等[30]研究的降雨是引起土壤水分空間變異的主要影響因素的結論一致。不同深度的土壤含水量受降雨的影響不同，其中0—40 cm最大，降雨量較小時，深層土壤含水量幾乎不受影響。不同降水處理土壤含水量隨著時間的推遲呈現“S”型變化，且減雨處理表層土壤含水量低于深層土壤含水量，這與王艷莉等[28]在人工固沙植被區研究結果有所差異，但總體說明了土壤含水量對降水變化的響應比較敏感[30]。增雨處理下土壤水分變化的土層深度大于減水處理，這與王艷莉等[28]研究的干旱年份與濕潤年份結果一致。除133%降水處理平均變異系數為0.117外，其他降水處理土壤含水量的平均變異系數均表現出弱變異水平，說明不同降水變化對土壤水分變異的影響較小，這與前人研究結果一致[31-32]。不同降水處理下表層土壤含水量變異系數大于深層土壤含水量的變異系數，變異系數較小值集中在深層，這與李小英等[19]研究一致。說明降雨量變化對土壤水分蒸發和植被蒸騰對0—80 cm土層的影響最大，隨著土層深度的增加變異系數逐漸減小。166%增雨處理在降雨較多的6月、7月、8月份變異系數較小，因為期間該樣地較大的植被覆蓋度使一部分雨水被截留，同時也減少了土壤水分的蒸發，在一定程度上減小了土壤水分的損失。33%減雨處理變異系數較大是因為植被蓋度低，降雨進入土壤后容易被蒸發。9月、10月份增雨處理和正常降雨0—200 cm土層土壤水分變異系數大于減雨處理，分析其原因是正常降雨和增雨處理下植被覆蓋度大，降雨量減少時消耗的土壤水分多[33]。

增雨處理較減雨處理的植被密度大，說明在荒漠草原降水較少的情況下增加降水可以促進一年生植物的萌發。原因是在降水較少的荒漠草原區，表層土壤水分相對比較匱乏，減水處理進一步降低了土壤水分，從而限制植物對水分的吸收。此外，研究區優勢植物群落主要是多年生植物(蒙古冰草、砂珍棘豆、遠志)，其根系分布于土壤淺層[34]，對表層土壤水分利用效率較高[35]。在一定降水量范圍內，植被蓋度隨降水量的增加呈增加的趨勢，這主要是增水能增加植物的生長；各降水處理植被頻度和高度均未達到顯著差異水平。

荒漠草原區植被生物量對降水的響應敏感[36]，166%降水處理地上、地下生物量均高于33%降水處理，這與Zhang等[37]研究得出的較高的植被密度能使植物更好地利用環境資源，從而提高生物量的結論一致。降水量在正常降水范圍波動時生物量維持在相對穩定的狀態，可能與植被生長狀況密切相關[38]；133%降水處理下植被高度較低的原因可能與樣方內植被類型分布有關。

本研究發現，除33%降水處理120—160 cm土層、100%降水處理0—40 cm土層和133%降水處理40—120 cm，160—200 cm土層以及166%降水處理的80—200 cm土層外，土壤含水量與降雨量、溫度均呈正相關關系。減雨處理下土壤水分與溫度的相關性土層較增雨處理的淺，說明減雨處理下溫度對淺層土壤含水量有顯著影響。66%降水處理的土層土壤含水量與植被高度的正相關土層(0—160 cm)的分布淺于增水處理的土層(80—200 cm)，表明增雨處理下深層土壤水和減雨處理下淺層土壤水可以促進荒漠草原植被的生長高度。減雨處理下植被蓋度與頻度的相關性強可能與一年生草本的蓋度值較低有關[38]。

5 結 論

在荒漠草原區，土壤含水量主要受降雨量的影響，且兩者呈正相關關系。雨季后增雨處理的土壤水分表現出明顯的滯后性，當自然降水減少時，正常降水處理更有利于土壤保水；降雨量對土壤含水量的影響主要集中在土壤淺層(0—40 cm)，對深層影響較小；降水量多的月份(6—8月)土層深度對變異系數的影響大于降雨量對其的影響，降水較少的月份(9月和10月)深層土壤水分變異增大；166%降水處理能提高荒漠草原生產力，適度的減水(66%)和增水(133%)處理下，降雨量與各土層土壤含水量能保持較強的相關性且能增加荒漠草原植被高度；極度缺水情況下，淺層土壤水分與溫度呈顯著相關。