太行低山區荊條土壤水分動態及其對不同降雨量的響應

李 龍，張志華，桑玉強* ，施光耀，賈長榮，張勁松

(1.河南農業大學林學院，鄭州 450002；2.中國林業科學研究院林業研究所/國家林業局林木培育重點實驗室，北京 100091；3.濟源市林業工作站，濟源 459000)

土壤水分是生物圈和土壤圈的連接紐帶，是影響植被生長發育的基本參量[1]。土壤水分狀況在很大程度上決定了植被恢復與重建成功與否[2-3]，長期以來一直受到學術界廣泛關注[4-6]。在干旱半干旱地區，降雨是土壤水分的主要補給來源，因此土壤水分受降雨影響強烈[7-9]。近年來，關于植被土壤水分動態研究主要集中在模擬降雨和自然降雨兩個方面，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態[1-2,4-9,13-15]、不同土壤類型土壤水分變化及其對降雨入滲的影響[16-18]、不同降雨強度與降雨量對土壤水分補給深度影響研究[16]等方面。目前關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[5,8-9]等缺水較為嚴重的干旱半干旱地區，而對太行低山區的研究相對較少[14-15]，關于土壤水分對不同降雨量的響應也鮮見報道。

太行山是華北平原的生態屏障，其南端緊鄰黃河，在貫徹落實黃河流域生態保護和高質量發展國家戰略中發揮著重要作用。由于受到人為因素和自然災害的干擾，太行低山區植被退化、水土流失問題嚴重[15]。太行山地處半干旱季風氣候區，在全球氣候變暖、水資源緊缺的背景下，開展太行低山區典型植被土壤水分動態及其對不同降雨量的響應研究，對于調整植被結構及布局、推動太行山生態保護與修復、構建中部生態安全屏障更具現實意義[19]。荊條(Vitexnegundo)為太行低山區鄉土灌木，具有根系發達、抗逆性強、生態可塑性高等特性[20]，在保持水土及生態修復等方面發揮重要作用?；诖耍蕴械蜕絽^常見灌木荊條為研究對象，采用土壤水分自動觀測系統對荊條主要生長季土壤水分進行連續觀測，同時從氣象站獲取降雨數據，以期了解荊條土壤水分動態及其對不同降雨量的響應，為太行低山區植被恢復重建、合理利用水資源提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗地位于黃河小浪底國家森林生態系統定位研究站(35°01′45″N，112°28′08″E)，研究區地處于華北地區太行山南麓、黃河中游，是典型的低山丘陵區，海拔400 m左右，屬暖溫帶大陸性季風氣候。植被類型以栓皮櫟-側柏人工混交林為主。土壤成分為棕壤和石灰巖風化母質淋溶性褐土，石礫含量10%～18%，土層較淺。全年日照時數為2 368 h，年均氣溫12.41～4.3 ℃。年均降雨量641.7 mm，年均蒸發量1 611.2 mm。

采用三臺長×寬×深=3 m×3 m×3 m規格的懸掛式大型稱重式蒸滲儀，整個土箱用作栽培池，利用周圍原狀土土層結構填土。在距離蒸滲儀土體表面10、20、40、60及80 cm深度土層埋設土壤水分探頭，其中10 cm深度在東南西北方位各埋設一個，20 cm及40 cm深度在東南西北中方位各埋設一個，60 cm及80 cm深度在中方位埋設一個。于2015年3月移栽生長狀態和冠幅基本一致的荊條，每臺蒸滲儀移栽4株，均勻分布在蒸滲儀內。荊條樹齡約為8 a。3臺蒸滲儀均采取自然狀態的處理方式(3個重復)。試驗時間為2019年5—10月。

1.2 數據獲取

采用RR-7120型土壤水分自動觀測系統(北京雨根科技有限公司)進行土壤水分測定，該觀測系統由太陽能板供電系統連續供電。土壤水分探頭為AV-EC5(美國AVALON公司)，精度±3%。數據采集器為RR-2016(北京雨根科技有限公司)，存儲時間間隔30 min。土壤水分由各土層對應數據平均后進行分析。

氣象資料的獲取依靠附近地面標準氣象站，可對降雨量(mm)等氣象因子進行連續觀測。傳感器與CR1000型數據采集器(美國Campbell公司)相連，每10 min輸出1組平均值。依據常用分析方法[7]，將時間間隔大于24 h的降雨作為兩次降雨事件。根據研究區降雨情況，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個量級。

使用LAI-2200式冠層測定系統(美國LI-COR公司)對荊條葉面積指數(leaf area index,LAI)進行定期測量。測量選擇在日出前、日落后或者在陰天進行。每10 d測定一次，每月測定3次，3次平均得月均值。

1.3 數據處理

采用 Origin 2018 與 SPSS 22 進行數據統計分析與圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 研究區降雨分布

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

圖1 研究區觀測期間降雨分布Fig.1 Precipitation distribution in the study area during the observation period

2.2 荊條土壤水分時空變化特征

2.2.1 土壤水分時間動態變化

荊條土壤水分日變化表現為明顯的兩個階段：前期因降雨較少，荊條生長緩慢，土壤水分變化不大，比較平穩，后期受降雨影響波動較大，呈驟升緩降趨勢(圖2)。具體表現如下：5—7月，除6月20日、7月24日分別有37.4 mm和34.3 mm的降雨對土壤水分進行有效補給外，其余的零星降雨對土壤水分補給有限，加之荊條對干旱環境具有一定的適應性，生長緩慢，LAI僅為1.9，對土壤水分消耗較少，使得土壤水分變化較為平緩，波動不大。8月份，隨著雨季的到來，降雨日增多，降雨強度增大，土壤水分補給明顯，其中8月1—7日累計降雨量為180.8 mm，導致土壤含水量驟增，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期，LAI為3.8，需消耗大量的水分以滿足自身生長需求，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給，之后在荊條蒸騰耗水的作用下呈緩慢下降趨勢。

為進一步明晰降雨對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%。整個生長季節降雨最大出現在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%。說明土壤水分變化除了與荊條蒸騰耗水有關外，受到降雨影響更明顯。同時說明，該地區春夏相交之季，因降雨稀少，存在季節性干旱，可能會對荊條的生長造成一定的抑制。

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象明顯，各月份之間土壤水分變化趨勢一致，隨土壤深度增加呈反“S”形變化趨勢(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層次受到降雨補給和土壤蒸發的雙重影響，與大氣交換過程強烈，波動較大，土壤蒸發明顯，土壤含水量較低，平均含水量為19.49%。隨著土壤深度的增加，氣象因素對土壤蒸發的影響減弱，表現為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，降雨對該層次的水分補給非常有限，較少的補給，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，降雨充沛的季節又可為該層次進行水分補給，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 荊條土壤水分對不同降雨量的響應

不同降雨量對土壤水分補給深度不同，進而影響植被根系對土壤水分的吸收。現選擇0～10.0 mm、10.1～25.0 mm、25.1～50.0 mm及>50.0 mm 4個降雨量級降雨事件，分析不同級別降雨對土壤水分的影響(圖5)。0～10.0 mm級別因降雨量很少，僅能對0～10 cm層的土壤水分造成微弱補給[圖5(a)]，使10 cm層土壤水分提高了1.4%。10.1～25.0 mm級別降雨可對20 cm層的土壤水分造成補給[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級別降雨對土壤水分層次補給較深，可達到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層次補給明顯，土壤水分含量補給超過10%。>50.0 mm級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等多重因素的綜合影響，其中降雨作為干旱半干旱地區土壤水分的唯一來源，是植被生長過程中主要的限制因子[4]。土壤水分的季節變化主要與降雨季節分布有關[7,21-22]，降雨峰值往往會引起土壤水分峰值的出現[7]。研究發現太行低山區荊條月土壤水分表現為單峰曲線，最大值出現在8月，與降雨量存在正相關關系。其主要原因在于研究區2019年春季降雨很少，不能對土壤水分實現有效補給。8月份降雨量最大，充分的降雨使得土壤水分峰值出現。部分地區土壤水分呈現雙峰變化除了受到生長期降雨影響外，還與生長前期的降雪融水有關[1,23]。秋冬季的積雪可對土壤進行增墑保濕，而在生長季前積雪融化導致土壤水分增大，引起土壤水分第一個峰值的出現[24]，進入雨季，土壤水分得到降雨的充分補給，形成土壤水分第二個峰值[1]。黃志剛則發現南方丘陵區7～10月份土壤含水量呈持續下降趨勢，其原因在于生長季節雖然有相對充沛的降雨補給，但植被蒸騰和土壤蒸發強度隨之增加，導致土壤水分持續處于消耗狀態[25]。

土壤水分垂直空間分布受土壤蒸發、植被蒸騰、根系分布及土壤類型的影響會表現出一定的差異性。有研究發現隨土壤深度增加，土壤水分呈先增大、后減小、再增大趨勢[6,21]。研究結果也顯示類似的結論。司夢可等[15]卻發現隨土壤深度增加，荊條土壤水分不斷減少，可能與根系垂直空間分布有關，荊條根系延伸到土層深部，消耗深層土壤水分，對100～150 cm層土壤水分利用較多。趙娜等[26]發現荊條在生長季主要利用0～30 cm層土壤水分，該層次土壤水分變化較大，與研究結果較為一致；鄧文平等[27]則認為荊條具有靈活的水分利用模式，對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源。這與荊條灌叢大小、根系分布有直接關系。

降雨對土壤水分的補給與降雨量大小、降雨強度、土壤類型、初始土壤水分等環境因素有密切關系，其中降雨量大小是影響土壤水分補給深度的決定性因素[25]。在烏蘭布和沙漠區，降雨量以小于20.0 mm為主，對20 cm以下土層土壤水分補給有限，會導致20 cm以下土壤水分逐漸惡化[9]。藏北高寒草原區，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左右時對檸條錦雞兒土壤水分濕潤深度為30～50 cm[5]，小于45.2 mm的降雨對樟子松固沙林150 cm以下土層無明顯補給作用，大于53.8 mm的降雨對200 cm層土壤水分有補給作用[8]。研究結果發現0～10.0 mm、10.1～25.0 mm、25.1～50.0 mm及>50.0 mm級別降雨量對荊條土壤水分的補給深度分別為10、20、60及80 cm土層，與烏蘭布和沙漠區和藏北高寒草原區較為接近，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，質地疏松，透水性、透氣性好，導致降雨的滲透率相對較高[6,28]。整體上，降雨量相同時，對毛烏素沙地土壤水分的補給深度大于太行低丘區、藏北高寒草原區和烏蘭布和沙漠區。

4 結論

基于研究區2019年5—10月荊條土壤水分數據，結合降雨數據，對太行低山區典型灌木荊條的土壤水分時空動態變化特征及其對不同降雨量的響應進行了分析，得出以下結論。

(1)觀測期間，研究區總降雨量為526.6 mm。降雨季節分布不均，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，但累計雨量僅占總雨量的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，在降雨季節呈驟升緩降的特點。月尺度上，土壤水分動態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。

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