丘间地固沙林土壤水分动态变化特征

2016-06-23闫德仁黄海广胡小龙袁立敏

中国水土保持 2016年5期

关键词：动态变化土壤水分降水量

闫德仁，黄海广，胡小龙，袁立敏

(内蒙古林业科学研究院，内蒙古呼和浩特 010010)

丘间地固沙林土壤水分动态变化特征

闫德仁，黄海广，胡小龙，袁立敏

(内蒙古林业科学研究院，内蒙古呼和浩特 010010)

[关键词]固沙林；土壤水分；动态变化；降水量；重力水入渗深度；浑善达克沙地

[摘要]水分是影响固沙植被生长发育最重要的限制因素，同时也是沙漠环境中最容易受到影响的生态因子，定位观测研究流动沙地建立固沙植被后的土壤水分变化具有重要的现实意义。采用WatchDog土壤水分自动监测系统，于2014年6月17日—10月31日定位定时记录了樟子松人工林、杨树人工林和榆树天然林土壤体积含水量数值，结果表明：相同降雨量条件下，不同固沙植被土壤重力水的入渗深度存在明显差异。降雨量20 mm左右时，榆树天然林地降雨入渗深度大于20 cm土层，杨树和樟子松林地大于40 cm土层；降雨量12 mm左右时，杨树林地降雨入渗深度达到40 cm土层，榆树林小于20 cm土层，樟子松小于40 cm土层。相同降水量条件下，不同固沙林降雨入渗到相同土层深度所经历的时间不同。在降雨量21.1 mm事件中，榆树天然林入渗到20和40 cm土层所经历的时间分别为降雨开始后4和9 h，樟子松林分别为5和9 h。

植物固沙是荒漠化防治的重要技术措施之一，但由于人工固沙林造林密度大、土壤水分亏缺和人工植被衰退等一系列问题在沙地人工生态系统中表现得尤为突出，所以沙地植被建设出现的不良生态问题逐渐引起了人们的关注。水分是影响固沙植被生长发育最重要的限制因素，同时也是沙漠生态环境中最容易受到影响的生态因子，多数生态环境问题都是由于水分亏缺而导致的，因此在流动沙地建立固沙植被后，最显著的生态问题是土壤水分逐渐恶化，并严重地影响了沙漠化土地现有植被建设效果。例如，大面积沙地人工植被死亡问题、树木生长的衰退问题和我国北方普遍存在的人工植被土壤干化问题等[1-4]，从某种程度看都是土壤水分亏缺的直接结果。所以，定位观测研究固沙植被土壤水分动态变化具有重要的现实意义。

1研究地概况

研究地位于内蒙古多伦浑善达克沙地生态系统国家定位观测研究站，即内蒙古多伦县南沙梁国营林场，地理坐标为东经116°29′33.28″、北纬42°08′37.85″，海拔 1 277 m。本区气候属中温带半干旱向半湿润过渡的大陆性气候，年平均气温1.6 ℃，年极端最高气温35.4 ℃，年极端最低气温-39.8 ℃，≥10 ℃有效积温1 970 ℃，无霜期95 d；年平均降水量386.2 mm，年平均相对湿度62%，年平均蒸发量1 761.0 mm；年平均风速3.6 m/s，年大风日数69.8 d，最大风速为24 m/s，除夏季出现偏东偏南风外，其他季节盛行西北风或西风；年日照时数3 142.7 h，年太阳总辐射量5 899 MJ/m2。

研究区土壤为风沙土，地带性土壤为栗钙土。天然植被主要建群种和优势种有羊草〔Leymuschinensis(Trin.)Tzvel.〕、大针茅(StipagrandisP. Smim.)、克氏针茅(StipasareptanaRoshev.)、糙隐子草〔Cleistogenessquarrosa(Trin.)Keng〕、冰草〔Agropyroncristatum(L.) Gaertn.〕、百里香(ThymusmongolicusRonn.)等。

2研究对象与方法

本研究选择的立地条件均为平缓沙质丘间地，地下水位埋深大于5 m。选择的固沙植被分别是樟子松和杨树人工林，对照样地为2000年封育后形成的天然榆树林。其中，樟子松为大苗造林，造林时间为2002年，密度为2 m×2 m，平均树高5.5 m，平均胸径15 cm，郁闭度0.9，地表枯落物厚度2.0 cm；杨树造林时间为2003年，密度为2 m×2 m，平均高度6.85 m，平均胸径8.5 cm，郁闭度0.7，地表枯落物厚度0.5 cm；天然榆树林平均树高3.5 m，平均胸径10 cm，郁闭度0.5，地表枯落物厚度0.5 cm。

2014年6月17日在选定的样地内安装WatchDog土壤水分自动监测系统，水分传感器型号为SM-100型，传感器分辨率为0.1%，土壤水分单位为体积含水量。记录仪时间设置为每60 min自动记录一次，每天记录24个数据，日记录数据的平均值作为本研究的分析数据。

土壤水分传感器的安置深度分别为20、40、80和120 cm土层的水平位置，使用数据的节点时间是2014年6月17日—10月31日。期间，研究地安置的CR-1000型自动气象站记录的累计降水量为162.5 mm。自动气象站和WatchDog土壤水分自动监测仪器的直线距离小于500 m。

同时选择2014年8月9日的一次降雨事件，分析降雨入渗历时对土壤水分含量变化的影响。8月9日降雨开始时间是15时30分，结束时间是20时20分，总降雨量21.1 mm，降雨历时近5 h，平均降雨强度4.22 mm/h。为全面考虑降雨前后土壤水分的变化过程，本研究使用数据的时间段是8月9日10时至8月10日13时或20时，总时间长度为27 h或34 h。

3结果与分析

3.1不同固沙林土壤水分动态变化特征

3.1.1榆树天然林土壤水分动态变化特征

诸多研究表明[5-8]，固沙植被建立后土壤水分逐渐下降，同时受荒漠植被根系吸水作用的影响，其根系密集的剖面深度内降水水分入渗积累不明显。从我们的测定结果(图1)看，丘间地榆树天然林20～40 cm土层水分含量变化明显，并和日降雨量多少有关，日降雨量小于20 mm时20～40 cm土层水分含量持续降低；80、120 cm土层水分含量变化相对平稳，前期随着时间延长呈现逐渐降低的趋势，但是到9月以后(88 d以后)120 cm土层水分含量呈现逐渐增加的趋势。

图1　榆树天然林土壤水分含量动态变化

从图1看出，当日降雨量20.4 mm时(第43 d)榆树天然林20 cm土层水分含量由1.20%迅速增加到2.99%，而40 cm土层水分含量并没有增加，而是由2.22%(第43 d)持续下降到2.16%(第55 d)。但是，如果短期内再次降雨且雨量较大时，对40 cm土层水分含量有明显的影响，例如第二次日降雨量达20.1 mm时(第55 d)20 cm土层水分含量由2.11%迅速增加到4.17%，40 cm土层水分含量也由2.16%迅速增加到3.64%。这说明20 mm左右的日降雨量直接影响着20 cm土层的水分含量，或者说日降雨量20 mm左右时榆树天然林地内雨水的入渗深度在20～40 cm土层之间。但是，在短期内再次降雨20 mm左右时，由于前期土壤水分含量较高，且受累积降雨入渗效应的影响，降水入渗深度能够达到40 cm土层，以后随着时间延长和土壤水分的逐渐下渗，80 cm土层水分含量由2.20%逐渐增加到2.60%(第75 d)，表明短期内两次大的降雨对80 cm土层水分有一定的补充作用，而对120 cm土层几乎没有补充作用。尽管120 cm土层水分在88 d以后出现了逐渐增加的过程，但这种增加过程主要是气温降低后树木蒸腾和土壤蒸发的水分减少，深层土壤水分处于补充恢复期的缘故。122 d以后20 cm土层水分也表现出增加的趋势，土壤水分含量由0.90%增加到1.51%。

综上所述，可以看出，当日降雨量达20 mm左右时，榆树天然林20 cm土层水分含量增加明显，如果短期内接连两次日降雨量各在20 mm左右时，对榆树天然林40或80 cm土层水分有一定的补充，而当日降雨量较小时水分主要用于树木生长蒸腾和土壤蒸发消耗，因而维持固沙植被的水分平衡依靠降水补给是有限的，必须通过调整植被密度才有可能改善土壤水分状况，即使是天然榆树林也同样存在密度调整的控制过程，否则，随着树木生长时间的延长和郁闭度的增加，土壤水分将是其生长和生态环境变化的主要限制因子。

3.1.2杨树人工林土壤水分动态变化特征

从杨树人工林土壤水分含量变化特征看(图2)，其不同土层水分含量和日降雨量的变化关系不同于榆树天然林土壤水分含量变化特征。从图2可看出，杨树人工林20和40 cm土层水分含量变化和日降雨量多少有关，而80和120 cm土层水分含量变化相对平稳，但是9月份以后(第75 d以后)120 cm土层水分含量显著增加，由2.30%增加到2.60%，说明其深层土壤水分补充比榆树天然林提前约13 d，其原因除树木生长蒸腾和土壤蒸发消耗水分减少外，可能和树种生理生态特性的差异有一定的关系。

图2　杨树人工林土壤水分含量动态变化

此外，从图2还可以看出，日降雨量达12 mm左右时，即对杨树人工林40 cm以上土层水分变化具有明显的影响，即日降雨量达12 mm左右时，40 cm以上土层水分含量都有一个增加的过程；当日降雨量达20 mm左右时，40 cm以上土层水分含量则明显增加。如：日降雨量为11.3 mm时(第34 d)20 cm土层水分含量由1.52%逐渐增加到1.75%，40 cm土层水分含量由1.80%逐渐增加到2.48%；日降雨量为20.4 mm时(第43 d)20 cm土层水分含量由1.33%增加到1.75%，40 cm土层水分含量由1.84%增加到2.48%，而80 cm土层水分含量则一直维持在2.40%及以下水平，120 cm土层水分含量长期维持在2.30%左右。说明日降雨量为20 mm左右时杨树人工林土壤重力水入渗深度小于80 cm，日降雨量12 mm左右时杨树人工林土壤重力水入渗深度可以达到40 cm土层。

3.1.3樟子松人工林土壤水分动态变化特征

从樟子松人工林土壤水分含量变化特征看(图3)，其变化特征和杨树人工林、榆树天然林有明显的差异，其40 cm以上土层的水分含量波动明显，并且和日降雨量多少关系密切，而在整个生长期内80 cm及以下土层的水分含量基本稳定，即80 cm土层水分含量维持在2.10%左右，120 cm土层水分含量维持在1.10%左右。这种反常的变化反映了樟子松人工林地土壤存在着障碍层并影响土壤水分的入渗过程，且土壤障碍层深度在40～80 cm之间，因为40 cm土层水分含量最高时达到8.86%(第45 d)，而80 cm土层水分含量仅为2.10%，显然不符合土壤重力水运动规律。

图3　樟子松人工林土壤水分含量动态变化

从图3还可以看出，樟子松人工林20 cm土层水分含量变化和日降雨量的关系密切，并随着日降雨量增加而增加，例如：当日降雨量为9.7 mm时(第20 d)20 cm土层水分含量由2.41%增加到3.16%；日降雨量11.3 mm时(第33 d)20 cm土层水分含量由2.51%增加到2.80%；日降雨量20.4 mm时(第43 d)20 cm土层水分含量由2.80%迅速增加到4.28%。而40 cm土层水分含量的变化只有当日降雨量在20 mm左右时才有明显增加过程，当日降雨量明显小于20 mm时，40 cm土层水分含量变化处于持续降低的过程。例如：日降雨量20.4 mm时(第43 d)40 cm土层水分含量由2.90%迅速增加到8.86%；日降雨量20.1 mm时(第53 d)40 cm土层水分含量由6.39%增加到7.60%；以后随着日降雨量减少和时间的延长(第53 d以后)，40 cm土层水分含量持续下降到1.90%，直到第110 d以后，40 cm土层水分含量才逐渐增加到3.00%及以上。这说明，樟子松人工林地土壤障碍层的存在影响着土壤水分的入渗过程。尽管如此，只有当日降雨量达到20 mm左右时才能影响40 cm土层水分含量，表明日降雨量对樟子松人工林地土壤水分的补给是有限的。

3.2降雨入渗历时对土壤水分含量变化的影响

日降雨量、降雨历时和降雨强度都直接影响着土壤水分含量的变化。为此，选择对土壤水分变化影响明显的2014年8月9日的一次降雨事件(总降雨21.1 mm，开始降雨时间为15时30分，降雨结束时间为20时20分，降雨历时约5 h，降雨强度4.22 mm/h)，进一步分析降雨入渗对不同固沙林土壤水分含量变化的影响。从图4可看出，从8月9日15时开始降雨，到19时后榆树天然林20 cm土层水分含量迅速增加，到23时后40 cm土层水分含量也开始明显增加，而80 cm及以下土层水分含量不受影响。

图4　8月9日降雨后榆树天然林土壤水分含量的动态变化

图4显示，本次降雨集中，从9日15时30分降雨开始，0.5 h内降雨量为17.63 mm，占本次降雨总量的87.6%。到18时榆树天然林20 cm土层水分含量由2.0%迅速增加到2.4%，到19时增加到3.3%，到20时增加到3.8%，到21时增加到4.0%，到22时增加到4.2%，到23时增加到4.3%，以后水分含量持续保持在4.3%，到8月10日10时后开始下降。同样，从9日15时降雨开始到22时，40 cm土层水分含量由2.2%增加到2.3%，到23时增加到2.5%，到24时增加到2.7%，到8月10日1时增加到2.9%，以后持续增加到3.7%(8月10日9时)，并保持3.7%到8月10日13时。说明在日降雨量21.1 mm事件过程中，从开始降雨到榆树天然林40 cm土层水分开始增加(由2.2%增加到2.4%)所经历的时间为9 h，而20 cm土层水分开始增加(由2.0%增加到2.4%)所经历的时间为4 h，或者说，从降雨开始，榆树天然林40 cm土层水分含量开始增加时所经历的时间比20 cm土层滞后5 h。

从樟子松人工林土壤水分含量变化对本次降雨事件的反应看(图5)，其20 cm土层水分含量变化比较敏感，40 cm土层水分含量相对平稳，而80 cm以下土层水分含量几乎不受影响。

图5　8月9日降雨后樟子松人工林土壤水分含量的动态变化

图5显示，从9日15时降雨开始到19时，樟子松人工林20 cm土层水分含量由2.8%增加到3.1%，到20时增加到3.9%，到21时增加到4.2%，到22时增加到4.3%，到23时增加到4.4%，以后水分含量持续保持4.4%的水平，到8月10日3时后，水分含量开始下降。同样，从9日15时降雨开始到22时，40 cm土层水分含量由6.2%增加到6.3%，到23时增加到6.4%，到24时增加到6.5%，到8月10日1时土壤水分含量增加到6.6%，到8月10日2时增加到6.8%，以后持续增加到7.7%(8月10日15时)，并保持7.7%的水平到20时。这说明在樟子松人工林20 cm土层水分含量开始下降的同时，重力水入渗对40 cm土层水分有明显的补充作用，并且持续时间较长，这也反映出樟子松人工林地土壤障碍层的存在对降雨入渗的影响。此外，从开始降雨到樟子松林地40 cm土层水分开始增加(由6.2%增加到6.3%)所经历的时间为9 h，而20 cm土层水分开始增加(由2.8%增加到3.1%)所经历的时间为5 h，或者说，从降雨开始，樟子松林地40 cm土层水分含量开始增加所经历的时间比20 cm土层滞后4 h。

4讨论

沙地土壤水分的主要来源是大气降水，年降水量、降水分布格局及其在土壤中的再分布等因素直接影响土壤水分状况。降雨时，水分既要克服蒸发消耗又要克服表土层的截留，才能下渗到植物根系层，有效地补充该层土壤水分。王新平等[9]研究表明，在腾格里沙漠沙坡头人工固沙植被区，降水历时26 h、降水量38.9 mm时，降水入渗深度为40 cm；降水历时17 h、降水量25.0 mm时，降水入渗深度只有20 cm。常兆丰等[10]的研究表明，在民勤沙区当雨季降水量在40 mm以上时下渗深度可以达到50～90 cm，降水量>7 mm时下渗深度大于10 cm。赵兴梁[11]通过长期的土壤水分监测得出结论，流沙区每年有16%的降水(30 mm)可补给深层土壤，而从干沙层拦截雨水的情况看，9.9 mm以下的降水为无效降水。

本研究结果表明，在流动沙丘丘间地条件下，日降雨量20 mm左右时，榆树天然林地降雨入渗深度大于20 cm，杨树和樟子松人工林地则大于40 cm；如果短期内接连两次日降雨量均为20 mm左右时，对榆树天然林地40或80 cm土层水分有一定的补充。日降雨量为12 mm左右时，杨树人工林地降雨入渗深度可以达到40 cm土层，榆树天然林地小于20 cm土层，樟子松人工林地小于40 cm土层。说明不同固沙植被对不同降雨量下渗深度的影响不同，或者说固沙植被影响着降水的再分配过程。而维持固沙植被的水分平衡依靠降水补给是有限的，必须通过调整植被密度才有可能改善，否则，随着树木生长时间的延长和郁闭度的增加，土壤水分亏缺将是其生长的主要限制因子。

5结论

(1)降雨量是影响丘间地固沙林40 cm及以上土层水分含量的主要因素，特别是对20 cm土层水分含量影响显著，只有当降雨量在20 mm左右，或短期内连续两次降雨各在20 mm左右时才能够提高40或80 cm土层的水分含量。

(2)林木生长期内不同固沙林地20和40 cm土层水分含量波动明显，而80 cm及以下土层水分含量变化相对平稳。樟子松人工林地存在土壤障碍层，其40 cm土层可形成水分富集层或滞留层，并影响着土壤水分的入渗过程。

(3)降雨量对固沙林重力水下渗深度有明显影响。降雨量20 mm左右时榆树天然林地重力水入渗深度大于20 cm，而如果在短期内接连两次日降雨量各有20 mm左右时，随着时间延长土壤水分可以逐渐下渗到40～80 cm土层，但对120 cm土层几乎没有补充作用；降雨量20 mm左右时杨树和樟子松人工林地重力水入渗深度大于40 cm。降雨量12 mm左右时，杨树人工林地重力水入渗深度可以达到40 cm土层，而樟子松人工林地小于40 cm。

(4)降雨后固沙林不同土层水分含量开始增加时所经历的时间不同。降雨量21.1 mm事件过程中，榆树天然林40 cm土层水分含量开始增加所经历的时间比20 cm土层滞后5 h；樟子松人工林40 cm土层水分含量开始增加所经历的时间比20 cm土层滞后4 h。但樟子松人工林40 cm土层水分含量由6.4%持续增加到7.7%，并保持7.7%的水平到35 h，说明樟子松人工林地存在土壤障碍层并对降雨入渗时间有影响。

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