毛乌素沙地樟子松固沙林土壤水分对降雨的动态响应

2019-05-22杨文斌吴丽丽

水土保持研究 2019年3期

冯伟, 李卫, 杨文斌, 吴丽丽

(1.锡林郭勒职业学院, 内蒙古锡林浩特 026000; 2.中国林业科学研究院荒漠化研究所, 北京 100091)

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)是我国北方重要的固沙造林树种之一，也是“三北”防护林工程重点树种。自1962年在辽宁省章古台科尔沁沙地引种固沙造林成功后，已有近60 a的历史[1]，自20世纪80年代以来，章古台沙区樟子松固沙林出现了大面积衰退或死亡现象[2]，其中非常重要的原因之一就是土壤水分失衡[3-5]。20世纪70年代初，内蒙古鄂尔多斯毛乌素沙地引种樟子松固沙造林成功[6]，已有近50 a的历史，近年生长良好，还未见大面积衰退或死亡的报道，仅部分地区出现了生长缓慢现象[7]；目前，其研究主要集中在造林技术[8]、造林效果[9]、生长特性[7,10]、水分生理[11]、光合生理[12]、蒸腾耗水[13]、土壤理化性质[14-15]、碳储量[16]等方面，而有关土壤水分的研究还缺乏系统连续的观测，在分析樟子松固沙林雨养条件下的持续稳定性方面也缺少连续的土壤水分数据支撑。同时，毛乌素沙地樟子松固沙林在“三北”防护林体系中作用重大，章古台沙区的樟子松固沙林衰退原因也将会成为毛乌素沙地的研究重点之一。因此，本文以毛乌素沙地樟子松固沙林为研究对象，采用自动监测系统连续监测降雨、0—200 cm土壤含水量、200 cm以下渗漏量，系统分析樟子松固沙林土壤水分对降雨的响应特征及水量平衡初步估算，为毛乌素沙地水量平衡、土壤水承载力、植被稳定性及水循环过程机理分析提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区伊金霍洛旗查干淖尔嘎查(39°05′N，109°36′E)。伊金霍洛旗位于北纬38°56′—39°49′，东经108°58′—110°25′，处于鄂尔多斯东南部、毛乌素沙地东北缘，境内海拔1 070～1 556 m，丘间地地下水埋深5.3～6.8 m。属中温带典型大陆性季风气候，年平均风速3.6 m/s，平均日照时数2 900 h，平均相对湿度52%，平均降水358.2 mm，平均潜在蒸发量2 563 mm，为降水的7.2倍。年平均气温6.2℃，无霜期127～136 d。土壤类型以风沙土为主。沙生植被、草甸植被等隐域性植被为主体，多年生草本占绝对优势，半灌木和小灌木分布较广，灌木和乔木种类不多。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月采用定点监测的方法，在研究区选择28 a生樟子松固沙林(带距9 m，冠幅280 cm×240 cm，株高6 m；零星分布油蒿、草本等；少量物理结皮；0—200 cm平均土壤容重1.53 g/cm3，粒径：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，从下到上依次将土壤深层渗漏水量测试仪(ywb-001)排水部(15 cm)、计量部(35 cm)、集流部(5 cm，砾石、陶粒填充)、毛管持水部(65 cm，原状土填充)紧靠完整剖面一侧嵌入，此时毛管持水部上沿在土壤200 cm深度，计量部将记录渗漏到200 cm以下的水量[17]；同时在渗漏水量测试仪右侧40 cm处的剖面按10 cm，30 cm，60 cm，90 cm，150 cm，200 cm安装ECH2O-5(±2%)土壤水分传感器测定土壤体积含水量；原状土回填，浇水踏实；地上部安装AVALON公司AV-3665R型雨量传感器；采用美国产CR200X数采器记录降雨量、土壤含水量、渗漏量数据，其中土壤含水量为每1 h记录一次，降雨量、渗漏量每0.5 h记录一次。因探头位置为10 cm，代表0—10 cm土层含水量时误差较大，因此采用烘干法测定典型降雨后表层0—10 cm土壤水分体积含水量，采用自制小型土钻，长22 cm，顶端一把手，钻头长20 cm，内径3.5 cm，樟子松固沙林带间每2 m一个取样点。

为减少冻融作用及降雪对土壤水分的影响，选择2013年、2014年的5月1日—10月31日数据分析樟子松固沙林土壤水分对降雨的动态响应。土壤蓄水量(mm)=土壤体积含水量(L/L)×土层厚度(mm)。降雨损失量(降雨截留、土壤蒸发、植物蒸腾)(mm)=降雨量(mm)-渗漏量(mm)-蓄水变化量(mm)。数据处理与统计分析采用Microsoft Excel 2016和SPSS 16.0软件，方差分析采用LSD检验。

2 结果与分析

2.1 研究区降雨分布特征

从图1可以看出，研究区2013年5月1日—10月31日共发生74 d降雨事件，总降雨386.2 mm，24 h降雨量≤5 mm的53 d，共降雨76.4 mm，占总降雨的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，占总降雨的15.0%，24 h降雨量≥10 mm的降雨14 d，总降雨量252.0 mm，占总降雨的65.2%；2014年5月1日—10月31日共发生80 d降雨事件，总降雨297.0 mm，24 h降雨量≤5 mm的57 d，共降雨67.8 mm，占总降雨的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，占总降雨的37.20%，24 h降雨量≥10 mm的降雨7 d，共降雨118.6 mm，占总降雨的39.9%。在干旱缺水条件下，该区降雨强度为12.0 mm/h时也无径流发生[18]，研究期间最大降雨强度为11.2 mm/h，说明研究区无地表径流，樟子松固沙林的降雨再分配包括降雨损失(降雨截留、土壤蒸发、植物蒸腾)、土壤蓄水和深层渗漏等要素。

2.2 土壤体积含水量对降雨的动态响应

试验期间樟子松固沙林各层土壤体积含水量时间变化上最小值和最大值见表1。方差分析表明，2013年、2014年各层土壤体积含水量最小值和最大值之间差异均显著(p<0.01)，表明降雨对0—200 cm层土壤水分均产生了显著影响。

图2为试验期间樟子松固沙林各层土壤体积含水量随时间动态变化，从图中可以看出，2013年5月—10月10 cm，30 cm层土壤体积含水量波动频繁，每次波动峰值都与降雨时间相对应。其中2013年5月1日—6月17日共发生14 d降雨事件，降雨总量31.0 mm(最大一天降雨量为8.4 mm)，仅10 cm深度土壤体积含水量出现波动，变幅为3.25%～12.97%，最大值出现在8.4 mm降雨后1 d；在此期间30 cm层土壤含水量呈持续下降趋势，降幅2.88%；60 cm，90 cm，150 cm，200 cm土层体积含水量基本稳定；2013年6月18日—10月31日间发生降雨60 d，降雨总量355.2 mm，200 cm以上各层土壤体积含水量均发生了波动，其中10 cm，30 cm层波动频繁，60 cm波动6次，90 cm波动4次，150 cm波动3次，200 cm波动2次，波动均发生在相应降雨后；其中150 cm，200 cm的波动是虽与降雨时间基本一致，但其波动变化是与之前的降雨累积共同作用的结果。

图1 试验期间研究区降雨分布特征

从图2还可以看出，2014年5月—10月10 cm，30 cm层土壤体积含水量波动频繁，每次波动峰值都也与降雨时间相对应。其中2014年5月1日—6月28日共发生16 d降雨事件，降雨总量41.2 mm(最大一天降雨量为11.4 mm)，仅10 cm深度土壤体积含水量出现波动，变幅为3.37%～16.69%，最大值出现在11.4 mm降雨后1 d；在此期间30 cm，60 cm，90 cm，150 cm，200 cm层土壤体积含水量呈持续下降趋势，降幅分别为5.03%，1.71%，1.79%，1.40%，2.15%，其中30 cm层降幅最大；2014年6月29日—10月31日间发生降雨64 d，降雨总量255.8 mm，90 cm以上各层土壤体积含水量都发生了波动，其中10 cm，30 cm层波动频繁，60 cm，90 cm仅在生长季末9月22日的36.0 mm降雨事件后波动1次，150 cm，200 cm层土壤含水量呈微弱的持续下降趋势，期间降雨没有显著影响其土壤水分。

以上结果表明，樟子松固沙林10 cm，30 cm深度土壤水分受降雨影响剧烈，也是受蒸散影响最强的土层；在雨季初期，水分影响到较深土层需要较长时间的入渗，且在5月—6月降雨基本不影响150 cm，200 cm土壤水分变化，水分的补给和消耗维持在相对平衡状态。同时，从土壤水分波动变化看，樟子松固沙林生长季末期9月份的较大降雨事件(2013年9月16—18日累积降雨88.6 mm，2014年9月22—23日累积降雨45.2 mm)对0—200 cm土层水分补给作用显著，对维持樟子松固沙林土壤水量平衡至关重要；但2014年9月的较大降雨没有显著影响到150 cm以下的土壤水分，结合降雨后150 cm，200 cm土壤水分变化看，表明45.2 mm降雨对樟子松固沙林150 cm以下土层无直接补给作用。

2.3 土壤蓄水量对降雨的动态响应

图3为试验期间樟子松固沙林0—200 cm土壤蓄水量动态变化图，可以看出，蓄水量的波动变化均与降雨事件相对应，总体上看，2013年降雨后蓄水量6月—10月均高于5月，2014年仅7月、10月高于5月。试验期间樟子松固沙林2013年蓄水量减少2.77 mm，其中，生长季初期(5月1日—31日)0—200 cm蓄水量减少2.34 mm，期间的20.8 mm降雨未直接补给土壤水分；生长季中期(6月1日—8月31日)0—200 cm蓄水量增加40.73 mm(有0.7 mm渗漏到200 cm以下)，期间的246.4 mm降雨对土壤水分有直接补给作用；生长季末期(9月1日—10月31日)0—200 cm蓄水量减少34.37 mm，期间的119.0 mm降雨对土壤水分也无直接补给作用。试验期间2014年蓄水量减少8.57 mm，其中，生长季初期(5月1日—31日)0—200 cm蓄水量减少50.9 mm，期间的8.8 mm降雨未直接补给土壤水分；生长季中期(6月1日—8月31日)0—200 cm蓄水量增加3.89 mm，期间的181.8 mm降雨对土壤水分有直接补给作用；生长季末期(9月1日—10月31日)0—200 cm蓄水量增加44.71 mm，期间的106.4 mm降雨对土壤水分有直接补给作用。以上结果说明，樟子松固沙林在生长季初期降雨不能够满足水分的损失，需要消耗土壤中已有蓄存水；生长季中期降雨能够满足水分的损失，且有部分降雨蓄存在土壤中；生长季末期土壤蓄水量对降雨的响应存在差异。

图2 樟子松固沙林各层土壤体积含水量动态变化

2.4 典型降雨事件后0-10 cm表层土壤水分动态过程

从图4可以看出，樟子松固沙林小于8.0 mm降雨事件后0—10 cm层土壤体积含水量下降趋势基本相同，土壤体积含水量与降雨后天数呈指数式下降趋势(R2>0.95)。4.4 mm，7.4 mm，6.6 mm降雨后0—10 cm层土壤体积含水量分别为5.38%，9.59%，7.12%；降雨后第1天分别下降了2.29%，2.53%，2.33%，降雨后第2天分别下降了0.53%，2.29%，0.66%；降雨后第3天分别下降了0.50%，1.40%，0.47%；降雨后第4天分别下降了0.50%，0.97%，1.16%。以上结果表明，降雨后第1天时0—10 cm表层土壤水分损失量最大，占降雨后4 d总损失量的1/3以上，分别占总损失量的60.0%，35.2%，50.4%。

图3 樟子松固沙林0-200 cm土壤层蓄水量动态变化

图4 典型降雨后樟子松固沙林表层0-10 cm土壤体积含水量动态变化

2.5 典型降雨事件后土壤水分入渗特征

从试验期间2013年10 cm，30 cm层土壤体积含水量峰值看(表1)，10 cm，30 cm土壤体积含水量最低值均出现在6月19日之前，最大值均出现在9月17日，且在6月18日时表层0—30 cm土壤水分维持在相对较低水平(5.46%)，9月15日表层0—30 cm土壤水分维持在相对较高水平(9.22%)。从图2看出，在6月19日、9月16日后土壤0—200 cm各层均出现了波动变化，因此，选择2013年6月18日后单场53.8 mm及9月15日后单场88.6 mm的典型降雨事件分析不同初始含水量下降雨入渗变化特征。

表2 典型降雨事件后樟子松固沙林各层土壤水分湿润锋特征及峰值

试验期间观测的最大含水量最多仅维持在小于2 h内保持不变，说明最多只是瞬时达到饱和含水量，试验期间的降雨入渗过程均为非饱和条件下。从表2看出，在0—30 cm初始含水量较低水平时，从6月19日10：00(1 h)开始到7月2日23：00(335 h)后，湿润锋到达200 cm土层，历时335 h，期间累积降雨70.6 mm；从湿润锋到达各层土壤所需降雨量和时间看，53.8 mm单次降雨(降雨强度0.76 mm/h)入渗深度为90 cm以下，累加16.8 mm降雨在第335 h湿润锋达到200 cm土层，然而从图2看出在7月3日前的6次降雨(累积16.8 mm，最大降雨量7.6 mm)仅影响到30 cm以上土层含水量变化，没有影响到60 cm以下土层水分的变化，对深层土壤水分无直接补给作用，表明53.8 mm单场降雨开始后335 h湿润锋可到达200 cm土层。在0—30 cm初始含水量较高水平时，从9月16日10：00(1 h)到9月19日0：00(86 h)，湿润锋到达200 cm土层，历时86 h，期间累积降雨88.6 mm；从湿润锋到达各层土壤所需降雨量和时间看，88.6 mm单次降雨(降雨强度1.43 mm/h)入渗深度为200 cm以下，能够影响到200 cm以下土壤水分的变化，表明88.6 mm单场降雨开始后86 h湿润锋可到达200 cm土层。从湿润锋时间、降雨时间看，均为0—30 cm土层含水量较高水平时用时短，且累积降雨量、降雨强度越大各层湿润锋到达时间越短、降雨后含水量峰值越大，综合分析得出，大于53.8 mm的降雨事件对樟子松固沙林土壤水分有补给作用，且表层初始含水量较高时，降雨后入渗较快、历时较短、对土壤水分补给作用较好。

2.6 典型降雨事件后土壤水分消退过程

试验期间2013年9月15日—18日的单场88.6 mm的累积降雨事件后9 d内的土壤水分消退过程见图5，在此期间仅9月19日有1.4 mm降雨，之后的8 d均无降雨事件。从图中可以看出，樟子松固沙林降雨后土壤水分表现出蒸渗型水分消退特征(9月19日因降雨湿润锋到达200 cm存在时间滞后性)，0—60 cm为土壤水分消退层，60—200 cm为土壤水分补给层；且9月后樟子松固沙林进入生长末期，0—60 cm土壤水分的消退主要贡献给蒸发或入渗补给。结合樟子松固沙林土壤水分动态变化(图2)，分析得出如在生长季时，樟子松固沙林将由蒸渗型土壤水分消退特征转换为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腾及土壤蒸发，且0—90 cm为土壤水分主要消退层。

图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试验期间土壤水量平衡。降雨后樟子松固沙林土壤水量平衡包括0—200 cm蓄水变化量、200 cm以下渗漏量、降雨损失量(截留、土壤蒸发、植物蒸腾)。从表3可以看出，在2013年、2014年的5月—10月0—200 cm层土壤蓄水量均有减少，说明生长季樟子松固沙林均消耗了土壤中已有蓄存水，分别消耗2.77 mm，8.57 mm；但在降雨较好的2013年，还有少量水分渗漏到200 cm以下(0.8 mm)，且2013年11月降雨7.8 mm，而2014年即无渗漏11月也无降雨，可以得出2013年樟子松固沙林能够维持土壤水量平衡，但降雨较少的2014年樟子松固沙林已开始表现出水分亏缺现象。

以上结果说明，在丰水年与欠水年交替的过程中樟子松固沙林能够通过自我调节降低对土壤水分的消耗，能够基本维持水量，但如果遇到极端干旱年份或连续欠水年或没有9月份较大降水的补给，樟子松固沙林很可能出现严重水分亏缺现象。