白刺沙包浅层土壤水分动态及其对不同降雨量的响应

李新乐,吴 波,张建平,辛智鸣,3,董 雪,段瑞兵,3

1 中国林业科学研究院，荒漠化研究所， 北京 100091 2 中国林业科学研究院沙漠林业实验中心， 磴口 015200 3 内蒙古磴口荒漠生态系统国家定位观测研究站， 磴口 015200

土壤水分是干旱区植被生存和发展的主要限制因子[1]。在植被生长发育过程中,大气降雨作为土壤水分补给的重要来源,降雨入渗决定着土壤水分的分布特征,进而影响植被的生长情况和稳定性[2]。全球变暖改变了全球的降雨格局,包括降雨量、降雨的频率、强度和季节分配等[3]。许多气候变化研究都预测今后的极端干旱和降雨事件将更频繁[4],导致土壤水分缺乏的周期延长,土壤水分含量的可变性增加[5]。研究土壤水分的空间变异及时间动态特征有助于在水文过程与生态格局之间建立定量的联系,由于土壤水分对整个地球系统的重要性,它的时间和空间变化日益引起水文界的广泛关注[6-7]。干旱荒漠区年降雨量稀少,土壤水分在整个生物过程中的作用就显得尤为重要[8-9]。

近年来,越来越多的学者开始关注干旱区降雨变化对土壤水分的影响。国外学者就土壤水分入渗等问题做了大量研究,Matsui等[10]研究了土壤水分入渗与土壤含水量的关系,建立了土壤水分入渗速率与时间的数学表达式。国内也开展了大量的相关研究,涉及土壤初始状况对入渗的影响[11]、降雨与坡面径流特征[12]、降雨与入渗深度[13]、沙丘或特定植被群落的土壤水分动态[14-15]、降雨入渗再分配[16]、土壤水分空间异质性的影响因子[17-18]等方面。白刺沙包作为我国西北干旱荒漠区典型且比较完整的植被单元,对其土壤水分变化特征已有一些研究[19-20],但都是针对不同演替阶段的白刺沙堆开展的。关于不同降雨量对同一白刺沙包土壤水分补给差异缺乏对比研究；而且不同降雨事件,贡献率较大的大降雨事件和占有较大比重的小降雨事件均会在土壤水分循环中产生重要作用,并存在明显的差异性。

由于干旱区降雨稀少,1 年内无法采集到不同量级的降雨事件,本研究通过对乌兰布和沙漠白刺沙包浅层土壤水分进行连续3 年监测,分析植被生长季不同深度土层对不同降雨量的响应及整个生长季的土壤水分动态特征,以期为荒漠植被的发展和土壤水分承载力间平衡关系的判定提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区巴彦淖尔市磴口县,中国林业科学研究院沙漠林业实验中心第二实验场,地理位置为106°43′ E,40°24′ N,海拔约1050 m。该区位于乌兰布和沙漠东北部,属于温带大陆性干旱气候,年平均气温7.8℃,多年平均降水量约145 mm,降雨主要集中在6—9月份,约占全年降水的70%—80%,年蒸发量约2327 mm,无霜期136 d,土壤类型为风沙土。植被类型属于温带灌木荒漠,唐古特白刺(Nitrariatangutorum)是研究地点的优势植物,能够阻挡风沙并形成白刺灌丛沙包,沙包高约1—3 m,直径约6—10 m,植被盖度约为45%—75%,伴生种有沙鞭(Psammochloavillosa)、油蒿(Artemisiaordosica)等。群落盖度为20%—30%。

1.2 仪器安装

选择研究区域内处于稳定阶段的典型白刺沙包(表1),在沙包迎风坡中部分别安装AR5土壤水分自动测量系统(AR- 5-SE,Avalon,USA)。AR5土壤水分自动测量系统使用EC- 5水分传感器,EC- 5土壤水分传感器(ECH2O EC- 5 Moisture Sensor)是美国Decagon公司(Decagon Devices Inc.,Pullman,WA)研制的一种新型土壤水分监测仪器。国内外的一些应用表明EC- 5土壤水分传感器在获取连续的土壤水分数据方面具有较好的效果[21- 23]。本研究采用AR5数据采集器为EC- 5供电和存储数据。土壤水分传感器的安放深度分别是10、20、30、40 cm和50 cm,不同层次土壤水分传感器上下垂直排布,以观察降雨的垂直入渗,土壤水分数据读取时间间隔为10 min,仪器于2014年5月安装,为减少安放仪器时土壤扰动对测量准度的影响,分析使用2015—2017年5月至9月整个生长季的土壤水分数据。

1.3 数据分析

利用研究区附近自动气象站记录2015—2017年的降雨数据,分析研究区的降雨变化特征。利用Excel 2010、SigmaPlot 10.0对相关数据进行处理分析及制图。

表1 白刺沙包基本特征

2 结果与分析

2.1 研究区2015—2017年生长季降雨变化特征

对研究区2015—2017年降雨资料进行统计,3年生长季(5—9月)降雨量分别为：46.2、167.2 mm和54.5 mm。从图1可知,降雨在各月份的分配差异较大,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。

图1 研究区2015—2017年生长季降水变化特征Fig.1 Characteristics of rainfall variation in the growing season of the study area from 2015 to 2017

从降雨量级来看,最小单次降雨量为0.1 mm,最大单次降雨量为48.8 mm。0—5 mm降雨量的频次最大,2015、2016和2017年均为12次,占总降雨次数的72%,累计降雨量54 mm,占总降雨量的20.2%。降雨量介于5—10 mm的降雨事件共发生6次,占总降雨次数的12%,累计降雨量40.6 mm,占总降雨量的15.2%。降雨量介于10—20 mm的降雨事件共发生4次,占总降雨次数的8%,累计降雨量58 mm,占总降雨量的21.6%。降雨量介于20—30 mm的降雨事件共发生2次,占总降雨次数的4%,累计降雨量47.6 mm,占总降雨量的18.1%。降雨量大于30 mm的降雨事件共发生2次,占总降雨次数的4%,累计降雨量93.5 mm,占总降雨量的34.9%。

2.2 白刺沙包浅层土壤水分动态

从图2可以看出：白刺生长季沙包浅层土壤水分变化大致可以分为两个阶段：①土壤水分恢复期(5月初—6月初),随着气温的升高,早春积雪融化,土壤解冻,同时在这个时期还有少量的降雨,使土壤含水量维持在5%—11%。②土壤水分波动期(6月中旬—9月底),6月份以后降雨增多,在较大的降雨或连续降雨的条件下,不同深度的土壤含水量波动存在差异,表层土壤水分表现为骤升骤降的脉冲式特点,由于表层(0—10 cm)和10—20 cm土层土壤水分渗透很快,在短时间内迅速升至10%—15%,而后耗于土壤蒸发和植物蒸腾,逐渐降至5%；20 cm以下土层土壤水分下渗缓慢,波动相对较小,较长时间维持在3%—8%左右。由此可以认为浅层土壤水分动态变化主要因大气降雨的季节分布而变化,即白刺沙包浅层土壤水分的变化与生长季降雨变化同步。

图2 2015—2017年白刺生长季沙包土壤水分动态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层深度水分变化特征

图3表明,5 mm的降雨只对0—10 cm土层土壤水分产生影响,使0—10 cm土层土壤水分提高24.5%；15.4 mm的降雨对20 cm以上土层土壤水分产生影响,分别使0—10、10—20 cm土层土壤水分提高247.4%和41.8%；21.3 mm的降雨主要影响30 cm以上土层土壤水分,分别使0—10、10—20、20—30 cm土层土壤水分提高220.9%、132.1%和53.1%；26.3 mm的降雨改变了40 cm以上土层土壤水分,分别使0—10、10—20、20—30、30—40 cm土层土壤水分提高104.4%、60.6%、115.5%和188.2%；44.7 mm的降雨(降雨时间为10 h)对50 cm以上土层土壤水分均产生影响,分别使各土层土壤水分提高153.9%、120.8%、245.3%、453.2%和132.7%；但是,48.8 mm的降雨(降雨时间为2 h)只对20 cm以上土层土壤水分产生影响,分别使0—10 cm和10—20 cm土层土壤水分提高230.2%和61.8%。

2.4 不同深度土层对不同降雨量的响应时间

由表2可以看出,白刺沙包不同深度土层对不同降雨量的响应时间存在差异。对于10 cm土层而言,除5 mm的降雨外,其他降雨事件响应时间均为0.5 h,说明表层土壤在发生降雨后快速完成响应。对于10 cm以下土层而言,随着降雨量的增大,土壤水分发生变化的响应时间逐渐变短。白刺沙包土壤在不同降雨量影响下,10、20、30、40 cm和50 cm土层土壤水分变化的最快响应时间分别为0.5、1、1、1.5 h和5 h。

图3 不同降雨量前后不同土层水分变化特征Fig.3 Characteristics of water changes in different soil layers before and after different rainfall

土层深度Soil depth/cm对不同降雨量的响应时间Response time to different rainfall/h5mm15.4mm21.3mm26.3mm44.7mm48.8mm1030.50.50.50.50.52065.551130207.5140101.5505

3 讨论

3.1 不同降雨量对土壤水分含量的影响

在白刺生长季内,白刺灌丛沙包的表层(10 cm)和10—20 cm土层土壤含水量波动剧烈,特别是生长季中期大雨(>30 mm)过后可以增加到10%—15%；而30—50 cm土壤含水量则相对比较稳定,一直在3%—8%之间波动。降雨后表层土壤的含水量得到明显改善,而土壤30—50 cm的含水量增幅相对较小。降雨量越大,对土壤水分的影响深度越大。例如,44.7 mm的降雨能够明显增加0—50 cm土层的土壤含水量,而5 mm的降雨只能增加10 cm土层的土壤含水量。有研究表明,2007年8月甘肃民勤一次47.6 mm的大雨发生后,稳定阶段白刺沙包的土壤水分最大补给深度仅为30 cm[19],比本研究的稳定阶段白刺沙包土壤水分影响深度低。魏雅芬等[24]在库布齐沙漠研究发现5 mm以下的降水一般有增加空气湿度、降温的作用,一定程度上可以缓解旱情；5 mm以上的降水能有效补充土壤水分。在毛乌素沙地的研究表明：大于15 mm的降水对土壤水分有一定的补给作用,流动沙丘土壤含水量受降雨影响较大,其中30 cm以上土壤水分波动剧烈,60 cm土壤水分主要受大于30 mm降雨影响且波动较小[25]。刘冰等[26]在黑河地区研究发现小于5 mm降水事件对浅根性植被生长与发育有重要的意义,大于5 mm降水事件能够有效地补充深层土壤水分；小于20 cm土层土壤水分对降水脉动响应较为明显。赵学勇等[27]运用地统计学方法在科尔沁沙区研究发现一定强度的降水在短期内只能使表层土壤水分的空间变异性减弱,而对土壤深层的水分补充和影响有限。科尔沁沙地一次42 mm降雨之后,小叶锦鸡儿灌丛下的土壤水分会随着蒸发而逐渐减少,表层(0—20 cm)的水分减少最快[28]。这些研究结论与本研究结果基本一致,表明表层土壤水分受降雨量影响最明显,20 cm以下土层土壤水分只有在发生大于20 mm的降雨量后才会产生波动。

此外,2015年6月份土壤水分大幅降低的原因有两方面,一方面是6月白刺进入生长旺盛期(开花结实期),植物需水量大,对土壤水分的消耗量较大,消耗了较多土壤水分；另一方面是这个时期蒸发强烈,降雨稀少,白刺沙包土壤水分没有补给来源,因此造成土壤水分大幅度降低。

3.2 不同降雨强度对土壤水分入渗深度的影响

土壤水分入渗深度除了与降雨量大小有关外,还与降雨强度、历时有关,降雨强度越大,降雨入渗速率随降雨时间的衰减速度越快[29]。本研究结果显示,2016年两次降雨量相近的降雨事件(44.7 mm和48.8 mm)对沙包土壤水分的影响深度有明显差异,44.7 mm的降雨对沙包土壤含水量的影响深度达50 cm,而48.8 mm的降雨只影响了0—20 cm土层的土壤水分,这是由于二者的降雨强度不同造成的。干旱地区以超渗产流为主,当降雨强度大于土壤入渗率时形成地表径流,当降雨入渗转化为土壤水分后在一定坡度下形成壤中流[30]。通过查阅2016年降雨资料可知,44.7 mm的降雨时间为10 h,降雨强度为：4.47 mm/h,而48.8 mm的降雨时间为2 h,降雨强度为：24.4 mm/h。48.8 mm的降雨下渗较浅原因在于稳定阶段白刺沙包土壤表层结皮分布较多,且沙包表面有一定坡度,短时间内高强度的降雨容易产生径流,减少了土壤水分垂直入渗,同时稳定阶段植被盖度较大,出现灌层截留,导致降雨出现再分配[31]。

3.3 降雨格局变化对荒漠植被生长的影响

研究干旱区荒漠植被土壤水分分布及其对降雨格局变化的响应可为植被的发展和土壤水分承载力间平衡关系的判定提供科学依据[32],这也是荒漠生态系统维持稳定和植被恢复与重建研究中亟需解决的关键问题[33]。就研究区而言,15.4 mm及以下降雨量只能补给20 cm以上土壤水分,而较大的降雨量(>20 mm)对深层土壤水分(20 cm以下)的补给非常重要。从降雨频次上来看,研究区小于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及以上的降雨事件仅占6%,由于小于20 mm的降雨事件只能补给20 cm以上土壤水分,所以研究区降雨格局的变化将严重影响土壤水分状况,在降雨总量不变的情况下,多次少量(<5 mm)的降雨有利于浅根系草本植物的生长发育,而少次大量(>20 mm)的降雨则更有利于深根系灌木的生存,这与Ram和Aaron[34]、Li等[35]的研究结论一致。Berndtsson等[36]研究也发现,小降雨事件能有效地恢复表层土壤水,因此浅根植物受益；而较大的降雨有利于深层土壤水分的恢复,对深根系植物有利。因此,在研究区降雨事件以小于20 mm降雨为主的情况下,导致20 cm以下土壤水分逐步恶化,久之将有利于浅根系草本植物的生长,而白刺群落根系主要分布在30 cm以下,利用30—60 cm土层土壤水分[37],长期水分供给不足会导致白刺群落的衰退,研究区这种降雨格局将对浅层土壤水分及植被演替产生重要影响。

4 结论

(1)在乌兰布和沙区,<10 mm的降雨只能对0—10 cm土层白刺沙包土壤水分产生影响,10—20 mm的降雨可以对0—20 cm土层的白刺沙包土壤水分产生影响,20—30 mm降雨能够对0—30 cm土层土壤水分产生影响,>30 mm的降雨可以影响到0—50 cm土层(甚至更深)的土壤水分。

(2)研究区地下水位在5 m以下,对沙包土壤水分的补给非常有限,因此天然降雨是土壤水分的最重要补给源。白刺沙包土壤水分动态受降雨事件的影响较大,10 cm土层土壤水分受降雨的影响最为明显,土壤水分含量变化剧烈,较大降雨事件(降雨量大于20 mm)后土壤水分含量能迅速达到15%左右,而后又逐渐下降到5%左右。

(3)白刺沙包土壤在不同降雨量影响下,10、20、30、40 cm和50 cm土层土壤水分变化的最快响应时间分别为0.5、1、1、1.5 h和5 h。