内蒙古希拉穆仁草原春季土壤水与水分平衡研究

陈志青, 赵景波,2,* , 罗小庆, 邵天杰, 胡倩

内蒙古希拉穆仁草原春季土壤水与水分平衡研究

陈志青1, 赵景波1,2,*, 罗小庆1, 邵天杰1, 胡倩1

1. 陕西师范大学地理科学与旅游学院, 陕西 西安 710062 2. 中国科学院地球环境研究所国家重点实验室, 陕西 西安 710075

为了揭示希拉穆仁草原土壤含水量, 水分存在形式, 水分有效性, 水循环和土壤干层等问题, 对该区不同地形草地进行了打钻取样, 对含水量及粒度进行测定与分析。结果显示: 研究区多数土壤剖面中含水量变化在2%—10%之间, 平均含水量多在3%—6%之间。高地采样区土壤水分垂向变化波动较大, 变化趋势不明显; 平地采样区土壤上中部含水量多于下部。研究区土壤水分大部分处于难效水状态, 土壤水分对植被生长具有明显的抑制作用, 但平地采样区在剖面上部0—0.5 m的平均含水量较高地采样区略多, 表明平地采样区植被生长受到土壤水分的胁迫性相对较小。研究区普遍有干层发育且等级较高, 干层分布接近地表。其中, 高地采样区剖面0—0.5 m全部为重度干层, 下部有轻度干层和中度干层发育; 平地采样区几乎全部为重度干层。该区春季5月份土壤水分几乎都以含量很低的薄膜水形式存在, 大气降水被蒸发与蒸腾等全部消耗, 没有剩余水分补给地下水。综上指示该区土壤水分为明显的负平衡, 水循环呈现土壤-植物-大气的水分循环模式, 属于不完整的水分循环类型。

土壤含水量; 有效水; 土壤干层; 水分平衡; 希拉穆仁草原

0 前言

土壤水分是影响植物生长和发育的最重要的环境因素之一, 尤其是在干旱半干旱地区, 气候干旱, 降水稀少, 地下水埋深, 土壤水分是维持生态系统结构、功能与多样性的直接水分来源, 是生态系统的关键制约因子[1]。土壤水分因气象条件、土地利用类型、土壤质地、地形等[2-4]的不同而变化, 同时, 土壤水分又是植被恢复的响应因子[5]。因此, 对土壤水分的研究至关重要。当前, 关于土壤水分的研究主要集中在分布特征、动态变化、影响因素、运移特征等方面[6-9]。对土壤水分及水平衡的研究区域主要集中在黄土区[10-12], 对干旱半干旱区的内蒙古地区研究较少, 草原是内蒙古地区牧业和旅游业的发展基础, 草原的可持续健康发展对内蒙古的经济具有重要作用。

希拉穆仁草原属于典型的干旱低山丘陵退化草原地带, 气候干旱, 降水逐年减少[13], 过度放牧和不合理开发旅游业导致土壤理化性质改变, 土壤含水量不断减少, 抑制了牧草生长, 草地大部分处于中度退化状态[14]。前人对希拉穆仁草原的土壤水分做过一定的研究[15], 但主要集中在表层0—30 cm, 对深层垂向变化的研究较少。通过研究该区土壤水分的垂向变化、分析土壤干层、土壤水分有效性和水分平衡等, 为该区退化草原的恢复和可持续发展提供重要科学依据。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

希拉穆仁草原地处内蒙古包头市达尔罕茂明安联合旗希拉穆仁镇, 地理位置111°11′15″—111° 12′14″, 41°02′48″—41°24′43″, 平均海拔1700 m, 草原类型为温性荒漠草原, 属阴山北麓的低山丘陵草原区, 地形起伏较大, 高地多成浑圆波状, 平地地势平坦(表1)。该区属中温带干旱大陆性季风气候, 其特点是春秋季干旱多风, 降水量少, 夏季降水量大且集中, 冬季干燥寒冷。年平均气温3.8 ℃, 多年平均降水量为282 mm, 多年平均日照时数3200 h, 年均太阳辐射总量6000 mj·m–2。地带性土壤为栗钙土, 土壤上层厚度在30—40 cm, 下层有20—40 cm厚度不等的钙积层。该区草原植被主要建群植物有克氏针茅()、糙隐子草()、冷蒿()、羊草()等。

1.2 研究方法

2014年5月22日—27日在希拉穆仁草原选取了具有代表性的高地和平地2个样区进行了研究(图1)。每个样区利用轻型人力钻采取8个钻孔, 采样间距为10 cm, 各钻孔间隔20—30 m。由于受采样点土壤厚度的影响, 取样深度到细粒土层底部, 一般在1.2—2.0 m之间。采样期间没有降水发生, 所测数值能真实反映土壤水分的自然变化。含水量测定采用烘干称重法。为防止水分散失, 在采样现场进行烘干前的土壤样品称重。样品带回室内进行烘干, 烘干温度为105 ℃, 烘干时间为24小时, 烘干前后土重用高精度电子天平称重。含水量计算公式为:122, 式中,为所测样品的含水量,1为烘干前样品的重量,2为烘干后样品的重量。为查明土壤粒度对土壤含水量的影响, 对6个剖面进行了粒度分析。粒度分析应用的是英国马尔文仪器公司生产的Master-sizer 2000激光粒度仪, 测量范围为0.02—2000 μm, 重复测量误差小于3%, 对大于2 mm的土样用筛析法测定。

2 实验结果

2.1 高地土壤含水量测定结果

高地采样区中部位于41°21′2.38″ E, 111°12′ 50.64″ N。钻孔一般打到粗砂或砾石层顶部, 深度一般在1.2—2.0 m之间。

表1 采样地概况描述

图1 样点分布图

Figure 1 Sample distribution map

根据高地8个剖面含水量的测定结果可知, 高地0—2.0 m深度范围内土壤含水量的变化范围在1.76%—21.47%之间, 平均含水量为5.71%, 其中含水量在3%以上的点占全部高地采样点的89.82%。剖面含水量从上到下呈波动变化, 垂向变化趋势不明显, 各剖面含水量的垂向变异系数变化范围在0.19—0.74之间, 属中等强度变异。剖面6的变异系数最大为0.74, 其中剖面6上部0—1.4 m的平均含水量为5.31%, 下部1.5—2.0 m的平均含水量迅速升至16.93%。高地采样区8个剖面的水平变异系数为0.39, 也属中等变异, 说明高地采样区8个剖面间含水量差异不大。

2.2 平地土壤含水量测定结果

平地采样点位于丘陵高地底部的平坦地区。平地采样区中部位于41°21′21.53″ E, 111°12′50.29″ N。钻孔一般打到粗砂或砾石层顶部, 深度一般在1.5— 2.0 m之间。

根据平地8个剖面的含水量测定结果可知, 平地0—2.0 m高度范围内土壤含水量的变化范围在1.51%—7.92%之间, 平均含水量为3.82%, 其中含水量在3%以上的点占全部平地采样点的64.29%。剖面含水量从上到下变化趋势不太一致, 但总体上表现为剖面上部含水量较大。其中, 剖面3、5、6、7、8上部0—1.2 m含水量变化范围在1.01%—6.87%之间, 平均含水量为3.72%, 下部1.3—2.0 m含水量变化范围在1.56%—3.11%之间, 平均含水量为2.13%, 剖面上下部含水量差距明显。剖面1、2、4上部0—1.2 m含水量变化范围在0.92%—7.18%之间, 平均含水量为4.23%, 下部1.3—2.0 m含水量变化范围在2.19%—6.30%之间, 平均含水量为3.93%, 剖面上下部含水量差距不明显。各剖面的垂向变异系数在0.25—0.53之间, 属中等变异。平地采样点8个剖面间的水平变异系数为0.21, 也属中等变异, 说明平地采样点8个剖面间含水量差异不大。

2.3 粒度分析结果

为判别希拉穆仁草原土壤田间持水量和凋萎湿度, 在每个采样区选取3个钻孔进行粒度测定。通过粒度测定结果进行分析发现(表2和图4), 0— 0.5 m范围内以粗粉砂为主, 0.5 m以下黏粒和粉砂含量减少, 细沙增多, 土壤明显粗质化。土壤质地是影响土壤水的重要因素, 因此随着深度增加, 土壤田间持水量和凋萎湿度均呈下降趋势。

图2 高地采样区土壤含水量

Figure 2 Soil water content in the high sampling area

图3 平地采样区土壤含水量

Figure 3 Soil moisture content in the flat sampling area

表2 高地采样区土壤粒度成分含量

图4 平地采样区土壤粒度成分

Figure 4 Soil particle size composition of the flat sampling area

3 讨论

3.1 土壤含水量空间分布特征

降水是该区土壤水分的主要来源, 但由于降水变率大, 季节分配不均, 牧草的水分供需矛盾较大, 在生长发育期间水分亏缺较多。本文是在5月下旬采集的样品, 正值牧草的分蘖分枝期, 牧草盖度增大, 耗水量增加, 但希拉穆仁草原仍属于干旱季节, 降水较少, 所以整体土壤含水量较低, 平均含水量为4.5%。

希拉穆仁草原土壤含水量在空间上存在明显的差异。高地采样点平均含水量(5.71%)大于平地采样点的平均含水量(3.82%), 且高地采样区含水量在3%以上的点所占的比例较平地采样区高, 说明高地采样区的整体含水量较平地采样区高。但草原的植物根系一般分布深度只有0.5 m左右, 高地采样点在0.1—0.6 m的平均含水量为3.85%低于平地采样点平均含水量的4.37%, 且平地采样区在0.1—0.6 m范围内含水量在3%以上的点所占的比例为97.92%高于高地采样区的89.58%, 说明平地采样区上部含水量较高, 有利于牧草的生长。图5表明平地剖面土壤含水量垂向变化明显, 所有剖面均在0.1—1.2 m含水量较高, 平均含水量为4.22%。高地各剖面土壤含水量呈波动变化, 但变化趋势不明显。高地和平地土壤含水量在空间上的差异表明, 地形影响了降水的分配, 高地采样区受地形和坡度的影响, 含水量较高且垂向变化不明显; 平地剖面中上部含水量较高主要是由于平地地形有利于降水的聚集且中上部粒度较细(图4)、持水性较好决定的。

3.2 土壤水分存在形式和水分循环

土壤水分存在形式主要包括毛管水, 薄膜水和重力水[16]。当土层含水量高于田间持水量时为重力水, 重力水自上向下流动, 流动速度快。当土层含水量低于田间持水量时为薄膜水, 薄膜水从水膜厚的地方流向水膜薄的地方, 移动速度缓慢。云文丽等[17]通过对内蒙古93个气象站点的田间持水量观测值进行统计分析, 得出内蒙古栗钙土草原0—0.5 m土壤厚度田间持水量平均值为20%—22%。本次采样深度较深, 通过粒度分析发现(表2和图4), 随着深度增加, 土壤粒度变粗, 田间持水量逐渐减少, 所以将20%定为研究区的田间持水量。也就是说, 当土壤含水量小于20%时, 水分以薄膜水形式存在, 当土壤含水量高于20%时, 水分以重力水形式存在。

由图2和图3可知, 研究区除高地采样区钻孔6下部的含水量大于20%之外, 其余所有钻孔含水量都小于20%, 说明该区在牧草分蘖分枝期土壤水分几乎都以薄膜水形式存在。由于研究区薄膜水含量很低, 表明牧草分蘖分枝期土壤水分对地下水的补给很少。

通常把大气降水能够通过入渗补给地下水的水循环称为完整的正常水循环[18], 把大气降水较少而不能通过入渗补给地下水的不完整水循环称为异常水循环。在采样期间, 高地采样区土壤水分垂向变化趋势不明显, 平地采样区土壤含水量垂向变化表现为剖面上中部含水量较高。表明土壤水向下运移缓慢或者在土壤表层富集, 即大气降水只能转化成位于地表的土壤水, 一般不参与地下水循环。研究区水循环就形成了土壤—植物—大气的水分循环模式, 属于不完整的异常水分循环类型。

3.3 土壤水分有效性类型分析

土壤水分含量变化存在3个转折点, 分别是凋萎湿度、生长阻滞持水量和田间持水量[19]。凋萎湿度是植物叶子刚开始出现萎缩时的土壤含水量。田间持水量是指土壤所稳定保持的最高土壤含水量。云文丽等[17]通过统计分析, 得出内蒙古草原栗钙土在0—0.5 m土层的稳定凋萎湿度平均值为3%—4%, 所以将研究区的稳定凋萎湿度定为3%。生长阻滞持水量指田间持水量的60%的含水量。由于该区重力水极少存在, 所以该区的土壤有效水含量指田间持水量与永久凋萎湿度之差。土壤含水量低于稳定凋萎湿度时, 土壤中的水分不能为植物吸收利用, 就会导致植物干枯死亡, 此时土壤水分为无效水。当土壤含水量大于稳定凋萎湿度时, 作物可以吸收利用土壤有效水, 但其吸收利用水分的难易程度存在差异。通常根据土壤水分被植物吸收利用的难易程度, 将土壤有效水划分为难效水, 中效水和易效水3个等级[18]。难效水是指从稳定凋萎湿度到生长阻滞持水量的土壤水分, 植物虽然能够吸收利用土壤水分, 但其根系从土壤中吸收水分时需要克服较大基质吸力, 植物的正常生长受到一定阻滞。难效水对植物生长的阻滞性的大小差别也较大, 这取决于含水量的多少, 含水量越少, 阻滞性越大, 植物生长越差。易效水指的是土壤含水量相对较高, 小于田间持水量, 大于80%田间持水量的这部分土壤水分, 土壤基质吸力较弱, 容易为植物吸收利用, 一般不会对植物的生长发育造成水分胁迫。中效水是指介于难效水与易效水之间的土壤水分, 吸收利用这部分水分, 在一定程度上受土水势的影响。结合本研究实际情况将希拉穆仁草原土壤水分有效性划分为5级(表3)。

图5 平地土壤剖面含水量分层

Figure 5 Flat soil profile water content stratification

结合上述土壤水分有效性等级划分, 对研究区高地和平地土壤剖面水分的有效性进行分析。结果表明(图2和图3)高地采样区剖面3和8在0.5—0.8 m间处于无效水状态, 在0.5 m以上及0.8 m以下处于难效水状态, 剖面6在1.5—2.0 m接近中效水状态, 其余剖面从上到下全部处于难效水状态。平地采样区所有剖面均在0—1.1 m间处于难效水状态, 在1.2 m以下处于无效水状态。但平地剖面0—0.5 m平均含水量为4.85%, 较高地0—0.5 m平均含水量4.25%略高, 而牧草植被根系主要分布在剖面中上部, 说明平地的植被生长受到土壤水分的胁迫小。研究区大部分处于难效水状态, 因此牧草吸收土壤水分会不同程度上受到抑制, 对牧草生长和产量具有一定的不利影响, 这也是该区草原植物稀疏的根本原因。

3.4 土壤干层与水分平衡

由粒度分析实验结果可知, 希拉穆仁草原土壤0.5 m以上粒度组成以粗粉砂为主, 但在0.5 m以下以细砂为主, 且2 mm以上砾石含量增多。粒度分析表明, 希拉穆仁草原土壤0.5 m以上粒度成分与陕西黄土[20]相近但粒度略粗, 下部粒度成分比黄土明显粗。因此, 0.5 m以上仍以黄土高原干层的标准划分[21]即含水量小于12%划分为干层, 含水量在9%—12%之间为轻度干层, 6%—9%之间为中度干层, 6%以下是严重干层。0.5 m以下干层含水量划分标准应该比陕西土壤低, 我们将含水量在7%—10%之间的划分为轻度干层, 4%—7%之间为中度干层, 小于4%的为严重干层。

图6为希拉穆仁草原高地与平地0—0.5 m和0.5—2.0 m土层深度的含水量。由图6可知, 各个钻孔剖面都存在干层, 且以中度干层和重度干层为主, 轻度干层紧在少数剖面发育。高地和平地0—0.5 m范围内, 所有剖面全部为重度干层。高地0.5—2.0 m范围内, 钻孔6和7为轻度干层, 钻孔1、2、4、5为中度干层, 钻孔3、8为重度干层。平地0.5—2.0 m范围内, 除剖面2为中度干层, 其余均为重度干层。

由于该区年均降水量仅为280 mm左右, 所以干层分布很浅, 几乎从土壤表层就已出现。根据年平均温度为0度左右、年降水量为370 mm左右的青海湖地区的土壤干层分布从0. 6 m左右深度开始出现[22]分析, 希拉穆仁草原地区的干层从土壤表层出现是完全可能的。我们在2014年雨季之后的10月份对该区土壤含水量也进行了20多个剖面的测定, 结果表明在雨季之后土壤含水量略有增加, 但土壤表层的干层仍然存在, 这表明该区从土壤表层发育的干层是长期性的干层。

表3 希拉穆仁草原土壤水分有效性分级

图6 希拉穆仁草原高地与平地土壤含水量分层

Figure 6 Xilamuren grassland highland and flat soil water stratification

土壤干层的发育指示该区土壤水分的支出大于收入[18], 也就是指示这样的地区为水分负平衡的地区。在这样的地区, 大气降水全部被蒸发、蒸腾等作用消耗, 没有剩余水分补给地下水。从希拉穆仁草原土壤干层发育等级较高可以确定, 该区土壤水分为明显的负平衡。由此可以得出, 该区地下水一般不能得到大气降水的补给, 地下水贫乏。

4 结论

(1)研究区多数土壤剖面中含水量很低, 含量变化多在2%—10%之间, 平均含水量多在3%—6%之间。高地采样区剖面含水量呈波动变化, 变化趋势不明显。平地采样区土壤上中部含水量多于下部, 表明该区降水对土壤水的补给主要在土壤中上部。

(2)希拉穆仁草原在春季的土壤水分以含量很低的薄膜水形式存在, 几乎没有重力水存在, 表明该区土壤水分运移非常缓慢。由于研究地区大气降水只能转化为地表水, 不参与地下水循环, 所以研究区形成了土壤-植物-大气的水分循环模式, 属于不完整的水分循环类型。

(3)研究区土壤水分大部分处于难效水状态, 土壤水分对植被生长具有明显的抑制作用。但平地采样区在剖面上部0—0.5 m的平均含水量较高地略高, 表明平地采样区植被生长受到土壤水分的胁迫性较小。研究区普遍有干层发育且等级较高, 干层分布接近地表。高地采样区0—0.5 m全部为重度干层, 下部有轻度干层和中度干层发育; 平地采样区几乎全部为重度干层, 指示该区土壤水分为明显的负平衡, 大气降水被蒸发与蒸腾等全部消耗, 没有剩余水分补给地下水。

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Study on soil water and water balance in spring in Xilamuren grassland, Inner Mongolia

CHEN Zhiqing1, ZHAO Jingbo1,2,*, LUO Xiaoqing1, SHAO Tianjie1, HU Qian1

1. College of Tourism and Environment, Shanxi Normal University, Xi’an, Shanxi 710062, China 2. State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences,Xi’an, Shanxi 710075, China

In order to reveal the soil water content, water form, water availability, water cycle and dry soil layer of the Xilamuren grassland, the different terrain grasses in the area were drilled and sampled, and the water content and particle size were measured and analyzed.The results showed that the water content in most soil profiles in the study area varied between 2%-10%, and the average water content was between 3%-6%. The vertical variation of soil moisture in the high sampling area fluctuated greatly, and the change trend was not obvious. The water content in the upper middle part of the flat sampling area was higher than that in the lower part.Most of the soil moisture in the study area was in a state of inefficient water, and soil moisture had a significant inhibitory effect on vegetation growth. However, the flat sampling area had a slightly larger average water content in the upper part of the section from 0-0.5 m, indicating that the vegetation in the flat sampling area was high. Growth was relatively less stressful by soil water. Dry soil layer were generally developed and graded in the study area, and the dry soil layer distribution was close to the surface. Among them, the high-sampling area section 0-0.5 m was all heavy dry layer, the lower part had mild dry layer and moderate dry layer development; the flat sampling area was almost all heavy dry layer.In the spring of May, the soil water in the area was almost in the form of film water with very low content. The atmospheric precipitation was completely consumed by evaporation and transpiration, and no residual water was supplied to the groundwater. The soil water in this area is obviously negative balance, and the water cycle presents a soil-plant-atmosphere water circulation pattern, which is an incomplete water circulation type.

soil water content; effective water; dry soil layer; water balance; Xilamuren grassland

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.02.001

P641.131

A

1008-8873(2020)02-001-07

2019-08-27;

2019-09-26

国家自然科学基金项目(41210002); 中国科学院黄土与第四纪地质国家重点实验室项目(SKLLQG1626)

陈志青(1983—) , 女, 内蒙古人, 博士研究生, 从事生态学研究,E-mail:278680742@qq.com

赵景波, 博士, 教授, 博士生导师, 从事自然地理研究, E-mail:zhaojb@snnu.edu.cn

陈志青, 赵景波, 罗小庆, 等. 内蒙古希拉穆仁草原春季土壤水与水分平衡研究[J]. 生态科学, 2020, 39(2): 1–7.

CHEN Zhiqing, ZHAO Jingbo, LUO Xiaoqing, et al. Study on soil water and water balance in spring in Xilamuren grassland, Inner Mongolia[J]. Ecological Science, 2020, 39(2): 1–7.