内蒙古自治区达茂旗荒漠草原土壤水分对降水的响应

樊 婷， 张存厚，2， 张德广， 苏 玥

(1.内蒙古自治区气象局 气象灾害监测预警与人工影响天气中心，内蒙古 呼和浩特 010051； 2.内蒙古自治区气象局 生态与农业气象中心，内蒙古 呼和浩特 010051； 3.内蒙古自治区气象科学研究所， 内蒙古 呼和浩特 010051)

土壤湿度是地球乃至全球范围内陆地表面物理过程中的重要影响因子，在改善区域和全球气候模型、干旱监测、预估农作物产量和投资等方面发挥重要作用[1]。土壤湿度的异常通过地面蒸发的变化可引起地面边界层热量平衡和水分平衡的较大改变，在边界层水热交换过程中扮演重要角色[2]，以边界层水热交换原理为基础，通过遥感监测真实热惯量能够间接对土壤湿度变化进行监测[3]。

降水是影响土壤水分的最重要因素，对土壤水分起到调节和控制作用[4-6]，由于降水对不同深度土壤水分作用不同，可将土壤剖面划分为速变层(0—20 cm)、活跃层(20—30 cm)、次活跃层(30—40 cm)和相对稳定层(40—100 cm)，且深层土壤湿度与前月降水量显著相关，对气候变化具有一定的记忆功能，可以积累大量的地表水文过程信息[7-9]。通常土壤水分和降水具正反馈关系，随降水增加而增加，但在极端干旱和湿润区域观察到土壤水分和降水的负反馈关系[10-11]，不仅受降水量影响，降水频率的变化对土壤水分动态有显著的影响，土壤水分瞬时入渗速率受雨强大小和时间变化影响较大[12-13]。土壤水分还与其他气象因素有关，如陈少勇等[6]得出结论土壤湿度与降水呈极显著的正相关，与气温呈不显著的负相关；除此之外，土壤水分的大小还受土地利用类型、海拔、坡度、坡向、时间、土壤深度等非气象因素的影响[14]，坡向、坡位不同，土壤水分变异较大[15]。

内蒙古自治区拥有面积60%以上的广袤草原，以畜牧业为主要生产方式。荒漠草原是所有草原中荒漠化最为严重的一种类型，荒漠草原处于草原与荒漠区的过渡带，三者在降水特征、土壤物理、化学特征，植被特征等方面既有共同点又有不同点，荒漠草原生态环境脆弱，土壤水分匮乏，对降水极为敏感，因此研究荒漠草原土壤水分对降水的响应特征具有极其特殊意义。达尔罕茂明安联合旗(以下简称达茂旗)荒漠草原降水—土壤水分关系不仅是保持草原生态系统水资源、防治植被退化及土地荒漠化的重要理论基础，还决定着内蒙古生产力水平，有助于提高当地人民生活、经济水平。本文使用内蒙古自治区达茂旗荒漠草原2016—2018 年牧草主要生长季(5—9 月)逐小时降水及不同深度土壤含水量资料，选取研究时段内的6 个自然背景下降水事件，研究降水后土壤垂直剖面含水量变化特征，应用统计学方法分析不同降水模式对土壤水分的影响，以期为防治荒漠草原植被退化及荒漠化提供理论基础。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

达茂旗(N 41°42′，E 110°26′，海拔1 376.6 m)，隶属于内蒙古自治区中部包头市，地貌属阴山北麓丘陵草原区，属中温带半干旱大陆性气候，草原类型为典型荒漠草原。达茂旗平均气温4.4 ℃，极端最低气温-39.4 ℃，极端最高气温38.1 ℃，年平均降水量259.3 mm，且多集中于7—8 月，年平均水汽压5.0 hPa，年平均相对湿度48.2%，年平均风速33.6 m/s，以北风和西北风为主。

达茂旗荒漠草原是内蒙古草原的重要组成部分，植被类型为温带干旱、半干旱气候条件下多年生旱生草本，以戈壁针茅(Stipatianschanica)为主，草地植被的群落结构简单，草层低矮、稀疏，分为以克氏针茅、冷蒿、小叶锦鸡儿、百里香等为主的天然草场(植被覆盖度30%)，和以老芒麦、沙打旺、苜蓿为主的人工草场(高10～35 cm)[16-18]。土地类型以钙质土和棕钙土为主(见表1)，占总体面积的90%以上，呈带状分布，非地带性土壤类型有草甸土、潮土、石质土、盐土，土壤质地多沙壤、轻壤，并有不同程度砾质化，土壤肥力普遍较低[16-17]。

表1 内蒙古自治区达茂旗荒漠草原不同土层土壤物理性质

1.2 数据与方法

本文使用2016—2018 年牧草主要生长季(5—9月)期间达茂旗气象局自动气象观测站逐小时降水量及土壤体积含水量数据，观测站环境符合《地面气象观测规范》，观测场四周空旷平坦，保持有均匀草层，草高不超过20 cm。

以土壤垂直剖面上每10 cm为一层，将土层分为5层，分别为0—10，10—20，20—30，30—40，40—50 cm，每层均安装插管式传感器。不同土层逐小时自动土壤含水量由GStar-1新型土壤水分自动测量仪获得，测量仪器由河南省气象局和中国电子科技集团公司第27研究所双方联合研制，其测量原理为新型频域反射法(frequency domain reflection， FDR)。该站土壤水分监测设备已利用人工土钻对比观测进行验证，并通过中国气象局业务化检验，在业务中应用多年。

从降水开始到降水结束，降水前后5 d内无有效降水且水热条件基本一致时，本文当作一次降水事件。从全年降水事件中筛选4 次降水强度偏小的不同降水量代表性降水事件，绘制日尺度含水量曲线，统计从降水开始到结束4 次降水事件土壤水分响应过程，进行降水量—土壤水分响应量、响应深度、响应天数关系研究；从全年降水事件中选取3 组6 次相同降水量级不同降水强度代表性事件，统计3 组6 次降水事件前1 h，降水事件后1，5，8，12，24 h土壤含水量，绘制小时尺度土壤含水量曲线，进行降水强度—土壤水分响应深度、响应速率关系研究。

2 结果与分析

2.1 降水特征

2016—2018 年5—9 月研究区共发生降水事件24 次，总降水量379.9 mm。为了进一步研究不同降水量级在主要生长季发生频次的高低，按照降水量分成5 个等级，分别为0.1～5.0,5.1～10.0,10.1～15.0,15.1～20.0,20.1～25.0 mm和大于25.0 mm。结果表明，最大过程降水量出现于2018 年8 月，为55.7 mm。研究区降水发生频率最高的降水量等级为15.1～20.0 mm，占所有降水事件的28%。每个等级的降水总量分别为16.0,32.7,20.4,117.6,69.9 mm及123.3 mm，占总降水量的4.0%,9.0%,5.0%,31.0%,18.0%及33.0%(见图1)。在上述降水事件中，大于25.0 mm降水量级的降水强度最高(2.33 mm/h)，0.1～5.0 mm的降水强度为最低(0.55 mm/h)。

图1 2016-2018年内蒙古自治区达茂旗荒漠草原降水特征

2.2 土壤水分动态变化

在研究时段内，达茂旗荒漠草原最大的两次降水过程分别发生在2016 年 7月中旬(持续时间为56 h，总降水量为41.6 mm)和2018 年8 月上旬(持续时间为48 h，总降水量为55.7 mm)，降水导致0—10 cm土层土壤含水量分别增加了87.0%和79.0%(见图2)。随土层加深，土壤含水量呈现先减小、再增大的趋势。不同土层范围土壤水分对降水反应不同，0—10 cm土壤水分动态与降水变化趋势基本一致，但土壤水分响应具滞后性，即土壤水分响应时间滞后于降水时间；10—30 cm土壤水分变化趋势整体与降水趋势一致，滞后性较0—10 cm土层更强；30—50 cm土壤水分只有在极端降水后才能产生响应，且这一土层范围滞后性最强。

2.3 土壤水分变化对降水脉动响应

2.3.1 土壤水分日变化对降水的脉动响应 如图3所示，降水事件1(降水量7.2 mm)显示，本次降水仅能使0—10 cm土层土壤含水量增加36.7%，大于10 cm土壤深度的土壤含水量影响较小，降水事件响应天数为6 d(图3a)；降水事件2(降水量18.0 mm)和降水事件3(降水量24.1 mm)能影响0—20 cm土壤水分，使0—10，10—20 cm土层土壤含水量分别增加70.0%及50.0%以上，土壤含水量对降水事件响应天数分别为7 d和9 d(图3b和图3c)；降水事件4(降水量41.6 mm)的降水能影响0—50 cm土壤水分，使0—10，10—20，20—30，30—40，40—50 cm土壤含水量分别增加81.9%，73.3%，74.2%，78.3%及64.6%，降水事件响应过程10 d(图3d)。

图2 2016-2018年内蒙古自治区达茂旗荒漠草原土壤水分对降水的脉动响应

因此，由图3可知，在达茂旗荒漠草原，相同降水量，降水时间较长，即降水强度较小时，5.1～25.0 mm的降水可以入渗补给浅层(0—20 cm)土壤水分。

其中，在5.1～10.0 mm的降水过程中，土壤水分入渗深度为10 cm，在10.1～25.0 mm的降水过程中，土壤水分的入渗深度为20 cm；大于25.0 mm的降水才能补给更深层次的土壤水分，土壤水分的入渗深度为50 cm。

图3 2016-2018年内蒙古自治区达茂旗荒漠草原土壤含水量对降水响应日变化

2.3.2 土壤水分逐小时变化对降水的脉动响应 降水后土壤含水量比降水前1 h增加5%以上时，土壤水分对降水有响应，增加50%以上时，土壤水分响应显著。选取3组6次同一降水量级不同降水强度降水事件，进一步分析降水强度对土壤水分的影响，3组降水事件降水量级分别为5.1～15.0，15.1～20.0，20.1～25.0 mm(如图4所示)。

由图4可知，降水事件1(降水量10.2 mm)的降水强度为0.7 mm/h，降水发生后0—10 cm土壤含水量在1 h后增加81.8%，大于10 cm深度土壤水分在24 h后无明显变化甚至略有减少(图4a)，降水事件2(降水量8.4 mm)的降水强度为2.1 mm/h，能够使0—10，10—20 cm土壤含水量分别在1 h和5 h后增加78.2%和52.6%(图4b)；降水事件3(降水量18.0 mm)的降水强度为1.4 mm/h，0—10，10—20 cm土壤含水量在1 h后分别增加73.9%和21.6%，大于20 cm深度土壤含水量在24 h后无明显变化甚至略有减少(图4c)，降水事件4(降水量17.0 mm)的降水强度为2.1 mm/h，能够使0—10 cm土壤含水量在1，5，8 h后分别增加46.8%，41.0%及57.9%，大于10 cm深度土壤含水量增量较小甚至略有减小(图4d)；降水事件5(降水量24.1 mm)的降水强度为1.7 mm/h，仅能使0—10，10—20 cm土壤含水量在1 h后分别增加84.8%和11.3%(图4e)，降水事件6(降水量22.7 mm)的降水强度为3.2 mm/h，能够使0—10，10—20，20—30，30—40 cm土层分别在8，8，12，24 h后增加77.6%，23.8%，29.2%及19.0%(图4f)。

因此，在达茂旗荒漠草原5.1～15.0 mm和20.1～25.0 mm量级降水，降水强度对土壤水分响应深度具有正反馈作用，降水强度越大土壤水分入渗深度越大，15.1～20.0 mm降水强度对土壤水分入渗深度具有负反馈作用，降水强度越大土壤水分入渗深度越小。降水强度对土壤水分入渗速率具有负反馈作用，降水强度越大土壤水分入渗速率越小，且随降水量级增大降水强度对土壤水分负反馈作用增强，5.1～15.0,15.1～20.0,20.1～25.0 mm的降水，降水强度较小时0—10 cm土壤水分均在1 h后就响应显著；降水强度较大时0—10 cm土壤水分分别在1，1，8 h后响应，5，8，8 h后才能响应显著。

图4 2016-2018年内蒙古自治区达茂旗荒漠草原体积含水量对降水响应小时变化

3 讨 论

降水量较大时才能入渗补给根层土壤水分，满足植物生长发育，研究区大于25 mm量级降水事件虽然频率较低，但降水总量最大，说明荒漠草原大降水事件发生较少，但可直接影响植被生存发展，与周海等[4]研究结果一致。随土层加深，土壤含水量具有先增大，再减小的趋势，这与有关研究领域的研究结果相似[19-20]，原因一方面在于荒漠草原植被覆盖度小，地表裸露面积大，蒸发剧烈消耗表层土壤含水量；另一方面在于植物通过根系吸收土壤水分，满足自身生长发育，消耗根层土壤含水量。

研究区域内发生5.1～10.0 mm降水入渗补给深度为10 cm，荒漠区相同降水量级入渗补给深度至少为20 cm[21]；研究区域内发生10.1～25.0 mm降水事件入渗补给深度为20 cm，沙区相同降水量级入渗补给深度至少为40 cm[22]。说明相对沙区和荒漠区，荒漠草原土壤水分对降水量更为敏感，一个原因是相对荒漠区和沙区，荒漠草原沙化程度较低，土壤质地多壤土，含砂量较少，土壤孔隙度更细小不利于降水入渗，陈娟等的研究中也发现砂黏比与土壤累积入渗量呈正比[23]；另一个原因是荒漠草原比沙区和荒漠区植被覆盖度大，生物量多，因此植物蒸腾消耗水分更大。

降水强度增大时雨滴动能增大有利于降水入渗，土壤水分响应量及速率增大[24]；然而，降水强度大也会产生地表径流，研究区植被稀少，茎叶能够拦截的地表径流量少，不利于降水入渗，土壤水分响应量及速率减少。所以，降水强度对土壤水分入渗效率的影响，是雨滴动能增大与地表径流共同作用的结果，但其耦合机理尚不明确，有待日后进一步研究分析。

降水入渗还与土壤物理、化学特性，植被以及地下水位等有关，达茂旗荒漠草原地表水缺乏且高度盐渍化，地下水位埋深不到1 m[25-26]，地下水可以通过根系提升补给土壤水分[27]，对土壤水分再分布具有一定影响，今后需要加强这方面研究。本文未考虑土壤初始含水量对土壤水分入渗的影响，今后需要补充分析。

4 结 论

(1) 土壤剖面不同土层范围土壤水分变化规律不同。土壤含水量变化与降水量变化趋势存在一致性，但随土壤深度增加，一致性减小；土壤含水量变化滞后于降水量变化，随土壤深度增加，滞后性增强。

(2) 土壤水分对降水响应过程复杂，主要受土壤初始含水量，降水模式即降雨量、降雨强度、降雨时间等共同影响，与大部分研究结果一致[28-30]。降水强度较小时，降水量增大有利于降水入渗。降水量级较小(5.1～15.0 mm)或较大(20.1～25.0 mm)时，降水强度增大有利于降水入渗；降水量级中等(15.1～20.0 mm)时，降水强度增大不利于降水入渗。