降雨对柠条锦鸡儿固沙林土壤水分动态变化特征的影响

贺 帅,王晓江,洪光宇,3,张成福,李卓凡,李梓豪,高孝威

(1.内蒙古农业大学 沙漠治理学院,呼和浩特 010010;2.内蒙古自治区林业科学研究院,呼和浩特 010010;3.内蒙古农业大学 草原与资源环境学院,呼和浩特 010010)

在干旱半干旱沙漠地区，由于降水稀缺，蒸发剧烈，使得水分成为沙地生态系统中植被建设和发展的最重要因子[1-3]。而降水又是沙地土壤水分的最主要补给来源[1]，建立固沙植被后，土壤水分对降雨的响应已经成为改善沙地生态环境和提高人工造林地稳定性研究中急需解决的关键科学问题。柠条锦鸡儿(CaraganakorshinskiiKom.)是毛乌素沙地植被群落中占优势的多年生灌木，其根系发达、固沙能力强、耐风蚀、抗沙埋。因此，其在水土保持、防风固沙和生态恢复方面具有重要作用[4]。目前已有一些关于柠条锦鸡儿的研究主要集中在种子萌发对干旱胁迫和土壤水分的关系[5-8]、密度及根系分布与土壤水分的关系[9-10]、蒸腾速率与水分的关系[11]等方面，而有关柠条锦鸡儿林土壤水分对降雨的动态响应研究则较少。鉴此，本文以毛乌素沙地柠条锦鸡儿固沙林为研究对象，采用WatchDog土壤水分自动监测系统与HOBO U30小型自动气象站连续监测柠条锦鸡儿林沙丘0—110 cm层土壤水分含量与大气降水。分析柠条锦鸡儿林沙丘土壤水分对降雨的响应特征，以期为沙区水资源评估、植被稳定性评价提供参考，进而对合理有效利用有限水资源、植被恢复与重建、防治土地荒漠化具有重要意义。

1 研究方法

1.1 研究区概况

本试验研究地位于内蒙古自治区鄂尔多斯市乌审旗毛乌素沙地生态系统国家定位监测站，及乌兰陶乐盖治沙站林场内(109°15′34″E,38°51′56″N)。该地区为典型温带大陆性半干旱气候，自然条件相对优越。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%，平均气温6.0～8.5℃，无霜期127～136 d。年平均降水300～400 mm，平均潜在蒸发量2 563 mm，为降水的7.2倍，降水具有空间分布不平衡、季节分布不均匀、年际变化大等特点。土壤以风沙土为主，粒径较粗，物理性黏粒(<0.01 mm)和有机质含量很少，结构松散，质地均一，土壤持水率弱，渗透力强。植被以草甸植被与沙生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，乔木种类较少。主要固沙植被有柠条(CaraganakorshinskiiKom.)、油蒿(Artemisiaordosica)、沙柳(Salixpsammophila)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、杨柴(Hedysarumfruiticosumvar.mongolicum)等。

1.2 研究方法

2018年4月采用定点监测的方法，选择研究区17 a生柠条锦鸡儿(CaraganaKorshinskiiKom)固沙林与裸露流动沙地进行监测。柠条锦鸡儿造林地造林规格为带距6 m，行距3 m，于2002年完成造林。本试验选则造林地沙丘高度3～4 m的固定沙作为试验样地，其中柠条锦鸡儿固沙林地有少量草本覆盖，但无土壤结皮，不会产生地表径流，降雨是试验区沙地土壤水分的主要来源。2018年4月14日为避免植被覆盖对试验的影响，在柠条锦鸡儿固沙林中部林带间无植被覆盖区挖取入深120 cm的土壤剖面，同时按照10 cm,30 cm,50 cm,70 cm,90 cm,110 cm的土壤分层，将WatchDog土壤水分自动监测系统的传感器以水平状态，且沿垂直方向从上到下依次插入相应土层测定土壤体积含水量，且每一土层仅设置一个水分传感器探头，安装完成后原状土回填土壤剖面，浇水踏实。水分传感器为SM100型，传感器分辨率0.001 m3/m3(0.1%VWC)，土壤水分单位为体积含水量。WatchDog土壤水分自动监测系统为全自动监测，本试验将数据采集时间设定为每1 h自动记录一次数据，一天24组数据。研究区同步安装有HOBO U30小型自动气象站用来对降雨量进行自动监测，数据采集时间设定为每0.5 h记录一次数据。

本文选择柠条锦鸡儿生长季2019年5月1日至2019年9月15日的数据进行分析柠条锦鸡儿固沙林地土壤水分对降雨动态的响应。由于70 cm层水分传感器出现故障，导致此层土壤含水量数据丢失，故本文未对70 cm层土壤水分含量动态进行分析。

采用Microsoft Excel 2010对数据进行统计分析和作图。

2 结果与分析

2.1 日降雨对柠条锦鸡儿林沙丘土壤含水量的影响

监测期间，研究区2019年5月1日—9月15日共发生33次降雨事件，总降雨245.86 mm，降雨量≤5 mm的降雨事件18次，共降雨17.14 mm，占总降雨的6.9%;降雨量介于5～10 mm的降雨事件5次，共降雨42.42 mm，占总降雨的17.3%;降雨量10～20 mm的降雨事件7次，共降雨105.26 mm，占总降雨的42.81%;降雨量20～30 mm的降雨事件2次，共降雨49.89 mm，占总降雨的20.3%;降雨量30～40 mm的降雨事件1次，共降雨31.17 mm，占总降雨的12.3%。可见监测期内日降雨大都是0～20 mm范围内，累计降雨165.09 mm，占总降雨的67.1%。结合柠条锦鸡儿固沙林水分含量动态变化规律来看(图1),10 cm层土壤含水量在整个监测期内波动最为频繁，每次波动达到峰值时的时间都与降雨时间相对应，说明10 cm层土壤水分受降水影响剧烈，同时也是受蒸发影响最明显的一层。监测期54 d以前，共发生9次降雨事件，总降雨20.65 mm(最大一次降雨量为9.60 mm)，仅10 cm层土壤水分含量出现了峰值(4次)，达到峰值时的土壤含水量分别为2.05%,0.84%,2.89%和3.5%，且最大值出现在9.6 mm降雨事件后。这段时间内，30,50,90 cm层土壤水分含量持续下降，110 cm层土壤水分含量基本维持在3.6%上下。

图1 柠条锦鸡儿固沙林沙丘各层土壤含水量动态变化

在监测期第55～137 d内发生降雨24次，共降雨225.21 mm,110 cm层以上土壤水分含量均发生波动并有峰值出现，10 cm层峰值出现次数最多(10次);30 cm层出现7次;50 cm层出现5次;90 cm层出现3次;110 cm层出现5次。其中30 cm层土壤水分含量波动出现第一次明显峰值在第75～77 d，累计降雨21.41 mm后;50 cm层土壤水分含量波动出现第一次明显峰值在第82～83 d累计降雨32.79 mm后;90 cm层土壤含水量前两次与110 cm层前4次波动出现峰值时的土壤水分含量变幅均<1%，但在第95～97 d累计降雨50.27 mm后，90,110 cm层土壤水分含量波动出现明显峰值，且变化差异极显著。从时间角度来看，10,30,50 cm层土壤水分含量达到峰值时的时间基本与降水发生时的时间对应;90,110 cm层土壤水分含量达到峰值时的时间则相对要滞后于降雨发生时的时间，且其峰值的出现需要多次累计降雨，通过多次累计降雨共同作用产生加和效应，水分湿润峰可达90,110 cm层土壤。以上结果表明0—50 cm层土壤水分含量对降雨的响应较敏感，90,110 cm层土壤水分动态对日降雨响应相对滞后，且在低强度降雨下，水分入渗到深层土壤需要较长时间。在5—7月，由于基本无降雨事件发生，土壤水分的补给量远小于消耗量，导致30,50,90 cm层土壤水分处于亏缺状态。根据降雨分布发现，90 cm层以下土壤水分含量波动出现明显峰值与监测期第95～97 d累计50.27 mm的降雨密切相关，换句话说就是日降雨量或者是累计降雨量达到50 mm时，降雨才可补给到柠条锦鸡儿固沙林90 cm及以下土层土壤水分。

为进一步说明降雨对毛乌素沙地柠条儿锦鸡儿固沙林土壤含水量的影响，采用旬统计平均数据对不同土层土壤含水量进行分析(表1)。从表中可以看出随着土层深度的变化，土壤含水量呈现出不同的变化规律，10,30,50 cm层土壤含水量分别存在3个上升期，而90,110 cm层各存在一个上升期。其中10 cm层土壤含水量在5月下旬—6月下旬、7月上旬—8月上旬、8月中旬—9月上旬处于上升期;30 cm层土壤含水量在6月中旬—7月上旬、7月中旬—8月上旬、8月下旬—9月上旬处于上升期;50 cm层土壤含水量在6月下旬—7月上旬、7月中旬—8月上旬、8月下旬—9月上旬处于上升期;90 cm层土壤含水量在7月中旬—8月上旬处于上升期;110 cm层土壤含水量在7月中旬—8月中旬处于上升期。说明不同土层土壤含水量对累计降雨量以及累计降雨入渗效应响应的敏感程度不同，90 cm层及以下土层土壤含水量可对累计降雨入渗做出响应，但存在一定的滞后性，尤其是110 cm层土壤含水量增加时的滞后效应更加明显。

表1 柠条锦鸡儿林沙丘土壤含水量旬变化特征

2.2 降雨条件下柠条锦鸡儿固沙林沙丘土壤含水量变化的时间进程

固定沙丘土壤水分入渗进程受降雨格局、植被覆盖与土壤初始含水量的综合影响显著[12-13]，严正升[14]研究发现降水在人工柠条林具有滞后效应，柠条林密度越大滞后效应越明显，降水入渗深度、入渗量因林分密度不同存在差异。冯伟等[15]研究表明0—200 cm深度土壤体积含水量较低时53.8 mm(历时71 h)降雨开始后310 h土壤湿润峰达200 cm，土壤体积含水量较高时88.6 mm(历时62 h)降雨开始后70 h湿润锋到达200 cm。为更加直观的得出降雨对柠条锦鸡儿固沙林地土壤含水量动态变化的影响过程，选择两次降雨事件，分析每个小时柠条锦鸡儿林地土壤含水量变化的时间进程。

从图2中可以看出，当累计日降雨3.4 mm(9月9日5—8时),10 cm层土壤含水量从2.1%增加到第一次峰值4.3%历时3 h;当累计日降雨14.94 mm(9月9日5—17时),10 cm层土壤含水量从4%增加到第二次峰值5.5%历时4 h。当累计降雨16.33 mm(历时18 h)时，30 cm层土壤含水量从1.3%增加大最大值3.6%历时18 h,50 cm层土壤含水量从0.9%增加到最大值3.7%历时37 h。在16.33 mm(历时18 h)降雨水平下，90,110 cm层土壤含水量未发生变化，说明16.36 mm(历时19 h)的单场降雨对90 cm以下土层土壤含水量无影响。以上结果表明3.4 mm(历时3 h)的降雨能使10 cm层土壤达到湿润峰，16.33 mm(历时18 h)的降雨可使30,50 cm层土壤分别在第18小时和37 h时达到湿润峰。而14.9 mm(历时12 h)的累计降雨可使10 cm层土壤含水量达到波动峰，这里的波动峰值是16.33 mm(历时18 h)的降雨下能使10 cm层土壤所能达到的最大含水量。

图2 日降雨16.33 mm对柠条锦鸡儿林沙丘土壤含水量的动态变化

土壤达到饱和含水量时的入渗为饱和条件下的水分入渗，但是由于受到降雨强度的影响，不是每次较大的降雨都会产生饱和入渗，当降雨强度低于饱和入渗率时，土壤水分入渗还是处于非饱和条件下的入渗[15]。试验监测期内的最大含水量最多维持2 h内保持不变，而且仅在10 cm和30 cm层土壤内，因此这里的饱和含水量只是瞬时达到饱和。此外降雨事件前，30,50 cm层土壤含水量很低，原因是8月25日—9月9日前一直无有效降雨过程，深层土壤缺乏水分的补给，这种现象同样说明土壤含水量处于非饱和状态时，水分入渗深度有限。

从图3中可以看出，第一阶段降雨时土壤初始含水量处于较低水平，各层土壤初始含水量分别为2.1%,2.1%,2.2%,5.4%,2.8%。此时湿润峰达到10,30,50 cm层土壤所需降雨量与时间分别为25.02 mm(13 h),28.83 mm(16 h),29.85 mm(19 h)，在29.85 mm(历时18 h)的降雨水平下未能使90 cm层土壤达到湿润峰，且该场次降雨不能影响110 cm层土壤水分含量;第二阶段降雨时土壤初始含水量处于较高水平，各层土壤初始含水量分别为3.7%,3.2%,3.7%,6.9%,2.8%。此时湿润峰达10,30,50,90 cm层土壤所需降雨量与时间分别为13.61 mm(1 h),14.02 mm(2 h),16.61 mm(5 h),16.61 mm(17 h)。在单场累计46.46 mm(历时61 h)降雨水平下能使110 cm层土壤含水量达到湿润峰，但是该场次降雨未能使110 cm层土壤含水量达到波动峰值。综上所述，累计46.46 mm(历时61 h)的降雨通过入渗和再分配后可使90 cm以上土层土壤含水量达到波动峰值，且土壤初始含水量对降雨入渗深度和进程有显著影响，初始含水量较高时，降雨入渗快，历时短。

图3 连续日降雨46.46 mm对柠条锦鸡儿林沙丘土壤含水量的动态变化

2.3 柠条锦鸡儿固沙林沙丘中的降雨入渗特征

次降水特性(降水强度、降水历时、降水量)与土壤水分初始状况决定灌丛沙丘土壤入渗过程。王新平等[16]研究发现沙地次降水过程具有明显的间歇性，间歇性降水与瞬时土壤表面高蒸发相互影响，导致雨季(生长季)沙丘土壤浅层干湿交替发生频繁，由于局部土壤水分势能梯度复杂，自然降水条件下的土壤水分入渗过程相对复杂。因此本研究分析了自然日降雨条件下柠条锦鸡儿林沙丘的降雨入渗特征。

从表2中可以看出降雨入渗深度和降雨量、降雨强度、土壤初始含水量密切相关。入渗湿润深度随着降雨量、降雨强度的增加而增加(7月28日除外)，降雨量小于5 mm，湿润深度小于10 cm土层，降雨量小于10 mm，湿润深度小于30 cm土层，降雨量17 mm左右时，湿润深度可达30 cm土层，降雨量20 mm左右时，湿润深度可达50 cm土层。

表2 日降雨在柠条锦鸡儿固沙林沙丘入渗特征

此外，在沙区也时常发生连续降雨，连续日降雨事件同样影响着降雨在沙丘中的入渗过程。从表3中可以看出，降雨湿润深度受累计降雨量、降雨强度的双重影响，并随着累计降雨量、降雨强度增加降雨湿润深度也增加。20 mm左右的降雨湿润深度可达30 cm;30 mm的降雨湿润深度可达50 cm;50 mm的降雨湿润深度可达110 cm层土壤。其中，9月8日至10日累计降雨31.98 mm和7月21日至22日累计降雨32.79 mm时，在降雨量基本相等的情况下，降雨31.98 mm湿润深度可达50 cm土层，而降雨32.79 mm的累计降雨湿润深度则超50 cm，原因是后者降雨强度与0—50 cm层土壤初始含水量均高于前者。对比表2中6月24日降雨20.04 mm与表3中7月15日至16日降雨20.60 mm，同样在降雨量基本相等的条件下，前者在降雨强度4.45 mm/h和0—50 cm层土壤初始含水量为1.4%,1.0%,0.8%时，湿润深度可达50 cm层土壤，后者在降雨强度1.58 mm/h和0—50 cm层土壤初始含水量为0.7%,1.3%,0.7%时，湿润深度达30 cm层土壤。说明降雨量基本相当的情况下，降雨强度与土壤初始含水量显著影响水分入渗深度，及降雨强度越大，土壤初始含水量越高，降雨入渗深度越深。

表3 连续日降雨在柠条锦鸡儿固沙林沙丘入渗特征

3 讨 论

降水是沙地土壤水分的主要来源，年降水量、降水格局及其在土壤中的入渗和再分配等因素与土壤含水量动态变化密切相关。冯伟等[17]研究发现，在毛乌素沙地沙柳植被覆盖区，当土壤初始含水量处于较低水平水时，单场53.8 mm降雨通过入渗及再分配入渗湿润锋可达到200 cm层土壤;土壤含水量处于较高水平时，88.6 mm单场降雨入渗深度在150 cm土层以下，再分配入渗深度达200 cm以下。王新平等[16]研究发现，沙坡头人工植被固沙区在降水分别为10.9 mm(历时12 h),14.7 mm(历时14 h),25 mm(历时17 h),38.9 mm(历时38 h)时，水分入渗深度分别可达5,10,20,60 cm层土壤。闫德仁等[18]研究在浑善达克沙地日降雨≤30.3 mm时，杨柴固沙林与天然草地湿润深度<40 cm土层;日降雨40.3 mm时，杨柴固沙林地湿润深度达80 cm土层，天然草地植被达120 cm土层。本文研究结果表明，在柠条锦鸡儿固沙林沙丘上，降雨入渗和降雨量、降雨格局与土壤初始含水量同样有密切联系。日降雨量6～9 mm的降雨湿润深度可达10 cm层土壤;日降雨量20 mm左右时湿润深度最小可达30 cm土层、最大可达50 cm土层;连续日降雨30 mm左右时，湿润深度>50 cm土层;连续日降雨50 mm左右时，湿润深度可达110 cm土层。说明在不同地区、不同的固沙植被类型对不同降雨事件后的水分入渗深度和进程影响不同，或者说降水的入渗及再分配过程受固沙植被类型的影响表现出不同规律。但是，也有其相同的规律，即降雨的入渗深度因为植被的建立而减少，这不利于降雨对深层土壤水分进行补给。

降雨时，水分不仅要经历蒸发过程，同时还要经历植被截流和表土层吸收的过程，之后才能通过入渗及再分配的过程对深层土壤水分进行有效补给，供植被根系吸收。柠条这种沙生灌木需要通过发达的根系网络从土壤中吸收并获取水分来维持其生长发育[19]。张莉等[20]研究发现柠条用来吸收水分的根系分布在30—90 cm土层中，而本研究发现只有46 mm左右的降雨才能补给90 cm土层土壤水分。但是在毛乌素沙地像这样的降雨事件很罕见，随着柠条锦鸡儿生长发育所需水分越来越多，很容易导致其根际土壤水分状况恶化。其次，植被的林龄、盖度、根系发达程度都会对土壤水分入渗及再分配过程产生影响[12]。梁香韩等[21]研究发现不同林龄柠条土壤含水量随着土层深度的增加呈逐渐降低趋势。刘凯等[22]研究发现毛乌素沙地不同林龄人工柠条林地土壤渗透性能大小依次为:15 a>24 a>36 a。随着植被年龄的增加，植被截留降雨的能力越来越强，使水分很难继续下渗，最后浅层土壤形成不透水层，致使深层土壤无法得到降雨补给，从而影响人工固沙植被的稳定性。阿拉木萨等[12]研究发现15 a生人工小叶锦鸡儿植被土壤可形成不透水层，造成植被根际土壤水分状况恶化。而本文研究中选取未进行平茬的17 a生柠条锦鸡儿为研究对象可能也存在这种现象，从而影响降雨对深层土壤水分进行补给。在这些综合作用的影响下，以降水为主要来源的毛乌素沙地土壤水分得不到补给降水的补给，人工柠条锦鸡儿固沙林生长发育所需水分将会严重亏缺，致使植被逐渐退化，这是导致毛乌素沙地进一步退化的主要原因。

本研究降雨入渗为天然降雨，在试验期间降雨不是很均一，且大都为小降雨，相对大的降雨分布较少。但是在50 mm左右降雨时，水分入渗深可达110 cm土层，水分是否入渗并影响到110 cm以下土层受到本试验监测深度限制无法确定，因此，在今后的研究中应将监测深度提升至更深土层，从而对降雨入渗过程做出更全面的解释。

4 结 论

(1) 柠条锦鸡儿固沙林沙丘不同土层土壤含水量动态变化受降雨量、累计降雨量和降雨入渗效应等综合因素的影响。特别是累计降雨量和90 cm以下土层含水量密切相关，且对90 cm层土壤含水量具有滞后效应，尤其是在110 cm层土壤含水量增加时的滞后效应尤为明显。

(2) 柠条锦鸡儿固沙林沙丘受降雨量，降雨强度以及土壤初始含水量多重因素的影响，降雨量与降雨强度的增加，降雨湿润深度也随之增加。降雨量<5 mm时，湿润深度<5 cm;降雨量10 mm左右时，湿润深度<30 cm;降雨量20 mm左右时湿润深度30—50 cm;降雨量30 mm时，湿润深度>50 cm;降雨量46 mm时湿润深度可达110 cm土层。此外，当降雨量基本相等时，降雨强度与土壤初始含水量对入渗深度及进程有明显影响，即降雨强度越大，土壤初始含水量越高，降雨入渗深度越渗，入渗历时越短。

(3) 柠条锦鸡儿固沙林沙丘10,30,50 cm土层土壤含水量存在3个上升期，90,110 cm土层存在1个上升期，而上升期结束后土壤含水量持续降低，说明降雨对柠条锦鸡儿固沙林沙丘水分状况有补给作用，但是90 cm层以下土壤水分受该地区降雨补给能力有限。