太行低山区荆条土壤水分动态及其对不同降雨量的响应

李 龙，张志华，桑玉强* ，施光耀，贾长荣，张劲松

(1.河南农业大学林学院，郑州 450002；2.中国林业科学研究院林业研究所/国家林业局林木培育重点实验室，北京 100091；3.济源市林业工作站，济源 459000)

土壤水分是生物圈和土壤圈的连接纽带，是影响植被生长发育的基本参量[1]。土壤水分状况在很大程度上决定了植被恢复与重建成功与否[2-3]，长期以来一直受到学术界广泛关注[4-6]。在干旱半干旱地区，降雨是土壤水分的主要补给来源，因此土壤水分受降雨影响强烈[7-9]。近年来，关于植被土壤水分动态研究主要集中在模拟降雨和自然降雨两个方面，其中模拟降雨条件下主要集中在植被冠层的截留作用、土壤入渗与土壤含水量的关系[10-11]、地表径流特征[12]等方面；自然降雨条件下主要集中在不同植被覆盖下土壤水分动态[1-2,4-9,13-15]、不同土壤类型土壤水分变化及其对降雨入渗的影响[16-18]、不同降雨强度与降雨量对土壤水分补给深度影响研究[16]等方面。目前关于土壤水分研究多集中在荒漠草原[1,6-7]、黄土高原[2,4,16]及荒漠化地区[5,8-9]等缺水较为严重的干旱半干旱地区，而对太行低山区的研究相对较少[14-15]，关于土壤水分对不同降雨量的响应也鲜见报道。

太行山是华北平原的生态屏障，其南端紧邻黄河，在贯彻落实黄河流域生态保护和高质量发展国家战略中发挥着重要作用。由于受到人为因素和自然灾害的干扰，太行低山区植被退化、水土流失问题严重[15]。太行山地处半干旱季风气候区，在全球气候变暖、水资源紧缺的背景下，开展太行低山区典型植被土壤水分动态及其对不同降雨量的响应研究，对于调整植被结构及布局、推动太行山生态保护与修复、构建中部生态安全屏障更具现实意义[19]。荆条(Vitexnegundo)为太行低山区乡土灌木，具有根系发达、抗逆性强、生态可塑性高等特性[20]，在保持水土及生态修复等方面发挥重要作用。基于此，以太行低山区常见灌木荆条为研究对象，采用土壤水分自动观测系统对荆条主要生长季土壤水分进行连续观测，同时从气象站获取降雨数据，以期了解荆条土壤水分动态及其对不同降雨量的响应，为太行低山区植被恢复重建、合理利用水资源提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验地位于黄河小浪底国家森林生态系统定位研究站(35°01′45″N，112°28′08″E)，研究区地处于华北地区太行山南麓、黄河中游，是典型的低山丘陵区，海拔400 m左右，属暖温带大陆性季风气候。植被类型以栓皮栎-侧柏人工混交林为主。土壤成分为棕壤和石灰岩风化母质淋溶性褐土，石砾含量10%～18%，土层较浅。全年日照时数为2 368 h，年均气温12.41～4.3 ℃。年均降雨量641.7 mm，年均蒸发量1 611.2 mm。

采用三台长×宽×深=3 m×3 m×3 m规格的悬挂式大型称重式蒸渗仪，整个土箱用作栽培池，利用周围原状土土层结构填土。在距离蒸渗仪土体表面10、20、40、60及80 cm深度土层埋设土壤水分探头，其中10 cm深度在东南西北方位各埋设一个，20 cm及40 cm深度在东南西北中方位各埋设一个，60 cm及80 cm深度在中方位埋设一个。于2015年3月移栽生长状态和冠幅基本一致的荆条，每台蒸渗仪移栽4株，均匀分布在蒸渗仪内。荆条树龄约为8 a。3台蒸渗仪均采取自然状态的处理方式(3个重复)。试验时间为2019年5—10月。

1.2 数据获取

采用RR-7120型土壤水分自动观测系统(北京雨根科技有限公司)进行土壤水分测定，该观测系统由太阳能板供电系统连续供电。土壤水分探头为AV-EC5(美国AVALON公司)，精度±3%。数据采集器为RR-2016(北京雨根科技有限公司)，存储时间间隔30 min。土壤水分由各土层对应数据平均后进行分析。

气象资料的获取依靠附近地面标准气象站，可对降雨量(mm)等气象因子进行连续观测。传感器与CR1000型数据采集器(美国Campbell公司)相连，每10 min输出1组平均值。依据常用分析方法[7]，将时间间隔大于24 h的降雨作为两次降雨事件。根据研究区降雨情况，将降雨事件按降雨量分为0～10.0 mm、10.1～25.0 mm、25.1～50.0 mm及>50.0 mm 4个量级。

使用LAI-2200式冠层测定系统(美国LI-COR公司)对荆条叶面积指数(leaf area index,LAI)进行定期测量。测量选择在日出前、日落后或者在阴天进行。每10 d测定一次，每月测定3次，3次平均得月均值。

1.3 数据处理

采用 Origin 2018 与 SPSS 22 进行数据统计分析与图表绘制。

2 结果与分析

2.1 研究区降雨分布

如图1(a)所示，研究区降雨分布不均，月降雨差别较大，干湿季节明显，表现为8月最多，为208.5 mm，5月最少，为1.1 mm。观测期间总降雨量526.6 mm，5—7月降雨较少，累计雨量139.8 mm，占总雨量的26.5%，而8—10月降雨充沛，累计雨量386.8 mm，占总雨量的73.5%。如图1(b)所示，观测期共发生24次降雨事件，0～10.0 mm、10.1～25.0 mm、25.1～50.0 mm及>50.0 mm的降雨事件分别发生了9次、7次、5次及3次，累计降雨量分别为25.1 mm、102.8 mm、179.9 mm及219.0 mm。0～10.0 mm和10.1～25.0 mm级别的降雨事件频数多达16次，但降雨量少，仅占总降雨量的24.3%。25.1～50.0 mm、>50.0 mm级别降雨频数虽然仅8次，但降雨量占比为75.7%。由此可见，随着降雨量级别的升高，降雨频数逐渐减少，但累计降雨量显著增大，对土壤水分补给效果明显。

图1 研究区观测期间降雨分布Fig.1 Precipitation distribution in the study area during the observation period

2.2 荆条土壤水分时空变化特征

2.2.1 土壤水分时间动态变化

荆条土壤水分日变化表现为明显的两个阶段：前期因降雨较少，荆条生长缓慢，土壤水分变化不大，比较平稳，后期受降雨影响波动较大，呈骤升缓降趋势(图2)。具体表现如下：5—7月，除6月20日、7月24日分别有37.4 mm和34.3 mm的降雨对土壤水分进行有效补给外，其余的零星降雨对土壤水分补给有限，加之荆条对干旱环境具有一定的适应性，生长缓慢，LAI仅为1.9，对土壤水分消耗较少，使得土壤水分变化较为平缓，波动不大。8月份，随着雨季的到来，降雨日增多，降雨强度增大，土壤水分补给明显，其中8月1—7日累计降雨量为180.8 mm，导致土壤含水量骤增，由7月31日的18.96%增加到8月7日的27.64%。8月7日—9月19日，降雨较少，仅有27.7 mm，该阶段为荆条旺盛生长期，LAI为3.8，需消耗大量的水分以满足自身生长需求，因此该阶段土壤水分下降明显，到9月9日土壤水分降至20.28%。9月9—19日共有94.4 mm降雨，10月3—17日共有83.7 mm降雨，土壤水分得到有效补给，之后在荆条蒸腾耗水的作用下呈缓慢下降趋势。

为进一步明晰降雨对荆条土壤水分的影响，分析了荆条土壤水分月际变化与降雨的关系。从图3可以看出，土壤水分与降雨量二者的一致性较好，即降雨量多的月份，土壤水分含量高。具体表现如下：5—7月降雨量总量为139.8 mm，占总降雨量的26.5%，有限的降雨使得该阶段土壤水分保持在较低水平，平均土壤含水量为18.70%；8—10月降雨充沛，累计雨量386.8 mm，占总降雨量的73.5%。充沛的降雨使得该阶段土壤水分保持在较高水平，平均土壤含水量为22.70%。整个生长季节降雨最大出现在8月，降雨量为208.5 mm，使得该月份土壤含水量也最高，为23.94%，降雨最小出现在5月，降雨量为1.1 mm，5月份土壤含水量最低，仅为18.43%。说明土壤水分变化除了与荆条蒸腾耗水有关外，受到降雨影响更明显。同时说明，该地区春夏相交之季，因降雨稀少，存在季节性干旱，可能会对荆条的生长造成一定的抑制。

图2 土壤水分逐日变化与日降雨量Fig.2 Daily variation of soil moisture and precipitation

图3 土壤水分月际变化与降雨Fig.3 Monthly variation of soil moisture and precipitation

2.2.2 土壤水分空间分布

荆条土壤水分在垂直空间上分层现象明显，各月份之间土壤水分变化趋势一致，随土壤深度增加呈反“S”形变化趋势(图4)，即10～20 cm层次增加，20～40 cm层次减少，40～80 cm层次再增加。0～10 cm层次受到降雨补给和土壤蒸发的双重影响，与大气交换过程强烈，波动较大，土壤蒸发明显，土壤含水量较低，平均含水量为19.49%。随着土壤深度的增加，气象因素对土壤蒸发的影响减弱，表现为20 cm层次土壤含水量略有升高，平均含水量为21.45%。40 cm处土壤水分含量最低，仅为18.45%。其可能原因在于该层次荆条根系分布较为集中，水分吸收较多。此外，降雨对该层次的水分补给非常有限，较少的补给，加上大量的水分消耗，使得该层次土壤水分含量最低。40 cm以下，因荆条根系密度减少，水分消耗减少，降雨充沛的季节又可为该层次进行水分补给，使得该层次土壤水分较40 cm处大幅增加，平均土壤水分为22.05%。

图4 土壤水分垂直空间分布Fig.4 Vertical distribution of soil moisture

2.3 荆条土壤水分对不同降雨量的响应

不同降雨量对土壤水分补给深度不同，进而影响植被根系对土壤水分的吸收。现选择0～10.0 mm、10.1～25.0 mm、25.1～50.0 mm及>50.0 mm 4个降雨量级降雨事件，分析不同级别降雨对土壤水分的影响(图5)。0～10.0 mm级别因降雨量很少，仅能对0～10 cm层的土壤水分造成微弱补给[图5(a)]，使10 cm层土壤水分提高了1.4%。10.1～25.0 mm级别降雨可对20 cm层的土壤水分造成补给[图5(b)]，分别使10 cm、20 cm层土壤水分提高了4.4%和1.1%。25.1～50.0 mm级别降雨对土壤水分层次补给较深，可达到60 cm层[图5(c)]，分别使10、20、40与60 cm层土壤水分提高了18.7%、10.4%、5.0%和1.8%，其中10、20 cm层次补给明显，土壤水分含量补给超过10%。>50.0 mm级别降雨可显著提高各层次土壤水分，且各层次土壤水分增幅明显[图5(d)]，分别使10、20、40、60及80 cm层土壤水分提高了19.1%、23.4%、20.6%、16.0%和16.9%，均超过了15.0%。

图5 不同降雨量前后土壤水分空间分布Fig.5 Spatial distribution of soil moisture before and after different precipitation amounts

3 讨论

土壤水分受到土壤类型、降雨、植物蒸腾及土壤蒸发等多重因素的综合影响，其中降雨作为干旱半干旱地区土壤水分的唯一来源，是植被生长过程中主要的限制因子[4]。土壤水分的季节变化主要与降雨季节分布有关[7,21-22]，降雨峰值往往会引起土壤水分峰值的出现[7]。研究发现太行低山区荆条月土壤水分表现为单峰曲线，最大值出现在8月，与降雨量存在正相关关系。其主要原因在于研究区2019年春季降雨很少，不能对土壤水分实现有效补给。8月份降雨量最大，充分的降雨使得土壤水分峰值出现。部分地区土壤水分呈现双峰变化除了受到生长期降雨影响外，还与生长前期的降雪融水有关[1,23]。秋冬季的积雪可对土壤进行增墒保湿，而在生长季前积雪融化导致土壤水分增大，引起土壤水分第一个峰值的出现[24]，进入雨季，土壤水分得到降雨的充分补给，形成土壤水分第二个峰值[1]。黄志刚则发现南方丘陵区7～10月份土壤含水量呈持续下降趋势，其原因在于生长季节虽然有相对充沛的降雨补给，但植被蒸腾和土壤蒸发强度随之增加，导致土壤水分持续处于消耗状态[25]。

土壤水分垂直空间分布受土壤蒸发、植被蒸腾、根系分布及土壤类型的影响会表现出一定的差异性。有研究发现随土壤深度增加，土壤水分呈先增大、后减小、再增大趋势[6,21]。研究结果也显示类似的结论。司梦可等[15]却发现随土壤深度增加，荆条土壤水分不断减少，可能与根系垂直空间分布有关，荆条根系延伸到土层深部，消耗深层土壤水分，对100～150 cm层土壤水分利用较多。赵娜等[26]发现荆条在生长季主要利用0～30 cm层土壤水分，该层次土壤水分变化较大，与研究结果较为一致；邓文平等[27]则认为荆条具有灵活的水分利用模式，对不同深度的土壤水分都有吸收利用，但0～10 cm层土壤水分仍然是其根系吸水主要来源。这与荆条灌丛大小、根系分布有直接关系。

降雨对土壤水分的补给与降雨量大小、降雨强度、土壤类型、初始土壤水分等环境因素有密切关系，其中降雨量大小是影响土壤水分补给深度的决定性因素[25]。在乌兰布和沙漠区，降雨量以小于20.0 mm为主，对20 cm以下土层土壤水分补给有限，会导致20 cm以下土壤水分逐渐恶化[9]。藏北高寒草原区，大于10.0 mm和20.0 mm的降雨量可明显增加20～30 cm层和40 cm层土壤水分[1]。在毛乌素沙地，降雨量20.0 mm左右时对柠条锦鸡儿土壤水分湿润深度为30～50 cm[5]，小于45.2 mm的降雨对樟子松固沙林150 cm以下土层无明显补给作用，大于53.8 mm的降雨对200 cm层土壤水分有补给作用[8]。研究结果发现0～10.0 mm、10.1～25.0 mm、25.1～50.0 mm及>50.0 mm级别降雨量对荆条土壤水分的补给深度分别为10、20、60及80 cm土层，与乌兰布和沙漠区和藏北高寒草原区较为接近，但与毛乌素沙地差异较大。其可能原因在于毛乌素沙地土壤为沙土，空隙多，质地疏松，透水性、透气性好，导致降雨的渗透率相对较高[6,28]。整体上，降雨量相同时，对毛乌素沙地土壤水分的补给深度大于太行低丘区、藏北高寒草原区和乌兰布和沙漠区。

4 结论

基于研究区2019年5—10月荆条土壤水分数据，结合降雨数据，对太行低山区典型灌木荆条的土壤水分时空动态变化特征及其对不同降雨量的响应进行了分析，得出以下结论。

(1)观测期间，研究区总降雨量为526.6 mm。降雨季节分布不均，其中5—7月降雨较少(占比26.5%)，8—10月降雨较多(占比73.5%)。研究期间共出现24次降雨事件，其中降雨量在0～25.0 mm的降雨事件共16次，但累计雨量仅占总雨量的24.3%，降雨量在25.1～85.0 mm的降雨事件共8次，累计雨量占总雨量的75.7%。

(2)日尺度上，土壤水分在降雨前期变化平缓，在降雨季节呈骤升缓降的特点。月尺度上，土壤水分动态与月降雨分布之间具有较好的一致性。土壤水分垂直空间分布呈反“S”形，即土壤含水量随土壤深度增加呈先增加(10～20 cm层)、后减少(20～40 cm层)、再增加(40～80 cm层)的趋势。

(3)降雨量是降雨补给深度的决定因素。0～10.0 mm、10.1～25.0 mm、25.1～50.0 mm与>50.0 mm级别降雨量对太行低山区荆条土壤水分补给深度分别为10、20、60与80 cm层。