毛乌素沙地裸地与植被覆盖下非冻结期土壤水分时空分布特征

高 佳，王文科，赵 明，马稚桐，侯昕悦，李婉歆

（1.长安大学水利与环境学院，陕西 西安 710054；2.旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安 710054）

土壤水分是干旱地区植物生存生长和分布的主要限制因素，也是制约沙地生态系统水分循环和植被恢复的关键因子[1-3]，影响着地下水-土壤-植被-大气连续系统中能量、水分和物质的循环演化过程[4-5]。由于气象、土壤、地貌、植被等因素在时空尺度上的多变性，土壤水分呈现出不同的时空变化特征[6]。充分认识沙地土壤水分的时空变异特征及分布规律，对提高模拟与预报水文过程的准确度、深入理解沙地生态系统的结构及其稳定性具有重要意义[5]。

目前，许多学者对沙地土壤水分的时间及空间变化进行了相关研究[7-10]。诸多研究表明，沙地土壤水分随时间的变化主要受到不同季节降水量分布的影响[7]，根据季节动态变化可大致划分为春季水分积累期、夏季水分消耗期与秋季水分稳定期[8-9]。此外，陈洪松等[11]、殷地迟等[12]的研究表明，植被覆盖是引起土壤剖面含水量差异的重要因素。一般认为，植被覆盖最少的流动沙丘土壤含水量最高，半流动沙丘次之，植被覆盖最多的固定沙丘含水量最低[13-14]。旱区沙地生态系统中的植被生长会消耗大量深层土壤水，使得土壤水分严重短缺，最终导致植物群落退化甚至消亡[15]，阻碍了当地的植被重建和生态恢复。纵观已有研究，关于毛乌素沙地土壤水分时空变化的探讨大多围绕降水[7，16]、沙丘不同类型[17-18]及不同部位[19-21]等因素，尤其关注沙地浅层土壤水分在水平空间上的差异[22]。而对于裸地与植被覆盖下，垂向上土壤含水量时空变化的对比研究及其影响因素探讨较少，对于大气、植被、土壤水和地下水之间的相互作用的研究更是不足。

基于此，本文通过土壤水分原位监测试验，应用经典统计学、聚类分析等方法，对比分析了毛乌素沙地浅水位埋深情况下裸土与植被覆盖土壤剖面的水分分布模式以及时空变化特征，并探讨了植被不同生长阶段对剖面土壤水及地下水分布的影响，本研究可为半干旱沙漠植被恢复区的物种选择、土壤水分利用和水资源管理提供支撑。

1 研究区概况

试验区位于内蒙古乌审旗，地处毛乌素沙地中南部（图1），该区多年平均气温5.6 °C，年日照时数2 600 h，年均蒸发量为2 109.2 mm，多年平均降水量386.1 mm。年内降雨主要集中在7—9月，约占全年总降水量的67.2%。2016年属于平水年，年内降水总量为361.8 mm，观测期内降水总量为357.1 mm。研究区内沙丘与丘间洼地相间分布，沙地土壤以风积沙为主。风积沙质地均一，渗透能力强，土壤持水率弱。田间持水量为6.85%，凋萎系数为0.7%，丘间洼地地下水平均埋深为0.4～3 m，毛细上升高度可达50～60 cm。研究区的植被类型为草本，灌丛，灌木等。沙柳是多年生深根灌木，生长在沙丘或丘间洼地，是毛乌素沙地重要的固沙植物，在沙区植被的复建过程中具有极其重要的地位。

图1 研究区范围及原位监测点位置Fig.1 Scope of the study area and location of the in-situ monitoring point

2 研究方法与数据获取

2.1 试验设置及土壤水分测定

原位监测站点位于乌审旗河南乡的国家气象站内，布设了2 个底部和壁面密封的蒸渗仪。蒸渗仪直径200 cm，深度420 cm，均回填了当地天然均匀的风积沙。其中1 个蒸渗仪中于2015年种植了1 株沙柳幼苗，另1 个蒸渗仪中为裸土。实验室测得2 个蒸渗仪中不同深度土壤的平均物理参数见表1。此外，分别测得裸土饱和含水率为31.0%，沙柳地土壤饱和含水率为30.6%。2 个蒸渗仪中均布设了含水率探头（5 TM，1%～2%）和地下水水位监测的液位计（Diver，±0.05%）。在进行观测试验前已对所有仪器进行校正以保证其监测结果的准确性。裸地剖面的含水率探头布设在地表以下3，10，20，30，50，80，150，170，190，210 cm 处，沙柳地剖面的含水率探头布设在3，10，20，30，50，80，150，250，350 cm 处。各个观测仪器存储数据频率均为每5 min 1 次。观测时间为2016年5—11月，当地土壤的冻结期为12月至次年4月。裸地与沙柳地的初始地下水水位分别为204，225 cm。

表1 均质风积沙的物理参数Table 1 Physical parameters of the homogeneous aeolian sand measured in the laboratory

2.2 数据分析

利用Kriging 法对相邻观测数据进行插值，确定了0～350 cm 剖面10 cm 间距任意给定位置的土壤含水率。

2.2.1 经典统计学分析

变异系数CV可以表明含水率的离散程度，计算公式为：

式中：S—含水率标准差；

x—土层含水率均值。

当CV＜10%时为弱变异，当10%≤CV≤100%时为中等变异，CV＞100%时为强变异[23]。

2.2.2 聚类分析

本研究以不同土层土壤含水率为基础，采用层次聚类分析法（Hierarchical Clustering Analysis, HCA）根据含水率的相似性对土壤垂直剖面进行分层。样本之间的距离为欧式距离，裸地与沙柳地的欧式距离均选为10。

3 结果与分析

3.1 土壤水分空间变化特征

土壤平均含水率随深度的变化见图2。裸地与沙柳地2 种情况下，土壤平均含水率均随着深度的增加而增大。由于植物遮荫作用，沙柳地土壤表层（＜5 cm）含水率略大于裸地表层含水率，但其余土层沙柳地含水率均显著小于裸地。为了更好地分析土壤垂直剖面水分动态，采用层次聚类分析法将裸地与沙柳地剖面进行分层，见图3。欧式距离为10 时，裸地与沙柳地均被分为3 层，裸地的浅层为0～80 cm，中层为80～170 cm, 深层为170～350 cm；沙柳地的浅层为0～150 cm，中层为150～250 cm，深层为250～350 cm。

图2 裸地与沙柳地土壤平均含水率垂直分布图Fig.2 Vertical distribution of the average soil moisture content of the bare land and Salix land

图3 土壤含水率层次聚类分析的谱系图Fig.3 Pedigree diagram of soil moisture content by hierarchical clustering analysis

裸地情况下土壤0～350 cm 剖面平均含水率为23.59%，浅层、中层及深层平均含水率分别为11.65%、19.97%、30.71%（表2）。浅层土壤含水率较低，且随深度增加增长较慢（图2）；中层土壤含水率从14.11%快速增长至27.05%；深层土壤含水率均较高，其中210 cm以下土层在整个监测期内均位于地下水水位之下，含水率达到饱和（31.00%）。沙柳地情况下土壤0～350 cm剖面平均含水率为17.74%，浅层、中层及深层平均含水率分别为10.55%、18.43%、27.82%（表2）。浅层土壤含水率增长相较于裸地更缓慢；150 cm 之下的中层土壤含水率大幅度增加，在250 cm 处已达到22.01%；深层土壤含水率在地下水的支撑下处于较高水平，直到350 cm 处才达到饱和。

从含水率极值可以看出，裸地中大部分土层的平均含水率在月尺度上变幅较小，不超过5.0%，210 cm及以下土层变幅为0；在沙柳地中，绝大部分土层的含水率变幅显著大于裸地，大部分中层土壤含水率在月尺度上的变化范围超过15%。2 种情况下土壤剖面中的含水率变幅均表现为中层处变幅最大，而浅层与深层的变幅比中层小，这与剖面各层变异系数的变化一致。如表2 所示，裸地与沙柳地剖面平均含水率的变异系数分别为4.24%、15.61%，分别处于弱变异与中等变异。裸地情况下浅层、中层及深层含水率变异系数分别为弱变异（9.01%）、中等变异（18.88%）、弱变异（0.68%），且变异程度中层＞浅层＞深层；沙柳地情况下各层含水率均处于中等变异，变异系数分别为11.47%、34.51%、11.79%，变异程度中层＞深层＞浅层。

表2 裸地和沙柳地不同土层土壤含水率和变异系数Table 2 Soil moisture content and coefficient of variationin different soil layers in the bare land and Salix land

3.2 土壤水分时间变化特征

裸地土壤水分随时间的变化主要受到大气条件的影响。如图4 所示，浅层含水率受大气影响波动明显，降雨会导致浅层含水率迅速升高，蒸发使其逐渐降低，因此本文定义该层为气候影响层。观测期间，层内含水率在11%左右波动，并在8月中旬强降雨后达到峰值16%；中层土壤含水率受大气影响较小，本文定义该层为过渡层，层内含水率大部分时间较为稳定，但在8月中旬受大量降雨影响含水率从16.8%迅速抬升至24.1%；深层土壤含水率受地下水的影响，长期处于饱和或近饱和状态，因此定义深层为地下水影响层，该层含水率在观测期间几乎不发生变化，仅在8月中旬从30.5%上升至饱和含水率31.0%。裸地剖面地下水水位总体呈上升趋势，从204 cm 上升至174 cm，其变化与中层含水率变化相似，在5—7月、9—11月水位波动不大，仅在8月中旬出现较大抬升。

图4 土壤浅层、中层及深层含水率与地下水水位随时间变化Fig.4 Changes in water content of the shallow, middle and deep soil layers and groundwater levels with time

以裸地为参照，可将沙柳地土壤剖面的浅层、中层与深层同样命名为气候影响层、过渡层与地下水影响层，但由于沙柳地土壤水分还受到植物耗水的重要影响，因此各层土壤的含水率大小及分布模式均发生了较大变异。沙柳地气候影响层土壤含水率变化与裸地类似，在大气条件影响下于10%上下波动。而过渡层和地下水影响层的含水率变化与裸地相反，5—11月总体呈下降趋势。其中，5—6月过渡层与地下水影响层含水率基本保持稳定。7月开始进入夏季，随着气温的上升，沙柳发育成熟，并且7月18日—8月11日为近1 个月的干旱期，导致土壤含水率快速降低。受到8月12—20日的大量降雨影响，过渡层含水率出现短暂上升，但在降雨结束后含水率迅速回落。10月下旬，过渡层含水率已降至9.2%，地下水影响层含水率降至20.3%。11月后沙柳进入休眠状态，在此期间，降雨量和需水量几乎为0，各层含水率基本不变。沙柳地中的地下水水位在观测期内共下降了124 cm。7月之前波动较小；7月初至8月中，地下水水位下降较快；8月中旬强降雨后，地下水水位下降速率明显减缓；11月之后，水位基本稳定于349 cm。

3.3 植被影响下的土壤水分分布

由图2 与图4 可知，裸地与植被覆盖情况下土壤剖面含水率差异明显，由于本试验中2 种情况下的土壤性质相同，初始地下水水位相近，且受到同样的大气条件影响，因此，可近似地认为2 种情况下剖面含水率的差异是由植被引起的。即裸地与沙柳地在各土层上的土壤水分差量 Δθ可体现出植被对各土层土壤水分的影响情况。5—11月各层土壤总平均 Δθ随深度的分布如图5（散点）所示，其分布近似呈高斯分布，对散点进行曲线拟合，拟合函数为：

图5 裸地与沙柳地土壤水分差量随深度变化Fig.5 Variation of difference in soil moisture between the bare land and Salix land with depth

其中，x为深度；f(x)为土壤水分差量Δθ。参数μ决定了曲线的位置，μ越大，Δθ峰值出现的深度越深。参数σ决定了曲线的形态，σ越大，曲线越扁平，σ越小，曲线越尖陡。相应地，在Δθ-埋深分布曲线中，σ越大，植被对剖面水分的主要影响区域越分散，σ越小，植被对剖面水分的主要影响区域越集中；A决定了曲线的变化幅度，其值等于f(x)的最大值，此处即为Δθ的最大值。

拟合结果见图5，A、μ、σ参数值分别为0.126 7，191.5，63.72，可以看出，Δθ分布与高斯曲线总体拟合程度良好，R2达到0.966 1。沙柳对土壤水分的影响程度随深度的增加呈现出先增大后减小的变化规律，在过渡层的191.5 cm 处达到峰值，该深度处沙柳地土层平均含水率比裸地低了12.67%。含水率在0～100 cm、280～350 cm 深度土层处受到沙柳耗水的影响较小，Δθ小于5%，分别位于气候影响层与地下水影响层内；在150～240 cm 土层处受到的影响最大，Δθ超过了10%，均位于过渡层内。气候影响层（0～150 cm）、过渡层（150～250 cm）及地下水影响层（250～350 cm）土壤水分差量分别占剖面总差量的25.81%、56.77%、17.42%。由此可见，沙柳生长对气候影响层与地下水影响层土壤水分的影响相对较小，对过渡层土壤水分的影响最大。

4 讨论

4.1 土壤水分垂直分布模式

土壤剖面不同土层的土壤水分表现出不同的水文过程和生态功能[24]，在裸地及植被存在情况下呈现出不同的分布模式及变化特征。气候影响层是蒸发和降雨等大气因子影响强烈的区域[12]，层内土壤水分受到旱区干燥少雨气候的影响而损失严重，长期处于较低水平。沙柳地情况下，沙柳根系长期吸收该层内的土壤水并拦截降雨入渗水分，由此加剧了层内土壤水分的损失，使得0～150 cm 剖面含水率均处于较低水平（图2）。

随着深度的增加，大气条件的影响逐渐减弱，植物根系与地下水的影响逐渐增强，过渡层土壤是浅层与深层土壤水分交替供应的区域[25]，该层的特点是土壤平均含水率变幅最大（图2），变异性最高（表2），裸地与沙柳地土壤水分的差异性在该层也最为明显（图5），是沙柳对土壤水分含量影响最大的区域。地下水影响层是土壤贮水层，起到“土壤水库”的作用[26]，该层土壤均位于地下水或其毛细上升带内，层内水分含量较高，且基本不会受到大气条件的直接影响，但当上层土壤水短缺时，地下水会通过毛细作用向上运移补给，而当雨季上层土壤水饱和时，多余的水分通过重力作用入渗至该层[25]。裸地情况下，地下水影响层的含水率长期保持稳定状态，而沙柳地情况下该层内的饱和含水层在沙柳深根吸水作用下逐渐向非饱和含水层转化，含水率逐渐降低，即便如此，该层内的含水率也显著大于其余土层。

4.2 植被对土壤水分时空变化的影响

Dardanelli 等[27]指出，植物根系在土壤剖面不同深度上对水分的吸收是不均匀的。本次研究发现，植被对水分的利用改变了0～350 cm 土壤剖面水分的分布状况，显著地降低了土壤水分含量，但在不同深度上对土壤水分的影响程度有所不同。在5—11月的完整生长期内，沙柳对垂向剖面上各土层平均含水率的影响近似呈高斯分布（图5），过渡层中土壤水分受到的影响最大，气候影响层次之，地下水影响层受到的影响最小。

为进一步阐明植物处于不同生长阶段时裸地与沙柳地的土壤水分差异，分别计算观测期内沙柳的发芽期（5—6月中旬）、生长期（6月中旬至7月下旬）、成熟期（8月）、枯萎期（9—10月）与休眠期（11月）间的土壤水分差量，各阶段Δθ分布见图6，气候影响层、过渡层与地下水影响层的土壤水分差量占剖面总差量的比例见表3。与5—11月总平均Δθ分布（图5）类似，各个时期的Δθ均随深度呈先增加后减小的单峰变化，且峰值均出现在过渡层。可以看出，植物不同的生长阶段对土壤水分变化的影响不尽相同，表明植物对土壤水和地下水的吸收是适时调整的[27]。发芽期和生长期沙柳对剖面土壤水分的影响较小，且影响主要存在于气候影响层与过渡层，这是由于发芽期和生长期时沙柳的需水量较少且根系发育较浅，主要吸收包气带水分以满足自身需求；此后的成熟期、枯萎期及休眠期，剖面各层土壤水分受到的影响程度逐渐增大，但相对于整体影响而言各层所受到的相对影响程度（即Δθ占比）变化趋势有所不同，气候影响层Δθ占比逐渐减小，地下水影响层Δθ占比逐渐增大，而在沙柳生长的任一时期，过渡层的Δθ占比均超过50%。也就是说，植被对土壤剖面水分的影响主要集中在过渡层，对气候影响层与地下水影响层的影响程度是随着沙柳的发育进程而逐渐转变的。以上结果意味着，沙柳在土壤剖面150～250 cm 处发育有大量深根，到250～350 cm 甚至更深处的土层中深根仍然存在，当浅层包气带水分不能满足沙柳的生长需求时，沙柳深根开始吸收深层土壤水和地下水以改善干旱环境中的水分胁迫[28]。刘深思等[29]对沙柳的研究结果也表明，沙柳主根伸展的深度达到了地表以下500 cm，其生理功能的维持不仅依赖浅层土壤水，还依赖地下水。该发现可为研究干旱地区深根植物的适应机制及建立土壤-植物-大气连续体（SPAC）系统中植物根系吸水模型提供参考。

图6 沙柳不同生长阶段裸地与沙柳地的土壤水分差量Fig.6 Variation of difference in soil moisture between the bare land and the Salix land in different growth stages of Salix

表3 沙柳不同生长阶段各土层的土壤水分差量占比Table 3 Δθ proportions of each soil layer at different growth stages of Salix/%

4.3 旱区植被耗水效应

土壤水和地下水是干旱、半干旱地区许多植物生长和蒸腾的主要水源[30]，研究表明，在干旱区的大多数植物，特别是灌木，发育深根，吸收大量深层土壤水与地下水，导致旱区土壤水分状况不断恶化。本研究通过长期原位监测裸地与沙柳地土壤剖面含水率，发现沙柳生长同时消耗了大量土壤水与地下水，造成了土壤剖面水分严重缺失，地下水水位大幅度下降。Wang等[31]和Cao 等[32]发现植被恢复后，土壤的浅层和深层都变得极为干燥。因此，虽然植被恢复有效地缓解了旱区沙地的水土流失及土壤侵蚀等问题[33]，但在有限的土壤水分和更广泛的植被覆盖所产生的水分需求之间存在着不相容性[34]。在毛乌素沙地目前的气象条件下，大规模种植沙柳等耗水性灌木不仅会减少甚至断绝外界水分对地下水的补给[35]，在地下水埋深较浅的丘间洼地还会直接导致地下水水位下降，加剧了干旱地区地下水资源的耗竭。故在植被恢复过程中，应在合适的土壤及地下水水位条件下种植沙柳等深根耗水性植物，并保持一定的间距，在减少植物对地下水消耗的同时尽可能使降雨入渗的水分更多地补充到深层土壤[36]，促进旱区生态系统恢复的良性发展。

5 结论

（1）裸地与植被地剖面的土壤水分具有不同的分布模式，以裸地为参照，垂向上根据土壤含水率变化的主要影响因素将剖面分为3 层：气候影响层、过渡层与地下水影响层。裸地情况下各层分别位于地表以下0～80 cm、80～170 cm 及170～350 cm 深度，植被地情况下分别位于0～150 cm、150～250 cm 及250～350 cm 深度。2 种情况下平均含水率均随土壤深度的增加而增大，变异性在过渡层达到最高，但各层含水率大小及变化趋势差异明显。

（2）2016年观测期间，裸地土壤含水率及地下水水位总体呈上升趋势，在8月中旬降雨量大时上升明显，在其余降雨量小的月份比较稳定；观测期间剖面平均含水率为23.59%，CV值为4.24%，处于弱变异。植被地土壤含水率及地下水水位呈下降趋势，在5—7月植物萌芽生长期耗水较少，8月发育成熟后耗水量大，11月后休眠期内保持稳定；剖面平均含水率为17.74%，CV值为15.61%，处于中等变异。与裸地相比，植物根系吸收水分，使得0～350 cm 剖面的土壤含水率降低，土壤水分的变异性增大。

（3）植被引起的土壤水分差量Δθ在垂向上的变化近似呈高斯分布，约在190 cm 土层处达到峰值，气候影响层、过渡层及地下水影响层的水分差量分别占剖面总差量的25.81%、56.77%、17.42%。随着植物生长，气候影响层含水率受到的相对影响逐渐减小，地下水影响层含水率受到的相对影响逐渐增大，在沙柳各个生长阶段，过渡层Δθ占比均达50%以上，表明植物对过渡层土壤水分的影响最大。