高寒沙地典型人工林土壤水分動態及其對降雨的響應

楊凱悅，賈志清, ，李清雪，何凌仙子，戴捷，陳娟

1. 中國林業科學研究院荒漠化研究所，北京 100091；2. 青海共和荒漠生態系統定位觀測研究站，青海 共和 813005

土壤水是地表水、地下水、大氣水之間相互轉化的紐帶，在水資源形成、轉化及消耗過程中起著重要作用，也是影響植被建設的首要因素（Simmons et al.，2008，徐慶等，2011）。降雨量是影響土壤水分入滲補給深度的關鍵因素，但由于地理環境、土壤質地等差異，在不同地區土壤水分對于降雨的響應關系明顯不同。研究表明，要使同一深度的土壤達到水分補給，干旱半干旱地區的降雨量要顯著高于相對濕潤地區（Jia et al.，2015，Yao et al.，2013）。在沙區，降雨入滲是土壤水分主要的補給來源（Yang et al.，2014），沙土中水分含量及其動態變化對土地沙漠化的發生和逆轉過程具有非常顯著的作用，是土地沙漠化的主要調控者（Berndtsson et al.，1994）。小雨只能對表層土壤進行水分補給，大雨才能夠使水分滲透表層土壤補給深層土壤（Yang et al.，2014），而且隨著土層深度的增加，土壤水分對降雨的響應逐漸減弱（茹豪等，2014），但即便是年降雨量達到450 mm時，降雨對地下水的補給作用也極其微弱（李東方等，2013）。目前針對土壤水分對降雨的響應研究主要集中在黃土高原和各大沙區等干旱半干旱地區，對于高寒沙地區域內土壤水分對降雨的響應的研究還未涉及，對于不同生長階段的人工林之間的比較仍未見報道。

高寒沙區作為中國青藏高原地區重要的生態系統組成部分，其特殊的地理位置和生態環境條件，使得該區域水分供需矛盾突出，降雨量與土壤水分之間的響應關系成為亟須明確的科學問題。因此，以高寒沙區不同生長階段的中間錦雞兒（Caragana intermedia）人工林為研究對象，分析其在不同深度的土壤水分動態變化特征，探討不同深度土壤水分對不同降雨量的響應過程，深入了解高寒沙區植物與降雨關系，為高寒沙區的植被恢復與合理配置提供科學依據。

1 研究區概況

共和盆地位于青藏高原東北部祁連山與昆侖山的過渡帶，研究區位于共和盆地青海共和荒漠生態系統定位研究站內（99°45′－100°30′E，36°03′－36°40′N），屬高原高寒沙化土地類型區，是高原溫帶半干旱草原和干旱荒漠草原的過渡帶，海拔2871 m，年均氣溫2.4 ℃，年均降水量246.3 mm，年均蒸發量1716.7 mm，全年大風日數平均50.6 d，最多可達97 d，風向主要為西、西北風，年均風速2.7 m·s-1，最大風速可達40 m·s-1，年均無霜期日數為91 d（Jia et al.，2012）。在共和盆地沙區植被恢復區，中間錦雞兒、檸條錦雞兒（Caragana korshinskii）、沙蒿（Artemisia desertorum）、沙柳（Salix cheilophila）等都是重要的防風固沙植物，中間錦雞兒作為最重要固沙植被之一，得到大面積種植。中間錦雞兒為豆科錦雞兒屬多年生灌木，由于其根系發達、具根瘤、耐旱抗寒、耐風蝕沙埋等特性（趙一之，2005），以及具有改良土壤、固氮等生態功能（Jia et al.，2012），在西北干旱區防沙固沙和植被恢復中被廣泛應用（Fang et al.，2013，Guo et al.，2010，Li et al.，2014，周萌，2016）。

圖1 樣地位置示意圖Fig. 1 Location map of study sites

表1 中間錦雞兒人工林樣地點特征Table 1 Features of Caragana intermedia plantation in the plots

2 研究方法

2.1 樣地選取

在共和盆地植被恢復區內，選取長勢良好的 4個不同生長階段（3、5、16、30 a）中間錦雞兒人工林，2015年5月在每個林齡內分別設置1個30 m×30 m的樣地。每個樣地選取3個1 m×1 m樣方，每個樣方內隨機選取1叢記錄株高、地徑等信息。樣地位置、樣地特征如下圖1、表1。

2.2 數據獲取

利用 ECH2O土壤含水量監測系統（美國METER公司）對土壤水分進行連續監測。用手持式 GPS（Garmin）記錄坐標點。ECH2O 土壤含水量監測系統通過測量土壤的介電常數來計算土壤體積含水量（VWC），測量范圍為0－100%，測量精度在±3%以內。在每個樣方中分別挖取深度為150 cm的土壤剖面，從上到下按照10、20、30、40、60、90、120、150 cm，一共8個深度，分別安裝5TM土壤水分傳感器。利用EM50數據采集器每隔20 min連續記錄監測土壤體積含水量。利用 Dynamet-1k科研級自動氣象站采集降雨量信息，毎30 min記錄1次數據。在對土壤水分對降雨時間的響應過程的研究中，土壤水分的測定方法為雨后1 h內，每隔20 min測定并記錄1次土壤水分，雨后1 h之后，以1 h為間隔進行記錄和分析，進而探討不同級別降雨后土壤水分的變化過程。本研究采用2016年9月－2017年9月的土壤水分及降雨量數據，分析不同林齡土壤水分對不同降雨量的響應狀況。

2.3 數據處理與統計分析

根據EM-50采集的土壤水分數據，計算各層土壤的蓄水量：

式中，Wi為土層蓄水量（mm）；θi第i個探頭監測的土壤體積含水量；Di為土層厚度（mm）；W為總蓄水量。

土壤容重的測定采用烘干稱重法。將裝有土樣的環刀（用A代表體積，100 cm3）于105 ℃左右烘干24 h至恒重后稱重（W1）；將土壤樣品棄去，稱重（W2）；土壤容重（ρb）按下式計算：

土壤孔隙度的測定采用稱重法。將裝有土樣的環刀底部墊上濾紙加蓋，放入水中12 h，稱重（W1）；105 ℃左右烘干，環刀+土樣稱重（W2）；棄去土樣，稱取環刀重（W5），土壤孔隙度（p）按下式計算：

根據以往對于降雨事件的分析方法，降雨時間間隔大于24 h便可作為兩次獨立的降雨事件。根據降雨量的大小，將降雨量劃分為 0.1－2（Ⅰ）、2.1－5（Ⅱ）、5.1－10（Ⅲ）、10.1－18 mm（Ⅳ）及＞18 mm（Ⅳ）共5個量級（常昌明等，2016）。

運用Microsoft Excel 2010進行處理數據，采用SPSS 20.0中的Frank Wilcoxon符號秩檢驗對土壤水分最值的差異性進行檢驗，采用Pearson相關系數對降雨量和土壤水分進行相關性檢驗，運用Origin 9.0制圖。

3 結果與分析

3.1 降雨事件特征

研究區內 2008－2017年（部分缺失）的降雨事件統計結果表明，Ⅰ－Ⅳ級降雨隨著降雨級別的增加，降雨次數逐漸減小，貢獻率逐漸升高。從降雨事件上看，Ⅰ級降雨次數占總降雨事件的51.87%，降雨量占總量的8.78%；Ⅳ級降雨一共出現52次，占總降雨事件的9.7%，降雨量貢獻率為32.19%。研究區內的降雨事件以小雨為主，發生大雨的幾率較小；在降雨量上，以Ⅳ級降雨的貢獻最大。2016年9月－2017年9月期間（圖1），共發生降雨事件59起，總降水量為207.2 mm。最大降雨量為18.3 mm，為Ⅴ級降雨事件，只發生過1次，最小降雨量為0.2 mm。各量級降雨特征見表2。

表2 2008年9月－2017年9月各量級降雨特征表Table 2 Rainfall characteristics at various levels from September 2008 to September 2017

圖2為試驗區2016年9月－2017年9月的降雨量動態變化圖。從降雨量的時間分布上看，11－1月之間，幾乎未發生降雨，從2月出現降雨，降雨量開始隨著時間推移，至8月達到月降雨量的峰值，降雨量開始降低。

圖2 2016年9月－2017年9月降水動態分布圖Fig. 2 Dynamic distribution of rainfall from September 2016 to September 2017

表3 不同生長階段人工林不同深度土壤孔隙度Table 3 Soil porosity at different depths of plantation at different stages of growth

表4 不同生長階段人工林不同深度土壤容重Table 4 Soil bulk density at different depths of plantation at different stages of growth

3.2 不同生長階段人工林土壤水分的統計特征

不同生長階段的土壤物理性質如表3、表4所示。隨著土層深度的增加，3、5、16 a林分土壤孔隙度呈先增加后減小的趨勢，30 a林分呈現先減小后增加的趨勢；3、16、30 a林分土壤容重呈現增加－減?。黾拥淖兓厔?，5 a土壤容重則呈現先減?。黾樱瓬p小的似“S”形變化趨勢。

表5為試驗期內不同林齡林分不同深度土壤水分的變化峰值（平均值±標準誤差），檢驗結果表明，土壤水分含量的最大值和最小值之間具有顯著性差異，不同林齡林分土壤水分之間也具有顯著差異（P＜0.05）。這也說明，試驗期間201.6 mm的累計降雨量以及林齡均對0－150 cm的土壤水分含量產生了顯著影響。

表5 試驗期間土壤水分的變化峰值Table 5 Change peak value of soil water in the plot

圖3為4個不同林齡不同深度的土壤蓄水量動態變化圖。不同林齡的蓄水量隨著時間變化呈現明顯的規律性。土壤水分動態變化可劃分為土壤水分消耗期、土壤水分積累期和穩定期3個時期。土壤水分的積累期為2－4月以及7－8月，期間的5－6月為土壤水分的穩定期。從2月開始出現降雨，土壤水分開始積累；5月該地區氣溫明顯回升，植被開始復蘇，根系活動加強，積累的土壤水分被大量消耗。因此，在穩定期內降雨量雖然逐漸增加，但土壤水分并未明顯升高。土壤水分的消耗期為9月至次年1月，由于高寒沙區獨特的地理環境，秋冬季節風沙加大，蒸散作用強烈，9月和10月降雨量與3、4月大致相同，土壤水分卻呈現降低趨勢。

由圖3可知，不同林分土壤蓄水量隨著林齡的增加，土壤蓄水量整體上遵循“增大－減小－增大”的變化趨勢，30 a人工林的蓄水量最大，3 a最小。由圖4可知，隨著深度的增加，土壤蓄水量呈現先減小后增大的規律。在0－30 cm深度中，3 a林分土壤蓄水量比 5、16、30 a分別多消耗了 51.12、27.62、57.76 mm；40 cm深度中，3 a林分與其他林齡林分的土壤水分消耗差值為-1.48、-9.28、2.30 mm；40－150 cm 深度中，此差值分別為 14.92、-15.29、3.68 mm，總體的土壤水分消耗差距較小。當土壤深度在60－150 cm之間時，隨著深度的增加，土壤蓄水量增加量也逐漸增加，增加的均值呈先增加后減小，在16 a和30 a人工林中開始減小。3 a林分的土壤水分消耗主要來源于0－30 cm的表層土壤水分，而5、16、30 a人工林對土壤水分的消耗主要來源于0－40 cm。

圖3 不同生長階段人工林土壤蓄水量動態變化圖Fig. 3 Dynamic change of soil water storage at different growth stages of plantation

圖4 不同生長階段人工林不同深度的土壤蓄水量Fig. 4 Soil water storage of different depths at different growth stages

3.3 不同生長階段人工林土壤水分對不同降雨量的響應

不同林齡和不同深度土壤水分與降雨之間的相關性如表6所示，降雨量對所有林齡的表層土壤水分均有顯著影響，對深層土壤的影響較小。

表6 不同林齡和不同深度土壤水分與降雨之間的相關系數Table 6 Correlation coefficient between soil moisture and rainfall at different forest ages and depths

在高寒沙區內，由于其生境的特殊性，降雨成為人工林的土壤水分的主要來源，闡明不同林齡土壤水分的變化對降雨量的響應規律，對于人工林的經營和管理都具有重要意義。根據不同降雨量的量級劃分，試驗區內降雨量小于2 mm的降雨事件占總降雨事件的48.21%，該降雨事件僅能影響表層土壤水分，因此本研究不予分析。在余下的降雨事件中，每個量級中選取1個前后無明顯降雨的單場降雨事件，分別分析不同降雨量對不同林齡林分土壤水分的影響機制。篩選的降雨事件日期分別為7月8日（4.6 mm）、6月8日（6.9 mm）、8月6日（12.2 mm）和8月19日（18.3 mm）。由于土壤水分對于Ⅲ級和Ⅳ級降雨的響應模式相同，因此，本研究僅對Ⅲ級降雨事件（6.9 mm）的響應狀況進行了舉例分析。

圖5為不同林齡土壤水分對Ⅱ級降雨的響應。整個降雨事件陸續進行 9 h（10：00－19：00），降雨量先增加后減小，2－4 h內降雨量最大。在本次降雨中，只有0－20 cm深度的土壤水分明顯增加，3、5、16 a林分10 cm深度土壤水分從降雨開始1 h后產生波動，2 h時明顯增加，此時降雨量為2.0 mm；而30 a林分在此土層的水分變化則推遲了1 h；所有林分的土壤水分均在6－9 h降雨逐漸停止時開始降低。整個降雨過程中，4個人工林在10 cm深度的土壤水分含量分別升高了0.55%、0.80%、0.44%、0.33%；20 cm的土壤水分變化時間幾乎是同步的，均在 12 h達到峰值，土壤水分含量分別增加了0.25%、0.10%、0.10%、0.09%；在30 cm深度的土壤水分沒有明顯的增加，在24 h時，都出現了明顯的下降現象?？梢?，不同生長階段的人工林在 0－30 cm深度內的土壤水分對Ⅱ級降雨均有響應。

圖5 不同生長階段人工林土壤水分對Ⅱ級降雨的響應Fig. 5 Response of soil moisture to the level Ⅱ rainfall at different growth stages

圖6為不同林齡土壤水分對Ⅲ級降雨的響應，降雨模式與Ⅱ級降雨相同。土壤水分出現變化的土壤層擴大到了0－40 cm。本次降雨事件中，3、5、15、30 a人工林10 cm深度土壤水分含量對于降雨的響應時間明顯不同，分別在降雨的1、3、4、4 h之后迅速增加，均在12 h達到最大，隨后明顯下降。而20 cm和30 cm深度土壤水分含量則在降雨開始后的24 h開始增加至最大值后降低。4個林齡的土壤水分含量在 10 cm深度處分別升高了 2.14%、1.46%、1.14%、1.03%；20 cm深度分別增加了0.41%、0.25%、0.20%、0.10%，30 cm深度分別增加了 0.15%、0.20%、0.15%、0.10%?？梢?，不同生長階段的人工林在0－40 cm深度內的土壤水分對Ⅲ級降雨均有響應。

圖7為不同林齡土壤水分對Ⅴ級降雨的響應。整個降雨事件發生于12 h之內（8月19日 16：00－8月 20日 04：00），降雨事件主要分為兩個階段間斷性發生，前半部分的降雨量為13.3 mm，后半部分為5.0 mm，不同林齡的土壤水分變化也呈現了明顯的階梯狀，土壤水分的響應深度為0－60 cm。由于降雨累積量的明顯增大，在降雨開始的前 20 min降雨量就達到了5.1 mm，3、5、16 a林分10 cm土壤水分含量在短時間內便迅速增加，而30 a林分同深度的土壤水分則在1 h之后才明顯增加。在這一階段中，4個人工林的土壤水分含量分別增加了0.46%、0.20%、0.25%、0.10%。3、5、30 a林分的土壤水分隨著時間推移而逐漸增加，降雨量越大增加的速度越快，分別在9、12、24 h達到最大，隨后土壤水分含量開始下降。與之不同的15 a林分土壤水分則在最大降雨之后的1－6 h內，土壤水分呈現緩慢下降的趨勢，之后隨著降雨的增加而升高，在12 h達到最高。整個降雨過程中，4個人工林10 cm深度土壤水分含量分別增加了9.15%、8.72%、5.89%、4.97%；20 cm深度土壤水分含量在24 h之內達到最大，分別增加了0.44%、0.35%、8.20%、6.11%；在整個降雨事件中，30、40、60 cm深度土壤水分含量隨降雨量增大而逐漸增大，但增量不大?？梢姡?8 mm以上的降雨量能夠影響0－60 cm的土壤水分，但主要變化出現在0－20 cm以內。

4 討論

圖6 不同生長階段人工林土壤水分對Ⅲ級降雨的響應Fig. 6 Response of soil moisture to the level Ⅲ rainfall at different growth stages

圖7 不同生長階段人工林土壤水分對Ⅴ級降雨的響應Fig. 7 Response of soil moisture to the levelⅤ rainfall in different growth stages

在高寒沙區土壤水分的季節性變化與降雨量呈現明顯的相關性，降雨事件能夠顯著影響土壤水分的動態變化，這一結果與毛烏素沙地和巴丹吉林沙漠的研究結果相同（Yang，2014，馮偉，2015）。隨著降雨事件的發生，人工林內土壤水分也隨之發生規律性變化，并將其劃分為土壤水分消耗期（9月至次年1月）、土壤水分積累期（2－4月，7－8月）和穩定期（5－6月）。在經歷過冬季一段時間的無降水期后，2月的降雨事件使土壤開始蓄水，此時無植被生長，氣溫低，土壤水分消耗較少，隨著降雨量的增加，土壤蓄水量逐漸增加。到了5－6月，降雨量相對增大，但由于高寒沙區光輻射強度大、多風以及地表蒸散等因素共同作用，出現短暫的土壤蓄水量穩定變化期。這與其他地區的劃分有所不同，在黃土區土壤水分劃分為消耗期（3－5月）、積累期（6－8月）、消退期（9－11月）和穩定期（12月至次年2月）（趙榮瑋等，2016），這主要由于兩地地理位置、區域氣候以及植被類型等因素的不同，造成土壤水分變化時期劃分的差異性。渾善達克沙地的土壤水分劃分為降水貯存期（4－5月）、消耗期（6－9月中旬）、緩慢恢復期（9月下旬－10月）、緩慢失水和補充期（10月至次年 3月）（李紅麗，2006）；毛烏素沙地南緣的土壤水分劃分為緩慢積累期（4－5月）、消耗期（6－8月）、積累期（9－11月）、穩定期（12月至次年 3月）（伍永秋，2015）；與其他沙地產生這種區別可能是研究區所處的地理環境，如高寒沙地海拔更高、降水量更少、地表蒸散作用更強，加之研究期內的降雨量分布的不同等因素，都可能會導致這種差異性。而在高寒針茅草原區，生長季土壤水分的變化劃分為緩慢增墑期（4－5月）、快速增墑期（5－7月）、快速失墑期（7－8月）、快速增墑期（8－9月）以及快速失墑期（9－10月）（朱寶文，2009）；雖同為高寒地區，但由于氣候類型、土地利用類型以及植被類型的差異，土壤水分變化劃分也產生偏差。

不同林齡的土壤蓄水量隨著林齡的增加呈現“增大－減小－增大”的趨勢。3 a和5 a人工林處于植被生長初期，對沙區土壤的改良作用微弱，沙土的保水性能差，地表蒸散作用對土壤水分的消耗較為強烈，加之3 a樣地位于風口處，土壤蓄水量更低。林齡增加，土壤肥力及持水性隨之增強，由于 30 a人工林處于生長衰退期，對于土壤水分的需求量開始降低，加之地表層凋落物對土壤表層水分蒸散的干擾，導致30 a林分土壤蓄水量高于16 a；5 a比16 a的植被耗水性能低，因此5 a土壤蓄水量較高。

高寒沙區以小降雨事件為主，大降雨事件對土壤水分的貢獻較大。土壤水分對降雨量的響應，隨著降雨量的增加而越發明顯。以往的研究表明，不同的降雨量能夠補給的土壤深度不同，在北京鷲峰國家森林公園，水分滲透到20、40、60、80、100、120、160 cm土層，分別需要1、5、20、37、46、52、61 mm的降水，要達到完全飽和則分別需要80、120、140、150、180、200、220 mm的降水（Jia et al.，2015）。不同區域的土壤水分對于降雨的響應也具有明顯的差異性。在本研究中，高寒沙區＜5 mm降水能夠使30 cm以上的土層水分產生波動，但不能補充深層土壤水分，在黑河流域僅能影響20 cm以上的土壤水分（劉冰等，2011），這主要是源于年降雨量的差別，黑河流域的年降雨量幾乎達到高寒沙區的5倍之多，土壤水分含量較高，因而對于小降雨的響應不明顯。高寒沙區內5－18 mm的降雨量能影響0－40 cm的土壤水分，而18 mm以上的降雨量能夠引起0－60 cm土層水分含量的變化，這與科爾沁沙地的研究結果接近，降水量至少要達到20 mm時，水分才能夠達到100 cm深的土壤中（Yao，2013，李東方等，2013，劉新平等，2006）。這也表明，植被覆蓋能夠影響土壤對降雨的接收和入滲過程，小雨對表層土壤進行水分補給，而大雨是對深層土壤進行水分補給（Yang et al.，2014）。我們發現，在降雨過程中30 cm的土壤水分不直接響應降雨量的增加，而是在降雨結束后土壤水分降低；這是由于降雨量只能補給0－20 cm的土壤水分，地表的水分蒸散使這部分土壤水分幾乎達到了增減平衡，降雨被消耗沒有下滲，在降雨結束后土壤水分消耗仍然以同樣的速度蒸散，這就導致 30 cm的土壤水分就開始補給上層土壤，土壤含水量也因此降低，這也是高寒沙區特殊環境條件引起的土壤水分變化的特點。

不同林齡的土壤水分對于降雨量的響應明顯不同。隨著林齡的增加，10 cm以下的土壤水分對于降雨量的響應滯后性更加明顯，這是由于地表凋落物的覆蓋厚度變大、土壤保水能力增強以及人工林的冠幅截留作用增加引起；土壤水分的增量逐漸減小，這與植被根系的分布及耗水性有關。研究表明，中間錦雞兒人工林的吸收根隨著林齡的增加而加深，且主要分布在60 cm深度以上，土壤吸收水分的能力隨著林齡的增加而增強（劉麗穎等，2012），表層土壤的水分被植被大量吸收，土壤水分增量也相對減少。

5 結論

（1）高寒沙區典型人工林土壤水分隨降雨量的變化而產生季節性變化，不同林齡的土壤需水量也不同，隨著深度的增加土壤蓄水量先減小后增大。所以，在高寒沙區造林應根據土壤水分的變化規律，注意苗木栽植的密度，減小土壤干旱對苗木生長的影響，提高造林成活率。

（2）高寒沙區內降雨主要集中在 5－9月，降雨事件以小雨為主，大雨對土壤水分的貢獻大。小于5 mm的降雨能夠使30 cm以上的土層水分產生波動，5－18 mm的降雨量能影響0－40 cm的土壤水分，而18 mm以上的降雨量能夠引起0－60 cm土層水分的變化。不同生長階段人工林，3、5、16 a土壤水分在降雨1 h之內上升，而30 a的土壤水分對于降雨的響應相對滯后約 1 h，土壤水分增量也相對減少。所以，建議在造林過程中加強水土保持措施，防止降雨過程中土壤表層降水過度流失，使降水更多入滲到土壤中。