烏蘭布和沙漠白刺灌叢沙堆丘間地黏土層土壤水分時空格局及其對降雨變化的響應

李新樂劉雅婧孫 非王丹陽安景源牧 仁張景波

(1.中國林業科學研究院 沙漠林業實驗中心,內蒙古 磴口015200;2.內蒙古磴口荒漠生態系統國家定位觀測研究站,內蒙古 磴口015200;3.國家林業和草原局 植物新品種測定中心 磴口分中心,內蒙古 磴口015200)

土壤水分是綜合氣候、土壤以及植被對水分平衡響應和水分平衡對植被動態影響的關鍵變量[1-3],因此土壤水分動態監測始終是生態系統定位觀測的重要內容。對于干旱荒漠區而言,降水是該區域土壤水分補給的主要甚至唯一來源,土壤水分狀況與降水量大小、降水格局關系密切[4]。因此,研究干旱區土壤水分時空格局及其對降水格局變化的響應可以更好地揭示荒漠生態系統穩定的生態水文學機理[5-6],這也是干旱區植被恢復與重建過程中亟須解決的關鍵問題[7]。與其他地區相比,降水在干旱地區具有極大的不確定性,主要表現為降水呈脈動特征[8],較大降水會導致明顯的土壤水分脈動現象,而較小的降水只能導致淺層土壤的水分入滲[9]。由此可見,不同的降水事件對土壤中水分的影響不同,有學者研究表明,當降水量大于10 mm時,能夠有效地補給土壤水分,促進沙地近地表水分循環[10]。而當降水量小于5 mm時,少量的降水對土壤水分幾乎起不到補充的作用[11]。

丘間地是指沙丘(或者沙堆)之間的低洼地,是干旱區土壤水分循環的重要組成部分[12]。目前,以丘間地作為研究對象來開展土壤水分研究的報道極少,董義陽等[13]以古爾班通古特沙漠南緣丘間地為研究對象,應用壓力膜儀測定了丘間地剖面各土層(0—150 cm)的土壤水分特征曲線,并用最優擬合模型對其進行了模擬。周學雅等[14]研究表明,科爾沁沙地丘間低地雨前土壤水分隨深度增加,直至飽和含水量,其變化范圍在3.88%～21.57%。雨后0—90 cm深度土壤水分增加,其中0—10 cm深度水分增量較大,其范圍是6.29%～20.3%,其余深度水分增量較小。阿拉木薩等[15]研究發現丘間低地淺層土壤中黏土和有機質含量較高且根系較多使得0—20 cm土壤持水能力較強,減小了間歇性降雨導致的蒸發。干旱區貢獻率較大的大降雨事件和占有較大比重的小降雨事件均會在土壤水分循環中產生重要作用,并存在明顯的差異性,然而,關于不同降雨量對丘間地土壤水分補給差異缺乏對比研究。此外,對丘間地土壤水分的研究手段還比較單一,主要是在降雨后定期進行取樣,數據量較少,且缺乏連續性,無法反映土壤水分時空動態變化的全過程。

烏蘭布和沙漠位于中國北方敏感的生態過渡帶,境內分布大面積的荒漠植被,其中以唐古特白刺為建群種的白刺荒漠是分布較廣的天然荒漠植被類型[16]。丘間地是烏蘭布和沙漠白刺荒漠景觀中非常重要的組成部分,鑲嵌在白刺灌叢沙堆周圍,在降雨再分配及灌叢沙堆土壤水分循環過程中發揮著重要作用,由于受到干旱區試驗條件惡劣以及研究手段的限制,目前對丘間地的研究一直未引起重視,限制了我們對其生態水文效應的認識[17]。干旱區降雨稀少,1 a內無法采集到不同量級的降雨事件,本研究通過對白刺灌叢沙堆周圍的丘間地土壤水分進行連續2 a監測,系統分析不同降雨條件下丘間地黏土層的土壤水分空間格局及時間動態,量化降雨量、雨前土壤水分含量與丘間地黏土層土壤水分入滲和保持時間的關系,為準確評估丘間地在白刺灌叢沙堆土壤水分循環和保持土壤水分穩定性的作用提供科學依據和數據支撐。

1 研究區概況

研究樣地選擇白刺灌叢沙堆長期固定監測大樣地,該樣地建于2013年,位于國家林草局內蒙古磴口生態站西側,地理坐標為106°45′27″E,40°25′53″N,樣地大小為1 km×1 km(100 hm2),樣地四周使用鐵絲圍欄進行封閉式管理,防止人為和牲畜干擾和破壞。區域屬于溫帶大陸性干旱氣候,年平均氣溫7.8℃,多年平均降雨量約145 mm,降雨主要集中在6—9月,約占全年降雨的70%～80%,年蒸發量約2 327 mm,無霜期136 d。植被類型屬于溫帶灌木荒漠,唐古特白刺(Nitrariatangutorum)是大樣地內的優勢植物,主要以白刺灌叢沙堆的形式存在[7],伴生種有油蒿(Artemisiaordosica)、沙米(Agriophyllumsquarrosum)、燭臺蟲實(Corispermumcandelabrum)、沙竹(Psammochloavillosa)、霧冰藜(Bassia dasyphylla)、三芒草(Aristidaadscensionis)和豬毛菜(Salsolacollin)等。大樣地內大部分灌叢沙堆完全獨立分布,個別沙堆之間存在互相重疊的現象,沙堆之間主要由丘間地黏土層包圍,丘間地地勢較為平坦。根據附近地下水位長期監測數據,地下水位常年在5 m以下,無法補給該區域丘間地黏土層土壤水分,因此土壤水分變化只受自然降水的影響。

2 測定內容與方法

2.1 測定內容

在樣地內選擇4個生長良好、完全獨立和大小一致的白刺灌叢沙堆(表1),沙堆周圍被丘間地黏土層包圍。安裝4套EM50土壤水分自動監測系統,土壤水分傳感器安裝在丘間地黏土層正下方,在垂直方向上的安放深度分別為5,10,15,20和25 cm共5層,不同層次土壤水分傳感器上下垂直排布,以觀察降雨發生后丘間地黏土層土壤水分變化特征、垂直入滲過程和入滲深度(圖1),土壤水分數據在生長季(5—10月)的讀取時間間隔設置為5 min,在非生長季(11月至翌年4月)設置為3 h,儀器于2019年8月安裝,為減少按照儀器時土壤破壞和擾動對測量數據準度的影響,分析使用2020—2021年的土壤水分數據。

表1 白刺灌叢沙堆基本信息

圖1 丘間地黏土層景觀及土壤水分傳感器安裝

2.2 數據分析

利用Excel 2019將2020—2021年采集的丘間地黏土層土壤水分數據整理為小時數據、日值數據、月值數據和年際數據,計算不同土層深度下丘間地黏土層平均土壤水分含量均值、標準差和變異系數,分析自然降雨環境下丘間地黏土層土壤水分垂直分布空間格局和時間動態。同時,結合2020—2021年典型自然降雨事件,分析不同降雨量下丘間地黏土層土壤水分垂直入滲規律。通過OriginPro 2021對相關數據進行處理分析及制圖。

3 結果與分析

3.1 丘間地黏土層土壤水分空間變異特征

從表2中可以看出,隨土層深度的增加,丘間地黏土層年平均土壤水分含量逐漸增大,而年平均土壤水分含量標準差和變異系數則呈現逐漸降低的趨勢。通過比較不同土層深度土壤水分含量的標準差發現,0—15 cm土層標準差較大。2020和2021年丘間地黏土層0—25 m土層土壤水分的變異系數均在10%～100%之間,根據變異系數劃分等級,土壤水分變異程度為中度變異。

表2 丘間地黏土層土壤水分垂直分布變異特征

3.2 丘間地黏土層土壤水分動態

從圖2可以看出,丘間地黏土層不同土層深度的土壤含水量變化趨勢較為一致,但在不同降雨年型存在明顯差異。

圖2 不同降雨年型下丘間地黏土層土壤水分動態

對于2020年(豐水年)而言,丘間地黏土層土壤水分在5—10月波動較為明顯,特別是0—15 cm深度土層土壤水分受到間斷性降雨的影響變化較大。對于2021年(枯水年)而言,丘間地黏土層土壤水分波動較小,僅在3月底受到大雨事件(降雨量為40.6 mm)的影響有一次明顯的增加過程,而后土壤水分緩慢下降,在6月初恢復到降雨前的水平,之后土壤水分變化較小,在9月22日遇到小雨事件后15 cm土層深度內土壤水分略微增加后恢復到降雨前的水平。對于丘間地黏土層不同深度土層而言,15 cm以下土層土壤水分含量一直維持在較高水平,土壤含水量基本在10%以上。由此可見,丘間地黏土層0—15 cm淺層土壤水分受到降雨影響波動較大,15 cm以下土層只有在大雨事件后有明顯波動。

3.3 不同降雨量對丘間地黏土層土壤水分入滲深度的影響

對于白刺沙堆周圍丘間地黏土層而言,不同降雨量對丘間地黏土層土壤水分入滲深度的影響有所不同(圖3)。5.7 mm的降雨只能影響0—5 cm土層的土壤水分,與降雨前土壤水分含量相比,5.7 mm的降雨使5 cm深度土層土壤水分含量增加2.2倍;11.9 mm的降雨對0—10 cm土層土壤水分產生顯著影響,但是對10 cm以下土層土壤水分無顯著影響。與降雨前相比,11.9 mm降雨分別使5 cm和10 cm土層深度土壤含水量提高2.6倍和1.4倍;20.1 mm的降雨對0—15 cm土層土壤水分產生顯著影響,15 cm以下土層土壤水分沒有變化,20.1 mm降雨分別使5,10和15 cm土層深度土壤含水量提高了2.8,2.3和1.9倍。27.8 mm的降雨對0—25 cm土層土壤水分均產生影響,土壤水分有不同程度的提高,分別使5,10,15,20和25 cm土層深度土壤水分提高了4.2,3.6,2.3,1.9和2.0倍;40.6 mm的降雨可以影響0—25 cm土層深度(甚至更深土層)的土壤水分,使不同土層深度的土壤水分含量大幅增加,分別使5,10,15,20和25 cm土層深度土壤水分提高4.7,3.5,3.1,2.8和2.7倍。

圖3 丘間地黏土層土壤水分入滲深度對不同降雨量的響應

此外,圖3顯示,隨著降雨后時間的延長,各土層土壤水分呈現緩慢下降的趨勢。從降雨前后土壤水分變化過程可以看出,5.7和11.9 mm降雨下土壤水分恢復到雨前水平需要20 d的時間;而對于20.1 mm降雨而言,在降雨后20 d,5和10 cm土層土壤水分含量仍然較降雨前土壤水分含量高;對于27.8和40.6 mm降雨而言,在降雨后20 d,0—25 cm土層深度土壤水分含量仍然顯著高于降雨前土壤水分。從各土層土壤水分含量變化速率可以看出,5 cm和10 cm土層土壤水分含量在降雨后變化最大,土壤水分含量達到9.2%～30.4%,但隨著降雨后時間的延長逐漸降低,15 cm以下土層土壤含水量在受到大雨事件影響后明顯升高,土壤水分含量在10%以上,并且土壤水分下降極為緩慢。綜上可知,對于丘間地黏土層而言,大雨事件對丘間地黏土層土壤水分具有明顯的補給作用,并且降雨后土壤水分變化較為緩慢,丘間地黏土層特殊的土壤結構能夠抑制下層土壤水分蒸發,具有較好的保水作用。

3.4 降雨量、雨前土壤水分與丘間地黏土層土壤水分入滲深度的關系

降雨發生后,丘間地黏土層土壤水分將進一步下滲,從圖4可以看出,降雨后丘間地黏土層土壤水分的最大下滲深度與降雨量大小呈顯著的正相關關系,降雨量大小能夠解釋丘間地黏土層土壤水分最大入滲深度的88.1%(p＜0.001)。由線性擬合方程可知,降雨量平均每增加1 mm,土壤水分下滲深度增加0.57 cm。同時,降雨前土壤水分含量也是影響丘間地黏土層土壤水分下滲的重要因素,表現為雨前土壤水分含量越高,單位降雨量的下滲深度越小(圖4,p＜0.001),雨前土壤水分含量每增加1%,單位降雨量的下滲深度下降0.02 cm,可見雨前土壤水分含量較高時反而不利于丘間地黏土層土壤水分的繼續下滲。

圖4 降雨后土壤水分下滲深度與降雨量及降雨前土壤水含量的關系

3.5 降雨量、雨前土壤水分與丘間地黏土層土壤水分保持時間的關系

從圖5可以看出,降雨量大小對丘間地黏土層土壤水分保持時間的變化有顯著影響。降雨量能夠解釋土壤水分保持時間75.8%(p＜0.01)的變化,隨著降雨量的增加,降雨后土壤水分保持時間呈現顯著增加的趨勢,降雨量平均每增加1 mm,丘間地黏土層土壤水分保持時間增加1.05 d,這說明大雨事件對于補充并維持丘間地黏土層土壤水分具有非常重要作用。以2021年3月31日降雨為例,該次降雨量為40.6 mm,通過土壤水分監測數據可知,10 cm土層土壤水分經過59 d后才恢復到降雨前的水分含量。此外,圖5表明降雨前土壤水分含量對降雨后丘間地黏土層土壤水分保持時間也有顯著的正效應,雨前土壤水分含量越高,降雨后土壤水分保持時間越長,雨前土壤水分含量平均每增加1%,丘間地黏土層土壤水分保持時間增加9.85 d,這也表明丘間地黏土層土壤具有較好的蓄水性和保水性。

圖5 降雨后土壤水分保持時間與降雨量及降雨前土壤水含量的關系

4 討論

4.1 影響丘間地黏土層土壤水分入滲的因素

土壤水分是土壤植物大氣連續體(SPAC)系統中降雨—產流—入滲4水轉換的主要紐帶[18-20],降雨是研究區土壤水分補給的唯一來源,影響丘間地黏土層土壤水分入滲的因素可以為內因和外因,內因包括土壤質地、土壤結構、土壤容重、土壤孔隙度和土壤粒徑等在內的土介質的相關理化性質[21-23],外因包括降雨量、降雨強度、初始土壤水分含量、植被覆蓋程度和微地貌結構等自然或人為條件[24-28]。由于丘間地黏土層土壤質地十分緊密,土壤顆粒組成中細顆粒含量較高,并且大部分區域表層有一定蓋度的物理結皮,導致其表層具有較強的阻水能力,較大的降雨后容易形成地表徑流,從而減少了降雨的入滲量,因此限制了土壤水分的下滲[29]。同時,降雨量大小是決定丘間地黏土層土壤水分補給深度的最重要因素[30]。本研究結果表明,降雨后丘間地黏土層土壤水分的最大下滲深度與降雨量大小呈顯著的正相關關系,表現為降雨量平均每增加1 mm,土壤水分下滲深度增加0.57 cm。此外,降雨前土壤水分含量也是影響丘間地黏土層土壤水分下滲的重要因素,表現為雨前土壤水分含量越高,單位降雨量的下滲深度越小,雨前土壤水分含量每增加1%,單位降雨量的下滲深度下降0.02 cm,雨前土壤水分含量過高能夠抑制丘間地黏土層土壤水分的繼續下滲。采用徑流—入流—出流法測量結果表明,土壤入滲性能與降雨量有顯著的正相關關系,但與初始土壤水分含量之間的關系為負相關關系,而且隨著降雨量的增加,土壤水分含量變化對土壤入滲性能的影響程度逐漸降低[31]。李毅和邵明安[24]的研究結果也表明,隨著降雨量增大,土壤入滲率和穩定入滲率均有增大的趨勢,上述研究結論與本研究結果基本一致。

4.2 丘間地黏土層土壤水分空間格局及動態

不同大小的降雨量通過影響丘間地黏土層土壤水分入滲過程,進一步影響土壤水分空間格局,小于10 mm的降雨只能影響10 cm以內的土壤水分,無法補給10 cm以下土壤水分,只有較大降雨事件后才能充分補給黏土層10 cm以下土壤水分。從丘間地黏土層土壤水分年際變異特征來看,丘間地黏土層土壤水分的變異程度較小,在無降雨的條件下,土層深度越深,土壤水分含量越高,其中土壤表層的平均水分含量最小,深度越大土壤平均水分含量越大。在降雨過程中,土壤水分受到降雨量、雨前土壤水分含量和土層深度等的影響出現不同程度的變化,隨著降雨后的時間延長,丘間地黏土層表層土壤水分含量有所下降,而下層土壤水分含量則是一個緩慢減少的過程,越往深層土壤水分減少越慢。說明丘間地黏土層土壤水分的穩定性較好,具有較好的蓄水保水效果。

5 結論

(1)研究區域丘間地黏土層0—25 cm土層土壤水分的變異程度均為中度變異。表層(0—15 cm)土壤水分變異性較大,下層(15 cm以下)土壤水分變異性較小。

(2)大雨事件對丘間地黏土層土壤水分具有明顯的補給作用,降雨后土壤水分降低較為緩慢,說明丘間地黏土層能夠抑制下層土壤水分蒸發,具有較好的蓄水保水效果。

(3)降雨量大小與丘間地黏土層土壤水分入滲深度和土壤水分保持時間均具有顯著的正相關關系,雨前土壤水分含量過高會抑制丘間地土壤水分的繼續下滲,但對降雨后土壤水分保持時間有顯著的正效應。