烏蘭布和沙漠固沙梭梭林生長季土壤水分動態研究

郝需婷， 黃雅茹， 馬迎賓，3*， 張帥， 韓春霞， 龐嘉誠，徐光甫， 郝惠忠， 劉雅婧

（1.中國林業科學研究院沙漠林業實驗中心，內蒙古 巴彥淖爾 015200；2.國家林業草原防沙治沙工程技術研究中心，內蒙古 巴彥淖爾 015200；3.內蒙古磴口荒漠生態系統國家定位觀測研究站，內蒙古 巴彥淖爾 015200；4.內蒙古河套灌區水利發展中心烏拉特分中心長濟渠供水所，內蒙古 巴彥淖爾 014400）

土壤水分是干旱、半干旱沙區風沙侵蝕的主要影響因子，會直接影響植物的存活和生長[1-3]，同時植被也對土壤水分存在負反饋作用[4?5]。干旱沙區土壤水分動態變化與溫度、濕度、地形、降水、蒸散發、徑流、植被類型、土壤特性等多種因素密切相關[6?7]，在時間和空間上都具有較強的變異性[8?9]，其時間變化和空間分布調控著植被的格局、多樣性和演替特征，對生態系統的結構和功能具有重要影響[10]。近年來，干旱、半干旱區土壤水分特征受到了眾多學者的關注，大多集中于土地利用[11]、坡位[12]、空間分布格局[13]等單因素對土壤水分的影響。王艷莉等[14]研究了騰格里沙漠東南緣油蒿（Artemisia ordosica）、檸條（Caragana korshinskiiKom.）固沙區干旱年和豐水年土壤水分動態差異；朱海等[7]研究了古爾班通古特沙漠南緣固定沙丘土壤的土壤水分時空變化特征；李少華等[15]分析了高寒固沙區土壤水分條件對檸條、烏柳(Salix cheilophilaSchneid.)生長的影響；伍永秋等[16]研究了毛烏素沙地不同活性沙丘土壤水分的時空變異系數。而對烏蘭布和沙漠境內的梭梭林地土壤水分時空動態的研究較少，目前尚缺乏對該地區土壤水分時空變化規律的深入認識，因此對該區土壤水分進行時空動態特征研究對建立水文過程與生態格局之間的定量關系、了解其中變化至關重要。

梭梭（Haloxylon ammodendron）是藜科（Chenopodiaceae）、梭梭屬（Haloxylon）多年生小喬木，具有超旱生、耐鹽堿、抗風蝕等特點，是分布最廣泛的優良固沙造林樹種[17]。因此，梭梭在干旱沙漠區的經濟發展和生態環境建設中發揮著重要作用，土壤水分是其生長發育的主要限制因素，因此，研究該區域梭梭固沙林的土壤水分動態變化具有重要意義。本文通過研究烏蘭布和沙漠東北緣固沙梭梭林地的土壤水分動態及時空分布格局，以期揭示該區域固沙梭梭林地土壤水分時空變化規律，為干旱、半干旱區的植被可持續發展及以植被建設為主的生態環境建設工程提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于烏蘭布和沙漠東北部、內蒙古磴口荒漠生態系統國家定位觀測研究站附近（圖1），該區屬于溫帶大陸性季風氣候，其特點是：氣候干旱，冷熱巨變，風大沙多；海拔1 060 m，據磴口生態站多年氣象觀測資料顯示，該區年均氣溫7.8 ℃，最高氣溫39.0 ℃，最低氣溫-29.6 ℃；年均降水量140.3 mm，年均蒸發量2 380.6 mm；年均日照時長3 200 h；年均風速3.70 m·s-1，瞬時風速最高可達24.0 m·s-1。試驗地為該區的固沙梭梭林，林下常伴生有草本植物：霧冰藜(Bassia dasyphylla)、沙鞭（Psammochloa villosa）及半灌木植物油蒿（Artemisia ordosica）。

圖1 研究區地理位置Fig. 1 Geographic location of the study area

研究區氣候溫差較大，其中，7月30日最高溫高達40.2 ℃，4 月17 日最低溫度為-4.1 ℃，5 月28 日單日內最大溫差達26.3 ℃；觀測期內降水稀少，6 個月內共發生降水23 次，累計降水量僅為28.8 mm（圖2）。

圖2 2021年4—9月氣象因素Fig. 2 Meteorological factors from April to September 2021

1.2 研究方法

在烏蘭布和沙漠內蒙古磴口荒漠生態系統國家定位觀測研究站附近栽植的20 年生人工梭梭林內選取2 個樣地（1 號樣地和2 號樣地），均為固定沙地，大小為25 m×25 m，在樣地附近選擇裸沙地作為對照樣地。1 號樣地：株高（2.93±0.56）m，冠幅（2.98±0.63）m，地徑（9.04±2.71）cm；2 號樣地：株高（2.97±0.46）m，冠幅（3.23±0.91）m，地徑（11.78±2.95）cm。

在3 個樣地內各選擇1 處為土壤含水率采樣點，于2021 年4 月至9 月，每月月底進行一次土壤采樣。采用剖面法進行采樣，采樣深度為120 cm，分別為0—20、20—40、40—60、60—80、80—100、100—120 cm，共6 個土層。使用鋁盒從下至上呈S 形依次取3 個重復。將土樣帶回實驗室及時測量濕重，并在烘箱內105 ℃烘干24 h 后測量干重；同時在8 月和9 月采用露點水勢儀（WP4C）對采回的土樣進行土壤水勢的測定，其中9 月使用環刀取原狀土測定土壤容重。

1.3 數據處理

使用Excel 2016 進行數據整理，采用SPSS 25.0 軟件對試驗數據進行單因素方差分析（ANOVA）和Duncan 法多重比較(P<0.05)，采用Origin 2017進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 梭梭林土壤含水率隨時間的變化

1 號和2 號樣地土壤含水率隨時間的變化趨勢一致（圖3），總體表現為：隨著月份的推進，土壤含水率整體逐漸降低并趨于穩定。所有樣地20—40、40—60 cm 土層土壤含水率均在4 月時最大；0—120 cm 土層平均土壤含水率也表現為4月最高，1 號、2 號、對照樣地分別為2.15%、1.72%、1.44%。這可能是因為4 月處于土壤完全消融之后的穩定期。

圖3 土壤含水率隨時間的變化Fig. 3 Variation of soil moisture content with time

從表1 可以看出，4 月整體土壤含水率最高；從5 月開始梭梭生長進入土壤水分消耗期；之后6—9 月梭梭林地土壤含水率均低于裸地對照，在1 號樣地內，4 月和5 月之間無差異，而均與6—9 月存在顯著性差異，在2 號樣地內，4 月與5—9 月之間存在顯著性差異。5 月，1 號樣地與裸地對照之間存在顯著性差異，其他月份內，3個樣地之間均無顯著性差異。

表1 土壤含水率差異性對比Table 1 Comparison of differences in soil moisture content（%）

1號、2號、裸地土壤含水率Mmax和Mmin的差值分別為1.14%、1.18%、2.2%（表2），其中1 號、2 號樣地間差異較小；裸地的Mmax為2.63%，分別比1 號、2 號樣地高0.92%、1.03%。裸地的CV 分別較1 號、2 號樣地低25.95%、25.68%；1 號和2 號樣地的CV平均值都高于50%，表明梭梭林地內各月份間的土壤水分變化較大。

表2 土壤水分各月份基本特征Table 2 Basic characteristics of soil moisture in each month（%）

2.2 梭梭林土壤含水率隨空間的變化

圖4為生長季梭梭林地各土層土壤含水率的平均值。在0—120 cm 土層中，4 月和5 月的土壤含水率總體呈現為1號>2號>裸地對照；隨著土層深度的增加，梭梭2 個林地和裸地對照的土壤含水率均呈先上升后下降趨勢，其中，40—60 cm 土層的土壤含水率最大，尤其是1 號樣地，在4 月和5 月的土壤含水率分別為3.55%、2.80%。6—8 月土壤含水率總體呈現為裸地對照>1號>2號，隨著土層深度的增加，3 個樣地的土壤含水率均呈逐漸增加趨勢。9 月中旬及月末共發生3 次小型降水，因此，9月土壤含水率表現為0—20 cm 表層土壤含水率最高，隨著土層深度的增加土壤含水率逐漸降低并保持平穩。

圖4 沙地土壤含水率隨深度的變化Fig. 4 Variation of soil moisture content in sandy land with depth

裸地對照0—120 cm土壤含水率的Mmax、Mmin、Mavg均高于1 號和2 號樣地（表3），且整體表現為裸地對照>1 號>2 號，其中1 號樣地的Mmax、Mmin、Mavg值較2 號樣地更接近裸地對照。裸地對照的CV 分別較1 號、2 號樣地低7.98%、10.58%。3 個樣地整體的土壤含水率在土層間的變異程度處于中等水平。

表3 土壤水分各土層基本特征Table 3 Basic characteristics of soil moisture in each soil layer（%）

2.3 梭梭林土壤含水率及降水量

在梭梭生長季的觀測期內，共發生23 次降水，2021 年4—9 月的月累計降水量分別為10.5、6.0、2.8、5.2、0.0、4.3 mm，共計降水量28.8 mm。其中4月和8月的月累計降水量差異顯著，其他月份間差異不顯著。除6 月份裸地對照的土壤含水率外，其他樣地各月土壤含水率與降水量變化的規律相似（圖5），由于8月無降雨，3個樣地的土壤含水率均處于整個生長季的最低值。

圖5 4—9月不同樣地土壤含水率及降水量Fig. 5 Soil moisture content and precipitation in different locations from April to September

圖6 土壤容重隨深度變化Fig. 6 Soil bulk density changes with depth

2.4 梭梭林不同土層深度土壤容重變化

1 號、2 號、裸地對照樣地的土壤均為風沙土，質地均一。0—120 cm 土層的土壤容重分別為1.50、1.57、1.55 g·cm-3。3 個樣地的土壤容重整體表現為0—60 cm 土層較60—120 cm 土層略高。其中1 號樣地的土壤容重最小；裸地對照土壤容重的變幅最小，為1.50~1.63 g·cm-3。該區域3 個樣地的土壤容重為1.41~1.65 g·cm-3，最大值與最小值的差值為0.24 g·cm-3，整體變幅較小。

2.5 土壤水勢與水分之間的關系

樣地土壤水勢在0—40 cm 土層范圍內波動較大（圖7）。8月份土壤水勢表現為在40—60 cm及更深的土層范圍內，土壤水勢較高且變幅較小，逐漸趨于穩定，變幅為-20~0 MPa，不同樣地間表現為2 號<1 號<裸地對照。9 月份土壤水勢表現為在20—40 cm 土層范圍內水勢最低，變幅為-90~-55 MPa，不同樣地間表現為裸地對照<2號<1 號；在40—60 cm 及更深的土層范圍內，水勢較高且變幅較大，變幅為-70~0 MPa，不同樣地間表現為1號、2號<裸地對照。

圖7 不同月份土壤水勢隨土層深度的變化Fig. 7 Variation of soil water potential with soil depth in different months

研究區內3 個樣地的土壤水勢與含水量間的擬合效果如圖8所示。決定系數R2均大于0.514 2，說明對數函數能很好地擬合二者之間的關系。土壤水分含量明顯影響土壤水勢，隨著土壤水分的減少，土壤水勢呈降低趨勢。

圖8 土壤含水率與土壤水勢的關系Fig. 8 Relationship between soil moisture content and soil water potential

3 討論

土壤水分決定著沙地土壤的發生、演化及其土地生產力，同時制約沙地植被的生存、形成、發展，也是荒漠地區保證生態系統穩定、結構和功能正常的關鍵因子，對整個生態系統的水熱平衡及可持續發展起決定性作用[18?19]。

3.1 沙地土壤水分的時間變異

沙地土壤水分的變化不僅受地形、植被特征及土壤機械組成的影響，而且對大氣降水的時空變化具有極強的依賴性[20]。降水是烏蘭布和沙漠土壤水分主要的補給形式之一，因此烏蘭布和沙漠梭梭林土壤水分具有明顯的時間變異性。4 月0—60 cm土層的土壤含水率高于5—9月。4月的降雨量雖然相對較少，但植被生長緩慢，需水量較少，且土壤處于解凍期，隨著溫度的逐漸上升，凍土層逐步融化，從而補給土壤大量水分，使土壤含水量顯著增加。5—8 月，植被生長旺盛，蒸騰作用加強，需水量增大，且氣溫迅速升高，土壤水分蒸發加速，因此，土壤含水率逐漸降低；加之8 月無降水發生，導致該月份土壤含水率為整個生長季最低值。9月在采樣前共發生3次小型降水，使表層0—20 cm 土壤含水率增加，對中層和深層土壤含水率影響較小。9 月之后，植被進入生長末期，生長緩慢，土壤水分含量處于相對穩定階段。梭梭林地（固定沙地）和裸沙地的土壤水分月變化規律基本一致，表明土壤水分變化與降雨時間同步[21?22]。

3.2 沙地土壤水分的空間變異

通常情況下，土壤容重小代表土壤孔隙數量多、結構疏松，土壤水分、空氣、熱量等狀況良好。本研究中3 個樣地0—120 cm 的土壤容重表現為隨著土層深度的增加逐漸減小，與土壤含水率變化規律基本一致。

烏蘭布和沙漠土壤含水率隨土層深度變化表現出一定差異，在垂直方向上，0—20 cm 為淺層干沙層，土壤含水率為0.23%~2.13%；20—80 cm為中層劇烈變化層，土壤含水率為0.36%~3.59%；80—120 cm 為深層穩定層，土壤含水率為0.45%~1.63%；與其他地區沙地土壤水分分布規律一致[23-27]。干旱沙漠區的蒸發量遠遠大于降水量，由于沙地土壤特性的綜合作用，淺層土壤的含水量易受氣溫、蒸發量和降水等多種因素影響，再加上梭梭的蒸騰作用及根系分布規律，其林地土壤水分的空間分布表現為隨土層深度的增加呈“低-高-低”的變化趨勢，與孔凌霄等[25]對晉西黃土區不同立地刺槐林土壤水分動態變化和馬風云等[28]對沙坡頭固沙植被土壤水分的研究結果一致。張進虎等[29]對巴丹吉林沙漠檉柳(Tamarix)土壤水分的研究表明，該區土壤水分呈淺層(10—70 cm)高、中層(70—150 cm)低、深層(150—210 cm)高的特點，與本研究結果相反，其原因可能是研究區域、地表物種、植物根系、立地條件、采樣深度等因素存在差異。

3.3 土壤水勢與水分間的關系

土壤水勢是判斷土壤水分對植物有效性和土壤干旱程度的重要指標，不受土壤質地的影響，且具有反應植物對土壤水分響應的優勢[30]。土壤水勢為零時，表示土壤水飽和；土壤水勢越高，越有利于植物吸收利用土壤水分；反之，土壤水勢越低，越不利于植物吸收利用土壤水分。土壤水勢隨著土壤含水率的降低而減小[31?32]，本研究利用對數函數可以很好地擬合土壤含水率與土壤水勢間的關系，與前人研究結果一致[32]。

研究沙地土壤水分時空變異性的主要困難在于土壤水分隨時間的變化大于隨空間的變化。由于沙地土壤的自身特性，其不像其他具有相對穩定的理化性質，且不同尺度、不同區域土壤水分的空間變化規律也不盡相同。本研究只研究了特定時間里固定土層土壤水分的時空變化規律，要全面了解烏蘭布和沙漠固沙植被區土壤水分時空分布規律，還需要對其他植被進行更長時間的監測以及不同尺度上的規律性進行更為深入的研究。