毛烏素沙地不同覆被類型土壤水分動態及其對降水的響應

胡安焱, 付穩東, 陳云飛, 顏 林, 艾美霞, 陳 瑞, 石長春, 劉秀花

(1.長安大學 水利與環境學院, 西安 710054; 2.旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室, 西安 710054; 3.榆林市水利局, 陜西 榆林 719000; 4.陜西省治沙研究所陜西榆林毛烏素沙地荒漠生態系統國家定位觀測研究站, 陜西 榆林 719000)

土壤水分作為大氣—植被—土壤連續體的重要載體,是水循環的主要參與者,對生態系統的恢復和持續發展起著關鍵作用,尤其是在降水量遠小于潛在蒸散量的干旱和半干旱地區[1-2]。自20世紀90年代以來,我國實施了一系列大規模退耕還林還草等生態修復工程,取得了顯著的效果[3],使得干旱半干旱地區的植被覆蓋率顯著增加。但與此同時也加劇了水資源與植被間的供需矛盾,局部地區由于植被覆蓋率的迅速增加導致土壤水分的消耗超出降雨的補給能力,出現土壤水分虧缺和植被群落退化現象[4-5],嚴重影響到了生態修復工程的穩定性。因此,研究不同覆被類型土壤水分動態特征,對于促進植被恢復和生態修復工程可持續性具有重要的實用價值。

目前,很多學者對不同植被土壤水分動態及其對降水響應進行了大量研究,土壤剖面水分分布與覆被類型有著密切的關系,王宇祥[6]、吳遠菲[7]等發現不合理的植被配置會造成土壤干燥化,而林莎等[8]發現青藏高原東北緣黃土區典型林分—青海云杉和祁連圓柏的配置下,土壤未出現干層、水分過度消耗等現象;另外,不同年生和密度植被、不同坡向等也會造成土壤水分時空的顯著差異[9-10]。降水是干旱和半干旱沙地土壤水分的主要補給源,降水特性影響著土壤水分的補給量和補給深度[11]。干旱地區降水年內分布不均,且降水強度、降水量和降水歷時的年內變異性較大[12-13],不同時期受土壤含水狀態的影響,其響應過程不同。例如歷時長、雨量大的降雨事件更有利于水分深層滲漏,同時初始含水量和土壤物理性質也是影響土壤水分對降水響應的主要因素[14-15]。而植被冠層也會影響降雨再分配,使得水分下滲出現明顯的差異性[16];而在極端干旱的庫布齊和烏蘭布和沙漠,小的降水為主的格局深根性植物生長受限制[17-18]。同時,水熱條件的變化也會通過塑造生態格局對土壤水分狀態產生影響[19]。

毛烏素沙地生態環境脆弱,近十幾年來,隨著植被覆蓋率迅速增加,土壤水分的植被承載力引起廣泛關注。在已發表文獻中,毛烏素地區東南緣典型覆被類型在不同雨量級別影響下的土壤水分變化研究并不多見。因此,以榆林毛烏素沙地的典型覆被沙柳、草地和裸地為研究對象,利用原位試驗監測和經典統計學分析相結合的方法,探究3種覆被類型下土壤水分時空變化特征及對不同雨量級別的響應,探討植被類型對土壤水文的重塑過程,為優化毛烏素沙地植物覆蓋類型和提高土壤水分的植被承載力提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區在陜西省榆林市榆陽區(109°41′E,38°21′N)國家林業局荒漠生態站內,海拔高度1 100 m左右,是典型的干旱半干旱地區和季節性凍土區。每年11月末到翌年3月初處于凍結期,最大凍結深度大于100 cm,2021年主要凍結深度草叢地和沙柳地為100 cm、裸地為118 cm。研究區四季分明,近30 a年均降水量為420 mm,降水年內分布不均,大部分出現在6—9月。近30年年平均氣溫為9.1℃,年內溫差超過50℃,潛在蒸發量為2 300 mm左右。試驗場地下水位埋深在9 m以下,土壤類型為砂土,質地均勻,覆被類型主要以沙柳(Salixpsammiphlia)、草叢〔主要種類為楊柴(Hedysarummongolicum),其次為荒野蒿(ArtemisiacampestrisL)、紫苑(AsterfastigiatusFisch)、旋覆花(InulajaponicaThunb.)〕為主。

1.2 試驗設計

在榆林市國家林業局荒漠生態站試驗場內,試驗期為2020年12月1日—2021年12月1日,選取多株沙柳組成的灌木叢、相鄰區域的草叢和固定沙地(裸地)3個樣地,通過多次測量冠幅尺寸確定沙柳冠層面積約為7 m2,蓋度為59%;草叢蓋度使用垂直投影面積法測定為67%。在所選3個樣地,人工挖出0—150 cm的剖面,分別在10,20,50,100,150 cm深度安裝Hydra ProbeⅡ (SDI-12)傳感器,數據采集間隔為10 min。同時使用環刀采取原狀土樣,在實驗室對土壤容重和粒徑進行分析(結果見表1)。同時建立微型氣象觀測站,收集降水、氣溫等數據,數據采集間隔為30 min。根系分布及密度通過地質雷達(EKKO)測定,從深度統計根系分布,草叢10 cm為31.78%,20 cm為27.15%,30 cm為14.35%,50 cm為5.73%,70 cm為4.29%,80 cm為0.39%,80 cm深度以下為0.04%。沙柳根系深度分布10 cm為13.78%,20 cm為8.47%,30 cm為6.04%,50 cm為15.16%,70 cm為12.33%,80 cm為12.37%,80 cm為5.21%,100 cm為0.66%,深度100 cm以下為0.23%。從深度范圍統計根系分布,草叢在0—50 cm為90.19%,50—100 cm為9.77%,100—150 cm為0.04%,沙柳0—50 cm為54.55%;50—100 cm為45.22%;100—150 cm為0.23%。

1.3 研究方法

(1) 降水事件選取。我國常用的降水分級為小雨(0～9.9 mm)、中雨(10～24.9 mm)、大雨(25～49.9 mm)、暴雨(50～99.9 mm)、大暴雨(100～199.9 mm)和特大暴雨(>200 mm)。降水間隔時間大于24 h,作為兩次獨立的降水事件,降水歷時為降水事件開始至結束的時間。

(2) 統計分析。對3種覆被類型下土壤水分采用ANOVA和LSD法進行單因素方差分析和多重事后比較(p=0.05),確定不同覆被類型土壤水分的顯著性差異,土壤水分變化影響因素相關性分析應用Spearman法確定。

(3) 土壤蓄水量計算。土壤蓄水量計算公式為:

(1)

式中:W為總蓄水量(mm)。θi為TDR監測的土壤體積含水量(%);Di為土層厚度(mm);n為層數。

(4) 凍結期土壤含水量計算。由于土壤凍結時 Hydra Probe Ⅱ傳感器只能測量未凍水含量,因此在凍結期內定期前往試驗場,人工采集凍層內不同深度處的土樣,并利用烘干法測量土壤總含水量。由于凍結期受外界環境因素(降雨、蒸發)影響較小,故結合烘干法測得土壤總含水量和凍結期前后土壤含水量,插值得到凍結期間剖面土壤總含水量分布。

2 結果與分析

2.1 研究期間降水和氣溫特征

研究區2020年12月—2021年12月的降水、氣溫分布見圖1A。根據統計,累積有效降水量和平均溫度分別是12月至次年2月為1.2 mm,-9.1℃,3—5月為91.2 mm,10.7℃,6—8月為122.6 mm,23.5℃,9—11月為100.8 mm,7.4℃。在研究期間,大氣溫度在1月份最低為-23℃,隨后逐漸升高,在7月下旬達到峰值(30℃)后開始下降。在12月至次年2月,土壤0—150 cm經歷凍融過程。

圖1 不同覆被類型土壤含水率動態及降水氣溫變化Fig 1 Soil moisture content dynamics and precipitation and temperature changes of different cover types

研究期總降水量和降水次數分別為317 mm和73次,其中,小雨占降水總次數的86.3%,降雨量總計134 mm,占降水總量的42.3%,年降水頻率為16.7%,降雨歷時102 h;中雨降水次數為9次,占降水總次數的12.3%,總降雨為151 mm,占降水總量的47.6%,年降水頻率為2.5%,降雨歷時68 h;大雨降水1次,占降水總次數的1.4%,降雨量32 mm,占降水總量的10.1%,年降水頻率為0.3%,降雨歷時3.5 h。研究期內未出現暴雨及以上級別降水,故選取了3次小雨、3次中雨和1次大雨共7次降水事件進行分析,降水特征見表2。

表2 降水事件特征Table 2 Characteristics of precipitation events

2.2 不同覆被類型的土壤水分變化特征

(1) 3種覆被類型土壤含水率變化特征。① 研究期草叢地土壤含水率動態變化大,高值區主要分布在20 cm。在10 cm水分始終較低,年平均土壤含水率為2.3%。凍融期次年11月下旬至翌年2月和非凍融期3—11月中旬,20 cm處土壤水分均較高,土壤含水率為7.2%(圖1B),顯著高于其他層位(圖2A)。凍融期水分向凍結鋒100 cm附近聚集不明顯。② 研究期沙柳地0—50 cm土壤動態含水率變化較劇烈,50—100 cm和100—150 cm土壤含水率變化較小。凍融期和非凍融期高值區均主要分布在50 cm。其中,10 cm處土壤水分較低,年平均土壤含水率為2.4%(圖1C)。沙柳50 cm和150 cm處土壤含水率顯著高于其他層位(圖2A)。凍融期水分向凍結鋒100 cm附近聚集不明顯。③ 裸地研究期0—50 cm土壤含水率動態變化劇烈,50—150 cm土壤含水率變化較小;凍融期和非凍融期高值區均主要分布在100 cm。其中,在10 cm處平均土壤含水率為6%,土壤水分較低,但顯著高于草叢和沙柳地(圖1D),100 cm平均土壤含水率為12%,含水率顯著高于其他層位(圖2A)。凍融期水分向凍結鋒118 cm附近聚集明顯。

圖2 不同植被類型土壤含水率均值變化Fig. 2 Mean change of soil moisture content of different vegetation types

由圖2B可知,10 cm處裸地的土壤水分顯著高于草地和沙柳,20 cm處草地和裸地土壤水分差異不顯著,但兩者顯著高于沙柳,50 cm處沙柳和裸地差異不顯著,但顯著高于草地,三者在100 cm和150 cm處土壤水分均差異顯著,裸地顯著高于沙柳地和草地。總體來看,土壤剖面水分的分布受不同覆被類型的影響顯著。

(2) 3種覆被類型土壤蓄水量變化。3種覆被類型土壤蓄水量變化見圖3。從圖3A—C來看,在深度范圍相同的情況下,平均蓄水量0—50 cm在次年12—2月為沙柳>裸地>草地,在3—5月為裸地>草地>沙柳,6—8月、9—11月均為裸地>草地>沙柳,50—100 cm和100—150 cm均為裸地>沙柳>草地。同一時間段,土壤剖面裸地0—50 cm,50—100 cm和100—150 cm蓄水量均大于草地和沙柳地。草地0—50 cm蓄水量只有3—5月期間大于沙柳地,其余時段均小于沙柳地;草地50—100 cm和100—150 cm的蓄水量在4個時間段均小于沙柳地。

圖3 不同覆被類型土壤蓄水量變化Fig. 3 Changes of soil water storage under different cover types

從圖3D來看,草地不同時間段的平均蓄水量0—50 cm始終大于50—100 cm。從圖3E來看,沙柳平均蓄水量除了6—8月外,其余時間段50—100 cm大于0—50 cm。從圖3F來看,裸地不同時間段的平均蓄水量50—100 cm始終大于0—50 cm。次年12—2月為凍融期,草地的凍結水量主要在0—50 cm深度,50—100 cm凍結水量少。沙柳和裸地凍結水量主要在0—100 cm。凍融期土壤平均蓄水量草地在0—50 cm,沙柳在0—100 cm,裸地在100—150 cm較高。

2.3 不同覆被類型土壤水分對次降水事件的響應

小雨級別降水中,3.4 mm降水下土壤水分變化微弱,為無效降水。不同覆被類型土壤水分在次降水量下的動態變化見圖4,滯后響應時間見表3。

圖4 不同覆被類型下土壤水分對降水的響應Fig. 4 Response of soil moisture to precipitation under different cover types

表3 不同覆被類型下各層土壤水分響應滯后時間Table 3 The lag time of soil moisture response under different cover types h

(1) 草地土壤含水率對7月17日的7 mm小雨無響應,對4月8日8.8 mm小雨響應深度達到20 cm,響應時間2.2 h。在中雨級別,13.4 mm (3月17日)和19.5 mm(9月5日)的響應深度都達到20 cm,但響應時間分別為6.3 h和2 h,而對3月20日20 mm中雨響應深度達到150 cm(響應時間124 h),在10 cm和20 cm深度響應明顯。對6月14日32 mm大雨響應深度達到50 cm(響應時間4.2 h),在10 cm,20 cm處響應明顯。

(2) 沙柳地土壤含水率對7 mm小雨沒有響應,對8.8 mm小雨最大響應深度為20 cm(響應時間1.5 h),在10 cm處響應明顯。中雨的最大響應深度不同,13.4 mm中雨最大響應深度50 cm(響應時間6.3 h),50 cm響應明顯。19.5 mm中雨最大響應深度為100 cm(響應時間為27 h),在10 cm,20 cm深度響應明顯。20 mm中雨最大響應深度150 cm(響應時間112 h),在10 cm,20 cm,50 cm深度響應明顯。32 mm大雨最大響應深度100 cm,(響應時間為13 h),在10 cm,20 cm,50 cm深度響應明顯。

(3) 裸地土壤含水率對7 mm的小雨在10 cm處有響應。對8.8 mm小雨的最大響應深度20 cm(響應滯后時間1.2 h),在10 cm和20 cm處響應明顯。13.4 mm中雨最大響應深度50 cm(響應滯后時間24 h),在10 cm、和20 cm處響應明顯。對20 mm中雨的最大響應深度150 cm(滯后時間143 h),在10 cm,20 cm,50 cm處均有明顯響應。對19.5 mm中雨的最大響應深度100 cm(滯后時間29 h),在10 cm,20 cm,50 cm處均有明顯響應。對32 mm大雨的最大響應深度100 cm(滯后時間13 h),在10 cm,20 cm,50 cm處均響應明顯。同樣的降雨,不同覆被類型對降雨的最大響應深度和響應時間均不相同。

2.4 不同覆被類型土壤水分與降水特征的相關性分析

由于不同覆被類型在10—20 cm處對6次降水均有響應并且響應時間短,選擇10—20 cm處的土壤水分與降水特征進行相關性分析,分析結果見表4。草地10 cm土壤含水率增幅與降雨量、降雨強度和最大強度顯著正相關,滯后時間與降雨歷時為顯著正相關。20 cm土壤含水率增幅與降雨量、降雨強度和最大強度為顯著正相關,滯后時間與降雨歷時為顯著正相關。沙柳地10 cm滯后時間與降雨歷時為顯著正相關。裸地10 cm滯后時間與降水強度為顯著負相關,與降雨歷時為顯著正相關。裸地20 cm土壤含水率增幅與降雨量、降雨強度和最大強度為顯著正相關,滯后時間與降雨歷時為顯著正相關。

表4 不同覆被類型下10-20 cm處水分特征與降雨特征相關性Table 4 Correlation between soil water characteristics and rainfall characteristics at 10-20 cm under different cover types

3 討 論

3.1 不同覆被對土壤水分的影響

(1) 對土壤水分垂直分布的影響。土壤剖面不同深度的平均蓄水量,草地總體呈現出深度50—100 cm<100—150 cm<0—50 cm,沙柳地為深度0—50 cm<50—100 cm<100—150 cm,這與根系分布特征有關,草叢的根系主要分布在深度0—50 cm,其中20 cm處根系占比27.15%,使土壤水分向20 cm聚集。沙柳根系主要分布在深度0—100 cm范圍,50 cm處根系占比27.15%,而50—100 cm范圍沙柳根系占比遠大于草地,導致土壤蓄水量沙柳 >草地;多余水分受到重力影響下滲至100—150 cm,該層土壤蓄水量沙柳>草地。雖然裸地土壤水分也呈現出0—50 cm<50—100 cm<100—150 cm,但高含水量位置下移,且集中在100—120 cm處。與裸地相比,草地和沙柳相應層位的土壤蓄水量均明顯低于裸地,主要是降水下滲至根系時,根系吸水攔截降水入滲的水分用于蒸騰,使相應層位水分減少,符合wang等[20]提出的根系限制植被土壤濕潤鋒運移的觀點。若出現干旱脅迫,則根系吸水作用可將部分深層土壤水分提升至淺層[21]。根系對水分的影響也是動態的,草地在3—5月降水較多時,根系區域(0—50 cm)蓄水量明顯高于其他區域,高達27.7 mm,而在6—8月植被騰發最劇烈時,根系區域水分快速減少至15 mm,在9—11月份騰發作用減弱,蓄水量回升至20.4 mm,而沙柳根系在20～100 cm內分布較均勻,也有草地類似現象。

(2) 植被類型和水熱條件對土壤水分再分布的影響。12月至翌年2月平均氣溫-9.1℃(圖1A),研究區處于凍結期且降水極少,植物處于休眠季,耗水較少,土壤騰發作用微弱,土壤水分穩定。3—5月平均氣溫10.7℃,氣溫升高,土壤解凍,出現多次降水,而沙柳和草地剛進入返青期,植物冠層截留和根系消耗較少,降水可補給至草地、沙柳和裸地的深層土壤,因此三者土壤剖面都保持較高的土壤含水量,對保持土壤水分年際動態平衡極為重要。6—8月氣溫逐漸升高并達到峰值,植物正處于耗水最多的生長期,土壤騰發劇烈,降水補給小于土壤水分消耗,水分降低。9—11月氣溫逐漸降低,植物耗水降低,加之降水量和降水強度較大,降水能夠補給較深土壤中,且土壤剖面各層含水量均有回升。

3.2 不同覆被類型土壤水分對降水的響應

研究區地下水位在9 m以下,對植被根系區域水分的補給極其有限,所以降水是土壤水分的主要補給來源。

(1) 對降水量的響應。同級別降水,淺層土壤水分(0—50 cm)裸地對各降水的響應速度顯著快于沙柳和草地,主要是草地和沙柳的植被冠層截留、地表枯落物和生物土壤結皮降低土壤入滲率等的影響,提高地表持水性[22]。深層土壤水分(50—150 cm)裸地響應速度慢于草地和沙柳,這可能是因為沙柳根系較深、出現根際優先流[21];草地根系分布較淺且細根多[23],有利于降水從(0—50 cm)入滲到(50—150 cm)。另一方面,土壤質地影響著水分下滲,土壤剖面60 cm和80 cm處粉粒含量裸地分別占21.2%和15%,草地為4.1%和4.6%,沙柳為0.9%和0.7%(表1)。深層土壤水分(50—100 cm )對中雨20 mm有響應,響應時間沙柳<草地<裸地,補給至深層土壤的水分是干旱和半干旱地區水循環的重要組成部分[24],可以緩解極端干旱季節固沙植被對水分的需求,維持生命活動,幫助植被度過極端干旱時期,這也有助于固沙植被的穩定性和可持續性。

(2) 對降水歷時和降水強度的響應。受降水歷時的影響,3種覆被類型土壤水分對20 mm中雨和32 mm大雨均有響應,而前者無論入滲補給深度和補給量要大于后者,主要因為20 mm中雨的降水歷時長,利于土壤水分下滲。降水20 mm時,草地和沙柳各層土壤水分響應滯后時間大于32 mm降水,主要是后者降水強度大,能夠更快地達到穩定土壤入滲率。另外,32 mm大雨屬于短時強降水,受前期干旱造成土壤初始含水量低,以及降水后的快速蒸騰的共同影響,向深部補給量較小,這與Liu[25]和李新樂[18]等的研究結論相符。同時,由于大部分降雨事件前期雨量較少,隨著降雨量累積土壤水分才出現響應,所以草地、沙柳和裸地10 cm和20 cm處土壤水分響應滯后時間與降雨歷時表現出顯著正相關。

(3) 對降水格局的響應。本研究區小雨級別降水事件占全部降水事件次數的85.9%,降水量卻只占總降水量的42.1%;中雨級別的降水事件占全部降水事件的12.7%,降水量占總降水量的47.8%;大雨級別的降水事件占全部降水事件的1.4%,降水量占總降水量的10.1%。大量研究表明小級別降水補給到淺層土壤水分,可供給根系較淺的植被利用,較大級別降水能夠入滲到深層土壤,利于深根植物吸收利用[17,22]。賀軍奇[26]和方欣[27]等提出未來毛烏素沙地的年降水變化呈現增加趨勢,并主要表現為大降水事件的增加,這將有助于對深層土壤水分的改善和深根系植被的生長,會對植被演替產生重大影響。

4 結 論

(1) 在年際尺度,土壤水分表現出穩定期(12月至次年2月)、積累期(3—5月)、消耗期(6—8月)和恢復期(9—11月),降水補給土壤水分主要發生在積累期和恢復期。在剖面上,土壤水分草地在20 cm附近較高,沙柳在50 cm和150 cm處較高,裸地則是在100 cm處較高。由于草地根系和土壤平均蓄水量均是0—50 cm大于50—100 cm,因此,研究區草地主要利用0—50 cm深度的土壤水分。沙柳根系主要分布在20—100 cm,蓄水量最大位于50—100 cm,因此,沙柳主要利用50—100 cm土壤水分。

(2) 淺層土壤水分在0—50 cm深度,裸地對各降水的響應速度顯著快于沙柳地和草地。深層土壤水分50—150 cm深度裸地響應速度慢于草地和沙柳。降水補給深度與降水量為顯著正相關,而響應滯后時間與降水歷時為顯著正相關(p<0.05),凍融過程、植被類型和降水特征影響土壤剖面水分再分配。土壤水分對降水量大、降水歷時長的降雨響應較好,該類型降水有助于干旱期固沙植被的生長。

(3) 凍融期和非凍融期,覆被類型都影響著土壤水分的動態變化和剖面垂直分布,從而影響著植被類型在降水格局變化下的演替。