西藏拉薩河谷山地土壤水分對降雨的響應(yīng)

沈志強(qiáng)，華 敏，盧 杰，張程槊，方江平(.西藏大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，西藏 林芝 860000；. 武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，武漢 430079)

青藏高原作為地球的“第3極”，是全球海拔最高的一個地理單元，相對于其他地區(qū)受人類影響較小[1]。青藏高原屬于氣候敏感區(qū)和生態(tài)脆弱帶，同時深刻影響著周邊地區(qū)的氣候，能起到“預(yù)示”的作用，因此被眾多研究者視為研究中國乃至全球變化的“天然實(shí)驗室”[2]。拉薩作為西藏自治區(qū)的首府，氣候?qū)儆诘湫偷母珊蛋敫珊档貐^(qū)，植被以灌草為主，水分條件成為影響其生長的制約因素。由于該地區(qū)降水少，雨季短，太陽輻射較強(qiáng)，蒸發(fā)劇烈，土壤含水量低。土壤水分含量已經(jīng)成為影響植被生長的首要因素[3,4]。降水是該地區(qū)土壤水的主要來源，研究與探討該地區(qū)降雨與土壤水的關(guān)系能夠促進(jìn)水資源的合理利用，同時對于水土保持與防治荒漠化具有重要的意義[5,6]。

目前，國內(nèi)的許多學(xué)者已經(jīng)對降雨與土壤水的關(guān)系與響應(yīng)機(jī)制做了大量研究[7-10]，并且主要集中在干旱半干旱地區(qū)，而對于青藏高原降雨與土壤水的研究則未見報道，同時對于西藏拉薩河谷山地的研究主要集中在草地物種多樣性[11]、農(nóng)田草地生態(tài)服務(wù)功能[12,13]及濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價[14]等方面。鑒于此，本文以拉薩河谷山地為研究對象，采用自動監(jiān)測系統(tǒng)對該區(qū)的降雨及土壤水分含量進(jìn)行同步監(jiān)測，分析土壤水分與降雨間的關(guān)系，進(jìn)一步探討土壤水對降雨的響應(yīng)機(jī)制，以期為本地區(qū)水資源評估、水土保持及植被恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于拉薩市達(dá)孜縣巴嘎雪村西南部山坡，地理位置29°40′ N，91°25′ E，海拔3 780～4 170 m，距拉薩市區(qū)約30 km。地形為典型河谷山地，東西向為拉薩河河谷，南北分別為郭嘎拉日山和恰拉山體，海拔3 730～5 500 m。氣候?qū)儆诘湫偷那嗖馗咴敫珊导撅L(fēng)氣候區(qū)，冬春干燥多大風(fēng)，夏季多夜雨，年平均氣溫7.5 ℃，年平均日照3 065 h，平均降水量450 mm左右，年無霜期130 d左右[15]。該山坡坡度為20°～30°，由低向高分別為灌草混合群落、灌草交錯群落和草地群落3個植被群落類型，垂直變化十分明顯。與植被群落對應(yīng)的土壤類型主要有亞高山灌叢草甸土、山地灰褐土和山地草原栗鈣土，平均厚度0.5～2.1 m，土層較薄，以粉沙塊為主，成土母質(zhì)主要是砂巖、礫巖、層積巖等，pH值為7.0～8.0。主要灌木有砂生槐(Sophora moorcroftiana)、架棚(Ceratostigma minus)、小葉野丁香(Leptodermis pilosa)、灌木蒿(sagebrush)；主要的草本植物有翼首草(Pterocephalus hookeri)、尼泊爾大丁草(Leibnitzia nepalensis)、早熟禾(Poa annua)、高山嵩草(Kobresia pygmaea)、木根香青(Anaphalis xylorrhiza)、金露梅(Potentilla fruticosa )、紫花點(diǎn)地梅(Androsace selago)、唐松草(Thalictrum aquilegiifolium var. sibiricum)、海韭菜(Triglochin maritimum)等。

1.2 研究方法

2013年9月開始選擇同一坡向(陽坡)的剖面，根據(jù)海拔和植被類型，從下到上建立了3個監(jiān)測站(見表1)，采用美國ONSET公司的HOBO U30-NRC型自動氣象站監(jiān)測系統(tǒng)，氣象塔朝向均為S/N方向，在水平支架上分別裝配太陽輻射、空氣溫度、空氣濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等的傳感器。在水平支架的水平面與垂直支架的交叉處安裝翻斗自記式雨量筒1個(翻一斗雨量為0.2 mm)，用于記錄雨量。在氣象塔附近挖取垂直深度為40 cm的土坑1個，分別將土壤溫度、土壤濕度的探頭水平插入不同深度土層(5、20和40 cm)，以測量記錄土壤溫度和土壤濕度。在垂直支架距地面1.5 m處裝配數(shù)據(jù)收集箱1個，將記錄各氣象因子的數(shù)據(jù)傳感線和電源線接入機(jī)箱中對應(yīng)端口，同時配備功率為200 W的太陽能電池板為其提供電源，以保證數(shù)據(jù)采集連續(xù)性。安裝好全部設(shè)備后，進(jìn)行了為期1周的設(shè)備穩(wěn)定性調(diào)試工作，在確保儀器穩(wěn)定之后，進(jìn)行了1個月的試采集工作，設(shè)備運(yùn)行正常。因此，開始每3個月進(jìn)行一次數(shù)據(jù)收取，期間有專人對儀器設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。儀器自動記錄瞬時數(shù)據(jù)的步長為5 min。由于冬季拉薩無降雨，降雨主要集中在夏季，因此本文選擇2014年4月1日到10月31日的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

獲取的降雨與土壤濕度數(shù)據(jù)使用HOBOware進(jìn)行收集，然后使用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，土壤濕度的數(shù)據(jù)結(jié)果采用平均值。

表1 監(jiān)測站基本情況Tab.1 Basic situation of each monitoring station

2 結(jié)果與分析

2.1 不同立地條件下表層土壤含水率對降雨的響應(yīng)

土壤表層是土壤水分交換的活躍層，土壤表層的水分與大氣間的交換能更有效地反映出土壤水分對降雨的響應(yīng)機(jī)制[16]。經(jīng)過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理，表層土壤水分含量見表2，其土壤濕度均值表現(xiàn)為3號站 2號站 1號站。這可能是由于隨著海拔的升高，3號站的降雨量比1號站與2號站的多引起的。

表2 不同測點(diǎn)表層土壤濕度統(tǒng)計 m3/m3Tab.2 The statistics of the different surface soil moisture measured point

拉薩的雨季一般主要集中在6-9月份，并且多夜雨。為了更好地研究土壤水分對降雨的響應(yīng)機(jī)制，特選出各個監(jiān)測站降雨量最大的4 d進(jìn)行研究，分別為8月13日(60、62、66 mm)、8月14日(32、32、31 mm)、8月20日(27、28、29 mm)、8月11日(25、28、26 mm)，4天表層(0～5 cm)土壤濕度與降雨的關(guān)系在不同海拔監(jiān)測站的情況見圖1。由圖1可知，不同降雨量與不同植被覆蓋條件下的土壤濕度對降雨的響應(yīng)具有不同的特征；3個監(jiān)測站中，降雨量越大，土壤濕度對降雨的響應(yīng)越強(qiáng)烈，但是會有延遲；8月13日降雨量最大，而土壤濕度最大值出現(xiàn)在8月14日；土壤表層不同的植被覆蓋類型也會影響土壤濕度對降雨的響應(yīng)。1號站與2號站中，土壤水分對降雨的響應(yīng)更加強(qiáng)烈，而3號站土壤水分對降雨的響應(yīng)則較為平緩，主要是因為1號站與2號站植被類型以灌草為主，同時坡度較緩，利于雨水下滲。而3號站海拔相對較高，植被類型主要以草本植物為主，植物相對于1號站與2號站植物的密度更大，植物的持水性更好，同時3號站坡度較大，更易形成地表徑流，不利于雨水的下滲，因此土壤水分對降雨的響應(yīng)較為平緩。

圖1 不同測點(diǎn)表層土壤水分對降雨的響應(yīng)Fig.1 Response of surface soil moisture to precipitation in different measured point

2.2 不同立地條件下土壤各層次土壤水分對降雨的響應(yīng)

不同立地條件下土壤各層次土壤水分對降雨的響應(yīng)見圖2。從圖2可以看出，0～5與5～20 cm土層土壤水分對降雨的響應(yīng)最為迅速和強(qiáng)烈，而20～40 cm土層土壤水分對降雨的響應(yīng)則不明顯。隨著降雨的變化，各層土壤水分的響應(yīng)不同，表層土壤表現(xiàn)的較為明顯與強(qiáng)烈，表層土壤水分能隨著降雨的大小而迅速表現(xiàn)出來。而次表層(5～20 cm)土壤水分也隨降雨量的大小而變化，但是相比較表層土壤水變化則略有延遲，這說明了降雨入滲土壤需要一個過程。但無降雨或降雨減少時，表層土壤水分則迅速下降，而次表層土壤水分則沒表層反應(yīng)迅速，一般需要一個延遲的過程。而隨著降雨量的變化，20～40 cm土層土壤水分對降雨響應(yīng)并不強(qiáng)烈，原因可能是研究區(qū)域氣候干燥，降雨較少，并且降雨一般集中在7、8月份，這2月的降雨量達(dá)到500 mm以上，占全年雨量的70%以上，而其他月份降雨量偏少，土壤一般處于干旱或半干旱狀態(tài)，加上太陽輻射較強(qiáng)，降雨后蒸發(fā)異常迅速，使得20～40 cm深度土層土壤水較少。而7、8月中旬20～40 cm土層土壤水分對降雨的響應(yīng)也較為激烈，土壤濕度明顯增強(qiáng)，這可能是因為7、8月期間該區(qū)域降雨異常豐富并且持續(xù)時間較長，致使表層與次表層土壤水飽和，雨水繼續(xù)下滲，使得20～40 cm土層土壤濕度升高，而隨著9月中旬后降雨量的減少，20～40 cm土層土壤濕度下降并趨于平緩。

不同植被類型條件下，土壤水分對降雨響應(yīng)也不相同。8月10日降雨量迅速減少，1號站與2號站表層土壤濕度迅速下降，并且次表層與20～40 cm土層土壤濕度均出現(xiàn)不同程度下降，而3號站土壤表層土壤濕度較為平緩，同時次表層與20～40 cm土層土壤濕度短時間內(nèi)均繼續(xù)小幅度上升，然后再下降。造成3個監(jiān)測站各土層土壤水分變化的原因可能有：一方面是因為3號站所處海拔較高，受山地地形因素的影響，降雨量相對較多(3號站全年降雨量達(dá)到近750 mm，而1、2號站全年的降雨量在700 mm左右)；另一方面可能是1、2號站植被以灌草為主，植被較為稀疏，持水能力有限，降水結(jié)束，土壤水分蒸發(fā)較快，而3號站植被主要以草本植物為主，草本密度較高，并且夏季正處于植被的生長時期，增加了草本植物對雨水的截留與保持能力，使得次表層與20～40 cm土層土壤濕度在降雨結(jié)束后短時間內(nèi)仍然能夠小幅度上升。

圖2 不同立地條件下土壤各層次土壤水分對降雨的響應(yīng)Fig.2 Response of soil moisture to precipitation at various levels under different site conditions

2.3 單場最大降雨條件下土壤水分對降雨的響應(yīng)

為了更好地反映土壤水分對降雨的響應(yīng)機(jī)制，選取降雨量最大的一天，研究最大降雨條件下土壤水分的響應(yīng)。單場最大降雨發(fā)生在8月13日，該天3個監(jiān)測站的最大降雨量分別為60、62、66 mm，3個監(jiān)測站的降雨量順序為3號站>2號站>1號站。原因可能是受海拔等因素的影響，海拔越高，降雨量越大。單場最大降雨條件下各土層土壤水分對降雨的響應(yīng)見圖3。由圖3可知，表層與次表層土層土壤濕度隨降雨多少變化明顯，而深度土層土壤濕度變化較為平緩。表層土壤濕度對降雨的響應(yīng)最為明顯與迅速，降雨量增加，土壤濕度也迅速增加，而次表層土壤水分對降雨的響應(yīng)相對有所延遲，20～40 cm土層土壤水分變化不明顯，這可能是由于雨水的下滲需要一個過程。白天(8∶00-18∶00)各層土壤水分含量均呈下降或者平緩趨勢，主要是因為白天降雨較少，3個監(jiān)測站的降雨量分別僅為1.4、1.8、1.4 mm，再加上強(qiáng)烈的太陽輻射加劇了土壤水分的蒸發(fā)。1號站與2號站中，8∶00以后20～40 cm土層土壤水含量呈增加的趨勢，這主要是因為8∶00前降雨雨量大，達(dá)到30 mm以上，并且8月上旬降雨頻繁，雨量較多且持續(xù)時間長，表層與次表層土壤水趨于飽和，致使雨水繼續(xù)下滲。而3號站20～40 cm土層土壤水含量提前升高(5∶00)，這可能是因為3號站降雨量相較于1、2號站多而造成的，雨量多且急促，導(dǎo)致了深層土壤水分含量提前升高。

圖3 單場最大降雨條件下土壤水分對降雨的響應(yīng)Fig.3 Response of soil moisture to precipitation under the condition of each single heaviest rainfall

從圖3中還可以得出，在一天中最大時刻降雨條件下，3號站各土層土壤水含量均高于1、2號站，造成這種現(xiàn)象的主要原因可能是3號站海拔較高，降雨量較大；也可能是因為3號站多為草本植物，植物密度較大，持水能力相對較好。

3 結(jié)論與討論

大氣降雨作為干旱半干旱地區(qū)土壤水分的主要補(bǔ)給來源，雨量多少的變化對土壤水分的變化有著重要影響[17]。不同海拔的降雨量不同，土壤水分對降雨的響應(yīng)也不盡相同，雨量越大，土壤水分對降雨的響應(yīng)更加強(qiáng)烈。坡度大小對土壤水分含量也可能產(chǎn)生影響。同時，植被的類型及其密度大小對土壤水分也有著重要的影響，因為植被對降雨有重要的截留與持水能力，也能夠為土壤水分提供庇蔭作用，減少土壤水分的蒸發(fā)量。

在本研究中，表層土壤水分對降雨的響應(yīng)更為迅速及時，而次表層土壤水分的響應(yīng)則相對延遲，深層土壤水分變化不大，表現(xiàn)相對平緩穩(wěn)定，原因主要是雨水的下滲需要一個過程。降雨量大小、植被類型及其密度大小對土壤水分都有重要的影響。植被密度較大的草本植被覆蓋的土壤表層土壤水分對降雨的響應(yīng)相較于稀疏的灌草覆蓋的土壤表層土壤水分對降雨的響應(yīng)更加平緩與延時。這主要是因為密度較大的草本植物有更好的截留與持水能力，雨水下滲相對緩慢，這與鮑彪[18]等關(guān)于晉西黃土區(qū)刺槐林地土壤水分對降雨的響應(yīng)的研究結(jié)果相一致。8月10日降雨量迅速減少，1號站與2號站表層土壤濕度迅速下降，并且次表層與20～40 cm土層土壤濕度均出現(xiàn)不同程度下降，而3號站土壤表層土壤濕度較為平緩，同時次表層與20～40 cm土層土壤濕度短時間內(nèi)均繼續(xù)小幅度上升，然后再下降。造成這種現(xiàn)象的原因除了受降雨量大小等因素的影響外，還受植被類型因素的影響，1、2號站植被以灌草為主，植被較為稀疏，持水能力有限，降水結(jié)束，土壤水分蒸發(fā)較快。而3號站植被主要以草本植物為主，草本密度較高，并且夏季正處于植被的生長時期，增加了草本植物對雨水的截留與保持能力，使得次表層與20～40 cm土層土壤濕度在降雨結(jié)束后短時間內(nèi)仍然能夠小幅度上升。這與阿拉木薩等[19]對科爾沁沙地人工小葉錦雞兒植被水分入滲動態(tài)研究的結(jié)果相一致。

土壤水分對降雨的響應(yīng)中，表層土壤水分的響應(yīng)最為強(qiáng)烈，次表層土壤水分響應(yīng)相對延遲，深層次土壤水分對降雨的響應(yīng)并不明顯。同時土壤水分對降雨的響應(yīng)不僅受降雨量大小的影響，植被類型及其密度大小[18-20]、同種植被的不同部位[17,21]、土壤的性質(zhì)[22]等因素都可能影響土壤水分的含量。本文主要討論了降雨量大小、植被類型及其密度大小對土壤水分的影響。在今后的研究中，將進(jìn)一步研究土壤性質(zhì)等因素對土壤水分含量的影響。

□

[1] 徐 影,丁一匯,李棟梁.青藏地區(qū)未來百年氣候變化[J].高原氣象,2003,22(5):451-457.

[2] 馬曉波,李棟梁.青藏高原近代氣溫變化趨勢及突變分析[J].高原氣象,2003,22(5):507-512.

[3] 李新榮,張志山,劉新平,等.干旱區(qū)土壤植被系統(tǒng)恢復(fù)的生態(tài)水文學(xué)研究進(jìn)展[J].中國沙漠,2009,29(5):845-852.

[4] 何芳蘭,李治元,趙 明,等.民勤綠洲鹽堿化退耕地植被自然演替及土壤水分垂直變化研究[J].中國沙漠,2010,30(6):1 374-1 380.

[5] 亢福仁,王鵬科,王立祥.毛烏素沙區(qū)野生植物資源概況及其利用潛力[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2006,22(10):407-410.

[6] 馮 偉,楊文斌,李 衛(wèi),等.毛烏素沙地沙柳固定沙丘土壤水分對降雨的響應(yīng)[J].水土保持學(xué)報,2014,28(5):95-99.

[7] 劉宏偉,余鐘波,崔廣柏.濕潤地區(qū)土壤水分對降雨的響應(yīng)模式研究[J].水利學(xué)報,2009,40(7):822-829.

[8] 李 謙,鄭錦森,朱 青,等.太湖流域典型土地利用類型土壤水分對降雨的響應(yīng)[J].水土保持學(xué)報,2014,28(1):6-11.

[9] 王少昆,趙學(xué)勇,左小安,等.科爾沁沙地小葉錦雞兒灌叢下土壤水分對降雨響應(yīng)的空間變異性[J].干旱區(qū)研究,2008,25(3):389-393.

[10] 茹 豪,張建軍,張 琦,等.晉西黃土區(qū)雨養(yǎng)果園土壤水分動態(tài)及對降雨的響應(yīng)[J].水土保持學(xué)報,2014,28(1):36-42.

[11] 羅黎鳴,苗彥軍,武建雙,等.拉薩河谷山地灌叢草地物種多樣性隨海拔升高的變化特征[J].草業(yè)學(xué)報,2014,23(6):320-326.

[12] 趙海珍,李文華,馬愛進(jìn).拉薩河谷地區(qū)青稞農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的評價——以達(dá)孜縣為例[J].自然資源學(xué)報,2004,19(5):632-636.

[13] 趙海珍,李文華,馬愛進(jìn),等.拉薩河谷山地灌叢草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評價——以拉薩達(dá)孜縣為例[J].草業(yè)學(xué)報,2010,27(12):27-31.

[14] 郝文淵,李文博,王忠斌,等.西藏拉薩河谷拉魯濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2013,27(5):95-99.

[15] 趙海珍,李文華,黃瑞玲,等.拉薩達(dá)孜縣北京楊人工林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價[J].中國人口.資源與環(huán)境,2010,20(5):104-106.

[16] 王國梁,劉國彬,常 欣,等.黃土丘陵區(qū)小流域植被建設(shè)的土壤水文效應(yīng)[J].自然資源學(xué)報,2002,17(3):339-344.

[17] 李衍青,孫英杰,張銅會,等.小葉錦雞兒灌叢下土壤水分對降雨的響應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)雜志,2013,32(5):1 097-1 103.

[18] 鮑 彪,畢華興,云 雷,等.晉西黃土區(qū)刺槐林地土壤水分對降雨的響應(yīng)[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2012,34(2):84-89.

[19] 阿拉木薩,蔣德明,裴鐵璠.科爾沁沙地人工小葉錦雞兒植被水分入滲動態(tài)研究[J].生態(tài)學(xué)雜志,2004,23(1):56-59.

[20] 周志立,張麗瑋,陳 倩,等.木蘭圍場3種典型林分枯落物及土壤持水能力[J].水土保持學(xué)報,2015,29(1):207-213.

[21] 李志洪,王淑華.土壤容重對土壤物理性狀和小麥的影響[J].土壤通報,2000,31(2):55-57.

[22] 趙 瑋,張銅會,劉新平,等.差巴嘎蒿灌叢土壤和根系含水量對降雨的響應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)雜志,2008,27(2):151-156.