內(nèi)蒙古自治區(qū)達(dá)茂旗荒漠草原土壤水分對(duì)降水的響應(yīng)

樊 婷， 張存厚，2， 張德廣， 蘇 玥

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局 氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與人工影響天氣中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局 生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 3.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象科學(xué)研究所， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

土壤濕度是地球乃至全球范圍內(nèi)陸地表面物理過程中的重要影響因子，在改善區(qū)域和全球氣候模型、干旱監(jiān)測(cè)、預(yù)估農(nóng)作物產(chǎn)量和投資等方面發(fā)揮重要作用[1]。土壤濕度的異常通過地面蒸發(fā)的變化可引起地面邊界層熱量平衡和水分平衡的較大改變，在邊界層水熱交換過程中扮演重要角色[2]，以邊界層水熱交換原理為基礎(chǔ)，通過遙感監(jiān)測(cè)真實(shí)熱慣量能夠間接對(duì)土壤濕度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)[3]。

降水是影響土壤水分的最重要因素，對(duì)土壤水分起到調(diào)節(jié)和控制作用[4-6]，由于降水對(duì)不同深度土壤水分作用不同，可將土壤剖面劃分為速變層(0—20 cm)、活躍層(20—30 cm)、次活躍層(30—40 cm)和相對(duì)穩(wěn)定層(40—100 cm)，且深層土壤濕度與前月降水量顯著相關(guān)，對(duì)氣候變化具有一定的記憶功能，可以積累大量的地表水文過程信息[7-9]。通常土壤水分和降水具正反饋關(guān)系，隨降水增加而增加，但在極端干旱和濕潤(rùn)區(qū)域觀察到土壤水分和降水的負(fù)反饋關(guān)系[10-11]，不僅受降水量影響，降水頻率的變化對(duì)土壤水分動(dòng)態(tài)有顯著的影響，土壤水分瞬時(shí)入滲速率受雨強(qiáng)大小和時(shí)間變化影響較大[12-13]。土壤水分還與其他氣象因素有關(guān)，如陳少勇等[6]得出結(jié)論土壤濕度與降水呈極顯著的正相關(guān)，與氣溫呈不顯著的負(fù)相關(guān)；除此之外，土壤水分的大小還受土地利用類型、海拔、坡度、坡向、時(shí)間、土壤深度等非氣象因素的影響[14]，坡向、坡位不同，土壤水分變異較大[15]。

內(nèi)蒙古自治區(qū)擁有面積60%以上的廣袤草原，以畜牧業(yè)為主要生產(chǎn)方式?；哪菰撬胁菰谢哪顬閲?yán)重的一種類型，荒漠草原處于草原與荒漠區(qū)的過渡帶，三者在降水特征、土壤物理、化學(xué)特征，植被特征等方面既有共同點(diǎn)又有不同點(diǎn)，荒漠草原生態(tài)環(huán)境脆弱，土壤水分匱乏，對(duì)降水極為敏感，因此研究荒漠草原土壤水分對(duì)降水的響應(yīng)特征具有極其特殊意義。達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗(以下簡(jiǎn)稱達(dá)茂旗)荒漠草原降水—土壤水分關(guān)系不僅是保持草原生態(tài)系統(tǒng)水資源、防治植被退化及土地荒漠化的重要理論基礎(chǔ)，還決定著內(nèi)蒙古生產(chǎn)力水平，有助于提高當(dāng)?shù)厝嗣裆?、?jīng)濟(jì)水平。本文使用內(nèi)蒙古自治區(qū)達(dá)茂旗荒漠草原2016—2018 年牧草主要生長(zhǎng)季(5—9 月)逐小時(shí)降水及不同深度土壤含水量資料，選取研究時(shí)段內(nèi)的6 個(gè)自然背景下降水事件，研究降水后土壤垂直剖面含水量變化特征，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析不同降水模式對(duì)土壤水分的影響，以期為防治荒漠草原植被退化及荒漠化提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

達(dá)茂旗(N 41°42′，E 110°26′，海拔1 376.6 m)，隸屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部包頭市，地貌屬陰山北麓丘陵草原區(qū)，屬中溫帶半干旱大陸性氣候，草原類型為典型荒漠草原。達(dá)茂旗平均氣溫4.4 ℃，極端最低氣溫-39.4 ℃，極端最高氣溫38.1 ℃，年平均降水量259.3 mm，且多集中于7—8 月，年平均水汽壓5.0 hPa，年平均相對(duì)濕度48.2%，年平均風(fēng)速33.6 m/s，以北風(fēng)和西北風(fēng)為主。

達(dá)茂旗荒漠草原是內(nèi)蒙古草原的重要組成部分，植被類型為溫帶干旱、半干旱氣候條件下多年生旱生草本，以戈壁針茅(Stipatianschanica)為主，草地植被的群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，草層低矮、稀疏，分為以克氏針茅、冷蒿、小葉錦雞兒、百里香等為主的天然草場(chǎng)(植被覆蓋度30%)，和以老芒麥、沙打旺、苜蓿為主的人工草場(chǎng)(高10～35 cm)[16-18]。土地類型以鈣質(zhì)土和棕鈣土為主(見表1)，占總體面積的90%以上，呈帶狀分布，非地帶性土壤類型有草甸土、潮土、石質(zhì)土、鹽土，土壤質(zhì)地多沙壤、輕壤，并有不同程度礫質(zhì)化，土壤肥力普遍較低[16-17]。

表1 內(nèi)蒙古自治區(qū)達(dá)茂旗荒漠草原不同土層土壤物理性質(zhì)

1.2 數(shù)據(jù)與方法

本文使用2016—2018 年牧草主要生長(zhǎng)季(5—9月)期間達(dá)茂旗氣象局自動(dòng)氣象觀測(cè)站逐小時(shí)降水量及土壤體積含水量數(shù)據(jù)，觀測(cè)站環(huán)境符合《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》，觀測(cè)場(chǎng)四周空曠平坦，保持有均勻草層，草高不超過20 cm。

以土壤垂直剖面上每10 cm為一層，將土層分為5層，分別為0—10，10—20，20—30，30—40，40—50 cm，每層均安裝插管式傳感器。不同土層逐小時(shí)自動(dòng)土壤含水量由GStar-1新型土壤水分自動(dòng)測(cè)量?jī)x獲得，測(cè)量?jī)x器由河南省氣象局和中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第27研究所雙方聯(lián)合研制，其測(cè)量原理為新型頻域反射法(frequency domain reflection， FDR)。該站土壤水分監(jiān)測(cè)設(shè)備已利用人工土鉆對(duì)比觀測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證，并通過中國(guó)氣象局業(yè)務(wù)化檢驗(yàn)，在業(yè)務(wù)中應(yīng)用多年。

從降水開始到降水結(jié)束，降水前后5 d內(nèi)無有效降水且水熱條件基本一致時(shí)，本文當(dāng)作一次降水事件。從全年降水事件中篩選4 次降水強(qiáng)度偏小的不同降水量代表性降水事件，繪制日尺度含水量曲線，統(tǒng)計(jì)從降水開始到結(jié)束4 次降水事件土壤水分響應(yīng)過程，進(jìn)行降水量—土壤水分響應(yīng)量、響應(yīng)深度、響應(yīng)天數(shù)關(guān)系研究；從全年降水事件中選取3 組6 次相同降水量級(jí)不同降水強(qiáng)度代表性事件，統(tǒng)計(jì)3 組6 次降水事件前1 h，降水事件后1，5，8，12，24 h土壤含水量，繪制小時(shí)尺度土壤含水量曲線，進(jìn)行降水強(qiáng)度—土壤水分響應(yīng)深度、響應(yīng)速率關(guān)系研究。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水特征

2016—2018 年5—9 月研究區(qū)共發(fā)生降水事件24 次，總降水量379.9 mm。為了進(jìn)一步研究不同降水量級(jí)在主要生長(zhǎng)季發(fā)生頻次的高低，按照降水量分成5 個(gè)等級(jí)，分別為0.1～5.0,5.1～10.0,10.1～15.0,15.1～20.0,20.1～25.0 mm和大于25.0 mm。結(jié)果表明，最大過程降水量出現(xiàn)于2018 年8 月，為55.7 mm。研究區(qū)降水發(fā)生頻率最高的降水量等級(jí)為15.1～20.0 mm，占所有降水事件的28%。每個(gè)等級(jí)的降水總量分別為16.0,32.7,20.4,117.6,69.9 mm及123.3 mm，占總降水量的4.0%,9.0%,5.0%,31.0%,18.0%及33.0%(見圖1)。在上述降水事件中，大于25.0 mm降水量級(jí)的降水強(qiáng)度最高(2.33 mm/h)，0.1～5.0 mm的降水強(qiáng)度為最低(0.55 mm/h)。

圖1 2016-2018年內(nèi)蒙古自治區(qū)達(dá)茂旗荒漠草原降水特征

2.2 土壤水分動(dòng)態(tài)變化

在研究時(shí)段內(nèi)，達(dá)茂旗荒漠草原最大的兩次降水過程分別發(fā)生在2016 年 7月中旬(持續(xù)時(shí)間為56 h，總降水量為41.6 mm)和2018 年8 月上旬(持續(xù)時(shí)間為48 h，總降水量為55.7 mm)，降水導(dǎo)致0—10 cm土層土壤含水量分別增加了87.0%和79.0%(見圖2)。隨土層加深，土壤含水量呈現(xiàn)先減小、再增大的趨勢(shì)。不同土層范圍土壤水分對(duì)降水反應(yīng)不同，0—10 cm土壤水分動(dòng)態(tài)與降水變化趨勢(shì)基本一致，但土壤水分響應(yīng)具滯后性，即土壤水分響應(yīng)時(shí)間滯后于降水時(shí)間；10—30 cm土壤水分變化趨勢(shì)整體與降水趨勢(shì)一致，滯后性較0—10 cm土層更強(qiáng)；30—50 cm土壤水分只有在極端降水后才能產(chǎn)生響應(yīng)，且這一土層范圍滯后性最強(qiáng)。

2.3 土壤水分變化對(duì)降水脈動(dòng)響應(yīng)

2.3.1 土壤水分日變化對(duì)降水的脈動(dòng)響應(yīng) 如圖3所示，降水事件1(降水量7.2 mm)顯示，本次降水僅能使0—10 cm土層土壤含水量增加36.7%，大于10 cm土壤深度的土壤含水量影響較小，降水事件響應(yīng)天數(shù)為6 d(圖3a)；降水事件2(降水量18.0 mm)和降水事件3(降水量24.1 mm)能影響0—20 cm土壤水分，使0—10，10—20 cm土層土壤含水量分別增加70.0%及50.0%以上，土壤含水量對(duì)降水事件響應(yīng)天數(shù)分別為7 d和9 d(圖3b和圖3c)；降水事件4(降水量41.6 mm)的降水能影響0—50 cm土壤水分，使0—10，10—20，20—30，30—40，40—50 cm土壤含水量分別增加81.9%，73.3%，74.2%，78.3%及64.6%，降水事件響應(yīng)過程10 d(圖3d)。

圖2 2016-2018年內(nèi)蒙古自治區(qū)達(dá)茂旗荒漠草原土壤水分對(duì)降水的脈動(dòng)響應(yīng)

因此，由圖3可知，在達(dá)茂旗荒漠草原，相同降水量，降水時(shí)間較長(zhǎng)，即降水強(qiáng)度較小時(shí)，5.1～25.0 mm的降水可以入滲補(bǔ)給淺層(0—20 cm)土壤水分。

其中，在5.1～10.0 mm的降水過程中，土壤水分入滲深度為10 cm，在10.1～25.0 mm的降水過程中，土壤水分的入滲深度為20 cm；大于25.0 mm的降水才能補(bǔ)給更深層次的土壤水分，土壤水分的入滲深度為50 cm。

圖3 2016-2018年內(nèi)蒙古自治區(qū)達(dá)茂旗荒漠草原土壤含水量對(duì)降水響應(yīng)日變化

2.3.2 土壤水分逐小時(shí)變化對(duì)降水的脈動(dòng)響應(yīng) 降水后土壤含水量比降水前1 h增加5%以上時(shí)，土壤水分對(duì)降水有響應(yīng)，增加50%以上時(shí)，土壤水分響應(yīng)顯著。選取3組6次同一降水量級(jí)不同降水強(qiáng)度降水事件，進(jìn)一步分析降水強(qiáng)度對(duì)土壤水分的影響，3組降水事件降水量級(jí)分別為5.1～15.0，15.1～20.0，20.1～25.0 mm(如圖4所示)。

由圖4可知，降水事件1(降水量10.2 mm)的降水強(qiáng)度為0.7 mm/h，降水發(fā)生后0—10 cm土壤含水量在1 h后增加81.8%，大于10 cm深度土壤水分在24 h后無明顯變化甚至略有減少(圖4a)，降水事件2(降水量8.4 mm)的降水強(qiáng)度為2.1 mm/h，能夠使0—10，10—20 cm土壤含水量分別在1 h和5 h后增加78.2%和52.6%(圖4b)；降水事件3(降水量18.0 mm)的降水強(qiáng)度為1.4 mm/h，0—10，10—20 cm土壤含水量在1 h后分別增加73.9%和21.6%，大于20 cm深度土壤含水量在24 h后無明顯變化甚至略有減少(圖4c)，降水事件4(降水量17.0 mm)的降水強(qiáng)度為2.1 mm/h，能夠使0—10 cm土壤含水量在1，5，8 h后分別增加46.8%，41.0%及57.9%，大于10 cm深度土壤含水量增量較小甚至略有減小(圖4d)；降水事件5(降水量24.1 mm)的降水強(qiáng)度為1.7 mm/h，僅能使0—10，10—20 cm土壤含水量在1 h后分別增加84.8%和11.3%(圖4e)，降水事件6(降水量22.7 mm)的降水強(qiáng)度為3.2 mm/h，能夠使0—10，10—20，20—30，30—40 cm土層分別在8，8，12，24 h后增加77.6%，23.8%，29.2%及19.0%(圖4f)。

因此，在達(dá)茂旗荒漠草原5.1～15.0 mm和20.1～25.0 mm量級(jí)降水，降水強(qiáng)度對(duì)土壤水分響應(yīng)深度具有正反饋?zhàn)饔?，降水?qiáng)度越大土壤水分入滲深度越大，15.1～20.0 mm降水強(qiáng)度對(duì)土壤水分入滲深度具有負(fù)反饋?zhàn)饔?，降水?qiáng)度越大土壤水分入滲深度越小。降水強(qiáng)度對(duì)土壤水分入滲速率具有負(fù)反饋?zhàn)饔?，降水?qiáng)度越大土壤水分入滲速率越小，且隨降水量級(jí)增大降水強(qiáng)度對(duì)土壤水分負(fù)反饋?zhàn)饔迷鰪?qiáng)，5.1～15.0,15.1～20.0,20.1～25.0 mm的降水，降水強(qiáng)度較小時(shí)0—10 cm土壤水分均在1 h后就響應(yīng)顯著；降水強(qiáng)度較大時(shí)0—10 cm土壤水分分別在1，1，8 h后響應(yīng)，5，8，8 h后才能響應(yīng)顯著。

圖4 2016-2018年內(nèi)蒙古自治區(qū)達(dá)茂旗荒漠草原體積含水量對(duì)降水響應(yīng)小時(shí)變化

3 討 論

降水量較大時(shí)才能入滲補(bǔ)給根層土壤水分，滿足植物生長(zhǎng)發(fā)育，研究區(qū)大于25 mm量級(jí)降水事件雖然頻率較低，但降水總量最大，說明荒漠草原大降水事件發(fā)生較少，但可直接影響植被生存發(fā)展，與周海等[4]研究結(jié)果一致。隨土層加深，土壤含水量具有先增大，再減小的趨勢(shì)，這與有關(guān)研究領(lǐng)域的研究結(jié)果相似[19-20]，原因一方面在于荒漠草原植被覆蓋度小，地表裸露面積大，蒸發(fā)劇烈消耗表層土壤含水量；另一方面在于植物通過根系吸收土壤水分，滿足自身生長(zhǎng)發(fā)育，消耗根層土壤含水量。

研究區(qū)域內(nèi)發(fā)生5.1～10.0 mm降水入滲補(bǔ)給深度為10 cm，荒漠區(qū)相同降水量級(jí)入滲補(bǔ)給深度至少為20 cm[21]；研究區(qū)域內(nèi)發(fā)生10.1～25.0 mm降水事件入滲補(bǔ)給深度為20 cm，沙區(qū)相同降水量級(jí)入滲補(bǔ)給深度至少為40 cm[22]。說明相對(duì)沙區(qū)和荒漠區(qū)，荒漠草原土壤水分對(duì)降水量更為敏感，一個(gè)原因是相對(duì)荒漠區(qū)和沙區(qū)，荒漠草原沙化程度較低，土壤質(zhì)地多壤土，含砂量較少，土壤孔隙度更細(xì)小不利于降水入滲，陳娟等的研究中也發(fā)現(xiàn)砂黏比與土壤累積入滲量呈正比[23]；另一個(gè)原因是荒漠草原比沙區(qū)和荒漠區(qū)植被覆蓋度大，生物量多，因此植物蒸騰消耗水分更大。

降水強(qiáng)度增大時(shí)雨滴動(dòng)能增大有利于降水入滲，土壤水分響應(yīng)量及速率增大[24]；然而，降水強(qiáng)度大也會(huì)產(chǎn)生地表徑流，研究區(qū)植被稀少，莖葉能夠攔截的地表徑流量少，不利于降水入滲，土壤水分響應(yīng)量及速率減少。所以，降水強(qiáng)度對(duì)土壤水分入滲效率的影響，是雨滴動(dòng)能增大與地表徑流共同作用的結(jié)果，但其耦合機(jī)理尚不明確，有待日后進(jìn)一步研究分析。

降水入滲還與土壤物理、化學(xué)特性，植被以及地下水位等有關(guān)，達(dá)茂旗荒漠草原地表水缺乏且高度鹽漬化，地下水位埋深不到1 m[25-26]，地下水可以通過根系提升補(bǔ)給土壤水分[27]，對(duì)土壤水分再分布具有一定影響，今后需要加強(qiáng)這方面研究。本文未考慮土壤初始含水量對(duì)土壤水分入滲的影響，今后需要補(bǔ)充分析。

4 結(jié) 論

(1) 土壤剖面不同土層范圍土壤水分變化規(guī)律不同。土壤含水量變化與降水量變化趨勢(shì)存在一致性，但隨土壤深度增加，一致性減小；土壤含水量變化滯后于降水量變化，隨土壤深度增加，滯后性增強(qiáng)。

(2) 土壤水分對(duì)降水響應(yīng)過程復(fù)雜，主要受土壤初始含水量，降水模式即降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨時(shí)間等共同影響，與大部分研究結(jié)果一致[28-30]。降水強(qiáng)度較小時(shí)，降水量增大有利于降水入滲。降水量級(jí)較小(5.1～15.0 mm)或較大(20.1～25.0 mm)時(shí)，降水強(qiáng)度增大有利于降水入滲；降水量級(jí)中等(15.1～20.0 mm)時(shí)，降水強(qiáng)度增大不利于降水入滲。