松嫩平原沙丘-草甸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)土壤水分時(shí)空變化特征

胡 娟，禹樸家，周道瑋

(1.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所/吉林省草地畜牧重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130102；2.西南大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715)

0 引 言

土壤水分是制約干旱和半干旱地區(qū)生態(tài)格局和過(guò)程的關(guān)鍵非生物限制因子之一，它不僅決定著植被的種類、數(shù)量和分布，還深刻影響著土壤有機(jī)質(zhì)的礦化、生物固氮、植物根系對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收等過(guò)程[1-2]。同時(shí)，作為土壤中各種鹽分離子遷移的載體和介質(zhì)，土壤含水量的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化決定著土壤鹽分的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，尤其是在干旱、半干旱的鹽堿土區(qū)，了解土壤水分動(dòng)態(tài)變化是揭示土壤鹽堿形成與演化過(guò)程中土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律的前提和基礎(chǔ)[2-4]。

松嫩平原位于我國(guó)東北平原的中西部，是我國(guó)重要的商品糧和畜牧業(yè)發(fā)展基地，同時(shí)也是我國(guó)鹽堿化土壤的主要分布區(qū)之一[5-6]。近年來(lái)，由于區(qū)域內(nèi)草地和耕地資源的不合理利用，導(dǎo)致土壤鹽堿化面積和鹽堿化程度持續(xù)增加，嚴(yán)重限制了該區(qū)域農(nóng)牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[7-9]。土壤鹽堿化程度增加導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)發(fā)生顯著變化，極大的改變了土壤水鹽的運(yùn)移規(guī)律[10]。土壤水分的動(dòng)態(tài)變化是驅(qū)動(dòng)土壤鹽分發(fā)生變化的關(guān)鍵因素，因此要研究土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律，必須首先明確土壤水分在時(shí)間和空間上的分布規(guī)律[11-12]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同時(shí)空尺度土壤含水量的異質(zhì)性進(jìn)行了大量的研究，但這些研究大都集中在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和干旱的荒漠、半荒漠地區(qū)中，而缺少對(duì)土壤水分敏感的半濕潤(rùn)-半干旱的鹽堿土區(qū)研究[13-15]。此外，由于鹽堿土區(qū)地下水埋深較淺，導(dǎo)致土壤含水量測(cè)量深度較淺，觀測(cè)的地形較單一，缺乏對(duì)不同地形下深層土壤水分時(shí)空動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)[14,16]。因此，監(jiān)測(cè)不同地形下淺層和深層土壤含水量的時(shí)空變異性，揭示其水分的盈虧狀況，對(duì)于理解干旱、半干旱的鹽堿土區(qū)土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律，防治土壤鹽堿化及恢復(fù)植被等具有十分重要的意義。

本研究以松嫩平原西部典型的沙丘-草甸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)定5-10月坡頂沙丘、結(jié)合部和低處草甸0～300 cm土層深度的土壤含水量，從時(shí)間和空間兩方面分析了沙丘-草甸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)土壤含水量的變異性，以期為松嫩平原內(nèi)鹽堿土的水鹽運(yùn)移規(guī)律，土壤鹽堿化的防治以及鹽堿土的改良利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)嶺草地農(nóng)牧生態(tài)研究站(44°33′N,123°31′E)，位于吉林省松原市長(zhǎng)嶺縣腰井子種馬場(chǎng)。該區(qū)地處松嫩平原南部的農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)，區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，以低平原為主，有帶狀沙丘分布，平均海拔為145 m。氣候條件屬于溫帶半濕潤(rùn)、半干旱大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同期，年平均降水量為427 mm(1980-2013)，集中在6～9月(占年降水量的70%左右)，年蒸發(fā)量約1 600 mm；年均溫為5.9 ℃(1980-2013)，無(wú)霜期140 d，>10 ℃的有效積溫2 900～3 000 ℃。研究地點(diǎn)的土壤類型屬草甸鹽堿土，帶有高堿性的含鹽量，此外，研究區(qū)內(nèi)還分布著草甸土和風(fēng)沙土等土壤類型，pH值為7.5～10.5。主要植被類型為羊草(Leymuschinensis)草甸，主要優(yōu)勢(shì)植物包括羊草、虎尾草(Chlorisvirgata)、鹽地堿蓬(Suacdasalsa)和星星草(Puccinelliatenuiflora)等[17]。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，由于人口增長(zhǎng)對(duì)糧食需求的增加，草地的邊緣部分草甸被開(kāi)墾成農(nóng)田，用于種植玉米、向日葵和高粱等經(jīng)濟(jì)作物。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2016年在中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)嶺草地農(nóng)牧生態(tài)研究站沿沙丘-草甸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的橫斷面布置一條水分監(jiān)測(cè)斷面(圖1)。沙丘距離結(jié)合部300 m，結(jié)合部距離草甸380 m。分別于沙丘上部的平地(沙丘)、沙丘和低地草甸的中間地帶(結(jié)合部)和低地草甸中部(草甸)布設(shè)土壤含水量監(jiān)測(cè)點(diǎn)。2016年5-10月，每個(gè)月中旬對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用土鉆法采集土壤樣品，共取樣6次。在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)設(shè)置3個(gè)1 m1 m的土壤樣方進(jìn)行取樣。取樣深度為0～300 cm，分為10層，0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm、50～70 cm、70～100 cm、100～150 cm、150～200 cm、200～250 cm和250～300 cm。土壤含水量采用烘干法(105℃)測(cè)定。

圖1 沙丘-草甸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)不同部位土壤水分監(jiān)測(cè)斷面圖Fig.1 The map of soil monitoring sections of different sites in compound ecosystem with sand and meadow

2016年月平均降水量和月平均氣溫見(jiàn)圖2。6月、7月、8月的月平均氣溫在20℃以上，5月和9月的月均氣溫為16℃左右。10月的月均氣溫相對(duì)較低，僅為6℃左右。6月的月均降水量最多，其次為5月，7月和10月的月平均降水量則相對(duì)較低。

圖2 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)嶺草地農(nóng)牧生態(tài)研究站2016年月平均降水量和月平均氣溫Fig.2 The precipitation and air temperature of the Changling Ecological Research Station for Grassland Farming in 2016

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 16.0軟件對(duì)沙丘、草甸、沙丘和草甸結(jié)合部位的土壤含水量進(jìn)行LSD多重比較；采用SigmaPlot 10.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同部位土壤含水量

5月至10月，在0～300 cm土層土壤剖面上沙丘土壤水分含量變化范圍為3.03%～12.2%，結(jié)合部為2.03%～19.4%，草甸為4.81%～14.1%(表1)。單因素方差分析結(jié)果表明，不同部位平均土壤含水量呈顯著差異(P<0.05)。草甸的平均土壤含水量最高，達(dá)10.0%，顯著(P<0.05)高于沙丘和結(jié)合部；結(jié)合部的平均土壤含水量最低，為5.09%，顯著(P<0.05)低于沙丘。不同部位土壤含水量在空間上的變異系數(shù)亦存在明顯差異，其中結(jié)合部的變異系數(shù)最高為20.95%，其次為草甸和沙丘，分別為18.22%和13.48%。

表1 沙丘-草甸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)不同部位平均土壤含水量(n=150)Table 1 The mean soil water contents(SWC)of different sites under compound ecosystem with sand and meadow

2.2 不同部位土壤含水量垂直分布

沙丘-草甸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)不同部位的平均土壤含水量具有明顯的分層變化特征，但不同部位的變化趨勢(shì)明顯不同(圖3)。在0～300 cm土層垂直剖面上，沙丘和結(jié)合部的土壤平均含水量以100 cm深度為界明顯分為2個(gè)帶。在沙丘部位，0～100 cm深度中，隨土層深度增加土壤含水量從5.4%逐漸提高到7.2%；而100～300 cm深度中，隨土層深度增加，平均土壤含水量則從6.0%降低至5.0%。在結(jié)合部，0～100 cm深度中，隨土層深度的增加，平均土壤含水量從10.0%快速降低至2.8%；而在100～300 cm深度中，隨土層深度增加，平均土壤含水量則從3.2%增加至4.3%。在草甸部位，平均土壤含水量以30 cm和150 cm深度為界限被明顯分為3個(gè)帶，0～30 cm深度中，隨土層深度增加，平均土壤含水量從8.18%增加至11.0%；30～150 cm深度中，隨土層深度增加，平均土壤含水量從10.9%降低至8.97%；150～300 cm深度中，隨土層深度增加，平均土壤含水量從8.97%增加至11.2%。

變異系數(shù)可以用來(lái)表征土壤水分含量變化程度，變異系數(shù)值越大，表明土壤水分含量變化越劇烈；變異系數(shù)越小，則表明土壤水分含量越穩(wěn)定。雖然不同部位土壤平均水分含量的垂直分布特征明顯不同，但其變異系數(shù)的垂直變化特征則極為相似。0～100 cm深度中，隨土層深度增加變異系數(shù)明顯增加，而100～300 cm深度中，隨土層深度增加，變異系數(shù)則呈下降趨勢(shì)，其中100 cm中沙丘和草甸的變異系數(shù)最高，表明該深度土壤含水量變化程度最劇烈。

圖3 沙丘-草甸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)不同部位土壤平均含水量的垂直變化Fig.3 The average SWC of sand,middle area,and meadow in 0-300 cm soil in compound ecosystem with sand and meadow

2.3 不同部位不同月份土壤含水量垂直分布

6-8月沙丘、結(jié)合部和草甸在0～300 cm剖面的土壤含水量垂直變化趨勢(shì)極為相近(圖4)。6-8月草甸中各深度的土壤含水量均高于沙丘和結(jié)合部，0～20 cm深度中，結(jié)合部的土壤含水量高于沙丘，20～200 cm深度中，結(jié)合部的土壤含水量則低于沙丘。6月、7月和8月，與沙丘相比，結(jié)合部0～10 cm深度中的土壤含水量分別比較沙丘提高了36.8%、34.8%和84.9%；10～20 cm則分別提高了88.0%、40.5%和74.4%。在9月，結(jié)合部0～10 cm深度中，土壤含水量分別比草甸和沙丘增加了83.8%和118.2%。同時(shí)，9月中，結(jié)合部在10～20 cm深度的土壤含水量較沙丘提高了42.6%，但較草甸降低了21.7%。在10月，結(jié)合部0～30 cm深度0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm深度的土壤含水量分別比草甸增加了48.7%、30.5%和10.0%，比沙丘分別增加了170%、111%和51.3%。

圖4 沙丘-草甸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)不同部位5-10月土壤含水量的垂直變化Fig.4 The vertical distributions of SWC from May to October under compound ecosystem with sand and meadow

2.4 不同部位土壤含水量月動(dòng)態(tài)變化

沙丘草甸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的平均土壤含水量存在明顯的月動(dòng)態(tài)變化(表2)。各月份平均土壤含水量均表現(xiàn)為草甸明顯高于沙丘和結(jié)合部。草甸中，平均土壤含水量月動(dòng)態(tài)變化表現(xiàn)為9月>7月>6月>10月>8月>5月，且9月、7月、6月和10月平均土壤含水量顯著高于5月和8月(P<0.05)。沙丘中，9-10月平均土壤含水量顯著高于其他月份(P<0.05)，其中9月平均土壤含水量較5-8月提高了52.0%～90.7%，較10月提高了61.1%～102%。且10月平均土壤含水量略高于9月，但差異不顯著。結(jié)合部中，平均土壤含水量月動(dòng)態(tài)變化表現(xiàn)為10月>9月>5月>7月>6月>8月。其中，10月平均土壤含水量較9月和5月分別增加了32.7%和40.9%，且均達(dá)顯著水平(P<0.05)。

表2 沙丘-草甸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)不同部位土壤含水量月動(dòng)態(tài)變化Fig.2 The average SWC of sand,middle area,and meadow from May to October in compound ecosystem with sand and meadow

2.5 不同部位土壤含水量隨土層深度的月動(dòng)態(tài)變化

沙丘-草甸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)不同部位不同深度土壤含水量具有明顯的月動(dòng)態(tài)變化特征(圖5)。沙丘中，各月份土壤含水量隨土層深度的增加均表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。5月、6月、7月和8月中，沙丘的土壤含水量均在70～100 cm深度達(dá)到最大值(4.85%～6.77%)；9月和10月則在50～70 cm深度達(dá)到最大值(10.2%～11.0%)。結(jié)合部中，5月、6月、7月和8月土壤含水量在0～100 cm深度分別由7.38%、5.80%、5.93%和6.15%降低至3.59%、3.12%、2.92%和2.03%。結(jié)合部中，9月和10月0～30 cm深度土壤含水量較高。草甸中，各月份的土壤含水量表現(xiàn)為“增加-降低-增加”的趨勢(shì)，且6月、7月、8月和9月的變化趨勢(shì)更為明顯。

3 討 論

水分狀況是氣候、植被、地形及土壤因素等自然條件的綜合反映[7]。在松嫩平原的典型沙丘-草甸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，不同部位土壤水分的時(shí)空分布存在明顯差異。本研究表明，平均土壤含水量表現(xiàn)為草甸>沙丘>結(jié)合部，且草甸的平均土壤含水量極顯著高于沙丘和結(jié)合部。其原因主要是：草甸的地勢(shì)低，能夠聚集較多的雨水[16-17]。結(jié)合部地處沙丘和草甸的中間地帶，雖然其地勢(shì)明顯低于沙丘，但平均土壤含水量則極顯著低于沙丘，這主要與土壤質(zhì)地和氣候有關(guān)[18]，結(jié)合部鹽堿活動(dòng)較為劇烈，土壤孔隙小，黏度大，水分下滲困難[19]。本研究采樣時(shí)間(2016年)屬干旱年份，降雨較少，蒸發(fā)較高，導(dǎo)致水分截留少，土壤含水量較低。因此，盡管沙丘的地勢(shì)相對(duì)較高，雨水隨山坡往下流淌，但沙丘的土壤質(zhì)地比較松散，孔隙較大，有利于下滲水分的貯存[20]。

沙丘-草甸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中，不同部位的土壤水分變異系數(shù)范圍為13.5%～20.5%，說(shuō)明不同部位不僅影響土壤含水量的水平變化，同時(shí)還影響其空間變異。土壤水分在剖面上的變化主要取決于土壤質(zhì)地和植物-根系分布的垂直異質(zhì)性[21]。另外，降水、下滲、地下水埋深是導(dǎo)致不同部位土壤水分含量垂直分布特征不同的主要原因[22]。沙丘和結(jié)合部平均土壤含水量以100 cm土層為界劃分為2個(gè)帶，這與朱海等[16]在古爾班通古特沙漠南緣發(fā)現(xiàn)的土壤含水量的垂直分布特征相似，雖然具體分界深度不同。沙丘和結(jié)合部中，平均土壤含水量的變化趨勢(shì)則相反。沙丘的平均土壤含水量在0～100 cm土層快速增加，在100～300 cm土層緩慢降低，這說(shuō)明沙丘土壤水分運(yùn)動(dòng)主要以下滲為主；結(jié)合部的平均土壤含水量在0～100 cm土層快速降低，在100～300 cm土層緩慢增加，這說(shuō)明結(jié)合部土壤水分下滲困難，較多的水分集中在上層土壤中，而下層土壤含水量受地下水的影響而增加。

圖5 沙丘-草甸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)不同部位土壤含水量隨土層深度的月動(dòng)態(tài)變化Fig.5 Monthly dynamics of SWC of sand,middle area,and meadow in different soil layers in compound ecosystem with sand and meadow

草甸中，平均土壤含水量以30 cm和150 cm為界分為3個(gè)帶，具體表現(xiàn)為“先增加，后降低，再增加”的變化趨勢(shì)。在0～30 cm深度，草甸的平均土壤含水量隨土壤深度增加而逐漸增加，其原因可能與地表蒸發(fā)有關(guān)。草甸由于地勢(shì)低洼是鹽堿高發(fā)區(qū)，其植被的覆蓋度低，較多裸露的地表加速了表層土壤水分的蒸發(fā)，導(dǎo)致表層土壤水分較低。結(jié)合部中，0～30 cm土層深度平均土壤含水量明顯高于沙丘，而30 cm以下深度的平均土壤含水量明顯低于沙丘，這進(jìn)一步說(shuō)明結(jié)合部土壤水分難下滲，而沙丘土壤水分主要以下滲為主。草甸的地勢(shì)最低，平均土壤含水量極顯著高于沙丘和結(jié)合部，但0～10 cm土層土壤含水量低于結(jié)合部，其原因與地表蒸發(fā)有關(guān)。結(jié)合部的植被主要為羊草，植被覆蓋度較高，植被對(duì)地表的保護(hù)減弱了蒸發(fā)作用，進(jìn)而使上層土壤保持較高的水分含量。沙丘和結(jié)合部的平均土壤含水量均在0～100 cm土層深度變化幅度較大，而在100 cm以下土層深度變化幅度較小。這說(shuō)明0～100 cm深度的土壤由于受降水、地表蒸發(fā)、風(fēng)速、孔隙水?dāng)U散和水分下滲等因素的直接影響，土壤含水量變化劇烈，屬于土壤含水量變化的活躍層；而100 cm以下深度的土壤受氣象條件影響較小，水分主要來(lái)自上部下滲水，水分運(yùn)行緩慢，含水量相對(duì)穩(wěn)定，屬相對(duì)穩(wěn)定層。而草甸中，平均土壤含水量在0～150 cm土層變化較大，屬相對(duì)活躍層，150 cm以下土層平均土壤含水量受地下水位的變化而變化[16]。

周宏飛等[23]對(duì)沙漠南緣沙丘不同季節(jié)不同部位土壤含水量進(jìn)行了對(duì)比，認(rèn)為沙丘土壤含水量有明顯季節(jié)變化和分層變化，植被和地形對(duì)土壤水分的空間分異的作用也較為明顯。植物生長(zhǎng)和季節(jié)的動(dòng)態(tài)變化是影響土壤水分時(shí)間變化的關(guān)鍵因素[24-25]。本研究也發(fā)現(xiàn)沙丘-草甸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)不同部位平均土壤含水量具有明顯的月動(dòng)態(tài)變化。沙丘、結(jié)合部和草甸在9-10月平均土壤含水量較高，這與汪星等[26]在黃土高原密植棗林的研究基本相同，他們研究發(fā)現(xiàn)5年齡的棗林土壤含水量在5-8月較低，而在9-10月土壤含水量明顯增加。本研究還發(fā)現(xiàn)，隨月份的增加，土壤水分含量最大值出現(xiàn)的土層深度逐漸向表層移動(dòng)。9月和10月結(jié)合部表層土壤含水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于沙丘和草甸，在土壤表層積累了大量水分，其原因一方面可能與逐漸降低的氣溫、蒸發(fā)量及降水有關(guān)，另一方面可能與植被的生育期有關(guān)，隨月份的增加，植物逐漸枯萎，對(duì)根層水分的吸收減弱。同時(shí)，結(jié)合部(羊草)的植被覆蓋度高于草甸(鹽地堿蓬)，較少的地表裸露和蒸發(fā)也是導(dǎo)致9-10月表層土壤含水量高于草甸的原因之一。

4 結(jié) 論

受地形、地質(zhì)及季節(jié)的影響，沙丘-草甸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中，不同部位土壤含水量的時(shí)空分布存在明顯差異。不同部位的平均土壤含水量表現(xiàn)為草甸>沙丘>結(jié)合部。不同部位的平均土壤水分在0～300 cm垂直剖面上分層現(xiàn)象明顯，沙丘和結(jié)合部的以100 cm深度為界分為2個(gè)帶，而草甸則以30 cm和150 cm深度劃分為3個(gè)帶。沙丘平均土壤含水量隨土層深度呈先增加后降低變化趨勢(shì)，結(jié)合部呈先降低后增加變化趨勢(shì)，草甸呈先增加后降低再增加變化趨勢(shì)。不同部位土壤含水量具有明顯的月動(dòng)態(tài)變化特征，沙丘和結(jié)合部中，9-10月的土壤含水量較高，且土壤含水量最大值分別出現(xiàn)在50～70 cm和0～30 cm深度。該結(jié)果為松嫩平原內(nèi)鹽堿土的水鹽運(yùn)移規(guī)律，土壤鹽堿化的防治以及鹽堿土的改良利用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。