烏蘭布和沙漠白刺灌叢沙堆丘間地黏土層土壤水分時空格局及其對降雨變化的響應(yīng)

李新樂劉雅婧孫 非王丹陽安景源牧 仁張景波

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 沙漠林業(yè)實驗中心,內(nèi)蒙古 磴口015200;2.內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,內(nèi)蒙古 磴口015200;3.國家林業(yè)和草原局 植物新品種測定中心 磴口分中心,內(nèi)蒙古 磴口015200)

土壤水分是綜合氣候、土壤以及植被對水分平衡響應(yīng)和水分平衡對植被動態(tài)影響的關(guān)鍵變量[1-3],因此土壤水分動態(tài)監(jiān)測始終是生態(tài)系統(tǒng)定位觀測的重要內(nèi)容。對于干旱荒漠區(qū)而言,降水是該區(qū)域土壤水分補給的主要甚至唯一來源,土壤水分狀況與降水量大小、降水格局關(guān)系密切[4]。因此,研究干旱區(qū)土壤水分時空格局及其對降水格局變化的響應(yīng)可以更好地揭示荒漠生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的生態(tài)水文學(xué)機理[5-6],這也是干旱區(qū)植被恢復(fù)與重建過程中亟須解決的關(guān)鍵問題[7]。與其他地區(qū)相比,降水在干旱地區(qū)具有極大的不確定性,主要表現(xiàn)為降水呈脈動特征[8],較大降水會導(dǎo)致明顯的土壤水分脈動現(xiàn)象,而較小的降水只能導(dǎo)致淺層土壤的水分入滲[9]。由此可見,不同的降水事件對土壤中水分的影響不同,有學(xué)者研究表明,當(dāng)降水量大于10 mm時,能夠有效地補給土壤水分,促進(jìn)沙地近地表水分循環(huán)[10]。而當(dāng)降水量小于5 mm時,少量的降水對土壤水分幾乎起不到補充的作用[11]。

丘間地是指沙丘(或者沙堆)之間的低洼地,是干旱區(qū)土壤水分循環(huán)的重要組成部分[12]。目前,以丘間地作為研究對象來開展土壤水分研究的報道極少,董義陽等[13]以古爾班通古特沙漠南緣丘間地為研究對象,應(yīng)用壓力膜儀測定了丘間地剖面各土層(0—150 cm)的土壤水分特征曲線,并用最優(yōu)擬合模型對其進(jìn)行了模擬。周學(xué)雅等[14]研究表明,科爾沁沙地丘間低地雨前土壤水分隨深度增加,直至飽和含水量,其變化范圍在3.88%～21.57%。雨后0—90 cm深度土壤水分增加,其中0—10 cm深度水分增量較大,其范圍是6.29%～20.3%,其余深度水分增量較小。阿拉木薩等[15]研究發(fā)現(xiàn)丘間低地淺層土壤中黏土和有機質(zhì)含量較高且根系較多使得0—20 cm土壤持水能力較強,減小了間歇性降雨導(dǎo)致的蒸發(fā)。干旱區(qū)貢獻(xiàn)率較大的大降雨事件和占有較大比重的小降雨事件均會在土壤水分循環(huán)中產(chǎn)生重要作用,并存在明顯的差異性,然而,關(guān)于不同降雨量對丘間地土壤水分補給差異缺乏對比研究。此外,對丘間地土壤水分的研究手段還比較單一,主要是在降雨后定期進(jìn)行取樣,數(shù)據(jù)量較少,且缺乏連續(xù)性,無法反映土壤水分時空動態(tài)變化的全過程。

烏蘭布和沙漠位于中國北方敏感的生態(tài)過渡帶,境內(nèi)分布大面積的荒漠植被,其中以唐古特白刺為建群種的白刺荒漠是分布較廣的天然荒漠植被類型[16]。丘間地是烏蘭布和沙漠白刺荒漠景觀中非常重要的組成部分,鑲嵌在白刺灌叢沙堆周圍,在降雨再分配及灌叢沙堆土壤水分循環(huán)過程中發(fā)揮著重要作用,由于受到干旱區(qū)試驗條件惡劣以及研究手段的限制,目前對丘間地的研究一直未引起重視,限制了我們對其生態(tài)水文效應(yīng)的認(rèn)識[17]。干旱區(qū)降雨稀少,1 a內(nèi)無法采集到不同量級的降雨事件,本研究通過對白刺灌叢沙堆周圍的丘間地土壤水分進(jìn)行連續(xù)2 a監(jiān)測,系統(tǒng)分析不同降雨條件下丘間地黏土層的土壤水分空間格局及時間動態(tài),量化降雨量、雨前土壤水分含量與丘間地黏土層土壤水分入滲和保持時間的關(guān)系,為準(zhǔn)確評估丘間地在白刺灌叢沙堆土壤水分循環(huán)和保持土壤水分穩(wěn)定性的作用提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究樣地選擇白刺灌叢沙堆長期固定監(jiān)測大樣地,該樣地建于2013年,位于國家林草局內(nèi)蒙古磴口生態(tài)站西側(cè),地理坐標(biāo)為106°45′27″E,40°25′53″N,樣地大小為1 km×1 km(100 hm2),樣地四周使用鐵絲圍欄進(jìn)行封閉式管理,防止人為和牲畜干擾和破壞。區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶愿珊禋夂?年平均氣溫7.8℃,多年平均降雨量約145 mm,降雨主要集中在6—9月,約占全年降雨的70%～80%,年蒸發(fā)量約2 327 mm,無霜期136 d。植被類型屬于溫帶灌木荒漠,唐古特白刺(Nitrariatangutorum)是大樣地內(nèi)的優(yōu)勢植物,主要以白刺灌叢沙堆的形式存在[7],伴生種有油蒿(Artemisiaordosica)、沙米(Agriophyllumsquarrosum)、燭臺蟲實(Corispermumcandelabrum)、沙竹(Psammochloavillosa)、霧冰藜(Bassia dasyphylla)、三芒草(Aristidaadscensionis)和豬毛菜(Salsolacollin)等。大樣地內(nèi)大部分灌叢沙堆完全獨立分布,個別沙堆之間存在互相重疊的現(xiàn)象,沙堆之間主要由丘間地黏土層包圍,丘間地地勢較為平坦。根據(jù)附近地下水位長期監(jiān)測數(shù)據(jù),地下水位常年在5 m以下,無法補給該區(qū)域丘間地黏土層土壤水分,因此土壤水分變化只受自然降水的影響。

2 測定內(nèi)容與方法

2.1 測定內(nèi)容

在樣地內(nèi)選擇4個生長良好、完全獨立和大小一致的白刺灌叢沙堆(表1),沙堆周圍被丘間地黏土層包圍。安裝4套EM50土壤水分自動監(jiān)測系統(tǒng),土壤水分傳感器安裝在丘間地黏土層正下方,在垂直方向上的安放深度分別為5,10,15,20和25 cm共5層,不同層次土壤水分傳感器上下垂直排布,以觀察降雨發(fā)生后丘間地黏土層土壤水分變化特征、垂直入滲過程和入滲深度(圖1),土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)在生長季(5—10月)的讀取時間間隔設(shè)置為5 min,在非生長季(11月至翌年4月)設(shè)置為3 h,儀器于2019年8月安裝,為減少按照儀器時土壤破壞和擾動對測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)度的影響,分析使用2020—2021年的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)。

表1 白刺灌叢沙堆基本信息

圖1 丘間地黏土層景觀及土壤水分傳感器安裝

2.2 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2019將2020—2021年采集的丘間地黏土層土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)整理為小時數(shù)據(jù)、日值數(shù)據(jù)、月值數(shù)據(jù)和年際數(shù)據(jù),計算不同土層深度下丘間地黏土層平均土壤水分含量均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù),分析自然降雨環(huán)境下丘間地黏土層土壤水分垂直分布空間格局和時間動態(tài)。同時,結(jié)合2020—2021年典型自然降雨事件,分析不同降雨量下丘間地黏土層土壤水分垂直入滲規(guī)律。通過OriginPro 2021對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析及制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 丘間地黏土層土壤水分空間變異特征

從表2中可以看出,隨土層深度的增加,丘間地黏土層年平均土壤水分含量逐漸增大,而年平均土壤水分含量標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)則呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。通過比較不同土層深度土壤水分含量的標(biāo)準(zhǔn)差發(fā)現(xiàn),0—15 cm土層標(biāo)準(zhǔn)差較大。2020和2021年丘間地黏土層0—25 m土層土壤水分的變異系數(shù)均在10%～100%之間,根據(jù)變異系數(shù)劃分等級,土壤水分變異程度為中度變異。

表2 丘間地黏土層土壤水分垂直分布變異特征

3.2 丘間地黏土層土壤水分動態(tài)

從圖2可以看出,丘間地黏土層不同土層深度的土壤含水量變化趨勢較為一致,但在不同降雨年型存在明顯差異。

圖2 不同降雨年型下丘間地黏土層土壤水分動態(tài)

對于2020年(豐水年)而言,丘間地黏土層土壤水分在5—10月波動較為明顯,特別是0—15 cm深度土層土壤水分受到間斷性降雨的影響變化較大。對于2021年(枯水年)而言,丘間地黏土層土壤水分波動較小,僅在3月底受到大雨事件(降雨量為40.6 mm)的影響有一次明顯的增加過程,而后土壤水分緩慢下降,在6月初恢復(fù)到降雨前的水平,之后土壤水分變化較小,在9月22日遇到小雨事件后15 cm土層深度內(nèi)土壤水分略微增加后恢復(fù)到降雨前的水平。對于丘間地黏土層不同深度土層而言,15 cm以下土層土壤水分含量一直維持在較高水平,土壤含水量基本在10%以上。由此可見,丘間地黏土層0—15 cm淺層土壤水分受到降雨影響波動較大,15 cm以下土層只有在大雨事件后有明顯波動。

3.3 不同降雨量對丘間地黏土層土壤水分入滲深度的影響

對于白刺沙堆周圍丘間地黏土層而言,不同降雨量對丘間地黏土層土壤水分入滲深度的影響有所不同(圖3)。5.7 mm的降雨只能影響0—5 cm土層的土壤水分,與降雨前土壤水分含量相比,5.7 mm的降雨使5 cm深度土層土壤水分含量增加2.2倍;11.9 mm的降雨對0—10 cm土層土壤水分產(chǎn)生顯著影響,但是對10 cm以下土層土壤水分無顯著影響。與降雨前相比,11.9 mm降雨分別使5 cm和10 cm土層深度土壤含水量提高2.6倍和1.4倍;20.1 mm的降雨對0—15 cm土層土壤水分產(chǎn)生顯著影響,15 cm以下土層土壤水分沒有變化,20.1 mm降雨分別使5,10和15 cm土層深度土壤含水量提高了2.8,2.3和1.9倍。27.8 mm的降雨對0—25 cm土層土壤水分均產(chǎn)生影響,土壤水分有不同程度的提高,分別使5,10,15,20和25 cm土層深度土壤水分提高了4.2,3.6,2.3,1.9和2.0倍;40.6 mm的降雨可以影響0—25 cm土層深度(甚至更深土層)的土壤水分,使不同土層深度的土壤水分含量大幅增加,分別使5,10,15,20和25 cm土層深度土壤水分提高4.7,3.5,3.1,2.8和2.7倍。

圖3 丘間地黏土層土壤水分入滲深度對不同降雨量的響應(yīng)

此外,圖3顯示,隨著降雨后時間的延長,各土層土壤水分呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢。從降雨前后土壤水分變化過程可以看出,5.7和11.9 mm降雨下土壤水分恢復(fù)到雨前水平需要20 d的時間;而對于20.1 mm降雨而言,在降雨后20 d,5和10 cm土層土壤水分含量仍然較降雨前土壤水分含量高;對于27.8和40.6 mm降雨而言,在降雨后20 d,0—25 cm土層深度土壤水分含量仍然顯著高于降雨前土壤水分。從各土層土壤水分含量變化速率可以看出,5 cm和10 cm土層土壤水分含量在降雨后變化最大,土壤水分含量達(dá)到9.2%～30.4%,但隨著降雨后時間的延長逐漸降低,15 cm以下土層土壤含水量在受到大雨事件影響后明顯升高,土壤水分含量在10%以上,并且土壤水分下降極為緩慢。綜上可知,對于丘間地黏土層而言,大雨事件對丘間地黏土層土壤水分具有明顯的補給作用,并且降雨后土壤水分變化較為緩慢,丘間地黏土層特殊的土壤結(jié)構(gòu)能夠抑制下層土壤水分蒸發(fā),具有較好的保水作用。

3.4 降雨量、雨前土壤水分與丘間地黏土層土壤水分入滲深度的關(guān)系

降雨發(fā)生后,丘間地黏土層土壤水分將進(jìn)一步下滲,從圖4可以看出,降雨后丘間地黏土層土壤水分的最大下滲深度與降雨量大小呈顯著的正相關(guān)關(guān)系,降雨量大小能夠解釋丘間地黏土層土壤水分最大入滲深度的88.1%(p＜0.001)。由線性擬合方程可知,降雨量平均每增加1 mm,土壤水分下滲深度增加0.57 cm。同時,降雨前土壤水分含量也是影響丘間地黏土層土壤水分下滲的重要因素,表現(xiàn)為雨前土壤水分含量越高,單位降雨量的下滲深度越小(圖4,p＜0.001),雨前土壤水分含量每增加1%,單位降雨量的下滲深度下降0.02 cm,可見雨前土壤水分含量較高時反而不利于丘間地黏土層土壤水分的繼續(xù)下滲。

圖4 降雨后土壤水分下滲深度與降雨量及降雨前土壤水含量的關(guān)系

3.5 降雨量、雨前土壤水分與丘間地黏土層土壤水分保持時間的關(guān)系

從圖5可以看出,降雨量大小對丘間地黏土層土壤水分保持時間的變化有顯著影響。降雨量能夠解釋土壤水分保持時間75.8%(p＜0.01)的變化,隨著降雨量的增加,降雨后土壤水分保持時間呈現(xiàn)顯著增加的趨勢,降雨量平均每增加1 mm,丘間地黏土層土壤水分保持時間增加1.05 d,這說明大雨事件對于補充并維持丘間地黏土層土壤水分具有非常重要作用。以2021年3月31日降雨為例,該次降雨量為40.6 mm,通過土壤水分監(jiān)測數(shù)據(jù)可知,10 cm土層土壤水分經(jīng)過59 d后才恢復(fù)到降雨前的水分含量。此外,圖5表明降雨前土壤水分含量對降雨后丘間地黏土層土壤水分保持時間也有顯著的正效應(yīng),雨前土壤水分含量越高,降雨后土壤水分保持時間越長,雨前土壤水分含量平均每增加1%,丘間地黏土層土壤水分保持時間增加9.85 d,這也表明丘間地黏土層土壤具有較好的蓄水性和保水性。

圖5 降雨后土壤水分保持時間與降雨量及降雨前土壤水含量的關(guān)系

4 討論

4.1 影響丘間地黏土層土壤水分入滲的因素

土壤水分是土壤植物大氣連續(xù)體(SPAC)系統(tǒng)中降雨—產(chǎn)流—入滲4水轉(zhuǎn)換的主要紐帶[18-20],降雨是研究區(qū)土壤水分補給的唯一來源,影響丘間地黏土層土壤水分入滲的因素可以為內(nèi)因和外因,內(nèi)因包括土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、土壤容重、土壤孔隙度和土壤粒徑等在內(nèi)的土介質(zhì)的相關(guān)理化性質(zhì)[21-23],外因包括降雨量、降雨強度、初始土壤水分含量、植被覆蓋程度和微地貌結(jié)構(gòu)等自然或人為條件[24-28]。由于丘間地黏土層土壤質(zhì)地十分緊密,土壤顆粒組成中細(xì)顆粒含量較高,并且大部分區(qū)域表層有一定蓋度的物理結(jié)皮,導(dǎo)致其表層具有較強的阻水能力,較大的降雨后容易形成地表徑流,從而減少了降雨的入滲量,因此限制了土壤水分的下滲[29]。同時,降雨量大小是決定丘間地黏土層土壤水分補給深度的最重要因素[30]。本研究結(jié)果表明,降雨后丘間地黏土層土壤水分的最大下滲深度與降雨量大小呈顯著的正相關(guān)關(guān)系,表現(xiàn)為降雨量平均每增加1 mm,土壤水分下滲深度增加0.57 cm。此外,降雨前土壤水分含量也是影響丘間地黏土層土壤水分下滲的重要因素,表現(xiàn)為雨前土壤水分含量越高,單位降雨量的下滲深度越小,雨前土壤水分含量每增加1%,單位降雨量的下滲深度下降0.02 cm,雨前土壤水分含量過高能夠抑制丘間地黏土層土壤水分的繼續(xù)下滲。采用徑流—入流—出流法測量結(jié)果表明,土壤入滲性能與降雨量有顯著的正相關(guān)關(guān)系,但與初始土壤水分含量之間的關(guān)系為負(fù)相關(guān)關(guān)系,而且隨著降雨量的增加,土壤水分含量變化對土壤入滲性能的影響程度逐漸降低[31]。李毅和邵明安[24]的研究結(jié)果也表明,隨著降雨量增大,土壤入滲率和穩(wěn)定入滲率均有增大的趨勢,上述研究結(jié)論與本研究結(jié)果基本一致。

4.2 丘間地黏土層土壤水分空間格局及動態(tài)

不同大小的降雨量通過影響丘間地黏土層土壤水分入滲過程,進(jìn)一步影響土壤水分空間格局,小于10 mm的降雨只能影響10 cm以內(nèi)的土壤水分,無法補給10 cm以下土壤水分,只有較大降雨事件后才能充分補給黏土層10 cm以下土壤水分。從丘間地黏土層土壤水分年際變異特征來看,丘間地黏土層土壤水分的變異程度較小,在無降雨的條件下,土層深度越深,土壤水分含量越高,其中土壤表層的平均水分含量最小,深度越大土壤平均水分含量越大。在降雨過程中,土壤水分受到降雨量、雨前土壤水分含量和土層深度等的影響出現(xiàn)不同程度的變化,隨著降雨后的時間延長,丘間地黏土層表層土壤水分含量有所下降,而下層土壤水分含量則是一個緩慢減少的過程,越往深層土壤水分減少越慢。說明丘間地黏土層土壤水分的穩(wěn)定性較好,具有較好的蓄水保水效果。

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)域丘間地黏土層0—25 cm土層土壤水分的變異程度均為中度變異。表層(0—15 cm)土壤水分變異性較大,下層(15 cm以下)土壤水分變異性較小。

(2)大雨事件對丘間地黏土層土壤水分具有明顯的補給作用,降雨后土壤水分降低較為緩慢,說明丘間地黏土層能夠抑制下層土壤水分蒸發(fā),具有較好的蓄水保水效果。

(3)降雨量大小與丘間地黏土層土壤水分入滲深度和土壤水分保持時間均具有顯著的正相關(guān)關(guān)系,雨前土壤水分含量過高會抑制丘間地土壤水分的繼續(xù)下滲,但對降雨后土壤水分保持時間有顯著的正效應(yīng)。