荒漠草原不同土地利用類型土壤水分對降水的響應

陳 林，宋乃平，楊新國，李學斌

(1.寧夏大學西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建教育部重點實驗室，銀川 750021；2.寧夏大學西北土地退化與生態(tài)恢復國家重點實驗室培育基地，銀川 750021；3.寧夏大學生態(tài)環(huán)境學院，銀川 750021)

土壤水分作為水循環(huán)的一個重要參數(shù)，是生態(tài)系統(tǒng)功能的關鍵因素，作為紐帶連接著降水、地表水和地下水，對植被組成和物種豐富度有著重要貢獻，也極大影響著生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力。在干旱和半干旱地區(qū)，土壤水分具有較高的時空變異性，是植被恢復和生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的主要限制因素。因此，土壤水分與不同土地利用類型之間的關系引起極大的關注。有研究表明，在正常氣候條件下，土地利用差異是決定土壤水分變化的主導因素，且對0—500 cm土層的土壤含水量有顯著影響。由降水引起的土壤水分是荒漠草原植物的主要甚至是唯一水源，因此，研究土壤水分對降水的響應有助于深入理解和解釋未來降水格局變化對干旱半干旱生態(tài)系統(tǒng)關鍵過程的影響。

在干旱少雨的荒漠草原，有限的降水資源往往并未得到有效的利用，因此，由降水引發(fā)的土壤水分變化對該區(qū)域生物過程中的作用顯得更為重要。許多物種分布在荒漠草原的斑塊中，對土壤于多年生草本植物同樣有著較大的影響。反過來，不同土地利用類型條件下的植被能夠改變降水的再分布而水分特別敏感，有研究發(fā)現(xiàn)，低灌木地區(qū)的土壤含水量比其他植被類型具有更高的時間穩(wěn)定性，而有不同的土壤水分輸入過程。目前，關于不同土地利用類型降水入滲過程和累積入滲的資料仍然較少。

2003年寧夏全區(qū)實施退耕還林(草)工程后，荒漠草原植被覆蓋度提高，主要是大面積建植的人工林，如中間錦雞兒。然而，不適宜的植被建設可能導致土壤干層的發(fā)生，而根區(qū)缺水可能會持續(xù)限制植被的生長。通過開展不同土地利用類型對土壤水分影響的研究，將有助于了解造成缺水的機制和解決長期植被恢復不良的問題，這對可持續(xù)利用降水資源、合理管理各種土地利用類型都至關重要。因此，需要更好地了解荒漠草原不同土地利用類型土壤水分和降水之間的關系，以避免上述問題的發(fā)生。因此，什么樣的土地利用方式可以更好的利用有限的降水資源，是值得探討的問題。

本文選取荒漠草原3種典型土地利用方式(沙地、天然草地和灌木林地)，基于降水和土壤水分的時間高分辨率連續(xù)動態(tài)監(jiān)測，分析土壤水分時間動態(tài)和空間分布、濕潤鋒推進以及降水入滲量等特征，探討荒漠草原降水對不同土地利用類型下土壤水分的補給特征，以期為利用降水資源和維持生態(tài)恢復的最優(yōu)土地利用方式提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于毛烏素沙漠西南緣的寧夏回族自治區(qū)鹽池縣皖記溝行政村，該區(qū)域海拔1 230 m。1954—2016年的年降水量為145～587 mm，多年平均降水量為290 mm，大約70%的降水發(fā)生在6—9月，而蒸發(fā)量則是降水量的6～7倍。土壤類型以風沙土和灰鈣土為主，松散的基巖風化沉積土呈斑塊狀裸露分布。主要植被類型為灌木和天然草地，大多數(shù)植物的生長期從5月開始，至10月結束。

1.2 試驗設計與數(shù)據(jù)采集

選取研究區(qū)內(nèi)相對平坦的天然草地(冰草)、灌木林地(中間錦雞兒)和沙地(對照)3種典型土地利用類型作為研究對象。每個研究地點的代表性土壤剖面、粒徑、容重、植被覆蓋和高度信息見表1和表2。灌木地為中間錦雞兒成行種植，行距約為6 m，株距為1.0～1.5 m。通過土鉆采樣或TDR傳感器等不同的測量技術，可以獲得一定區(qū)域和特定時刻的原位土壤水分數(shù)據(jù)，而土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)(HOBO, H21, USA)可以長時間、連續(xù)自動記錄并存儲土壤水分含量值，減少數(shù)據(jù)采集所需的時間和人力。考慮到試驗精度的問題，不同土地利用類型的土壤水分監(jiān)測應具有相同的精度和頻率。本研究中的土壤水分監(jiān)測探頭(HOBO, S-SMC-M005, USA)測量范圍為0～0.55 m/m，在0～50 ℃范圍內(nèi)精度為±0.031 m/m。灌木地中土壤水分傳感器安置于中間錦雞兒冠層邊緣到莖部的中間位置，其他土地利用類型均位于各試驗樣地的中間位置。將該探頭分別安裝在地表以下5，10，20，40，60，80，100，150，200，250 cm處。探頭安裝時，在土壤中鉆1個足夠大的坑，探頭放置在10 cm以下(不包括10 cm)，插入土壤中垂直放置，在5，10 cm深度時將探頭水平放置。安裝完成后，對土坑進行仔細回填和覆壓，以保證與原土坑最大可能的一致性。2013年5月26日，每個土地利用類型樣地中都安裝了土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)，并在2個月后開始測量，讓土壤自然沉降后再讀取數(shù)據(jù)。由3個數(shù)據(jù)采集器(HOBO, H21, USA)進行存儲，記錄間隔為每30 min收集1次，具有較高的時間分辨率，并定期手動下載。降水量數(shù)據(jù)來源于安裝在研究區(qū)內(nèi)的自動氣象站(Weather Station Vantage Pro2Plus)，采樣時間間隔為30 min，使用Weather Link 6.0軟件下載記錄的數(shù)據(jù)。

表1 研究地概況

表2 研究地土壤特征

1.3 數(shù)據(jù)分析

有研究認為，濕潤鋒的位置可以通過測量基質(zhì)電位或土壤剖面含水量的變化來檢測。本試驗中，水分入滲過程是由土壤剖面深度5，10，20，40，60，80，100，150，200，250 cm處含水量的變化所測量的，假設當含水量在一定深度保持在一個穩(wěn)定值連續(xù)超過2 h，降水入滲停止。

降水事件的累積入滲量可表示為:

=(-)10

(1)

式中：為1次降水事件后所能達到的最大土壤含水量(cm/cm)；為降水事件發(fā)生前的初始土壤含水量(cm/cm)；為入滲深度(40 cm)；為累積入滲量(mm)。一般情況下，在降水事件發(fā)生后的1 h達到。

2 結果與分析

2.1 研究期降水特征分析

降水趨勢的年際分析表明，年降水量呈下降趨勢，年平均降水量從1954—1963年的308 mm下降到2007—2016年的289 mm(圖1)，選取的監(jiān)測年降水量為平水年。

圖1 1954-2016年降水量及其趨勢

按照單次降水是被至少6 h的連續(xù)干旱期分隔開的事件所定義。在研究期間，降水被劃分為6個等級(表3)。本研究選取2013年8月1日至10月31日，共確定36個降水事件超過0.254 mm，均無降雪和冰雹等事件。降水量<5 mm的事件共有26次，約占總降水事件的72%。降水>5 mm且<10 mm共9次，降水>10 mm僅1次，說明該等級的降水量事件很少發(fā)生。研究期內(nèi)降水量合計為102.6 mm，占全年降水量(284.6 mm)的36.05%。

表3 降水強度分級標準及相應的降水記錄

降水量、最大降水強度、最小降水強度和平均降水強度見表4。降水量最大為12.48 mm，平均降水強度為7.37 mm/h；10月2日發(fā)生的降水量為2.248 mm，平均降水強度高達135.382 mm/h，這意味著某些降水事件雖然降水量小，但降水強度卻較高。

表4 研究期(8-10月)降水特征分析

在3個月的研究中，平均降水強度>50 mm/h，約占總降水事件的3%；>25 mm/h且<50 mm/h的降水事件占3%；>10 mm/h且<25 mm/h的降水事件則占8%；<10 mm/h的降水事件居多，達到86%。

2.2 土壤水分的時間動態(tài)

研究期內(nèi)天然草地、灌木林地和沙地0—250 cm的平均土壤含水量時間動態(tài)見圖2。3種土地利用類型平均土壤含水量明顯不同，表現(xiàn)為沙地>灌木林地>天然草地。沙地土壤含水量為0.06～0.15 m/m，平均為0.11 m/m。天然草地平均含水量最低(0.07 m/m)，波動范圍為0.06～0.11 m/m。灌木林與天然草地的結果相似，但平均含水量略高于天然草地，數(shù)值范圍為0.06～0.10 m/m，平均0.08 m/m。整體看來，灌木林地土壤含水量在監(jiān)測期內(nèi)波動不大，與沙地和天然草地相比，對降雨事件的響應較為平穩(wěn)。

圖2 2013年8-10月平均土壤水分和降水動態(tài)

2.3 土壤水分的空間差異

從圖3可以看出，表層(5，10 cm處)土壤含水量波動幅度均較大，主要是因為受降水、氣溫的影響較大且響應迅速。從不同土地利用類型來看，沙地表層平均土壤含水量較高，其次為灌木林地，天然草地表層平均土壤含水量最低。次表層(20，40 cm處)土壤含水量的波動較表層小，且平均含水量低于表層；沙地的平均土壤含水量顯著高于其他2個土地利用類型。次深層(60 cm處)，沙地土壤含水量分布在0.08～0.14 m/m，且相對穩(wěn)定，而灌木林地和天然草地的土壤含水量波動較大，且含水量較次表層有所增多；依然以沙地的土壤含水量高。深層(>80 cm)土壤含水量相對穩(wěn)定，變異程度較小，降水后水分受重力影響而下滲，在本研究期內(nèi)，3個土地利用類型深層土壤含水量幾乎不受降水入滲的影響。但在250 cm處，沙地的土壤含水量波動顯著增大，這可能是與不同土層間土壤性質(zhì)(顆粒組成、有機質(zhì)等)不一致所導致的深層滲漏有關，也可能與該地區(qū)沙地的地下水位埋藏較淺而周圍人類的生活和生產(chǎn)活動(如打井取水和農(nóng)田灌溉等)的影響有較大關系。

圖3 3種土地利用類型土壤水分的空間差異

2.4 土壤濕潤鋒分析

在研究期內(nèi)的36次降水事件中均沒有出現(xiàn)地表徑流。利用最大1次降水量(12.480 mm)分析濕潤鋒的推進過程(圖4)。灌木林地土壤初始平均含水量最低(0.062 m/m)，5 cm處土層最干，土壤含水量的增加相對緩慢，濕潤鋒從降水開始入滲到5 cm處，歷時約2 h，其后土壤含水量迅速增加，由0.01 m/m增長至0.12 m/m，10 cm處土壤含水量隨時間的進程而緩慢增加，而>10 cm土層土壤含水量無明顯變化。

圖4 3種土地利用類型的濕鋒入滲過程

天然草地初始土壤含水量最低(0.060 m/m)，0—10 cm土層土壤含水量接近0。濕潤鋒不到1 h便達到5 cm處，土壤水分含量在經(jīng)過2 h的近似線性增長后，從0.01 m/m達到0.23 m/m，在維持1 h(16:00—17:00)后，該層土壤水分含量出現(xiàn)下降。同時，濕潤鋒(0.14 m/m)到達10 cm的深度，并且至少維持18個小時。然而，天然草地20 cm深度的土壤水分含量并沒有改變，仍然維持在較低水平。

沙地的濕潤鋒深度比灌木林地提前約2 h達到5 cm，并且土壤含水量提前約3 h達到0.17 m/m的峰值。隨著快速和強烈的滲透，5，10 cm處的土壤水分含量幾乎同時增加，特別是10 cm處土壤含水量從降水前的接近0，經(jīng)過大約3 h的降水增加到0.17 m/m。20 cm處的土壤含水量隨降水事件開始緩慢增加，但在經(jīng)過近20 h的觀測結束時，僅從0.05 m/m增加到0.07 m/m。

2.5 降水和累積入滲量間的關系

基于方程(1)，得出累積入滲量和降水量間的關系(圖5)，可表示為：

圖5 降水量與累積入滲量的關系

=00365-00074

=00247+00032

=00717+00012

在3個月的研究期間內(nèi)，降水量為102.60 mm，由公式可計算得出，天然草地的入滲量最高(7.36 mm)，沙地入滲量為3.47 mm，灌木林地入滲量最低(2.64 mm)?？梢钥闯?，研究區(qū)降水對土壤水分的補給相對較低。

3 討 論

3.1 降水事件與土壤含水量的關系

降水通常以“事件”或“風暴”的形式進行研究，其開始和結束由指定持續(xù)時間的無降水間隔確定，即最小間隔時間。為了將降水與時間序列分開，采用2次降水之間持續(xù)6 h以上的連續(xù)干旱期的慣例，還有學者用4 h作為間隔時間，將個別降水與連續(xù)降水數(shù)據(jù)分開，甚至還可以使用無降水的1 h周期來分離降水事件。

而降水事件的劃分直接影響研究結果，有學者對連續(xù)1 h或6 h無降水分離降水事件進行了比較，發(fā)現(xiàn)存在差異。在處理分辨率為小時的降水量數(shù)據(jù)系列時，用于分離降水量的最小間隔時間一定程度上影響其屬性，因此，最小間隔時間可以應用于不同的降水時間分辨率，但這取決于需要降水事件信息模型的目的。改變最小間隔時間(如1，2，4，6，12，18，24 h)會改變降水事件的數(shù)量、平均降水頻率和平均降水持續(xù)時間。因此，對降水事件的統(tǒng)一定義非常重要。然而，這往往很少受到關注，限制已發(fā)表文獻中結果的可比性。所以，在采用基于降水事件的數(shù)據(jù)比較分析研究中，需要更多地注意降水事件標準的選擇。

大部分的降水對表層(0—10 cm)影響較大，但對深層(20 cm以下)影響不大，這與楊磊等在黃土丘陵地區(qū)的研究結果一致。由于荒漠草原年降水量相對較少，這一現(xiàn)象對植物特別是生長期內(nèi)的淺根植物很重要。在生長期內(nèi)<5 mm的降水事件最多(約72%)，而>10 mm的降水事件則很少發(fā)生，這與Huxman等在美國北部研究發(fā)現(xiàn)小降水事件占主導但對降水總量貢獻小、大降水事件雖然少但對生態(tài)系統(tǒng)影響大的研究結果相一致。Schwinning等認為，生態(tài)系統(tǒng)中降水影響的層次性為干旱半干旱地區(qū)的未來提供了新的視角。本文研究發(fā)現(xiàn)，不同土地利用類型土壤含水量的增加與閾值和降水量間的關系與其他多數(shù)研究結果相似，土壤含水量與降水量之間存在正相關關系，且不同植被類型間有著顯著差異。當然，土壤含水量對降水的響應時間和降水入滲深度與降水格局密切相關，大的降水量(>20 mm)對提高土壤含水量和土壤貯水量起著關鍵作用。

而土壤含水量除受降水影響外，還受其他因素的影響，如相對濕度、氣溫、風速、土壤養(yǎng)分、土壤質(zhì)地、植被類型和蓋度、水氣壓、最低氣溫等，盡管不同條件下多種氣候因素的影響是非常重要的，但這些因素的綜合影響及其機制仍不清楚，為了實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性，還需要多因素、長時間和多維度的過程監(jiān)測與研究。

3.2 不同土地利用類型土壤水分的入滲特征

降水入滲是重要的土壤水文循環(huán)過程，決定著土壤水分的分布特征，進而影響植被的生長情況和穩(wěn)定性，也是區(qū)域水資源評價和管理的重要一環(huán)。有學者研究發(fā)現(xiàn)，天然草地土壤水分容易得到有效補給，而且降水補給效率最高，主要是與植株形態(tài)密切相關，因植被冠層對降水的再分配作用，不同植被覆蓋下降水到達地表的時間存在差異。本研究中，3種土地利用類型下土壤濕潤鋒的推進程度存在差異。灌木林地的入滲速率相對較慢，主要是因為檸條冠層枝葉截留部分雨水而減少和延緩水分入滲，但相關研究表明，冠層截留受到葉片粗糙度、植被結構、種植密度、植被覆蓋度等因素的影響，土壤水分在降水量較大的情況下才能得到有效補充。沙地具有快速、強烈的入滲作用，濕潤鋒能在較短的時間迅速到達深層土層，但干旱半干旱地區(qū)沙地降水的補給量又因強烈的蒸發(fā)作用而快速消失。降水對表層土壤水分的補給并不能全部被植物所利用，只有進入土壤一定深度的水分才能成為有效水分，天然草地由于表層的初始土壤含水量較低，平均土壤含水量有更大的增加速率，而且降水直接落在草地植株葉片上，當葉片被完全濕潤且雨量聚集到一定量后即沿著葉片降落到地表，對土壤水分進行補給。但在20 cm處土壤含水量仍在較低的水平，可能是因為濃密的草根一定程度上阻止了降水入滲，但這樣具有較高的降水水分利用效率。當然，本研究僅從降水入滲的角度，討論了不同土地利用類型土壤水分特征，由于監(jiān)測手段和數(shù)據(jù)限制，未對不同降水過程下各土地利用類型的蒸騰蒸發(fā)特征做探討，而綜合分析土壤水分補給和消耗特征，這將是今后需要進一步研究的內(nèi)容。

4 結 論

(1)在研究期間，降水量以<5 mm的小降水事件為主，且<10 mm/h的降水事件居多，說明該地區(qū)無效降水事件發(fā)生頻次較高。而且由于降水事件所導致的林地、沙地和天然草地表層(<10 cm)土壤含水量波動較大，深層(>80 cm)土壤含水量則相對穩(wěn)定。

(2)沙地濕潤鋒響應最快，入滲深度最大，因此平均土壤含水量最高，而天然草地平均土壤含水量的波動較大，但天然草地累積入滲量較大，灌木林地土壤含水量對降雨事件的響應較為平穩(wěn)，入滲量最低。因此，從最大蓄存和有效利用降水資源的角度來看，草地是荒漠草原生態(tài)恢復與重建過程中可以選擇的土地利用方式。