毛烏素沙地裸地與植被覆蓋下非凍結(jié)期土壤水分時空分布特征

高 佳，王文科，趙 明，馬稚桐，侯昕悅，李婉歆

（1.長安大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點實驗室，陜西 西安 710054）

土壤水分是干旱地區(qū)植物生存生長和分布的主要限制因素，也是制約沙地生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)和植被恢復(fù)的關(guān)鍵因子[1-3]，影響著地下水-土壤-植被-大氣連續(xù)系統(tǒng)中能量、水分和物質(zhì)的循環(huán)演化過程[4-5]。由于氣象、土壤、地貌、植被等因素在時空尺度上的多變性，土壤水分呈現(xiàn)出不同的時空變化特征[6]。充分認識沙地土壤水分的時空變異特征及分布規(guī)律，對提高模擬與預(yù)報水文過程的準(zhǔn)確度、深入理解沙地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性具有重要意義[5]。

目前，許多學(xué)者對沙地土壤水分的時間及空間變化進行了相關(guān)研究[7-10]。諸多研究表明，沙地土壤水分隨時間的變化主要受到不同季節(jié)降水量分布的影響[7]，根據(jù)季節(jié)動態(tài)變化可大致劃分為春季水分積累期、夏季水分消耗期與秋季水分穩(wěn)定期[8-9]。此外，陳洪松等[11]、殷地遲等[12]的研究表明，植被覆蓋是引起土壤剖面含水量差異的重要因素。一般認為，植被覆蓋最少的流動沙丘土壤含水量最高，半流動沙丘次之，植被覆蓋最多的固定沙丘含水量最低[13-14]。旱區(qū)沙地生態(tài)系統(tǒng)中的植被生長會消耗大量深層土壤水，使得土壤水分嚴重短缺，最終導(dǎo)致植物群落退化甚至消亡[15]，阻礙了當(dāng)?shù)氐闹脖恢亟ê蜕鷳B(tài)恢復(fù)。縱觀已有研究，關(guān)于毛烏素沙地土壤水分時空變化的探討大多圍繞降水[7，16]、沙丘不同類型[17-18]及不同部位[19-21]等因素，尤其關(guān)注沙地淺層土壤水分在水平空間上的差異[22]。而對于裸地與植被覆蓋下，垂向上土壤含水量時空變化的對比研究及其影響因素探討較少，對于大氣、植被、土壤水和地下水之間的相互作用的研究更是不足。

基于此，本文通過土壤水分原位監(jiān)測試驗，應(yīng)用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)、聚類分析等方法，對比分析了毛烏素沙地淺水位埋深情況下裸土與植被覆蓋土壤剖面的水分分布模式以及時空變化特征，并探討了植被不同生長階段對剖面土壤水及地下水分布的影響，本研究可為半干旱沙漠植被恢復(fù)區(qū)的物種選擇、土壤水分利用和水資源管理提供支撐。

1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于內(nèi)蒙古烏審旗，地處毛烏素沙地中南部（圖1），該區(qū)多年平均氣溫5.6 °C，年日照時數(shù)2 600 h，年均蒸發(fā)量為2 109.2 mm，多年平均降水量386.1 mm。年內(nèi)降雨主要集中在7—9月，約占全年總降水量的67.2%。2016年屬于平水年，年內(nèi)降水總量為361.8 mm，觀測期內(nèi)降水總量為357.1 mm。研究區(qū)內(nèi)沙丘與丘間洼地相間分布，沙地土壤以風(fēng)積沙為主。風(fēng)積沙質(zhì)地均一，滲透能力強，土壤持水率弱。田間持水量為6.85%，凋萎系數(shù)為0.7%，丘間洼地地下水平均埋深為0.4～3 m，毛細上升高度可達50～60 cm。研究區(qū)的植被類型為草本，灌叢，灌木等。沙柳是多年生深根灌木，生長在沙丘或丘間洼地，是毛烏素沙地重要的固沙植物，在沙區(qū)植被的復(fù)建過程中具有極其重要的地位。

圖1 研究區(qū)范圍及原位監(jiān)測點位置Fig.1 Scope of the study area and location of the in-situ monitoring point

2 研究方法與數(shù)據(jù)獲取

2.1 試驗設(shè)置及土壤水分測定

原位監(jiān)測站點位于烏審旗河南鄉(xiāng)的國家氣象站內(nèi)，布設(shè)了2 個底部和壁面密封的蒸滲儀。蒸滲儀直徑200 cm，深度420 cm，均回填了當(dāng)?shù)靥烊痪鶆虻娘L(fēng)積沙。其中1 個蒸滲儀中于2015年種植了1 株沙柳幼苗，另1 個蒸滲儀中為裸土。實驗室測得2 個蒸滲儀中不同深度土壤的平均物理參數(shù)見表1。此外，分別測得裸土飽和含水率為31.0%，沙柳地土壤飽和含水率為30.6%。2 個蒸滲儀中均布設(shè)了含水率探頭（5 TM，1%～2%）和地下水水位監(jiān)測的液位計（Diver，±0.05%）。在進行觀測試驗前已對所有儀器進行校正以保證其監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。裸地剖面的含水率探頭布設(shè)在地表以下3，10，20，30，50，80，150，170，190，210 cm 處，沙柳地剖面的含水率探頭布設(shè)在3，10，20，30，50，80，150，250，350 cm 處。各個觀測儀器存儲數(shù)據(jù)頻率均為每5 min 1 次。觀測時間為2016年5—11月，當(dāng)?shù)赝寥赖膬鼋Y(jié)期為12月至次年4月。裸地與沙柳地的初始地下水水位分別為204，225 cm。

表1 均質(zhì)風(fēng)積沙的物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of the homogeneous aeolian sand measured in the laboratory

2.2 數(shù)據(jù)分析

利用Kriging 法對相鄰觀測數(shù)據(jù)進行插值，確定了0～350 cm 剖面10 cm 間距任意給定位置的土壤含水率。

2.2.1 經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)分析

變異系數(shù)CV可以表明含水率的離散程度，計算公式為：

式中：S—含水率標(biāo)準(zhǔn)差；

x—土層含水率均值。

當(dāng)CV＜10%時為弱變異，當(dāng)10%≤CV≤100%時為中等變異，CV＞100%時為強變異[23]。

2.2.2 聚類分析

本研究以不同土層土壤含水率為基礎(chǔ)，采用層次聚類分析法（Hierarchical Clustering Analysis, HCA）根據(jù)含水率的相似性對土壤垂直剖面進行分層。樣本之間的距離為歐式距離，裸地與沙柳地的歐式距離均選為10。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤水分空間變化特征

土壤平均含水率隨深度的變化見圖2。裸地與沙柳地2 種情況下，土壤平均含水率均隨著深度的增加而增大。由于植物遮蔭作用，沙柳地土壤表層（＜5 cm）含水率略大于裸地表層含水率，但其余土層沙柳地含水率均顯著小于裸地。為了更好地分析土壤垂直剖面水分動態(tài)，采用層次聚類分析法將裸地與沙柳地剖面進行分層，見圖3。歐式距離為10 時，裸地與沙柳地均被分為3 層，裸地的淺層為0～80 cm，中層為80～170 cm, 深層為170～350 cm；沙柳地的淺層為0～150 cm，中層為150～250 cm，深層為250～350 cm。

圖2 裸地與沙柳地土壤平均含水率垂直分布圖Fig.2 Vertical distribution of the average soil moisture content of the bare land and Salix land

圖3 土壤含水率層次聚類分析的譜系圖Fig.3 Pedigree diagram of soil moisture content by hierarchical clustering analysis

裸地情況下土壤0～350 cm 剖面平均含水率為23.59%，淺層、中層及深層平均含水率分別為11.65%、19.97%、30.71%（表2）。淺層土壤含水率較低，且隨深度增加增長較慢（圖2）；中層土壤含水率從14.11%快速增長至27.05%；深層土壤含水率均較高，其中210 cm以下土層在整個監(jiān)測期內(nèi)均位于地下水水位之下，含水率達到飽和（31.00%）。沙柳地情況下土壤0～350 cm剖面平均含水率為17.74%，淺層、中層及深層平均含水率分別為10.55%、18.43%、27.82%（表2）。淺層土壤含水率增長相較于裸地更緩慢；150 cm 之下的中層土壤含水率大幅度增加，在250 cm 處已達到22.01%；深層土壤含水率在地下水的支撐下處于較高水平，直到350 cm 處才達到飽和。

從含水率極值可以看出，裸地中大部分土層的平均含水率在月尺度上變幅較小，不超過5.0%，210 cm及以下土層變幅為0；在沙柳地中，絕大部分土層的含水率變幅顯著大于裸地，大部分中層土壤含水率在月尺度上的變化范圍超過15%。2 種情況下土壤剖面中的含水率變幅均表現(xiàn)為中層處變幅最大，而淺層與深層的變幅比中層小，這與剖面各層變異系數(shù)的變化一致。如表2 所示，裸地與沙柳地剖面平均含水率的變異系數(shù)分別為4.24%、15.61%，分別處于弱變異與中等變異。裸地情況下淺層、中層及深層含水率變異系數(shù)分別為弱變異（9.01%）、中等變異（18.88%）、弱變異（0.68%），且變異程度中層＞淺層＞深層；沙柳地情況下各層含水率均處于中等變異，變異系數(shù)分別為11.47%、34.51%、11.79%，變異程度中層＞深層＞淺層。

表2 裸地和沙柳地不同土層土壤含水率和變異系數(shù)Table 2 Soil moisture content and coefficient of variationin different soil layers in the bare land and Salix land

3.2 土壤水分時間變化特征

裸地土壤水分隨時間的變化主要受到大氣條件的影響。如圖4 所示，淺層含水率受大氣影響波動明顯，降雨會導(dǎo)致淺層含水率迅速升高，蒸發(fā)使其逐漸降低，因此本文定義該層為氣候影響層。觀測期間，層內(nèi)含水率在11%左右波動，并在8月中旬強降雨后達到峰值16%；中層土壤含水率受大氣影響較小，本文定義該層為過渡層，層內(nèi)含水率大部分時間較為穩(wěn)定，但在8月中旬受大量降雨影響含水率從16.8%迅速抬升至24.1%；深層土壤含水率受地下水的影響，長期處于飽和或近飽和狀態(tài)，因此定義深層為地下水影響層，該層含水率在觀測期間幾乎不發(fā)生變化，僅在8月中旬從30.5%上升至飽和含水率31.0%。裸地剖面地下水水位總體呈上升趨勢，從204 cm 上升至174 cm，其變化與中層含水率變化相似，在5—7月、9—11月水位波動不大，僅在8月中旬出現(xiàn)較大抬升。

圖4 土壤淺層、中層及深層含水率與地下水水位隨時間變化Fig.4 Changes in water content of the shallow, middle and deep soil layers and groundwater levels with time

以裸地為參照，可將沙柳地土壤剖面的淺層、中層與深層同樣命名為氣候影響層、過渡層與地下水影響層，但由于沙柳地土壤水分還受到植物耗水的重要影響，因此各層土壤的含水率大小及分布模式均發(fā)生了較大變異。沙柳地氣候影響層土壤含水率變化與裸地類似，在大氣條件影響下于10%上下波動。而過渡層和地下水影響層的含水率變化與裸地相反，5—11月總體呈下降趨勢。其中，5—6月過渡層與地下水影響層含水率基本保持穩(wěn)定。7月開始進入夏季，隨著氣溫的上升，沙柳發(fā)育成熟，并且7月18日—8月11日為近1 個月的干旱期，導(dǎo)致土壤含水率快速降低。受到8月12—20日的大量降雨影響，過渡層含水率出現(xiàn)短暫上升，但在降雨結(jié)束后含水率迅速回落。10月下旬，過渡層含水率已降至9.2%，地下水影響層含水率降至20.3%。11月后沙柳進入休眠狀態(tài)，在此期間，降雨量和需水量幾乎為0，各層含水率基本不變。沙柳地中的地下水水位在觀測期內(nèi)共下降了124 cm。7月之前波動較??；7月初至8月中，地下水水位下降較快；8月中旬強降雨后，地下水水位下降速率明顯減緩；11月之后，水位基本穩(wěn)定于349 cm。

3.3 植被影響下的土壤水分分布

由圖2 與圖4 可知，裸地與植被覆蓋情況下土壤剖面含水率差異明顯，由于本試驗中2 種情況下的土壤性質(zhì)相同，初始地下水水位相近，且受到同樣的大氣條件影響，因此，可近似地認為2 種情況下剖面含水率的差異是由植被引起的。即裸地與沙柳地在各土層上的土壤水分差量 Δθ可體現(xiàn)出植被對各土層土壤水分的影響情況。5—11月各層土壤總平均 Δθ隨深度的分布如圖5（散點）所示，其分布近似呈高斯分布，對散點進行曲線擬合，擬合函數(shù)為：

圖5 裸地與沙柳地土壤水分差量隨深度變化Fig.5 Variation of difference in soil moisture between the bare land and Salix land with depth

其中，x為深度；f(x)為土壤水分差量Δθ。參數(shù)μ決定了曲線的位置，μ越大，Δθ峰值出現(xiàn)的深度越深。參數(shù)σ決定了曲線的形態(tài)，σ越大，曲線越扁平，σ越小，曲線越尖陡。相應(yīng)地，在Δθ-埋深分布曲線中，σ越大，植被對剖面水分的主要影響區(qū)域越分散，σ越小，植被對剖面水分的主要影響區(qū)域越集中；A決定了曲線的變化幅度，其值等于f(x)的最大值，此處即為Δθ的最大值。

擬合結(jié)果見圖5，A、μ、σ參數(shù)值分別為0.126 7，191.5，63.72，可以看出，Δθ分布與高斯曲線總體擬合程度良好，R2達到0.966 1。沙柳對土壤水分的影響程度隨深度的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律，在過渡層的191.5 cm 處達到峰值，該深度處沙柳地土層平均含水率比裸地低了12.67%。含水率在0～100 cm、280～350 cm 深度土層處受到沙柳耗水的影響較小，Δθ小于5%，分別位于氣候影響層與地下水影響層內(nèi)；在150～240 cm 土層處受到的影響最大，Δθ超過了10%，均位于過渡層內(nèi)。氣候影響層（0～150 cm）、過渡層（150～250 cm）及地下水影響層（250～350 cm）土壤水分差量分別占剖面總差量的25.81%、56.77%、17.42%。由此可見，沙柳生長對氣候影響層與地下水影響層土壤水分的影響相對較小，對過渡層土壤水分的影響最大。

4 討論

4.1 土壤水分垂直分布模式

土壤剖面不同土層的土壤水分表現(xiàn)出不同的水文過程和生態(tài)功能[24]，在裸地及植被存在情況下呈現(xiàn)出不同的分布模式及變化特征。氣候影響層是蒸發(fā)和降雨等大氣因子影響強烈的區(qū)域[12]，層內(nèi)土壤水分受到旱區(qū)干燥少雨氣候的影響而損失嚴重，長期處于較低水平。沙柳地情況下，沙柳根系長期吸收該層內(nèi)的土壤水并攔截降雨入滲水分，由此加劇了層內(nèi)土壤水分的損失，使得0～150 cm 剖面含水率均處于較低水平（圖2）。

隨著深度的增加，大氣條件的影響逐漸減弱，植物根系與地下水的影響逐漸增強，過渡層土壤是淺層與深層土壤水分交替供應(yīng)的區(qū)域[25]，該層的特點是土壤平均含水率變幅最大（圖2），變異性最高（表2），裸地與沙柳地土壤水分的差異性在該層也最為明顯（圖5），是沙柳對土壤水分含量影響最大的區(qū)域。地下水影響層是土壤貯水層，起到“土壤水庫”的作用[26]，該層土壤均位于地下水或其毛細上升帶內(nèi)，層內(nèi)水分含量較高，且基本不會受到大氣條件的直接影響，但當(dāng)上層土壤水短缺時，地下水會通過毛細作用向上運移補給，而當(dāng)雨季上層土壤水飽和時，多余的水分通過重力作用入滲至該層[25]。裸地情況下，地下水影響層的含水率長期保持穩(wěn)定狀態(tài)，而沙柳地情況下該層內(nèi)的飽和含水層在沙柳深根吸水作用下逐漸向非飽和含水層轉(zhuǎn)化，含水率逐漸降低，即便如此，該層內(nèi)的含水率也顯著大于其余土層。

4.2 植被對土壤水分時空變化的影響

Dardanelli 等[27]指出，植物根系在土壤剖面不同深度上對水分的吸收是不均勻的。本次研究發(fā)現(xiàn)，植被對水分的利用改變了0～350 cm 土壤剖面水分的分布狀況，顯著地降低了土壤水分含量，但在不同深度上對土壤水分的影響程度有所不同。在5—11月的完整生長期內(nèi)，沙柳對垂向剖面上各土層平均含水率的影響近似呈高斯分布（圖5），過渡層中土壤水分受到的影響最大，氣候影響層次之，地下水影響層受到的影響最小。

為進一步闡明植物處于不同生長階段時裸地與沙柳地的土壤水分差異，分別計算觀測期內(nèi)沙柳的發(fā)芽期（5—6月中旬）、生長期（6月中旬至7月下旬）、成熟期（8月）、枯萎期（9—10月）與休眠期（11月）間的土壤水分差量，各階段Δθ分布見圖6，氣候影響層、過渡層與地下水影響層的土壤水分差量占剖面總差量的比例見表3。與5—11月總平均Δθ分布（圖5）類似，各個時期的Δθ均隨深度呈先增加后減小的單峰變化，且峰值均出現(xiàn)在過渡層?？梢钥闯?，植物不同的生長階段對土壤水分變化的影響不盡相同，表明植物對土壤水和地下水的吸收是適時調(diào)整的[27]。發(fā)芽期和生長期沙柳對剖面土壤水分的影響較小，且影響主要存在于氣候影響層與過渡層，這是由于發(fā)芽期和生長期時沙柳的需水量較少且根系發(fā)育較淺，主要吸收包氣帶水分以滿足自身需求；此后的成熟期、枯萎期及休眠期，剖面各層土壤水分受到的影響程度逐漸增大，但相對于整體影響而言各層所受到的相對影響程度（即Δθ占比）變化趨勢有所不同，氣候影響層Δθ占比逐漸減小，地下水影響層Δθ占比逐漸增大，而在沙柳生長的任一時期，過渡層的Δθ占比均超過50%。也就是說，植被對土壤剖面水分的影響主要集中在過渡層，對氣候影響層與地下水影響層的影響程度是隨著沙柳的發(fā)育進程而逐漸轉(zhuǎn)變的。以上結(jié)果意味著，沙柳在土壤剖面150～250 cm 處發(fā)育有大量深根，到250～350 cm 甚至更深處的土層中深根仍然存在，當(dāng)淺層包氣帶水分不能滿足沙柳的生長需求時，沙柳深根開始吸收深層土壤水和地下水以改善干旱環(huán)境中的水分脅迫[28]。劉深思等[29]對沙柳的研究結(jié)果也表明，沙柳主根伸展的深度達到了地表以下500 cm，其生理功能的維持不僅依賴淺層土壤水，還依賴地下水。該發(fā)現(xiàn)可為研究干旱地區(qū)深根植物的適應(yīng)機制及建立土壤-植物-大氣連續(xù)體（SPAC）系統(tǒng)中植物根系吸水模型提供參考。

圖6 沙柳不同生長階段裸地與沙柳地的土壤水分差量Fig.6 Variation of difference in soil moisture between the bare land and the Salix land in different growth stages of Salix

表3 沙柳不同生長階段各土層的土壤水分差量占比Table 3 Δθ proportions of each soil layer at different growth stages of Salix/%

4.3 旱區(qū)植被耗水效應(yīng)

土壤水和地下水是干旱、半干旱地區(qū)許多植物生長和蒸騰的主要水源[30]，研究表明，在干旱區(qū)的大多數(shù)植物，特別是灌木，發(fā)育深根，吸收大量深層土壤水與地下水，導(dǎo)致旱區(qū)土壤水分狀況不斷惡化。本研究通過長期原位監(jiān)測裸地與沙柳地土壤剖面含水率，發(fā)現(xiàn)沙柳生長同時消耗了大量土壤水與地下水，造成了土壤剖面水分嚴重缺失，地下水水位大幅度下降。Wang等[31]和Cao 等[32]發(fā)現(xiàn)植被恢復(fù)后，土壤的淺層和深層都變得極為干燥。因此，雖然植被恢復(fù)有效地緩解了旱區(qū)沙地的水土流失及土壤侵蝕等問題[33]，但在有限的土壤水分和更廣泛的植被覆蓋所產(chǎn)生的水分需求之間存在著不相容性[34]。在毛烏素沙地目前的氣象條件下，大規(guī)模種植沙柳等耗水性灌木不僅會減少甚至斷絕外界水分對地下水的補給[35]，在地下水埋深較淺的丘間洼地還會直接導(dǎo)致地下水水位下降，加劇了干旱地區(qū)地下水資源的耗竭。故在植被恢復(fù)過程中，應(yīng)在合適的土壤及地下水水位條件下種植沙柳等深根耗水性植物，并保持一定的間距，在減少植物對地下水消耗的同時盡可能使降雨入滲的水分更多地補充到深層土壤[36]，促進旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的良性發(fā)展。

5 結(jié)論

（1）裸地與植被地剖面的土壤水分具有不同的分布模式，以裸地為參照，垂向上根據(jù)土壤含水率變化的主要影響因素將剖面分為3 層：氣候影響層、過渡層與地下水影響層。裸地情況下各層分別位于地表以下0～80 cm、80～170 cm 及170～350 cm 深度，植被地情況下分別位于0～150 cm、150～250 cm 及250～350 cm 深度。2 種情況下平均含水率均隨土壤深度的增加而增大，變異性在過渡層達到最高，但各層含水率大小及變化趨勢差異明顯。

（2）2016年觀測期間，裸地土壤含水率及地下水水位總體呈上升趨勢，在8月中旬降雨量大時上升明顯，在其余降雨量小的月份比較穩(wěn)定；觀測期間剖面平均含水率為23.59%，CV值為4.24%，處于弱變異。植被地土壤含水率及地下水水位呈下降趨勢，在5—7月植物萌芽生長期耗水較少，8月發(fā)育成熟后耗水量大，11月后休眠期內(nèi)保持穩(wěn)定；剖面平均含水率為17.74%，CV值為15.61%，處于中等變異。與裸地相比，植物根系吸收水分，使得0～350 cm 剖面的土壤含水率降低，土壤水分的變異性增大。

（3）植被引起的土壤水分差量Δθ在垂向上的變化近似呈高斯分布，約在190 cm 土層處達到峰值，氣候影響層、過渡層及地下水影響層的水分差量分別占剖面總差量的25.81%、56.77%、17.42%。隨著植物生長，氣候影響層含水率受到的相對影響逐漸減小，地下水影響層含水率受到的相對影響逐漸增大，在沙柳各個生長階段，過渡層Δθ占比均達50%以上，表明植物對過渡層土壤水分的影響最大。