荒漠草原灰鈣土與風(fēng)沙土水分時(shí)空特征

楊霜奇， 宋乃平， 王 興， 陳曉瑩， 常道琴

（1.寧夏大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培訓(xùn)基地，寧夏 銀川 750021；3.西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750021；4.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

全球氣候變暖導(dǎo)致我國(guó)北方干旱半干旱區(qū)水資源愈加匱乏，土地荒漠化加?。?］。為阻止荒漠化進(jìn)程以及構(gòu)建良好的生態(tài)環(huán)境，國(guó)內(nèi)學(xué)者在荒漠地區(qū)進(jìn)行了一系列研究，主要集中在植物群落［2-4］、土壤水分變化［5-6］、人工植被建植［7-9］等方面。其中，土壤水分是土壤-植物-大氣連續(xù)體之間相互聯(lián)系的關(guān)鍵因子，極大程度上影響著荒漠地區(qū)的植物生長(zhǎng)發(fā)育和物種豐富度，對(duì)植被恢復(fù)起到了決定性作用［10-12］。土壤水分變化受降水、土壤物理特性、植被覆蓋狀況等因素影響［13-17］。在半干旱的荒漠草原地區(qū)，降水是荒漠草原土壤水分補(bǔ)給的主要來(lái)源［18］，可通過(guò)影響該地區(qū)土壤水分分布來(lái)間接實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的調(diào)控［19］。此外，由于不同土壤類(lèi)型的物理性質(zhì)差異，土壤水分分布情況有所不同［20］。如鄭飛龍等［21］對(duì)壓砂條件下灰鈣土水分垂直入滲特征研究發(fā)現(xiàn)，壓砂厚度、砂石粒徑等會(huì)影響土壤水分的分布；江璇等［22］對(duì)四川西部某林區(qū)不同植被下的土壤水分研究發(fā)現(xiàn)，孔隙度越小的土壤，水分時(shí)間穩(wěn)定性更高；陳娟等［23］揭示了土壤類(lèi)型對(duì)土壤水分的動(dòng)態(tài)變化具有決定性作用，在同一土壤剖面上，風(fēng)沙土的土壤含水量大于灰鈣土；蘇瑩等［24］研究了風(fēng)化基巖殘積土、灰鈣土和風(fēng)沙土三種不同土壤的土壤水分時(shí)空變化特征，發(fā)現(xiàn)風(fēng)化基巖殘積土保水性以及總蓄水量最大；吳世磊等［25］發(fā)現(xiàn)川西北高寒沙地的沙化程度越高，土壤保水性和平均含水率越低。因此，分析不同類(lèi)型土壤的水分動(dòng)態(tài)變化及其與降水之間的關(guān)系對(duì)于在荒漠地區(qū)構(gòu)建合理的生態(tài)格局至關(guān)重要［26］。

寧夏鹽池縣荒漠草原由于長(zhǎng)期受人為放牧和自然干擾的影響導(dǎo)致生境破碎化，原生灰鈣土在風(fēng)沙作用下母質(zhì)片斷化，形成了分散于沙地中的島狀斑塊［27］。然而，隨著斑塊面積的減小，灰鈣土沙化的程度加劇。為此，一些研究者以鹽池荒漠草原斑塊作為退化草地恢復(fù)的起點(diǎn)，探究了斑塊的植被空間點(diǎn)格局［28］、群落物種共存機(jī)制［29］、人工建植［30］。目前，對(duì)于斑塊內(nèi)外部不同土質(zhì)之間以及不同大小斑塊之間的土壤水分變化研究較少。僅有部分學(xué)者［31］從室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M的角度，研究了灰鈣土演變?yōu)轱L(fēng)沙土后土壤水分的變化。但是土壤水分過(guò)程受氣候、地形、土壤性狀等多種因素的影響，復(fù)雜野外環(huán)境下斑塊內(nèi)部灰鈣土和斑塊外部風(fēng)沙土土壤水分過(guò)程究竟有何差異？

基于此，本研究選擇位于寧夏鹽池縣皖記溝村的3個(gè)樣地，通過(guò)連續(xù)3 a對(duì)降雨和土壤水分的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，來(lái)揭示灰鈣土和風(fēng)沙土水分時(shí)空分布特征，從而為該地區(qū)植被恢復(fù)提供理論基礎(chǔ)，促進(jìn)構(gòu)建良好的生態(tài)群落結(jié)構(gòu)，提高荒漠草原生產(chǎn)力。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)鹽池縣皖記溝村的荒漠草原（37°57′～37°83′N(xiāo)，106°77′～107°50′E），屬中溫帶半干旱大陸性氣候，年均氣溫8.1 ℃，晝夜及冬夏兩季溫差大，干旱少雨，多年平均降雨量280 mm，蒸發(fā)量大，蒸發(fā)量是降水量的6～7 倍，無(wú)霜期150 d。斑塊內(nèi)部土壤的主要類(lèi)型為灰鈣土，斑塊外部主要為風(fēng)沙土。研究區(qū)的主要物種有短花針茅（Stipa breviflora）、豬毛蒿（Artemisia scoparia）、苦豆子（Sophora alopecuroides）、糙 隱 子 草（Cleistogens squarrosa）、牛枝子（Lespedeza potaninii）、細(xì)葉遠(yuǎn)志（Polygala tenuifoliaWilld）等。

1.2 樣地選擇

在鹽池縣皖記溝村，以地勢(shì)地貌等環(huán)境條件基本一致為原則，選擇大斑塊（200～300 m2）、中斑塊（約100 m2）與小斑塊（約50 m2）3種不同大小的斑塊作為試驗(yàn)樣地，將斑塊內(nèi)部的灰鈣土與斑塊外部的風(fēng)沙土進(jìn)行對(duì)比監(jiān)測(cè)和研究，為增強(qiáng)數(shù)據(jù)的代表性，每類(lèi)樣地各設(shè)3 個(gè)重復(fù)?；意}土的黏粒、粉粒、砂粒含量分別約占40%～41%、27%～29%、30%～32%；風(fēng)沙土的黏粒、粉粒、砂粒含量分別約占8%～9%、19%～21%、71%～73%。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源及方法

降雨、溫度、土壤含水量的數(shù)據(jù)均來(lái)自于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。斑塊內(nèi)部的幾何中心作為灰鈣土水分監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在斑塊外部選取一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為風(fēng)沙土水分監(jiān)測(cè)點(diǎn)，確保斑塊內(nèi)外部監(jiān)測(cè)點(diǎn)離斑塊邊緣的距離相等，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別埋設(shè)3 根100 cm 長(zhǎng)的聚脂碳酸探管，將TRIME-T3 型TDR 探頭置于每根探管0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm 土層的中間位置，重復(fù)測(cè)定3次，各土層深度的土壤體積含水率且各重復(fù)之間的差異不大于1/15，監(jiān)測(cè)間隔時(shí)間約為15 d。2017 年共監(jiān)測(cè)24 次，其中5 月3—7 日、6 月8—14 日的2 次降雨之后每天監(jiān)測(cè)1 次；2018 年從5 月24 日—11 月2 日共監(jiān)測(cè)11次；2019年從4月26日—11月3日共監(jiān)測(cè)13次。在皖記溝村安裝Vantage Pro2 自動(dòng)氣象站，降雨量等其他氣象數(shù)據(jù)通過(guò)氣象站自動(dòng)獲取，時(shí)間間隔為1 h。

1.4 數(shù)據(jù)處理

相鄰2 次降雨量時(shí)間間隔不超過(guò)24 h 看作1 次降雨事件，該事件內(nèi)的累積降雨量即為單次降雨量SP（mm），按照0.1 mm≤SP<1 mm、1 mm≤SP＜5 mm、5 mm≤SP＜10 mm、10 mm≤SP＜25 mm、25 mm≤SP，將降雨等級(jí)依次劃分為Ⅰ～Ⅴ級(jí)［32］。根據(jù)1 d 內(nèi)每小時(shí)測(cè)定的溫度數(shù)據(jù)求平均值，得到日平均溫度。采用Excel 2010 對(duì)土壤含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行基本處理，根據(jù)3 次重復(fù)監(jiān)測(cè)結(jié)果求得平均值，并用于后續(xù)計(jì)算及作圖。通過(guò)Surfer 11.0 軟件繪制土壤含水量等值線圖，在圖中用不同的顏色表示土壤含水量數(shù)值的大小，其余圖則采用Origin 2021進(jìn)行繪制。

采用SPSS 25.0 對(duì)不同大小斑塊以及不同土層深度的土壤含水量進(jìn)行單因素方差分析，同時(shí)采用Excel 2010 對(duì)斑塊內(nèi)外的土壤含水量差異進(jìn)行雙尾T檢驗(yàn)分析（P<0.05）。

常用變異系數(shù)Cv評(píng)估土壤水分垂直變化，計(jì)算公式如下［33］：

式中：S為標(biāo)準(zhǔn)差；Xˉ為樣本（土壤水分觀測(cè)值）平均值；n為樣本總個(gè)數(shù)；Xi為樣本的第i個(gè)觀測(cè)值。

土壤儲(chǔ)水量指一定土壤深度的體積水分含量，可采用以下公式計(jì)算［34］：

式中：SW為0～1 m 土壤儲(chǔ)水量（mm）；θi為土壤水分探頭測(cè)得的各層土壤含水量；di為對(duì)應(yīng)的土層深度（mm）。

土壤儲(chǔ)水變化量（ΔW）代表在某一具體時(shí)間內(nèi)土壤水分的消耗或者積累情況［14］，計(jì)算公式如下：

式中：SW1為某一具體時(shí)間前土壤儲(chǔ)水量（mm）；SW2為某一具體時(shí)間后土壤儲(chǔ)水量（mm）。如果ΔW< 0，表明土壤水分在該時(shí)期為消耗型；如果ΔW> 0，則為積累型；如果ΔW= 0，則為平衡型。

2 結(jié)果與分析

2.1 2017—2019年生長(zhǎng)季降雨特征

2017—2019 年生長(zhǎng)季（5—10 月）研究區(qū)降雨量分別為266 mm、276.8 mm、237.03 mm。雖然3 個(gè)年份的降雨量差別不大，但是在時(shí)間分配上差異非常大。如圖1所示，2017年生長(zhǎng)季內(nèi)每月有1～2次>10 mm的降雨，而且間隔1個(gè)月左右，比較均勻，屬于均勻降雨年型。2018 年降雨量集中在5 月，占生長(zhǎng)季總降雨量的76.2%，屬于春季降雨年型，夏秋嚴(yán)重干旱。2019年降雨量主要分布在6—8月，為夏季降雨年型。

圖1 2017—2019年研究區(qū)生長(zhǎng)季內(nèi)氣溫及單次降雨量Fig.1 Temperature and single precipitation during the growing season of the study area from 2017 to 2019

由表1 可知，從2017—2019 年的整體情況來(lái)看，Ⅰ～Ⅴ級(jí)的降雨總次數(shù)為73次，降雨總量為799.83 mm，其中，大多數(shù)降雨事件為Ⅰ～Ⅱ級(jí)的小降雨事件（分別為13 次和27 次），共占總降雨次數(shù)的54.8%，占降雨總量的9.9%；Ⅲ和Ⅳ級(jí)的中降雨事件分別占總降雨次數(shù)的13.7%和20.5%，占降雨總量的9.0%和31.6%；Ⅴ級(jí)大降雨事件發(fā)生頻次很低，占總降雨次數(shù)的11.0%，占降雨總量的47.0%。從各年情況來(lái)看，2017 年和2019 年的降雨多為小降雨事件，分別占當(dāng)年降雨次數(shù)的64.7%和57.1%，但只占當(dāng)年降雨總量的15.9%和14.7%。而2018 年則以Ⅲ～Ⅳ級(jí)的中降雨事件為主，占當(dāng)年降雨次數(shù)的54.5%，占當(dāng)年降雨總量的29.8%。因此，頻次多的小降雨事件對(duì)降雨總量貢獻(xiàn)小，而頻次少的大降雨事件則對(duì)總降雨量做出了主要貢獻(xiàn)。

表1 2017—2019年各級(jí)降雨次數(shù)與降雨量Tab.1 Rainfall frequency and precipitation from 2017 to 2019

2.2 土壤含水量時(shí)間變化特征

對(duì)全年土壤平均含水量進(jìn)行計(jì)算得到，2017年、2018 年、2019 年灰鈣土年平均含水量分別為：7.09～7.51 mm、5.68～6.26 mm、6.65～7.06 mm，各年風(fēng)沙土平均含水量分別為：8.79～12.19 mm、6.01～15.04 mm、7.87～15.04 mm。

從圖2 可以看出，灰鈣土與風(fēng)沙土含水量在時(shí)間維度上的波動(dòng)表現(xiàn)出一致性。2017年2種土壤的含水量經(jīng)歷了5 次較大的波動(dòng)，具體表現(xiàn)為：從5 月上旬到5 月下旬降低，從5 月下旬到6 月中旬增加，從6 月中旬到7 月中旬降低，從7 月中旬到8 月上旬增加，從8 月上旬到8 月中旬降低，從8 月中旬到9月上旬增加，從9 月上旬到9 月下旬降低，從9 月下旬到10 月中旬增加；2018 年土壤含水量波動(dòng)很小，在5 月降低后一直處于相對(duì)平穩(wěn)且較低的狀態(tài)；2019 年土壤含水量經(jīng)歷了4 次較大的波動(dòng)，具體表現(xiàn)為：從5 月上旬到5 月中旬增加，從5 月中旬到6月中旬降低，從6 月中旬到7 月上旬增加，從7 月上旬到7月下旬降低，從7月下旬到8月中旬增加，從8月中旬到9 月上旬降低，從9 月上旬到9 月中旬增加，從9 月中旬到10 月下旬降低?；意}土土壤含水量波動(dòng)的土層主要分布在0～40 cm，風(fēng)沙土0～100 cm土層土壤含水量波動(dòng)都比較大。

圖2 2017—2019年灰鈣土（a）與風(fēng)沙土（b）土壤水分時(shí)間變化特征Fig.2 Temporal variation of soil moisture of sierozem(a)and aeolian soil(b)from 2017 to 2019

對(duì)同一年內(nèi)各月份間的土壤平均含水量進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)2017 年10 月土壤平均含水量最高，大、中、小斑塊內(nèi)部灰鈣土含水量分別為8.00%、8.40%、8.40%，斑塊外部風(fēng)沙土分別為13.19%、9.73%、10.38%，7月土壤平均含水量最低，大、中、小斑塊內(nèi)部土壤含水量分別為5.69%、6.30%、6.20%，外部分別為9.96%、6.77%、7.48%；2018 年5 月土壤平均含水量最高，大、中、小斑塊內(nèi)部土壤含水量分別為6.57%、7.49%、7.17%，外部分別為13.13%、7.60%、8.00%；2019 年8 月土壤平均含水量最高，大、中、小斑塊內(nèi)部土壤含水量分別為8.01%、8.99%、8.80%，外部分別為18.26%、9.99%、9.86%，5 月土壤平均含水量最低，大、中、小斑塊內(nèi)部土壤含水量分別為5.74%、5.90%、6.08%，外部分別為14.10%、6.53%、6.62%。

2.3 土壤含水量空間分布特征

由表2可知，從不同土層分析，灰鈣土含水量隨土層深度的增加表現(xiàn)出先增加后減少，土壤含水量分布較高的土層深度是10～40 cm；0～10 cm、10～20 cm 和20～40 cm 這3 個(gè)土層的土壤含水量具有顯著性差異（P＜0.05），而40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm 這3 個(gè)土層的土壤含水量無(wú)顯著性差異（P＞0.05），且土壤水分顯著低于10～40 cm 土層（P＜0.05）。表明0～40 cm 土層土壤含水量變化大，40～100 cm 土層的土壤含水量少且穩(wěn)定。風(fēng)沙土含水量隨土層深度的增加而增大，土壤含水量分布較高的土層是20～100 cm。0～10 cm、10～20 cm 這2 個(gè)土層的土壤含水量具有顯著性差異（P＜0.05），而其他土層差異不明顯。將斑塊內(nèi)外部的2種土壤進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，外部風(fēng)沙土在0～20 cm 土層土壤含水量低于內(nèi)部灰鈣土，尤其是0～10 cm 的土壤含水量顯著低于灰鈣土（P＜0.05）。外部風(fēng)沙土在20～100 cm 土層土壤含水量顯著高于灰鈣土（P＜0.05），但2018年20～100 cm 土層中小斑塊的內(nèi)外部不存在顯著性差異（P＞0.05）。由表3 可知，對(duì)于內(nèi)部灰鈣土而言，不同大小斑塊之間的全剖面土壤平均含水量無(wú)顯著性差異（P＞0.05）；而外部風(fēng)沙土的全剖面土壤平均含水量表現(xiàn)出大斑塊顯著大于中小斑塊（P＜0.05），中小斑塊之間并無(wú)顯著性差異（P＞0.05）。

表2 不同斑塊內(nèi)部灰鈣土與外部風(fēng)沙土土壤剖面（0～100 cm）含水量（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）Tab.2 Water content of sierozem inside and aeolian soil outside in soil profiles for different patches（mean±SD）

表3 不同大小斑塊內(nèi)部灰鈣土與外部風(fēng)沙土0～100 cm土層平均含水量（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）Tab.3 The average water content of 0-100 cm soil layer in different size patches of sierozem inside and aeolian soil outside（mean±SD）

從圖3可以看出，無(wú)論是灰鈣土還是風(fēng)沙土，土壤含水量的變異系數(shù)隨土層深度的增加而減小，表明土層越深土壤含水量越穩(wěn)定；同一降雨年型下灰鈣土和風(fēng)沙土各斑塊的含水量變異系數(shù)變化趨勢(shì)相似，表明降雨年型對(duì)含水量變異影響最大；同一降雨年型的同一土層中，風(fēng)沙土含水量變異系數(shù)大于灰鈣土；對(duì)比不同年份得出，2017 年土壤淺層和深層的變異系數(shù)差別最大，其次為2019 年，2018 年最小。

圖3 2017—2019年灰鈣土(a)與風(fēng)沙土(b)含水量變異系數(shù)的垂直變化Fig.3 Vertical variation in the coefficient of variation for soil water content of sierozem(a)and aeolian soil(b)from 2017 to 2019

2.4 土壤儲(chǔ)水特征與降雨量相關(guān)性分析

由圖4 可以看出，2017 年5—7 月中旬土壤儲(chǔ)水量逐漸降低，7 月中旬后土壤儲(chǔ)水量有所回升，在9月達(dá)到最高點(diǎn)，其后土壤儲(chǔ)水量有所下降，從全年來(lái)看，大、中、小斑塊內(nèi)部灰鈣土生長(zhǎng)季末與生長(zhǎng)季初土壤儲(chǔ)水變化量分別為11.71 mm、10.60 mm、17.30 mm，表現(xiàn)為積累型，外部風(fēng)沙土分別為1.11 mm、1.51 mm、0.01 mm，表現(xiàn)為積累型；2018 年由于夏秋嚴(yán)重干旱，土壤儲(chǔ)水量在5 月下降后一直處于較低的狀態(tài)且?guī)缀鯚o(wú)波動(dòng)，大、中、小斑塊內(nèi)部灰鈣土土壤儲(chǔ)水變化量分別為-21.55 mm、-47.02 mm、-17.93 mm，外部風(fēng)沙土分別為-28.89 mm、-30.26 mm、-25.77 mm，2 種土壤均表現(xiàn)為消耗型；2019 年土壤儲(chǔ)水量在7 月和8 月中旬有2 次波峰，8月中旬以后土壤儲(chǔ)水量持續(xù)下降，大、中、小斑塊內(nèi)部灰鈣土土壤儲(chǔ)水變化量分別為14.12 mm、11.13 mm、19.72 mm，外部風(fēng)沙土分別為-14.83 mm、28.34 mm、13.33 mm，2種土壤大多表現(xiàn)為積累型。

圖4 2017—2019年斑塊內(nèi)部灰鈣土（a）和斑塊外部風(fēng)沙土（b）土壤儲(chǔ)水量隨時(shí)間的變化Fig.4 Variation of soil water storage with time in sierozem(a)and aeolian soil(b)from 2017 to 2019

研究區(qū)3 a 生長(zhǎng)季內(nèi)灰鈣土與風(fēng)沙土的土壤儲(chǔ)水量波動(dòng)趨勢(shì)基本一致，但灰鈣土的土壤儲(chǔ)水量整體低于風(fēng)沙土，且灰鈣土土壤儲(chǔ)水量的變化幅度（27.88～107.84 mm）小 于 風(fēng) 沙 土（45.71～185.69 mm）。大、中、小斑塊內(nèi)部灰鈣土的土壤儲(chǔ)水量相差不大，表明灰鈣土受降雨格局的影響較?。淮蟀邏K外圍風(fēng)沙土的土壤儲(chǔ)水量遠(yuǎn)高于中斑塊和小斑塊，表明風(fēng)沙土受降雨格局的影響較大。

對(duì)土壤儲(chǔ)水變化量與累積降雨量的關(guān)系進(jìn)行擬合分析（圖5），發(fā)現(xiàn)當(dāng)降雨量<16 mm 時(shí)，2 種土壤的土壤儲(chǔ)水量均為負(fù)值，說(shuō)明土壤水分處于消耗狀態(tài)，且在相同降雨條件下，風(fēng)沙土的消耗量大于灰鈣土；當(dāng)降雨量>16 mm 時(shí)，2 種土壤的土壤儲(chǔ)水量為正值，說(shuō)明此時(shí)土壤水分處于積累狀態(tài)。當(dāng)降雨量在16～25 mm 左右時(shí)，灰鈣土的積累量大于風(fēng)沙土，當(dāng)降雨量>25 mm 左右時(shí)，灰鈣土的積累量小于風(fēng)沙土。風(fēng)沙土擬合直線的斜率大于灰鈣土，再一次證明了風(fēng)沙土受降雨的影響大于灰鈣土。

圖5 土壤儲(chǔ)水變化量與降雨量的擬合關(guān)系Fig.5 The fitting relation between soil water storage variation and rainfall

3 討論

3.1 不同土壤類(lèi)型土壤水分時(shí)空變化特征

研究表明，在干旱半干旱荒漠地區(qū)降雨是土壤水分變化的主要控制因素，土壤水分隨降雨呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化特征［18,35］。通過(guò)連續(xù)3 a 對(duì)寧夏荒漠草原的土壤水分進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析，發(fā)現(xiàn)灰鈣土和風(fēng)沙土的土壤水分也隨降雨呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化特征，2017年和2019年土壤水分年內(nèi)變化大致表現(xiàn)為：春季缺墑（5 月）、夏秋季增失墑交替（6—10 月），與陳洪松等［36］研究的黃土高原地區(qū)荒草地與裸地土壤水分特征一致；2018 年春季增墑（5月）、夏秋季穩(wěn)墑（6—10 月），與張敏等［37］研究的黃土丘陵地區(qū)不同土壤水分的變化特征不一致，這是由于2018年降雨主要集中在春季，夏秋兩季嚴(yán)重干旱導(dǎo)致的。在年內(nèi)各月份降雨量較多的2017 年和2019 年，土壤水分在降雨結(jié)束后的一定時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值，同時(shí)又會(huì)受蒸發(fā)作用等因素而不斷被消耗，土壤水分隨不同等級(jí)的降雨呈現(xiàn)出月際間干濕交替的變化規(guī)律，與陳曉瑩等［38］研究結(jié)果一致。2017年7月太陽(yáng)輻射強(qiáng)，土壤水分蒸發(fā)加劇，土壤含水量在該月份最低，10 月氣溫逐漸降低，植物蒸騰減少，水分蒸發(fā)強(qiáng)度減小，導(dǎo)致該月份土壤含水量最高；2018年5月降雨多，土壤含水量最高，夏秋嚴(yán)重干旱導(dǎo)致土壤水分波動(dòng)小，水分連續(xù)性強(qiáng)；2019年8月氣溫高、水分蒸發(fā)強(qiáng)烈，但降雨量大，故土壤含水量高，而5月降雨少且土壤水分蒸發(fā)增加，導(dǎo)致土壤含水量最低。

在寧夏荒漠草原地區(qū)，灰鈣土在風(fēng)蝕作用下逐漸沙化為風(fēng)沙土，土壤物理性質(zhì)的改變會(huì)影響土壤水分的空間分布［39］。其中，灰鈣土結(jié)構(gòu)緊實(shí)，黏粉粒、CaCO3含量高，非毛管孔隙度低［23］，使得水分入滲深度淺，土壤水分主要分布在10～40 cm，在大降雨事件下水分最大入滲深度可達(dá)60 cm，適合于耐旱的淺根系植物生長(zhǎng)；風(fēng)沙土結(jié)構(gòu)松散，砂粒含量高，土粒間孔隙大［23］，滲透性較高，使得水分更易入滲，土壤深層更易得到水分補(bǔ)充，土壤水分主要分布在20～100 cm，最大水分入滲深度超過(guò)100 cm，適合于深根系、耗水量較大的灌木生長(zhǎng)。此外，由于土壤表層與外界大氣交換過(guò)程強(qiáng)烈，受氣候的影響較大，在降雨后表層土壤含水量迅速增加，同時(shí)由于蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤水分又迅速降低，所以2種土壤在0～20 cm 表層土壤水分波動(dòng)大，但隨著深度增加土壤水分波動(dòng)減小。對(duì)于不同大小斑塊而言，面積越大的斑塊越有利于土壤水分聚集，土壤水分越高，但在寧夏荒漠草原地區(qū)降雨大部分以單次的小降雨事件為主，所以聚集效應(yīng)不是很明顯，導(dǎo)致大、中、小斑塊內(nèi)部灰鈣土之間水分差異不顯著；但當(dāng)降水量較大時(shí)，大斑塊入滲較慢，形成徑流對(duì)外部風(fēng)沙土的水分補(bǔ)給明顯，因而大斑塊外部風(fēng)沙土水分顯著高于中、小斑塊，所以在預(yù)防灰鈣土沙化時(shí)也需要重點(diǎn)注意大斑塊外圍風(fēng)沙土的土壤水分高的特性而針對(duì)性采取固沙保墑措施，如可通過(guò)壓砂等［40］方法減少土壤表層的水分蒸發(fā)。

3.2 不同土壤類(lèi)型土壤儲(chǔ)水量與降雨量關(guān)系

沈菊等［41］研究表明，降雨過(guò)程中氣溫越高，植物蒸騰和地表蒸發(fā)的水分越多，氣溫與土壤含水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。研究區(qū)在夏秋季的高溫作用下土壤水分蒸發(fā)明顯，因此，需要在夏秋季有足夠的降雨才能對(duì)土壤水分進(jìn)行有效補(bǔ)充。對(duì)于2017 年和2019 年而言，降雨主要發(fā)生在夏秋季，夏秋季降雨量占比分別為全年降雨量的92.4%，年內(nèi)土壤儲(chǔ)水量大多表現(xiàn)為積累型；但對(duì)于2018 年而言，降雨主要集中在春季，春季降雨量占比為全年降雨量的76.2%，年內(nèi)土壤儲(chǔ)水量表現(xiàn)為消耗型。因此，研究區(qū)在夏秋季連續(xù)大降雨下有利于全年儲(chǔ)水量的補(bǔ)給，在經(jīng)過(guò)冬季凍結(jié)以及春季凍融后，可作為來(lái)年生長(zhǎng)季初土壤水分的基礎(chǔ)。

研究表明，降雨是影響干旱地區(qū)土壤水分消漲的關(guān)鍵因素［42-43］。王濤［44］在黃土高原旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)降水是對(duì)土壤蓄水量影響最大的因素，其對(duì)土壤蓄水量的貢獻(xiàn)度在70%左右。通過(guò)對(duì)土壤儲(chǔ)水變化量與降雨量的擬合關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)，灰鈣土擬合直線斜率大于風(fēng)沙土，表明風(fēng)沙土土壤儲(chǔ)水量受降雨影響更大，在有效降雨時(shí)可獲得更多的水分儲(chǔ)存，但同時(shí)也更易在干旱少雨時(shí)丟失儲(chǔ)存的土壤水分，此結(jié)論印證了風(fēng)沙土變異程度更大這一結(jié)果，這是由于風(fēng)沙土相對(duì)于灰鈣土具有更大的孔隙度，水分滲透率相對(duì)較高［45］。由于土壤水分會(huì)受到土壤蒸發(fā)、徑流損失、水分滲漏、植物吸收和蒸騰等因素而消耗，因此，研究區(qū)內(nèi)降雨量需達(dá)到16 mm以上，土壤儲(chǔ)水量才會(huì)有所增加。類(lèi)似的，常昌明等［46］通過(guò)分析內(nèi)蒙古蘇尼特荒漠草原土壤水分對(duì)降雨的響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，I～Ⅱ級(jí)小降雨事件對(duì)土壤水分的補(bǔ)給作用十分微弱，而Ⅳ～V級(jí)大降雨對(duì)土壤水分補(bǔ)給效果顯著。隨著研究區(qū)降雨量的不斷累積，斑塊內(nèi)外的土壤儲(chǔ)水量均會(huì)不同程度的增加，其中，對(duì)于Ⅰ～Ⅳ降雨條件下，灰鈣土能獲得更大的土壤儲(chǔ)水量，這是由于灰鈣土的保墑能力更強(qiáng)，能夠?qū)⒔邓行?chǔ)存起來(lái)。而當(dāng)降雨量增至V 級(jí)時(shí)，孔隙度大的風(fēng)沙土則能通過(guò)水分的快速入滲，將水分儲(chǔ)存在深層土壤中。土壤性質(zhì)的不同，會(huì)使得該地區(qū)對(duì)降雨的水分存儲(chǔ)能力產(chǎn)生差異。對(duì)于土壤結(jié)構(gòu)致密的灰鈣土，其透水性能差，在減少土壤水分蒸發(fā)的同時(shí)也阻礙了降水的入滲，入滲效果弱于風(fēng)沙土。對(duì)于土壤結(jié)構(gòu)松散的風(fēng)沙土，其透水性能好，在增強(qiáng)土壤水分入滲的同時(shí)也加快了降水的蒸發(fā)，保墑效果弱于灰鈣土。因此，對(duì)于連續(xù)降雨或大降雨，風(fēng)沙土更利于土壤水分的存儲(chǔ)；而對(duì)于間歇性降雨或小降雨，灰鈣土更利于土壤水分的存儲(chǔ)，但降雨間歇時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或雨量過(guò)少，則可能出現(xiàn)一定時(shí)間內(nèi)的水分蒸發(fā)量大于入滲量，導(dǎo)致土壤儲(chǔ)水量較降雨前下降的情況［32］。

4 結(jié)論

（1）土壤年平均含水量為：2017 年＞2019 年＞2018 年，2017 年秋季土壤含水量大于春夏兩季，在10月最高，7月最低；2018年春季土壤含水量大于夏秋兩季，在5月最高；2019年夏季土壤含水量大于春秋兩季，在8 月最高，5 月最低。降雨分配是決定土壤年平均含水量的關(guān)鍵因子，全年降雨量最多的2018 年，土壤年平均含水量反而最低。土壤含水量的季節(jié)變化取決于當(dāng)季降雨量、氣溫和蒸發(fā)蒸騰的綜合作用。

（2）灰鈣土含水量主要集中于10～40 cm 土層，而風(fēng)沙土含水量主要集中于20～100 cm土層。在0～20 cm 土層，灰鈣土含水量大于風(fēng)沙土；20～80 cm 土層，風(fēng)沙土含水量大于灰鈣土。且2 種土壤類(lèi)型的土壤含水量在表層波動(dòng)劇烈，深層波動(dòng)趨于平緩。

（3）土壤儲(chǔ)水變化量與降雨量呈一次線性關(guān)系，且風(fēng)沙土儲(chǔ)水量受降雨影響大于灰鈣土。當(dāng)降雨量＞16 mm 時(shí)，2 種土壤類(lèi)型水分開(kāi)始積累；16～25 mm 時(shí)，灰鈣土儲(chǔ)水量高于風(fēng)沙土；＞25 mm 時(shí)，風(fēng)沙土儲(chǔ)水量高于灰鈣土。