高寒沙地典型人工林土壤水分动态及其对降雨的响应

杨凯悦，贾志清, ，李清雪，何凌仙子，戴捷，陈娟

1. 中国林业科学研究院荒漠化研究所，北京 100091；2. 青海共和荒漠生态系统定位观测研究站，青海 共和 813005

土壤水是地表水、地下水、大气水之间相互转化的纽带，在水资源形成、转化及消耗过程中起着重要作用，也是影响植被建设的首要因素（Simmons et al.，2008，徐庆等，2011）。降雨量是影响土壤水分入渗补给深度的关键因素，但由于地理环境、土壤质地等差异，在不同地区土壤水分对于降雨的响应关系明显不同。研究表明，要使同一深度的土壤达到水分补给，干旱半干旱地区的降雨量要显著高于相对湿润地区（Jia et al.，2015，Yao et al.，2013）。在沙区，降雨入渗是土壤水分主要的补给来源（Yang et al.，2014），沙土中水分含量及其动态变化对土地沙漠化的发生和逆转过程具有非常显著的作用，是土地沙漠化的主要调控者（Berndtsson et al.，1994）。小雨只能对表层土壤进行水分补给，大雨才能够使水分渗透表层土壤补给深层土壤（Yang et al.，2014），而且随着土层深度的增加，土壤水分对降雨的响应逐渐减弱（茹豪等，2014），但即便是年降雨量达到450 mm时，降雨对地下水的补给作用也极其微弱（李东方等，2013）。目前针对土壤水分对降雨的响应研究主要集中在黄土高原和各大沙区等干旱半干旱地区，对于高寒沙地区域内土壤水分对降雨的响应的研究还未涉及，对于不同生长阶段的人工林之间的比较仍未见报道。

高寒沙区作为中国青藏高原地区重要的生态系统组成部分，其特殊的地理位置和生态环境条件，使得该区域水分供需矛盾突出，降雨量与土壤水分之间的响应关系成为亟须明确的科学问题。因此，以高寒沙区不同生长阶段的中间锦鸡儿（Caragana intermedia）人工林为研究对象，分析其在不同深度的土壤水分动态变化特征，探讨不同深度土壤水分对不同降雨量的响应过程，深入了解高寒沙区植物与降雨关系，为高寒沙区的植被恢复与合理配置提供科学依据。

1 研究区概况

共和盆地位于青藏高原东北部祁连山与昆仑山的过渡带，研究区位于共和盆地青海共和荒漠生态系统定位研究站内（99°45′－100°30′E，36°03′－36°40′N），属高原高寒沙化土地类型区，是高原温带半干旱草原和干旱荒漠草原的过渡带，海拔2871 m，年均气温2.4 ℃，年均降水量246.3 mm，年均蒸发量1716.7 mm，全年大风日数平均50.6 d，最多可达97 d，风向主要为西、西北风，年均风速2.7 m·s-1，最大风速可达40 m·s-1，年均无霜期日数为91 d（Jia et al.，2012）。在共和盆地沙区植被恢复区，中间锦鸡儿、柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）、沙蒿（Artemisia desertorum）、沙柳（Salix cheilophila）等都是重要的防风固沙植物，中间锦鸡儿作为最重要固沙植被之一，得到大面积种植。中间锦鸡儿为豆科锦鸡儿属多年生灌木，由于其根系发达、具根瘤、耐旱抗寒、耐风蚀沙埋等特性（赵一之，2005），以及具有改良土壤、固氮等生态功能（Jia et al.，2012），在西北干旱区防沙固沙和植被恢复中被广泛应用（Fang et al.，2013，Guo et al.，2010，Li et al.，2014，周萌，2016）。

图1 样地位置示意图Fig. 1 Location map of study sites

表1 中间锦鸡儿人工林样地点特征Table 1 Features of Caragana intermedia plantation in the plots

2 研究方法

2.1 样地选取

在共和盆地植被恢复区内，选取长势良好的 4个不同生长阶段（3、5、16、30 a）中间锦鸡儿人工林，2015年5月在每个林龄内分别设置1个30 m×30 m的样地。每个样地选取3个1 m×1 m样方，每个样方内随机选取1丛记录株高、地径等信息。样地位置、样地特征如下图1、表1。

2.2 数据获取

利用 ECH2O土壤含水量监测系统（美国METER公司）对土壤水分进行连续监测。用手持式 GPS（Garmin）记录坐标点。ECH2O 土壤含水量监测系统通过测量土壤的介电常数来计算土壤体积含水量（VWC），测量范围为0－100%，测量精度在±3%以内。在每个样方中分别挖取深度为150 cm的土壤剖面，从上到下按照10、20、30、40、60、90、120、150 cm，一共8个深度，分别安装5TM土壤水分传感器。利用EM50数据采集器每隔20 min连续记录监测土壤体积含水量。利用 Dynamet-1k科研级自动气象站采集降雨量信息，毎30 min记录1次数据。在对土壤水分对降雨时间的响应过程的研究中，土壤水分的测定方法为雨后1 h内，每隔20 min测定并记录1次土壤水分，雨后1 h之后，以1 h为间隔进行记录和分析，进而探讨不同级别降雨后土壤水分的变化过程。本研究采用2016年9月－2017年9月的土壤水分及降雨量数据，分析不同林龄土壤水分对不同降雨量的响应状况。

2.3 数据处理与统计分析

根据EM-50采集的土壤水分数据，计算各层土壤的蓄水量：

式中，Wi为土层蓄水量（mm）；θi第i个探头监测的土壤体积含水量；Di为土层厚度（mm）；W为总蓄水量。

土壤容重的测定采用烘干称重法。将装有土样的环刀（用A代表体积，100 cm3）于105 ℃左右烘干24 h至恒重后称重（W1）；将土壤样品弃去，称重（W2）；土壤容重（ρb）按下式计算：

土壤孔隙度的测定采用称重法。将装有土样的环刀底部垫上滤纸加盖，放入水中12 h，称重（W1）；105 ℃左右烘干，环刀+土样称重（W2）；弃去土样，称取环刀重（W5），土壤孔隙度（p）按下式计算：

根据以往对于降雨事件的分析方法，降雨时间间隔大于24 h便可作为两次独立的降雨事件。根据降雨量的大小，将降雨量划分为 0.1－2（Ⅰ）、2.1－5（Ⅱ）、5.1－10（Ⅲ）、10.1－18 mm（Ⅳ）及＞18 mm（Ⅳ）共5个量级（常昌明等，2016）。

运用Microsoft Excel 2010进行处理数据，采用SPSS 20.0中的Frank Wilcoxon符号秩检验对土壤水分最值的差异性进行检验，采用Pearson相关系数对降雨量和土壤水分进行相关性检验，运用Origin 9.0制图。

3 结果与分析

3.1 降雨事件特征

研究区内 2008－2017年（部分缺失）的降雨事件统计结果表明，Ⅰ－Ⅳ级降雨随着降雨级别的增加，降雨次数逐渐减小，贡献率逐渐升高。从降雨事件上看，Ⅰ级降雨次数占总降雨事件的51.87%，降雨量占总量的8.78%；Ⅳ级降雨一共出现52次，占总降雨事件的9.7%，降雨量贡献率为32.19%。研究区内的降雨事件以小雨为主，发生大雨的几率较小；在降雨量上，以Ⅳ级降雨的贡献最大。2016年9月－2017年9月期间（图1），共发生降雨事件59起，总降水量为207.2 mm。最大降雨量为18.3 mm，为Ⅴ级降雨事件，只发生过1次，最小降雨量为0.2 mm。各量级降雨特征见表2。

表2 2008年9月－2017年9月各量级降雨特征表Table 2 Rainfall characteristics at various levels from September 2008 to September 2017

图2为试验区2016年9月－2017年9月的降雨量动态变化图。从降雨量的时间分布上看，11－1月之间，几乎未发生降雨，从2月出现降雨，降雨量开始随着时间推移，至8月达到月降雨量的峰值，降雨量开始降低。

图2 2016年9月－2017年9月降水动态分布图Fig. 2 Dynamic distribution of rainfall from September 2016 to September 2017

表3 不同生长阶段人工林不同深度土壤孔隙度Table 3 Soil porosity at different depths of plantation at different stages of growth

表4 不同生长阶段人工林不同深度土壤容重Table 4 Soil bulk density at different depths of plantation at different stages of growth

3.2 不同生长阶段人工林土壤水分的统计特征

不同生长阶段的土壤物理性质如表3、表4所示。随着土层深度的增加，3、5、16 a林分土壤孔隙度呈先增加后减小的趋势，30 a林分呈现先减小后增加的趋势；3、16、30 a林分土壤容重呈现增加－减小－增加的变化趋势，5 a土壤容重则呈现先减小－增加－减小的似“S”形变化趋势。

表5为试验期内不同林龄林分不同深度土壤水分的变化峰值（平均值±标准误差），检验结果表明，土壤水分含量的最大值和最小值之间具有显著性差异，不同林龄林分土壤水分之间也具有显著差异（P＜0.05）。这也说明，试验期间201.6 mm的累计降雨量以及林龄均对0－150 cm的土壤水分含量产生了显著影响。

表5 试验期间土壤水分的变化峰值Table 5 Change peak value of soil water in the plot

图3为4个不同林龄不同深度的土壤蓄水量动态变化图。不同林龄的蓄水量随着时间变化呈现明显的规律性。土壤水分动态变化可划分为土壤水分消耗期、土壤水分积累期和稳定期3个时期。土壤水分的积累期为2－4月以及7－8月，期间的5－6月为土壤水分的稳定期。从2月开始出现降雨，土壤水分开始积累；5月该地区气温明显回升，植被开始复苏，根系活动加强，积累的土壤水分被大量消耗。因此，在稳定期内降雨量虽然逐渐增加，但土壤水分并未明显升高。土壤水分的消耗期为9月至次年1月，由于高寒沙区独特的地理环境，秋冬季节风沙加大，蒸散作用强烈，9月和10月降雨量与3、4月大致相同，土壤水分却呈现降低趋势。

由图3可知，不同林分土壤蓄水量随着林龄的增加，土壤蓄水量整体上遵循“增大－减小－增大”的变化趋势，30 a人工林的蓄水量最大，3 a最小。由图4可知，随着深度的增加，土壤蓄水量呈现先减小后增大的规律。在0－30 cm深度中，3 a林分土壤蓄水量比 5、16、30 a分别多消耗了 51.12、27.62、57.76 mm；40 cm深度中，3 a林分与其他林龄林分的土壤水分消耗差值为-1.48、-9.28、2.30 mm；40－150 cm 深度中，此差值分别为 14.92、-15.29、3.68 mm，总体的土壤水分消耗差距较小。当土壤深度在60－150 cm之间时，随着深度的增加，土壤蓄水量增加量也逐渐增加，增加的均值呈先增加后减小，在16 a和30 a人工林中开始减小。3 a林分的土壤水分消耗主要来源于0－30 cm的表层土壤水分，而5、16、30 a人工林对土壤水分的消耗主要来源于0－40 cm。

图3 不同生长阶段人工林土壤蓄水量动态变化图Fig. 3 Dynamic change of soil water storage at different growth stages of plantation

图4 不同生长阶段人工林不同深度的土壤蓄水量Fig. 4 Soil water storage of different depths at different growth stages

3.3 不同生长阶段人工林土壤水分对不同降雨量的响应

不同林龄和不同深度土壤水分与降雨之间的相关性如表6所示，降雨量对所有林龄的表层土壤水分均有显著影响，对深层土壤的影响较小。

表6 不同林龄和不同深度土壤水分与降雨之间的相关系数Table 6 Correlation coefficient between soil moisture and rainfall at different forest ages and depths

在高寒沙区内，由于其生境的特殊性，降雨成为人工林的土壤水分的主要来源，阐明不同林龄土壤水分的变化对降雨量的响应规律，对于人工林的经营和管理都具有重要意义。根据不同降雨量的量级划分，试验区内降雨量小于2 mm的降雨事件占总降雨事件的48.21%，该降雨事件仅能影响表层土壤水分，因此本研究不予分析。在余下的降雨事件中，每个量级中选取1个前后无明显降雨的单场降雨事件，分别分析不同降雨量对不同林龄林分土壤水分的影响机制。筛选的降雨事件日期分别为7月8日（4.6 mm）、6月8日（6.9 mm）、8月6日（12.2 mm）和8月19日（18.3 mm）。由于土壤水分对于Ⅲ级和Ⅳ级降雨的响应模式相同，因此，本研究仅对Ⅲ级降雨事件（6.9 mm）的响应状况进行了举例分析。

图5为不同林龄土壤水分对Ⅱ级降雨的响应。整个降雨事件陆续进行 9 h（10：00－19：00），降雨量先增加后减小，2－4 h内降雨量最大。在本次降雨中，只有0－20 cm深度的土壤水分明显增加，3、5、16 a林分10 cm深度土壤水分从降雨开始1 h后产生波动，2 h时明显增加，此时降雨量为2.0 mm；而30 a林分在此土层的水分变化则推迟了1 h；所有林分的土壤水分均在6－9 h降雨逐渐停止时开始降低。整个降雨过程中，4个人工林在10 cm深度的土壤水分含量分别升高了0.55%、0.80%、0.44%、0.33%；20 cm的土壤水分变化时间几乎是同步的，均在 12 h达到峰值，土壤水分含量分别增加了0.25%、0.10%、0.10%、0.09%；在30 cm深度的土壤水分没有明显的增加，在24 h时，都出现了明显的下降现象。可见，不同生长阶段的人工林在 0－30 cm深度内的土壤水分对Ⅱ级降雨均有响应。

图5 不同生长阶段人工林土壤水分对Ⅱ级降雨的响应Fig. 5 Response of soil moisture to the level Ⅱ rainfall at different growth stages

图6为不同林龄土壤水分对Ⅲ级降雨的响应，降雨模式与Ⅱ级降雨相同。土壤水分出现变化的土壤层扩大到了0－40 cm。本次降雨事件中，3、5、15、30 a人工林10 cm深度土壤水分含量对于降雨的响应时间明显不同，分别在降雨的1、3、4、4 h之后迅速增加，均在12 h达到最大，随后明显下降。而20 cm和30 cm深度土壤水分含量则在降雨开始后的24 h开始增加至最大值后降低。4个林龄的土壤水分含量在 10 cm深度处分别升高了 2.14%、1.46%、1.14%、1.03%；20 cm深度分别增加了0.41%、0.25%、0.20%、0.10%，30 cm深度分别增加了 0.15%、0.20%、0.15%、0.10%。可见，不同生长阶段的人工林在0－40 cm深度内的土壤水分对Ⅲ级降雨均有响应。

图7为不同林龄土壤水分对Ⅴ级降雨的响应。整个降雨事件发生于12 h之内（8月19日 16：00－8月 20日 04：00），降雨事件主要分为两个阶段间断性发生，前半部分的降雨量为13.3 mm，后半部分为5.0 mm，不同林龄的土壤水分变化也呈现了明显的阶梯状，土壤水分的响应深度为0－60 cm。由于降雨累积量的明显增大，在降雨开始的前 20 min降雨量就达到了5.1 mm，3、5、16 a林分10 cm土壤水分含量在短时间内便迅速增加，而30 a林分同深度的土壤水分则在1 h之后才明显增加。在这一阶段中，4个人工林的土壤水分含量分别增加了0.46%、0.20%、0.25%、0.10%。3、5、30 a林分的土壤水分随着时间推移而逐渐增加，降雨量越大增加的速度越快，分别在9、12、24 h达到最大，随后土壤水分含量开始下降。与之不同的15 a林分土壤水分则在最大降雨之后的1－6 h内，土壤水分呈现缓慢下降的趋势，之后随着降雨的增加而升高，在12 h达到最高。整个降雨过程中，4个人工林10 cm深度土壤水分含量分别增加了9.15%、8.72%、5.89%、4.97%；20 cm深度土壤水分含量在24 h之内达到最大，分别增加了0.44%、0.35%、8.20%、6.11%；在整个降雨事件中，30、40、60 cm深度土壤水分含量随降雨量增大而逐渐增大，但增量不大。可见，18 mm以上的降雨量能够影响0－60 cm的土壤水分，但主要变化出现在0－20 cm以内。

4 讨论

图6 不同生长阶段人工林土壤水分对Ⅲ级降雨的响应Fig. 6 Response of soil moisture to the level Ⅲ rainfall at different growth stages

图7 不同生长阶段人工林土壤水分对Ⅴ级降雨的响应Fig. 7 Response of soil moisture to the levelⅤ rainfall in different growth stages

在高寒沙区土壤水分的季节性变化与降雨量呈现明显的相关性，降雨事件能够显著影响土壤水分的动态变化，这一结果与毛乌素沙地和巴丹吉林沙漠的研究结果相同（Yang，2014，冯伟，2015）。随着降雨事件的发生，人工林内土壤水分也随之发生规律性变化，并将其划分为土壤水分消耗期（9月至次年1月）、土壤水分积累期（2－4月，7－8月）和稳定期（5－6月）。在经历过冬季一段时间的无降水期后，2月的降雨事件使土壤开始蓄水，此时无植被生长，气温低，土壤水分消耗较少，随着降雨量的增加，土壤蓄水量逐渐增加。到了5－6月，降雨量相对增大，但由于高寒沙区光辐射强度大、多风以及地表蒸散等因素共同作用，出现短暂的土壤蓄水量稳定变化期。这与其他地区的划分有所不同，在黄土区土壤水分划分为消耗期（3－5月）、积累期（6－8月）、消退期（9－11月）和稳定期（12月至次年2月）（赵荣玮等，2016），这主要由于两地地理位置、区域气候以及植被类型等因素的不同，造成土壤水分变化时期划分的差异性。浑善达克沙地的土壤水分划分为降水贮存期（4－5月）、消耗期（6－9月中旬）、缓慢恢复期（9月下旬－10月）、缓慢失水和补充期（10月至次年 3月）（李红丽，2006）；毛乌素沙地南缘的土壤水分划分为缓慢积累期（4－5月）、消耗期（6－8月）、积累期（9－11月）、稳定期（12月至次年 3月）（伍永秋，2015）；与其他沙地产生这种区别可能是研究区所处的地理环境，如高寒沙地海拔更高、降水量更少、地表蒸散作用更强，加之研究期内的降雨量分布的不同等因素，都可能会导致这种差异性。而在高寒针茅草原区，生长季土壤水分的变化划分为缓慢增墒期（4－5月）、快速增墒期（5－7月）、快速失墒期（7－8月）、快速增墒期（8－9月）以及快速失墒期（9－10月）（朱宝文，2009）；虽同为高寒地区，但由于气候类型、土地利用类型以及植被类型的差异，土壤水分变化划分也产生偏差。

不同林龄的土壤蓄水量随着林龄的增加呈现“增大－减小－增大”的趋势。3 a和5 a人工林处于植被生长初期，对沙区土壤的改良作用微弱，沙土的保水性能差，地表蒸散作用对土壤水分的消耗较为强烈，加之3 a样地位于风口处，土壤蓄水量更低。林龄增加，土壤肥力及持水性随之增强，由于 30 a人工林处于生长衰退期，对于土壤水分的需求量开始降低，加之地表层凋落物对土壤表层水分蒸散的干扰，导致30 a林分土壤蓄水量高于16 a；5 a比16 a的植被耗水性能低，因此5 a土壤蓄水量较高。

高寒沙区以小降雨事件为主，大降雨事件对土壤水分的贡献较大。土壤水分对降雨量的响应，随着降雨量的增加而越发明显。以往的研究表明，不同的降雨量能够补给的土壤深度不同，在北京鹫峰国家森林公园，水分渗透到20、40、60、80、100、120、160 cm土层，分别需要1、5、20、37、46、52、61 mm的降水，要达到完全饱和则分别需要80、120、140、150、180、200、220 mm的降水（Jia et al.，2015）。不同区域的土壤水分对于降雨的响应也具有明显的差异性。在本研究中，高寒沙区＜5 mm降水能够使30 cm以上的土层水分产生波动，但不能补充深层土壤水分，在黑河流域仅能影响20 cm以上的土壤水分（刘冰等，2011），这主要是源于年降雨量的差别，黑河流域的年降雨量几乎达到高寒沙区的5倍之多，土壤水分含量较高，因而对于小降雨的响应不明显。高寒沙区内5－18 mm的降雨量能影响0－40 cm的土壤水分，而18 mm以上的降雨量能够引起0－60 cm土层水分含量的变化，这与科尔沁沙地的研究结果接近，降水量至少要达到20 mm时，水分才能够达到100 cm深的土壤中（Yao，2013，李东方等，2013，刘新平等，2006）。这也表明，植被覆盖能够影响土壤对降雨的接收和入渗过程，小雨对表层土壤进行水分补给，而大雨是对深层土壤进行水分补给（Yang et al.，2014）。我们发现，在降雨过程中30 cm的土壤水分不直接响应降雨量的增加，而是在降雨结束后土壤水分降低；这是由于降雨量只能补给0－20 cm的土壤水分，地表的水分蒸散使这部分土壤水分几乎达到了增减平衡，降雨被消耗没有下渗，在降雨结束后土壤水分消耗仍然以同样的速度蒸散，这就导致 30 cm的土壤水分就开始补给上层土壤，土壤含水量也因此降低，这也是高寒沙区特殊环境条件引起的土壤水分变化的特点。

不同林龄的土壤水分对于降雨量的响应明显不同。随着林龄的增加，10 cm以下的土壤水分对于降雨量的响应滞后性更加明显，这是由于地表凋落物的覆盖厚度变大、土壤保水能力增强以及人工林的冠幅截留作用增加引起；土壤水分的增量逐渐减小，这与植被根系的分布及耗水性有关。研究表明，中间锦鸡儿人工林的吸收根随着林龄的增加而加深，且主要分布在60 cm深度以上，土壤吸收水分的能力随着林龄的增加而增强（刘丽颖等，2012），表层土壤的水分被植被大量吸收，土壤水分增量也相对减少。

5 结论

（1）高寒沙区典型人工林土壤水分随降雨量的变化而产生季节性变化，不同林龄的土壤需水量也不同，随着深度的增加土壤蓄水量先减小后增大。所以，在高寒沙区造林应根据土壤水分的变化规律，注意苗木栽植的密度，减小土壤干旱对苗木生长的影响，提高造林成活率。

（2）高寒沙区内降雨主要集中在 5－9月，降雨事件以小雨为主，大雨对土壤水分的贡献大。小于5 mm的降雨能够使30 cm以上的土层水分产生波动，5－18 mm的降雨量能影响0－40 cm的土壤水分，而18 mm以上的降雨量能够引起0－60 cm土层水分的变化。不同生长阶段人工林，3、5、16 a土壤水分在降雨1 h之内上升，而30 a的土壤水分对于降雨的响应相对滞后约 1 h，土壤水分增量也相对减少。所以，建议在造林过程中加强水土保持措施，防止降雨过程中土壤表层降水过度流失，使降水更多入渗到土壤中。