荒漠草原不同土地利用类型土壤水分对降水的响应

陈 林，宋乃平，杨新国，李学斌

(1.宁夏大学西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室，银川 750021；2.宁夏大学西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地，银川 750021；3.宁夏大学生态环境学院，银川 750021)

土壤水分作为水循环的一个重要参数，是生态系统功能的关键因素，作为纽带连接着降水、地表水和地下水，对植被组成和物种丰富度有着重要贡献，也极大影响着生态系统的生产力。在干旱和半干旱地区，土壤水分具有较高的时空变异性，是植被恢复和生态系统可持续发展的主要限制因素。因此，土壤水分与不同土地利用类型之间的关系引起极大的关注。有研究表明，在正常气候条件下，土地利用差异是决定土壤水分变化的主导因素，且对0—500 cm土层的土壤含水量有显著影响。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，研究土壤水分对降水的响应有助于深入理解和解释未来降水格局变化对干旱半干旱生态系统关键过程的影响。

在干旱少雨的荒漠草原，有限的降水资源往往并未得到有效的利用，因此，由降水引发的土壤水分变化对该区域生物过程中的作用显得更为重要。许多物种分布在荒漠草原的斑块中，对土壤于多年生草本植物同样有着较大的影响。反过来，不同土地利用类型条件下的植被能够改变降水的再分布而水分特别敏感，有研究发现，低灌木地区的土壤含水量比其他植被类型具有更高的时间稳定性，而有不同的土壤水分输入过程。目前，关于不同土地利用类型降水入渗过程和累积入渗的资料仍然较少。

2003年宁夏全区实施退耕还林(草)工程后，荒漠草原植被覆盖度提高，主要是大面积建植的人工林，如中间锦鸡儿。然而，不适宜的植被建设可能导致土壤干层的发生，而根区缺水可能会持续限制植被的生长。通过开展不同土地利用类型对土壤水分影响的研究，将有助于了解造成缺水的机制和解决长期植被恢复不良的问题，这对可持续利用降水资源、合理管理各种土地利用类型都至关重要。因此，需要更好地了解荒漠草原不同土地利用类型土壤水分和降水之间的关系，以避免上述问题的发生。因此，什么样的土地利用方式可以更好的利用有限的降水资源，是值得探讨的问题。

本文选取荒漠草原3种典型土地利用方式(沙地、天然草地和灌木林地)，基于降水和土壤水分的时间高分辨率连续动态监测，分析土壤水分时间动态和空间分布、湿润锋推进以及降水入渗量等特征，探讨荒漠草原降水对不同土地利用类型下土壤水分的补给特征，以期为利用降水资源和维持生态恢复的最优土地利用方式提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于毛乌素沙漠西南缘的宁夏回族自治区盐池县皖记沟行政村，该区域海拔1 230 m。1954—2016年的年降水量为145～587 mm，多年平均降水量为290 mm，大约70%的降水发生在6—9月，而蒸发量则是降水量的6～7倍。土壤类型以风沙土和灰钙土为主，松散的基岩风化沉积土呈斑块状裸露分布。主要植被类型为灌木和天然草地，大多数植物的生长期从5月开始，至10月结束。

1.2 试验设计与数据采集

选取研究区内相对平坦的天然草地(冰草)、灌木林地(中间锦鸡儿)和沙地(对照)3种典型土地利用类型作为研究对象。每个研究地点的代表性土壤剖面、粒径、容重、植被覆盖和高度信息见表1和表2。灌木地为中间锦鸡儿成行种植，行距约为6 m，株距为1.0～1.5 m。通过土钻采样或TDR传感器等不同的测量技术，可以获得一定区域和特定时刻的原位土壤水分数据，而土壤水分监测系统(HOBO, H21, USA)可以长时间、连续自动记录并存储土壤水分含量值，减少数据采集所需的时间和人力。考虑到试验精度的问题，不同土地利用类型的土壤水分监测应具有相同的精度和频率。本研究中的土壤水分监测探头(HOBO, S-SMC-M005, USA)测量范围为0～0.55 m/m，在0～50 ℃范围内精度为±0.031 m/m。灌木地中土壤水分传感器安置于中间锦鸡儿冠层边缘到茎部的中间位置，其他土地利用类型均位于各试验样地的中间位置。将该探头分别安装在地表以下5，10，20，40，60，80，100，150，200，250 cm处。探头安装时，在土壤中钻1个足够大的坑，探头放置在10 cm以下(不包括10 cm)，插入土壤中垂直放置，在5，10 cm深度时将探头水平放置。安装完成后，对土坑进行仔细回填和覆压，以保证与原土坑最大可能的一致性。2013年5月26日，每个土地利用类型样地中都安装了土壤水分监测系统，并在2个月后开始测量，让土壤自然沉降后再读取数据。由3个数据采集器(HOBO, H21, USA)进行存储，记录间隔为每30 min收集1次，具有较高的时间分辨率，并定期手动下载。降水量数据来源于安装在研究区内的自动气象站(Weather Station Vantage Pro2Plus)，采样时间间隔为30 min，使用Weather Link 6.0软件下载记录的数据。

表1 研究地概况

表2 研究地土壤特征

1.3 数据分析

有研究认为，湿润锋的位置可以通过测量基质电位或土壤剖面含水量的变化来检测。本试验中，水分入渗过程是由土壤剖面深度5，10，20，40，60，80，100，150，200，250 cm处含水量的变化所测量的，假设当含水量在一定深度保持在一个稳定值连续超过2 h，降水入渗停止。

降水事件的累积入渗量可表示为:

=(-)10

(1)

式中：为1次降水事件后所能达到的最大土壤含水量(cm/cm)；为降水事件发生前的初始土壤含水量(cm/cm)；为入渗深度(40 cm)；为累积入渗量(mm)。一般情况下，在降水事件发生后的1 h达到。

2 结果与分析

2.1 研究期降水特征分析

降水趋势的年际分析表明，年降水量呈下降趋势，年平均降水量从1954—1963年的308 mm下降到2007—2016年的289 mm(图1)，选取的监测年降水量为平水年。

图1 1954-2016年降水量及其趋势

按照单次降水是被至少6 h的连续干旱期分隔开的事件所定义。在研究期间，降水被划分为6个等级(表3)。本研究选取2013年8月1日至10月31日，共确定36个降水事件超过0.254 mm，均无降雪和冰雹等事件。降水量<5 mm的事件共有26次，约占总降水事件的72%。降水>5 mm且<10 mm共9次，降水>10 mm仅1次，说明该等级的降水量事件很少发生。研究期内降水量合计为102.6 mm，占全年降水量(284.6 mm)的36.05%。

表3 降水强度分级标准及相应的降水记录

降水量、最大降水强度、最小降水强度和平均降水强度见表4。降水量最大为12.48 mm，平均降水强度为7.37 mm/h；10月2日发生的降水量为2.248 mm，平均降水强度高达135.382 mm/h，这意味着某些降水事件虽然降水量小，但降水强度却较高。

表4 研究期(8-10月)降水特征分析

在3个月的研究中，平均降水强度>50 mm/h，约占总降水事件的3%；>25 mm/h且<50 mm/h的降水事件占3%；>10 mm/h且<25 mm/h的降水事件则占8%；<10 mm/h的降水事件居多，达到86%。

2.2 土壤水分的时间动态

研究期内天然草地、灌木林地和沙地0—250 cm的平均土壤含水量时间动态见图2。3种土地利用类型平均土壤含水量明显不同，表现为沙地>灌木林地>天然草地。沙地土壤含水量为0.06～0.15 m/m，平均为0.11 m/m。天然草地平均含水量最低(0.07 m/m)，波动范围为0.06～0.11 m/m。灌木林与天然草地的结果相似，但平均含水量略高于天然草地，数值范围为0.06～0.10 m/m，平均0.08 m/m。整体看来，灌木林地土壤含水量在监测期内波动不大，与沙地和天然草地相比，对降雨事件的响应较为平稳。

图2 2013年8-10月平均土壤水分和降水动态

2.3 土壤水分的空间差异

从图3可以看出，表层(5，10 cm处)土壤含水量波动幅度均较大，主要是因为受降水、气温的影响较大且响应迅速。从不同土地利用类型来看，沙地表层平均土壤含水量较高，其次为灌木林地，天然草地表层平均土壤含水量最低。次表层(20，40 cm处)土壤含水量的波动较表层小，且平均含水量低于表层；沙地的平均土壤含水量显著高于其他2个土地利用类型。次深层(60 cm处)，沙地土壤含水量分布在0.08～0.14 m/m，且相对稳定，而灌木林地和天然草地的土壤含水量波动较大，且含水量较次表层有所增多；依然以沙地的土壤含水量高。深层(>80 cm)土壤含水量相对稳定，变异程度较小，降水后水分受重力影响而下渗，在本研究期内，3个土地利用类型深层土壤含水量几乎不受降水入渗的影响。但在250 cm处，沙地的土壤含水量波动显著增大，这可能是与不同土层间土壤性质(颗粒组成、有机质等)不一致所导致的深层渗漏有关，也可能与该地区沙地的地下水位埋藏较浅而周围人类的生活和生产活动(如打井取水和农田灌溉等)的影响有较大关系。

图3 3种土地利用类型土壤水分的空间差异

2.4 土壤湿润锋分析

在研究期内的36次降水事件中均没有出现地表径流。利用最大1次降水量(12.480 mm)分析湿润锋的推进过程(图4)。灌木林地土壤初始平均含水量最低(0.062 m/m)，5 cm处土层最干，土壤含水量的增加相对缓慢，湿润锋从降水开始入渗到5 cm处，历时约2 h，其后土壤含水量迅速增加，由0.01 m/m增长至0.12 m/m，10 cm处土壤含水量随时间的进程而缓慢增加，而>10 cm土层土壤含水量无明显变化。

图4 3种土地利用类型的湿锋入渗过程

天然草地初始土壤含水量最低(0.060 m/m)，0—10 cm土层土壤含水量接近0。湿润锋不到1 h便达到5 cm处，土壤水分含量在经过2 h的近似线性增长后，从0.01 m/m达到0.23 m/m，在维持1 h(16:00—17:00)后，该层土壤水分含量出现下降。同时，湿润锋(0.14 m/m)到达10 cm的深度，并且至少维持18个小时。然而，天然草地20 cm深度的土壤水分含量并没有改变，仍然维持在较低水平。

沙地的湿润锋深度比灌木林地提前约2 h达到5 cm，并且土壤含水量提前约3 h达到0.17 m/m的峰值。随着快速和强烈的渗透，5，10 cm处的土壤水分含量几乎同时增加，特别是10 cm处土壤含水量从降水前的接近0，经过大约3 h的降水增加到0.17 m/m。20 cm处的土壤含水量随降水事件开始缓慢增加，但在经过近20 h的观测结束时，仅从0.05 m/m增加到0.07 m/m。

2.5 降水和累积入渗量间的关系

基于方程(1)，得出累积入渗量和降水量间的关系(图5)，可表示为：

图5 降水量与累积入渗量的关系

=00365-00074

=00247+00032

=00717+00012

在3个月的研究期间内，降水量为102.60 mm，由公式可计算得出，天然草地的入渗量最高(7.36 mm)，沙地入渗量为3.47 mm，灌木林地入渗量最低(2.64 mm)。可以看出，研究区降水对土壤水分的补给相对较低。

3 讨 论

3.1 降水事件与土壤含水量的关系

降水通常以“事件”或“风暴”的形式进行研究，其开始和结束由指定持续时间的无降水间隔确定，即最小间隔时间。为了将降水与时间序列分开，采用2次降水之间持续6 h以上的连续干旱期的惯例，还有学者用4 h作为间隔时间，将个别降水与连续降水数据分开，甚至还可以使用无降水的1 h周期来分离降水事件。

而降水事件的划分直接影响研究结果，有学者对连续1 h或6 h无降水分离降水事件进行了比较，发现存在差异。在处理分辨率为小时的降水量数据系列时，用于分离降水量的最小间隔时间一定程度上影响其属性，因此，最小间隔时间可以应用于不同的降水时间分辨率，但这取决于需要降水事件信息模型的目的。改变最小间隔时间(如1，2，4，6，12，18，24 h)会改变降水事件的数量、平均降水频率和平均降水持续时间。因此，对降水事件的统一定义非常重要。然而，这往往很少受到关注，限制已发表文献中结果的可比性。所以，在采用基于降水事件的数据比较分析研究中，需要更多地注意降水事件标准的选择。

大部分的降水对表层(0—10 cm)影响较大，但对深层(20 cm以下)影响不大，这与杨磊等在黄土丘陵地区的研究结果一致。由于荒漠草原年降水量相对较少，这一现象对植物特别是生长期内的浅根植物很重要。在生长期内<5 mm的降水事件最多(约72%)，而>10 mm的降水事件则很少发生，这与Huxman等在美国北部研究发现小降水事件占主导但对降水总量贡献小、大降水事件虽然少但对生态系统影响大的研究结果相一致。Schwinning等认为，生态系统中降水影响的层次性为干旱半干旱地区的未来提供了新的视角。本文研究发现，不同土地利用类型土壤含水量的增加与阈值和降水量间的关系与其他多数研究结果相似，土壤含水量与降水量之间存在正相关关系，且不同植被类型间有着显著差异。当然，土壤含水量对降水的响应时间和降水入渗深度与降水格局密切相关，大的降水量(>20 mm)对提高土壤含水量和土壤贮水量起着关键作用。

而土壤含水量除受降水影响外，还受其他因素的影响，如相对湿度、气温、风速、土壤养分、土壤质地、植被类型和盖度、水气压、最低气温等，尽管不同条件下多种气候因素的影响是非常重要的，但这些因素的综合影响及其机制仍不清楚，为了实现生态系统的可持续性，还需要多因素、长时间和多维度的过程监测与研究。

3.2 不同土地利用类型土壤水分的入渗特征

降水入渗是重要的土壤水文循环过程，决定着土壤水分的分布特征，进而影响植被的生长情况和稳定性，也是区域水资源评价和管理的重要一环。有学者研究发现，天然草地土壤水分容易得到有效补给，而且降水补给效率最高，主要是与植株形态密切相关，因植被冠层对降水的再分配作用，不同植被覆盖下降水到达地表的时间存在差异。本研究中，3种土地利用类型下土壤湿润锋的推进程度存在差异。灌木林地的入渗速率相对较慢，主要是因为柠条冠层枝叶截留部分雨水而减少和延缓水分入渗，但相关研究表明，冠层截留受到叶片粗糙度、植被结构、种植密度、植被覆盖度等因素的影响，土壤水分在降水量较大的情况下才能得到有效补充。沙地具有快速、强烈的入渗作用，湿润锋能在较短的时间迅速到达深层土层，但干旱半干旱地区沙地降水的补给量又因强烈的蒸发作用而快速消失。降水对表层土壤水分的补给并不能全部被植物所利用，只有进入土壤一定深度的水分才能成为有效水分，天然草地由于表层的初始土壤含水量较低，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叶片上，当叶片被完全湿润且雨量聚集到一定量后即沿着叶片降落到地表，对土壤水分进行补给。但在20 cm处土壤含水量仍在较低的水平，可能是因为浓密的草根一定程度上阻止了降水入渗，但这样具有较高的降水水分利用效率。当然，本研究仅从降水入渗的角度，讨论了不同土地利用类型土壤水分特征，由于监测手段和数据限制，未对不同降水过程下各土地利用类型的蒸腾蒸发特征做探讨，而综合分析土壤水分补给和消耗特征，这将是今后需要进一步研究的内容。

4 结 论

(1)在研究期间，降水量以<5 mm的小降水事件为主，且<10 mm/h的降水事件居多，说明该地区无效降水事件发生频次较高。而且由于降水事件所导致的林地、沙地和天然草地表层(<10 cm)土壤含水量波动较大，深层(>80 cm)土壤含水量则相对稳定。

(2)沙地湿润锋响应最快，入渗深度最大，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动较大，但天然草地累积入渗量较大，灌木林地土壤含水量对降雨事件的响应较为平稳，入渗量最低。因此，从最大蓄存和有效利用降水资源的角度来看，草地是荒漠草原生态恢复与重建过程中可以选择的土地利用方式。