毛乌素沙地不同覆被类型土壤水分动态及其对降水的响应

胡安焱, 付稳东, 陈云飞, 颜 林, 艾美霞, 陈 瑞, 石长春, 刘秀花

(1.长安大学 水利与环境学院, 西安 710054; 2.旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室, 西安 710054; 3.榆林市水利局, 陕西 榆林 719000; 4.陕西省治沙研究所陕西榆林毛乌素沙地荒漠生态系统国家定位观测研究站, 陕西 榆林 719000)

土壤水分作为大气—植被—土壤连续体的重要载体,是水循环的主要参与者,对生态系统的恢复和持续发展起着关键作用,尤其是在降水量远小于潜在蒸散量的干旱和半干旱地区[1-2]。自20世纪90年代以来,我国实施了一系列大规模退耕还林还草等生态修复工程,取得了显著的效果[3],使得干旱半干旱地区的植被覆盖率显著增加。但与此同时也加剧了水资源与植被间的供需矛盾,局部地区由于植被覆盖率的迅速增加导致土壤水分的消耗超出降雨的补给能力,出现土壤水分亏缺和植被群落退化现象[4-5],严重影响到了生态修复工程的稳定性。因此,研究不同覆被类型土壤水分动态特征,对于促进植被恢复和生态修复工程可持续性具有重要的实用价值。

目前,很多学者对不同植被土壤水分动态及其对降水响应进行了大量研究,土壤剖面水分分布与覆被类型有着密切的关系,王宇祥[6]、吴远菲[7]等发现不合理的植被配置会造成土壤干燥化,而林莎等[8]发现青藏高原东北缘黄土区典型林分—青海云杉和祁连圆柏的配置下,土壤未出现干层、水分过度消耗等现象;另外,不同年生和密度植被、不同坡向等也会造成土壤水分时空的显著差异[9-10]。降水是干旱和半干旱沙地土壤水分的主要补给源,降水特性影响着土壤水分的补给量和补给深度[11]。干旱地区降水年内分布不均,且降水强度、降水量和降水历时的年内变异性较大[12-13],不同时期受土壤含水状态的影响,其响应过程不同。例如历时长、雨量大的降雨事件更有利于水分深层渗漏,同时初始含水量和土壤物理性质也是影响土壤水分对降水响应的主要因素[14-15]。而植被冠层也会影响降雨再分配,使得水分下渗出现明显的差异性[16];而在极端干旱的库布齐和乌兰布和沙漠,小的降水为主的格局深根性植物生长受限制[17-18]。同时,水热条件的变化也会通过塑造生态格局对土壤水分状态产生影响[19]。

毛乌素沙地生态环境脆弱,近十几年来,随着植被覆盖率迅速增加,土壤水分的植被承载力引起广泛关注。在已发表文献中,毛乌素地区东南缘典型覆被类型在不同雨量级别影响下的土壤水分变化研究并不多见。因此,以榆林毛乌素沙地的典型覆被沙柳、草地和裸地为研究对象,利用原位试验监测和经典统计学分析相结合的方法,探究3种覆被类型下土壤水分时空变化特征及对不同雨量级别的响应,探讨植被类型对土壤水文的重塑过程,为优化毛乌素沙地植物覆盖类型和提高土壤水分的植被承载力提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区在陕西省榆林市榆阳区(109°41′E,38°21′N)国家林业局荒漠生态站内,海拔高度1 100 m左右,是典型的干旱半干旱地区和季节性冻土区。每年11月末到翌年3月初处于冻结期,最大冻结深度大于100 cm,2021年主要冻结深度草丛地和沙柳地为100 cm、裸地为118 cm。研究区四季分明,近30 a年均降水量为420 mm,降水年内分布不均,大部分出现在6—9月。近30年年平均气温为9.1℃,年内温差超过50℃,潜在蒸发量为2 300 mm左右。试验场地下水位埋深在9 m以下,土壤类型为砂土,质地均匀,覆被类型主要以沙柳(Salixpsammiphlia)、草丛〔主要种类为杨柴(Hedysarummongolicum),其次为荒野蒿(ArtemisiacampestrisL)、紫苑(AsterfastigiatusFisch)、旋覆花(InulajaponicaThunb.)〕为主。

1.2 试验设计

在榆林市国家林业局荒漠生态站试验场内,试验期为2020年12月1日—2021年12月1日,选取多株沙柳组成的灌木丛、相邻区域的草丛和固定沙地(裸地)3个样地,通过多次测量冠幅尺寸确定沙柳冠层面积约为7 m2,盖度为59%;草丛盖度使用垂直投影面积法测定为67%。在所选3个样地,人工挖出0—150 cm的剖面,分别在10,20,50,100,150 cm深度安装Hydra ProbeⅡ (SDI-12)传感器,数据采集间隔为10 min。同时使用环刀采取原状土样,在实验室对土壤容重和粒径进行分析(结果见表1)。同时建立微型气象观测站,收集降水、气温等数据,数据采集间隔为30 min。根系分布及密度通过地质雷达(EKKO)测定,从深度统计根系分布,草丛10 cm为31.78%,20 cm为27.15%,30 cm为14.35%,50 cm为5.73%,70 cm为4.29%,80 cm为0.39%,80 cm深度以下为0.04%。沙柳根系深度分布10 cm为13.78%,20 cm为8.47%,30 cm为6.04%,50 cm为15.16%,70 cm为12.33%,80 cm为12.37%,80 cm为5.21%,100 cm为0.66%,深度100 cm以下为0.23%。从深度范围统计根系分布,草丛在0—50 cm为90.19%,50—100 cm为9.77%,100—150 cm为0.04%,沙柳0—50 cm为54.55%;50—100 cm为45.22%;100—150 cm为0.23%。

1.3 研究方法

(1) 降水事件选取。我国常用的降水分级为小雨(0～9.9 mm)、中雨(10～24.9 mm)、大雨(25～49.9 mm)、暴雨(50～99.9 mm)、大暴雨(100～199.9 mm)和特大暴雨(>200 mm)。降水间隔时间大于24 h,作为两次独立的降水事件,降水历时为降水事件开始至结束的时间。

(2) 统计分析。对3种覆被类型下土壤水分采用ANOVA和LSD法进行单因素方差分析和多重事后比较(p=0.05),确定不同覆被类型土壤水分的显著性差异,土壤水分变化影响因素相关性分析应用Spearman法确定。

(3) 土壤蓄水量计算。土壤蓄水量计算公式为:

(1)

式中:W为总蓄水量(mm)。θi为TDR监测的土壤体积含水量(%);Di为土层厚度(mm);n为层数。

(4) 冻结期土壤含水量计算。由于土壤冻结时 Hydra Probe Ⅱ传感器只能测量未冻水含量,因此在冻结期内定期前往试验场,人工采集冻层内不同深度处的土样,并利用烘干法测量土壤总含水量。由于冻结期受外界环境因素(降雨、蒸发)影响较小,故结合烘干法测得土壤总含水量和冻结期前后土壤含水量,插值得到冻结期间剖面土壤总含水量分布。

2 结果与分析

2.1 研究期间降水和气温特征

研究区2020年12月—2021年12月的降水、气温分布见图1A。根据统计,累积有效降水量和平均温度分别是12月至次年2月为1.2 mm,-9.1℃,3—5月为91.2 mm,10.7℃,6—8月为122.6 mm,23.5℃,9—11月为100.8 mm,7.4℃。在研究期间,大气温度在1月份最低为-23℃,随后逐渐升高,在7月下旬达到峰值(30℃)后开始下降。在12月至次年2月,土壤0—150 cm经历冻融过程。

图1 不同覆被类型土壤含水率动态及降水气温变化Fig 1 Soil moisture content dynamics and precipitation and temperature changes of different cover types

研究期总降水量和降水次数分别为317 mm和73次,其中,小雨占降水总次数的86.3%,降雨量总计134 mm,占降水总量的42.3%,年降水频率为16.7%,降雨历时102 h;中雨降水次数为9次,占降水总次数的12.3%,总降雨为151 mm,占降水总量的47.6%,年降水频率为2.5%,降雨历时68 h;大雨降水1次,占降水总次数的1.4%,降雨量32 mm,占降水总量的10.1%,年降水频率为0.3%,降雨历时3.5 h。研究期内未出现暴雨及以上级别降水,故选取了3次小雨、3次中雨和1次大雨共7次降水事件进行分析,降水特征见表2。

表2 降水事件特征Table 2 Characteristics of precipitation events

2.2 不同覆被类型的土壤水分变化特征

(1) 3种覆被类型土壤含水率变化特征。① 研究期草丛地土壤含水率动态变化大,高值区主要分布在20 cm。在10 cm水分始终较低,年平均土壤含水率为2.3%。冻融期次年11月下旬至翌年2月和非冻融期3—11月中旬,20 cm处土壤水分均较高,土壤含水率为7.2%(图1B),显著高于其他层位(图2A)。冻融期水分向冻结锋100 cm附近聚集不明显。② 研究期沙柳地0—50 cm土壤动态含水率变化较剧烈,50—100 cm和100—150 cm土壤含水率变化较小。冻融期和非冻融期高值区均主要分布在50 cm。其中,10 cm处土壤水分较低,年平均土壤含水率为2.4%(图1C)。沙柳50 cm和150 cm处土壤含水率显著高于其他层位(图2A)。冻融期水分向冻结锋100 cm附近聚集不明显。③ 裸地研究期0—50 cm土壤含水率动态变化剧烈,50—150 cm土壤含水率变化较小;冻融期和非冻融期高值区均主要分布在100 cm。其中,在10 cm处平均土壤含水率为6%,土壤水分较低,但显著高于草丛和沙柳地(图1D),100 cm平均土壤含水率为12%,含水率显著高于其他层位(图2A)。冻融期水分向冻结锋118 cm附近聚集明显。

图2 不同植被类型土壤含水率均值变化Fig. 2 Mean change of soil moisture content of different vegetation types

由图2B可知,10 cm处裸地的土壤水分显著高于草地和沙柳,20 cm处草地和裸地土壤水分差异不显著,但两者显著高于沙柳,50 cm处沙柳和裸地差异不显著,但显著高于草地,三者在100 cm和150 cm处土壤水分均差异显著,裸地显著高于沙柳地和草地。总体来看,土壤剖面水分的分布受不同覆被类型的影响显著。

(2) 3种覆被类型土壤蓄水量变化。3种覆被类型土壤蓄水量变化见图3。从图3A—C来看,在深度范围相同的情况下,平均蓄水量0—50 cm在次年12—2月为沙柳>裸地>草地,在3—5月为裸地>草地>沙柳,6—8月、9—11月均为裸地>草地>沙柳,50—100 cm和100—150 cm均为裸地>沙柳>草地。同一时间段,土壤剖面裸地0—50 cm,50—100 cm和100—150 cm蓄水量均大于草地和沙柳地。草地0—50 cm蓄水量只有3—5月期间大于沙柳地,其余时段均小于沙柳地;草地50—100 cm和100—150 cm的蓄水量在4个时间段均小于沙柳地。

图3 不同覆被类型土壤蓄水量变化Fig. 3 Changes of soil water storage under different cover types

从图3D来看,草地不同时间段的平均蓄水量0—50 cm始终大于50—100 cm。从图3E来看,沙柳平均蓄水量除了6—8月外,其余时间段50—100 cm大于0—50 cm。从图3F来看,裸地不同时间段的平均蓄水量50—100 cm始终大于0—50 cm。次年12—2月为冻融期,草地的冻结水量主要在0—50 cm深度,50—100 cm冻结水量少。沙柳和裸地冻结水量主要在0—100 cm。冻融期土壤平均蓄水量草地在0—50 cm,沙柳在0—100 cm,裸地在100—150 cm较高。

2.3 不同覆被类型土壤水分对次降水事件的响应

小雨级别降水中,3.4 mm降水下土壤水分变化微弱,为无效降水。不同覆被类型土壤水分在次降水量下的动态变化见图4,滞后响应时间见表3。

图4 不同覆被类型下土壤水分对降水的响应Fig. 4 Response of soil moisture to precipitation under different cover types

表3 不同覆被类型下各层土壤水分响应滞后时间Table 3 The lag time of soil moisture response under different cover types h

(1) 草地土壤含水率对7月17日的7 mm小雨无响应,对4月8日8.8 mm小雨响应深度达到20 cm,响应时间2.2 h。在中雨级别,13.4 mm (3月17日)和19.5 mm(9月5日)的响应深度都达到20 cm,但响应时间分别为6.3 h和2 h,而对3月20日20 mm中雨响应深度达到150 cm(响应时间124 h),在10 cm和20 cm深度响应明显。对6月14日32 mm大雨响应深度达到50 cm(响应时间4.2 h),在10 cm,20 cm处响应明显。

(2) 沙柳地土壤含水率对7 mm小雨没有响应,对8.8 mm小雨最大响应深度为20 cm(响应时间1.5 h),在10 cm处响应明显。中雨的最大响应深度不同,13.4 mm中雨最大响应深度50 cm(响应时间6.3 h),50 cm响应明显。19.5 mm中雨最大响应深度为100 cm(响应时间为27 h),在10 cm,20 cm深度响应明显。20 mm中雨最大响应深度150 cm(响应时间112 h),在10 cm,20 cm,50 cm深度响应明显。32 mm大雨最大响应深度100 cm,(响应时间为13 h),在10 cm,20 cm,50 cm深度响应明显。

(3) 裸地土壤含水率对7 mm的小雨在10 cm处有响应。对8.8 mm小雨的最大响应深度20 cm(响应滞后时间1.2 h),在10 cm和20 cm处响应明显。13.4 mm中雨最大响应深度50 cm(响应滞后时间24 h),在10 cm、和20 cm处响应明显。对20 mm中雨的最大响应深度150 cm(滞后时间143 h),在10 cm,20 cm,50 cm处均有明显响应。对19.5 mm中雨的最大响应深度100 cm(滞后时间29 h),在10 cm,20 cm,50 cm处均有明显响应。对32 mm大雨的最大响应深度100 cm(滞后时间13 h),在10 cm,20 cm,50 cm处均响应明显。同样的降雨,不同覆被类型对降雨的最大响应深度和响应时间均不相同。

2.4 不同覆被类型土壤水分与降水特征的相关性分析

由于不同覆被类型在10—20 cm处对6次降水均有响应并且响应时间短,选择10—20 cm处的土壤水分与降水特征进行相关性分析,分析结果见表4。草地10 cm土壤含水率增幅与降雨量、降雨强度和最大强度显著正相关,滞后时间与降雨历时为显著正相关。20 cm土壤含水率增幅与降雨量、降雨强度和最大强度为显著正相关,滞后时间与降雨历时为显著正相关。沙柳地10 cm滞后时间与降雨历时为显著正相关。裸地10 cm滞后时间与降水强度为显著负相关,与降雨历时为显著正相关。裸地20 cm土壤含水率增幅与降雨量、降雨强度和最大强度为显著正相关,滞后时间与降雨历时为显著正相关。

表4 不同覆被类型下10-20 cm处水分特征与降雨特征相关性Table 4 Correlation between soil water characteristics and rainfall characteristics at 10-20 cm under different cover types

3 讨 论

3.1 不同覆被对土壤水分的影响

(1) 对土壤水分垂直分布的影响。土壤剖面不同深度的平均蓄水量,草地总体呈现出深度50—100 cm<100—150 cm<0—50 cm,沙柳地为深度0—50 cm<50—100 cm<100—150 cm,这与根系分布特征有关,草丛的根系主要分布在深度0—50 cm,其中20 cm处根系占比27.15%,使土壤水分向20 cm聚集。沙柳根系主要分布在深度0—100 cm范围,50 cm处根系占比27.15%,而50—100 cm范围沙柳根系占比远大于草地,导致土壤蓄水量沙柳 >草地;多余水分受到重力影响下渗至100—150 cm,该层土壤蓄水量沙柳>草地。虽然裸地土壤水分也呈现出0—50 cm<50—100 cm<100—150 cm,但高含水量位置下移,且集中在100—120 cm处。与裸地相比,草地和沙柳相应层位的土壤蓄水量均明显低于裸地,主要是降水下渗至根系时,根系吸水拦截降水入渗的水分用于蒸腾,使相应层位水分减少,符合wang等[20]提出的根系限制植被土壤湿润锋运移的观点。若出现干旱胁迫,则根系吸水作用可将部分深层土壤水分提升至浅层[21]。根系对水分的影响也是动态的,草地在3—5月降水较多时,根系区域(0—50 cm)蓄水量明显高于其他区域,高达27.7 mm,而在6—8月植被腾发最剧烈时,根系区域水分快速减少至15 mm,在9—11月份腾发作用减弱,蓄水量回升至20.4 mm,而沙柳根系在20～100 cm内分布较均匀,也有草地类似现象。

(2) 植被类型和水热条件对土壤水分再分布的影响。12月至翌年2月平均气温-9.1℃(图1A),研究区处于冻结期且降水极少,植物处于休眠季,耗水较少,土壤腾发作用微弱,土壤水分稳定。3—5月平均气温10.7℃,气温升高,土壤解冻,出现多次降水,而沙柳和草地刚进入返青期,植物冠层截留和根系消耗较少,降水可补给至草地、沙柳和裸地的深层土壤,因此三者土壤剖面都保持较高的土壤含水量,对保持土壤水分年际动态平衡极为重要。6—8月气温逐渐升高并达到峰值,植物正处于耗水最多的生长期,土壤腾发剧烈,降水补给小于土壤水分消耗,水分降低。9—11月气温逐渐降低,植物耗水降低,加之降水量和降水强度较大,降水能够补给较深土壤中,且土壤剖面各层含水量均有回升。

3.2 不同覆被类型土壤水分对降水的响应

研究区地下水位在9 m以下,对植被根系区域水分的补给极其有限,所以降水是土壤水分的主要补给来源。

(1) 对降水量的响应。同级别降水,浅层土壤水分(0—50 cm)裸地对各降水的响应速度显著快于沙柳和草地,主要是草地和沙柳的植被冠层截留、地表枯落物和生物土壤结皮降低土壤入渗率等的影响,提高地表持水性[22]。深层土壤水分(50—150 cm)裸地响应速度慢于草地和沙柳,这可能是因为沙柳根系较深、出现根际优先流[21];草地根系分布较浅且细根多[23],有利于降水从(0—50 cm)入渗到(50—150 cm)。另一方面,土壤质地影响着水分下渗,土壤剖面60 cm和80 cm处粉粒含量裸地分别占21.2%和15%,草地为4.1%和4.6%,沙柳为0.9%和0.7%(表1)。深层土壤水分(50—100 cm )对中雨20 mm有响应,响应时间沙柳<草地<裸地,补给至深层土壤的水分是干旱和半干旱地区水循环的重要组成部分[24],可以缓解极端干旱季节固沙植被对水分的需求,维持生命活动,帮助植被度过极端干旱时期,这也有助于固沙植被的稳定性和可持续性。

(2) 对降水历时和降水强度的响应。受降水历时的影响,3种覆被类型土壤水分对20 mm中雨和32 mm大雨均有响应,而前者无论入渗补给深度和补给量要大于后者,主要因为20 mm中雨的降水历时长,利于土壤水分下渗。降水20 mm时,草地和沙柳各层土壤水分响应滞后时间大于32 mm降水,主要是后者降水强度大,能够更快地达到稳定土壤入渗率。另外,32 mm大雨属于短时强降水,受前期干旱造成土壤初始含水量低,以及降水后的快速蒸腾的共同影响,向深部补给量较小,这与Liu[25]和李新乐[18]等的研究结论相符。同时,由于大部分降雨事件前期雨量较少,随着降雨量累积土壤水分才出现响应,所以草地、沙柳和裸地10 cm和20 cm处土壤水分响应滞后时间与降雨历时表现出显著正相关。

(3) 对降水格局的响应。本研究区小雨级别降水事件占全部降水事件次数的85.9%,降水量却只占总降水量的42.1%;中雨级别的降水事件占全部降水事件的12.7%,降水量占总降水量的47.8%;大雨级别的降水事件占全部降水事件的1.4%,降水量占总降水量的10.1%。大量研究表明小级别降水补给到浅层土壤水分,可供给根系较浅的植被利用,较大级别降水能够入渗到深层土壤,利于深根植物吸收利用[17,22]。贺军奇[26]和方欣[27]等提出未来毛乌素沙地的年降水变化呈现增加趋势,并主要表现为大降水事件的增加,这将有助于对深层土壤水分的改善和深根系植被的生长,会对植被演替产生重大影响。

4 结 论

(1) 在年际尺度,土壤水分表现出稳定期(12月至次年2月)、积累期(3—5月)、消耗期(6—8月)和恢复期(9—11月),降水补给土壤水分主要发生在积累期和恢复期。在剖面上,土壤水分草地在20 cm附近较高,沙柳在50 cm和150 cm处较高,裸地则是在100 cm处较高。由于草地根系和土壤平均蓄水量均是0—50 cm大于50—100 cm,因此,研究区草地主要利用0—50 cm深度的土壤水分。沙柳根系主要分布在20—100 cm,蓄水量最大位于50—100 cm,因此,沙柳主要利用50—100 cm土壤水分。

(2) 浅层土壤水分在0—50 cm深度,裸地对各降水的响应速度显著快于沙柳地和草地。深层土壤水分50—150 cm深度裸地响应速度慢于草地和沙柳。降水补给深度与降水量为显著正相关,而响应滞后时间与降水历时为显著正相关(p<0.05),冻融过程、植被类型和降水特征影响土壤剖面水分再分配。土壤水分对降水量大、降水历时长的降雨响应较好,该类型降水有助于干旱期固沙植被的生长。

(3) 冻融期和非冻融期,覆被类型都影响着土壤水分的动态变化和剖面垂直分布,从而影响着植被类型在降水格局变化下的演替。