杨霜奇, 宋乃平, 王 兴, 陈晓莹, 常道琴
(1.宁夏大学生态环境学院,宁夏 银川 750021;2.宁夏大学西北土地退化与生态系统恢复国家重点实验室培训基地,宁夏 银川 750021;3.西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室,宁夏 银川 750021;4.宁夏大学农学院,宁夏 银川 750021)
全球气候变暖导致我国北方干旱半干旱区水资源愈加匮乏,土地荒漠化加剧[1]。为阻止荒漠化进程以及构建良好的生态环境,国内学者在荒漠地区进行了一系列研究,主要集中在植物群落[2-4]、土壤水分变化[5-6]、人工植被建植[7-9]等方面。其中,土壤水分是土壤-植物-大气连续体之间相互联系的关键因子,极大程度上影响着荒漠地区的植物生长发育和物种丰富度,对植被恢复起到了决定性作用[10-12]。土壤水分变化受降水、土壤物理特性、植被覆盖状况等因素影响[13-17]。在半干旱的荒漠草原地区,降水是荒漠草原土壤水分补给的主要来源[18],可通过影响该地区土壤水分分布来间接实现对生态系统的结构和功能的调控[19]。此外,由于不同土壤类型的物理性质差异,土壤水分分布情况有所不同[20]。如郑飞龙等[21]对压砂条件下灰钙土水分垂直入渗特征研究发现,压砂厚度、砂石粒径等会影响土壤水分的分布;江璇等[22]对四川西部某林区不同植被下的土壤水分研究发现,孔隙度越小的土壤,水分时间稳定性更高;陈娟等[23]揭示了土壤类型对土壤水分的动态变化具有决定性作用,在同一土壤剖面上,风沙土的土壤含水量大于灰钙土;苏莹等[24]研究了风化基岩残积土、灰钙土和风沙土三种不同土壤的土壤水分时空变化特征,发现风化基岩残积土保水性以及总蓄水量最大;吴世磊等[25]发现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,分析不同类型土壤的水分动态变化及其与降水之间的关系对于在荒漠地区构建合理的生态格局至关重要[26]。
宁夏盐池县荒漠草原由于长期受人为放牧和自然干扰的影响导致生境破碎化,原生灰钙土在风沙作用下母质片断化,形成了分散于沙地中的岛状斑块[27]。然而,随着斑块面积的减小,灰钙土沙化的程度加剧。为此,一些研究者以盐池荒漠草原斑块作为退化草地恢复的起点,探究了斑块的植被空间点格局[28]、群落物种共存机制[29]、人工建植[30]。目前,对于斑块内外部不同土质之间以及不同大小斑块之间的土壤水分变化研究较少。仅有部分学者[31]从室内试验模拟的角度,研究了灰钙土演变为风沙土后土壤水分的变化。但是土壤水分过程受气候、地形、土壤性状等多种因素的影响,复杂野外环境下斑块内部灰钙土和斑块外部风沙土土壤水分过程究竟有何差异?
基于此,本研究选择位于宁夏盐池县皖记沟村的3个样地,通过连续3 a对降雨和土壤水分的动态监测,来揭示灰钙土和风沙土水分时空分布特征,从而为该地区植被恢复提供理论基础,促进构建良好的生态群落结构,提高荒漠草原生产力。
研究区位于宁夏回族自治区盐池县皖记沟村的荒漠草原(37°57′~37°83′N,106°77′~107°50′E),属中温带半干旱大陆性气候,年均气温8.1 ℃,昼夜及冬夏两季温差大,干旱少雨,多年平均降雨量280 mm,蒸发量大,蒸发量是降水量的6~7 倍,无霜期150 d。斑块内部土壤的主要类型为灰钙土,斑块外部主要为风沙土。研究区的主要物种有短花针茅(Stipa breviflora)、猪毛蒿(Artemisia scoparia)、苦豆子(Sophora alopecuroides)、糙 隐 子 草(Cleistogens squarrosa)、牛枝子(Lespedeza potaninii)、细叶远志(Polygala tenuifoliaWilld)等。
在盐池县皖记沟村,以地势地貌等环境条件基本一致为原则,选择大斑块(200~300 m2)、中斑块(约100 m2)与小斑块(约50 m2)3种不同大小的斑块作为试验样地,将斑块内部的灰钙土与斑块外部的风沙土进行对比监测和研究,为增强数据的代表性,每类样地各设3 个重复。灰钙土的黏粒、粉粒、砂粒含量分别约占40%~41%、27%~29%、30%~32%;风沙土的黏粒、粉粒、砂粒含量分别约占8%~9%、19%~21%、71%~73%。
降雨、温度、土壤含水量的数据均来自于现场监测。斑块内部的几何中心作为灰钙土水分监测点,在斑块外部选取一个监测点作为风沙土水分监测点,确保斑块内外部监测点离斑块边缘的距离相等,每个监测点分别埋设3 根100 cm 长的聚脂碳酸探管,将TRIME-T3 型TDR 探头置于每根探管0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm 土层的中间位置,重复测定3次,各土层深度的土壤体积含水率且各重复之间的差异不大于1/15,监测间隔时间约为15 d。2017 年共监测24 次,其中5 月3—7 日、6 月8—14 日的2 次降雨之后每天监测1 次;2018 年从5 月24 日—11 月2 日共监测11次;2019年从4月26日—11月3日共监测13次。在皖记沟村安装Vantage Pro2 自动气象站,降雨量等其他气象数据通过气象站自动获取,时间间隔为1 h。
相邻2 次降雨量时间间隔不超过24 h 看作1 次降雨事件,该事件内的累积降雨量即为单次降雨量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,将降雨等级依次划分为Ⅰ~Ⅴ级[32]。根据1 d 内每小时测定的温度数据求平均值,得到日平均温度。采用Excel 2010 对土壤含水量数据进行基本处理,根据3 次重复监测结果求得平均值,并用于后续计算及作图。通过Surfer 11.0 软件绘制土壤含水量等值线图,在图中用不同的颜色表示土壤含水量数值的大小,其余图则采用Origin 2021进行绘制。
采用SPSS 25.0 对不同大小斑块以及不同土层深度的土壤含水量进行单因素方差分析,同时采用Excel 2010 对斑块内外的土壤含水量差异进行双尾T检验分析(P<0.05)。
常用变异系数Cv评估土壤水分垂直变化,计算公式如下[33]:
式中:S为标准差;Xˉ为样本(土壤水分观测值)平均值;n为样本总个数;Xi为样本的第i个观测值。
土壤储水量指一定土壤深度的体积水分含量,可采用以下公式计算[34]:
式中:SW为0~1 m 土壤储水量(mm);θi为土壤水分探头测得的各层土壤含水量;di为对应的土层深度(mm)。
土壤储水变化量(ΔW)代表在某一具体时间内土壤水分的消耗或者积累情况[14],计算公式如下:
式中:SW1为某一具体时间前土壤储水量(mm);SW2为某一具体时间后土壤储水量(mm)。如果ΔW< 0,表明土壤水分在该时期为消耗型;如果ΔW> 0,则为积累型;如果ΔW= 0,则为平衡型。
2017—2019 年生长季(5—10 月)研究区降雨量分别为266 mm、276.8 mm、237.03 mm。虽然3 个年份的降雨量差别不大,但是在时间分配上差异非常大。如图1所示,2017年生长季内每月有1~2次>10 mm的降雨,而且间隔1个月左右,比较均匀,属于均匀降雨年型。2018 年降雨量集中在5 月,占生长季总降雨量的76.2%,属于春季降雨年型,夏秋严重干旱。2019年降雨量主要分布在6—8月,为夏季降雨年型。
图1 2017—2019年研究区生长季内气温及单次降雨量Fig.1 Temperature and single precipitation during the growing season of the study area from 2017 to 2019
由表1 可知,从2017—2019 年的整体情况来看,Ⅰ~Ⅴ级的降雨总次数为73次,降雨总量为799.83 mm,其中,大多数降雨事件为Ⅰ~Ⅱ级的小降雨事件(分别为13 次和27 次),共占总降雨次数的54.8%,占降雨总量的9.9%;Ⅲ和Ⅳ级的中降雨事件分别占总降雨次数的13.7%和20.5%,占降雨总量的9.0%和31.6%;Ⅴ级大降雨事件发生频次很低,占总降雨次数的11.0%,占降雨总量的47.0%。从各年情况来看,2017 年和2019 年的降雨多为小降雨事件,分别占当年降雨次数的64.7%和57.1%,但只占当年降雨总量的15.9%和14.7%。而2018 年则以Ⅲ~Ⅳ级的中降雨事件为主,占当年降雨次数的54.5%,占当年降雨总量的29.8%。因此,频次多的小降雨事件对降雨总量贡献小,而频次少的大降雨事件则对总降雨量做出了主要贡献。
表1 2017—2019年各级降雨次数与降雨量Tab.1 Rainfall frequency and precipitation from 2017 to 2019
对全年土壤平均含水量进行计算得到,2017年、2018 年、2019 年灰钙土年平均含水量分别为:7.09~7.51 mm、5.68~6.26 mm、6.65~7.06 mm,各年风沙土平均含水量分别为:8.79~12.19 mm、6.01~15.04 mm、7.87~15.04 mm。
从图2 可以看出,灰钙土与风沙土含水量在时间维度上的波动表现出一致性。2017年2种土壤的含水量经历了5 次较大的波动,具体表现为:从5 月上旬到5 月下旬降低,从5 月下旬到6 月中旬增加,从6 月中旬到7 月中旬降低,从7 月中旬到8 月上旬增加,从8 月上旬到8 月中旬降低,从8 月中旬到9月上旬增加,从9 月上旬到9 月下旬降低,从9 月下旬到10 月中旬增加;2018 年土壤含水量波动很小,在5 月降低后一直处于相对平稳且较低的状态;2019 年土壤含水量经历了4 次较大的波动,具体表现为:从5 月上旬到5 月中旬增加,从5 月中旬到6月中旬降低,从6 月中旬到7 月上旬增加,从7 月上旬到7月下旬降低,从7月下旬到8月中旬增加,从8月中旬到9 月上旬降低,从9 月上旬到9 月中旬增加,从9 月中旬到10 月下旬降低。灰钙土土壤含水量波动的土层主要分布在0~40 cm,风沙土0~100 cm土层土壤含水量波动都比较大。
图2 2017—2019年灰钙土(a)与风沙土(b)土壤水分时间变化特征Fig.2 Temporal variation of soil moisture of sierozem(a)and aeolian soil(b)from 2017 to 2019
对同一年内各月份间的土壤平均含水量进行比较,发现2017 年10 月土壤平均含水量最高,大、中、小斑块内部灰钙土含水量分别为8.00%、8.40%、8.40%,斑块外部风沙土分别为13.19%、9.73%、10.38%,7月土壤平均含水量最低,大、中、小斑块内部土壤含水量分别为5.69%、6.30%、6.20%,外部分别为9.96%、6.77%、7.48%;2018 年5 月土壤平均含水量最高,大、中、小斑块内部土壤含水量分别为6.57%、7.49%、7.17%,外部分别为13.13%、7.60%、8.00%;2019 年8 月土壤平均含水量最高,大、中、小斑块内部土壤含水量分别为8.01%、8.99%、8.80%,外部分别为18.26%、9.99%、9.86%,5 月土壤平均含水量最低,大、中、小斑块内部土壤含水量分别为5.74%、5.90%、6.08%,外部分别为14.10%、6.53%、6.62%。
由表2可知,从不同土层分析,灰钙土含水量随土层深度的增加表现出先增加后减少,土壤含水量分布较高的土层深度是10~40 cm;0~10 cm、10~20 cm 和20~40 cm 这3 个土层的土壤含水量具有显著性差异(P<0.05),而40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm 这3 个土层的土壤含水量无显著性差异(P>0.05),且土壤水分显著低于10~40 cm 土层(P<0.05)。表明0~40 cm 土层土壤含水量变化大,40~100 cm 土层的土壤含水量少且稳定。风沙土含水量随土层深度的增加而增大,土壤含水量分布较高的土层是20~100 cm。0~10 cm、10~20 cm 这2 个土层的土壤含水量具有显著性差异(P<0.05),而其他土层差异不明显。将斑块内外部的2种土壤进行对比分析发现,外部风沙土在0~20 cm 土层土壤含水量低于内部灰钙土,尤其是0~10 cm 的土壤含水量显著低于灰钙土(P<0.05)。外部风沙土在20~100 cm 土层土壤含水量显著高于灰钙土(P<0.05),但2018年20~100 cm 土层中小斑块的内外部不存在显著性差异(P>0.05)。由表3 可知,对于内部灰钙土而言,不同大小斑块之间的全剖面土壤平均含水量无显著性差异(P>0.05);而外部风沙土的全剖面土壤平均含水量表现出大斑块显著大于中小斑块(P<0.05),中小斑块之间并无显著性差异(P>0.05)。
表2 不同斑块内部灰钙土与外部风沙土土壤剖面(0~100 cm)含水量(平均值±标准差)Tab.2 Water content of sierozem inside and aeolian soil outside in soil profiles for different patches(mean±SD)
表3 不同大小斑块内部灰钙土与外部风沙土0~100 cm土层平均含水量(平均值±标准差)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)
从图3可以看出,无论是灰钙土还是风沙土,土壤含水量的变异系数随土层深度的增加而减小,表明土层越深土壤含水量越稳定;同一降雨年型下灰钙土和风沙土各斑块的含水量变异系数变化趋势相似,表明降雨年型对含水量变异影响最大;同一降雨年型的同一土层中,风沙土含水量变异系数大于灰钙土;对比不同年份得出,2017 年土壤浅层和深层的变异系数差别最大,其次为2019 年,2018 年最小。
图3 2017—2019年灰钙土(a)与风沙土(b)含水量变异系数的垂直变化Fig.3 Vertical variation in the coefficient of variation for soil water content of sierozem(a)and aeolian soil(b)from 2017 to 2019
由图4 可以看出,2017 年5—7 月中旬土壤储水量逐渐降低,7 月中旬后土壤储水量有所回升,在9月达到最高点,其后土壤储水量有所下降,从全年来看,大、中、小斑块内部灰钙土生长季末与生长季初土壤储水变化量分别为11.71 mm、10.60 mm、17.30 mm,表现为积累型,外部风沙土分别为1.11 mm、1.51 mm、0.01 mm,表现为积累型;2018 年由于夏秋严重干旱,土壤储水量在5 月下降后一直处于较低的状态且几乎无波动,大、中、小斑块内部灰钙土土壤储水变化量分别为-21.55 mm、-47.02 mm、-17.93 mm,外部风沙土分别为-28.89 mm、-30.26 mm、-25.77 mm,2 种土壤均表现为消耗型;2019 年土壤储水量在7 月和8 月中旬有2 次波峰,8月中旬以后土壤储水量持续下降,大、中、小斑块内部灰钙土土壤储水变化量分别为14.12 mm、11.13 mm、19.72 mm,外部风沙土分别为-14.83 mm、28.34 mm、13.33 mm,2种土壤大多表现为积累型。
图4 2017—2019年斑块内部灰钙土(a)和斑块外部风沙土(b)土壤储水量随时间的变化Fig.4 Variation of soil water storage with time in sierozem(a)and aeolian soil(b)from 2017 to 2019
研究区3 a 生长季内灰钙土与风沙土的土壤储水量波动趋势基本一致,但灰钙土的土壤储水量整体低于风沙土,且灰钙土土壤储水量的变化幅度(27.88~107.84 mm)小 于 风 沙 土(45.71~185.69 mm)。大、中、小斑块内部灰钙土的土壤储水量相差不大,表明灰钙土受降雨格局的影响较小;大斑块外围风沙土的土壤储水量远高于中斑块和小斑块,表明风沙土受降雨格局的影响较大。
对土壤储水变化量与累积降雨量的关系进行拟合分析(图5),发现当降雨量<16 mm 时,2 种土壤的土壤储水量均为负值,说明土壤水分处于消耗状态,且在相同降雨条件下,风沙土的消耗量大于灰钙土;当降雨量>16 mm 时,2 种土壤的土壤储水量为正值,说明此时土壤水分处于积累状态。当降雨量在16~25 mm 左右时,灰钙土的积累量大于风沙土,当降雨量>25 mm 左右时,灰钙土的积累量小于风沙土。风沙土拟合直线的斜率大于灰钙土,再一次证明了风沙土受降雨的影响大于灰钙土。
图5 土壤储水变化量与降雨量的拟合关系Fig.5 The fitting relation between soil water storage variation and rainfall
研究表明,在干旱半干旱荒漠地区降雨是土壤水分变化的主要控制因素,土壤水分随降雨呈现出明显的季节性变化特征[18,35]。通过连续3 a 对宁夏荒漠草原的土壤水分进行动态监测与分析,发现灰钙土和风沙土的土壤水分也随降雨呈现出明显的季节性变化特征,2017年和2019年土壤水分年内变化大致表现为:春季缺墒(5 月)、夏秋季增失墒交替(6—10 月),与陈洪松等[36]研究的黄土高原地区荒草地与裸地土壤水分特征一致;2018 年春季增墒(5月)、夏秋季稳墒(6—10 月),与张敏等[37]研究的黄土丘陵地区不同土壤水分的变化特征不一致,这是由于2018年降雨主要集中在春季,夏秋两季严重干旱导致的。在年内各月份降雨量较多的2017 年和2019 年,土壤水分在降雨结束后的一定时间内达到峰值,同时又会受蒸发作用等因素而不断被消耗,土壤水分随不同等级的降雨呈现出月际间干湿交替的变化规律,与陈晓莹等[38]研究结果一致。2017年7月太阳辐射强,土壤水分蒸发加剧,土壤含水量在该月份最低,10 月气温逐渐降低,植物蒸腾减少,水分蒸发强度减小,导致该月份土壤含水量最高;2018年5月降雨多,土壤含水量最高,夏秋严重干旱导致土壤水分波动小,水分连续性强;2019年8月气温高、水分蒸发强烈,但降雨量大,故土壤含水量高,而5月降雨少且土壤水分蒸发增加,导致土壤含水量最低。
在宁夏荒漠草原地区,灰钙土在风蚀作用下逐渐沙化为风沙土,土壤物理性质的改变会影响土壤水分的空间分布[39]。其中,灰钙土结构紧实,黏粉粒、CaCO3含量高,非毛管孔隙度低[23],使得水分入渗深度浅,土壤水分主要分布在10~40 cm,在大降雨事件下水分最大入渗深度可达60 cm,适合于耐旱的浅根系植物生长;风沙土结构松散,砂粒含量高,土粒间孔隙大[23],渗透性较高,使得水分更易入渗,土壤深层更易得到水分补充,土壤水分主要分布在20~100 cm,最大水分入渗深度超过100 cm,适合于深根系、耗水量较大的灌木生长。此外,由于土壤表层与外界大气交换过程强烈,受气候的影响较大,在降雨后表层土壤含水量迅速增加,同时由于蒸发强烈,土壤水分又迅速降低,所以2种土壤在0~20 cm 表层土壤水分波动大,但随着深度增加土壤水分波动减小。对于不同大小斑块而言,面积越大的斑块越有利于土壤水分聚集,土壤水分越高,但在宁夏荒漠草原地区降雨大部分以单次的小降雨事件为主,所以聚集效应不是很明显,导致大、中、小斑块内部灰钙土之间水分差异不显著;但当降水量较大时,大斑块入渗较慢,形成径流对外部风沙土的水分补给明显,因而大斑块外部风沙土水分显著高于中、小斑块,所以在预防灰钙土沙化时也需要重点注意大斑块外围风沙土的土壤水分高的特性而针对性采取固沙保墒措施,如可通过压砂等[40]方法减少土壤表层的水分蒸发。
沈菊等[41]研究表明,降雨过程中气温越高,植物蒸腾和地表蒸发的水分越多,气温与土壤含水量呈负相关关系。研究区在夏秋季的高温作用下土壤水分蒸发明显,因此,需要在夏秋季有足够的降雨才能对土壤水分进行有效补充。对于2017 年和2019 年而言,降雨主要发生在夏秋季,夏秋季降雨量占比分别为全年降雨量的92.4%,年内土壤储水量大多表现为积累型;但对于2018 年而言,降雨主要集中在春季,春季降雨量占比为全年降雨量的76.2%,年内土壤储水量表现为消耗型。因此,研究区在夏秋季连续大降雨下有利于全年储水量的补给,在经过冬季冻结以及春季冻融后,可作为来年生长季初土壤水分的基础。
研究表明,降雨是影响干旱地区土壤水分消涨的关键因素[42-43]。王涛[44]在黄土高原旱地雨养农业生产中,发现降水是对土壤蓄水量影响最大的因素,其对土壤蓄水量的贡献度在70%左右。通过对土壤储水变化量与降雨量的拟合关系分析发现,灰钙土拟合直线斜率大于风沙土,表明风沙土土壤储水量受降雨影响更大,在有效降雨时可获得更多的水分储存,但同时也更易在干旱少雨时丢失储存的土壤水分,此结论印证了风沙土变异程度更大这一结果,这是由于风沙土相对于灰钙土具有更大的孔隙度,水分渗透率相对较高[45]。由于土壤水分会受到土壤蒸发、径流损失、水分渗漏、植物吸收和蒸腾等因素而消耗,因此,研究区内降雨量需达到16 mm以上,土壤储水量才会有所增加。类似的,常昌明等[46]通过分析内蒙古苏尼特荒漠草原土壤水分对降雨的响应发现,I~Ⅱ级小降雨事件对土壤水分的补给作用十分微弱,而Ⅳ~V级大降雨对土壤水分补给效果显著。随着研究区降雨量的不断累积,斑块内外的土壤储水量均会不同程度的增加,其中,对于Ⅰ~Ⅳ降雨条件下,灰钙土能获得更大的土壤储水量,这是由于灰钙土的保墒能力更强,能够将降水有效储存起来。而当降雨量增至V 级时,孔隙度大的风沙土则能通过水分的快速入渗,将水分储存在深层土壤中。土壤性质的不同,会使得该地区对降雨的水分存储能力产生差异。对于土壤结构致密的灰钙土,其透水性能差,在减少土壤水分蒸发的同时也阻碍了降水的入渗,入渗效果弱于风沙土。对于土壤结构松散的风沙土,其透水性能好,在增强土壤水分入渗的同时也加快了降水的蒸发,保墒效果弱于灰钙土。因此,对于连续降雨或大降雨,风沙土更利于土壤水分的存储;而对于间歇性降雨或小降雨,灰钙土更利于土壤水分的存储,但降雨间歇时间过长或雨量过少,则可能出现一定时间内的水分蒸发量大于入渗量,导致土壤储水量较降雨前下降的情况[32]。
(1)土壤年平均含水量为:2017 年>2019 年>2018 年,2017 年秋季土壤含水量大于春夏两季,在10月最高,7月最低;2018年春季土壤含水量大于夏秋两季,在5月最高;2019年夏季土壤含水量大于春秋两季,在8 月最高,5 月最低。降雨分配是决定土壤年平均含水量的关键因子,全年降雨量最多的2018 年,土壤年平均含水量反而最低。土壤含水量的季节变化取决于当季降雨量、气温和蒸发蒸腾的综合作用。
(2)灰钙土含水量主要集中于10~40 cm 土层,而风沙土含水量主要集中于20~100 cm土层。在0~20 cm 土层,灰钙土含水量大于风沙土;20~80 cm 土层,风沙土含水量大于灰钙土。且2 种土壤类型的土壤含水量在表层波动剧烈,深层波动趋于平缓。
(3)土壤储水变化量与降雨量呈一次线性关系,且风沙土储水量受降雨影响大于灰钙土。当降雨量>16 mm 时,2 种土壤类型水分开始积累;16~25 mm 时,灰钙土储水量高于风沙土;>25 mm 时,风沙土储水量高于灰钙土。