閆德仁，黃海廣，胡小龍，袁立敏

(內(nèi)蒙古林業(yè)科學研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

丘間地固沙林土壤水分動態(tài)變化特征

閆德仁，黃海廣，胡小龍，袁立敏

(內(nèi)蒙古林業(yè)科學研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

[關鍵詞]固沙林；土壤水分；動態(tài)變化；降水量；重力水入滲深度；渾善達克沙地

[摘要]水分是影響固沙植被生長發(fā)育最重要的限制因素，同時也是沙漠環(huán)境中最容易受到影響的生態(tài)因子，定位觀測研究流動沙地建立固沙植被后的土壤水分變化具有重要的現(xiàn)實意義。采用WatchDog土壤水分自動監(jiān)測系統(tǒng)，于2014年6月17日—10月31日定位定時記錄了樟子松人工林、楊樹人工林和榆樹天然林土壤體積含水量數(shù)值，結(jié)果表明：相同降雨量條件下，不同固沙植被土壤重力水的入滲深度存在明顯差異。降雨量20 mm左右時，榆樹天然林地降雨入滲深度大于20 cm土層，楊樹和樟子松林地大于40 cm土層；降雨量12 mm左右時，楊樹林地降雨入滲深度達到40 cm土層，榆樹林小于20 cm土層，樟子松小于40 cm土層。相同降水量條件下，不同固沙林降雨入滲到相同土層深度所經(jīng)歷的時間不同。在降雨量21.1 mm事件中，榆樹天然林入滲到20和40 cm土層所經(jīng)歷的時間分別為降雨開始后4和9 h，樟子松林分別為5和9 h。

植物固沙是荒漠化防治的重要技術措施之一，但由于人工固沙林造林密度大、土壤水分虧缺和人工植被衰退等一系列問題在沙地人工生態(tài)系統(tǒng)中表現(xiàn)得尤為突出，所以沙地植被建設出現(xiàn)的不良生態(tài)問題逐漸引起了人們的關注。水分是影響固沙植被生長發(fā)育最重要的限制因素，同時也是沙漠生態(tài)環(huán)境中最容易受到影響的生態(tài)因子，多數(shù)生態(tài)環(huán)境問題都是由于水分虧缺而導致的，因此在流動沙地建立固沙植被后，最顯著的生態(tài)問題是土壤水分逐漸惡化，并嚴重地影響了沙漠化土地現(xiàn)有植被建設效果。例如，大面積沙地人工植被死亡問題、樹木生長的衰退問題和我國北方普遍存在的人工植被土壤干化問題等[1-4]，從某種程度看都是土壤水分虧缺的直接結(jié)果。所以，定位觀測研究固沙植被土壤水分動態(tài)變化具有重要的現(xiàn)實意義。

1研究地概況

研究地位于內(nèi)蒙古多倫渾善達克沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，即內(nèi)蒙古多倫縣南沙梁國營林場，地理坐標為東經(jīng)116°29′33.28″、北緯42°08′37.85″，海拔 1 277 m。本區(qū)氣候?qū)僦袦貛О敫珊迪虬霛駶欉^渡的大陸性氣候，年平均氣溫1.6 ℃，年極端最高氣溫35.4 ℃，年極端最低氣溫-39.8 ℃，≥10 ℃有效積溫1 970 ℃，無霜期95 d；年平均降水量386.2 mm，年平均相對濕度62%，年平均蒸發(fā)量1 761.0 mm；年平均風速3.6 m/s，年大風日數(shù)69.8 d，最大風速為24 m/s，除夏季出現(xiàn)偏東偏南風外，其他季節(jié)盛行西北風或西風；年日照時數(shù)3 142.7 h，年太陽總輻射量5 899 MJ/m2。

研究區(qū)土壤為風沙土，地帶性土壤為栗鈣土。天然植被主要建群種和優(yōu)勢種有羊草〔Leymuschinensis(Trin.)Tzvel.〕、大針茅(StipagrandisP. Smim.)、克氏針茅(StipasareptanaRoshev.)、糙隱子草〔Cleistogenessquarrosa(Trin.)Keng〕、冰草〔Agropyroncristatum(L.) Gaertn.〕、百里香(ThymusmongolicusRonn.)等。

2研究對象與方法

本研究選擇的立地條件均為平緩沙質(zhì)丘間地，地下水位埋深大于5 m。選擇的固沙植被分別是樟子松和楊樹人工林，對照樣地為2000年封育后形成的天然榆樹林。其中，樟子松為大苗造林，造林時間為2002年，密度為2 m×2 m，平均樹高5.5 m，平均胸徑15 cm，郁閉度0.9，地表枯落物厚度2.0 cm；楊樹造林時間為2003年，密度為2 m×2 m，平均高度6.85 m，平均胸徑8.5 cm，郁閉度0.7，地表枯落物厚度0.5 cm；天然榆樹林平均樹高3.5 m，平均胸徑10 cm，郁閉度0.5，地表枯落物厚度0.5 cm。

2014年6月17日在選定的樣地內(nèi)安裝WatchDog土壤水分自動監(jiān)測系統(tǒng)，水分傳感器型號為SM-100型，傳感器分辨率為0.1%，土壤水分單位為體積含水量。記錄儀時間設置為每60 min自動記錄一次，每天記錄24個數(shù)據(jù)，日記錄數(shù)據(jù)的平均值作為本研究的分析數(shù)據(jù)。

土壤水分傳感器的安置深度分別為20、40、80和120 cm土層的水平位置，使用數(shù)據(jù)的節(jié)點時間是2014年6月17日—10月31日。期間，研究地安置的CR-1000型自動氣象站記錄的累計降水量為162.5 mm。自動氣象站和WatchDog土壤水分自動監(jiān)測儀器的直線距離小于500 m。

同時選擇2014年8月9日的一次降雨事件，分析降雨入滲歷時對土壤水分含量變化的影響。8月9日降雨開始時間是15時30分，結(jié)束時間是20時20分，總降雨量21.1 mm，降雨歷時近5 h，平均降雨強度4.22 mm/h。為全面考慮降雨前后土壤水分的變化過程，本研究使用數(shù)據(jù)的時間段是8月9日10時至8月10日13時或20時，總時間長度為27 h或34 h。

3結(jié)果與分析

3.1不同固沙林土壤水分動態(tài)變化特征

3.1.1榆樹天然林土壤水分動態(tài)變化特征

諸多研究表明[5-8]，固沙植被建立后土壤水分逐漸下降，同時受荒漠植被根系吸水作用的影響，其根系密集的剖面深度內(nèi)降水水分入滲積累不明顯。從我們的測定結(jié)果(圖1)看，丘間地榆樹天然林20～40 cm土層水分含量變化明顯，并和日降雨量多少有關，日降雨量小于20 mm時20～40 cm土層水分含量持續(xù)降低；80、120 cm土層水分含量變化相對平穩(wěn)，前期隨著時間延長呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，但是到9月以后(88 d以后)120 cm土層水分含量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。

圖1　榆樹天然林土壤水分含量動態(tài)變化

從圖1看出，當日降雨量20.4 mm時(第43 d)榆樹天然林20 cm土層水分含量由1.20%迅速增加到2.99%，而40 cm土層水分含量并沒有增加，而是由2.22%(第43 d)持續(xù)下降到2.16%(第55 d)。但是，如果短期內(nèi)再次降雨且雨量較大時，對40 cm土層水分含量有明顯的影響，例如第二次日降雨量達20.1 mm時(第55 d)20 cm土層水分含量由2.11%迅速增加到4.17%，40 cm土層水分含量也由2.16%迅速增加到3.64%。這說明20 mm左右的日降雨量直接影響著20 cm土層的水分含量，或者說日降雨量20 mm左右時榆樹天然林地內(nèi)雨水的入滲深度在20～40 cm土層之間。但是，在短期內(nèi)再次降雨20 mm左右時，由于前期土壤水分含量較高，且受累積降雨入滲效應的影響，降水入滲深度能夠達到40 cm土層，以后隨著時間延長和土壤水分的逐漸下滲，80 cm土層水分含量由2.20%逐漸增加到2.60%(第75 d)，表明短期內(nèi)兩次大的降雨對80 cm土層水分有一定的補充作用，而對120 cm土層幾乎沒有補充作用。盡管120 cm土層水分在88 d以后出現(xiàn)了逐漸增加的過程，但這種增加過程主要是氣溫降低后樹木蒸騰和土壤蒸發(fā)的水分減少，深層土壤水分處于補充恢復期的緣故。122 d以后20 cm土層水分也表現(xiàn)出增加的趨勢，土壤水分含量由0.90%增加到1.51%。

綜上所述，可以看出，當日降雨量達20 mm左右時，榆樹天然林20 cm土層水分含量增加明顯，如果短期內(nèi)接連兩次日降雨量各在20 mm左右時，對榆樹天然林40或80 cm土層水分有一定的補充，而當日降雨量較小時水分主要用于樹木生長蒸騰和土壤蒸發(fā)消耗，因而維持固沙植被的水分平衡依靠降水補給是有限的，必須通過調(diào)整植被密度才有可能改善土壤水分狀況，即使是天然榆樹林也同樣存在密度調(diào)整的控制過程，否則，隨著樹木生長時間的延長和郁閉度的增加，土壤水分將是其生長和生態(tài)環(huán)境變化的主要限制因子。

3.1.2楊樹人工林土壤水分動態(tài)變化特征

從楊樹人工林土壤水分含量變化特征看(圖2)，其不同土層水分含量和日降雨量的變化關系不同于榆樹天然林土壤水分含量變化特征。從圖2可看出，楊樹人工林20和40 cm土層水分含量變化和日降雨量多少有關，而80和120 cm土層水分含量變化相對平穩(wěn)，但是9月份以后(第75 d以后)120 cm土層水分含量顯著增加，由2.30%增加到2.60%，說明其深層土壤水分補充比榆樹天然林提前約13 d，其原因除樹木生長蒸騰和土壤蒸發(fā)消耗水分減少外，可能和樹種生理生態(tài)特性的差異有一定的關系。

圖2　楊樹人工林土壤水分含量動態(tài)變化

此外，從圖2還可以看出，日降雨量達12 mm左右時，即對楊樹人工林40 cm以上土層水分變化具有明顯的影響，即日降雨量達12 mm左右時，40 cm以上土層水分含量都有一個增加的過程；當日降雨量達20 mm左右時，40 cm以上土層水分含量則明顯增加。如：日降雨量為11.3 mm時(第34 d)20 cm土層水分含量由1.52%逐漸增加到1.75%，40 cm土層水分含量由1.80%逐漸增加到2.48%；日降雨量為20.4 mm時(第43 d)20 cm土層水分含量由1.33%增加到1.75%，40 cm土層水分含量由1.84%增加到2.48%，而80 cm土層水分含量則一直維持在2.40%及以下水平，120 cm土層水分含量長期維持在2.30%左右。說明日降雨量為20 mm左右時楊樹人工林土壤重力水入滲深度小于80 cm，日降雨量12 mm左右時楊樹人工林土壤重力水入滲深度可以達到40 cm土層。

3.1.3樟子松人工林土壤水分動態(tài)變化特征

從樟子松人工林土壤水分含量變化特征看(圖3)，其變化特征和楊樹人工林、榆樹天然林有明顯的差異，其40 cm以上土層的水分含量波動明顯，并且和日降雨量多少關系密切，而在整個生長期內(nèi)80 cm及以下土層的水分含量基本穩(wěn)定，即80 cm土層水分含量維持在2.10%左右，120 cm土層水分含量維持在1.10%左右。這種反常的變化反映了樟子松人工林地土壤存在著障礙層并影響土壤水分的入滲過程，且土壤障礙層深度在40～80 cm之間，因為40 cm土層水分含量最高時達到8.86%(第45 d)，而80 cm土層水分含量僅為2.10%，顯然不符合土壤重力水運動規(guī)律。

圖3　樟子松人工林土壤水分含量動態(tài)變化

從圖3還可以看出，樟子松人工林20 cm土層水分含量變化和日降雨量的關系密切，并隨著日降雨量增加而增加，例如：當日降雨量為9.7 mm時(第20 d)20 cm土層水分含量由2.41%增加到3.16%；日降雨量11.3 mm時(第33 d)20 cm土層水分含量由2.51%增加到2.80%；日降雨量20.4 mm時(第43 d)20 cm土層水分含量由2.80%迅速增加到4.28%。而40 cm土層水分含量的變化只有當日降雨量在20 mm左右時才有明顯增加過程，當日降雨量明顯小于20 mm時，40 cm土層水分含量變化處于持續(xù)降低的過程。例如：日降雨量20.4 mm時(第43 d)40 cm土層水分含量由2.90%迅速增加到8.86%；日降雨量20.1 mm時(第53 d)40 cm土層水分含量由6.39%增加到7.60%；以后隨著日降雨量減少和時間的延長(第53 d以后)，40 cm土層水分含量持續(xù)下降到1.90%，直到第110 d以后，40 cm土層水分含量才逐漸增加到3.00%及以上。這說明，樟子松人工林地土壤障礙層的存在影響著土壤水分的入滲過程。盡管如此，只有當日降雨量達到20 mm左右時才能影響40 cm土層水分含量，表明日降雨量對樟子松人工林地土壤水分的補給是有限的。

3.2降雨入滲歷時對土壤水分含量變化的影響

日降雨量、降雨歷時和降雨強度都直接影響著土壤水分含量的變化。為此，選擇對土壤水分變化影響明顯的2014年8月9日的一次降雨事件(總降雨21.1 mm，開始降雨時間為15時30分，降雨結(jié)束時間為20時20分，降雨歷時約5 h，降雨強度4.22 mm/h)，進一步分析降雨入滲對不同固沙林土壤水分含量變化的影響。從圖4可看出，從8月9日15時開始降雨，到19時后榆樹天然林20 cm土層水分含量迅速增加，到23時后40 cm土層水分含量也開始明顯增加，而80 cm及以下土層水分含量不受影響。

圖4　8月9日降雨后榆樹天然林土壤水分含量的動態(tài)變化

圖4顯示，本次降雨集中，從9日15時30分降雨開始，0.5 h內(nèi)降雨量為17.63 mm，占本次降雨總量的87.6%。到18時榆樹天然林20 cm土層水分含量由2.0%迅速增加到2.4%，到19時增加到3.3%，到20時增加到3.8%，到21時增加到4.0%，到22時增加到4.2%，到23時增加到4.3%，以后水分含量持續(xù)保持在4.3%，到8月10日10時后開始下降。同樣，從9日15時降雨開始到22時，40 cm土層水分含量由2.2%增加到2.3%，到23時增加到2.5%，到24時增加到2.7%，到8月10日1時增加到2.9%，以后持續(xù)增加到3.7%(8月10日9時)，并保持3.7%到8月10日13時。說明在日降雨量21.1 mm事件過程中，從開始降雨到榆樹天然林40 cm土層水分開始增加(由2.2%增加到2.4%)所經(jīng)歷的時間為9 h，而20 cm土層水分開始增加(由2.0%增加到2.4%)所經(jīng)歷的時間為4 h，或者說，從降雨開始，榆樹天然林40 cm土層水分含量開始增加時所經(jīng)歷的時間比20 cm土層滯后5 h。

從樟子松人工林土壤水分含量變化對本次降雨事件的反應看(圖5)，其20 cm土層水分含量變化比較敏感，40 cm土層水分含量相對平穩(wěn)，而80 cm以下土層水分含量幾乎不受影響。

圖5　8月9日降雨后樟子松人工林土壤水分含量的動態(tài)變化

圖5顯示，從9日15時降雨開始到19時，樟子松人工林20 cm土層水分含量由2.8%增加到3.1%，到20時增加到3.9%，到21時增加到4.2%，到22時增加到4.3%，到23時增加到4.4%，以后水分含量持續(xù)保持4.4%的水平，到8月10日3時后，水分含量開始下降。同樣，從9日15時降雨開始到22時，40 cm土層水分含量由6.2%增加到6.3%，到23時增加到6.4%，到24時增加到6.5%，到8月10日1時土壤水分含量增加到6.6%，到8月10日2時增加到6.8%，以后持續(xù)增加到7.7%(8月10日15時)，并保持7.7%的水平到20時。這說明在樟子松人工林20 cm土層水分含量開始下降的同時，重力水入滲對40 cm土層水分有明顯的補充作用，并且持續(xù)時間較長，這也反映出樟子松人工林地土壤障礙層的存在對降雨入滲的影響。此外，從開始降雨到樟子松林地40 cm土層水分開始增加(由6.2%增加到6.3%)所經(jīng)歷的時間為9 h，而20 cm土層水分開始增加(由2.8%增加到3.1%)所經(jīng)歷的時間為5 h，或者說，從降雨開始，樟子松林地40 cm土層水分含量開始增加所經(jīng)歷的時間比20 cm土層滯后4 h。

4討論

沙地土壤水分的主要來源是大氣降水，年降水量、降水分布格局及其在土壤中的再分布等因素直接影響土壤水分狀況。降雨時，水分既要克服蒸發(fā)消耗又要克服表土層的截留，才能下滲到植物根系層，有效地補充該層土壤水分。王新平等[9]研究表明，在騰格里沙漠沙坡頭人工固沙植被區(qū)，降水歷時26 h、降水量38.9 mm時，降水入滲深度為40 cm；降水歷時17 h、降水量25.0 mm時，降水入滲深度只有20 cm。常兆豐等[10]的研究表明，在民勤沙區(qū)當雨季降水量在40 mm以上時下滲深度可以達到50～90 cm，降水量>7 mm時下滲深度大于10 cm。趙興梁[11]通過長期的土壤水分監(jiān)測得出結(jié)論，流沙區(qū)每年有16%的降水(30 mm)可補給深層土壤，而從干沙層攔截雨水的情況看，9.9 mm以下的降水為無效降水。

本研究結(jié)果表明，在流動沙丘丘間地條件下，日降雨量20 mm左右時，榆樹天然林地降雨入滲深度大于20 cm，楊樹和樟子松人工林地則大于40 cm；如果短期內(nèi)接連兩次日降雨量均為20 mm左右時，對榆樹天然林地40或80 cm土層水分有一定的補充。日降雨量為12 mm左右時，楊樹人工林地降雨入滲深度可以達到40 cm土層，榆樹天然林地小于20 cm土層，樟子松人工林地小于40 cm土層。說明不同固沙植被對不同降雨量下滲深度的影響不同，或者說固沙植被影響著降水的再分配過程。而維持固沙植被的水分平衡依靠降水補給是有限的，必須通過調(diào)整植被密度才有可能改善，否則，隨著樹木生長時間的延長和郁閉度的增加，土壤水分虧缺將是其生長的主要限制因子。

5結(jié)論

(1)降雨量是影響丘間地固沙林40 cm及以上土層水分含量的主要因素，特別是對20 cm土層水分含量影響顯著，只有當降雨量在20 mm左右，或短期內(nèi)連續(xù)兩次降雨各在20 mm左右時才能夠提高40或80 cm土層的水分含量。

(2)林木生長期內(nèi)不同固沙林地20和40 cm土層水分含量波動明顯，而80 cm及以下土層水分含量變化相對平穩(wěn)。樟子松人工林地存在土壤障礙層，其40 cm土層可形成水分富集層或滯留層，并影響著土壤水分的入滲過程。

(3)降雨量對固沙林重力水下滲深度有明顯影響。降雨量20 mm左右時榆樹天然林地重力水入滲深度大于20 cm，而如果在短期內(nèi)接連兩次日降雨量各有20 mm左右時，隨著時間延長土壤水分可以逐漸下滲到40～80 cm土層，但對120 cm土層幾乎沒有補充作用；降雨量20 mm左右時楊樹和樟子松人工林地重力水入滲深度大于40 cm。降雨量12 mm左右時，楊樹人工林地重力水入滲深度可以達到40 cm土層，而樟子松人工林地小于40 cm。

(4)降雨后固沙林不同土層水分含量開始增加時所經(jīng)歷的時間不同。降雨量21.1 mm事件過程中，榆樹天然林40 cm土層水分含量開始增加所經(jīng)歷的時間比20 cm土層滯后5 h；樟子松人工林40 cm土層水分含量開始增加所經(jīng)歷的時間比20 cm土層滯后4 h。但樟子松人工林40 cm土層水分含量由6.4%持續(xù)增加到7.7%，并保持7.7%的水平到35 h，說明樟子松人工林地存在土壤障礙層并對降雨入滲時間有影響。

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(責任編輯徐素霞)

[基金項目]國家“十二五”科技支撐專題(2012BAD16B0204)；多倫生態(tài)站項目(2015-LYPT-DW-025)

[中圖分類號]S152.72

[文獻標識碼]A

[文章編號]1000-0941(2016)05-0026-05

[作者簡介]閆德仁(1962—)，男，內(nèi)蒙古通遼市人，研究員，博士，主要從事沙漠治理研究。

[收稿日期]2015-03-20