陳志青, 趙景波,2,* , 羅小慶, 邵天杰, 胡倩

內(nèi)蒙古希拉穆仁草原春季土壤水與水分平衡研究

陳志青1, 趙景波1,2,*, 羅小慶1, 邵天杰1, 胡倩1

1. 陜西師范大學地理科學與旅游學院, 陜西 西安 710062 2. 中國科學院地球環(huán)境研究所國家重點實驗室, 陜西 西安 710075

為了揭示希拉穆仁草原土壤含水量, 水分存在形式, 水分有效性, 水循環(huán)和土壤干層等問題, 對該區(qū)不同地形草地進行了打鉆取樣, 對含水量及粒度進行測定與分析。結果顯示: 研究區(qū)多數(shù)土壤剖面中含水量變化在2%—10%之間, 平均含水量多在3%—6%之間。高地采樣區(qū)土壤水分垂向變化波動較大, 變化趨勢不明顯; 平地采樣區(qū)土壤上中部含水量多于下部。研究區(qū)土壤水分大部分處于難效水狀態(tài), 土壤水分對植被生長具有明顯的抑制作用, 但平地采樣區(qū)在剖面上部0—0.5 m的平均含水量較高地采樣區(qū)略多, 表明平地采樣區(qū)植被生長受到土壤水分的脅迫性相對較小。研究區(qū)普遍有干層發(fā)育且等級較高, 干層分布接近地表。其中, 高地采樣區(qū)剖面0—0.5 m全部為重度干層, 下部有輕度干層和中度干層發(fā)育; 平地采樣區(qū)幾乎全部為重度干層。該區(qū)春季5月份土壤水分幾乎都以含量很低的薄膜水形式存在, 大氣降水被蒸發(fā)與蒸騰等全部消耗, 沒有剩余水分補給地下水。綜上指示該區(qū)土壤水分為明顯的負平衡, 水循環(huán)呈現(xiàn)土壤-植物-大氣的水分循環(huán)模式, 屬于不完整的水分循環(huán)類型。

土壤含水量; 有效水; 土壤干層; 水分平衡; 希拉穆仁草原

0 前言

土壤水分是影響植物生長和發(fā)育的最重要的環(huán)境因素之一, 尤其是在干旱半干旱地區(qū), 氣候干旱, 降水稀少, 地下水埋深, 土壤水分是維持生態(tài)系統(tǒng)結構、功能與多樣性的直接水分來源, 是生態(tài)系統(tǒng)的關鍵制約因子[1]。土壤水分因氣象條件、土地利用類型、土壤質(zhì)地、地形等[2-4]的不同而變化, 同時, 土壤水分又是植被恢復的響應因子[5]。因此, 對土壤水分的研究至關重要。當前, 關于土壤水分的研究主要集中在分布特征、動態(tài)變化、影響因素、運移特征等方面[6-9]。對土壤水分及水平衡的研究區(qū)域主要集中在黃土區(qū)[10-12], 對干旱半干旱區(qū)的內(nèi)蒙古地區(qū)研究較少, 草原是內(nèi)蒙古地區(qū)牧業(yè)和旅游業(yè)的發(fā)展基礎, 草原的可持續(xù)健康發(fā)展對內(nèi)蒙古的經(jīng)濟具有重要作用。

希拉穆仁草原屬于典型的干旱低山丘陵退化草原地帶, 氣候干旱, 降水逐年減少[13], 過度放牧和不合理開發(fā)旅游業(yè)導致土壤理化性質(zhì)改變, 土壤含水量不斷減少, 抑制了牧草生長, 草地大部分處于中度退化狀態(tài)[14]。前人對希拉穆仁草原的土壤水分做過一定的研究[15], 但主要集中在表層0—30 cm, 對深層垂向變化的研究較少。通過研究該區(qū)土壤水分的垂向變化、分析土壤干層、土壤水分有效性和水分平衡等, 為該區(qū)退化草原的恢復和可持續(xù)發(fā)展提供重要科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

希拉穆仁草原地處內(nèi)蒙古包頭市達爾罕茂明安聯(lián)合旗希拉穆仁鎮(zhèn), 地理位置111°11′15″—111° 12′14″, 41°02′48″—41°24′43″, 平均海拔1700 m, 草原類型為溫性荒漠草原, 屬陰山北麓的低山丘陵草原區(qū), 地形起伏較大, 高地多成渾圓波狀, 平地地勢平坦(表1)。該區(qū)屬中溫帶干旱大陸性季風氣候, 其特點是春秋季干旱多風, 降水量少, 夏季降水量大且集中, 冬季干燥寒冷。年平均氣溫3.8 ℃, 多年平均降水量為282 mm, 多年平均日照時數(shù)3200 h, 年均太陽輻射總量6000 mj·m–2。地帶性土壤為栗鈣土, 土壤上層厚度在30—40 cm, 下層有20—40 cm厚度不等的鈣積層。該區(qū)草原植被主要建群植物有克氏針茅()、糙隱子草()、冷蒿()、羊草()等。

1.2 研究方法

2014年5月22日—27日在希拉穆仁草原選取了具有代表性的高地和平地2個樣區(qū)進行了研究(圖1)。每個樣區(qū)利用輕型人力鉆采取8個鉆孔, 采樣間距為10 cm, 各鉆孔間隔20—30 m。由于受采樣點土壤厚度的影響, 取樣深度到細粒土層底部, 一般在1.2—2.0 m之間。采樣期間沒有降水發(fā)生, 所測數(shù)值能真實反映土壤水分的自然變化。含水量測定采用烘干稱重法。為防止水分散失, 在采樣現(xiàn)場進行烘干前的土壤樣品稱重。樣品帶回室內(nèi)進行烘干, 烘干溫度為105 ℃, 烘干時間為24小時, 烘干前后土重用高精度電子天平稱重。含水量計算公式為:122, 式中,為所測樣品的含水量,1為烘干前樣品的重量,2為烘干后樣品的重量。為查明土壤粒度對土壤含水量的影響, 對6個剖面進行了粒度分析。粒度分析應用的是英國馬爾文儀器公司生產(chǎn)的Master-sizer 2000激光粒度儀, 測量范圍為0.02—2000 μm, 重復測量誤差小于3%, 對大于2 mm的土樣用篩析法測定。

2 實驗結果

2.1 高地土壤含水量測定結果

高地采樣區(qū)中部位于41°21′2.38″ E, 111°12′ 50.64″ N。鉆孔一般打到粗砂或礫石層頂部, 深度一般在1.2—2.0 m之間。

表1 采樣地概況描述

圖1 樣點分布圖

Figure 1 Sample distribution map

根據(jù)高地8個剖面含水量的測定結果可知, 高地0—2.0 m深度范圍內(nèi)土壤含水量的變化范圍在1.76%—21.47%之間, 平均含水量為5.71%, 其中含水量在3%以上的點占全部高地采樣點的89.82%。剖面含水量從上到下呈波動變化, 垂向變化趨勢不明顯, 各剖面含水量的垂向變異系數(shù)變化范圍在0.19—0.74之間, 屬中等強度變異。剖面6的變異系數(shù)最大為0.74, 其中剖面6上部0—1.4 m的平均含水量為5.31%, 下部1.5—2.0 m的平均含水量迅速升至16.93%。高地采樣區(qū)8個剖面的水平變異系數(shù)為0.39, 也屬中等變異, 說明高地采樣區(qū)8個剖面間含水量差異不大。

2.2 平地土壤含水量測定結果

平地采樣點位于丘陵高地底部的平坦地區(qū)。平地采樣區(qū)中部位于41°21′21.53″ E, 111°12′50.29″ N。鉆孔一般打到粗砂或礫石層頂部, 深度一般在1.5— 2.0 m之間。

根據(jù)平地8個剖面的含水量測定結果可知, 平地0—2.0 m高度范圍內(nèi)土壤含水量的變化范圍在1.51%—7.92%之間, 平均含水量為3.82%, 其中含水量在3%以上的點占全部平地采樣點的64.29%。剖面含水量從上到下變化趨勢不太一致, 但總體上表現(xiàn)為剖面上部含水量較大。其中, 剖面3、5、6、7、8上部0—1.2 m含水量變化范圍在1.01%—6.87%之間, 平均含水量為3.72%, 下部1.3—2.0 m含水量變化范圍在1.56%—3.11%之間, 平均含水量為2.13%, 剖面上下部含水量差距明顯。剖面1、2、4上部0—1.2 m含水量變化范圍在0.92%—7.18%之間, 平均含水量為4.23%, 下部1.3—2.0 m含水量變化范圍在2.19%—6.30%之間, 平均含水量為3.93%, 剖面上下部含水量差距不明顯。各剖面的垂向變異系數(shù)在0.25—0.53之間, 屬中等變異。平地采樣點8個剖面間的水平變異系數(shù)為0.21, 也屬中等變異, 說明平地采樣點8個剖面間含水量差異不大。

2.3 粒度分析結果

為判別希拉穆仁草原土壤田間持水量和凋萎濕度, 在每個采樣區(qū)選取3個鉆孔進行粒度測定。通過粒度測定結果進行分析發(fā)現(xiàn)(表2和圖4), 0— 0.5 m范圍內(nèi)以粗粉砂為主, 0.5 m以下黏粒和粉砂含量減少, 細沙增多, 土壤明顯粗質(zhì)化。土壤質(zhì)地是影響土壤水的重要因素, 因此隨著深度增加, 土壤田間持水量和凋萎濕度均呈下降趨勢。

圖2 高地采樣區(qū)土壤含水量

Figure 2 Soil water content in the high sampling area

圖3 平地采樣區(qū)土壤含水量

Figure 3 Soil moisture content in the flat sampling area

表2 高地采樣區(qū)土壤粒度成分含量

圖4 平地采樣區(qū)土壤粒度成分

Figure 4 Soil particle size composition of the flat sampling area

3 討論

3.1 土壤含水量空間分布特征

降水是該區(qū)土壤水分的主要來源, 但由于降水變率大, 季節(jié)分配不均, 牧草的水分供需矛盾較大, 在生長發(fā)育期間水分虧缺較多。本文是在5月下旬采集的樣品, 正值牧草的分蘗分枝期, 牧草蓋度增大, 耗水量增加, 但希拉穆仁草原仍屬于干旱季節(jié), 降水較少, 所以整體土壤含水量較低, 平均含水量為4.5%。

希拉穆仁草原土壤含水量在空間上存在明顯的差異。高地采樣點平均含水量(5.71%)大于平地采樣點的平均含水量(3.82%), 且高地采樣區(qū)含水量在3%以上的點所占的比例較平地采樣區(qū)高, 說明高地采樣區(qū)的整體含水量較平地采樣區(qū)高。但草原的植物根系一般分布深度只有0.5 m左右, 高地采樣點在0.1—0.6 m的平均含水量為3.85%低于平地采樣點平均含水量的4.37%, 且平地采樣區(qū)在0.1—0.6 m范圍內(nèi)含水量在3%以上的點所占的比例為97.92%高于高地采樣區(qū)的89.58%, 說明平地采樣區(qū)上部含水量較高, 有利于牧草的生長。圖5表明平地剖面土壤含水量垂向變化明顯, 所有剖面均在0.1—1.2 m含水量較高, 平均含水量為4.22%。高地各剖面土壤含水量呈波動變化, 但變化趨勢不明顯。高地和平地土壤含水量在空間上的差異表明, 地形影響了降水的分配, 高地采樣區(qū)受地形和坡度的影響, 含水量較高且垂向變化不明顯; 平地剖面中上部含水量較高主要是由于平地地形有利于降水的聚集且中上部粒度較細(圖4)、持水性較好決定的。

3.2 土壤水分存在形式和水分循環(huán)

土壤水分存在形式主要包括毛管水, 薄膜水和重力水[16]。當土層含水量高于田間持水量時為重力水, 重力水自上向下流動, 流動速度快。當土層含水量低于田間持水量時為薄膜水, 薄膜水從水膜厚的地方流向水膜薄的地方, 移動速度緩慢。云文麗等[17]通過對內(nèi)蒙古93個氣象站點的田間持水量觀測值進行統(tǒng)計分析, 得出內(nèi)蒙古栗鈣土草原0—0.5 m土壤厚度田間持水量平均值為20%—22%。本次采樣深度較深, 通過粒度分析發(fā)現(xiàn)(表2和圖4), 隨著深度增加, 土壤粒度變粗, 田間持水量逐漸減少, 所以將20%定為研究區(qū)的田間持水量。也就是說, 當土壤含水量小于20%時, 水分以薄膜水形式存在, 當土壤含水量高于20%時, 水分以重力水形式存在。

由圖2和圖3可知, 研究區(qū)除高地采樣區(qū)鉆孔6下部的含水量大于20%之外, 其余所有鉆孔含水量都小于20%, 說明該區(qū)在牧草分蘗分枝期土壤水分幾乎都以薄膜水形式存在。由于研究區(qū)薄膜水含量很低, 表明牧草分蘗分枝期土壤水分對地下水的補給很少。

通常把大氣降水能夠通過入滲補給地下水的水循環(huán)稱為完整的正常水循環(huán)[18], 把大氣降水較少而不能通過入滲補給地下水的不完整水循環(huán)稱為異常水循環(huán)。在采樣期間, 高地采樣區(qū)土壤水分垂向變化趨勢不明顯, 平地采樣區(qū)土壤含水量垂向變化表現(xiàn)為剖面上中部含水量較高。表明土壤水向下運移緩慢或者在土壤表層富集, 即大氣降水只能轉(zhuǎn)化成位于地表的土壤水, 一般不參與地下水循環(huán)。研究區(qū)水循環(huán)就形成了土壤—植物—大氣的水分循環(huán)模式, 屬于不完整的異常水分循環(huán)類型。

3.3 土壤水分有效性類型分析

土壤水分含量變化存在3個轉(zhuǎn)折點, 分別是凋萎濕度、生長阻滯持水量和田間持水量[19]。凋萎濕度是植物葉子剛開始出現(xiàn)萎縮時的土壤含水量。田間持水量是指土壤所穩(wěn)定保持的最高土壤含水量。云文麗等[17]通過統(tǒng)計分析, 得出內(nèi)蒙古草原栗鈣土在0—0.5 m土層的穩(wěn)定凋萎濕度平均值為3%—4%, 所以將研究區(qū)的穩(wěn)定凋萎濕度定為3%。生長阻滯持水量指田間持水量的60%的含水量。由于該區(qū)重力水極少存在, 所以該區(qū)的土壤有效水含量指田間持水量與永久凋萎濕度之差。土壤含水量低于穩(wěn)定凋萎濕度時, 土壤中的水分不能為植物吸收利用, 就會導致植物干枯死亡, 此時土壤水分為無效水。當土壤含水量大于穩(wěn)定凋萎濕度時, 作物可以吸收利用土壤有效水, 但其吸收利用水分的難易程度存在差異。通常根據(jù)土壤水分被植物吸收利用的難易程度, 將土壤有效水劃分為難效水, 中效水和易效水3個等級[18]。難效水是指從穩(wěn)定凋萎濕度到生長阻滯持水量的土壤水分, 植物雖然能夠吸收利用土壤水分, 但其根系從土壤中吸收水分時需要克服較大基質(zhì)吸力, 植物的正常生長受到一定阻滯。難效水對植物生長的阻滯性的大小差別也較大, 這取決于含水量的多少, 含水量越少, 阻滯性越大, 植物生長越差。易效水指的是土壤含水量相對較高, 小于田間持水量, 大于80%田間持水量的這部分土壤水分, 土壤基質(zhì)吸力較弱, 容易為植物吸收利用, 一般不會對植物的生長發(fā)育造成水分脅迫。中效水是指介于難效水與易效水之間的土壤水分, 吸收利用這部分水分, 在一定程度上受土水勢的影響。結合本研究實際情況將希拉穆仁草原土壤水分有效性劃分為5級(表3)。

圖5 平地土壤剖面含水量分層

Figure 5 Flat soil profile water content stratification

結合上述土壤水分有效性等級劃分, 對研究區(qū)高地和平地土壤剖面水分的有效性進行分析。結果表明(圖2和圖3)高地采樣區(qū)剖面3和8在0.5—0.8 m間處于無效水狀態(tài), 在0.5 m以上及0.8 m以下處于難效水狀態(tài), 剖面6在1.5—2.0 m接近中效水狀態(tài), 其余剖面從上到下全部處于難效水狀態(tài)。平地采樣區(qū)所有剖面均在0—1.1 m間處于難效水狀態(tài), 在1.2 m以下處于無效水狀態(tài)。但平地剖面0—0.5 m平均含水量為4.85%, 較高地0—0.5 m平均含水量4.25%略高, 而牧草植被根系主要分布在剖面中上部, 說明平地的植被生長受到土壤水分的脅迫小。研究區(qū)大部分處于難效水狀態(tài), 因此牧草吸收土壤水分會不同程度上受到抑制, 對牧草生長和產(chǎn)量具有一定的不利影響, 這也是該區(qū)草原植物稀疏的根本原因。

3.4 土壤干層與水分平衡

由粒度分析實驗結果可知, 希拉穆仁草原土壤0.5 m以上粒度組成以粗粉砂為主, 但在0.5 m以下以細砂為主, 且2 mm以上礫石含量增多。粒度分析表明, 希拉穆仁草原土壤0.5 m以上粒度成分與陜西黃土[20]相近但粒度略粗, 下部粒度成分比黃土明顯粗。因此, 0.5 m以上仍以黃土高原干層的標準劃分[21]即含水量小于12%劃分為干層, 含水量在9%—12%之間為輕度干層, 6%—9%之間為中度干層, 6%以下是嚴重干層。0.5 m以下干層含水量劃分標準應該比陜西土壤低, 我們將含水量在7%—10%之間的劃分為輕度干層, 4%—7%之間為中度干層, 小于4%的為嚴重干層。

圖6為希拉穆仁草原高地與平地0—0.5 m和0.5—2.0 m土層深度的含水量。由圖6可知, 各個鉆孔剖面都存在干層, 且以中度干層和重度干層為主, 輕度干層緊在少數(shù)剖面發(fā)育。高地和平地0—0.5 m范圍內(nèi), 所有剖面全部為重度干層。高地0.5—2.0 m范圍內(nèi), 鉆孔6和7為輕度干層, 鉆孔1、2、4、5為中度干層, 鉆孔3、8為重度干層。平地0.5—2.0 m范圍內(nèi), 除剖面2為中度干層, 其余均為重度干層。

由于該區(qū)年均降水量僅為280 mm左右, 所以干層分布很淺, 幾乎從土壤表層就已出現(xiàn)。根據(jù)年平均溫度為0度左右、年降水量為370 mm左右的青海湖地區(qū)的土壤干層分布從0. 6 m左右深度開始出現(xiàn)[22]分析, 希拉穆仁草原地區(qū)的干層從土壤表層出現(xiàn)是完全可能的。我們在2014年雨季之后的10月份對該區(qū)土壤含水量也進行了20多個剖面的測定, 結果表明在雨季之后土壤含水量略有增加, 但土壤表層的干層仍然存在, 這表明該區(qū)從土壤表層發(fā)育的干層是長期性的干層。

表3 希拉穆仁草原土壤水分有效性分級

圖6 希拉穆仁草原高地與平地土壤含水量分層

Figure 6 Xilamuren grassland highland and flat soil water stratification

土壤干層的發(fā)育指示該區(qū)土壤水分的支出大于收入[18], 也就是指示這樣的地區(qū)為水分負平衡的地區(qū)。在這樣的地區(qū), 大氣降水全部被蒸發(fā)、蒸騰等作用消耗, 沒有剩余水分補給地下水。從希拉穆仁草原土壤干層發(fā)育等級較高可以確定, 該區(qū)土壤水分為明顯的負平衡。由此可以得出, 該區(qū)地下水一般不能得到大氣降水的補給, 地下水貧乏。

4 結論

(1)研究區(qū)多數(shù)土壤剖面中含水量很低, 含量變化多在2%—10%之間, 平均含水量多在3%—6%之間。高地采樣區(qū)剖面含水量呈波動變化, 變化趨勢不明顯。平地采樣區(qū)土壤上中部含水量多于下部, 表明該區(qū)降水對土壤水的補給主要在土壤中上部。

(2)希拉穆仁草原在春季的土壤水分以含量很低的薄膜水形式存在, 幾乎沒有重力水存在, 表明該區(qū)土壤水分運移非常緩慢。由于研究地區(qū)大氣降水只能轉(zhuǎn)化為地表水, 不參與地下水循環(huán), 所以研究區(qū)形成了土壤-植物-大氣的水分循環(huán)模式, 屬于不完整的水分循環(huán)類型。

(3)研究區(qū)土壤水分大部分處于難效水狀態(tài), 土壤水分對植被生長具有明顯的抑制作用。但平地采樣區(qū)在剖面上部0—0.5 m的平均含水量較高地略高, 表明平地采樣區(qū)植被生長受到土壤水分的脅迫性較小。研究區(qū)普遍有干層發(fā)育且等級較高, 干層分布接近地表。高地采樣區(qū)0—0.5 m全部為重度干層, 下部有輕度干層和中度干層發(fā)育; 平地采樣區(qū)幾乎全部為重度干層, 指示該區(qū)土壤水分為明顯的負平衡, 大氣降水被蒸發(fā)與蒸騰等全部消耗, 沒有剩余水分補給地下水。

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Study on soil water and water balance in spring in Xilamuren grassland, Inner Mongolia

CHEN Zhiqing1, ZHAO Jingbo1,2,*, LUO Xiaoqing1, SHAO Tianjie1, HU Qian1

1. College of Tourism and Environment, Shanxi Normal University, Xi’an, Shanxi 710062, China 2. State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences,Xi’an, Shanxi 710075, China

In order to reveal the soil water content, water form, water availability, water cycle and dry soil layer of the Xilamuren grassland, the different terrain grasses in the area were drilled and sampled, and the water content and particle size were measured and analyzed.The results showed that the water content in most soil profiles in the study area varied between 2%-10%, and the average water content was between 3%-6%. The vertical variation of soil moisture in the high sampling area fluctuated greatly, and the change trend was not obvious. The water content in the upper middle part of the flat sampling area was higher than that in the lower part.Most of the soil moisture in the study area was in a state of inefficient water, and soil moisture had a significant inhibitory effect on vegetation growth. However, the flat sampling area had a slightly larger average water content in the upper part of the section from 0-0.5 m, indicating that the vegetation in the flat sampling area was high. Growth was relatively less stressful by soil water. Dry soil layer were generally developed and graded in the study area, and the dry soil layer distribution was close to the surface. Among them, the high-sampling area section 0-0.5 m was all heavy dry layer, the lower part had mild dry layer and moderate dry layer development; the flat sampling area was almost all heavy dry layer.In the spring of May, the soil water in the area was almost in the form of film water with very low content. The atmospheric precipitation was completely consumed by evaporation and transpiration, and no residual water was supplied to the groundwater. The soil water in this area is obviously negative balance, and the water cycle presents a soil-plant-atmosphere water circulation pattern, which is an incomplete water circulation type.

soil water content; effective water; dry soil layer; water balance; Xilamuren grassland

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.02.001

P641.131

A

1008-8873(2020)02-001-07

2019-08-27;

2019-09-26

國家自然科學基金項目(41210002); 中國科學院黃土與第四紀地質(zhì)國家重點實驗室項目(SKLLQG1626)

陳志青(1983—) , 女, 內(nèi)蒙古人, 博士研究生, 從事生態(tài)學研究,E-mail:278680742@qq.com

趙景波, 博士, 教授, 博士生導師, 從事自然地理研究, E-mail:zhaojb@snnu.edu.cn

陳志青, 趙景波, 羅小慶, 等. 內(nèi)蒙古希拉穆仁草原春季土壤水與水分平衡研究[J]. 生態(tài)科學, 2020, 39(2): 1–7.

CHEN Zhiqing, ZHAO Jingbo, LUO Xiaoqing, et al. Study on soil water and water balance in spring in Xilamuren grassland, Inner Mongolia[J]. Ecological Science, 2020, 39(2): 1–7.