洪光宇, 王曉江, 王少昆, 劉果厚, 高孝威,蘇雅拉·巴雅爾, 張 雷, 李卓凡, 李梓豪

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 草原與資源環(huán)境學院, 呼和浩特 010010; 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學研究院,呼和浩特 010010; 3內(nèi)蒙古大青山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站, 呼和浩特 010010; 4.中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 烏拉特荒漠草原研究站, 蘭州 730000; 5.烏審旗烏蘭陶勒蓋治沙站, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300)

荒漠化一直是全球關注的環(huán)境問題，我國是受荒漠化影響較為嚴重的國家之一。據(jù)統(tǒng)計，全球荒漠化土地面積為4 560萬km2。2015年我國第五次荒漠化監(jiān)測顯示，我國的荒漠化土地面積高達261.16萬km2，占全球荒漠化面積的5.23%，約占我國國土面積27.20%，其中沙化土地面積為172.12萬km2，約占我國土面積17.93%。我國是受風沙危害較嚴重的地區(qū)，土地沙化問題嚴重制約著我國的經(jīng)濟增長，我國西北地區(qū)貧困縣占全國貧困縣的40%的，貧困人口數(shù)占總貧困人口數(shù)的25%。為了有效遏制土地沙化帶來的危害，防止沙化面積增大，我國在沙區(qū)開展了不同類型的生態(tài)建設工程，通過在風沙源區(qū)進行人工植被建設來構建北方生態(tài)屏障，改善生態(tài)環(huán)境，促進經(jīng)濟發(fā)展。沙地生態(tài)系統(tǒng)作為我國干旱、半干旱區(qū)主要的生態(tài)系統(tǒng)類型，在維持區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定和提高生態(tài)系統(tǒng)服務起著關鍵作用。但沙地生態(tài)系統(tǒng)因為其所處的環(huán)境較惡劣，因此該生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差和對環(huán)境變化敏感。因此沙地生態(tài)系統(tǒng)受到更多國內(nèi)外學者的關注。沙地土壤水分受多種因素的綜合影響，主要有地形、土壤性質(zhì)和土地利用方式等[1]。土壤水分的時空動態(tài)變化主要受降水、植被類型以及地表覆蓋度等因素的影響[2-3]。水分是沙地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的主要限制因子，對沙區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結構的穩(wěn)定與功能的發(fā)揮起到關鍵作用，是決定生態(tài)系統(tǒng)植被格局和變化過程的主要驅(qū)動因子。沙區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中，植物所需水分是由土壤水供給，同時水分是土壤—植被—大氣系統(tǒng)中物質(zhì)和能量循環(huán)的載體[4]。土壤水分變化能直接反映人工植被區(qū)的生態(tài)水文過程。沙地土壤水分含量的大小與分布對土壤的物理性質(zhì)和植物的生長具有重要的影響[5]。土壤水分的變化在時間與空間尺度上對整個生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)因子間的相互作用具有顯著影響。因此研究沙區(qū)土壤水分的變化規(guī)律、土壤水分與環(huán)境之間的關系及其土壤水分與植被相互作用的機理，對研究沙區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的結構及其穩(wěn)定性具有重要意義，有助于預測極端天氣對沙區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的危害。本文對國內(nèi)外沙地土壤水分的研究進展進行了總結，綜述沙地生態(tài)系統(tǒng)在降雨后土壤水分在時間和空間上的變化特征及雨后土壤水分的入滲規(guī)律，歸納了針對沙區(qū)土壤水分平衡問題的相關研究，對土壤水分的測量方法及土壤水分模型研究進展進行了闡述，并提出以后需要關注的重點研究方向和內(nèi)容。

1 國內(nèi)外沙地土壤水分研究概況

1.1 國外沙地土壤水分研究現(xiàn)狀

國外學者對沙地土壤水分的研究起始于1912—1913年，由前蘇聯(lián)MN托馬斯基對位于前蘇聯(lián)東南部的沙地水分特征進行了定位研究，首次對該地區(qū)沙地水分變化進行了研究并且對其進行了類型的劃分，并收集了大量該區(qū)大氣凝結水數(shù)據(jù)。1930—1936年，前蘇聯(lián)對捷克的沙地、那倫沙地的土壤水分特征及地下水位的動態(tài)變化進行系統(tǒng)的觀測與分析，對中亞沙區(qū)水分狀況做了大量的研究[6]。從此開始通過對水分狀況的研究來確定沙地的旱情，并建立簡單的水分平衡方程。法國和日本相繼分別對干旱沙地的露水凝結水以及形成條件和做沙地土壤的含水量、砂粒大小及其之間的關系做了大量的研究與論述[7]。對土壤水分平衡研究逐漸加入熱量平衡，并開始對地下水與水分變化開始進行了研究。簡單的觀測和論述是遠遠不夠的。從70年代開始，開始運用多學科交叉的方法研究沙地水分變化。首先運用物理學的方法對不同粒徑組成的沙地土壤水分運動狀態(tài)進行研究，并得出有機質(zhì)含量影響沙地土壤田間持水量，植物在不同生長階段和不同的環(huán)境下萎蔫點不同，粒徑越小孔隙體積越大并且土壤蒸發(fā)越慢，孔隙度越大有機質(zhì)和可溶性鹽含量越高等相關結論[8-10]。隨著氣象觀測站的建立，氣象學和氣候?qū)W的理論被逐步應用到沙地土壤水分的研究中。通過氣象觀測得出，沙地表層土壤溫度與水分含量間有顯著相關關系并且表層土壤中液態(tài)水也就是游離水含量與空氣溫度有函數(shù)關系[11-13]。降水后沙區(qū)的水分入滲受地形、土壤物理性質(zhì)、初始含水量和地溫影響。應用熱力學與水文學對沙區(qū)的土壤水分變化研究得出氣壓勢只有在沙地水分含量大于最小持水量時才會影響水分遷移[14]。運用生物學和生態(tài)學理論探討了土壤水分虧缺的臨界值[14]與植被的蒸騰耗水之間的關系[15-16]。此外，對土壤表層蒸發(fā)[17]、凝結水[18-19]、地下水分補給及土壤的水分動態(tài)變化預測等進行了深入的研究。最后通過數(shù)值模擬的方式，逐步建立數(shù)學模型模擬不同降水過程中土壤水分的入滲過程，以此來研究土壤水分輸入與輸出的過程，從而使得沙區(qū)的土壤水變化研究比較系統(tǒng)與完整[20-21]。

1.2 國內(nèi)沙地土壤水分研究現(xiàn)狀

60年代初期，我國開始對沙地的土壤水分進行研究，中科院治沙隊率先建立定位觀測場對包括民勤在內(nèi)的干旱區(qū)植被與沙地水分進行調(diào)查，對沙地土壤毛細管水、沙丘水分分布特征、水分滲透和水面蒸發(fā)以及植被蒸騰進行測定，初步掌握了水分運動過程及其影響因素[22]。70年代末期，我國開始從土壤水分的能量進行研究，對勢值變化以及分子自由能及各種函數(shù)式等進行了分析，用定量連續(xù)的能量結果代替定性間斷的方法對土壤水分進行研究[23]。80年代初期SPAC理論開始在國內(nèi)應用，土壤—植物—大氣被定義成一個連續(xù)體，研究水分在該系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換過程，通過能量指標水勢的變化來研究水分變化。80年代末，我國開始對沙地水分研究加入了動力學方法。中國科學院沙坡頭試驗站與清華大學、瑞典LUND大學進行合作，開展了沙地土壤水分動力學基礎研究。對沙地降雨水分入滲進行動態(tài)研究，收集了沙地不同降水強度下土壤水分動態(tài)資料[24-25]。從90年代開始，中科院沙坡頭沙漠生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測站首先對沙區(qū)的土壤水分變化進行連續(xù)觀測，我國各地也相繼對不同沙區(qū)開始了連續(xù)觀測。土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)開始進入多樣化、簡單化和自動化時代，這使得對沙地生態(tài)系統(tǒng)土壤水分的動態(tài)變化規(guī)律、時空分布特征及其與環(huán)境的關系研究變得更準確和更便捷，使得研究變得更深入更廣泛[26-38]。遙感技術[39]與同位素技術被應用于沙區(qū)土壤水分的監(jiān)測與研究中，監(jiān)測方法上更加多樣化。對雨量的監(jiān)測出現(xiàn)了雨量傳感器自動記錄儀，對土壤水分變化的監(jiān)測中發(fā)展多尺度觀測，其中運用了中子探測水分儀、TDR土壤水分測定儀、頻域反射儀FDR探地雷達測量法等測量技術[40-44]。

2 沙地土壤水分時間變化特征

沙地土壤水分含量的時間變化主要體現(xiàn)在季節(jié)性差異上，不同的季節(jié)由于降水量的不同導致了土壤含水量具有季節(jié)性特征。在我國干旱、半干旱區(qū)，降水集中在6—9月，因此對土壤含水量進行了3個階段的劃分，12月至下一年5月下旬為一個階段，該階段屬于冬春季節(jié)，積雪融水并有少量降雨情況對土壤水分進行了補給，溫度較低所以植被對土壤水分利用較少，是土壤水分含水量的調(diào)整階段和弱失水階段，該階段被稱之為水分的穩(wěn)定期。6—8月下旬為一個階段，該階段屬于夏季，降雨較多對土壤水分補給充足，但也是植被生長的主要時期，溫度較高導致了植物蒸騰和土壤蒸發(fā)較大，該時期土壤水分含量減小，屬于土壤水分的消耗期。9—11月下旬為一個階段，該階段屬于秋季，降雨逐漸減少，溫度逐漸降低，植物生長停止對水分的消耗逐漸減少，該階段屬于積累期。對沙坡頭檸條人工林土壤水分含量在不同降水年際間季節(jié)變化進行研究得出，在檸條生長季4—10月間，土壤水分含量變化具有明顯的季節(jié)規(guī)律，在4—5月的生長初期，初始含水量相對較高，但隨著時間變化呈下降趨勢。在6—8月生長旺季，在沒有降水補給情況下土壤水分含量迅速減小，在9—10月生長末期，土壤水分含量趨于穩(wěn)定，但低于春季。并且土壤水分含量濕潤年份高于干旱年份[45]。研究表明，表層土壤水分含量變化對季節(jié)更敏感，具有強烈的季節(jié)趨勢在春秋季低蒸散多降雨的情況下，使該層次的初始含水量較高。在高蒸散率和少的降雨條件下0—15 cm土層出現(xiàn)最低含水量的情況都在夏季。該層土壤水分含量具有明顯的季節(jié)變異性，在大降雨和土壤初始含水量較高的情況下變異性越高相關系數(shù)為R2=0.836 6，與土壤水分含量的季節(jié)趨勢一致[46]。

沙區(qū)不同時期建植的植被及不同人工植被類型條件下的土壤水分變化差異顯著。在沙坡頭區(qū)固沙植被在9～10 a后土壤水分呈下降趨勢，特別在大于100 cm土層深度。固沙植物根系區(qū)對水分的利用加劇了土壤水分虧缺的狀況，進而影響植物的生長發(fā)育，導致優(yōu)勢種蓋度下降，草本和土壤結皮開始發(fā)育，進而改變了植被組成，從而使種群的穩(wěn)定性變差，種植固沙灌木樹種15 a后，200—300 cm土層水分含量夠維持在一個相對穩(wěn)定的數(shù)值[47]。對科爾沁沙地生物結皮與其他植被覆蓋雨后耗水率的研究得出，雨后10 d生物結皮樣地的耗水率比差巴嘎蒿灌木林、小葉錦雞兒灌木林、樟子松林、草地和裸沙樣地分別降低64.00%，76.85%，61.17%，78.21%和19.07%。生物結皮樣地相對其他植被覆蓋樣地在不同層次(0—40 cm，80—180 cm)土壤的耗水量最低，40—80 cm土壤層裸沙樣地耗水量最低，但與生物結皮樣地沒有差異性，雨后第4天差巴嘎蒿灌木林、小葉錦雞兒灌木林、樟子松林、草地樣地在0—40 cm土壤層水分顯著開始下降，裸沙樣地在20—40 cm土壤層，生物結皮樣地在0—20 cm土壤層水分含量顯著降低;差巴嘎蒿灌木林樣地80—100 cm土壤層水分從第3天開始顯著下降，小葉錦雞兒灌木林樣地在100—120 cm，140—180 cm土壤層水分從第2天開始顯著下降，樟子松林樣地在60—120 cm土壤層水分從第3天開始顯著下降，草地樣地在40—60 cm，80—100 cm土壤層水分從第3天開始顯著下降[48]。

3 沙地土壤水分空間變化特征

土壤水分的空間變化主要是對土壤不同深度含水量的變化規(guī)律進研究。在不同人工植被區(qū)不同深度的土壤水分含量變化不同，由于受降雨、蒸發(fā)、氣候和植被等多因素的影響，從而導致土壤水分的空間變異性。在0—60 cm深度土壤水分變化頻繁和劇烈，其土壤水分含量變化范圍在2.3%～13.8%。60—160 cm處通常被認為是上層土壤的潛在供應庫，該層次受外部降雨、植被蒸騰和土壤蒸發(fā)的影響較小，通常降雨量較大或者上次土壤處于長時間干旱情況下，該層才發(fā)生變化，為土壤水分相對穩(wěn)定層。深層土壤主要分布在160 cm以下，屬于水分穩(wěn)定層。對沙坡頭區(qū)檸條樣地0—200 cm土壤水分含量分層進行研究得出，表層20 cm處的土壤水分含量明顯高于其他層次，200 cm處土層的含水量較低且波動較小。在0—40 cm和100—200 cm中，隨著深度加深土壤含水量逐漸下降，40—100 cm土層中，隨著深度的加深土壤水分含量逐漸增加。在濕潤年份0—100 cm處為土壤水分變化劇烈層，而在干旱年份0—20 cm處為土壤水分變化劇烈層[45]。對毛烏素沙地不同飛播年楊柴灌木林土壤剖面水分變化特征進行研究得出，在0—180 cm范圍內(nèi)，林齡為38 a的樣地土壤體積含水量顯著高于30 a和15 a樣地，30 a和15 a樣地差異不顯著。隨著土層深度的增加，林齡為38 a和30 a的樣地土壤體積含水量分別在80—100 cm和20—40 cm間達到最大值，分別為8.21%和7.85%，15 a樣地則呈現(xiàn)降低的趨勢。土壤體積含水量最大值隨著林齡的增加有向深層次運移的趨勢，并且最小值均出現(xiàn)在140—180 cm。隨著楊柴灌木林林齡的增加，0—20 cm土壤層水分呈現(xiàn)減小趨勢，20—100 cm土壤層水分基本呈現(xiàn)增大趨勢，100—180 cm土壤層水分出現(xiàn)先減小后增大的趨勢[49]。降雨量與土壤水分空間變異性呈顯著的正相關關系，降雨越大空間變異性越大。對沙坡頭人工固沙植被區(qū)1956年建植的植被區(qū)進行研究，得出15 mm的降雨事件下，0—15 cm深度土層水分含量的變異系數(shù)為20.26%,0—30 cm深度土層水分含量的變異系數(shù)為16.43%，13 mm的降雨時間下，該深度土層含水量變異系數(shù)為16.06%。在長時間無雨的環(huán)境下0—15 cm深度土層水分含量變異系數(shù)降到4%，0—30 cm深度土層水分含量變異系數(shù)降到4.35%，說明0—15 cm土層比0—30 cm土層的空間變異性對降雨強度和土壤水分含量響應更強烈[46]。

對沙坡頭區(qū)人工固沙植被區(qū)土壤0—200 cm深度不同土層水分含量進行研究，發(fā)現(xiàn)60—80 cm土層平均水分含量最高，80 cm以下土壤含水量逐漸降低，0—5 cm土層水分含量最小。對不同土層的空間變異質(zhì)性進行分析后得出，160—180 cm深度土層水分變異系數(shù)為0.72,180—200 cm深度土層的變異系數(shù)是0.73，這兩個層次的變異最大，表層0—5 cm處變異系數(shù)也較大為0.66。0—200 cm各土層的水分空間異質(zhì)性明顯各土層水分有效變程存在差異且無規(guī)律，在60—80 cm深度的土層變程最小，為7.04 m。20～40 cm處最大，為19.71 m[50]。環(huán)境改變與人類活動影響沙地植物群落的在不同尺度上的配置格局，因此改變了土壤水分的分布格局。對科爾沁沙地草場、禁牧的半流動沙地和被重度干擾的丘間洼地土壤含水量在降水后進行了空間異質(zhì)性分析，研究表明隨著植被蓋度的增加降水后土壤水分含量變異幅度逐漸減小，但沙質(zhì)草場表層與亞表層土壤水分的空間結構差異大，表層含水量有較強的空間依賴性，丘間洼地表層土壤水分含量在空間變異的差異相對較小[51]。

在沙區(qū)土壤水分變化研究中，地表干燥的土層稱為干沙層，主要受到降雨與蒸發(fā)共同作用，是水分變化最活躍的土層。因為干沙層的變化與土壤表層蒸發(fā)有著極顯著的相關性，因此減小土壤水分蒸發(fā)對沙區(qū)水資源的保護極為重要。固沙植被的演替及地表微生物結皮的出現(xiàn)改變了沙地土壤水分的分配，在固沙植被區(qū)土壤的干沙層比流動沙地厚。流動沙丘的干沙層對深層土壤水分蒸散有抑制作用，從而使沙丘含水量保持穩(wěn)定。對沙坡頭不同年限建立的植被區(qū)土壤水分進行研究得出，建植較長時間的植被區(qū)深根性灌木樹種黃柳(Salixgordejevii)、檸條錦雞兒和花棒(Hedysarumscoparium)等植被的土壤剖面水分比流動沙丘含水量小，從上到下呈遞減趨勢，從1982—2000年間土層深度在0—60 cm范圍內(nèi)水分含量高并且變異系數(shù)較大。在土層深度為100—300 cm間土壤水分含量呈遞減趨勢[47]。對沙地不同植被類型的表層土壤水分含量進行時間和空間上的研究，得出不同植被類型表層土壤水分變化具有高度的變異性，且呈正態(tài)分布。雨后表層土壤水分含量在空間上的變異程度與降雨量呈顯著正相關關系，干旱期隨著土壤水分含量的減小，變異系數(shù)降低，土壤表層的水分含量變化規(guī)律與空間的變異性一致[46]。土壤水分含量在不同固沙植被區(qū)變化存在顯著差異，植被建立后沙地土壤有效水分顯著減少。對科爾沁沙地楊樹林、樟子松林和小葉錦雞兒固定沙丘和流動沙丘、天然草地、丘間低地的土壤水分進行測定，結果顯示對于原址是流動沙丘的建植區(qū)的雨養(yǎng)型植被，在只有降水的補充下，土壤水分含量垂直變化范圍在2%～4%，低于受地下水影響的植被類型。地下水影響型因受地下水影響土壤垂直水分含量隨著深度增加呈增大趨勢，水分含量在2%～28%[52]。對科爾沁沙地固沙植被區(qū)和流動沙地土壤水分變化進行比較得出，人工建植植被區(qū)土壤含水量低于流動沙地和天然植被區(qū)，同一段時間內(nèi)的蒸散量與其降水量呈顯著正相關[53]。沙區(qū)的土壤水分在冬季受凍融作用的影響，土壤層在0—30 cm和100—140 cm處受凍融影響顯著，在60—100 cm土層深度影響較小，不同的地表覆蓋受凍融作用影響的土層深度會出現(xiàn)不同[54]。

4 沙地人工植被區(qū)降雨入滲變化規(guī)律

研究者對沙地的雨后水分入滲、入滲后水分再分配過程以及水分運移規(guī)律進行了大量的研究。目前對降雨入滲與沙區(qū)土壤含水量的垂直變化將土壤層次劃為0—20 cm處的表層干沙層、20—140 cm處對降雨響應較大的變化層或者活躍層和140 cm以下水分含量較穩(wěn)定的層次[55]。研究者主要對干沙層和變化層的水分含量變化以及雨后水分再分配和入滲規(guī)律進行了大量的研究，結果表明土壤的入滲速率與降水的呈線性關系，入滲速率和入滲深度與初始含水量呈負相關關系[55-62]。對不同類型的沙地雨后水分入滲規(guī)律進行研究掌握其變化特征，并對影響入滲過程的原因及影響因素進行了研究，得出降雨量、降雨歷時和強度在不同月份和年份變異較大，不同的降雨特征與其他的生物與非生物因素綜合影響生態(tài)系統(tǒng)的蒸散以及降雨對植被的根系層土壤進行水分的有效補充[63-69]。

在沙區(qū)降雨后水分入滲的過程中，主要受重力影響，沙地吸水過程快于脫水。沙地水分在變化過程中進行著能量的傳遞。在水分進入到沙地中從淺層次到深層次土壤的含水量以及土壤吸水能力變化差值呈減小趨勢，研究表明60 cm土層可以作為水分活躍度的分界線，降雨期間水分的入滲速率為0.35～2.29 cm/h[70-71]。對科爾沁沙地樟子松人工林、山杏灌木林、草地和荒草地的入滲特征進行研究得出，因為受到土壤質(zhì)地、孔隙度大小土壤容重和土壤的初始水分含量等因素的影響荒草地入滲率最快，最穩(wěn)定，累計入滲率最大，喬木林地最小。入滲回歸模型中擬合度最好的模型是Horton模型，擬合度為0.948[72]。科爾沁沙地小葉錦雞兒人工林在累計降雨量為43.4 mm后的120 h內(nèi)流動沙丘土壤水分入滲到180 cm處，5 a生小葉錦雞兒入滲深度到達土層150 cm處。雨后流動沙丘土壤各層次含水量變化比有植被覆蓋區(qū)變化劇烈，在植被覆蓋區(qū)隨著生長年限的增加土壤淺層水增加，降雨入滲深度變小，15 a生小葉錦雞兒入滲土層深度在100 cm以內(nèi)，5 a生入滲深度在150 cm以內(nèi)。在土壤淺層形成水層，并且有植被覆蓋區(qū)入滲花費的時間多于流動沙丘，雨后短期內(nèi)流動沙丘的淺層土壤含水量較高，而后固沙植被土層深處的土壤含水量高[60]。對寧夏的風沙區(qū)封育中的退化草場利用地下水補給量的測量方式進行研究，測定降雨后水分入滲的補給系數(shù)范圍在0.119～0.257[73]。在毛烏素沙地對油蒿群落有生物結皮和去除生物結皮的土壤水分進行降雨入滲研究得出：在相同降雨條件下有生物結皮的油蒿群落水分平均入滲系數(shù)比沒有結皮的油蒿群落低，降雨后水分入滲到相同的土層深度有生物結皮的土壤水分響應的時間更長，生物結皮滯留了降雨入滲，在降雨小于20 mm時，滯留作用對10—20 cm土層更強，使0—20 cm土層深度出現(xiàn)水分虧缺，從而導致油蒿群落逐漸衰退。隨著降雨量的增加，有生物結皮和無生物結皮的油蒿群落土壤水分入滲系數(shù)呈增加趨勢。在62.75 mm的降雨量下二者土壤水分的平均入滲系數(shù)都達到了最大值[56]。在騰格里沙區(qū)對固定、半固定沙地土壤水分入滲進行研究得出，在入滲達到穩(wěn)定前，流動的沙丘入滲率大于半固定沙丘，但在穩(wěn)定后半固定沙丘反而大于流動沙丘，半固定沙丘的平均穩(wěn)滲率最大，為16.8 mm/min。不同類型沙丘的入滲值達到穩(wěn)定需要6.3～8.8 min。流動和半固定沙丘入滲量基本相同Koctakob和Horton公式比較其他的經(jīng)驗公式分別適合于研究沙丘水分和沙層水分的入滲[74]。

降雨量決定土壤水分入滲深度和入滲速率，研究得出在毛烏素沙地單次降雨量在10 mm以上時，水分才能在沙地近地表循環(huán)中被利用，降雨入滲主要在12 h內(nèi)完成。15 mm降雨量可以對地下水進行補充[75]。小于l0 mm的降水量由表層的土壤吸收，10～20 mm的降水量可以入滲到超過30 cm土層深度并對土壤有水分補給，但無法入滲到60 cm土層。30～40 mm降水條件下水分可以入滲到60 cm以下，并有水分補給，但是無法入滲到100 cm處[76]。在科爾沁沙地對土壤不同月份的濕潤度進行研究，沙地土層深度在40—300 cm處水濕潤度與前月的降水關系是顯著正相關關系，當月的降水量與0—300 cm土壤濕潤度呈顯著相關性[71,77]。降雨不僅影響著含水率的變化同時也對地下水有一定的補給，對科爾沁沙地的沙丘、草甸區(qū)土壤水分變化進行研究得出，降雨后20 min，沙丘表層的水分能達到最大值，然后開始下滲，入滲到20—60 cm。降雨越大，引起土壤水分變化的時間越長。即使年降雨量在450 mm的豐水年，降水對地下水的補給作用很小。對于草甸地即使發(fā)生小降雨事件也能入滲到較深土層，10 cm降雨事件，20 min內(nèi)20—40 cm土層水分能達到最大值，隨著時間增加表層土壤水分開始下降，濕潤鋒向下運移[78]。對科爾沁沙地流動沙丘水分入滲及再分配的過程進行研究得出，入滲的速率與降雨強度呈顯著正相關關系，且存在線性關系。濕潤鋒運移速率是隨著降雨量的增大而加快，最后達到一個穩(wěn)定值。降雨量在13.4 mm以上是才會對地下水進行補給[55]。對庫布其沙地油蒿群落的土壤水分補給進行研究得出，降雨在5 mm以下時僅能使空氣濕潤增加和降低土壤的溫度，可以緩解旱情。但不能有效對土壤進行補給[65]。對科爾沁沙地小葉錦雞兒灌叢的土壤水進行研究，42 mm的降雨可入滲到40 cm處，降雨結束下滲1 d后，20—40 cm土層含水量達到峰值[79]。

5 沙地土壤水分平衡研究

研究沙區(qū)土壤水分平衡是研究沙區(qū)水文過程的基礎，是研究大氣變化與植被生長耦合關系的關鍵。沙區(qū)土壤水分變化過程主要由土壤水分的輸入和輸出來決定，對于沙區(qū)而言主要由降雨入滲量和蒸散發(fā)(ET)量決定。通常來說土壤含水量和植物可利用水量是對沙區(qū)植被穩(wěn)定性評價的標準?，F(xiàn)階段研究者已經(jīng)對沙地不同群落土壤水分含量和蒸散量做了大量的研究，并且發(fā)展大量模型對土壤含水量與蒸散量進行估算。

在干旱沙漠區(qū)主要利用蒸滲儀(Lysimeter)對土壤實際蒸散量進行測定是最有效與最準確的方法[80-83]，同時通過蒸滲儀測得的數(shù)值可對其他測量方法與模型進行校準與驗證。通過蒸滲儀確定某一點的植被蒸散損失量，來研究土壤水分動態(tài)變化，從而擴展到模擬時空尺度上土壤水量的輸入與輸出變化，有助于在沙區(qū)建立水文過程與植被格局之間的量化關系[84-87]。目前學者多在不同時間和空間尺度下對植物的蒸騰進行長期的監(jiān)測，通過對樹干液流的日變化[88-90]，季節(jié)變化[89,91]及與環(huán)境因子的關系[92-96]估算單株植物的蒸騰耗水量，結合葉面積指數(shù)及蓋度估算種群的蒸騰耗水量，實現(xiàn)了從葉片到種群尺度的轉(zhuǎn)換。同時根據(jù)測量結果建立不同尺度下的數(shù)學方程，結合土壤蒸發(fā)進而從種群尺度擴展到群落水平。通過對比實測蒸散發(fā)，此方法簡單可行并可根據(jù)具體情況進行尺度轉(zhuǎn)換[87,97-100]。

在土壤水分平衡研究中，建立土壤水分動態(tài)模型時，通常把蒸散發(fā)作為確定變量，降雨作為隨機變量。根據(jù)其模型的適用范圍主要分為“木桶”模型、垂直分布模型和地下水補給模型[101]?！澳就啊蹦Ｐ椭饕菍υ谥脖簧L季根系分布區(qū)不同土壤層水分的日垂直變化，該模型適合于干旱、半干旱區(qū)域，因為忽略地形因素所以適用于地形平坦區(qū)域。垂直分布模型在“木桶”模型的基礎上考慮了土壤各層的根密度，在對氣候與土壤關系研究中，結合土壤水分剖面變化與根系垂直生物量分布的關系，并且忽略了地下水作用，也同樣適用于平坦的干旱、半干旱地區(qū)。地下水補給模型是把地下水與垂直分布模型結合在一起的綜合模型。該模型適合不同土壤質(zhì)地，研究氣候和植被對土壤濕度的影響。通過水分再分配與地下水補給中土壤水分變化，考慮植物根系對不同層土壤水的吸收過程中，地下水在毛管流作用下產(chǎn)生上升水。

6 問題與展望

對于沙地生態(tài)系統(tǒng)，土壤水分是重要的水資源之一，它將大氣、土壤和植被的水文過程及對植被格局變化的相互影響聯(lián)系起來。它反映入滲、蒸散發(fā)、補給等多方面的水文過程和植物對的水分利用過程。土壤水分變化與沙地生態(tài)系統(tǒng)之間相互作用，是學者關注的熱點話題。本文從沙地土壤水分入滲，沙地土壤水分時空變化及其水平衡分析了沙地生態(tài)系統(tǒng)土壤水分的變化特征，研究工作相對較全面，但是由于沙地生態(tài)系統(tǒng)包含內(nèi)容的多樣性與復雜性，在未來的研究應著重以下幾方面：

(1) 沙地水量平衡的問題一直是國內(nèi)外研究熱點之一，以往的研究是對沙地人工建植區(qū)單個物種角度去分析土壤水分與群落穩(wěn)定性的關系。沒有考慮對多物種共存情況下的適應關系和種內(nèi)、種間的競爭機制。因此通過控制試驗模擬野外極端天氣，結合種群內(nèi)不同物種自身生理生態(tài)變化，綜合分析土壤水分和天氣等外在因素對其生長的影響，尋找到植物萎蔫時、生長發(fā)育敏感期，生理生態(tài)過程的特殊期以及穩(wěn)定期對土壤水分變化的響應，確定有效土壤水分含量變化閾值，對探討極端天氣和干旱脅迫下群落穩(wěn)定性有重要的意義。

(2) 對沙地生態(tài)系統(tǒng)的研究對象不同，所以尺度不同。在沙地對群落土壤水分變化進行研究并且建立模型是點研究，通過遙感技術和水量模型綜合進行區(qū)域水量估測的研究是面研究。但不同的空間尺度研究結果差異很大，進而引起對水量估測的結果不夠準確，應加強對點和面上水量轉(zhuǎn)化關系研究。建立從點到面尺度轉(zhuǎn)化的模型關系，以實現(xiàn)在不同空間尺度轉(zhuǎn)化上對水分變化的預測，更好的定量大尺度下區(qū)域水分承載力。

(3) 沙區(qū)氣候變化引起的土地退化是全球正在面對的難題，了解氣候變化如何影響水資源可利用量和植被覆蓋度是解決這一問題的關鍵。氣候變化引起降水量的改變，進而對植物的生長發(fā)育過程產(chǎn)生影響，如水分循環(huán)、養(yǎng)分循環(huán)以及生產(chǎn)力等。建立沙地生態(tài)系統(tǒng)土壤水分—植被—氣象因子之間耦合模型對于掌握沙地生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)機制和變化規(guī)律具有重要的意義。通過研究植被和土壤水之間的關系，建立耦合方程，同時研究不同造林模式下降雨對植被土壤水分的補給規(guī)律及植物對降雨的響應機制，構建模型研究不同造林模式下植被生長變化對降水脈動的響應。通過點尺度下的時間尺度研究來推算空間尺度上植被生長與降水的關系，以期實現(xiàn)通過氣象因子來預測植被變化，為沙地生態(tài)系統(tǒng)的恢復與可持續(xù)經(jīng)營提供理論依據(jù)。

(4) 沙地有限的水資源高效利用需要合理的建植配置，也需要增強沙地肥力來促進植被恢復與提高生產(chǎn)力。未來需要從沙地改土培肥、草田輪作、營造薪炭林等方面來改良貧瘠沙地從而有效的提高沙地土壤肥力，通過合理的土地利用方式和生產(chǎn)經(jīng)營活動保護土壤的生態(tài)環(huán)境，探索沙地在有限的水資源環(huán)境下進行退化土地恢復與重建，恢復土地生產(chǎn)能力。