劉 源，段玉璽，王 博，李曉晶，王偉峰，劉宗奇

(內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

土壤水分不僅是區(qū)域水文循環(huán)和流域水量平衡的重要影響因子，也是區(qū)域植被生長發(fā)育和恢復的主要限制因子[1-3]。土壤水作為荒漠生態(tài)系統(tǒng)中水的主要存在形式，連接著大部分生態(tài)水文過程，促進土壤、植被和大氣中物質(zhì)的流動和循環(huán)，很大程度上影響著荒漠生態(tài)系統(tǒng)各組分的運作過程[4-5]。荒漠生態(tài)修復的核心要素是合理協(xié)調(diào)土壤水分與植被生長相互作用與制約關系[6]。土壤水分變化在大尺度上受到區(qū)域降水、蒸發(fā)和地形的影響，小尺度上也受到土壤理化特性、植被生長狀況及微地形等影響[7-9]。目前，在不同時空尺度上，大量學者對土壤水分變化進行相關研究，楊凱悅等[10]利用ECH20土壤含水量監(jiān)測系統(tǒng)對高寒沙區(qū)典型人工林不同林齡和深度進行相關分析，蘇瑩等[11]研究荒漠草原不同類型土壤水分時空動態(tài)變化。張帥普等[12]采用地統(tǒng)計法探索綠洲—荒漠過渡帶不同土地利用土壤水分時空變化特征，伍永秋等[13]引進時間和垂直變異系數(shù)反映毛烏素沙地土壤水分時空變化，羅維成等[14]揭示了科爾沁沙地樟子松人工林土壤水分動態(tài)變化規(guī)律。

庫布齊沙漠位于鄂爾多斯高原，北部緊鄰黃河，是我國第7大沙漠，東緣是荒漠向草地、農(nóng)田過渡的脆弱生態(tài)區(qū)，人為活動強烈[15]。目前對于該區(qū)域的研究大部分集中于不同防護林地土壤水分變化、不同土地利用如荒漠、農(nóng)田、草地和林地土壤水分對比及不同林分密度和蓋度對林地土壤水分的影響，對不同人工固沙林土壤水分在時間尺度上的連續(xù)監(jiān)測，以及土壤水分對坡位、土層等空間尺度的響應方面研究較少?；?017-2019年對環(huán)境因子和生長季土壤水分連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取不同人工固沙林(油蒿林、沙柳林和檸條林)為對象，分析植被類型和環(huán)境因子對土壤水分的影響，揭示年際間不同人工固沙林生長季土壤水分在水平和垂直方向上動態(tài)變化規(guī)律，為荒漠區(qū)植被建設和人工植被的生態(tài)管理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于庫布齊沙漠東段，屬內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準格爾旗，地理位置110°48′30″E，40°3′42″N，海拔1 100～1 300 m。該區(qū)域屬于溫帶大陸性氣候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱，晝夜溫差較大，季節(jié)變化顯著，年均氣溫6.1℃～7.2℃，生長季平均氣溫18.2℃，生長季最高溫38.9℃，生長季最低溫-9.4℃，年均降水量270.4 mm，主要集中于7、8月份，年均蒸發(fā)量2 560.6 mm，年均日照時數(shù)3 138.7 h，年均無霜期130～140 d。全年干旱多風，主導風向主要為西南風(32%)和西北風(34.9%)，年平均風速為3.3 m·s-1，最大風速可達24 m·s-1。研究區(qū)內(nèi)土壤以風沙土為主，主要植物種為沙柳(Salixcheilophila)、檸條(Caraganakorshinskii)、楊柴(Hedysarummongolicum)、油蒿(Artemisiaordosica)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)、豬毛菜(Salsolacollina)、沙米(Agriophyllumsquarrosum)等。

1.2 樣地選擇與數(shù)據(jù)采集

根據(jù)立地類型及灌木種類、林齡，選取固定沙地生長良好的油蒿林、沙柳林和檸條林3種人工固沙林為對象(表1)，分別在其迎風坡坡頂、坡中及坡底埋設3根長2 m的TDR測管，共27個監(jiān)測點。土壤體積含水量由土壤水分觀測系統(tǒng)(TRIME-PICO，Germany)進行監(jiān)測，監(jiān)測時間為2017年、2018年和2019年的5-10月。每月上旬和下旬各監(jiān)測1次，共監(jiān)測972次，如遇降雨則需等待2～3 d水分穩(wěn)定后進行監(jiān)測。土壤含水量監(jiān)測深度為0～180 cm，土層劃分為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140、140～160、160～180 cm共計9層。研究區(qū)內(nèi)氣象資料來源于小型自動氣象站(HOBO，USA)記錄。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic situations of the sample plots

1.3 數(shù)據(jù)處理

變異系數(shù)在統(tǒng)計學中是樣本標準差與平均值的比值，這里引入來表示土壤含水量的變異情況，變異系數(shù)<0.1為弱變異，變異系數(shù)0.1～0.3為中等變異，變異系數(shù)>0.3為強變異[16]。標準差及變異系數(shù)計算公式如下：

(1)

(2)

利用Excel 2013、SPSS 20.0及MATLAB7.0軟件進行數(shù)據(jù)處理、作圖及統(tǒng)計分析，其中選取最小顯著極差法(LSD)對不同試驗樣地、不同坡位及不同土層垂直深度間土壤含水量進行差異性顯著檢驗(P=0.05)，采用雙因素方差分析檢驗研究區(qū)環(huán)境因子對土壤含水量的響應程度。

2 結果與分析

2.1 研究區(qū)環(huán)境因子變化特征

由圖1和圖2可以看出，降雨量年際變化較大，2017年生長季共發(fā)生降雨35次，累積降雨量233.8 mm，<5 mm降雨事件18次，占生長季降雨量51.4%。2018年降雨最多，生長季共發(fā)生降雨42次，累積降雨量329.0 mm，<5 mm和>20 mm降雨事件分別為24次和6次，分別占生長季總降雨量的13.9%和48.9%，單次最大降雨量35.8 mm。2019年共發(fā)生29次降雨事件，生長季累積降雨量308.1 mm，單次最大降雨量達65.8 mm，占生長季降雨量的21.32%。3 a主要降雨集中于6-8月，與多年歷史平均降雨量(270.4 mm)相比，2017年為相對干旱年份，2018年和2019年為相對濕潤年份[16]?？諝鉁貪穸饶觌H變化較小，干旱年份(2017年)平均溫度最高，為18.8℃，2018年平均濕度最大，為57.6%，2019年平均溫度和平均濕度均相對較低，分別為18.0℃和55.4%，溫濕度的變化與當年降雨量有密切關系。

圖1 研究區(qū)生長季空氣溫濕度及降雨量變化Fig.1 Variations of air temperature,humidity and rainfall in the growing season in the study area

圖2 研究區(qū)生長季降雨量及降雨事件變化Fig.2 Variations of rainfall and rainfall events in the growing season in the study area

2.2 人工固沙林土壤水分時間變化特征

不同人工固沙林平均土壤含水量年際差異較大，受降雨量年際變化影響，3種人工固沙林在2017-2019年土壤含水量整體呈上升趨勢。由圖3可知，2017、2018年3種樣地土壤含水量在5-10月表現(xiàn)出基本一致的季節(jié)變化規(guī)律，均呈“W”型，峰值出現(xiàn)在5、7月和10月，最小值集中于6月和8月，2019年則相反，均呈“M”型變化，峰值出現(xiàn)在8月。降雨量是影響土壤含水量的主要因素，降雨再分配及降雨入滲的滯后作用會導致土壤水分在降雨后緩慢增加[17-19]。水平方向上，對研究區(qū)不同人工固沙林平均土壤含水量與季節(jié)變化進行了雙因素方差分析(表3)，季節(jié)變化和不同植被類型對土壤含水量的影響均達到極顯著水平(P<0.01)，二者交互作用的影響達到顯著水平(P<0.05)，且季節(jié)變化對土壤含水量的影響較大?？傮w來說，不同人工固沙林平均土壤含水量表現(xiàn)為春季緩慢下降，夏季降雨后快速補給，秋季穩(wěn)定積累。

圖3 3種人工固沙林平均土壤含水量變化Fig.3 Changes of average soil water content of three forests

2.3 人工固沙林土壤水分空間變化特征

因年降雨量的不同，3種人工固沙林年平均土壤含水量差異明顯(圖3)。相對干旱年份2017年土壤含水量表現(xiàn)為：沙柳林>油蒿林>檸條林，相對濕潤年份2018、2019年則表現(xiàn)為：油蒿林>沙柳林>檸條林，2019年油蒿林平均土壤含水量達到最大值，為10.7%。由于降水是天然荒漠地區(qū)土壤水分主要的補給來源，年降雨事件及降雨量的差異是影響土壤含水量的主要因素，但不同植被自身蒸騰及土壤蒸發(fā)散對土壤含水量的變化也起到關鍵作用[17,20]。

不同坡位的空間分布對土壤含水量的響應也存在明顯差異(表2)。2017-2019年，3種人工固沙林土壤含水量在不同坡位間差異顯著(P<0.05)。油蒿林和檸條林平均土壤含水量總體均表現(xiàn)為：迎風坡底部>中部>頂部，且油蒿林和檸條林迎風坡底部土壤含水量分別高于頂部13.6%、13.5%。而沙柳林則表現(xiàn)為：迎風坡底部>頂部>中部，迎風坡底部土壤含水量分別高于頂部和底部2.9%和8.1%?？傮w上，不同人工固沙林土壤含水量均在迎風坡底部最高，頂部相對較低。

表2 不同坡位土壤含水量變化Table 2 Variations of soil water content at different slope positions

不同人工固沙林土壤含水量垂直變化明顯(圖4)。2017年3種人工固沙林土壤含水量隨深度均表現(xiàn)為先減小后緩慢增大，2018、2019年沙柳林土壤含水量的變化趨勢與2017年保持一致，且3 a間土壤含水量上升拐點均出現(xiàn)在40～60 cm土層，而油蒿林和檸條林土壤含水量的垂直變化與2017年略有不同，表現(xiàn)為近地表層(0～20 cm)緩慢增大再減小后增大，這與不同年際降雨量大小、溫度及植物蒸騰作用有關。2017-2019年，3種人工固沙林土壤含水量最大值均出現(xiàn)在淺層0～40 cm，油蒿林和沙柳林最小值出現(xiàn)在100～120 cm，檸條林最小值出現(xiàn)在100～140 cm。整體上，淺層0～40 cm土壤含水量明顯高于其他各層，表現(xiàn)為：沙柳林>檸條林>油蒿林，在中層40～120 cm，其土壤含水量變化相對緩慢，深層120～180 cm，土壤含水量逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 不同土層深度土壤含水量變化Fig.4 The variation of soil water content with soil depths

垂直方向上，對不同人工固沙林平均土壤含水量與坡位和土層深度進行了雙因素方差分析(表3)。坡位變化對土壤含水量的影響達到顯著水平(P<0.05)，土層深度對土壤含水量的影響達到極顯著水平(P<0.01)，二者交互作用的影響達到顯著水平(P<0.05)，且土層深度對土壤含水量影響較大，說明區(qū)域環(huán)境因子和土層深度變化在時間和空間維度上對土壤含水量有較大的影響。

表3 土壤含水量對環(huán)境因子的響應Table 3 The response of desert soil water content to environment factors

2.4 土壤水分變異系數(shù)時空變化特征

將研究區(qū)不同人工固沙林每個坡位同一深度3 a監(jiān)測土壤含水量的平均值和標準差的比值作為時間變異系數(shù)，取相同坡位3個監(jiān)測點相同深度的時間變異系數(shù)平均值作為該深度的時間變異系數(shù)(表4)。3種人工固沙林時間變異系數(shù)隨深度變化總體呈下降趨勢，且不同人工固沙林的變異系數(shù)差異較小，變化范圍為0.2～0.4。油蒿林和檸條林時間變異系數(shù)分別在20～40 cm和0～20 cm土層達到峰值，兩者均為0.4，而沙柳林最大值出現(xiàn)在40～60 cm土層，為0.3?？傮w上，3種人工固沙林時間變異性在淺層(0～40 cm)相對較大，深層(100～180 cm)較為穩(wěn)定，這與不同人工林根系分布、生長耗水及土壤理化性質(zhì)、環(huán)境因子等有密切關系。

表4 土壤水分時間變異系數(shù)變化Table 4 Changes of the time variation coefficient (time cv) of soil moisture

將研究區(qū)不同人工固沙林每個坡位9個垂直深度土壤含水量平均值和標準差的比值作為垂直變異系數(shù)，取相同坡位3個監(jiān)測點垂直變異系數(shù)的平均值作為該次測量土壤含水量的垂直變異系數(shù)(圖5)。2017年不同人工固沙林土壤水分垂直變異系數(shù)表現(xiàn)為先減小再增加后趨于穩(wěn)定，而2018年和2019年則表現(xiàn)為先增大再減小后趨于穩(wěn)定。由圖3和圖4可知，不同人工固沙林土壤含水量與垂直變異系數(shù)呈負相關，土壤含水量增大，其垂直變異系數(shù)減小。

圖5 土壤水分垂直變異系數(shù)變化Fig.5 Changes of vertical variation coefficient (vertical cv) of soil moisture

3 結論與討論

庫布齊沙漠東段不同人工固沙林土壤含水量在不同年際、季節(jié)、坡位及不同深度都表現(xiàn)出十分明顯的時空差異。3種人工固沙林平均土壤含水量年際變化呈逐漸上升的趨勢，隨季節(jié)總體表現(xiàn)為春季緩慢下降，夏季降雨后的快速補給和秋季的穩(wěn)定積累，峰值均出現(xiàn)在7月或8月。不同樣地土壤含水量總體表現(xiàn)為：油蒿林(7.9%)>沙柳林(7.8%)>檸條林(6.9%)，且土壤含水量均為迎風坡底部最大；在垂直深度上，整體呈現(xiàn)先減小后增大的動態(tài)趨勢，最大值均出現(xiàn)在0～40 cm土層，最小值在中層和深層均有出現(xiàn)。3種人工固沙林土壤水分時間變異系數(shù)為0.2～0.4，淺層土壤時間變異性較大，深層較為穩(wěn)定；土壤水分垂直變異系數(shù)為0.1～0.6，土壤含水量增大，垂直變異系數(shù)減小。

荒漠土壤含水量既受到區(qū)域降雨、溫度、微地形、土壤質(zhì)地、地下水等環(huán)境因素的影響，也與地表植被的生長特性及覆蓋度等有密切關系[21-22]。研究發(fā)現(xiàn)，不同人工固沙林土壤含水量在相對濕潤年份(2018、2019年)明顯大于干旱年份(2017年)，由于降雨是荒漠區(qū)土壤水分主要的補給來源[18-19,23]，2018年生長季集中降雨對植物生長發(fā)育提供了充足的水分，土壤含水量增加，2019年降雨相對充沛，又受到2018年水分積累作用的影響，土壤含水量已有穩(wěn)定盈余，故而在3 a間逐漸上升。季節(jié)上整體表現(xiàn)為春季緩慢下降，夏季降雨后快速補給，秋季穩(wěn)定積累，這與王艷莉等[16]對沙坡頭2009-2013年人工固沙林土壤水分變化的研究結果一致。生長季初期降雨較少，此時植被生長緩慢，水分消耗較少，土壤含水量波動較緩；生長旺盛期植被的快速生長，加之溫度升高導致蒸騰速率加快，土壤水分消耗劇增，同期的集中降雨又可為土壤形成及時補給，支出與收入強烈變化，使得該時期土壤含水量波動幅度明顯；生長季末期植物長勢漸緩，對水分的需求減弱，而此時的降雨事件仍相對較多，因此土壤含水量在該時期能夠緩慢積累。

研究期間，在干濕不同年份3種人工固沙林土壤含水量表現(xiàn)出一定的差異性，相對干旱年份不同人工固沙林平均土壤含水量表現(xiàn)為：沙柳林>油蒿林>檸條林，濕潤年份則表現(xiàn)為：油蒿林>沙柳林>檸條林，這表明降雨量及植被差異性在一定程度上影響土壤含水量的大小，這與何志斌等[24]、潘顏霞等[25]、W.B.Yangetal[26]的研究結果一致。植被根系分布特征、蒸發(fā)散及生物土壤結皮的形成是導致土壤水分空間差異的主要原因[20,27]。研究區(qū)中油蒿、沙柳、檸條根系分別主要集中于20～40、0～60、40～100 cm土層[28-29]。檸條根系垂直分布范圍最廣，且自身蒸散量較大，冠層對降雨截留作用明顯，進入的土壤水分少而消耗大[30-31]，故而無論在干旱還是濕潤年份，檸條林土壤含水量均為最小。油蒿根系分布較淺，在干旱年份，較少的降雨量對深層土壤水分補給較弱，淺層土壤水的補給作用相對明顯，油蒿可以從淺層土壤中吸取水分供自身生長需要，而沙柳林因水分條件使其生長受到一定限制，蒸發(fā)散及自身土壤耗水量減小[32-33]，加之自身的林冠截留降雨，以及結皮對降雨的部分截留和利用，因此，在干旱年份沙柳林土壤含水量相對較大。在濕潤年份，由于降雨的充分補給，結皮對水分截留效應不會對土壤含水量產(chǎn)生顯著影響[27]。隨降雨量的增加，沙柳和油蒿均得以快速生長，整體上油蒿蒸發(fā)散和林冠截留較小，土壤得到的有效入滲增加，其土壤含水量較高[34]。所以，降水補給深度、植被根系需水層次和林冠截留降雨差異也是導致不同植被土壤水分時間和空間異質(zhì)性的重要因素。

微地形的變化對土壤含水量的響應也存在差異，伍永秋等[13]對半固定沙丘和固定沙丘不同坡位土壤含水量研究認為迎風坡底部均最大，中部、頂部較小。羅夢嬌等[35]研究沙棘林不同坡位土壤水分變化得到相同的結論。本研究發(fā)現(xiàn)不同人工固沙林土壤含水量在迎風坡底部最高，頂部和中部相對較低，這與前人的研究結果一致[18,23]。因為迎風坡底部相對于中部和頂部地勢平坦，當發(fā)生強度較大的降雨時，水分會沿坡面向坡底匯集，增加土壤入滲，加之底部的平均溫度和風速均低于頂部和中部，地表蒸發(fā)及植物蒸騰耗水量較小，所以土壤含水量相對較高。

總體來說，荒漠生態(tài)系統(tǒng)土壤水分與植被系統(tǒng)相互作用，相互影響，在地表植被改變土壤水分時空分布時，土壤水分也對植被生長和演替產(chǎn)生明顯的促進或制約[36-37]。所以，在荒漠化防治過程中，不僅要根據(jù)土壤水分特征選擇適宜的灌木樹種，滿足植物自身的生存需水，也要考慮灌木的種植密度，選取灌草配置最優(yōu)模式，實現(xiàn)對深層土壤水的保護和持續(xù)利用，確保人工固沙植被可持續(xù)發(fā)展及荒漠生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。