廉泓林,李 衛(wèi),馮金超,楊文斌,熊 偉,*,于海蛟,敖鐵勝,張明亮,劉雅莉

1 內蒙古農(nóng)業(yè)大學沙漠治理學院,呼和浩特 010019

2 中國林業(yè)科學研究院荒漠化研究所,北京 100091

3 赤峰市林業(yè)科學研究院,赤峰 024050

4 敖漢旗林業(yè)和草原局,赤峰 024300

土壤水分是陸地生態(tài)系統(tǒng)中水分循環(huán)和水資源形成與轉化等過程的關鍵環(huán)節(jié),也是影響干旱缺水地區(qū)眾多植物存活與分布的限制因子[1- 3]。土壤水分受到氣候、土壤、立地條件和植被等諸多自然要素的綜合影響,在時間和空間上表現(xiàn)出強烈的異質性[4- 5]。由于對土壤水分的時空動態(tài)特征研究有助于建立水文過程與生態(tài)格局之間的定量關系,因而它已經(jīng)成為生態(tài)學、水文學等諸多領域關注的熱點問題[6]。

近幾十年內,對干旱區(qū)人工植被土壤水分的時空動態(tài)特征及其環(huán)境影響方面開展了大量研究,并取得了階段性成果。一方面,認為降雨量及其分布格局對不同土地利用類型下土壤水分的動態(tài)變化有著直接而深刻的影響。李玉山[7]基于降雨發(fā)生規(guī)律將關西旱塬地區(qū)土壤水分的變化劃分為冬春水分擴散蒸發(fā)階段、春夏土壤上層干濕交替階段、雨季水分恢復階段和晚秋初冬水分毛管上升蒸發(fā)階段等四個時期；楊文治[8]認為降水量的年際和季節(jié)變化影響著黃土高原土壤水分的季節(jié)性動態(tài)；胡良軍等[9]認為,土壤水分的年際變化主要取決于當年降雨量,且與其季節(jié)變化基本一致。另一方面,在氣候等諸要素相對一致的情景下,植被類型及其結構則被認為是影響土壤水分時空變化的關鍵因素[10]。研究表明：樹冠截留、樹木蒸騰和地表蒸發(fā)等過程都會使土壤水分的分配格局發(fā)生改變[11]；同時,樹冠的遮陰作用還會影響土壤水熱條件和凍融過程等[12- 13]。于曉娜等[14]研究發(fā)現(xiàn)：在相同降雨條件下,沙地土壤水分的響應深度因植被類型而異；張北贏等[15]認為土壤水分的剖面形態(tài)與分層特征受不同植被水分利用的影響顯著；張孝中等[16]則通過比較分析渭北旱塬裸地和農(nóng)田土壤剖面水分變化特征,將其劃分為活躍層、次活躍層和相對穩(wěn)定層。另外,由于人工植被具有短輪伐期和生長快的特性而比天然植被具有更高的蒸散量[17],這可能會導致土壤水分的長期虧缺或者形成土壤干層,且其干燥強度因植物種類和生長年限而定[18- 19]。如,Nan等[20]分析了黃土高原不同林齡刺槐人工林的土壤水分狀況,發(fā)現(xiàn)林分對土壤水分的消耗深度隨著年齡的增長而加深。綜上所述,盡管目前國內外學者對區(qū)域(如黃土高原)的土壤水分研究已經(jīng)形成了比較完整的體系,但多僅局限于土壤水分環(huán)境的本身問題或者單一因素的影響,而缺乏對土壤水分與生態(tài)系統(tǒng)結構及其多因素(水、熱等)之間的系統(tǒng)研究[9,21]。同時,大多數(shù)研究的觀測期僅限于生長季,而對于非生長季中水、熱等環(huán)境因素的影響(如凍融作用)也認識不足。

科爾沁沙地是我國的四大沙地之一,過去人工植被的建設使該區(qū)生態(tài)環(huán)境得到了顯著改善,但成片固沙林在生長多年后由于土壤水分虧缺開始出現(xiàn)“小老頭樹”甚至導致衰敗死亡。令人擔憂的是,相較于黃土區(qū),該區(qū)的砂質土壤持水性低,入滲快而儲水能力低,所以對樹木生理需水的調節(jié)作用相對較差,因而對于固沙林土壤水分時空變化特征的研究則顯得尤為重要。樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)和檸條(Caraganakorshinskii)是該區(qū)的兩個主要造林樹種,兩者存在著明顯的形態(tài)差異,可為不同植被覆蓋下土壤水分及其環(huán)境影響研究提供良好的條件。盡管對這兩種林分不同密度、林齡和地形條件下的土壤水分變化已有報道[22- 26],但還缺乏對不同植被組成條件下土壤水分時空動態(tài)及其環(huán)境因素影響的綜合分析。因此,本文選擇科爾沁沙地南緣的樟子松固沙林和檸條固沙林為對象,通過定位觀測與統(tǒng)計分析等方法,來系統(tǒng)認識兩種林地土壤水分時空特征及其對降雨、凍融和潛在蒸散(ET0)的響應,為該沙區(qū)人工植被的建設與生態(tài)恢復提供理論依據(jù)和技術支撐。

1 研究區(qū)概況

本試驗位于科爾沁沙地南緣的內蒙古自治區(qū)赤峰市敖漢旗東北部治沙林場東勝作業(yè)區(qū)(42°47′N,120°17′E),見圖1。試驗區(qū)屬溫帶半干旱季風氣候區(qū),海拔300—1250 m,年均氣溫5—7℃,年降水量310—460 mm,年日照時數(shù)2850—2950 h,年均風速3.8 m/s,大風集中在3—5月。土壤以風沙土為主,肥力較為瘠薄,地下水達15 m以下。天然植被多為稀疏、低矮的小灌木和雜草,以黃柳(Salixgordejevii)、沙蒿(Artemisiaordosica)和檸條等為主,人工植被則以樟子松林、檸條林和楊柴林(Hedysarumlaeve)為主。

圖1 研究區(qū)地理位置圖 Fig.1 Location of the study site at the south edge of Horqin Sandy Land

2 試驗內容

2.1 試驗設計與測定

在敖漢旗治沙林場25年生的樟子松人工林和19年生的檸條人工林內各建立1個樣地,大小為20 m × 20 m；前者屬于固定沙地,后者為半固定沙地。樟子松人工林：種植密度225株/hm2,郁閉度0.6,樹高(10.07±1.02)m,冠幅(3.27±1.61)m,胸徑(19.14±5.02)cm,枝下高(3.29±1.45)m。檸條人工林：種植密度425株/hm2,蓋度22.55%,株高(1.57±0.37)m,冠幅(2.61±0.54)m,地徑(1.63±0.43)cm,分枝數(shù)(18±8)枝。

在兩個樣地各選擇1處土壤溫度和濕度觀測點,在距地表10、20、60、120、160 cm和200 cm深處用ECH2O- 5探頭(Decagon Devices Inc.,USA)測定土壤各層的體積含水量；在距地表10、20、60 cm和200 cm深處用RR10T探頭(北京雨根科技有限公司,中國)測定土壤各層的溫度；在地面1.0 m高處用AV- 3665R傳感器(Avalon Inc.,USA)測定降雨量；用CR200X數(shù)據(jù)采集器(Campbell Inc.,USA)記錄以上數(shù)據(jù)。在樟子松人工林林緣空曠處安裝氣象監(jiān)測系統(tǒng)(北京雨根科技有限公司,中國)同步測定微氣象因子,包括AV- 10T空氣溫濕度傳感器(12層輻射罩)、AV- 20P輻射傳感器、AV- 30WS風速傳感器、AV- 30WD風向傳感器,用數(shù)據(jù)采集器RR- 1016(北京雨根科技有限公司,中國)收集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)每10 min記錄1次。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

用Wu等[27]提出的電壓值法對測定土壤體積含水量數(shù)據(jù)進行矯正,模型如下。

y=0.1516-1.501×10-3x+3.218×10-6x2

(1)

式中,x為電壓,單位(mv),y為矯正后體積含水量,單位(%)。

ET0采用Penman-Monteith模型公式[28]進行計算,具體為：

(2)

式中,ET0為潛在蒸散量(mm/d)；△為飽和水汽壓-溫度曲線斜率(kPa/℃)；Rn為參考作物表面凈輻射(MJ m-2d-1)；G為土壤熱通量密度(MJ m-2d-1)；γ為干濕表常數(shù)(kPa/℃)；T為平均氣溫(℃)；U2為2m高處風速(m/s)；es為飽和水汽壓(kpa)；ea為實際水汽壓(kpa)。

原始數(shù)據(jù)應用EXCEL軟件進行整理與分析；土壤水分對降雨、潛在蒸散和凍融的響應分析應用SPSS 25.0軟件進行分析；圖2—8應用Origin 2019軟件進行繪制。

3 結果與分析

3.1 氣象要素變化特征

3.1.1大氣降雨

研究期(2018年11月14日至2019年11月14日)內共發(fā)生了58次降雨,總降雨量236.6 mm；降雨集中在7—9月,累計133.6 mm,占總降雨量56.47%。圖2表明：≤5 mm降雨39次,累計47.2 mm,占總降雨量19.95%；5—10 mm降雨11次,累計72 mm,占總降雨量30.43%；10—20 mm降雨7次,累計97.2 mm,占總降雨量41.08%；≥20 mm降雨1次,累計20.2 mm,占總降雨量8.54%。

圖2 研究期內降雨頻次及雨量大小分布 Fig.2 Frequency distributions of gross rainfall percentages and amounts for the 58 rainfall events during the study period

3.1.2 潛在蒸散(ET0)

研究期內ET0的季節(jié)變化趨勢總體呈現(xiàn)出單峰值曲線,在5月24日達到峰值(8.2 mm/d)；冬季(2018年12月—2019年2月)、春季(3—5月)、夏季(6—8月)和秋季(9—11月)的平均ET0分別為0.49、3.47、5.28、1.72 mm/d,見圖3?？傮w來看,生長季(5—10月)ET0維持在較高的水平,累計789.2 mm,占總ET0的78.34%。

圖3 試驗區(qū)林地日潛在蒸散量的季節(jié)變化 Fig.3 Seasonal changes in potential evapotranspiration (ET0) during the study period

3.1.3土壤溫度

樟子松人工林和檸條人工林地土壤剖面各層溫度均呈現(xiàn)出與ET0相似的季節(jié)變化特征,分別于冬季和夏季達到最低值和最高值,見圖4。表1表明：林地各層土壤溫度與大氣溫度均呈現(xiàn)出極顯著的正相關關系(P<0.01)。檸條人工林地土壤剖面各層相關系數(shù)略高于同層的樟子松人工林地,這可能與樟子松人工林的樹冠遮陰作用有關。

圖4 樟子松和檸條人工林地各層土壤溫度的季節(jié)變化Fig.4 Seasonal changes in soil temperature at the different layers in P. sylvestris var. mongolica and C. korshinskii stands

表1 樟子松和檸條人工林地各層土壤溫度與大氣溫度的相關關系Table 1 Correlation between air temperature and soil temperature at the different layers in P. sylvestris var. mongolica and C. korshinskii stands

3.2 土壤含水量的時空變化特征

由圖5知,在研究期內樟子松和檸條人工林地土壤水分的季節(jié)變化可劃分為凍結期(2018年11月下旬—2019年2月)、補充期(3—4月)、消耗期(5—9月)和穩(wěn)定期(10—11月上旬)。在凍結期內凍結的土壤剖面含水量變化穩(wěn)定,基本在5%以下；在補充期內,隨著氣溫回升、解凍,各層土壤含水量范圍分別達到4.6%—12.3%(樟子松林)和5.3%—12.0%(檸條林)；在消耗期內,由于樹木旺盛生長和蒸騰以及降雨的補給等綜合作用導致了土壤水分的劇烈波動,其值在2.6%—12.2%(樟子松林)和1.0%—13.9%(檸條林)之間；穩(wěn)定期內樹木逐漸進入休眠期,加之蒸發(fā)較低而使土壤含水量穩(wěn)定,樟子松林維持在2.5%—7.4%,檸條林在1.8%—7.0%之間。圖6表明：在凍結期、補充期樟子松林地平均含水量要顯著高于檸條林地(P<0.05),消耗期內差異不顯著(P>0.05),而穩(wěn)定期內檸條林顯著高于樟子松林(P<0.05)。

圖5 樟子松和檸條人工林地土壤水分的時空變化特征Fig.5 Characteristics of spatiotemporal variation of soil moisture in P. sylvestris var. mongolica and C. korshinskii stands

圖6 不同時期樟子松和檸條人工林地土壤體積含水量的對比分析Fig.6 Comparison of soil volumetric water content during the different phases between P. sylvestris var. mongolica stand and C. korshinskii stand不同小寫字母表示兩處林地的土壤體積含水量存在顯著差異(P<0.05)

為量化認識兩種林地土壤剖面水分的垂直動態(tài)分布,分析了生長季內土壤各層含水量變化的特征(表2),并結合圖5,可將其大致分為3個層次,即：1)易變層(0—20 cm),土壤水分等值線最為密集,表明變化十分強烈,其含水量分別為2.9%—11.5%(樟子松林)和3.5%—14.0%(檸條林)。2)活躍層(樟子松林20—100 cm和160—200 cm,檸條林20—180 cm),土壤水分等值線相對密集,受水分入滲和根系吸水等過程影響而使含水量變化活躍,其中,樟子松林又可分為活躍層(20—100 cm,含水量2.6%—9.3%)及次活躍層(160—200 cm,含水量6.4%—12.2%)；檸條林含水量范圍為1.0%—10.5%。3)穩(wěn)定層(樟子松100—160 cm,檸條180—200 cm),樟子松和檸條林各層土壤含水量分別為3.1%—4.3%和5.5%—6.8%。

表2 樟子松和檸條人工林地土壤剖面各層含水量的變化特征Table 2 Characteristics of seasonal changes in soil moisture at the different layers across 0—200 cm profile in P. sylvestris var. mongolica and C. korshinskii stands

3.3 土壤水分對環(huán)境因素的響應

3.3.1大氣降雨的響應

在生長季內,兩種林地對大氣降雨的響應均隨土層深度加深而減弱,見圖7。受降雨影響,林地10—60 cm層土壤水分波動較為頻繁,而120—200 cm層較為穩(wěn)定且存在滯后響應。為進一步量化兩者之間的關系,選擇林地同期內累計降雨量與土壤水分的變化量進行相關性分析,結果表明：生長季內,降雨事件對樟子松林0—20 cm層土壤含水量影響極顯著(P<0.01)；對檸條林0—10 cm層土壤含水量影響極顯著(P<0.01),20—60 cm層影響顯著(P<0.05)；而對其余各層均無顯著影響(P>0.05),見表3。

表3 樟子松和檸條人工林地土壤含水量變化與降雨量的相關分析Table 3 Correlation between soil moisture and rainfall in P. sylvestris var. mongolica and C. korshinskii stands

圖7 樟子松和檸條人工林地各層土壤含水量對大氣降雨的響應Fig.7 Response of soil moisture at the different layers to precipitation in P. sylvestris var. mongolica and C. korshinskii stands

3.3.2凍融作用的響應

研究期內,樟子松人工林和檸條人工林土壤含水量均表現(xiàn)出“凍結迅速減少、融化迅速增加”的凍融循環(huán)模式,但兩種林地在凍融周期及其影響深度有一定差異。冬季當土壤剖面各層溫度降至0℃后,土壤水分開始自表層向下“單向凍結”；樟子松林和檸條林最大凍結深度分別為170 cm和190 cm左右(圖5)。進入春季隨太陽輻射增強和土溫上升,地表的熱量收入大于支出,同時土壤深層的熱量也開始向上傳導,故而表現(xiàn)出由上層、下層到中層“雙向融化”的土壤解凍特征,這可從地表和深層土壤含水量的增加要早于中間層(120 cm)得到印證。樟子松林10 cm層土壤解凍時間比檸條林晚11 d,可能與前者樹冠遮陰引起的地表溫度差異有關。圖8分析了凍融循環(huán)期內0℃以下土壤溫度與含水量之間的關系,結果表明：在凍融期內,土壤含水量隨著土壤溫度增加而呈極顯著的指數(shù)增加(P<0.01)。

圖8 凍融循環(huán)期內樟子松和檸條人工林地各層土壤含水量與土壤溫度的相關關系Fig.8 Relationships between soil temperature and soil moisture at different layers in the P. sylvestris var. mongolica and C. korshinskii stands during soil freeze-thaw period

3.3.3ET0的響應

ET0表示某一地區(qū)水分供應不受限制時下墊面可能達到的最大蒸發(fā)量,它可通過控制樹木蒸騰、土壤蒸發(fā)和凍融等作用而間接影響土壤含水量。用生長季內兩場降雨間隔期內的土壤含水量變化量與同期ET0進行相關分析,結果表明：ET0與土壤含水量呈負相關關系,與檸條林0—60 cm層和樟子松林0—20 cm、200 cm層的土壤含水量呈極顯著相關(P<0.01),與樟子松林60 cm和160 cm層的土壤含水量呈顯著相關關系(P<0.05),見表4。

表4 樟子松和檸條人工林地土壤含水量變化與ET0的相關分析Table 4 Correlation between soil moisture and potential evapotranspiration in P. sylvestris var. mongolica and C. korshinskii stands

4 討論

4.1 土壤水分的時空動態(tài)特征

本研究將樟子松和檸條人工林的土壤水分季節(jié)變化劃為凍結期、補充期、消耗期和穩(wěn)定期,雖然劃分的階段略有差異,但總體規(guī)律與其它文獻相似[29- 30]。除消耗期外,兩種林地土壤含水量的動態(tài)變化呈現(xiàn)出顯著性差異,說明由于樹種組成與密度等結構的不同導致了兩種林地土壤水分時空動態(tài)的差異。與樟子松相比較,檸條的樹冠較小、冠層郁閉程度較低,因而凍結期內,受氣溫影響其林地的土壤溫度更低而導致含水量顯著偏低；在消耗期內,雖然檸條單株的蒸騰耗水量要低于樟子松,但較大的密度(425株/hm2)所影響的林分總蒸騰量會使兩種林地土壤水分的差異不顯著；進入穩(wěn)定期后,樹木生長對土壤水分的需求逐漸降低,且由于檸條林地表干沙層(約5 cm厚)的存在減緩了土壤蒸發(fā)速率[31],從而導致了其土壤水分含量大于樟子松林。

在研究期內,樟子松固沙林和檸條固沙林土壤剖面各層土壤水分的動態(tài)變化存在著明顯差異,尤其是其活躍層分布的差別較為明顯。對于樟子松人工林而言,主要存在兩個土壤水分變化的活躍層：20—100 cm層和160—200 cm層。一方面,樟子松的主要根系分布在100 cm土層以內[32],生長季內由于降雨入滲、土壤蒸發(fā)、樹木根系吸水與樹木蒸騰等綜合作用會使該層土壤含水量劇烈變化；另一方面,本研究發(fā)現(xiàn)200 cm土層含水量的變化仍較為活躍并總體呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢,其值從期初12.2%下降至期末6.4%。這是由于觀測期總降雨量僅為236.6 mm,遠小于年均降雨量310 mm,這使得其主要根系分布層的土壤水分遠遠無法滿足樹木蒸騰耗水量需求,從而來消耗深層土壤的水分所致[24],這與在章古臺地區(qū)樟子松林地的研究結果是基本一致的[33]。相對而言,檸條人工林的活躍層集中在20—180 cm范圍之內,而研究期內200 cm土層含水量總體保持在穩(wěn)定水平,這說明檸條雖然是深根性灌木樹種,與樟子松相比較而言,其對土壤水分的消耗量相對較低,但同時也說明淺層和深層土壤水分都是該樹種重要的水分來源[34]。

4.2 土壤水分對環(huán)境因子的響應

本研究中,樟子松人工林和檸條人工林地土壤水分對天然降雨的響應均隨土層加深而減弱,這與前人的研究是一致的[35]。樟子松人工林10 cm土層含水量對降雨的響應要比檸條人工林更為敏感,這可能是由于后者樣地中存在干沙層會阻擋一部分雨水入滲的緣故[36]。在20—60 cm土層,樟子松人工林土壤含水量對于天然降雨的響應要弱于檸條林,可能與前者具有較大樹冠和郁閉度從而具有較高的冠層截留量有關。

本研究發(fā)現(xiàn)樟子松人工林和檸條人工林地土壤凍融現(xiàn)象均表現(xiàn)為“單向凍結”和“雙向融化”的特征,這與陳仁升等的研究結果是基本一致的[37]。本研究表明：與檸條灌木林相比較,樟子松人工林土壤最大凍結深度為170 cm(比檸條林淺20 cm)且10 cm層土壤解凍時間較檸條林延長11 d,這可能與樟子松林地內有一定厚度枯枝落葉層的保溫以及高大樹冠的遮陰作用有關。據(jù)Chen等報道,與農(nóng)田相比較,人工林由于高大樹冠的遮陰作用會使凍結土壤消融出現(xiàn)滯后,同時會避免凍土層在凍融周期內出現(xiàn)大的波動[13],這與本研究結論是相似的。

本研究中ET0的最高值出現(xiàn)在5、6月份,可能與7、8月份降雨頻繁而太陽輻射較低而有關,這與李霞等人研究結果相一致[38]。ET0與樟子松林和檸條林淺層的土壤水分含量相關性密切,說明了由于ET0增加所導致的樹木蒸騰和土壤蒸發(fā)的雙重作用而顯著影響了土壤的含水量。然而,ET0對樟子松人工林地160—200 cm土層含水量也存在著極為密切的相關性(P<0.01),這是由于在欠水年100 cm以上土壤水分無法滿足樟子松林分較強的蒸騰量,從而導致可能消耗深層(200 cm)土壤水分的情況[24,33],但這還需更為深入地研究。

5 結論

(1)樟子松和檸條人工林地土壤水分的季節(jié)變化可劃分為凍結期(2018年11月下旬—2019年2月)、補充期(3—4月)、消耗期(5—9月)和穩(wěn)定期(10—11月上旬)；其剖面在垂直方向上可分為：易變層(0—20 cm層)、活躍層(樟子松20—100 cm層和160—200 cm層,檸條20—180 cm層)和穩(wěn)定層(樟子松100—160 cm層,檸條180—200 cm層)。

(2)兩種林地對大氣降雨的響應均呈現(xiàn)出隨土層深度加深而減弱的趨勢,但響應深度有所不同。降雨對樟子松林0—20 cm層的影響極顯著(P<0.01)；對檸條林0—10 cm層影響極顯著(P<0.01),20—60 cm層顯著(P<0.05)；其余各層均不顯著。

(3)兩種林地土壤表現(xiàn)為“單向凍結”和“雙向融化”的特點,但兩者凍融周期和對土壤影響深度有一定差異。樟子松林和檸條林最大凍結深度分別為170 cm和190 cm左右；樟子松林10 cm層土壤解凍時間較檸條林延長11 d。在凍融期內,土壤溫度是影響土壤含水量的關鍵因素,兩者呈極顯著的指數(shù)增加關系。

(4)ET0對兩種林地的土壤含水量呈負相關關系,其中與檸條林0—60 cm和樟子松林0—20 cm、200 cm層呈極顯著相關(P<0.01),與樟子松林60 cm和160 cm層呈顯著相關關系(P<0.05)。