吉吉佳門，程一本，諶玲瓏，萬鵬翔，張祎暉，楊文斌，白旭贏，王 濤

（1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所，北京 100091；3.內(nèi)蒙古低覆蓋治沙科技開發(fā)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

中國在過去40 a 間開展了廣泛的植被綠化項(xiàng)目，森林的增加大幅度增強(qiáng)了生物地球化學(xué)和生物物理對(duì)氣候的影響。同時(shí)，人工建植促進(jìn)植被恢復(fù)可顯著影響土壤化學(xué)計(jì)量特征，也對(duì)土壤物理改良具有積極作用，有效改善土壤理化性狀［1-2］。在干旱半干旱地區(qū)的陸地表層系統(tǒng)中，地區(qū)水資源平衡受降雨、蒸散發(fā)、徑流和土壤儲(chǔ)水量控制，其中土壤水是水資源重要的存在形式，是植被恢復(fù)格局和過程的主要驅(qū)動(dòng)力與重要生態(tài)因子［3-4］。降雨轉(zhuǎn)換而來的土壤水分對(duì)半干旱地區(qū)植被恢復(fù)與重建影響顯著，雨養(yǎng)型植被是中國防沙治沙工程的主要植被類型，其高度依賴土壤水生存［5］。干旱少雨、水資源匱乏、植被退化以及沙漠化加劇等因素導(dǎo)致內(nèi)蒙古成為全國沙漠化土地最集中的省區(qū)之一，理解植被恢復(fù)后土壤水分的動(dòng)態(tài)變化對(duì)于后續(xù)植被恢復(fù)極其重要。

學(xué)者對(duì)旱區(qū)人工植被土壤水分的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征及其再分配開展了大量研究。Zhang 等［6］指出植被恢復(fù)后，干旱荒漠化地區(qū)土壤水分平衡發(fā)生了顯著變化。Cheng等［7-8］在干旱區(qū)開展了大量關(guān)于人工林和農(nóng)田的深層滲漏研究，發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)改變了沙區(qū)降雨水分在陸地表層的分布。李新樂等［9］指出降雨是白刺沙包土壤水分最重要的補(bǔ)給源，也是影響淺層土壤水分補(bǔ)給深度的決定因素。此外，還有許多對(duì)毛烏素沙地、黃土丘陵風(fēng)沙區(qū)、騰格里沙漠等旱區(qū)土壤水分及深層滲漏的研究［10-12］，這些研究對(duì)量化旱區(qū)水資源分配，進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)和退耕還林提供了科學(xué)依據(jù)。目前在旱區(qū)，降雨水分運(yùn)移研究中一般通過對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行具體的修正，形成特定條件下的水分運(yùn)動(dòng)模型［13］。其中，土壤水分模擬是目前Hydrus-1D 應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域，能較好的模擬干旱半干旱條件下的土壤水分平衡、深層滲漏［14-16］，研究下滲對(duì)降雨格局的響應(yīng)。

樟子松是一種適宜于中國北方的樹種，節(jié)水耐鹽。在科爾沁沙地，降雨是生態(tài)系統(tǒng)和土壤水分最為主要的水分補(bǔ)給來源，且該地區(qū)的降雨條件接近樟子松引種區(qū)的降雨下限，因此樟子松被大量用于營造防風(fēng)固沙林來治理生態(tài)環(huán)境問題［17］。在生態(tài)脆弱的奈曼沙區(qū)種植樟子松可以有效改善土壤結(jié)構(gòu)，適宜在該地固沙工作中推廣［18］。采用“兩行一帶”的種植模式低密度栽培樟子松進(jìn)行生態(tài)修復(fù)后，林地土壤水分動(dòng)態(tài)及其對(duì)降雨的響應(yīng)研究極其重要，這影響了同類型地區(qū)是否可以持續(xù)使用樟子松進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。但現(xiàn)階段對(duì)科爾沁地區(qū)“兩行一帶”式樟子松的土壤水分平衡研究進(jìn)展不大，因?yàn)樯顚油寥浪诌\(yùn)移過程不清晰導(dǎo)致沒有完整研究樣地尺度的地上地下部分水量平衡。因此，本研究以樟子松為對(duì)象，采用野外控制定位試驗(yàn)監(jiān)測(cè)法和數(shù)據(jù)模擬分析法相結(jié)合，分析土壤水分時(shí)空動(dòng)態(tài)及不同深度土壤水分對(duì)降雨的響應(yīng)，論證Hydrus-1D模型對(duì)研究區(qū)土壤水分運(yùn)動(dòng)模擬的可靠性，探究使用樟子松進(jìn)行植被恢復(fù)后地區(qū)土壤水分的動(dòng)態(tài)特征。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于通遼市奈曼旗(120°19′40″～121°35′40″E，42°14′40″～43°32′20″N)東北部的奈林林場(chǎng)（圖1），科爾沁沙地南緣。該地區(qū)海拔為240～700 m，地勢(shì)西南高，東北低［19］。屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫7.0 ℃，年平均降雨量354.3 mm，降雨主要分布在5—10月［20］。夏季高溫降雨較多，冬季低溫且降雪較少，晝夜溫差大，日照時(shí)間長(zhǎng)。該地區(qū)風(fēng)沙土廣布，土壤孔隙大，透水性較強(qiáng)。同時(shí)還分布有草甸土母質(zhì)，蓄水保肥能力強(qiáng)，通氣性較差，不耐旱澇［21］。地帶性植被為溫帶草原帶，次生性明顯。以半干旱地區(qū)的植物種為主，天然分布的植物種主要有山杏（Armeniaca sibirica）、白茅（Imperata cylindrica）、大針茅（Stipa grandis）、羊草（Leymus chinensis）、黃柳（Salix gordejevii）等［22］。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Location of the study area

1.2 野外調(diào)查與數(shù)據(jù)采集

1.2.1 試驗(yàn)地選擇 選擇奈林林場(chǎng)地勢(shì)平緩的樟子松（Pinus sylvestrisvar.mongolica，PSM）林地，以減少坡度對(duì)研究結(jié)果的影響。研究區(qū)樟子松已種植32 a，采用行帶式種植，兩行之間距離20 m。樣地為長(zhǎng)方形，大小300 m×500 m，內(nèi)有2500～3500 株樟子松，坡度緩，視為平地。土壤類型為沙土，無地表徑流，地下水平均埋深5.75 m。在行帶完整的樣地里，選取胸徑中位數(shù)植株作為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)樣地200 株樟子松進(jìn)行調(diào)查后各項(xiàng)平均指標(biāo)如表1所示。為了避免空間異質(zhì)性帶來的試驗(yàn)誤差，選取條件相似的3 塊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域作為重復(fù)試驗(yàn)樣地，避免因植物種群不同帶來的試驗(yàn)差異，3 塊樣地之間距離大約100 m。同時(shí)選取一個(gè)相鄰的裸沙地作為對(duì)照組，先將周圍樹根挖斷，再使用0.5 mm塑料膜隔離出一個(gè)周長(zhǎng)20 m，深4 m的獨(dú)立土壤空間，防止周邊根系侵入影響降雨水分入滲。試驗(yàn)場(chǎng)地設(shè)計(jì)如圖2所示。

表1 試驗(yàn)樣地樟子松各項(xiàng)指標(biāo)平均值Tab.1 Average value of each index of PSM in the study area

圖2 試驗(yàn)地設(shè)計(jì)Fig.2 Experimental site design

1.2.2 數(shù)據(jù)采集方法 研究基于原位試驗(yàn)，需要獲取降雨量、土壤含水量、深層滲漏量等信息，需要獲取的參數(shù)如下：

（1）降雨量：雨量計(jì)的安裝參照標(biāo)準(zhǔn)氣象站安裝規(guī)范，在樣地安裝兩套地表雨量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)降雨的雨量、次數(shù)、歷時(shí)等指標(biāo)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)每10 min記錄一次。采用美國AVALON 公司生產(chǎn)的AV-3665R型雨量傳感器，分辨率0.2 mm，精度±2%。

（2）土壤水分：采用土壤水分傳感器分層監(jiān)測(cè)樣地2 m內(nèi)土壤的水分變化。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)挖掘的土壤剖面，結(jié)合試驗(yàn)地草本根系特征和土壤分層情況，將樟子松林地土壤劃分為8 個(gè)土壤水分觀測(cè)層，并在0.4 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m、1.7 m 和2.0 m深度處安裝土壤水分傳感器，將裸沙地土壤劃分為6個(gè)土壤水分觀測(cè)層，并在0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m、1.5 m 和2.0 m 深度處安裝土壤水分傳感器，對(duì)比造林后降雨水分再分配過程受到植被影響而產(chǎn)生的差異。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)每10 min記錄一次。

（3）深層滲漏：使用深層滲漏儀對(duì)樣地2.0 m處深層滲漏進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，該儀器利用毛管水力提升高度設(shè)計(jì)一個(gè)平衡部，待測(cè)土層有水分流量進(jìn)入平衡部后在儀器下部產(chǎn)生滲漏，從而直接測(cè)量深層滲漏量。在安裝滲漏計(jì)量?jī)x時(shí)為避免擾動(dòng)觀測(cè)層土壤，采取側(cè)挖埋設(shè)，減少對(duì)原位土壤層的干擾，保持原位土壤的完整性。儀器計(jì)量分辨率為0.2 mm，精度±2%。

1.3 模型計(jì)算

1.3.1 水流方程 采用Hydrus-1D模型對(duì)樟子松林地土壤水分運(yùn)移過程進(jìn)行模擬，水分以垂向運(yùn)動(dòng)為主，采用一維垂直入滲Richards方程［23］描述：

式中：θ為土壤體積含水量（cm3·cm-3）；t為時(shí)間（d）；z為垂向坐標(biāo)（cm），假設(shè)地表為0，向下為正；K(h)為非飽和導(dǎo)水率（cm·d-1）；h為壓力水頭（cm）；S(h)為根系吸水速率（cm·d-1）。

土壤水分特征曲線和非飽和導(dǎo)水率用van Ge?nuchten-Mualem方程擬合：

式中：θr為土壤殘余含水量（cm3·cm-3）；θs為土壤飽和含水量（cm3·cm-3）；Ks為飽和導(dǎo)水率（cm·d-1）；Se為無量綱的相對(duì)含水量；α、m、n、l均為擬合參數(shù)。

1.3.2 根系吸水 Hydrus-1D 將根系吸水轉(zhuǎn)化為水分脅迫函數(shù)［24］，提供Feddes和S-shape兩種根系吸水模型。本研究采用Feddes 模型來模擬樟子松林地的根系吸水過程，具體表達(dá)式如下：

式中：S(h)為根系吸水速率（cm·d-1）；α(h)為水分脅迫反應(yīng)系數(shù)；Sp為潛在吸水速率（cm·d-1）；b(x)為根系吸水分配密度函數(shù)；Tp為潛在蒸騰速率（cm·d-1）。

1.3.3 時(shí)間和空間離散 由于降雨集中在7—9 月且此時(shí)段為樟子松生長(zhǎng)旺盛的季節(jié)，因此選擇2021年6 月1 日—10 月31 日為模擬時(shí)段，時(shí)間離散單元為d，共153 d。采用時(shí)間離散化的方式進(jìn)行模擬，設(shè)置起始時(shí)間為0，模擬結(jié)束時(shí)間為153 d，初始時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 d，最小時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 d，最大時(shí)間步長(zhǎng)為1 d。模擬土層厚度為2 m，以0.01 m 離散單元將其分割為200 個(gè)單元，垂直離散為201 個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)土壤性質(zhì)，將土壤剖面模型分為8層，設(shè)置8個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。

1.3.4 邊界及初始條件 模型上邊界條件設(shè)置為可積水的大氣邊界，下邊界設(shè)置為自由排水邊界。潛在日蒸騰量采用FAO 推薦的Penman-Monteith 公式計(jì)算，Hydrus-1D自動(dòng)處理蒸騰量每日變化。

1.3.5 模型參數(shù)率定與評(píng)價(jià)指標(biāo) 模型水力參數(shù)的準(zhǔn)確性對(duì)一維土壤水分運(yùn)移模型能否反映實(shí)際情況具有重要的決定性，因此需對(duì)參數(shù)θr、θs、α、n、Ks進(jìn)行不斷地優(yōu)化，使其更加符合實(shí)際情況。參數(shù)優(yōu)化時(shí)Hydrus-1D使用結(jié)合了牛頓法和最速下降法的LM法，進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)的最小化，并為優(yōu)化參數(shù)提供置信區(qū)間［25］。本研究通過不同降雨條件下的實(shí)測(cè)土壤體積含水量對(duì)參數(shù)進(jìn)行校正與優(yōu)化，獲取的參數(shù)見表2。

表2 研究區(qū)土壤水力學(xué)參數(shù)Tab.2 The soil hydraulic parameters in the study area

選取決定系數(shù)（R2）、相對(duì)誤差（RE）、均方根誤差（RMSE）和Nash 效率系數(shù)（NSE）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行誤差分析［26］，衡量模型的模擬效果與評(píng)價(jià)模型精度。其中，RE反映模型模擬過程中模擬值與實(shí)測(cè)值之間的相對(duì)誤差；RMSE 反映模擬值與實(shí)測(cè)值的絕對(duì)誤差的平均程度，值越接近于0，模擬精度越高；NSE 表示模擬效果隨時(shí)間變化的符合程度，值越接近1模擬效果越好［27］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)2021 年4—10 月降雨量約占全年降雨量的98%，故選擇2021年4月1日—10月31日作為監(jiān)測(cè)期分析降雨水分分配。將24 h降雨量分為4個(gè)等級(jí)：小雨（0.1～9.9 mm）、中雨（10.0～24.9 mm）、大雨（25.0～49.9 mm）、暴雨（50.0～99.9 mm）［28］。使用水量平衡方程及入滲系數(shù)公式，初步計(jì)算研究區(qū)樟子松林地、裸沙地降雨水分的分配，具體表達(dá)式如下：

式中：P為降雨量（mm）；D為深層滲漏量（mm）；ΔSWC 為土壤含水量的變化值（mm）；ET 為蒸散發(fā)量（mm）；R為入滲系數(shù)。

應(yīng)用Excel、Matlab R2021b 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，并采用IBM SPSS Statistics 26 軟件進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析，Origin 2022 軟件繪圖，Hydrus-1D建立模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 林地與裸沙地降雨水分分配

從表3可知，樟子松林地降雨量共572.6 mm，深層滲漏系數(shù)為0.70%。其中，0～2.0 m土壤中儲(chǔ)存降雨水分37.34 mm，有4.0 mm 的降雨水分滲漏到2.0 m 以下，其余531.26 mm 水分為植被截留、蒸散發(fā)量。雖然，裸沙地2 m 處深層滲漏量大于樟子松林地深層滲漏量，但林地植物根系利用水分且蒸散發(fā)量損失較大，監(jiān)測(cè)期裸沙地蓄水量明顯多于林地蓄水量。使用樟子松進(jìn)行生態(tài)修復(fù)后改變了降雨水分的分布，但樟子松林地仍可維持大氣降水、地表水、土壤水和地下水4水轉(zhuǎn)換，并保證降雨水分對(duì)深層滲漏或者地下水的補(bǔ)給。林內(nèi)土壤體積含水量隨著降雨量的增減而呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)（圖3），4月、5 月降雨量較少，各層土壤體積含水量緩慢增加；6—8月各層土壤體積含水量隨降雨量增加而迅速上升；9月降雨量減少，各層土壤體積含水量也隨之降低。其中，林地降雨主要集中在7—9月，但2 m以下深層滲漏主要發(fā)生在5—7 月，8 月深層滲漏量?jī)H有0.4 mm。

表3 試驗(yàn)樣地降雨水分分配對(duì)比Tab.3 Comparison of rainfall distribution in experimental plots

圖3 月尺度林內(nèi)降雨量、深層滲漏量和土壤含水量動(dòng)態(tài)Fig.3 Dynamics of rainfall,deep soil recharge and soil water content at monthly scale

2.2 林地降雨量與土壤體積含水量關(guān)系

2.2.1 林地土壤水分對(duì)降雨的動(dòng)態(tài)響應(yīng) 降雨后部分雨水下滲進(jìn)入土壤，使得土壤體積含水量隨之變化。從圖4 可以看出，在雨季不同深度土壤體積含水量波動(dòng)頻繁，每次波動(dòng)都與降雨事件相對(duì)應(yīng)。監(jiān)測(cè)期共記錄77次降雨事件，引起林地土壤體積含水量明顯波動(dòng)的共有15次，其中最小的為7月1日8.4 mm的降雨，最大的為8月20日81.6 mm的降雨。不同降雨事件引起的土壤水分波動(dòng)情況不同，例如7月9 日45.8 mm 的降雨引起了8 個(gè)觀測(cè)層含水量的變化，對(duì)0～2.0 m 土壤水分補(bǔ)給作用明顯；而9 月6日13.4 mm 的降雨只引起了0～0.6 m 土壤水分的波動(dòng)，對(duì)樟子松林地0.6 m以下土層無直接補(bǔ)給作用。觀測(cè)層中，林地1.2 m 處土壤體積含水量最高。7 月雨季之前，8 個(gè)觀測(cè)層含水量的值基本穩(wěn)定，4月林地1.2 m深度土壤體積含水量稍大于1.4 m處土壤體積含水量，在5—7月兩處土壤體積含水量近乎相等。7月雨季開始，1.2 m深度土壤體積含水量大于1.4 m 深度土壤體積含水量，這兩處土壤體積含水量在全年均高于其他觀測(cè)點(diǎn)的土壤含水量。

圖4 樟子松林地不同深度土壤水分對(duì)大氣降雨的響應(yīng)Fig.4 Response of soil moisture at different depths to rainfall in PSM forest land

由樟子松林地各觀測(cè)層土壤體積含水量變化可知（表4），8個(gè)觀測(cè)層土壤體積含水量最低值均出現(xiàn)在4月，最高值除1.7 m處在9月外，其余7層最高值均出現(xiàn)在8月。觀測(cè)剖面4—10月最大土壤體積含水量為15.51%，出現(xiàn)在8 月20 日1.2 m 土層處，4—10月最低土壤體積含水量為0.66%，出現(xiàn)在4月1 日1 m 土層處。0.4 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m、1.7 m和2.0 m處土壤體積含水量變化幅度分別為14.03%、13.00%、13.64%、10.13%、9.81%、9.38%、8.66%和7.68%。由此可知，隨著土壤深度的增加，水分波動(dòng)幅度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。0.4 m深度土壤體積含水量波動(dòng)最大，受降雨影響劇烈。

表4 樟子松林地不同深度土壤體積含水量變化峰值Tab.4 Peak value of soil water content at different depths of PSM forest land

2.2.2 相關(guān)分析 大氣降雨是樟子松林地土壤水分的主要來源，因此，降雨量與不同深度的土壤體積含水量之間可能存在相關(guān)關(guān)系?？紤]到降雨后滲漏的延遲性，分別統(tǒng)計(jì)觀測(cè)周期為日、周、半月、月的累計(jì)降雨量和各層土壤體積含水量，進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，結(jié)果如表5 所示。對(duì)于0.4 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m和1.2 m土層，其土壤體積含水量與累計(jì)降雨量之間在日、周、半月、月尺度上均存在相關(guān)關(guān)系（P<0.05），其中0.4 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m 和1.2 m 土層，其土壤體積含水量與累計(jì)降雨量在日、周、半月尺度上顯著相關(guān)（P<0.01）；周累計(jì)降雨量與1.4 m、1.7 m土層體積含水量在0.05水平上顯著相關(guān)，與其余土層體積含水量在0.01水平上顯著相關(guān)；半月累計(jì)降雨量和1.7 m 土層體積含水量在0.05 水平上顯著相關(guān)，和其余土層體積含水量在0.01水平上顯著相關(guān)。

表5 降雨量與不同深度土壤含水量的相關(guān)關(guān)系Tab.5 The correlativity between rainfall and soil water content at different depths

總體來說，降雨量和深度較淺的土壤體積含水量之間存在較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。周期為周、半月的累計(jì)降雨量與各層土壤體積含水量顯著相關(guān)（P<0.05），當(dāng)周期為月時(shí)其相關(guān)性整體減弱，而周期為日時(shí)其相關(guān)性只在較淺的土層中體現(xiàn)。

2.2.3 降雨量與下滲深度分析 由試驗(yàn)結(jié)果可知下滲深度到達(dá)0.4 m 處的最低降雨量為13.4 mm。選擇試驗(yàn)期間10 場(chǎng)典型獨(dú)立降雨與下滲深度進(jìn)行指數(shù)、S型方程、多項(xiàng)式擬合分析，最優(yōu)擬合結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，在一定范圍內(nèi)，下滲深度隨降雨量的增大而增加，當(dāng)降雨量大于50 mm時(shí)，能保證對(duì)2.0 m處土壤水分的補(bǔ)給。此外，兩次中雨雨量分別為16.8 mm（6 月19 日）和18.8 mm（8 月24 日），數(shù)值接近，但入滲深度分別為0.6 m 和1.0 m，相差0.4 m。由此可見，降雨量一定時(shí)，下滲深度仍可能存在較大差異，獨(dú)立降雨的入滲深度還受到降雨強(qiáng)度、土壤初始含水率等的影響。

圖5 降雨量與下滲深度擬合Fig.5 Fitting of rainfall and infiltration depth

2.3 林地土壤水分運(yùn)移模擬

在參數(shù)優(yōu)化后，根據(jù)所建模型模擬得到土壤水分運(yùn)移結(jié)果。由圖6 可知，Hydrus-1D 能夠模擬降雨入滲過程中土壤水分的動(dòng)態(tài)變化，研究區(qū)土壤水分運(yùn)移模擬值和實(shí)測(cè)值具有基本一致的走向變化?？傮w來看，沒有降雨發(fā)生的6月和10月擬合度較有降雨時(shí)的7—9月擬合度低，0.4 m、1.7 m深度模擬效果與其他層相比較差，其余深度土壤水分實(shí)測(cè)值均坐落于模擬曲線附近。在9 月21 日最后一場(chǎng)降雨后，0.4 m、1.4 m、2.0 m處模擬結(jié)果較好，其余深度土壤水分被低估。

圖6 不同深度土壤含水率觀測(cè)值與模擬值比較Fig.6 Comparison of measured and simulated values of soil water content at different soil depths

使用實(shí)測(cè)土壤體積含水量與模型模擬值驗(yàn)證Hydrus-1D 在研究區(qū)的適用性，檢驗(yàn)結(jié)果顯示模型整體決定系數(shù)為0.876，除了0.4 m 處R2為0.615 外，其余土層的R2在0.63～0.85 范圍內(nèi)，擬合結(jié)果較好。選擇具有代表性的4 個(gè)觀測(cè)層（0.4 m、0.8 m、1.2 m和2.0 m）進(jìn) 行 分 析，下 文 中NSE1.2、RE1.2、R21.2與RMSE1.2分別表示1.2 m 處觀測(cè)層的Nash 效率系數(shù)、相對(duì)誤差、決定系數(shù)、均方根誤差，其余3 個(gè)觀測(cè)層表示方法與此相同。各土層土壤水分模擬效果和評(píng)價(jià)結(jié)果如圖7 所示，4 個(gè)觀測(cè)層Nash 效率系數(shù)均大于0.5，在可接受范圍內(nèi)；相對(duì)誤差絕對(duì)值均小于5%，均方根誤差均小于0.008，模擬精度較高。其中，0.8 m、1.2 m、2.0 m 處觀測(cè)層土壤水分模擬效果較好。從各土層的模擬結(jié)果對(duì)比來看，Nash效率系數(shù)表現(xiàn)為：NSE2.0>NSE1.2>NSE0.8>NSE0.4，相對(duì)誤差的絕對(duì)值表現(xiàn)為：RE1.2R21.2>R20.8>R20.4。

圖7 不同深度土壤水分運(yùn)移模擬結(jié)果驗(yàn)證Fig.7 Verification of simulation results of soil water transport at different soil depths

綜上可知，經(jīng)參數(shù)優(yōu)化后的Hydrus-1D 模型對(duì)研究區(qū)土壤水分運(yùn)動(dòng)模擬有較好的適用性，并且深層土壤含水率的模擬精度高于淺層土壤。模型可通過預(yù)測(cè)的降雨來模擬土壤水分的變化，為科爾沁沙地植樹造林提供科學(xué)依據(jù)。

3 討論

3.1 林地與裸沙地深層滲漏分析

裸沙地2.0 m深度處滲漏量占降雨量的44.16%，樟子松林地滲漏量占降雨量的0.7%，使用樟子松進(jìn)行生態(tài)修復(fù)明顯改變了降雨水分的分布。深層土壤水的補(bǔ)給和更新通常比較緩慢，在干旱半干旱地區(qū)更為明顯，因此，植樹造林容易造成深層土壤干燥化現(xiàn)象，進(jìn)而阻止上層土壤與地下水之間的水交換，導(dǎo)致深層滲漏量減少［29］。林木會(huì)對(duì)降雨轉(zhuǎn)化而來的土壤水分進(jìn)行吸收利用，且樟子松作為深根性植被能夠吸收利用深層土壤水，進(jìn)一步導(dǎo)致降雨補(bǔ)給的深層滲漏量減少。在降雨過程中，降雨特性也會(huì)影響植物的穿透和截留，從而影響到降雨水分的分配。Zhang等［30］指出裸沙區(qū)與植被恢復(fù)區(qū)土壤蒸發(fā)量差異的主要原因是生物結(jié)皮的形成，植被恢復(fù)后，土壤蒸散發(fā)隨之改變，進(jìn)而影響水分深層滲漏量，導(dǎo)致植被修復(fù)后形成的樟子松林地與裸沙地的深層滲漏量產(chǎn)生較大的差異。我們的研究表明，種植樟子松后地區(qū)水分分布發(fā)生了改變，因?yàn)檎磷铀缮婧乃?，將降雨水分?jǐn)r截在淺層土壤中并消耗，減少了地區(qū)深層滲漏。雖然研究區(qū)造林后降雨水分分配發(fā)生了較大變化，但2021年樟子松林地仍可維持4 水轉(zhuǎn)換，并保證降雨水分對(duì)深層滲漏或者地下水的補(bǔ)給。

此外，監(jiān)測(cè)期降雨主要集中在7—9月，但2.0 m處深層滲漏主要發(fā)生在5—7 月，8 月深層滲漏量?jī)H有0.4 mm。發(fā)生此現(xiàn)象是因?yàn)?—9 月為樟子松生長(zhǎng)季，土壤中的雨水大多被吸收利用，且此時(shí)的蒸散發(fā)量較大，水分很少滲漏到2 m以下。而4—5月是凍融季節(jié)，地表土壤蒸發(fā)較少，并且深層土壤和淺層土壤存在溫度差，導(dǎo)致有水分滲漏，此時(shí)樟子松生長(zhǎng)活動(dòng)較弱，吸收利用的水分也比生長(zhǎng)季少。因此，在7—9 月樟子松生長(zhǎng)旺盛的季節(jié)，即使降雨量增加，水分大多被林木利用，深層滲漏量并未增加。

3.2 林地土壤水分對(duì)降雨的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

樟子松林地0.4 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m、1.7 m和2.0 m處土壤體積含水量變化幅度分別為14.03%、13.00%、13.64%、10.13%、9.81%、9.38%、8.66%和7.68%。0.4 m深度土壤體積含水量波動(dòng)最大，受降雨影響劇烈。隨著土壤深度的增加，水分波動(dòng)幅度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。降雨過程的持續(xù)使土壤含水率逐漸增加，水分主要在重力作用下運(yùn)動(dòng)，深層土壤受降雨影響小，水分逐漸達(dá)到穩(wěn)滲狀態(tài)，因此，深層土壤含水量隨時(shí)間的持續(xù)變化比淺層小。將24 h降雨量分等級(jí)可得，監(jiān)測(cè)期內(nèi)0.4 m深度以下土壤水分對(duì)小雨無響應(yīng)，土壤水分對(duì)中雨的響應(yīng)深度可達(dá)1.0 m，對(duì)大雨和暴雨的響應(yīng)深度涉及整個(gè)觀測(cè)剖面。

對(duì)降雨量和日、周、半月、月尺度各層土壤含水量進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)降雨量和深度較淺的土壤體積含水量之間存在較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。在毛烏素沙地，吳麗麗等［31］對(duì)不同時(shí)間尺度累積的降雨量和沙層滲漏水量進(jìn)行相關(guān)分析和線性擬合后發(fā)現(xiàn)，越往深處滲漏水量對(duì)降雨的響應(yīng)越弱。廉泓林等［32］以科爾沁沙地南緣的樟子松和檸條固沙人工林為研究對(duì)象，進(jìn)行土壤水分的時(shí)空變化特征研究，得到土壤含水量對(duì)大氣降雨的響應(yīng)隨著土層深度的增加而減弱的結(jié)果，與本文研究結(jié)果一致。此外，本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)下滲深度隨降雨量的增大而增加，當(dāng)降雨量大于50 mm 時(shí)，能保證對(duì)2.0 m 深度土壤水分的補(bǔ)給。

3.3 降水再分配過程模擬與分析

Hydrus-1D模型已成功應(yīng)用于不同類型林分的土壤水分動(dòng)態(tài)模擬中，包括楊樹林、熱帶季雨林、荒漠綠洲等。李琦等［33］利用Hydrus-1D模擬華北平原小麥種植區(qū)水鹽運(yùn)移，結(jié)果表明淺層土壤水分模擬誤差更大。李陽明［34］在南方紅壤坡地土壤水分運(yùn)移模擬中也得到模型精度在空間上呈現(xiàn)出深層高于表層的特點(diǎn)。在本研究8個(gè)觀測(cè)層中，模型對(duì)0.4 m 深度土壤水分波動(dòng)模擬較其他深度擬合情況差，且深層土壤含水率的模擬精度高于淺層土壤。淺層土壤水分運(yùn)移模擬因受外界因素的劇烈影響，導(dǎo)致比深層土壤產(chǎn)生更大的誤差。滲透、蒸騰和蒸發(fā)等水分通量的頻繁交換可能造成根系主要分布層產(chǎn)生較大的模擬誤差［35］。

本研究應(yīng)用參數(shù)優(yōu)化的Hydrus-1D模型模擬了樟子松林地在生長(zhǎng)季的水分動(dòng)態(tài)變化，結(jié)果表明，整體剖面R2為0.876，8 個(gè)觀測(cè)層R2值范圍處于0.61～0.85，相對(duì)誤差絕對(duì)值和均方根誤差值的范圍分別為0.0017～0.063 cm3·cm-3和0.0061～0.0096 cm3·cm-3。李冰冰等［36］指出多數(shù)基于Hydrus-1D 的模擬，決定系數(shù)在0.59～0.84，均方根誤差在0.015～0.063 cm3·cm-3。本研究中評(píng)價(jià)指標(biāo)均落于或部分優(yōu)于上述范圍，表明模型能較好地模擬研究區(qū)土壤水分的動(dòng)態(tài)變化特征，模型精度較高。此校正模型可用于預(yù)測(cè)降雨后土壤水分的分布與運(yùn)動(dòng)，為科爾沁沙地生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）種植樟子松進(jìn)行生態(tài)修復(fù)后改變了研究區(qū)降雨水分的分布，裸沙地2 m 深度處的滲漏量占降雨量的44.16%，樟子松林地深層滲漏量?jī)H占降雨量的0.7%。樟子松林地2 m 處深層滲漏主要發(fā)生在5—7月，但試驗(yàn)期間林地仍可維持4水轉(zhuǎn)換，并保證降雨水分對(duì)深層滲漏或者地下水的補(bǔ)給。

（2）監(jiān)測(cè)期內(nèi)，林地0.4 m深度以下土壤水分對(duì)小雨無響應(yīng)，土壤水分對(duì)中雨的響應(yīng)深度可達(dá)1 m，對(duì)大雨和暴雨的響應(yīng)深度涉及整個(gè)觀測(cè)剖面，1.2 m深度土壤體積含水量在全年均高于其他深度的土壤含水量。隨著土壤深度的增加，林地土壤水分波動(dòng)幅度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，0.4 m深度土壤水分受降雨影響強(qiáng)烈。

（3）林地降雨量和深度較淺的土壤體積含水量之間存在較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系；周期為周、半月的累計(jì)降雨量與各層土壤體積含水量顯著相關(guān)，當(dāng)周期為月時(shí)其相關(guān)性整體減弱，而周期為日時(shí)其相關(guān)性只在較淺的沙層中體現(xiàn)。

（4）Hydrus-1D 模型可準(zhǔn)確地模擬研究區(qū)土壤水分運(yùn)動(dòng)，且深層模擬精度高于淺層。