成 龍， 吳 波， 賈曉紅， 殷 婕， 費兵強，張令光， 岳艷鵬， 孫迎濤， 李 佳

（1.中國林業(yè)科學(xué)研究院生態(tài)保護與修復(fù)研究所，北京 100091；2.荒漠生態(tài)系統(tǒng)與全球變化國家林業(yè)和草原局重點實驗室，北京 100091）

土壤水分作為陸地生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)過程的重要組成部分，是陸地表面和大氣相互作用的重要介質(zhì)，受到氣候、土壤、植被等諸多環(huán)境要素的影響，在時間和空間上表現(xiàn)出強烈的異質(zhì)性［1-3］。干旱、半干旱區(qū)降水量少，水資源匱乏，土壤水分是植物生長發(fā)育的主要生態(tài)限制因子，對植被的空間分布有重要影響［4-6］。大氣降水是土壤水分的主要來源，土壤水分的動態(tài)變化與降雨密切相關(guān)。植物生長狀況、生物土壤結(jié)皮發(fā)育狀況以及土壤組成和結(jié)構(gòu)會影響降雨的入滲過程和土壤水分的動態(tài)變化［7-11］。

毛烏素沙地作為我國北方4大沙地之一，固定、半固定和流動沙地鑲嵌分布，流動和半固定沙地植被較少，風(fēng)蝕作用強烈，土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)較為均一；固定沙地植被覆蓋度較高，通常伴有生物土壤結(jié)皮的發(fā)育，地表較為穩(wěn)定，表層土壤黏粉粒含量和有機質(zhì)含量較高［12］。與流動沙地和半固定沙地相比，固定沙地表層土壤持水能力較強，不利于降雨入滲，影響了降雨的有效性［13-14］。盡管毛烏素沙地土壤水分已經(jīng)開展了大量研究，但現(xiàn)有的研究多采用定時、定點取樣，分析典型地貌條件下土壤水分的變化特征，數(shù)據(jù)量較少，且連續(xù)性較低，難以全面反映土壤水分動態(tài)變化規(guī)律及其對降雨的響應(yīng)特征。本研究選取以黑沙蒿（Artemisia ordosica）為建群種的固定、半固定和流動沙地，連續(xù)觀測生長季降雨量和不同深度土層的土壤水分含量，揭示生長季沙地土壤水分的動態(tài)變化規(guī)律，分析不同固定程度沙地土壤水分對降雨響應(yīng)的差異，以期為半干旱區(qū)沙化土地近自然植被恢復(fù)與固沙植被穩(wěn)定性維持提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于毛烏素沙地腹地，行政區(qū)域上隸屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市烏審旗（38°08′～38°10′N，108°37′～108°39′E，圖1），平均海拔約1200 m。該區(qū)屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，生長季為每年的4—10 月，年均氣溫8.4 ℃，年均降水量300～350 mm，降水年際變化大，多雨年降水量可達少雨年的2～4倍，年內(nèi)分配不均，7—9 月降水量約占年降水量的60%～70%；年均蒸發(fā)量1800～2500 mm。植被以稀疏、低矮的沙生植被為主，黑沙蒿是最主要的建群種，根系主要分布于0～100 cm土層［12,15-16］；固定沙地生長季平均植被蓋度大于30%，半固定沙地生長季平均植被蓋度10%～30%，流動沙地生長季平均植被蓋度一般小于10%［16］。固定沙地上普遍分布著生物土壤結(jié)皮［12］。土壤為風(fēng)沙土，質(zhì)地粗、結(jié)構(gòu)疏松。研究區(qū)地下水埋深大于5 m。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study area

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)觀測

本研究采用EM50 土壤溫濕度測量系統(tǒng)（METER，Pullman，Washington，USA）觀測土壤水分。該系統(tǒng)采用的是ECH2O EC-5土壤水分傳感器，適用于沙地土壤水分觀測。在烏審旗圖克鎮(zhèn)（39°03′22″N，108°24′06″E）和蘇力德蘇木（38°20′58″N，108°45′24″E）分別選取典型的平坦沙地設(shè)置固定樣地，EM50 分別于2007 年5 月和2017 年5 月在野外安裝，對固定、半固定和流動沙地土壤水分進行連續(xù)觀測。土壤水分傳感器安裝深度為10 cm、30 cm、60 cm 和100 cm，數(shù)據(jù)記錄時間間隔為30 min。1959—2014年降水?dāng)?shù)據(jù)來自與研究區(qū)相近的烏審旗氣象站，測定精度為0.10 mm；2008—2010 年和2018—2022 年降水?dāng)?shù)據(jù)采用樣地附近架設(shè)的自動氣象站測定，每30 min 記錄一次數(shù)據(jù)，測定的精度分別為0.25 mm和0.10 mm。為減少儀器安裝過程中對土壤擾動所造成的誤差，本研究選取2008—2010 年和2018—2021年生長季（4—10月）土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)和降水?dāng)?shù)據(jù)進行分析。因為儀器故障，2010、2018 年和2019 年4—10月流動沙地土壤水分含量數(shù)據(jù)缺失。觀測期間圖克鎮(zhèn)（2008—2010 年）和蘇力德蘇木（2018—2022 年）的植被蓋度和生物土壤結(jié)皮蓋度變化較小，圖克鎮(zhèn)樣地固定、半固定和流動沙地植被蓋度分別為37.80%、18.75%和0，生物土壤結(jié)皮蓋度分別為88.73%、39.21%和0，蘇力德蘇木樣地固定、半固定和流動沙地植被蓋度分別為41.67%、24.52%和7.89%，生物土壤結(jié)皮蓋度分別為74.85%、0和0。

2.2 研究方法

2.2.1 土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)校正EC-5土壤水分傳感器出廠精度為±3%，用于沙地土壤水分觀測時必須進行校正。本研究采用在毛烏素沙地建立的校正方程對所有土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進行校正［17］：

式中：θ為土壤體積含水量（cm3·cm-3）；mV 為土壤水分傳感器觀測值。

2.2.2 不同深度土層土壤水分含量計算不同深度土層日平均土壤水分含量采用公式（2）進行計算：

式中：DSWCi為土層深度i的日平均土壤水分含量（cm3·cm-3）；SWCt為土層深度i在1日內(nèi)第t次測定的土壤水分含量（cm3·cm-3）；t為1日內(nèi)測定的次數(shù)。

不同土層深度月平均土壤水分含量采用公式（3）進行計算：

式中：MSWCi為土層深度i的月平均土壤水分含量（cm3·cm-3）；DSWCiT為土層深度i在當(dāng)月內(nèi)第T天的日平均土壤水分含量（cm3·cm-3）；m為當(dāng)月的天數(shù)。

2.2.3 降雨事件的統(tǒng)計以無雨期間隔6 h為1次降雨事件分別對降雨量≤5 mm、5～10 mm、10～20 mm、20～30 mm和>30 mm的降雨事件發(fā)生頻數(shù)和總降雨量進行統(tǒng)計［18］。

2.2.4 降水年型劃分采用干旱指數(shù)（Drought index，DI）對降水年型進行劃分，當(dāng)DI>0.35 時為相對濕潤年，當(dāng)-0.35≤DI≤0.35 時，為相對正常年，當(dāng)DI<-0.35時，為相對干旱年［18-19］，計算公式如下：

式中：DI為干旱指數(shù)；P為年降水量（mm）；M為多年平均降水量（mm）；σ為多年降水量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2.2.5 土壤水分插值方法采用Origin 20.0 基于網(wǎng)格插值法繪制不同固定程度沙地10～100 cm土層土壤水分插值圖。

2.2.6 統(tǒng)計分析利用SPSS 19.0進行單因素方差分析，LSD 用于檢驗不同固定程度沙地土壤水分含量之間的差異，利用Excel 2016、Origin 20.0 對相關(guān)數(shù)據(jù)進行處理分析及制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水特征

2008、2009、2010、2018、2019、2020 年和2021年，研究區(qū)年降水量分別為346.25 mm、361.25 mm、304.50 mm、393.60 mm、332.90 mm、256.90 mm 和244.40 mm，生長季降雨量可占年降水量的90%以上。2008、2009、2010、2019年生長季降雨量與多年生長季平均降雨量（1959—2014 年，329.04 mm）差異較小，為相對正常年，2018年為相對濕潤年，2020年和2021年為相對干旱年（表1）。不同年份生長季降雨事件均以≤5 mm的小降雨事件為主，可占當(dāng)年生長季降雨事件的60%以上，2021年甚至達到80%以上；>30 mm 的降雨發(fā)生頻數(shù)最低，均不超過生長季降雨事件的5%，在相對正常的2019 年和相對干旱的2020年甚至未發(fā)生30 mm以上的降雨（表1）。

表1 2008—2010年、2018—2021年生長季降雨特征Tab.1 Rainfall characteristics of growing seasons during 2008—2010 and 2018—2021

3.2 生長季土壤水分動態(tài)

3.2.1 土壤水分的季節(jié)變化由圖2和圖3發(fā)現(xiàn)，土壤水分的季節(jié)變化明顯。不同固定程度沙地、不同土層深度土壤水分大都呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律。在生長季初期（4 月）土壤水分含量較高，然后逐漸下降，一般在5 月或6 月達到最低，7 月土壤水分含量逐漸升高，一般在8月或9月達到最高，10月又有所下降，整個生長季土壤水分變化呈∽型曲線；或在生長季初期土壤水分含量較低，然后逐漸升高，一般在5月或6月達到高值，然后下降，7月或8月達到最低，隨后又逐漸上升，一般在8 月或9 月達到高值，10月又有所下降，整個生長季土壤水分變化呈雙峰型曲線。在相對正常年、相對濕潤年和相對干旱年等不同降水年型，土壤水分的季節(jié)變化存在差異。

圖2 2008—2010年土壤水分的季節(jié)變化Fig.2 Seasonal variation of soil moisture from 2008 to 2010

圖3 2018—2021年土壤水分的季節(jié)變化Fig.3 Seasonal variation of soil moisture from 2018 to 2021

雖然2008 年和2009 年降雨屬于相對正常年，而2020 年和2021 年降雨屬于相對干旱年，但圖克鎮(zhèn)2008 年和2009 年與蘇力德蘇木2020 年和2021 年流動沙地土壤水分含量季節(jié)變化呈相似規(guī)律。流動沙地10 cm深土壤水分含量季節(jié)變化波動較大，呈典型的∽型曲線；其他深度土壤水分波動較小。圖克鎮(zhèn)流動沙地10 cm 深土壤水分含量2009 年6 月達到最低，為0.019 cm3·cm-3，2009 年8月達到最高，為0.073 cm3·cm-3。蘇力德蘇木流動沙地10 cm 深土壤水分含量2020 年5 月達到最低，為0.031cm3·cm-3，2021年9月達到最高，為0.059cm3·cm-3。圖克鎮(zhèn)流動沙地30 cm、60 cm和100 cm深土壤水分含量在0.053～0.101 cm3·cm-3之間波動，蘇力德蘇木在0.069～0.121 cm3·cm-3之間波動。

半固定沙地年際間差異較大。圖克鎮(zhèn)2008—2010年降雨都屬于相對正常年，土壤水分季節(jié)變化呈相似規(guī)律。蘇力德蘇木2018年和2019年降雨分別屬于相對濕潤年和相對干旱年，土壤水分季節(jié)變化規(guī)律相似，而2020 年和2021 年降雨都屬于相對干旱年，土壤水分季節(jié)變化規(guī)律相似。半固定沙地10 cm深土壤水分含量季節(jié)變化波動較大，在2008、2009、2010 年和2020 年表現(xiàn)為∽型變化，在2018、2019年和2021年呈雙峰曲線；其他深度土壤水分含量波動較小。圖克鎮(zhèn)半固定沙地10 cm深土壤水分含量2008 年5 月達到最低，為0.027 cm3·cm-3，2008年8月達到最高，為0.067 cm3·cm-3。蘇力德蘇木半固定沙地10 cm 深土壤水分含量2020 年5 月達到最低，為0.030 cm3·cm-3，2018 年9 月達到最高，為0.104 cm3·cm-3。圖克鎮(zhèn)半固定沙地30 cm、60 cm和100 cm深土壤水分含量在0.040～0.100 cm3·cm-3之間波動，蘇力德蘇木在0.066～0.111 cm3·cm-3之間波動。

固定沙地年際間差異非常大。圖克鎮(zhèn)2008 年和2009年土壤水分季節(jié)變化呈相似規(guī)律，蘇力德蘇木2018 年和2019 年土壤水分季節(jié)變化規(guī)律相似，而圖克鎮(zhèn)2010年、蘇力德蘇木2020年和2021年，土壤水分季節(jié)變化規(guī)律較相似。與流動和半固定沙地不同，固定沙地10 cm和30 cm深土壤水分都波動較大，60 cm 和100 cm 深土壤水分波動較小。固定沙地10 cm 和30 cm 深土壤水分含量季節(jié)變化大多呈典型的∽型曲線，2018 年和2019 年呈雙峰曲線；60 cm和100 cm土壤水分含量在相對正常年和相對濕潤年大多呈∽型曲線，而在相對干旱年波動較小且呈下降趨勢。圖克鎮(zhèn)固定沙地10 cm深土壤水分含量2008 年5 月達到最低，為0.033 cm3·cm-3，2010年8月達到最高，為0.132 cm3·cm-3；30 cm深土壤水分含量2008 年7 月達到最低，為0.037 cm3·cm-3，2010年9月達到最高，為0.111 cm3·cm-3。蘇力德蘇木固定沙地10 cm深土壤水分含量2020年4月達到最低，為0.043 cm3·cm-3，2021 年9 月達到最高，為0.077 cm3·cm-3；30 cm 深土壤水分含量2021 年7 月達到最低，為0.057 cm3·cm-3，2019年9月達到最高，為0.109 cm3·cm-3。圖克鎮(zhèn)固定沙地60 cm和100 cm深土壤水分含量在0.032～0.094 cm3·cm-3之間波動，蘇力德蘇木在0.047～0.086 cm3·cm-3之間波動。

3.2.2 生長季不同固定程度沙地土壤水分時空格局圖4 和圖5 分別是圖克鎮(zhèn)和蘇力德蘇木整個生長季不同固定程度沙地10～100 cm深土壤水分含量插值圖，直觀展示了整個生長季不同固定程度沙地土壤水分時空格局。圖克鎮(zhèn)和蘇力德蘇木之間因為樣地的植被蓋度、生物土壤結(jié)皮蓋度等條件存在差異，土壤水分狀況也存在明顯差異，總體來看，蘇力德蘇木樣地土壤水分狀況好于圖克鎮(zhèn)樣地。

圖4 2008—2010年不同固定程度沙地生長季土壤水分時空變化Fig.4 Dynamic changes of daily soil moisture of sandy land with different fixed degrees during the growing season from 2008 to 2010

圖5 2018—2021年不同固定程度沙地生長季土壤水分時空變化Fig.5 Dynamic changes of daily soil water content of sandy land with different fixed degrees during the growing season from 2018 to 2021

由圖可見，不同固定程度沙地之間土壤水分含量有明顯差異，總體來看，流動沙地土壤水分狀況最好，固定沙地土壤水分狀況最差，半固定沙地居于二者之間；固定沙地土壤水分含量變化最為劇烈，半固定沙地次之，流動沙地土壤水分含量變化相對平緩；固定沙地10～30 cm深土壤水分狀況好于半固定沙地和流動沙地，30～100 cm 深土壤水分狀況則相反，半固定和流動沙地好于固定沙地。土壤水分的脈沖式格局在10～30 cm深比較普遍，而且流動和半固定沙地更加明顯；10～60 cm深土壤水分的脈沖式格局在蘇力德蘇木的固定沙地非常明顯，在圖克鎮(zhèn)的固定和半固定沙地也比較明顯。

圖克鎮(zhèn)2008 年8 月中旬以前固定沙地整個土壤剖面土壤水分都比較低，只是在生長季初期的4月20～40 cm 和80～100 cm 深土壤水分含量稍高；半固定沙地也呈相似格局，但整體土壤水分狀況比固定沙地稍好；而流動沙地30～100 cm 深土壤水分狀況整體較好。8 月中旬以后土壤水分呈脈沖式波動，土壤水分狀況好轉(zhuǎn)。圖克鎮(zhèn)2009年不同固定程度沙地土壤水分呈現(xiàn)與2008年相似的變化格局，但也存在一些差異，2009 年生長季開始后3 種不同固定程度沙地土壤水分含量一直很低，流動沙地在5月下旬和7 月上旬有所好轉(zhuǎn)。圖克鎮(zhèn)2010 年土壤水分格局與2008年和2009年不同，從時間上看，整個生長季呈相似格局，固定和半固定沙地10～60 cm深土壤水分呈現(xiàn)脈沖式波動格局，固定沙地土壤水分狀況明顯好于半固定沙地；60～100 cm 深土壤水分狀況則相反，半固定沙地好于固定沙地，而且7—10月固定沙地土壤水分狀況逐漸惡化。

2018 年和2019 年降雨分別屬于相對濕潤年和相對正常年，2020年和2021年降雨都屬于相對干旱年。從3 種不同固定程度沙地土壤水分格局來看，蘇力德蘇木前2 a和后2 a固定沙地土壤水分格局有明顯差異，后2 a土壤水分狀況明顯變差，5—7月土壤水分含量都比較低，8—10 月10～60 cm 深土壤水分呈脈沖式波動，但60～100 cm 土壤水分狀況更加惡化。2018—2021 年半固定沙地土壤水分格局比較相似，10～30 cm 深土壤水分呈脈沖式波動，但后2 a比前2 a土壤水分狀況稍差，30～100 cm深土壤水分格局都呈脈沖式波動，其中2020 年4—7 月土壤水分狀況比其他3 a稍差。2020年和2021年流動沙地土壤水分格局比較相似，即10～30 cm深土壤水分格局存在差異，30～100 cm 深土壤水分格局近乎相同；2020年生長季初期4月上中旬10～50 cm土壤水分含量較低，然后至6 月上旬10～30 cm 土壤水分含量較低并呈脈沖式波動，7—10 月10～20 cm 土壤水分含量較低并呈脈沖式波動，而2021年整個生長季10～20 cm土壤水分含量較低并呈脈沖式波動。

3.3 土壤水分對降雨的響應(yīng)

3.3.1 土壤水分季節(jié)變化對降雨季節(jié)變化的響應(yīng)

圖6顯示，降雨的季節(jié)變化一般呈現(xiàn)出2 種形態(tài)，一種為4—6月降雨量較低7—10月降雨量較高的∽型或單峰型，如2008、2010、2020 年和2021 年，一種生長季前半段與后半段降雨量均出現(xiàn)峰值的雙峰型，如2009、2018 年和2019 年。對照圖2～3 和圖6，10 cm 和30 cm 深土壤水分的季節(jié)變化與降雨的季節(jié)變化規(guī)律基本一致，2008、2009、2020年和2021年流動、半固定和固定沙地10 cm和30 cm土壤水分含量均呈現(xiàn)典型的∽型曲線，是對降雨∽型或單峰型變化的直接響應(yīng)，其中2009 年降雨雖然呈雙峰型，但是6 月降雨較少，對土壤水分未產(chǎn)生顯著影響。2018年和2019年降雨為雙峰型，10 cm和30 cm深土壤水分也呈雙峰型。60 cm和100 cm深土壤水分對降雨季節(jié)變化敏感性降低，但其季節(jié)變化也基本反映了降雨的季節(jié)變化。

圖6 降雨的季節(jié)變化Fig.6 Seasonal variation of rainfall

3.3.2 不同固定程度沙地土壤水分對降雨事件響應(yīng)的差異圖7 和圖8 是土壤水分對不同降雨事件響應(yīng)的統(tǒng)計結(jié)果。由圖可見，隨降雨量增加，降雨事件的入滲深度逐漸增加；總體來看，相同等級降雨事件在固定沙地的入滲深度低于半固定沙地和流動沙地，且入滲至相同深度土層所消耗的時間長于半固定沙地和流動沙地?！? mm 的單次降雨事件可以入滲至流動沙地和半固定沙地10 cm 深土壤，消耗的時間≥3 h，而≥5.6 mm 的單次降雨事件才能夠入滲至固定沙地10 cm 深土壤，且消耗的時間≥6.5 h。入滲至30 cm 深土壤，流動沙地和半固定沙地需單次降雨事件≥10.5 mm，且入滲時間≥10 h，而固定沙地需單次降雨事件≥14.0 mm，且入滲時間≥15 h。入滲至60 cm深土壤，流動沙地需單次降雨事件≥14.5 mm，且入滲時間≥20 h，半固定沙地需單次降雨事件≥18.6 mm，且入滲時間≥30 h，而固定沙地需單次降雨事件≥24.1 mm，且入滲時間≥42 h。入滲至100 cm 深土壤，流動沙地需單次降雨事件≥25.8 mm，入滲時間≥45 h，半固定沙地需單次降雨事件≥26.4 mm，且入滲時間≥60 h，而固定沙地需單次降雨事件≥31.25 mm，且入滲時間≥70 h。

圖7 降雨入滲深度與降雨事件的關(guān)系Fig.7 Relationship between rainfall infiltration depth and rainfall events

圖8 降雨入滲深度與消耗時間的關(guān)系Fig.8 Relationship between rainfall infiltration depth and spend time

3.3.3 土壤水分時空格局對降雨格局的響應(yīng)圖9

圖9 生長季降雨格局Fig.9 Rainfall pattern during the growing season

顯示了研究區(qū)生長季的降雨格局變化。由圖可見，生長季降雨格局表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，4—6月降雨頻數(shù)較低，且以≤5 mm的降雨事件為主，7—10月降雨頻數(shù)較高，降雨事件之間時間間隔縮短，且單次降雨量較高的降雨事件出現(xiàn)頻數(shù)增加。流動、半固定和固定沙地土壤水分時空格局與降雨格局關(guān)系密切。生長季降雨事件以小降雨事件為主，相同等級降雨事件在固定沙地的入滲深度低于半固定沙地和流動沙地，因此，與固定沙地相比，流動和半固定沙地土壤水分波動更劇烈，尤其是10 cm和30 cm的土壤表層。2008、2009、2020年和2021年，生長季初期的4—6 月，降雨較少且降雨以小降雨事件為主，10 cm以下土壤水分得不到補充，土壤水分狀況很差，尤其是固定沙地。2010年雖然降雨屬于相對正常年，但是4—6 月降雨多且有較多10～20 mm 降雨事件發(fā)生，因此土壤水分狀況好于降雨同屬于相對正常年的2008年和2009年。2008年和2009年的7—10 月、2018 年和2019 年的整個生長季，都有較多10 mm 以上的較大降雨事件發(fā)生，因此土壤水分狀況較好。

4 討論

4.1 土壤水分季節(jié)變化產(chǎn)生的原因

土壤水分的季節(jié)變化主要受降雨季節(jié)變化的影響。毛烏素沙地生長季降雨分布極不均勻，存在明顯的季節(jié)變化特征，一般在4—6 月降雨量較少，在7—10 月，降雨量可占生長季降雨量的90%左右。不同固定程度沙地土壤水分表現(xiàn)出與降雨相似的季節(jié)變化特征。在固定沙地，生長季開始后，氣溫逐步回升，植被進入復(fù)蘇期［20］，在4—6 月植物蒸騰和土壤蒸發(fā)所消耗的水分遠高于降雨的補充，導(dǎo)致土壤水分的下降；至7 月，降雨開始明顯增多，不僅能夠滿足植物蒸騰和土壤蒸發(fā)所消耗的水分，還可以對土壤水分進行補給，不同深度土壤水分含量在8 月或9 月達到最高值；9 月以后降雨減少，土壤水分的輸入量不足以滿足植物蒸騰和土壤蒸發(fā)的消耗，土壤水分含量開始下降。2010、2020 年與2021 年60 cm 和100 cm 深土壤水分含量表現(xiàn)出先下降后趨于平緩的波動變化，其原因可能是生長季>20 mm降雨事件較少，60 cm和100 cm深土壤水分難以得到補充。在半固定沙地和流動沙地，受土壤質(zhì)地的影響，表層土壤很容易形成干沙層，抑制了下層土壤水分的蒸發(fā)［21］，對下層土壤水分起到了很好的保護作用。

4.2 生長季不同固定程度沙地土壤水分含量產(chǎn)生差異的原因

土壤水分含量是評價土壤水分動態(tài)的重要特征，本研究發(fā)現(xiàn)，不同固定程度沙地土壤水分差異顯著，固定沙地10～30 cm深土壤水分含量顯著高于半固定沙地和流動沙地，而30～100 cm 深土壤水分含量均顯著低于半固定沙地和流動沙地。這種現(xiàn)象的發(fā)生與不同固定程度沙地植被生長狀況以及土壤的理化性質(zhì)密切相關(guān)。固定沙地較高的植被和生物土壤結(jié)皮蓋度，有利于土壤有機質(zhì)的積累和對空氣中黏粉粒的捕捉，并有效降低土壤的風(fēng)蝕水蝕［22-25］。相較于流動沙地和半固定沙地，固定沙地表層土壤黏粉粒和有機質(zhì)含量較高，土壤持水能力較強，雖然植被蒸騰會消耗部分土壤水分，但土壤的持水能力、植物的遮陰效果和生物土壤結(jié)皮對土壤水分的保護作用減緩了表層土壤水分的消耗［26］，保證了固定沙地表層土壤水分含量較高。流動沙地土壤砂粒含量高，保水能力差，且植被蓋度很低，意味著降雨后有更多的地表受陽光的直射，土壤蒸發(fā)強烈，在很短的時間內(nèi)使土壤水分下降到較低的水平［27-28］。相較于10～30 cm 深土層，固定沙地30～100 cm 深土壤黏粉粒含量高于半固定沙地和流動沙地，且土壤容重低于半固定沙地和流動沙地［7］，土壤的持水能力表現(xiàn)出與10～30 cm 深土壤相似的規(guī)律。但受植被冠層截留、生物土壤結(jié)皮截留和表層土壤持水能力的影響，固定沙地30～100 cm 深土壤水分入滲量低于半固定沙地和流動沙地；同時植物蒸騰拉力所導(dǎo)致的根系吸水進一步增加了土壤水分的消耗［29］。而在流動沙地和半固定沙地，降雨后表層土壤水分被迅速蒸發(fā)并形成干沙層，切斷了下層土壤水分蒸發(fā)的通道，土壤水分主要以水汽的方式逸散至大氣中［21］，干沙層以下土壤水分消耗的速率遠低于固定沙地。因此，受植被蓋度、生物土壤結(jié)皮分布和土壤理化性質(zhì)的影響，不同固定程度沙地土壤水分表現(xiàn)為固定沙地10～30 cm深土壤水分含量顯著高于流動沙地和半固定沙地，而30～100 cm深土壤水分含量則相反。

4.3 生長季降雨格局的變化是土壤水分時空格局變化的主要原因

土壤水分時空格局變化受降雨、植被、氣象因子等因素的綜合影響，其中降雨格局變化是土壤水分時空格局變化的主要原因。研究區(qū)生長季4—6月降雨頻數(shù)較低，且以≤5 mm的降雨事件為主，7—10月降雨頻數(shù)較多，且降雨量較高的降雨事件頻數(shù)增加。這導(dǎo)致4—6月土壤水分補給較為困難，沙地土壤水分以消耗為主，土壤水分含量呈下降趨勢。7—10 月降雨量較高的降雨事件頻數(shù)增多，土壤水分補給量增加，土壤水分含量增高，土壤水分狀況好于4—6 月。研究發(fā)現(xiàn)，與流動和半固定沙地相比，固定沙地降雨入滲至相同深度土層需要更多的降雨量，在科爾沁沙地［30］、黃土高原［31］等地的研究也有類似發(fā)現(xiàn)［1,32］，這使得在≥14 mm 降雨事件發(fā)生頻數(shù)較少的相對干旱年（2020 年和2021 年）30～100 cm 土壤水分補充困難，因此7—10 月土壤水分含量低于4—6月。

降雨時間間隔的長短能夠很好反映生態(tài)系統(tǒng)的干旱周期，降雨時間間隔越長，土壤水分被植物蒸騰和土壤蒸發(fā)消耗得越多［33］。本研究發(fā)現(xiàn)，毛烏素沙地生長季降雨時間間隔較長，最長可達20 d（圖5，2018-05-28 至2018-06-16），這導(dǎo)致在未發(fā)生降雨期間土壤水分消耗嚴(yán)重，流動沙地和半固定沙地10～30 cm 深土壤水分含量長期處于較低水平。但受土壤持水能力的影響，流動沙地和半固定沙地表層土壤很容易形成干沙層，切斷了下層土壤水分蒸發(fā)的通道，干沙層以下土壤水分得到了很好的保護［21］，流動沙地和半固定沙地土壤水分含量空間特征表現(xiàn)為30～100 cm深土壤水分含量高于10～30 cm。而固定沙地受土壤理化性質(zhì)的影響，表層土壤持水能力較強，導(dǎo)致其可以儲存更多的水分，需要消耗更多的降雨才能夠達到入滲至下層土壤的標(biāo)準(zhǔn)，因此下層土壤水分獲得補給較為困難；雖然植物蒸騰和土壤蒸發(fā)會消耗部分土壤水分，但與30～100 cm 深土壤相比，固定沙地10～30 cm 深土壤水分受降雨補充更為頻繁，土壤水分可長時間維持在較高的水平［34-37］，使得固定沙地10～30 cm深土壤水分狀況好于30～100 cm。

5 結(jié)論

（1）流動、半固定和固定沙地不同深度土壤水分季節(jié)變化一般呈∽型或雙峰型，10 cm和30 cm深土壤水分含量波動較大，60 cm 和100 cm 深土壤水分含量波動較小。土壤水分的季節(jié)變化主要受降雨季節(jié)變化的影響。

（2）生長季不同固定程度沙地之間土壤水分含量有明顯差異，總體來看，流動沙地土壤水分狀況最好，固定沙地土壤水分狀況最差，半固定沙地居于二者之間；固定沙地土壤水分含量變化最為劇烈，半固定沙地次之，流動沙地土壤水分含量變化相對平緩；固定沙地10～30 cm深土壤水分狀況好于半固定沙地和流動沙地，30～100 cm 深土壤水分狀況則相反，半固定和流動沙地好于固定沙地。

（3）降雨格局是形成土壤水分時空格局的主要原因。隨降雨量增加，降雨事件的入滲深度逐漸增加；相同等級降雨事件在固定沙地的入滲深度低于半固定沙地和流動沙地，且入滲至相同深度土層所消耗的時間長于半固定沙地和流動沙地。生長季降雨事件以小降雨事件為主，因此，表層土壤水分波動更劇烈。生長季初期，降雨較少且以小降雨事件為主，10 cm以下土壤水分得不到補充，土壤水分狀況較差，尤其是固定沙地。