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干旱地区沙丘土壤水分时空变化特征及其与环境因子关系

  2020-11-25    272  上传者:管理员

摘要:为了深入探究半干旱地区沙丘土壤水分时空变化特征及其与环境因子关系,以科尔沁沙地为研究区,综合运用原位观测、数值模拟和冗余分析等方法,对沙丘土壤水分的时空变化特征、变异性、水平衡及其与环境因子的定量关系进行研究。结果表明:沙丘土壤水分在垂直剖面呈现出由半流动沙丘“镜像S”形逐渐过渡为阴坡固定沙丘“S”形的趋势,在时间尺度上呈“正态分布”形;半流动、半固定和阴坡固定沙丘土壤水分变异性随深度的增加逐渐减弱,半阳坡固定沙丘呈“S”形分布,最大变异系数为75.45%,均属中等变异;半流动和半固定沙丘水分主要消耗于深层渗漏,分别占总水量的57.35%和54.56%,半阳坡固定和阴坡固定沙丘水分主要消耗于植被蒸腾,分别占总水量的77.15%和54.88%;沙丘土壤水分影响因子具有差异性,容重、砂粒含量、粉粒含量和饱和导水率是影响半流动、半固定和半阳坡固定沙丘土壤水分的主要环境因子,而有机质、砂粒含量、粉粒含量和饱和导水率是阴坡固定沙丘土壤水分的主要影响因子。研究表明,半阳坡固定沙丘小叶锦鸡儿易消耗深层土壤水,造成土壤干燥化,草本和半灌木有利于深层土壤水分保持。

  • 关键词:
  • Hydrus-1D
  • 冗余分析
  • 变异性
  • 土壤贮水量
  • 水平衡
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土壤水是半干旱地区植被健康生长的关键制约因子[1],它对土壤侵蚀、水—热—溶质耦合运移以及SPAC(soil-plant-atmospherecontinuum)传输体中的物质迁移过程具有重要影响[2,3],其中SPAC系统是沙地生态水文过程的重要组成部分[4]。气候和植被的季节性变化造成土壤水分具有高度的时空变异性。充分认识和把握半干旱地区土壤水分的时空变化特征、变异性、水平衡及环境因子,在理论上有助于分布式水文模型参数的优化及预测精度的提高,在实践上有利于制定科学的植被布局、配置及管理措施[5]。

科尔沁沙地作为我国北方典型的半干旱地区,近年来,土壤水问题受到广泛关注,姚淑霞等[6]利用固定沙丘0—150cm土壤水分监测数据及降水资料对科尔沁沙地固定沙丘土壤水分变化和差异性进行了分析表明,土壤水分存在明显的季节变化特征和年际异质性;Zhao等[7]利用经典统计和地统计学方法分析毛乌素沙地0—100cm剖面土壤水分的时空变异特征发现,土壤水分沿垂直方向和水平方向各层变化的概率分布曲线均为正态分布;黄刚等[8]利用水平衡原理分析不同造林地人工小叶锦鸡儿固沙植被区土壤水分及蒸散量变化特点表明,人工固沙小叶锦鸡儿林地土壤水分状况随着树龄增大和栽植密度的加大而不断恶化,流动沙丘和天然植被区土壤水分状况优于人工植被区。现有的研究大部分仅是单一地分析典型地貌下的土壤水时空变化特征及变异性,对于研究区不同类型沙丘土壤水分系统且对比分析鲜有报道。

当前,在全球气候变化和人类活动的共同影响下[5],科尔沁沙地固有的土壤-植被结构发生深刻的变化。深入研究科尔沁沙地不同类型沙丘土壤水分时空变化规律、变异性、水平衡及环境因子显得格外重要。本文按照植被盖度和地形地貌的不同将沙丘划分为半流动、半固定、半阳坡固定和阴坡固定沙丘[9],并相应开展土壤水分野外试验与原位观测,利用Hydrus-1D数值模拟及冗余分析等方法,分析了研究区土壤水分的时空变化特征、变异性及水平衡,评价了环境因子对土壤水分的影响,为科尔沁沙地荒漠化防治、水资源配置与管理、生态水文过程分析提供科学依据和理论支持。


1、材料与方法


1.1研究区概况

研究区位于通辽市科尔沁左翼后旗阿古拉生态水文试验站(122°33′00″—122°41′00″E,43°18′48″—43°21′24″N),面积55km2,为科尔沁沙地东南边缘中心腹地,属温带半干旱大陆性季风气候,春季干旱多风,夏季炎热且雨量集中,秋季凉爽短促,冬季寒冷漫长。多年平均降水量为389mm,80%的降雨量集中于6—9月;多年平均水面蒸发量为1412mm(Φ20cm口径蒸发皿),蒸发主要集中在4—9月。研究区地势自西向东逐渐降低,南北高翘,中间低平,海拔在186~232m。开展野外试验区域的地貌特点为半流动、半固定与固定沙丘相间分布,其中沙丘起伏变化大,类型多样,所占面积大。风沙土是研究区面积最大的土类。植被组成种类较为丰富,主要有小叶锦鸡儿(CaraganamicrophyllaLam.)、差巴嘎蒿(ArtemisiahalodendronTurcz.etBess.)、少花蒺藜(CenchruspauciflorusBenth.)、大籽蒿(ArtemisiasieversianaEhrhartexWilld.)、狗尾草(Setariaviridis(L.)Beauv.)、野大麻(CannabissativaLinn.)等沙生植被。

1.2野外调查与数据采集

1.2.1土壤样品的采集与测定

本研究在2018年5—10月采集不同类型沙丘下的土壤样品,采集点的下垫面情况见表1。按照持续无雨期、降雨前、降雨后分别取样。其中雨后取样时间间隔设定为:5mm<降雨量≤10mm时,雨后1天取样;10mm<降雨量≤20mm时,雨后1,2,4天取样;降雨量≥20mm时,雨后1,2,4,7,11天取样。利用土钻收集地表以下10,20,40,80,120,160,200cm深度处土样,每层3个重复,共取样52次,收集铝盒样1092个,用于土壤质量含水率的测定。土壤环刀样品采用开挖剖面(长×宽×高为2m×1m×2m),利用直径和高均为5cm、体积为100cm3的环刀在各土层取原状土样4个,同时用布袋取各土层扰动土样,以此测定土壤的理化性质[10],土壤蒸发采用微型蒸发器测定,以上参数用于模型参数的求解及校正。

土壤质量含水率采用烘干法测定;土壤体积含水量采用土壤质量含水率和容重乘积进行计算;土壤水分特征曲线参数采用压力膜仪测定;土壤饱和含水率的测定是将3层纱布缠绕于环刀底部且让底部浸水,使顶部与水面齐平测定,每隔3h称重1次,待2次称重误差<2%时,取其平均值为试验值;饱和导水率采用定水头下的马氏瓶渗透仪进行测定,待相同时间下2次渗水量体积误差<2%时,取其平均值为试验值[10];容重利用环刀法测定;土壤颗粒粒径百分占比采用德国Symaptec公司的NANOPHOXTM纳米激光粒度仪,选用干法进行测定;土壤粒径分级标准采用美国农业部USDA制,黏粒(<0.002mm)、粉粒(0.002~0.05mm)、砂粒(0.05~2mm);土壤有机质采用浓硫酸—重铬酸钾外加热法测定。

表1采样点下垫面情况

1.2.2植被数据

4种不同类型沙丘因其地形起伏多变,植被组成种类多样,因此在采样点周围按照灌木均匀选取大、中、小各2株、半灌木均匀布设5个2m×2m的调查样方、草本植被均匀布设5个1m×1m的调查样方进行调查,所测叶面积指数代表研究区植被生长指标的平均水平,生长初期和后期每隔15天调查1次、生长旺盛期每隔10天调查1次叶面积指数(LAI),采用叶面积指数仪(Li-2200)测定,作为模型输入参数[11]。根系密度采用直接挖掘法自地表向下调查,开挖1m×1m的土壤剖面,采集生长、发育正常根系作为样品,采集过程中尽量避免外力对根系的破坏[12]。调查结果见图1。

图1不同类型沙丘叶面积指数和根系密度

1.2.3气象数据及其他模型所需数据

选取研究区2018年5月1日至10月31日半流动、半固定、半阳坡固定和阴坡固定沙丘4个气象站点的风速、风向、空气温湿度、太阳净辐射、降雨量等气象数据,采集频次为30min/次,地下水位监测利用HOBOU20自记水位计,采集频次为1h/次。

1.3模型介绍与评价标准

1.3.1水流方程

本研究对4种不同类型沙丘土壤水分动态变化规律模拟,采用Richards方程[13]描述:

∂θ∂t=∂∂t[K(h)(∂h∂t+1)]−s(x,t)∂θ∂t=∂∂t[Κ(h)(∂h∂t+1)]-s(x,t)(1)

式中:t为时间(h);θ为土壤体积含水率(cm3/cm3);h为压力水头(cm);z为垂向空间坐标(cm);K(h)为非饱和导水率(cm/h);s(z,t)为根系吸水速率(cm/h)。

式(1)中土壤水分特征曲线和非饱和导水率利用vanGenuchten方程拟合。即:

θ(h)={θr+θs−θr[1+|αh|n]m    h<0θs          h≥0         (2)K(h)={KsSel[1−(1−Se1/m)m]2 h<0;m=1−1/nKS           h≥         (3)θ(h)={θr+θs-θr[1+|αh|n]m    h<0θs          h≥0         (2)Κ(h)={ΚsSel[1-(1-Se1/m)m]2 h<0;m=1-1/nΚS           h≥         (3)

Se=(θ−θr)(θs−θr)Se=(θ-θr)(θs-θr)(4)

式中:θs为土壤饱和含水率(cm3/cm3);θr为土壤残余含水率(cm3/cm3);Ks为饱和导水率(cm/h);Se为无量纲的相对含水量;α、m、n、l均为拟合参数。

1.3.2根系吸水

将根系吸水转化为水分胁迫函数,本研究采用Feddes模型来模拟根系吸水过程,具体表达式[14]为:

S(z,t)=α(h,t)·β(z)·Tp(5)

式中:α(h,z)为水分胁迫反应函数,无量纲;β(z)为标准化根系吸水分布函数,无量纲;Τp为作物潜在蒸腾速率(cm/h)。

1.3.3潜在蒸散发

潜在蒸发量采用FAO推荐的Penman-Monteith公式计算。

ET0=0.408Δ(Rn−G)+γ900T+273u2(es−ea)Δ+γ(1+0.34u2)EΤ0=0.408Δ(Rn-G)+γ900Τ+273u2(es-ea)Δ+γ(1+0.34u2)(6)

式中:ET0为潜在蒸散发(mm/d);Δ为饱和水汽压—温度曲线斜率(kPa/℃);Rn为净辐射(MJ/(m2·d));T为平均气温(℃);G为土壤热通量(MJ/(m2·d));u2为2m高度处风速(m/s);es为饱和水汽压(kPa);ea为实际水汽压(kPa);γ为湿度计常数(kPa/℃)。HYDRUS-1D模型利用下式将潜在蒸散发量进行组分拆分,分为潜在蒸发量E0和潜在蒸腾量T0。

式中:K为消光系数;LAI为植被叶面积指数。

1.3.4边界设置

本研究模拟不同类型沙丘的土壤水分运移过程,由于地下水位埋深均较大,上边界均设置为大气边界(无径流),下边界均设置为自由排水边界。

1.3.5时间和空间离散

本研究选取2018年沙地植物生长季的5—10月为研究期,时间单元为天,共计184天。采用时间离散化的方式进行模拟,依据收敛的迭代次数逐渐调整时间离散的间隔[15]。在整个模拟期内,若任一时间间隔达到收敛所需的迭代次数≤3,则下一时段的时间增量乘以1.3;若达到收敛的迭代次数≥7,则将下一时段的时间增量乘以0.7[15]。本模拟中起始时间设置为0,模拟结束时间为184天,初始时间步长为0.01天,最小时间步长为0.01天,最大时间步长为1天。4种不同类型沙丘2m土壤剖面均划分为7层,各设置7个观察点。

1.3.6模型检验

通过对比土壤水分实测值和模型模拟值来评估数据模型精度,评价指标包括:决定系数R2、均方根误差RMSE、模型效率系数ENS和一致性指数IA对模拟精度和误差进行评价。


2、结果与分析


2.1土壤水分运移模型适用性

选取2018年5月1日至8月15日用于模型的建立与校正,其他时段数据用于模型的验证。由表2和表3可知,4种不同类型沙丘土壤水分及土壤蒸发动态模拟,无论是在模型建立阶段还是检验阶段R2均高于0.74,ENS和IA分别分布为0.77~0.87和0.78~0.85,均趋向于1,说明模拟值与实测值之间吻合程度较高,土壤水分RMSE分布在0.01~0.02cm3/cm3,土壤蒸发RMSE分布在0.11~018mm/d,该值趋向于0,说明模拟值与实测值之间偏差较小,各模型置信度均大于95%。因此,4种不同类型沙丘土壤水分及土壤蒸发模拟值满足精度要求,模拟结果能够反映不同类型沙丘土壤水分及土壤蒸发的动态变化趋势,可以运用于后续分析研究。

表2土壤水分运移模拟结果

表3土壤蒸发模拟结果

2.2土壤参数的统计特征

土壤参数按照土层的不同深度进行分类统计。从图2可以看出,研究区土壤砂粒含量极高,占比达到94%以上,拥有少量的粉粒,几乎不包含黏粒,半流动沙丘样点砂粒含量最高,整个土体剖面各层砂粒含量占比均高于99%,其次是半固定和半阳坡固定沙丘,砂粒含量相对较低的是阴坡固定沙丘;土壤容重变化在1.50~1.65g/cm3,阴坡固定沙丘各土层容重差异较大,其余3种类型沙丘不明显;有机质含量表现为半流动沙丘向半固定、半阳坡固定和阴坡固定沙丘依次增高,其中阴坡固定沙丘0—20cm土层的有机质含量明显高于20—200cm土层;饱和导水率在4种类型沙丘中均处于较高水平,最低饱和导水率为7.04m/d,最高为13.12m/d,其中阴坡固定沙丘10,160cm土层饱和导水率明显低于土体其他层位。

2.3不同类型沙丘土壤水分时空变化特征

通过对不同类型沙丘土壤水分做单因子方差分析(表4),半流动、半固定、半阳坡固定和阴坡固定沙丘的P值均小于0.05,表明不同类型沙丘生长季土壤水分的变化具有一定的差异性。在时间尺度上,总体呈“峰谷交替”型变化趋势(图3),7,8月波动较大,其余月份波动较平缓,半阳坡固定沙丘0—40cm土层在5,6月也呈现出明显的波动,且5月中上旬土壤水分始终处在一个较低水平波动,平均土壤水分仅为0.0226cm3/cm3,分别比半固定、半流动和阴坡固定沙丘低0.0112,0.0213,0.0405cm3/cm3。阴坡固定沙丘土壤水分在0—40cm植被根系层具有明显波动,深层土壤水分与强降雨有显著的相关性,如8月份,表现为降雨量越大,深层土壤水分变化越明显,半固定和半流动沙丘具有较相似的变化趋势。

不同类型沙丘在生长季初期土壤水分基本稳定,各土层水分已接近残余含水率,直到5月22日的1次降雨,各类型沙丘土壤水分含量都有所升高,但上升幅度不大。

图2不同类型沙丘土壤平均粒径、容重、有机质含量和饱和导水率随土层深度的变化

不同类型沙丘土壤水分含量差异明显(图4),平均水分含量总体表现为阴坡固定沙丘>半流动沙丘>半固定沙丘>半阳坡固定沙丘,具有明显的季节性变化,整体呈“正态分布”形,这与沙丘植被状况和砂土持水能力是直接相关的,其中在8月,4种沙地类型土壤贮水量均达到最大值,阴坡固定沙丘土壤贮水量最高,为121.51mm,半阳坡固定沙丘土壤贮水量最低,为63.58mm。

表4不同类型沙丘土壤水分单因素方差分析显著性检验结果

在空间尺度上,不同类型沙丘土壤水分变化趋势由半流动沙丘的“镜像S”形逐渐过渡到阴坡固定沙丘的“S”形(图5)。阴坡固定沙丘在整个土壤剖面中,土壤水分含量均高于其他类型沙丘,土壤水分变化趋势可以分为2部分,即0—80cm土层土壤水分随土层深度的增加而减小,且20cm以内表层土壤水分波动性较强烈,80—200cm土层土壤水分随土层深度的增加而增加。半阳坡固定沙丘土壤水分在0—80cm随土层深度的增加迅速降低,只有在降雨较为集中的7,8月,20—80cm土层随深度的增加土壤水分降低速率减缓,8月甚至出现增加的趋势,120—200cm土层土壤水分仅8月表现为随土层深度的增加而减少,其余月份呈相反趋势。半固定沙丘0—40cm土层土壤水分波动性较为强烈,呈现出随土层深度的增加先减小后增加的趋势,在40—200cm土层各月土壤水分随土层深度基本保持稳定,且5月土壤水分处于整个研究期内的最低值,8月达到峰值。半流动沙丘各月份土壤水分的变化趋势呈现较一致的变化规律,均随土层深度的增加先增大后减小,最后缓慢增大的趋势,且在80cm土层深度处达到峰值,120—200cm土层随深度的增加土壤水分波动性较小。

2.4不同类型沙丘土壤水分季节变异特征

选用变异系数(CV)来表示沙地土壤水分的变异程度,当CV≤10%时,属于弱变异,10%<CV<100%时,属于中等变异,CV≥100%时,属于强变异[16]。从4类沙丘0—200cm土层土壤水分变异系数垂直分布曲线(图5)可以看出,整体变异性均属中等变异,且表现出半阳坡固定沙丘>半固定沙丘>半流动沙丘>阴坡固定沙丘的趋势,其中半流动、半固定和阴坡固定沙丘土壤水分变异系数在土体剖面上具有相似的变化趋势,即0—40cm土层范围内,变异系数随深度的增加迅速降低,说明该层土壤水分受季节变化影响较大;40—200cm土层范围内,土壤水分变异系数趋于稳定,波动性较小,说明该层土壤水分基本不受季节变化的影响。而半阳坡固定沙丘具有完全不同的变化趋势,表现为“S”形,即0—40cm土层范围内,土壤水分变异系数随土层深度的增加缓慢降低,40cm土层达到最低值,为40.11%;40—200cm土层范围内,变异系数呈急剧增加而又较快速降低的趋势,在80cm土层达到最大值,为75.45%。

图3不同类型沙丘土壤含水率随时间的变化

图4不同类型沙丘土壤贮水量和变异系数的变化

2.5不同类型沙丘包气带水量平衡分析

不同类型沙丘土壤水储量变化、土壤蒸发、植被蒸腾和200cm土层水分通量变化具有明显的差异性,半流动、半固定和阴坡固定沙丘土壤水分储量变化均小幅增长,分别增长16.02,14.88,8.32mm,而半阳坡固定沙丘却下降9.36mm,说明深层渗漏量和蒸发量之和大于降雨量。

由于不同类型沙丘植被种类和盖度的不同,土壤蒸发量表现出半流动沙丘(114.4mm)>半固定沙丘(72.76mm)>阴坡固定沙丘(72.59mm)>半阳坡固定沙丘(54.95mm)。植被蒸腾是半阳坡固定和阴坡固定沙丘主要水分消耗途径,分别为237.27,168.55mm,占总水量的77.15%和54.88%,半固定沙丘因其植被稀疏、矮小,因此,植被蒸腾仅占总水量的16.59%,数值为50.4mm;在降雨量、土壤理化性质、根系分布和吸水量等多重因素的影响下,不同类型沙丘200cm土层土壤水分通量变化趋势具有一定差异性,其中半流动和半固定沙丘均在降雨较为集中的7,8月产生明显的波动性,且深层渗漏量随着降雨量的增大而增大,<10mm的降雨量,基本不会补给到200cm土层深处,深层渗漏量作为半流动和半固定沙丘的主要水分消耗,分别占总水量的57.35%和54.56%,半阳坡固定和阴坡固定沙丘与前者完全不同,仅在8月6—14日持续降雨且累积降雨量>85mm后,出现明显的通量变化,不同类型沙丘深层渗漏量表现为半流动沙丘(175.38mm)>半固定沙丘(165.76mm)>阴坡固定沙丘(57.69mm)>半阳坡固定沙丘(15.34mm)(图6)。

图5不同类型沙丘土壤水分随土层深度的变化

2.6不同类型沙丘土壤水分与环境因子的定量关系

为探究不同类型沙丘土壤水分与环境因子的相关性,本研究将沙丘土壤水分含量与环境因子进行冗余分析,分析前首先对沙丘土壤水分进行DCA检验,半流动、半固定、半阳坡固定和阴坡固定沙丘最大特征值均小于3,结果表明4种类型沙丘的土壤水分可与环境因子进行RDA分析(图7)。

以不同类型沙丘土壤水分作为响应变量组,以容重、砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量、有机质和饱和导水率为解释变量组,采用MonteCarlo对变量的显著性进行检验,半流动、半固定、半阳坡固定和阴坡固定沙丘的2个轴相关系数和环境因子的2个轴之间的相关系数均为0,表明经RDA分析的排序结果是可靠的。结果表明,半流动沙丘轴1和轴2的特征值分别是0.978和0.014,环境因子共解释了99.2%的土壤水分变化,其中容重和饱和导水率与轴1、砂粒含量及粉粒含量与轴2的相关系数均大于0.8,表明这4个环境因子对半流动沙丘土壤水分的影响较大;半固定沙丘轴1和轴2的特征值分别是0.980和0.013,环境因子共解释了99.3%的土壤水分变化,其中容重、砂粒含量、粉粒含量和饱和导水率与轴1的相关系数均大于0.9,表明容重、砂粒含量、粉粒含量和饱和导水率是影响半固定沙丘的土壤水分的主要环境因子;半阳坡固定沙丘样地中轴1和轴2的特征值分别是0.910和0.084,环境因子共解释了99.4%的土壤水分变化,其中容重、砂粒含量、粉粒含量和饱和导水率与轴2的相关系数分别为0.7271,-0.8813,0.8479和-0.9336,说明这4个因子是影响半阳坡固定沙丘土壤水分的主要环境因子;阴坡固定沙丘轴1的特征值为0.564,轴2特征值为0.420,共解释了98.4%的土壤水分变化,其中有机质、砂粒含量、粉粒含量和饱和导水率与轴1,2的相关系数均大于0.9,分别为0.9283,-0.9068,0.9085和-0.9682,表明影响阴坡固定沙丘土壤水分的主要因子为砂粒含量、粉粒含量、有机质和饱和导水率(表5)。

表5不同类型沙丘环境因子与排序轴间的相关系数

图6不同类型沙丘水分通量随时间的变化

图7不同类型沙丘土壤水分与环境因子的RDA排序


3、讨论


3.1不同类型沙丘土壤水分的时空变化特征

科尔沁沙地典型区,不同类型沙丘土壤水分循环过程不同,在整个土体剖面上土壤水分动态变化及变异性反映出一定的分层性和差异性[17]。主要是因为表层土壤水分对降雨和蒸发响应强烈,易在0—20cm土层形成干沙层,抑制了下层土壤水分的蒸发,有利于水分的保持[18],并在降雨入渗的补给下,使得下层土壤水分含量出现明显的增加趋势,随着土层深度的增加,土壤结构越紧实,且对降雨响应不明显,导致深层土壤水分维持相对稳定的状态,仅在较大降雨事件发生后呈现出增加的趋势。半阳坡固定和阴坡固定沙丘相对于前者具有较为复杂的下垫面,导致土壤水分在土体剖面上具有不同的变化规律,呈现出随土层深度的增加,土壤水分含量先减小后增大的趋势,深层土壤水分保持稳定状态。这主要是由于土壤上层植被抑制了土壤蒸发速率[19],20—80cm是细根的主要分布层位,也是植被根系吸水的关键层位,因此该层土壤水分在土壤蒸发和植被蒸腾双重作用下,土壤水分含量迅速降低,深层土壤长期接受不到降雨补给,造成该层土壤水分维持在较低水平。

由于降雨在整个生长季分布不均匀,存在明显的季节变异性,不同类型沙丘土壤水分具有典型的季节变化特征,与研究区季节性降水的变化趋势相一致[20]。这主要是由于5月开始,植被进入复苏期,植被耗水量逐日增加,而此时雨季未到,加之气温日渐回升,造成土壤水分消耗[17],7,8月降雨量开始明显增多,降雨量不仅可以满足植被蒸腾和土壤蒸发所消耗的量,还可以补给土壤水分,使得沙丘土壤水分含量出现明显的增加,9月之后,降雨量明显减弱,此时降雨量不足以满足植被蒸腾和土壤蒸发,需要消耗土壤水分保证植被生长,导致土壤贮水量开始缓慢的减小。

3.2不同类型沙丘土壤水分季节变异特征

本研究表明,不同类型沙丘土壤水分季节变异曲线具有一定的差异性,与以往研究对比分析可知,土壤水分在科尔沁沙地空间分布格局与研究区降雨、地形地貌、土壤质地及其持水性能、植被根系等空间分布规律相一致[21,22],其中半流动、半固定和阴坡固定沙丘表层土壤水分变异性大,主要是因为表层土壤水分受降雨、蒸发、再分布、植被根系分布及耗水特征有关,半阳坡固定沙丘生长的小叶锦鸡儿根系分布广泛且扎根较深,所引起的变异性规律不一致。充分把握土壤水分的时空变异特征有助于认知土壤水分对地表植被的生理过程调节功能、对包气带水平衡分析以及土壤水分储量预测和预报均具有一定积极意义[5]。

3.3不同类型沙丘水平衡分析

在科尔沁沙地SPAC(soil-plant-atmospherecontinuum)系统中,土壤水分的有效性决定着生态系统的演变,水分的竞争和植被生长的自适应机理决定着生态系统的发展趋势,水分胁迫是最基本的驱动因子[23]。本研究中,半流动和半固定沙丘因其植被稀疏,水循环过程相关简单,降雨量主要消耗于深层渗漏,一方面由于沙丘表层形成的干沙层抑制了下部土壤水分蒸发;另一方面沙丘各层土壤导水率较大,水分下渗速度较快。半阳坡固定沙丘植被蒸腾是水分消耗的主要途径,是由于该地区生长以小叶锦鸡儿沙生植被为主,相对于草本和半灌木植被,其植株长势茂盛,扎根较深,根系吸水过程强烈。阴坡固定沙丘生长以草本和半灌木植被为主,植被根系分布在0—40cm,植被蒸腾相对于土壤蒸发和深层入渗较强,这说明草本和半灌木植被为保证自身健康生长会消耗大量土壤水分,同时由于植被长势茂盛,避免了太阳光对表层土壤的直射,因此该地区土壤水分条件相对湿润。在整个研究期内,半阳坡固定沙丘植被蒸腾明显高于半流动、半固定和阴坡固定沙丘,而且土壤水分储量出现了下降趋势,土壤深层入渗量仅有15.34mm,造成深层土壤水分含量接近残余含水率,严重影响小叶锦鸡儿植被群落生存状态。因此,对于半干旱沙丘地区灌木丛的增多是生态平衡的潜在危机,水资源的优化配置和高效利用影响着土壤-植被的演变方向[23]。这也进一步说明,要想生态系统保持健康、稳定及平衡的发展,长期的生态水文监测是非常有必要的,只有了解并预测土壤-植被的演变规律和水文等气象要素的变化周期,才能有效把握研究区水平衡的发展趋势。

3.4不同类型沙丘土壤水分变化的影响因素

研究[24]表明,土壤容重、粒径分布、有机质及饱和导水率等是影响土壤水分入渗及水分分布格局的重要影响因素。本研究利用冗余分析将沙丘土壤水分与砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量、容重、有机质及饱和导水率建立RDA排序图(图7)发现,砂粒含量、粉粒含量和饱和导水率与不同类型沙丘土壤水分均呈显著相关,说明粒径分布格局直接影响土壤的持水性能,砂粒含量越多,土壤毛管孔隙越少,比表面积越小,土壤吸附能力越弱[25,26],进而影响土壤水分的下渗速率。容重与半流动、半固定及半阳坡固定沙丘具有较好的相关性,说明容重对土壤水分具有一定的影响作用。土壤扩散率是容重的直接体现,沙丘土壤水分含量整体降低,土壤吸渗的水分仅满足土壤颗粒表面所吸持的膜状水和细小孔隙的毛管水,因而扩散率低,当土壤含水率受到降雨入渗补给时,此时土壤水分含量较高,充斥于土壤孔隙的自由水相对较多,容重较小的土层,由于孔隙数量较多,允许水分扩散的空间较充足,土壤水分的扩散率也相对较大;反之,容重大的土层,土壤水分的扩散率较小[27]。有机质仅与阴坡固定沙丘有较好的相关性,这说明有机质对植被高覆盖度地区土壤水分的保持具有一定的促进作用。有机质作为土壤的重要组成部分,随着植被演替的进行,土壤各层逐渐积累有机质,以土壤表层的积累最为显著,且随着演替时间的延长,有机质积累的层次逐渐加深[28,29]。土壤有机质含量的增加,一方面改善了土壤结构,使孔隙度增加;另一方面改变了土壤的胶体状况,使土壤吸附作用增强,这两方面的作用都有利于土壤水分的保持,从而使土壤含水量增加[30]。本文仅初步分析土壤理化性质对土壤水分的影响作用,未来需要扩展到空间尺度上,分析地形地貌,植被组成、气候变化等因素对土壤水分的作用机理分析。


4、结论


(1)不同类型沙丘土壤水分具有典型的时空变化特征,垂向上,土壤水分变化趋势由半流动沙丘的“镜像S”形逐渐过渡到阴坡固定沙丘的“S”形;时间尺度上,土壤水分具有明显的季节变化特征,表现为“正态分布”形。沙丘土壤储水量由大到小依次为阴坡固定沙丘>半流动沙丘>半固定沙丘>半阳坡固定沙丘。

(2)不同类型沙丘土壤水分均属于中等变异,半流动、半固定及阴坡固定沙丘均表现为随土层深度的增加变异性减弱,半阳坡固定沙丘变异性在整个土层上表现为“S”形,最大变异系数为75.45%。

(3)半流动和半固定沙丘深层渗漏量较相似,均是降雨的主要转化形式,分别占总降雨量的57.35%和54.56%;半阳坡固定和阴坡固定沙丘植被蒸腾是降雨的主要转化形式,但受阴阳坡和植被根系的影响,又表现出差异性,分别占总降雨量的77.15%和54.88%。

(4)干容重、砂粒含量、粉粒含量和饱和导水率是影响半流动、半固定和半阳坡固定沙丘土壤水分的主要环境因子;固定沙丘土壤水分主要影响因子为砂粒含量、粉粒含量、有机质和饱和导水率。


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基金:国家自然科学基金重点国际合作研究、地区、青年项目(51620105003,51869017,51809141);教育部创新团队发展计划项目(IRT_17R60);科技部重点领域创新团队项目(2015RA4013);内蒙古自治区草原英才产业创新人才团队、内蒙古农业大学寒旱区水资源利用创新团队项目(NDTD2010-6).

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期刊名称:土壤学报

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主管单位:中国科学院

主办单位:中国土壤学会

出版地方:江苏

专业分类:农业

国际刊号:0564-3929

国内刊号:32-1119/P

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创刊时间:1948年

发行周期:双月刊

期刊开本:大16开

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