河西走廊绿洲边缘降水对土壤水分特征的影响

Effect of precipitation on soil moisture characteristics at the oasis edge of the Hexi corridor

摘要

目的 探究干旱地区间断性和不可预知特征的降水对土壤水分特征的影响，为荒漠绿洲过渡区的生态建设和恢复提供理论依据。 方法 通过对河西走廊绿洲边缘的沙质荒漠和砾质荒漠土壤水分的长期观测，结合当地气象数据，分析降水对土壤水分特征的影响。 结果 研究区域沙质和砾质荒漠的土壤水分处于中等变异程度，沙质荒漠土壤含水量的最大值为6.61%、砾质荒漠土壤含水量的最大值为11.81%，与降水量的最大值均出现在7月，土壤水分同降水量存在正相关关系。荒漠绿洲区土壤水分在垂直空间上随着土层深度的增加，土壤水分变异系数减小，土壤水分变化由活跃逐渐趋于稳定。但降水沙质荒漠和砾质荒漠区土壤水分的影响存在显著差异，沙质荒漠土壤以自上而下的活塞式下渗为主，降水以逐层向下的方式入渗，下层土壤接受降水补给时具有滞后性。而砾质土壤各层对降水的反应迅速，能够通过大孔隙快速补给下层土壤，水分迅速入渗至深层土壤中。 结论 河西走廊绿洲边缘的土壤水分受土壤类型的影响，降水对其影响有差异，根据不同的土壤水分变化特征，科学开展生态建设和恢复，对绿洲边缘生态系统的可持续发展有重要意义。

Abstract

Objective The effects of intermittent and unpredictable precipitation on soil moisture characteristics in arid areas were studied to provide a theoretical basis for ecological construction and restoration in transitional desert-oasis areas. Method Based on the long-term observation of soil moisture in sandy and gravelly deserts at the edge of the Hexi corridor，the effects of precipitation on soil moisture characteristics were analyzed. Result The soil moisture of sandy and gravelly deserts in the study area is in the middle range of variation.The maximum moisture content of desert and gravel desert soils is 6.61% and 11.81% respectively.The maximum values of soil moisture and precipitation both occurred in July and they showed a positive correlation.As the depth of the soil layer increases，the coefficient of variation of soil moisture decreases and the variation of soil moisture tends to be stable.However，the response of soil moisture to rainfall pulse is different in sandy desert and gravelly desert areas.The main infiltration mode of sandy desert soil is piston infiltration from top to bottom，the lower soil has hysteresis when it receives precipitation recharge.The response of each layer of gravelly soil to precipitation is rapid，and soil moisture can be quickly replenished to the lower layer through macropores to penetrate into the deep soil. Conclusion Soil moisture content in an oasis edge of Hexi corridor is affected by soil type and has different responses to precipitation pulses.According to different soil moisture change characteristics，ecological construction and restoration should be carried out scientifically，it is of great significance to the sustainable development of oasis edge ecosystem.

Graphical abstract

关键词

土壤水分 / 降水 / 绿洲边缘 / 沙质荒漠 / 砾质荒漠

Key words

soil moisture / precipitation / edge of oasis / sandy desert / gravel desert

在全球变暖的背景下，气候变化加剧，主要表现为气温的上升和更加频繁发生的暴雨、洪水、干旱等极端事件^［1-2］。我国北方干旱半干旱区温度增加显著，导致潜在蒸发增强^［3］，干旱化加剧，水资源越发匮乏，生态水文过程也随之改变，必然对植被生长以及土地退化产生影响^［4］。这些变化促进了荒漠化的发生与扩张，进而威胁到人类的生存与可持续发展。其中气候变化影响着大气降水中降水量、降水频率、降水强度以及降水的季节分配等变化^［5-6］，而降水是引起土壤水分的波动的主要原因，其变化会导致土壤水分的可变性增加。土壤水分作为水文循环的重要组成部分，也是土壤养分循环不可或缺的载体^［7］，其高低决定着植物生存繁衍的难易程度，承担调节生态系统结构和功能的作用^［8］。在干旱环境中，土壤水分是植被生存和发展的主要限制因子^［9］，是控制荒漠化的主要制约因素^［10］。维持植物生长的土壤水分主要由大气降水提供，因此土壤水分受降水的影响强烈^［11-12］。土壤水分与气候之间的相互作用值得瞩目，研究它的时空变化有助于在水文过程与生态格局之间建立定量的联系^［13-14］。

土壤水分的动态变化是多种环境因子综合影响作用之后所产生的结果，目前对于降水影响土壤水分动态变化的研究主要集中在时间与空间两个方面上。在时间方面多为季节变化和年际变化，由于不同地区气候环境存在差异，导致各地区土壤水分的季节性变化也有所不同^［15］。在同一地区降水格局一致的情况下，土壤水分则因为土壤类型不同而产生差异。降水对干旱区土壤水分的影响研究目前较少，多数研究关注土壤水分变化导致的植被分布差异。通常砾质荒漠的土壤条件以及地表小气候都不如沙质荒漠，而且地下水埋藏很深，导致砾质荒漠植被覆盖很少^［16］。降水事件后沙质荒漠植被对降水的反应比砾质荒漠植被更加敏感^［17］。沙质荒漠中植被分布较为集中连片，砾质荒漠植株分布较为随机分散^［18-19］。也有研究表明砾质沙漠的浅层土壤持水能力强于沙漠^［20］，但土壤水分垂直变化较大^［21］。在土壤水分的空间变化方面主要关注垂直变化和水平变化^［7］，其中对于水平变化的研究还不尽完善，主要集中研究垂直变化特征，例如土壤水分垂直剖面的分层，经验法、变异系数和标准差判别法应用较广^［22-23］。研究表明气象因素对不同深度的土壤水分影响有所不同，表层土壤水分同其相关值最大，而中层土壤水分对降水影响存在滞后性^［24］。邱扬等研究指出，随降水量增大，土壤平均含水量增大且空间变异性减小^［25］。干旱半干旱地区的降水表现出明显的脉动性，常昌明等^［26］、刘冰等^［27］和赵文智等^［28］研究发现，5 mm以上的降水能补充至较深层的土壤水分，而小于5 mm则对浅根植物的生存有重要意义。可见降水对不同土质、土壤深度的土壤水分影响存有差异。

在应对荒漠化问题时，绿洲边缘作为绿洲与荒漠之间的连接过渡区域是不容忽视的存在^［29］。绿洲边缘植物种类少且生态环境脆弱，因临近荒漠区而降水偏少且具有较大的变异性，降水事件的间断性和不可预知特征导致土壤水分等关键资源的可获得性也呈不连续的脉冲状态^［30］。降水进入土壤转为土壤水分被植物根系吸收利用，以间接影响生态环境的优劣。为了防止盲目治沙造林活动对干旱区植被与水文产生负面影响，避免干旱半干旱区生态环境恶化，开展干旱半干旱区降水对土壤水分影响的研究显得十分必要。本研究着眼于绿洲边缘地区，对其土壤水分特征及降水脉冲对其影响进行研究，能更好地理解干旱区水分循环特征以应对未来降水变化，探究干旱荒漠绿洲区植被退化与恢复机理，在科学研究的基础上采取适当措施抵御荒漠化，有利于因地制宜地构建人工植被群落体系，以形成合理的生态水文格局^［31］，对生态系统的保护恢复和可持续发展十分有益。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区地处甘肃省张掖市临泽县以北的绿洲边缘地区（N 39°22′~39°23′，E 100°07′~100°08′），临泽绿洲与巴丹吉林沙漠交汇于此，属于河西走廊中部、黑河流域中游地区（图1）。区域内气候冬寒夏热为典型的温带大陆性荒漠气候，年均气温7.6 ℃，极端最高气温达到39 ℃，极端最低气温为-27 ℃，降水稀少且分布不均，年均降水量为110.3 mm（1965~2012 a），年蒸发量为2 390 mm，降水以小降水事件为主，集中于5月至9月且占全年降水总量的80%左右^［32］。区域内年均风速3.2 m/s，最大风速21 m/s，年风速大于17 m/s的天数15 d，强烈的风沙活动多集中于3~5月。荒漠绿洲过渡带的地带性土壤主要为灰棕漠土和风沙土，区域内地带性植被为中温带荒漠化草原植被，主要由超旱生灌木、半灌木或盐生、旱生肉质半灌木组成^［33］。植被构成简单，以沙生灌木和一年生草本植物为主，沙质荒漠区以沙拐枣（Calligonum mongolicum）、泡泡刺（Nitraria sibirica）为建群种，砾质荒漠区以红砂 （Reaumuria songarica）、泡泡刺为建群种。此外常见的灌木有梭梭（Haloxylon Bunge）和柽柳（Tamarix chinensis），常见草本植物有雾冰藜（Bassia dasyphylla）和白茎盐生草（Halogeton arachnoideus）等 ^［32］。

1.2 样品采集

2014年5月至10月期间，试验在中国科学院临泽内陆河流域研究站附近的荒漠区进行，将同属一个降水区域的沙质荒漠和砾质荒漠土壤作为研究对象，观测试验期间降水脉冲对土壤水分的影响。

降水数据通过位于临泽的气象站获得，将间隔大于24 h的降水作为2次独立的降水^［34-35］，参考降水量等级国家标准GB/T 28592-2012并根据研究区降水状况，将观测期间的降水事件按降水量分为0.1~2 mm、2.1~5 mm、5.1~10 mm及>10 mm，共4个量级。

土壤取样于观测期间的每月中下旬以及降水前后进行，在土壤水分观测的固定测定地点内，沙质荒漠土壤和砾质荒漠土壤各选取3点，进行3次重复采样。土壤采样深度为100 cm，采样间隔为每10 cm为一层进行取样。土壤水分的测定方法采用人工称重烘干法，所取土壤样品置于铝盒中，及时称湿重并记录数据，之后放入烘箱，温度105 ℃烘12 h，烘干至恒质量，称质量并记录数据计算得到土壤含水量。

1.3 数据统计分析

采用 Excel 2019整理计算数据，运用经典统计学方法得出沙质荒漠和砾质荒漠土壤含水量的平均值、变异系数等数据，以此衡量2种类型土壤水分的平均状况和总变异程度。采用Origin 2021对降水、土壤水分数据转化为图表以便于进一步描述分析。

2 结果与分析

2.1 降水分布特征

从图2-A可以看出，研究区降水分布不均，具有显著的季节变化特征，观测期间（5~10月）共计有34次降水，累计总降水量为98.6 mm。月降水量之间有较大差别，表现为7月降水量最多，为34 mm，9月降水量最少，为2.4 mm。降水集中在6~8月，正值夏季，雨水充沛，累计降水量85.8 mm，占了观测期间总降水量的87%。由图2-B所示，观测期间所发生的34次降水事件中，0.1~2、2.1~5、5.1~10 mm及>10 mm的降水事件分别发生了17次、11次、5次及1次，累计降水量分别达到12.6、36.6、30.6 mm、18.8 mm。

2.2 土壤水分特征及其变化规律

数据计算后得出沙质荒漠和砾质荒漠土壤含水量的平均值、变异系数等数据，其中变异系数（CV）可以反映土壤水分的空间分布特征，变异系数越大，表明土壤水分变化越剧烈，一般认为变异系数小于10%时属于弱变异，在10%~100%之间属于中等变异，大于100%时属于强变异^［36］。

不同月份的沙质荒漠与砾质荒漠0~100 cm土壤水分特征描述统计如表1所示，沙质荒漠在5~10月土壤水分均值介于1.04%~1.69%，变异系数为27.89%~73.75%。砾质荒漠在5~10月土壤水分均值介于1.06%~3.14%，土壤水分变异系数为32.26%~86.54%。在7月二者土壤水分的均值与变异系数皆为最大值。

不同深度的沙质荒漠土壤与砾质荒漠土壤水分特征描述统计如表2所示，沙质荒漠各层土壤水分均值介于0.97%~1.48%，土壤含水量变异系数为9.68%~60.71%。砾质荒漠各层土壤水分均值介于1.56%~2.55%，土壤含水量变异系数为21.70%~73.51%。在0~100 cm的深度区间内，沙质荒漠土壤含水量低于砾质荒漠。二者的土壤含水量都处于中等变异（10%≤CV≤100%）程度。在表层0~10 cm砾质荒漠土壤水分的变异性强于沙质荒漠，在10~30 cm土层砾质荒漠土壤水分的变异性弱于沙质荒漠，30 cm~90 cm砾质荒漠土壤水分的变异性强于沙质荒漠。100 cm的沙质荒漠土壤含水量变异系数出现激增至48.74%的情况，变异强于同一深度土壤含水量变异系数为21.70%的砾质荒漠土壤。随着土壤深度的增加，土壤含水量的变异系数在减小，土壤水分变化程度呈现缩减的趋势，即土壤含水量在空间上分布随土壤深度的增加逐渐趋于稳定。

沙质和砾质荒漠土壤水分特征变化如图3所示，存在着明显的季节特征以及分层现象，沙质和砾质荒漠土壤含水量的高峰出现在夏季7月。气象因素对0~30 cm土层的土壤水分变化影响最为明显。5~7月，沙质和砾质土壤在0~30 cm随着土壤深度增加，土壤含水量呈现缩减的趋势。8月沙质荒漠土壤水分在0~40 cm变化不明显有细微缩减。同月砾质荒漠土壤水分0~30 cm的变化不明显但细微增加。9、10月沙质和砾质土壤在0~30 cm随土壤深度增加，土壤含水量呈现增长趋势。

砾质荒漠土壤水分垂直变化波动比沙质荒漠土壤剧烈，土壤水分变化更为复杂。其中6月和7月的频繁降水使得0~10 cm土层平均含水量突出，而9、10月0~10 cm土层的土壤水分流失比沙质荒漠土壤更加严重。砾质土壤中存在的大孔隙使土壤水分入渗速度加快，快速下渗可以将更多的水分输入到深层土壤，从而有效减少由蒸散发而造成的水分损耗，使砾质荒漠土壤含水量总体上高于沙质荒漠土壤。

2.3 不同降水量对土壤水分的影响

沙质荒漠和砾质荒漠同属一个降水区域，降水事件的发生对二者土壤水分的影响存在差异（图4）。

5.8 mm降水后第1、2天（年积日178、179）沙质土壤中20~50、50~100 cm层土壤含水量无明显变化，0~10、10~20 cm层土壤含水量有所增长后再下降，降水后的第3天（年积日180）0~10 cm层土壤含水量仍在下降，10~20、30~50 cm层土壤含水量有所增长，50~100 cm层的土壤含水量始终保持较稳定的状态，5.8 mm的降水无法有效补给到沙质土壤50~100 cm土层，且降水向下逐渐入渗，使降水的补给作用有滞后性。砾质土壤在5.8 mm降水后0~10 cm层土壤含水量在第1天（年积日178）增长显著后逐步降低，10~20、20~50 cm层土壤含水量波动不明显，50~100 cm层土壤含水量在降水后第1、3天（年积日178、180）有小幅度增长。

在24.8 mm 降水后第1天（年积日204）沙质土壤的0~10、10~20、20~50 cm土壤含水量都达到了最大值，50~100 cm层也达到了第一个峰值。降水后第5天（年积日208）沙质土壤的0~10、10~20、20~50 cm土壤含水量逐步减少，50~100 cm土壤含水量逐步增长达到最大值。降水对砾质土壤各层的影响显著，在24.8 mm 降水后第1天（年积日204）时，0~100 cm的各层土壤含水量都达到了峰值。降水后第3天（年积日206）0~10 cm层土壤含水量达到最大值，降水后第5天（年积日208）10~20 cm层土壤含水量达到最大值，降水后第8天（年积日211）50~100 cm层土壤含水量达到最大值。8.0 mm的降水发生于前一次降水后的第12天（年积日215），引发了新一轮变化幅度相对较小的土壤含水量变化。

3 讨论

3.1 荒漠绿洲区降水与土壤水分动态变化规律

观测期内研究区34次降水事件中，0.1~2 mm级别的降水事件频数多达17次，累计降水量少，仅占观测期间总降水量的12.78%。随着降水量级级别的升高，降水频数逐步减少，大于5 mm级别的降水事件频数仅有6次，但占观测期间总降水量的50.1%。河西走廊绿洲边缘区域沙质和砾质荒漠的土壤水分最大值同降水量的最大值皆出现于7月，充分的降水使土壤水分变化活跃、变异性最强。9月、10月降水逐渐减少，土壤含水量也随之下降，直至气温降低使土壤冻结。说明研究区内降水以小降水事件为主，土壤水分与降水的季节分布紧密关联，呈现显著的季节变化效应。土壤水分峰值的出现通常是由降水峰值所导致的^［37］。尤其是表层土壤水分跟降水季节变化呈现出显著的相关关系。梁香寒^［22］在毛乌素沙地发现每年8月，土壤含水量会随着降水增加而整体上显著上升，在降水后短时间内，浅层土壤含水量最大可达17%以上。陈敏玲等^［8］在内蒙古多伦和锡林浩特，对两个典型半干旱草原群落进行研究时，土壤含水量均呈现显著的季节变化，尤其是土壤表层0~10 cm的水分波动会更为剧烈。

研究中沙质荒漠和砾质荒漠在0~100 cm土层范围的土壤含水量都处于中等变异程度，表层土壤的土壤水分比深层土壤活跃。随着土层深度的增加，土壤水分变异系数逐步减小表明土壤水分变化逐渐平缓。0~100 cm的沙质和砾质荒漠土壤的土壤水分总体呈先增大后减小的结果。在干旱区关于土壤水分的多数研究发现随土壤深度的增加，土壤水分呈现先增后减再增的总趋势^［38］，如姚淑霞等^［39］等人对沙地草原的研究发现，随着土层厚度的增加，0~40 cm土壤含水量增加，40~100 cm土壤含水量减小，100~160 cm土壤含水量又有增加趋势。周川等^［40］也发现在临泽北部河流-绿洲-荒漠过渡地区的土壤含水率会随土层深度增加而呈现先增大后减小再增大的趋势。以上结论与本研究结论有类似之处，对比与其他研究的差异，本次研究未能看到土壤水分再增大的趋势应是研究土层深度不足而导致的。土壤水分垂直空间上分布特征及其变化存有规律的同时也存有差异。本研究中沙质荒漠的变异程度弱于砾质荒漠，即沙质荒漠土壤水分变化不如砾质荒漠土壤水分变化剧烈。对照土壤水分在垂直空间的分布受到土壤类型、土壤蒸发、植被蒸腾及植物根系分布等因素的影响从而表现出差异^［41］的结论，本研究中的差异主要是由土壤类型不同所造成的。

3.2 降水事件对土壤水分的影响

河西走廊绿洲边缘以小于5 mm降水事件为主，不同量级的降水对土壤水分的影响不同，小于1 mm降水事件由于蒸散作用导致土壤水分几乎没有变化，1~2 mm降水事件会在短时间内引起0~10 cm表层土壤的水分变化，5~10mm降水事件在降水后1~3天至少引起0~50 cm土层的土壤水分变化。大于20 mm降水事件在降水后的3~8天对50~100 cm土层的土壤水分起到补给作用。在乌兰布和沙漠区，小于10 mm的降水事件只能补给0~10 cm土层土壤水分，10~20 mm的降水事件对土壤水分的补给深度能达到20 cm^［12］。一部分实验认为小于5 mm的降水事件不能补充土壤水分无法被植被所利用。原鹏飞等^［42］发现降水量在5~10 mm时只能被部分浅根性草本所利用，只有当降水量大于10 mm时，才能在沙地近地表水分循环中起到重要作用。陈娟等^［43］发现降水量在5~25 mm对0~20 cm土层土壤水分起到补给作用。但也有研究认为小于5 mm的降水事件能使大气湿度增加、土壤表面湿润以此起到缓解植物干旱胁迫的作用，对干旱生态系统也至关重要^［44］。陈敏玲等^［8］研究发现大于2 mm的日降水量在内蒙古多伦和锡林浩特的半干旱草原具有湿润表层土壤的作用且可作为该地区生态系统的有效降水量。魏雅芬等^［45］在库布齐沙漠研究发现5 mm以下的降水事件在一定程度上能起到增加空气湿度、降低局部气温的作用。

沙质荒漠和砾质荒漠土壤不同深度的水分动态变化与降水量的动态变化基本一致，降水量增加则相对应的土壤水分增加更显著且变化更剧烈，土壤含水量总体随着降水量的增加而增加，在0~100 cm范围，砾质荒漠的土壤含水量总体高于沙质荒漠，在50~100 cm的沙质荒漠土壤含水量多数情况下稳定在2%以下，而50~100 cm的砾质荒漠土壤含水量则随降水量的大小变化存在波动，并非处于一个相对稳定的范围内。同一降水事件对不同类型土壤的水分补给深度存在差异，研究中5~10 mm降水事件对沙质荒漠土壤0~50 cm土层的土壤水分起到补充水分的作用，而对砾质荒漠土壤水分的补充作用可达到更深层的50~100 cm土层。相同降水量对砾质荒漠土壤的影响强于沙质荒漠土壤，且对砾质荒漠土壤的水分补给效果要好于沙质荒漠土壤。虽然降水量大小是影响土壤水分补给深度的决定性因素^［45］，但降水强度、土壤质地以及植被类型等其他因素也会对土壤水分补给深度产生影响。正如常昌明等发现5 mm降水事件对荒漠草原地表以下15 cm处的土壤水分没有影响^［26］，但对荒漠区沙地地表以下30 cm的土壤水分有补充作用^［46］。

对于24.8 mm 的降水事件，沙质荒漠土壤降水后第1天0~50 cm土层土壤含水量达到了最大值，到降水后第5天50~100 cm土层土壤含水量才逐步增长达到最大值。砾质荒漠土壤在降水后第3天0~10 cm土层土壤含水量达到最大值，降水后第5天10~20 cm土层土壤含水量达到最大值，降水后第8天0~100 cm土层土壤含水量达到最大值。说明沙质荒漠和砾质荒漠土壤对降水事件做出的反应都存在滞后性，随着土层深度的增加，滞后性的表现更加明显。该现象与刘冰等^［27］和于晓娜等^［47］的研究结论相吻合。对于降水入渗过程中，沙质荒漠土壤和砾质荒漠土壤的滞后性表现的不同，是不同类型土壤中降水入渗的方式有差异。降水在沙质荒漠土壤主要是逐层向下缓慢入渗，在砾质土壤中因大孔隙的存在而迅速入渗。

4 结论

基于研究区 2014年5月至10月沙质和砾质荒漠土壤水分数据，结合区域降水数据，对河西走廊绿洲边缘降水对土壤水分特征的影响进行了分析，得出以下结论：

1） 观测期间，研究区降水以小于5 mm降水事件为主，分布不均且季节差异明显。荒漠绿洲区土壤水分变化同降水变化相关，存在明显季节特征。沙质荒漠土壤含水量的最大值6.61%、砾质荒漠土壤含水量的最大值为11.81%，与降水量的最大值均出现在7月，土壤水分同降水量存在正相关关系。

2） 在0~100 cm深度的沙质荒漠和砾质荒漠土壤含水量先增大后减小，都处于中等变异程度，砾质荒漠土壤的土壤含水量总体高于沙质荒漠土壤，其土壤水分变化波动比沙质荒漠土壤更为剧烈。荒漠绿洲区土壤水分在垂直空间上存在分层现象，随着土层深度的增加，土壤水分变异系数减小，土壤水分变化由活跃逐渐趋于稳定。

3） 降水事件后水分下渗土层深度主要由降水量级主导，不同量级的降水在土壤中的入渗深度存在显著差异。降水入渗土壤存在滞后性，土层越深时滞后性表现越明显。同一降水量下，经过相同时间后砾质荒漠土壤的水分入渗深度深于沙质荒漠土壤。降水入渗土壤的方式受土壤类型影响，沙质土壤中降水入渗以逐层向下入渗的方式为主，下层土壤接受的降水补给滞后，而砾质土壤各层对降水反应迅速，能够通过大孔隙快速补给下层土壤水分，迅速入渗至更深层的土壤中。

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基金资助

国家自然科学基金项目(32171876)