土壤水分對模擬降雨的響應

毛烏素沙地固定沙地植被的類型主要包括艾蒿和楊柴等半灌木群落。它們在固沙方面發(fā)揮著極為重要的作用,又是重要的放牧場。但是,它們一個共同的特點是生長在老固定沙地上的明顯不如生長在新固定沙地上的好,常常表現(xiàn)出衰敗的跡象。對這種現(xiàn)象的一般解釋是沙地固定前土層中原來貯藏有較多的水分,隨著植物的生長和沙地的固定,這部分水分逐漸被植物消耗掉了,由此導致土壤含水量下降。當土壤水分的供應不能滿足植物的需求時,植物的生長就受到抑制,生活力隨之下降。然而,以最大田間持水量來計算,流動沙地1m深土層中所含有的水量也不過100mm左右,其中植物可以利用的有效水分也僅70mm左右。況且,每年早春的時候,流動沙地和固定沙地的土壤含水量的差別也很小,都遠低于最大田間持水量。顯然,沙層貯藏的水分不足以導致生長在老固定沙地和新固定沙地上的植物產(chǎn)生明顯的差異,其它因素導致土壤水分不能滿足植物需求的可能性更大。毛烏素沙地沙丘上的風沙土,沙粒含量高,粉粒和粘粒含量偏低,有機質含量少,土粒結合松散。因此,土壤的滲透性好,毛管力弱,持水能力低。流動沙地地表植被稀疏,地表易受風蝕,沙土常有移動,因而,土層的質地和結構比較均勻。固定沙地的植被覆蓋度一般比較大,地表也較為穩(wěn)定,并且常有從空氣中降落的塵土等細粒物質的積累(丘明新,1984;丘國玉等,1993)。地表積累的細土與上述風沙土在性質上有較大的差異,表現(xiàn)在粉粒和粘粒的含量較高,結構較為密實,滲透性減小,毛管力和持水能力強等方面。這些直接影響土壤水分運動規(guī)律的因素顯然會對土壤含水量有一定的影響,進而影響植物的生長。然而,沙地表土層發(fā)生的變化導致土壤含水量有多大的變化,雨水可利用性有多大的變化,以及這些變化對植被有怎樣的影響,至今報道的仍然很少(張強,1983;丘明新,1984;丘國玉等,1993)。這項研究在為期一年的時間內實際測量和比較了固定沙地和流動沙地的土壤含水量,通過計算討論了不同大小雨量對土壤水分補給的有效性。1樣品的采集和測定研究地點位于內蒙古伊金霍洛旗石灰廟的中國科學院鄂爾多斯沙地生態(tài)實驗站。站址海拔約1300m,年平均氣溫6.3℃,年平均降水量約360mm,但降水主要集中在7、8、9三個月,占年降水量的60%～70%(張新時,1994)。在實驗站周圍的流動沙地上和固定沙地上各選擇一塊固定樣地用來采取土壤樣本。在植物生長季節(jié)內每月采取兩次進行測定,在非生長季節(jié)內減少采樣次數(shù),一年內共采取15次樣本。為了更好地分析土壤含水量的變化規(guī)律,每次采樣時除注明自從前一次采樣以來的天氣變化過程和降水量外,還在野外對植物的生長狀況和其它植物群落學特征均做了較詳細的記錄,對植物根系在土層中的分布和土壤剖面的特征也做了盡可能詳細的描述。土壤含水量的測定采用土樣烘干稱重法。用土鉆分層鉆取土樣,第一層為干沙層,厚度視取樣時的具體情況而定。第二層為地表以下15cm以上的濕沙層。以下各層的厚度均為15cm,直到150cm深,共11層。土樣取回后立即稱重得土樣的濕重W1。然后在105℃烘干24h,待冷卻后稱重得土樣的干重W2。土壤容重(Suw)采用環(huán)刀法分層取樣、烘干、稱重。由此計算得到每個土樣的重量百分比含水量(Mc%):Mc%=(W1-W2)/W2×100%由土樣的重量百分比含水量和土樣的容重還可以計算出該土層所含水分的絕對數(shù)量(以mm水層厚度計):Wth(mm)=(Sth×Suw×Mc%)其中,Sth是土層的厚度。由各土層所含水分的絕對數(shù)量相加則可得知一定厚度沙層的土壤絕對含水量。2對水分的分層容積流動沙地地表干沙層的厚度在冬季平均為6.6±1.7cm,明顯大于固定沙地的3.4±0.4cm。然而,在植物生長季(也是雨季)流動沙地地表干沙層的厚度平均僅1.8±0.4cm,略小于固定沙地的2.6±0.8cm,干沙層的厚度也隨當時降雨的情況而有較大的變化。多日無雨后,固定沙地的干沙層厚度一般大于流動沙地的。由于植物對水分的消耗,流動沙地沙層的土壤絕對含水量全年高于固定沙地的(表1),而且,這種差異在植物生長季極為明顯,在冬季則沒有顯著的區(qū)別,例如,流動沙地和固定沙地0～100cm沙層的土壤絕對含水量在植物生長季分別為82.5±3.2mm和62.5±3.6mm,而在冬季分別為59.7±5.4mm和55.3±8.0mm。流動沙地與固定沙地土壤含水量的區(qū)別還表現(xiàn)在對水分的分層容納方面。圖1是5次不同時期采樣測定的結果。在冬末春初(圖1a,2月16日采樣),流動沙地和固定沙地的土壤含水量是全年最低的。流動沙地的土壤含水量除了表層約12cm的小于固定沙地的以外,12～80cm深土層的含水量約為固定沙地的1.5倍,85cm以下基本一致。初夏(圖1b,5月17日采樣),中雨(5月15日降水4.5mm,16日降水10.5mm)以后,雨水還主要存留在表土層(接近最大田間持水量),固定沙地的遠高于流動沙地的。表土層以下流動沙地的土壤水分已得到補充,含水量明顯高于固定沙地的。仲夏(圖1c,7月5日采樣),固定沙地上的植物消耗掉了土層中的大量水分,使固定沙地根系層土壤含水量降到2%(重量百分比)以下,流動沙地的仍接近4%(圖1c,50cm以下部分)。大雨以后(7月4日降水41mm),土層水分得到迅速的補充,表土層首先吸收截留部分降水。由于固定沙地表土和根系層土壤吸收截留的水分遠多于流動沙地的,所以雨水下滲的速率慢,深度淺,但通過計算可知,即使在固定沙地,水分也可以下滲到1m以下,接上深位的濕沙層。8月4日(圖1d)的剖面是雨后數(shù)天的土壤含水量情況,雨前固定沙地根系層土壤含水量接近2%,而流動沙地的高于4%。從含水量峰值及其深度可知此次降水下滲勢頭較小,在固定沙地很難下滲到60cm以下,潤透干沙層,而在流動沙地則已經(jīng)達到這一深度。深秋(圖1e),降雨減少,雖然此時植物對土層水分的消耗已基本停止,但固定沙地80cm以上沙層的含水量(約為2.5%)還是低于流動沙地的(約為4.4%)。但是,隨著土壤水分在重力作用下的運動,含水量較高的流動沙地下滲失水將多于固定沙地的。因此,固定沙地和流動沙地的土壤含水量之間的差異在冬季將逐漸縮小,直到雨季(生長季)再次來臨。3降雨時的降雨上述結果表明,導致生長在流動沙地或新固定的沙地上的植物好于生長在老固定沙地上的植物的主要原因不可能是老固定沙地沙層中貯藏的水分較少,而可能是在固定沙地上降雨對土壤水分的補充效應較低,因為老固定沙地粘重的表土層和較多的有機質含量對降雨補充土壤水分的有效性有顯著的影響。暴雨也會在老固定沙地上產(chǎn)生地表徑流。固定沙地土壤表層大約每年可積累2～3mm厚的塵土。這層細土質地較流動沙地的粘重,持水能力自然也較強,因此,固定沙地表土層能夠容納截留較多的雨水。據(jù)測定,雨后次日流動沙地表土層含水量一般在2%左右,而固定沙地的一般在10%以上。由于表層所容納的雨水中的大部分一般會在雨后數(shù)日蒸發(fā)掉,不能為植物所利用,降雨的可利用性在表土層不同的沙地也就不一樣。不同大小的降雨量對土壤水分的補充效應在流動沙地和固定沙地也是有明顯區(qū)別的。圖2表示的是根據(jù)計算在有5mm、25mm、50mm降雨后次日流動沙地和固定沙地土壤含水量的大致分布格局。圖中假設,降雨前20cm以下土層的水分含量在流動沙地為4%左右,在固定沙地為3%左右(通?？赡芨?,沙層土壤的持水量為5%,含水量大于5%的沙層水分將繼續(xù)下滲。當降雨量小于或等于1mm時,雨水在流動沙地僅能濕潤地表層3～4cm,在固定沙地濕潤還不到1cm,雨水一般在雨后會很快地蒸發(fā)掉。當降雨量為5mm時,在流動沙地雨水一般可以在次日下滲到20cm深,雖然表土中持有的部分水分(以3cm干沙層計算,約0.5～1mm降雨量)將會在隨后的時間蒸發(fā)掉,但大部分降水還是可以進入根系分布的沙層。然而,在固定沙地,雨水主要被表土層截留(以3cm表層計算,約4mm的降雨量),下滲的深度一般約5cm左右,雨后絕大部分的雨水會被蒸發(fā)掉。由此還可以認定,當降雨量大于5mm,兩次降雨的時間間隔足以使表土層中的大部分水分蒸發(fā)掉時,每次降雨時固定沙地表土層可比流動沙地的多截留3mm左右的雨量。當雨量為25mm時,雨水一般在數(shù)日內就能下滲到流動沙地的土壤深層,在固定沙地雨水則可以滲入到油蒿等半灌木的根系層,除表土層截留的外,絕大部分降水可以為植物利用。50mm降雨時,在流動沙地雨水除了以更快的速率更多地滲入深土層外,與25mm降雨時沒有太大的差異。在固定沙地,根系層能夠容納的水量與其干燥的程度有直接的關系。同樣以土層含水量3%計算,土層容納不了這樣多的雨水,有相當部分的雨水要下滲到植物難以利用的深度,補充到地下水。由此可知,能正好濕潤根系層的雨量的可利用率最高,小于5mm的降雨對固定沙地灌木根系層土壤水分的補充基本沒有效果。小于1mm的降雨對流動沙地和固定沙地根系層土壤水分的補充都沒有效果。毛烏素沙地的降雨特點可以用1991～1993年間的觀測結果來表述。3年的降雨情況如圖3所示,年內各季節(jié)之間和年度之間的變化都很大。統(tǒng)計結果顯示(表2),年平均降雨約109天或50次。其中,小于1mm的降雨年均約66天或24次。小于5mm但大于1mm的降雨年約24天或10次。每次降雨量小于1mm的雨量和每年約4.1mm,占年降雨量的1.3%,如前所述,這部分水分對根系層水分的補充基本沒有效果。每次降雨小于5mm但大于1mm的雨量和每年約26.3mm,占年降雨量的8.1%,這部分水分中的大部分(約20mm)可以下滲補充流動沙地的土壤水分,但對固定沙地灌木根系層水分的補充沒有太大的效果。大于5mm的降雨年均16次,如以每次固定沙地表土層比流動沙地多截留3mm降雨計算,年均約50mm。由這兩項之和可知,因為表土層的不同而滲入固定沙地表土層以下的雨水每年比滲入流動沙地表土層以下的雨水約少70mm。大于40mm的降雨3年共發(fā)生4次,最大的一次高大93.8mm,即使在土層含水量較低的固定沙地,這次降雨的大部分水分也將滲入到根系層以下,最后成為此地生長的植物難以利用的地下水。毛烏素沙地油蒿群落在適度放牧的情況下,油蒿生長和更新良好,能穩(wěn)定地存在下去。但是,在過度放牧的情況下一般就向牛心樸子(CynanchumkomaroviiAl.Itjinski)混生的沙化地發(fā)展。在完全封閉的情況下,隨著表土層細土的不斷積累和成土過程的進行,油蒿會逐漸衰退,最后被淺根性的草本植物取代(王慶鎖,1997)。從