坝上高原不同植被类型覆盖下土壤水分含量对降雨的动态响应.pdf

DOI:10.12171/j.10001522.20220220坝上高原不同植被类型覆盖下土壤水分含量对降雨的动态响应党毅1,2,3王维4张永娥5王渝淞1,2,3丁兵兵1,2,3樊登星1,2,3贾国栋1,2,3余新晓1,2,3董俊杰6(1.北京林业大学国家林业与草原局水土保持重点实验室，北京100083；2.北京林业大学水土保持学院首都圈森林生态系统国家定位观测研究站，北京100083；3.北京林业大学水土保持学院首都圈森林生态系统教育部野外科学观测研究站，北京100083；4.中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600；5.中国水利水电科学研究院泥沙研究所，北京100038；6.中交天津航道局有限公司，天津300461)摘要:【目的】土壤水是连接大气降水、地表水、地下水的关键因子，在地表径流、降雨入渗和植被蒸腾等生态水文过程中发挥重要作用。分析坝上高原地区不同雨量降雨事件中各植被类型覆盖下土壤水分含量动态响应过程及差异，将有助于深入探讨该区土壤水分含量的补给效应特性，对优化区域植被结构具有十分重要的理论及现实的意义。【方法】选取河北省张北县草地、柠条灌木林、杨树乔木林为研究对象，通过监测 2019 年 410 月连续土壤水分含量和降雨数据，分析不同植被类型覆盖下土壤水分含量对大小降雨事件的动态响应过程及差异。【结果】（1）研究区主要降雨事件由小雨和中雨构成，但主要降雨量由大雨提供。小雨和中雨发生次数占比为 81.58%，其贡献的降雨量仅占年总降雨量 42.66%；大雨发生次数占比仅为 18.42%，却提供了年总降雨量的 57.34%。（2）410 月杨树乔木林土壤水分含量均值显著高于草地（P柠条灌木林（12.630.93）%草地（10.672.77）%，土壤水分含量变异系数均值呈柠条灌木林（26.22%）杨树乔木林（20.51%）草地（13.89%），均为中等强度变异。（3）草地 2040cm 土层的土壤水分含量显著高于 020cm 及 40100cm的 4 个土层（P0.05）；柠条灌木林在 2040cm 和 80100cm 土层之间、020cm 和 4060cm 之间均不存在显著差异，且 2040cm 和 80100cm 土层土壤水分含量均显著高于其他 3 层（P0.05）；杨树乔木林 80100cm 土层的土壤水分含量显著高于其他 4 个土层（P0.05）。（4）在不同雨量降雨作用下，除某些特殊情况外，柠条灌木林对降雨响应的各指标常与其他两种植被类型呈显著差异（PCaragana korshinskiishrubland(12.630.93)%grassland(10.672.77)%,andthemeansoilmoisturecoefficientofvariationwasCaragana korshinskiishrubland(26.22%)poplarforestland(20.51%)grassland(13.89%).Thecoefficientofvariationateachlayerwasatamoderatevariationlevel.(3)Thesoilmoisturecontentin2040cmsoillayerofthegrasslandwassignificantlyhigherthanthatintheotherfoursoillayers(P0.05).Therewasnosignificantdifferenceinsoilmoisturecontentbetweenthe2040cmand80100cmsoillayers,aswellasbetweenthe020cmand4060cmsoillayersintheCaragana korshinskiiforest,andthesoilmoisturecontentinthe2040cmand80100cmsoillayerswassignificantlyhigherthanthatintheotherthreelayers(P0.05);thesoilmoisturecontentofthe80100cmsoillayerinthepoplartreeforestwassignificantlyhigherthanthatoftheotherfoursoillayers(P0.05).(4)Undertheeffectofdifferentrainfallamounts,theindicatorsofsoilresponsetorainfallinshrublandswereoftensignificantlydifferentfromthoseoftheothertwovegetationtypes,exceptforsomespecialcases.Amongalltypesofrainfall,themeanvaluesofsoilmoisturecontentresponserate,rechargeamountandrechargerateforeachvegetationtypecoverwerethegreatestinCaragana korshinskii shrublandbutthesmallestinpoplarforestland.Lightandmoderateraincanonlyrespondtothe020cmsoillayerofthethreevegetationtypes,withlimitedsupply.Underheavyrain,theresponseofgrasslandtosoillayerwas060cm,whilethatoftreesandshrubswas080cm.Theresponsespeed,peakreachingspeed,replenishmentamount,andreplenishmentrateofsoilmoisturecontentunderthreetypesofvegetationcoverweakenedwiththeincreaseofsoildepth,andtheresponseofuppersoiltorainfallwasalwaysfasterandgreaterthanthatoflowersoil.ConclusionUndercurrent rainfall conditions,the Caragana korshinskii shrub land responded the fastest and strongest torainfall,butthepoplarforestlandrespondedtheslowestandweakest.Inaddition,thedeepersoilmoistureunderthethreevegetationcoversonlyrespondssignificantlyduringheavyrainandallowsthesoilmoisture第5期党毅等：坝上高原不同植被类型覆盖下土壤水分含量对降雨的动态响应107tobereplenished.Theresultsofthisstudyprovideascientificbasisforchangingthetraditionalviewofemphasizingarborealforestlandbutneglectingshrubsintheprocessofcreatingprotectiveforestsintheregion in the future,and then reasonably adjusting the proportion of shrubs to achieve the overallimprovementofeco-hydrologicalfunctions.Key words:soilmoisturecontent;rainfall;vegetationtype;BashangPlateau土壤水分是陆地生态系统中连接和沟通土壤植被大气连续体（SPAC 系统）生态水文过程的重要组成部分和关键环节13，在降雨特性、地表植被类型、土壤理化性质等诸多因素的影响下，不同区域土壤水分含量的补给效应、运移过程等可能呈现出显著差异4。地表植被截留、形成地表径流、下渗进入土壤、蒸发返回大气等构成了降雨过程中可能包含的水分分配路径5，而进入表层土壤的降雨水分在运移补给下层土壤的过程中改变了原有土壤水分布格局，进而会对土壤储水平衡和土壤水分利用效率等产生影响68。因此认识并分析土壤水分含量对降雨补给的动态响应过程及运移规律，已成为促进区域土壤水分高效合理利用的迫切需要。近年来许多研究者就不同区域各类型土地覆被方式作用下土壤水分动态变化过程及其对降雨的响应特征开展了大量研究，并在研究中引进和总结一些针对降雨补给量、补给速率的计算指标，如响应速度、达峰速度、补给量、补给速率等，以实现补给效应系统性量化表达5,910。其中在黄土高原地区的研究表明植被类型的不同可能是造成对应土壤各土层水分变化差异的主要因素11，即相同降雨对不同植被类型所覆盖土壤水分的补给量和补给速率可能存在显著差异，但各植被类型对土壤水的具体作用关系因研究区不同而存在差异1213。其他因素如土壤理化性质14、乔灌草配置模式15、栽植密度16等也会在一定程度上产生影响。在西南干热河谷区研究指出，在对不同降雨类型的比较中发现短历时小雨可能会得到表层土壤的响应，但补给量较小、补给速率较低，且难以补给深层土壤；大雨则有可能使中下层土壤产生明显的响应效应，但响应速度和达峰速度普遍随着土层深度的增加而减慢，补给量及补给速率随土层深度增加而减小，即滞后效应越来越严重5。在华北土石山区的研究表明单次降雨后，人工林土壤水分消退量及消退速率随时间增加的变化趋势均表现为开始较大而后逐渐趋于平缓，呈二次函数关系。在单次降雨后的持续干旱过程中，各土层变异系数（标准差系数）随土层深度的增加总体呈递减趋势，相较于下层土壤而言，上、中层土壤对降雨的响应更加强烈17。在西北荒漠区的研究表明降雨是该区域土壤水分最重要的补给来源，场降雨补给量、补给速率、补给深度主要由降雨量决定，降雨量越大补给量越大、补给速率越快、补给土层越深。在该区以小降雨量为主要降雨事件的情况下，上层土壤响应速度和达峰速度更快，受降雨影响更明显，中下层土壤只有在大于 20mm 的降雨事件中才会有所补给，这将使得中下层土壤水分状况逐步恶化7。前述诸多研究丰富了土壤水分含量变化及运移规律，为区域植被构建及水资源合理利用提供了一定的参考。但目前针对坝上高原地区单次降雨事件中土壤水分含量短时动态变化的定位观测研究仍然较少，且大多局限于杨树防护林，对柠条灌木林及草地关注较少，缺乏横向比较不同植被类型覆盖下土壤水分对降雨动态响应过程的量化分析。且坝上高原地处半干旱地区，有限的降雨资源是土壤水分含量的重要补给来源之一，降雨对土壤水分含量补给效果是否科学合理是影响该区三北防护林构建的限制性生态因子1819，在一定程度上决定着该区植被构建的可持续性2022。坝上高原是我国 20 世纪 70 年代大规模开展三北防护林建设的重要区域之一，在防治土壤风蚀、减轻京津冀地区沙尘暴灾害等方面发挥了重要作用。但由于在气候暖干化、潜在蒸散量增加、降雨季节性集中等条件的作用下，该区植被建设和可持续性存续所需的土壤水补给对降雨的依赖程度较高2324，近年来人工林退化甚至死亡的风险愈演愈烈25。目前关于坝上高原的研究大多集中于降水量、土壤水分利用、植被退化死亡等相关关系研究2627，针对不同植被类型覆盖下土壤水分含量对各类型降雨的动态响应过程及差异分析不足，缺乏连续土壤水分含量动态变化数据与降雨事件的综合分析。因此本研究选取坝上高原区张北县为研究区，原位监测连续土壤水分含量数据和降雨数据，分析各类型降雨作用下不同覆被的土