2.1 日降雨对柠条锦鸡儿林沙丘土壤含水量的影响
监测期间,研究区2019年5月1日—9月15日共发生33次降雨事件,总降雨245.86 mm,降雨量≤5 mm的降雨事件18次,共降雨17.14 mm,占总降雨的6.9%; 降雨量介于5～10 mm的降雨事件5次,共降雨42.42 mm,占总降雨的17.3%; 降雨量10～20 mm的降雨事件7次,共降雨105.26 mm,占总降雨的42.81%; 降雨量20～30 mm的降雨事件2次,共降雨49.89 mm,占总降雨的20.3%; 降雨量30～40 mm的降雨事件1次,共降雨31.17 mm,占总降雨的12.3%。可见监测期内日降雨大都是0～20 mm范围内,累计降雨165.09 mm,占总降雨的67.1%。结合柠条锦鸡儿固沙林水分含量动态变化规律来看(图1),10 cm层土壤含水量在整个监测期内波动最为频繁,每次波动达到峰值时的时间都与降雨时间相对应,说明10 cm层土壤水分受降水影响剧烈,同时也是受蒸发影响最明显的一层。监测期54 d以前,共发生9次降雨事件,总降雨20.65 mm(最大一次降雨量为9.60 mm),仅10 cm层土壤水分含量出现了峰值(4次),达到峰值时的土壤含水量分别为2.05%,0.84%,2.89%和3.5%,且最大值出现在9.6 mm降雨事件后。这段时间内,30,50,90 cm层土壤水分含量持续下降,110 cm层土壤水分含量基本维持在3.6%上下。
在监测期第55～137 d内发生降雨24次,共降雨225.21 mm,110 cm层以上土壤水分含量均发生波动并有峰值出现,10 cm层峰值出现次数最多(10次); 30 cm层出现7次; 50 cm层出现5次; 90 cm层出现3次; 110 cm层出现5次。其中30 cm层土壤水分含量波动出现第一次明显峰值在第75～77 d,累计降雨21.41 mm后; 50 cm层土壤水分含量波动出现第一次明显峰值在第82～83 d累计降雨32.79 mm后; 90 cm层土壤含水量前两次与110 cm层前4次波动出现峰值时的土壤水分含量变幅均<1%,但在第95～97 d累计降雨50.27 mm后,90,110 cm层土壤水分含量波动出现明显峰值,且变化差异极显著。从时间角度来看,10,30,50 cm层土壤水分含量达到峰值时的时间基本与降水发生时的时间对应; 90,110 cm层土壤水分含量达到峰值时的时间则相对要滞后于降雨发生时的时间,且其峰值的出现需要多次累计降雨,通过多次累计降雨共同作用产生加和效应,水分湿润峰可达90,110 cm层土壤。以上结果表明0—50 cm层土壤水分含量对降雨的响应较敏感,90,110 cm层土壤水分动态对日降雨响应相对滞后,且在低强度降雨下,水分入渗到深层土壤需要较长时间。在5—7月,由于基本无降雨事件发生,土壤水分的补给量远小于消耗量,导致30,50,90 cm层土壤水分处于亏缺状态。根据降雨分布发现,90 cm层以下土壤水分含量波动出现明显峰值与监测期第95～97 d累计50.27 mm的降雨密切相关,换句话说就是日降雨量或者是累计降雨量达到50 mm时,降雨才可补给到柠条锦鸡儿固沙林90 cm及以下土层土壤水分。
为进一步说明降雨对毛乌素沙地柠条儿锦鸡儿固沙林土壤含水量的影响,采用旬统计平均数据对不同土层土壤含水量进行分析(表1)。从表中可以看出随着土层深度的变化,土壤含水量呈现出不同的变化规律,10,30,50 cm层土壤含水量分别存在3个上升期,而90,110 cm层各存在一个上升期。其中10 cm层土壤含水量在5月下旬—6月下旬、7月上旬—8月上旬、8月中旬—9月上旬处于上升期; 30 cm层土壤含水量在6月中旬—7月上旬、7月中旬—8月上旬、8月下旬—9月上旬处于上升期; 50 cm层土壤含水量在6月下旬—7月上旬、7月中旬—8月上旬、8月下旬—9月上旬处于上升期; 90 cm层土壤含水量在7月中旬—8月上旬处于上升期; 110 cm层土壤含水量在7月中旬—8月中旬处于上升期。说明不同土层土壤含水量对累计降雨量以及累计降雨入渗效应响应的敏感程度不同,90 cm层及以下土层土壤含水量可对累计降雨入渗做出响应,但存在一定的滞后性,尤其是110 cm层土壤含水量增加时的滞后效应更加明显。
2.2 降雨条件下柠条锦鸡儿固沙林沙丘土壤含水量变化的时间进程
固定沙丘土壤水分入渗进程受降雨格局、植被覆盖与土壤初始含水量的综合影响显著[12-13],严正升[14]研究发现降水在人工柠条林具有滞后效应,柠条林密度越大滞后效应越明显,降水入渗深度、入渗量因林分密度不同存在差异。冯伟等[15]研究表明0—200 cm深度土壤体积含水量较低时53.8 mm(历时71 h)降雨开始后310 h土壤湿润峰达200 cm,土壤体积含水量较高时88.6 mm(历时62 h)降雨开始后70 h湿润锋到达200 cm。为更加直观的得出降雨对柠条锦鸡儿固沙林地土壤含水量动态变化的影响过程,选择两次降雨事件,分析每个小时柠条锦鸡儿林地土壤含水量变化的时间进程。
从图2中可以看出,当累计日降雨3.4 mm(9月9日5—8时),10 cm层土壤含水量从2.1%增加到第一次峰值4.3%历时3 h; 当累计日降雨14.94 mm(9月9日5—17时),10 cm层土壤含水量从4%增加到第二次峰值5.5%历时4 h。当累计降雨16.33 mm(历时18 h)时,30 cm层土壤含水量从1.3%增加大最大值3.6%历时18 h,50 cm层土壤含水量从0.9%增加到最大值3.7%历时37 h。在16.33 mm(历时18 h)降雨水平下,90,110 cm层土壤含水量未发生变化,说明16.36 mm(历时19 h)的单场降雨对90 cm以下土层土壤含水量无影响。以上结果表明3.4 mm(历时3 h)的降雨能使10 cm层土壤达到湿润峰,16.33 mm(历时18 h)的降雨可使30,50 cm层土壤分别在第18小时和37 h时达到湿润峰。而14.9 mm(历时12 h)的累计降雨可使10 cm层土壤含水量达到波动峰,这里的波动峰值是16.33 mm(历时18 h)的降雨下能使10 cm层土壤所能达到的最大含水量。
图2 日降雨16.33 mm对柠条锦鸡儿林沙丘土壤含水量的动态变化
土壤达到饱和含水量时的入渗为饱和条件下的水分入渗,但是由于受到降雨强度的影响,不是每次较大的降雨都会产生饱和入渗,当降雨强度低于饱和入渗率时,土壤水分入渗还是处于非饱和条件下的入渗[15]。试验监测期内的最大含水量最多维持2 h内保持不变,而且仅在10 cm和30 cm层土壤内,因此这里的饱和含水量只是瞬时达到饱和。此外降雨事件前,30,50 cm层土壤含水量很低,原因是8月25日—9月9日前一直无有效降雨过程,深层土壤缺乏水分的补给,这种现象同样说明土壤含水量处于非饱和状态时,水分入渗深度有限。
从图3中可以看出,第一阶段降雨时土壤初始含水量处于较低水平,各层土壤初始含水量分别为2.1%,2.1%,2.2%,5.4%,2.8%。此时湿润峰达到10,30,50 cm层土壤所需降雨量与时间分别为25.02 mm(13 h),28.83 mm(16 h),29.85 mm(19 h),在29.85 mm(历时18 h)的降雨水平下未能使90 cm层土壤达到湿润峰,且该场次降雨不能影响110 cm层土壤水分含量; 第二阶段降雨时土壤初始含水量处于较高水平,各层土壤初始含水量分别为3.7%,3.2%,3.7%,6.9%,2.8%。此时湿润峰达10,30,50,90 cm层土壤所需降雨量与时间分别为13.61 mm(1 h),14.02 mm(2 h),16.61 mm(5 h),16.61 mm(17 h)。在单场累计46.46 mm(历时61 h)降雨水平下能使110 cm层土壤含水量达到湿润峰,但是该场次降雨未能使110 cm层土壤含水量达到波动峰值。综上所述,累计46.46 mm(历时61 h)的降雨通过入渗和再分配后可使90 cm以上土层土壤含水量达到波动峰值,且土壤初始含水量对降雨入渗深度和进程有显著影响,初始含水量较高时,降雨入渗快,历时短。
图3 连续日降雨46.46 mm对柠条锦鸡儿林沙丘土壤含水量的动态变化
2.3 柠条锦鸡儿固沙林沙丘中的降雨入渗特征
次降水特性(降水强度、降水历时、降水量)与土壤水分初始状况决定灌丛沙丘土壤入渗过程。王新平等[16]研究发现沙地次降水过程具有明显的间歇性,间歇性降水与瞬时土壤表面高蒸发相互影响,导致雨季(生长季)沙丘土壤浅层干湿交替发生频繁,由于局部土壤水分势能梯度复杂,自然降水条件下的土壤水分入渗过程相对复杂。因此本研究分析了自然日降雨条件下柠条锦鸡儿林沙丘的降雨入渗特征。
从表2中可以看出降雨入渗深度和降雨量、降雨强度、土壤初始含水量密切相关。入渗湿润深度随着降雨量、降雨强度的增加而增加(7月28日除外),降雨量小于5 mm,湿润深度小于10 cm土层,降雨量小于10 mm,湿润深度小于30 cm土层,降雨量17 mm左右时,湿润深度可达30 cm土层,降雨量20 mm左右时,湿润深度可达50 cm土层。
此外,在沙区也时常发生连续降雨,连续日降雨事件同样影响着降雨在沙丘中的入渗过程。从表3中可以看出,降雨湿润深度受累计降雨量、降雨强度的双重影响,并随着累计降雨量、降雨强度增加降雨湿润深度也增加。20 mm左右的降雨湿润深度可达30 cm; 30 mm的降雨湿润深度可达50 cm; 50 mm的降雨湿润深度可达110 cm层土壤。其中,9月8日至10日累计降雨31.98 mm和7月21日至22日累计降雨32.79 mm时,在降雨量基本相等的情况下,降雨31.98 mm湿润深度可达50 cm土层,而降雨32.79 mm的累计降雨湿润深度则超50 cm,原因是后者降雨强度与0—50 cm层土壤初始含水量均高于前者。对比表2中6月24日降雨20.04 mm与表3中7月15日至16日降雨20.60 mm,同样在降雨量基本相等的条件下,前者在降雨强度4.45 mm/h和0—50 cm层土壤初始含水量为1.4%,1.0%,0.8%时,湿润深度可达50 cm层土壤,后者在降雨强度1.58 mm/h和0—50 cm层土壤初始含水量为0.7%,1.3%,0.7%时,湿润深度达30 cm层土壤。说明降雨量基本相当的情况下,降雨强度与土壤初始含水量显著影响水分入渗深度,及降雨强度越大,土壤初始含水量越高,降雨入渗深度越深。
