土壤水分是限制植被形成与发展的关键因子,其在气候干旱、生态环境相对脆弱的荒漠草原区发挥着重要作用[27]。本研究通过对2019年6—10月植物生长期降雨量变化对荒漠草原不同土层土壤含水量在时间和空间变化的分析,得出除166%降水处理土壤含水量在9月份最高外,其余各降水处理土壤含水量均在7月份达到最大值,且增雨处理在9月、10月份土壤含水量相较于8月份表现出不同程度的回升。说明是土壤含水量的变化对增雨变化有一定的滞后性; 正常降水处理的土壤含水量在同期各处理之间最高,不同降水处理土壤水分含量变化趋势不同。其原因是2019年6月份开始测量时,此时宁夏中部干旱带处于春末夏初,植被刚刚萌发,风速较大,空气湿度相对低,土壤水分蒸发强烈。6月15日开始,自然降雨增加,土壤开始补充水分,相应的土壤含水量逐渐增加,较高的土壤含水量有利于补充植被消耗和土壤蒸散的水分,7月份测得土壤含水量达到最大。8月份自然降水减少,加之该时期是植被生长的旺盛期,对水分的需求非常敏感。同时该区气温高,导致植物、土壤蒸腾蒸发量升高。9月、10月份自然降雨较8月份更少,植被只能消耗土壤贮存的水分,并且此时试验地日照时间缩短,蒸发量减少。说明植被对水分的利用影响了土壤水分在时间尺度上的变异[28]。
增雨处理植被密度大于减雨处理,原因是增雨处理下的一部分土壤水分用于植物生长且166%降水处理丰富的地上生物量(主要植被为胡枝子、蒙古冰草和远志)对雨水有很好的截留和保持能力; 而减雨处理伴随干旱胁迫的持续导致植被生长弱小,土表裸露面积较增雨处理大,加上试验期间植物正处于生长期,土壤水分只能蓄积在深层以保证植物正常蒸腾需水。说明土壤水分对降雨的响应受样地植被及草本植物密度大小的影响[18]。8月份之后,土壤含水量出现了不同程度的下降,9月、10月份时各降水处理之间土壤含水量未达到显著性差异。由此可见,土壤含水量与降雨量表现一致,这与李新荣等[29]研究一致。
不同土层对降雨量变化的响应不同,166%最大降水处理的土壤含水量在土壤浅层(0—40 cm)最高,这与马生花等[7]研究一致。原因是33%,66%,100%,133%降水处理植被生物量低,表层土壤与大气直接接触,地表蒸发强烈,即使降雨较多的月份表层土壤含水量仍然不会有太大的升高。在40—120 cm土层中增雨处理土壤含水量低于其他降水处理,因为草原植被生长耗水主要是在60—100 cm土层[21]; 随着土层深度的增加降水对土壤水分的补给减弱,对土壤含水量的影响越来越小。这与潘颜霞等[30]研究的降雨是引起土壤水分空间变异的主要影响因素的结论一致。不同深度的土壤含水量受降雨的影响不同,其中0—40 cm最大,降雨量较小时,深层土壤含水量几乎不受影响。不同降水处理土壤含水量随着时间的推迟呈现“S”型变化,且减雨处理表层土壤含水量低于深层土壤含水量,这与王艳莉等[28]在人工固沙植被区研究结果有所差异,但总体说明了土壤含水量对降水变化的响应比较敏感[30]。增雨处理下土壤水分变化的土层深度大于减水处理,这与王艳莉等[28]研究的干旱年份与湿润年份结果一致。除133%降水处理平均变异系数为0.117外,其他降水处理土壤含水量的平均变异系数均表现出弱变异水平,说明不同降水变化对土壤水分变异的影响较小,这与前人研究结果一致[31-32]。不同降水处理下表层土壤含水量变异系数大于深层土壤含水量的变异系数,变异系数较小值集中在深层,这与李小英等[19]研究一致。说明降雨量变化对土壤水分蒸发和植被蒸腾对0—80 cm土层的影响最大,随着土层深度的增加变异系数逐渐减小。166%增雨处理在降雨较多的6月、7月、8月份变异系数较小,因为期间该样地较大的植被覆盖度使一部分雨水被截留,同时也减少了土壤水分的蒸发,在一定程度上减小了土壤水分的损失。33%减雨处理变异系数较大是因为植被盖度低,降雨进入土壤后容易被蒸发。9月、10月份增雨处理和正常降雨0—200 cm土层土壤水分变异系数大于减雨处理,分析其原因是正常降雨和增雨处理下植被覆盖度大,降雨量减少时消耗的土壤水分多[33]。
增雨处理较减雨处理的植被密度大,说明在荒漠草原降水较少的情况下增加降水可以促进一年生植物的萌发。原因是在降水较少的荒漠草原区,表层土壤水分相对比较匮乏,减水处理进一步降低了土壤水分,从而限制植物对水分的吸收。此外,研究区优势植物群落主要是多年生植物(蒙古冰草、砂珍棘豆、远志),其根系分布于土壤浅层[34],对表层土壤水分利用效率较高[35]。在一定降水量范围内,植被盖度随降水量的增加呈增加的趋势,这主要是增水能增加植物的生长; 各降水处理植被频度和高度均未达到显著差异水平。
荒漠草原区植被生物量对降水的响应敏感[36],166%降水处理地上、地下生物量均高于33%降水处理,这与Zhang等[37]研究得出的较高的植被密度能使植物更好地利用环境资源,从而提高生物量的结论一致。降水量在正常降水范围波动时生物量维持在相对稳定的状态,可能与植被生长状况密切相关[38]; 133%降水处理下植被高度较低的原因可能与样方内植被类型分布有关。
本研究发现,除33%降水处理120—160 cm土层、100%降水处理0—40 cm土层和133%降水处理40—120 cm,160—200 cm土层以及166%降水处理的80—200 cm土层外,土壤含水量与降雨量、温度均呈正相关关系。减雨处理下土壤水分与温度的相关性土层较增雨处理的浅,说明减雨处理下温度对浅层土壤含水量有显著影响。66%降水处理的土层土壤含水量与植被高度的正相关土层(0—160 cm)的分布浅于增水处理的土层(80—200 cm),表明增雨处理下深层土壤水和减雨处理下浅层土壤水可以促进荒漠草原植被的生长高度。减雨处理下植被盖度与频度的相关性强可能与一年生草本的盖度值较低有关[38]。
