西藏拉萨河谷山地土壤水分对降雨的响应

2016-03-23沈志强张程槊方江平西藏大学农牧学院西藏林芝860000武汉大学资源与环境科学学院武汉430079

中国农村水利水电 2016年10期

沈志强，华敏，卢杰，张程槊，方江平(.西藏大学农牧学院，西藏林芝 860000；. 武汉大学资源与环境科学学院，武汉 430079)

青藏高原作为地球的“第3极”，是全球海拔最高的一个地理单元，相对于其他地区受人类影响较小[1]。青藏高原属于气候敏感区和生态脆弱带，同时深刻影响着周边地区的气候，能起到“预示”的作用，因此被众多研究者视为研究中国乃至全球变化的“天然实验室”[2]。拉萨作为西藏自治区的首府，气候属于典型的干旱半干旱地区，植被以灌草为主，水分条件成为影响其生长的制约因素。由于该地区降水少，雨季短，太阳辐射较强，蒸发剧烈，土壤含水量低。土壤水分含量已经成为影响植被生长的首要因素[3,4]。降水是该地区土壤水的主要来源，研究与探讨该地区降雨与土壤水的关系能够促进水资源的合理利用，同时对于水土保持与防治荒漠化具有重要的意义[5,6]。

目前，国内的许多学者已经对降雨与土壤水的关系与响应机制做了大量研究[7-10]，并且主要集中在干旱半干旱地区，而对于青藏高原降雨与土壤水的研究则未见报道，同时对于西藏拉萨河谷山地的研究主要集中在草地物种多样性[11]、农田草地生态服务功能[12,13]及湿地生态系统健康评价[14]等方面。鉴于此，本文以拉萨河谷山地为研究对象，采用自动监测系统对该区的降雨及土壤水分含量进行同步监测，分析土壤水分与降雨间的关系，进一步探讨土壤水对降雨的响应机制，以期为本地区水资源评估、水土保持及植被恢复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于拉萨市达孜县巴嘎雪村西南部山坡，地理位置29°40′ N，91°25′ E，海拔3 780～4 170 m，距拉萨市区约30 km。地形为典型河谷山地，东西向为拉萨河河谷，南北分别为郭嘎拉日山和恰拉山体，海拔3 730～5 500 m。气候属于典型的青藏高原半干旱季风气候区，冬春干燥多大风，夏季多夜雨，年平均气温7.5 ℃，年平均日照3 065 h，平均降水量450 mm左右，年无霜期130 d左右[15]。该山坡坡度为20°～30°，由低向高分别为灌草混合群落、灌草交错群落和草地群落3个植被群落类型，垂直变化十分明显。与植被群落对应的土壤类型主要有亚高山灌丛草甸土、山地灰褐土和山地草原栗钙土，平均厚度0.5～2.1 m，土层较薄，以粉沙块为主，成土母质主要是砂岩、砾岩、层积岩等，pH值为7.0～8.0。主要灌木有砂生槐(Sophora moorcroftiana)、架棚(Ceratostigma minus)、小叶野丁香(Leptodermis pilosa)、灌木蒿(sagebrush)；主要的草本植物有翼首草(Pterocephalus hookeri)、尼泊尔大丁草(Leibnitzia nepalensis)、早熟禾(Poa annua)、高山嵩草(Kobresia pygmaea)、木根香青(Anaphalis xylorrhiza)、金露梅(Potentilla fruticosa )、紫花点地梅(Androsace selago)、唐松草(Thalictrum aquilegiifolium var. sibiricum)、海韭菜(Triglochin maritimum)等。

1.2 研究方法

2013年9月开始选择同一坡向(阳坡)的剖面，根据海拔和植被类型，从下到上建立了3个监测站(见表1)，采用美国ONSET公司的HOBO U30-NRC型自动气象站监测系统，气象塔朝向均为S/N方向，在水平支架上分别装配太阳辐射、空气温度、空气湿度、风速、风向等的传感器。在水平支架的水平面与垂直支架的交叉处安装翻斗自记式雨量筒1个(翻一斗雨量为0.2 mm)，用于记录雨量。在气象塔附近挖取垂直深度为40 cm的土坑1个，分别将土壤温度、土壤湿度的探头水平插入不同深度土层(5、20和40 cm)，以测量记录土壤温度和土壤湿度。在垂直支架距地面1.5 m处装配数据收集箱1个，将记录各气象因子的数据传感线和电源线接入机箱中对应端口，同时配备功率为200 W的太阳能电池板为其提供电源，以保证数据采集连续性。安装好全部设备后，进行了为期1周的设备稳定性调试工作，在确保仪器稳定之后，进行了1个月的试采集工作，设备运行正常。因此，开始每3个月进行一次数据收取，期间有专人对仪器设备进行维护。仪器自动记录瞬时数据的步长为5 min。由于冬季拉萨无降雨，降雨主要集中在夏季，因此本文选择2014年4月1日到10月31日的数据进行分析。

获取的降雨与土壤湿度数据使用HOBOware进行收集，然后使用Excel 2013进行数据处理与分析，土壤湿度的数据结果采用平均值。

表1 监测站基本情况Tab.1 Basic situation of each monitoring station

2 结果与分析

2.1 不同立地条件下表层土壤含水率对降雨的响应

土壤表层是土壤水分交换的活跃层，土壤表层的水分与大气间的交换能更有效地反映出土壤水分对降雨的响应机制[16]。经过对监测数据的处理，表层土壤水分含量见表2，其土壤湿度均值表现为3号站 2号站 1号站。这可能是由于随着海拔的升高，3号站的降雨量比1号站与2号站的多引起的。

表2 不同测点表层土壤湿度统计 m3/m3Tab.2 The statistics of the different surface soil moisture measured point

拉萨的雨季一般主要集中在6-9月份，并且多夜雨。为了更好地研究土壤水分对降雨的响应机制，特选出各个监测站降雨量最大的4 d进行研究，分别为8月13日(60、62、66 mm)、8月14日(32、32、31 mm)、8月20日(27、28、29 mm)、8月11日(25、28、26 mm)，4天表层(0～5 cm)土壤湿度与降雨的关系在不同海拔监测站的情况见图1。由图1可知，不同降雨量与不同植被覆盖条件下的土壤湿度对降雨的响应具有不同的特征；3个监测站中，降雨量越大，土壤湿度对降雨的响应越强烈，但是会有延迟；8月13日降雨量最大，而土壤湿度最大值出现在8月14日；土壤表层不同的植被覆盖类型也会影响土壤湿度对降雨的响应。1号站与2号站中，土壤水分对降雨的响应更加强烈，而3号站土壤水分对降雨的响应则较为平缓，主要是因为1号站与2号站植被类型以灌草为主，同时坡度较缓，利于雨水下渗。而3号站海拔相对较高，植被类型主要以草本植物为主，植物相对于1号站与2号站植物的密度更大，植物的持水性更好，同时3号站坡度较大，更易形成地表径流，不利于雨水的下渗，因此土壤水分对降雨的响应较为平缓。

图1 不同测点表层土壤水分对降雨的响应Fig.1 Response of surface soil moisture to precipitation in different measured point

2.2 不同立地条件下土壤各层次土壤水分对降雨的响应

不同立地条件下土壤各层次土壤水分对降雨的响应见图2。从图2可以看出，0～5与5～20 cm土层土壤水分对降雨的响应最为迅速和强烈，而20～40 cm土层土壤水分对降雨的响应则不明显。随着降雨的变化，各层土壤水分的响应不同，表层土壤表现的较为明显与强烈，表层土壤水分能随着降雨的大小而迅速表现出来。而次表层(5～20 cm)土壤水分也随降雨量的大小而变化，但是相比较表层土壤水变化则略有延迟，这说明了降雨入渗土壤需要一个过程。但无降雨或降雨减少时，表层土壤水分则迅速下降，而次表层土壤水分则没表层反应迅速，一般需要一个延迟的过程。而随着降雨量的变化，20～40 cm土层土壤水分对降雨响应并不强烈，原因可能是研究区域气候干燥，降雨较少，并且降雨一般集中在7、8月份，这2月的降雨量达到500 mm以上，占全年雨量的70%以上，而其他月份降雨量偏少，土壤一般处于干旱或半干旱状态，加上太阳辐射较强，降雨后蒸发异常迅速，使得20～40 cm深度土层土壤水较少。而7、8月中旬20～40 cm土层土壤水分对降雨的响应也较为激烈，土壤湿度明显增强，这可能是因为7、8月期间该区域降雨异常丰富并且持续时间较长，致使表层与次表层土壤水饱和，雨水继续下渗，使得20～40 cm土层土壤湿度升高，而随着9月中旬后降雨量的减少，20～40 cm土层土壤湿度下降并趋于平缓。

不同植被类型条件下，土壤水分对降雨响应也不相同。8月10日降雨量迅速减少，1号站与2号站表层土壤湿度迅速下降，并且次表层与20～40 cm土层土壤湿度均出现不同程度下降，而3号站土壤表层土壤湿度较为平缓，同时次表层与20～40 cm土层土壤湿度短时间内均继续小幅度上升，然后再下降。造成3个监测站各土层土壤水分变化的原因可能有：一方面是因为3号站所处海拔较高，受山地地形因素的影响，降雨量相对较多(3号站全年降雨量达到近750 mm，而1、2号站全年的降雨量在700 mm左右)；另一方面可能是1、2号站植被以灌草为主，植被较为稀疏，持水能力有限，降水结束，土壤水分蒸发较快，而3号站植被主要以草本植物为主，草本密度较高，并且夏季正处于植被的生长时期，增加了草本植物对雨水的截留与保持能力，使得次表层与20～40 cm土层土壤湿度在降雨结束后短时间内仍然能够小幅度上升。

图2 不同立地条件下土壤各层次土壤水分对降雨的响应Fig.2 Response of soil moisture to precipitation at various levels under different site conditions

2.3 单场最大降雨条件下土壤水分对降雨的响应

为了更好地反映土壤水分对降雨的响应机制，选取降雨量最大的一天，研究最大降雨条件下土壤水分的响应。单场最大降雨发生在8月13日，该天3个监测站的最大降雨量分别为60、62、66 mm，3个监测站的降雨量顺序为3号站>2号站>1号站。原因可能是受海拔等因素的影响，海拔越高，降雨量越大。单场最大降雨条件下各土层土壤水分对降雨的响应见图3。由图3可知，表层与次表层土层土壤湿度随降雨多少变化明显，而深度土层土壤湿度变化较为平缓。表层土壤湿度对降雨的响应最为明显与迅速，降雨量增加，土壤湿度也迅速增加，而次表层土壤水分对降雨的响应相对有所延迟，20～40 cm土层土壤水分变化不明显，这可能是由于雨水的下渗需要一个过程。白天(8∶00-18∶00)各层土壤水分含量均呈下降或者平缓趋势，主要是因为白天降雨较少，3个监测站的降雨量分别仅为1.4、1.8、1.4 mm，再加上强烈的太阳辐射加剧了土壤水分的蒸发。1号站与2号站中，8∶00以后20～40 cm土层土壤水含量呈增加的趋势，这主要是因为8∶00前降雨雨量大，达到30 mm以上，并且8月上旬降雨频繁，雨量较多且持续时间长，表层与次表层土壤水趋于饱和，致使雨水继续下渗。而3号站20～40 cm土层土壤水含量提前升高(5∶00)，这可能是因为3号站降雨量相较于1、2号站多而造成的，雨量多且急促，导致了深层土壤水分含量提前升高。

图3 单场最大降雨条件下土壤水分对降雨的响应Fig.3 Response of soil moisture to precipitation under the condition of each single heaviest rainfall

从图3中还可以得出，在一天中最大时刻降雨条件下，3号站各土层土壤水含量均高于1、2号站，造成这种现象的主要原因可能是3号站海拔较高，降雨量较大；也可能是因为3号站多为草本植物，植物密度较大，持水能力相对较好。

3 结论与讨论

大气降雨作为干旱半干旱地区土壤水分的主要补给来源，雨量多少的变化对土壤水分的变化有着重要影响[17]。不同海拔的降雨量不同，土壤水分对降雨的响应也不尽相同，雨量越大，土壤水分对降雨的响应更加强烈。坡度大小对土壤水分含量也可能产生影响。同时，植被的类型及其密度大小对土壤水分也有着重要的影响，因为植被对降雨有重要的截留与持水能力，也能够为土壤水分提供庇荫作用，减少土壤水分的蒸发量。

在本研究中，表层土壤水分对降雨的响应更为迅速及时，而次表层土壤水分的响应则相对延迟，深层土壤水分变化不大，表现相对平缓稳定，原因主要是雨水的下渗需要一个过程。降雨量大小、植被类型及其密度大小对土壤水分都有重要的影响。植被密度较大的草本植被覆盖的土壤表层土壤水分对降雨的响应相较于稀疏的灌草覆盖的土壤表层土壤水分对降雨的响应更加平缓与延时。这主要是因为密度较大的草本植物有更好的截留与持水能力，雨水下渗相对缓慢，这与鲍彪[18]等关于晋西黄土区刺槐林地土壤水分对降雨的响应的研究结果相一致。8月10日降雨量迅速减少，1号站与2号站表层土壤湿度迅速下降，并且次表层与20～40 cm土层土壤湿度均出现不同程度下降，而3号站土壤表层土壤湿度较为平缓，同时次表层与20～40 cm土层土壤湿度短时间内均继续小幅度上升，然后再下降。造成这种现象的原因除了受降雨量大小等因素的影响外，还受植被类型因素的影响，1、2号站植被以灌草为主，植被较为稀疏，持水能力有限，降水结束，土壤水分蒸发较快。而3号站植被主要以草本植物为主，草本密度较高，并且夏季正处于植被的生长时期，增加了草本植物对雨水的截留与保持能力，使得次表层与20～40 cm土层土壤湿度在降雨结束后短时间内仍然能够小幅度上升。这与阿拉木萨等[19]对科尔沁沙地人工小叶锦鸡儿植被水分入渗动态研究的结果相一致。

土壤水分对降雨的响应中，表层土壤水分的响应最为强烈，次表层土壤水分响应相对延迟，深层次土壤水分对降雨的响应并不明显。同时土壤水分对降雨的响应不仅受降雨量大小的影响，植被类型及其密度大小[18-20]、同种植被的不同部位[17,21]、土壤的性质[22]等因素都可能影响土壤水分的含量。本文主要讨论了降雨量大小、植被类型及其密度大小对土壤水分的影响。在今后的研究中，将进一步研究土壤性质等因素对土壤水分含量的影响。

□

[1] 徐影,丁一汇,李栋梁.青藏地区未来百年气候变化[J].高原气象,2003,22(5):451-457.

[2] 马晓波,李栋梁.青藏高原近代气温变化趋势及突变分析[J].高原气象,2003,22(5):507-512.

[3] 李新荣,张志山,刘新平,等.干旱区土壤植被系统恢复的生态水文学研究进展[J].中国沙漠,2009,29(5):845-852.

[4] 何芳兰,李治元,赵明,等.民勤绿洲盐碱化退耕地植被自然演替及土壤水分垂直变化研究[J].中国沙漠,2010,30(6):1 374-1 380.

[5] 亢福仁,王鹏科,王立祥.毛乌素沙区野生植物资源概况及其利用潜力[J].中国农学通报,2006,22(10):407-410.

[6] 冯伟,杨文斌,李卫,等.毛乌素沙地沙柳固定沙丘土壤水分对降雨的响应[J].水土保持学报,2014,28(5):95-99.

[7] 刘宏伟,余钟波,崔广柏.湿润地区土壤水分对降雨的响应模式研究[J].水利学报,2009,40(7):822-829.

[8] 李谦,郑锦森,朱青,等.太湖流域典型土地利用类型土壤水分对降雨的响应[J].水土保持学报,2014,28(1):6-11.

[9] 王少昆,赵学勇,左小安,等.科尔沁沙地小叶锦鸡儿灌丛下土壤水分对降雨响应的空间变异性[J].干旱区研究,2008,25(3):389-393.

[10] 茹豪,张建军,张琦,等.晋西黄土区雨养果园土壤水分动态及对降雨的响应[J].水土保持学报,2014,28(1):36-42.

[11] 罗黎鸣,苗彦军,武建双,等.拉萨河谷山地灌丛草地物种多样性随海拔升高的变化特征[J].草业学报,2014,23(6):320-326.