柴成武, 徐先英, 王方琳, 唐卫东, 王多泽

(甘肃省治沙研究所 荒漠化与风沙灾害防治国家重点实验室培育基地, 兰州 730070)

土壤水是植物水分利用的主要来源，也是联系地表水与地下水的纽带，土壤水的形成、转化及消耗过程中形成的可以为植物所利用的有效水量对植物生长有重要意义[1]。大部分研究认为干旱荒漠区植物生长对地下水有很强的依赖性[2-3]，但是，对于地下水位很深的干旱沙区如石羊河尾闾民勤盆地来说，地下水位大多已在20 m以下，荒漠植物已很难依赖于地下水生长[4]，但该区依然存在生长较好的植被，在沙区防风固沙方面起着重要作用，它们如何适应干旱环境？综观对沙生植被土壤水分动态的研究，还不能为解释植被在沙丘地长期生存的机理提供充分依据[5-6]，沙区广泛分布垂直层次“沙土+黏土+沙土”结构的土壤如何影响降水在土壤中再分配？对夹层这种土壤结构的研究始见于20世纪60年代[7]，多见于农田壤土砂质夹层研究[8]、实验室壤土与沙土组成层状土壤的水力性质的研究[9-12]。对自然条件下黏土夹层的研究仅见于低地下水位区对地下水上升的影响[7]及易盐渍区水盐运动[13-15]；对流沙区、固定半固定沙丘或沙地存在的黏土层问题深入研究仅见于孙程鹏等[16]对绿洲边缘夹粘沙丘持水特性的研究，该研究认为土壤孔隙度、土壤机械组成是影响夹粘沙丘土壤持水性的主要因素，并指出夹粘层土壤持水性远高于上下沙层；其他对流沙区、固定半固定沙丘或沙地存在的黏土层问题仅见于现象描述，如荒漠区耕作土壤中的瘀底层现象[17-18]、丘间地与灌丛沙包底部相接处层存在20 cm厚度的高含水层[19]、绿洲边缘部分沙丘土壤剖面中分布有黏土层[20]、白刺沙包在120 cm深度出现黏土层构成的弱透水层等[21]。因此，对黏土质夹层土壤结构，目前仅见于实验室的试验及易盐渍区水盐运动、地下水上升等方面的影响研究，并且对黏土夹层具有贮存深层土壤水分和阻滞蒸发作用形成共识，但还不能深入描述其在复杂影响的自然界中存在价值、影响方式与程度等方面的过程与效果。

对降水量极低的干旱沙区深根性林木梭梭(Haloxylonammodendron)退化、衰败已引起广大学者的重视[22]，本文自然降雨条件下近地表层不同厚度黏土质夹层对水分再分布影响研究，对利用该种结构土壤进行浅根性抗旱植物植被恢复具有现实指导意义，将丰富干旱沙区雨养型植被抗逆土壤环境因子作用机制研究。

1 研究区概况

研究区石羊河尾闾腾格里沙漠边缘民勤盆地，分布大量黏土滩地，流沙治理区沙丘高度多在2～5 m。该区气候属温带干旱荒漠气候，多年均温7.8℃，年日照时间长，昼夜温差大，平均年降水量约113.2 mm，而蒸发量高达2 644 mm，降水主要在7—9月，干燥度大于5.5，年平均风速2.55 m/s。土壤类型以风沙土、灰棕漠土、草甸土、草甸沼泽土为主，耕作土壤为灰棕漠土、草甸土等土类经过长期灌溉淋溶、耕作施肥等人为作用下形成的特殊土类——绿洲灌漠土。

2 试验设计与方法

为获得尽量相同的立地条件及有对比性的黏土层厚度，选取自然分布黏土滩地黏土质土壤及试验地流动沙丘风沙土进行人工试验布置：选取流动性弱的流动沙丘，在沙丘中部挖坑，深度0.7 m，长宽分别为9，1 m，以1 m×1 m为单元将土坑用棚膜塑料分割，坑内填埋黏土及挖出的风沙土，形成从地表向下为“20 cm沙土+30 cm黏土+沙”、“20 cm沙土+20 cm黏土+沙”、“20 cm沙土+10 cm黏土+沙”不同黏土厚度3个处理的黏土质夹层土壤结构，填埋土壤时，在黏土层上部、下部10 cm处及黏土层中部布置水分探头，各处理3个重复共9个试验小区。黏土来自于丘间低地，试验用黏土及砂土粒度见表1。各试验小区边界做好塑料阻隔，以防止水分相互渗透。试验布置90 d后开始观测非降雨条件下土壤水分再分布，观测时间150 d，期间遇到降雨时用塑料盖住试验小区；试验布置240 d后等待合适的降雨，观测降雨条件下土壤水分再分布。具体试验区编号如图1所示。

表1 试验土样粒度 %

图1 试验区编号及水分探头位置示意图

土壤水分探头为美国Decagon公司研制的ECH2O电容式土壤水分传感器[测量精度±(1%～3%)]，监测频率设置为10 min读数1次；在使用之前按照校准说明书方法及文献方法[23]以试验用土壤对所用到的所有传感器及其数据采集器校准，获得监测值与烘干法测定的土壤水分拟合关系线性方程；记录校准中传感器编号与数据采集器编号、对应的通道，在后期监测中固定使用该数据采集器、通道及传感器；将监测值代入拟合方程获得监测体积含水率，其测量精度可达到1.1%～2.4%。试验中铺捉到的最大降雨为一次33.6 mm降雨，降雨后以各土壤层水分数值剧烈上升开始时间对应的土壤含水率作为初期含水率，以各土层水分数值剧烈上升结束时间对应的土壤含水率作为最高含水率，并以期间所经历的时间作为水分增加时间，某个时间点对应的土壤含水率作为对应时间的末期含水率获取相关数据，试验数据用Excel及SPSS进行处理及分析。土壤储水量计算公式为：

h=W×H×10

(1)

式中：h为土层厚度为H(cm)时的土壤储水量(mm)；W为土壤体积含水率(%)。

3 结果与分析

3.1 土壤水分再分布影响因子

在经过一次33.6 mm降水后，对降雨前的土壤初期含水率、降水后所能达到的最高含水率、达到最高含水率水分增加时间、100 d后的末期土壤含水率、反映土层厚度的土壤水分监测深度进行相关性检验发现(表2)：土壤末期含水率与初期含水率、最高含水率极显著正相关，与土壤监测深度显著负相关；土壤初期含水率与土壤监测深度显著负相关；土壤水分增加时间与初、末期含水率具有负相关关系，但显著性不高；最高含水率与土壤监测深度具有不显著的负相关关系。因此，在本试验条件下，降雨后经过相同时间水分再分布后的土壤末期含水率主要受降雨初期含水率、降雨入渗所能达到的最高含水率影响，其次为黏土层厚度。

表2 土壤水分再分布影响因子相关系数

3.2 非降雨条件下土壤水分再分布

试验布置达土壤水分自然平衡后观测150 d以了解非降雨条件下土壤水分再分布(表3)，150 d后70 cm深度内初末期土壤总储水量30 cm处理、20 cm处理分别降低780，280 mm，10 cm处理增加500 mm，具有10 cm处理>20 cm处理>30 cm处理的关系；黏土层下部初末期土壤含水率变化亦具有E101>E201>E301的关系；黏土层上部初末期土壤含水率变化为E201>E301>E101；黏土层初末期土壤含水率变化为E101>E201=E301。因此，在无降雨输入条件下10 cm厚度黏土层处理最有利于保持土壤水分，30 cm厚度黏土层处理土壤水分保持效果最差。土壤总储水量的变化与土壤含水率变化及土层厚度有关，在本试验条件下，土壤含水率影响因子只有布置于次层的黏土厚度不同，其他环境因子相同，由土壤含水率变化可知，黏土层上部、黏土层及其黏土层下部含水率变化范围分别在0～0.8%，-0.2%～-2.8%，0.2%～1.3%，黏土层及其黏土层下部土壤含水率变化是引起总储水量变化的主要原因，其原因可能是在蒸发及土壤水吸力共同作用下黏土层土壤水分向地表及下部运动差异所致。

表3 非降雨条件下土壤水分再分布

3.3 自然降水条件下土壤水分再分布

经过一次33.6 mm降水后(表4)，由土壤总储水量变化可以看出，37 d后土壤总储水量具有30 cm处理>20 cm处理>10 cm处理的关系，100 d后土壤总储水量具有10 cm处理>20 cm处理>30 cm处理的关系，说明本试验条件下黏土层越厚越有利于降雨后土壤水分吸收，但土壤水分长期保持效果却随黏土层增厚而降低；由土壤含水率增加时间可以看出，E101>E201>E301，E102>E302>E202，说明黏土层下部及黏土层含水率增加时间表现为黏土层厚度越小所用时间越长，水分增加时间越长越有利于将水分保持在土壤中，以10 cm处理水分增加时间最长，其次为20 cm处理。黏土层及其下部沙土土壤含水率变化是引起总储水量变化的主要影响因子，黏土层含水率较高时黏土层越厚对表层沙土土壤含水率影响越大，但随时间延长，黏土层含水率不断降低情况下其影响越来越小。降雨100 d后的土壤水分变化情况与非降雨条件下土壤水分再分布特征基本相似，在一定时间内有水分输入情况下，湿润锋经过表层沙土向黏土层不断推进(图2)，当湿润锋到达黏土层时入渗减慢(图3)，当穿过黏土层10 cm后，黏土层10 cm处理中湿润锋已经推进到黏土层下方的沙土中(图4)，而黏土层20 cm处理和30 cm处理中湿润锋依然在黏土中移动，同样的情况出现在20 cm处理和30 cm处理之间，因此，黏土层30 cm处理储存于地表与黏土层的水分高于20 cm黏土层处理，黏土层30 cm处理最小，水分距离地表越近，在后期蒸发作用下更易于散逸，不利于水分储存。

表4 地表土层60 cm内土壤水分变化

图2 表层土壤含水率变化

图3 黏土层土壤含水率变化过程

图4 黏土层下部沙土含水率变化过程

3.4 自然降雨后土壤含水率变化过程

3.4.1 表层沙土含水率变化过程 以各处理表层水分剧烈上升开始时间作为水分变化起点，以变化最大值作为水分上升变化终点计算含水率上升区间的含水率变化速度。结果表明(图5)，降水后0.5 h内，表层沙土迅速达到最大土壤含水率，之后表层沙土单位时间体积含水率变化量与时间之间表现为对数线性关系(表5)，变化趋势线以E203最陡，E103最平缓。除初始含水率不一致外其他的环境变量基本一致，表现出降水后表层沙土土壤水分变化方向及速度与土壤初始含水率相一致的现象。各处理表层沙土含水率降低速率在1 h之内变化剧烈，在1～2 h基本以1.02%/h的变化速率平稳降低，在2～2.5 h基本以0.51%/h的变化速率波动性降低，2.5 h之后已难以从变化速率方面区别3个处理的水分变化差别。如图2所示，对各处理表层土壤水分变化进行拟合，体积含水率与时间之间表现为直线线性关系，其中以10 cm黏土层处理斜率最小。

图5 表层沙土含水率变化速率

3.4.2 黏土层及其下部沙土含水率变化过程 将黏土层及其下部沙土水分变化过程分为水分增加阶段与水分降低两个阶段，以时间与土壤含水率进行线性拟合，获得了较好的拟合效果(表5)，当湿润锋进入黏土层及黏土下部的沙土层时，黏土层及其下部的沙土在水分增加阶段以二次方程变化，在水分下降阶段土壤含水率变化平缓，以一次线性方程变化。如图3所示，黏土层经过水分增加获得较高水分后一直保持稳定的高水分状态，表现为E102>E302>E202的关系；在黏土层下部(图4)，30 cm黏土层处理在水分增加阶段虽然获得较高的水分但后期却以0.063 2的斜率直线式下降；10 cm处理在水分增加阶段获得的水分不高，后期也以0.040 8的斜率直线下降；20 cm处理从水分增加到降低，其过程都较平缓。因此，黏土层及其下部沙土的储水效果可能主要取决于黏土层所能吸收的最高含水量。

表5 土壤水分变化过程拟合曲线

4 讨 论

本试验通过黏土层厚度、末期含水率、初期含水率、最高含水率、水分增加时间、总储水量等反映土壤储水情况的诸多指标研究，认为黏土质夹层结构土壤阻滞水分入渗到更深层土壤，同时阻滞蒸发，具有较好的储水效果，这与孙程鹏等[16]通过土壤孔隙度、土壤机械组成等方面研究得出的结论相同，但一些指标反映出与黏土层厚度变化不相一致的情况，不太符合惯性认识，如黏土层含水量持续增长时间与黏土层厚度的关系，20 cm黏土层厚度为12 h，30 cm黏土层厚度为20 h，但10 cm黏土层厚度含水量持续增长时间可达8 d，与厚度20 cm和30 cm相差较大且与黏土层厚度变化方向相反。水分持续增长时间决定于最高含水量及后续补充水分来源。首先，在可吸收水量一定情况下向黏土层输入水分，黏土层越厚吸水体积越大，则需要更多的水分，导致其最高含水率降低；其次，黏土层越薄进入黏土层下部沙土的水分越多，越有利于水分储存于黏土层下部的沙土中，黏土对水分束缚力较强，导致在水分缺乏时可以将黏土层下部沙土的水分吸附到黏土层，保证了黏土层水分亏缺时的水分来源。因此，10 cm黏土层厚度含水量持续增长时间长于20 cm及30 cm黏土层厚度的黏土夹层是可以被理解的。至于黏土层含水量持续增长时间与黏土层厚度关系中的最佳反转点在哪里，还需要进一步研究。本试验只能确定黏土质夹层对水分入渗的影响方式及其本试验3种不同厚度黏土层处理下的影响结果，但不能确定黏土层厚度为多少时可以达到水分蒸发损耗最小的最佳水分储存效果，还需要细化黏土层厚度设置，同时精细控制水分来源及明确水分流失方向，以及试验黏土层布置于不同深度上的变化等，该方面的细化研究还有待继续深入，可为干旱沙区植被重建提供理论基础。

5 结 论

(1) 降雨后经过相同时间水分再分布后的土壤末期含水率主要受控于降雨初期含水率、降雨入渗所能达到的最高含水率，其次为黏土夹层厚度。末期含水率与初期含水率、最高含水率极显著正相关，与黏土夹层厚度显著负相关；水分增加时间与初、末期含水率具有负相关关系，但显著性不高。

(2) 黏土质夹层表层沙土土壤含水率在降雨条件下经过长期水分再分布后表现出黏土层厚度越小，表层含水率越低的特征；黏土层及黏土层下部的沙土层初始含水率越高，在降水初期水分增加量、增加速度以及水分流失量、流失速度与初始含水率具有一定的正相关变化关系。

(3) 黏土质夹层结构土壤阻滞水分入渗到植物难以利用到的深层，将水分固持于黏土层及黏土层上下部供适合于该层根系分布的植物利用，降低了土壤水分蒸发损耗，在表层覆沙20 cm情景下，10，20，30 cm厚度的黏土质夹层以10 cm处理总体水分保持效果最好。