土壤水是一種重要的水資源 ,是大氣水、地表水、地下水轉(zhuǎn)化的紐帶 ,在水資源的形成、轉(zhuǎn)化與消耗過程中不可或缺。大氣降水和灌溉水都要轉(zhuǎn)化成土壤水才能被植物吸收 ,因此 ,土壤水是陸地植物賴以生存的源泉 。在干旱和半干旱地區(qū) ,水分是植被生存和發(fā)展的主要限制因子。天然植被能夠利用的水分的主要來源是大氣降水和地下水 ,但是大氣降水和地下水都要轉(zhuǎn)化成土壤水才能被植物利用 ,同時(shí)土壤水分狀況是氣候、植被、地形及土壤因素等自然條件的綜合反映 。很多學(xué)者利用土壤墑情記錄儀從不同角度對干旱、半干旱地區(qū)的土壤水分進(jìn)行了研究 ,為干旱、半干旱地區(qū)合理利用水分 ,保證植物正常生長和防治荒漠化提出了一些科學(xué)依據(jù) 。但由于觀測手段的限制 ,長期以來土壤水分研究采用的主要通過土盒法或中子儀法獲得的土壤含水量瞬時(shí)數(shù)據(jù) ,在時(shí)間上不連續(xù) ,所以不能充分揭示土壤水分的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。
近年來隨著沙地水分測量儀器的快速發(fā)展 ,自動(dòng)記錄儀器的使用使沙地水分研究得到提高,沙地水分動(dòng)態(tài)報(bào)道不斷增加。沙地水分動(dòng)態(tài)主要包括垂直變化 ,和季節(jié)變化。在垂直變化上表現(xiàn)為:表層干沙層(0～10cm或 0～20cm);水分活躍層 (20～80cm);水分穩(wěn)定層 (80cm以下 )。在季節(jié)上表現(xiàn)為:冬春季的調(diào)整與弱失水階段 (12月～5月下旬 );夏季降雨補(bǔ)給階段 (6月 ～8月下旬 );秋季失水階段 (9月 ～11月下旬 )。但對于不同植被蓋度的固定沙地、半固定沙地和流動(dòng)沙地的土壤水分的動(dòng)態(tài)變化各不相同 ,不能一 而論。采用 EC - 5土壤水分探頭實(shí)現(xiàn)了沙地土壤水分的連續(xù)定位觀測 ,通過對毛烏素沙地東南緣不同蓋度的油蒿群落土壤水分進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測 ,以期能夠更準(zhǔn)確地揭示沙地土壤水分的變化規(guī)律,為深入研究土壤水分對干旱、半干旱地區(qū)植被演替的影響提供科學(xué)依據(jù)。
1 研究區(qū)概況
研究區(qū)位于毛烏素沙地東南緣 ,地理坐標(biāo) E108°51′55″～108°52′36″,N37°07′08″～37°37′26″,屬半干旱氣候。多年平均降水 400～450mm,主要集中在 7～9月 ,約占全年降水量的 60%～70%。光照充足 ,年日照時(shí)數(shù) 2700～3100h,年平均蒸發(fā)量 2484. 5mm,多年平均干燥指數(shù) 2. 3。每年 3～5月西北風(fēng)盛行 ,常達(dá)6～8級 ,大于 5m /s的起沙風(fēng)平均每年出現(xiàn) 220次以上 ,大風(fēng)日數(shù) 20～40天 ,尤其是春季 ,干旱少雨、地表干燥 ,大風(fēng)頻繁 ,月平均風(fēng)速 4～5m /s,最高風(fēng)速達(dá) 20～25m /s。地貌以起伏的沙丘為主 ,機(jī)械組成主要為細(xì)沙和中沙 ,由東南向西北降水量和氣溫遞減 ,而蒸發(fā)量遞增。本區(qū)屬暖溫性草原帶 ,植被覆蓋度低 ,主要植物有油蒿 (Artem isia ordosica)、沙米 (Agriophyllum squarrosum )、軟毛蟲實(shí) (Corisper - mum puberulum )、沙竹 (Psammochloa villosa)、沙柳 (Salix psammophylla)等。
2 研究方法
2. 1 樣地的選取
選取毛烏素沙地東南緣金雞灘鄉(xiāng)大墳灘村作為實(shí)驗(yàn)地 ,實(shí)驗(yàn)地內(nèi)建群種為油蒿,按油蒿的退化梯度選取固定沙地、半固定沙地和流動(dòng)沙地三個(gè)樣地 ,實(shí)驗(yàn)地地下水埋深 3m左右 ,實(shí)驗(yàn)地概況
2. 2 樣地的布設(shè)
采用 EC - 5探頭對土壤水分的動(dòng)態(tài)變化、次降水過程 (某次連續(xù)降水過程)以及降水結(jié)束后土壤水分入滲與再分配過程進(jìn)行實(shí)地連續(xù)觀測。EC - 5探頭輸出的是不同土壤含水率條件下的介電常數(shù) ,觀測精度 ≤±1～2. 0% (vol. ) ,測量范圍 0～100%,用 AR5數(shù)據(jù)采集儀對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集 ,AR5數(shù)據(jù)采集儀采用 0～2. 5V輸出電壓 ,能連接 8個(gè) 12位分辨率和 3個(gè) 24位脈沖 /頻率的輸入端口 ,兼容直接連接傳感器包括土壤水分、溫度、壓力、相對濕度、風(fēng)速、降雨、水流量和天然氣的消耗沒有外部電源要求。2006年 11月在實(shí)驗(yàn)樣地的三種類型沙地上分別安裝一套 AR5土壤采集儀 ,即在三種類型沙地上開挖 160cm深剖面 ,將 EC - 5土壤水分探頭按深度 10 φ 、30 φ 、60 φ 、100 φ 、160 φ水平插入。在 10 φ 、30φ 、100 φ土層上安裝土壤溫度探頭 ,同時(shí)在固定沙地上安裝雨量計(jì) ,雨量計(jì)距地面 1m,然后回填。數(shù)據(jù)輸出時(shí)間可根據(jù)需要自行調(diào)整 ,實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)輸出時(shí)間為 30分鐘 ,土壤含水量為體積含水量。
2. 3 儀器校正
儀器校正采用野外實(shí)地監(jiān)測與鋁盒取土烘干相結(jié)合的方法進(jìn)行校正。為保證土壤水分含量有一定的梯度 ,在實(shí)驗(yàn)地挖 60cm 深土壤剖面 ,以10cm為間距 ,在不同時(shí)間段內(nèi)用 EC - 5探頭測量各層土壤水分 ,同時(shí)在水平插入探頭的部位用鋁盒取土烘干測其水分,并用環(huán)刀測定各層土壤容重。兩種方法共測得 43對數(shù)據(jù)?；貧w統(tǒng)計(jì)分析 ,如圖1所示:烘干法與 EC - 5測定值之間得相關(guān)系數(shù) R =0. 9716,自由度 f = n - 1 = 42,經(jīng)檢驗(yàn) , p < 0.0001,達(dá)到極顯著相關(guān)水平。校正方程為: y =0. 9743x - 0. 7103。式中 y為烘箱烘干法測得的土壤水分值 , x為 EC - 5測定值 ,R為擬合優(yōu)度 ,R =0. 9716,說明校正以后土壤水分值與采用傳統(tǒng)的烘干法測的值相符 ,能很好的反映實(shí)測地土壤水分的狀況 ,說明 EC - 5監(jiān)測的土壤水分結(jié)果是可靠的。
2. 4 土壤蓄水量計(jì)算
研究采用下式計(jì)算土壤蓄水量:W =0. 13 ∑pi 3 Hi
i=1式中:w為某一厚度層的土壤蓄水量 (mm) , Pi 為第 i層土壤體積含水量 ,Hi 為第 i層土層厚 (cm); i=1,2,3, ……n,為土壤剖面分層數(shù)。
由此得出：
(1)在時(shí)間尺度上固定沙地土壤水分呈現(xiàn)為:秋季 >春季 >夏季;半固定沙地變化趨勢與流動(dòng)沙地相同:夏季 >秋季 >春季。
(2)固定沙地與半固定沙地和流動(dòng)沙地在垂直方向上土壤水分變化存在一定的差異 ,固定沙地土壤水分變化成 "S"型曲線 ,半固定沙地和流動(dòng)沙地土壤水分變化成反 "S"型曲線。
(3)流動(dòng)沙地土壤蓄水量主要受降水和地表蒸發(fā)的影響 ,與植被蓋度關(guān)系甚微 ,大氣降水在流動(dòng)沙地很容易下滲到 40cm,所以各月土壤蓄水量相差很少,不足 3. 5mm;固定沙地和半固定沙地 0～40cm沙層土壤蓄水量均表現(xiàn)為 8月份較小 ,10月份蓄水量最大 ,其它各月該層土壤蓄水量相差很小;油蒿群落主要消耗 20～40cm土層的蓄水量 ,導(dǎo)致 20～40cm沙層半固定沙地和固定沙地土壤蓄水量均低于流動(dòng)沙地; 0～200cm各月土壤蓄水量流動(dòng)沙地最大 ,半固定沙地次之 ,固定沙地的最差。
其實(shí)測量土壤中的水分可以用儀器來進(jìn)行測量，建議使用土壤水分測定儀，這個(gè)可以直接測出土壤中的水分。想了解更多信息可參考中國土壤儀器網(wǎng)http://www.soil17.com。
