降水對干旱半旱地區(qū)植被恢復(fù)的影響

降水對干旱半旱地區(qū)植被恢復(fù)的影響

洛杉磯高原是世界上水土流失最嚴重的地區(qū)之一，屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候。自1998年開始，我國在該區(qū)采取了大規(guī)模的退耕還林（草）和天然植被封育措施，成效顯著由于土壤水分既受降雨等氣候條件的影響，又受植被、地形地貌特征等下墊面性質(zhì)的影響，一直以來都是水文循環(huán)和水量平衡研究中的難點。降水在很大程度上影響了土壤水分的變化，同時土壤水分又在降水-徑流響應(yīng)過程中起到主要的控制作用。植被對降水的響應(yīng)存在延遲效應(yīng)以及響應(yīng)閾值，降雨特征、植被和土壤性質(zhì)共同決定了植被覆蓋條件下土壤水對降水的響應(yīng)1材料和方法1.1陰山山地干草原區(qū)研究區(qū)位于110°21′～110°23′E,38°46′～38°51′N，屬于黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯帶六道溝流域，中溫帶半干旱氣候，年際、年內(nèi)氣候變化劇烈，冬春季干旱少雨，多風(fēng)沙，夏秋多雨。降水稀少且比較集中，多年平均降水量為437.4mm，其中6—9月的降水約占全年降水量的80%左右。本區(qū)為丘陵、森林草原向沙漠、干草原的過渡地帶，天然次生植被主要為旱生禾草類和旱中生蒿類，其中常見的主要有長芒草（Stipabungeana）、斜莖黃芪（Astragalusadsurgens）、草木樨狀黃芪（Astragalusmelilotoides）、狗尾草（Setariaviridis）、茵陳蒿（Artemisiacapillaries）等。1998年，退耕還林還草工程開始啟動實施，至今90%以上的坡耕地已經(jīng)退耕，植被恢復(fù)極大地改變了該地區(qū)的自然環(huán)境，平均植被覆蓋率達70%以上，荒山已經(jīng)基本被植被覆蓋。1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1樣地的選擇此次試驗于2014—2015年的生長季（6—9月）進行，為將造成土壤本身空間異質(zhì)性的因子最小化，選擇立地條件大致相似的3個樣地作為實驗樣地。3個樣地分別為恢復(fù)5a,15a,30a(RG5,RG15,RG30）。樣地的基本情況如表1所示。1.2.3環(huán)境容量模型Logistic模型是一種生長模型，該模型又被稱為Verhulst-Pearl模型，在生態(tài)學(xué)、人口學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。Logistic模型的微分形式為：式中：s為種群大小；t為時間；a為環(huán)境容量；c為內(nèi)稟增長率。式（1）的解，即Logistic模型的積分形式為：式（2）所表示的是一條S形曲線，被稱為Logistic曲線或Pearl曲線，它反映了事物發(fā)生、發(fā)展、成熟，并趨于飽和（極限）的過程。b為待求參數(shù)。(2)Logistic模型構(gòu)建10min尺度上土壤水分對降雨的響應(yīng)過程可分為增長期、相對穩(wěn)定期和衰減期（圖1），增長過程和衰減過程均呈現(xiàn)S形曲線，符合三參數(shù)Logistic方程，如式（3）和式（4）所示：通過對函數(shù)θ（t）計算3次導(dǎo)數(shù)，可以計算出模型的2個拐點：其中增長期的t根據(jù)公式（11)～(13）分別計算增長期、相對穩(wěn)定期和衰減期歷時T2結(jié)果與分析2.1全年降水量研究區(qū)2014—2015年降水量分別為405.4mm、388.4mm，其中6—9月生長季的降水量分別占全年降水量的62.3%和70.5%（圖2）。將生長季的降水事件按降水量劃分為<5、5～10、10～20mm和>20mm共4個等級，2014—2015年各量級的降水量分別為95.4、133.1、172.6mm和125.4mm，各量級降水發(fā)生的頻次分別為64.8%、17.6%、12.1%和5.5%。2.2不同恢復(fù)年限草地土壤水分對降雨的響應(yīng)根據(jù)土壤水分對降水的響應(yīng)程度，一般可將土層劃分為3個層次，即土壤水分活躍層、漸變層和相對穩(wěn)定層。本文中0～40cm為土壤水分活躍層，土壤水分隨降水脈動呈波動變化。60～120cm為土壤水分相對穩(wěn)定層，土壤水分波動較少，表現(xiàn)為每年生長季的初期較高，在7、8月份出現(xiàn)消耗（圖3d～圖3f）。在土壤水分活躍層（圖3a～圖3c），不同恢復(fù)年限草地土壤水分對降雨的響應(yīng)不同，主要表現(xiàn)為RG5土壤水分增加幅度最小，響應(yīng)次數(shù)也最少。在土壤水分相對穩(wěn)定層（圖3d～圖3f），不同恢復(fù)年限草地之間土壤含水量開始出現(xiàn)差異，表現(xiàn)為RG15土壤水分處于較低水平。土壤水分從恢復(fù)5a草地向恢復(fù)15a草地逐漸降低，而這種降低趨勢在恢復(fù)30a草地減弱。2.3土壤水分變化特征綜合考慮草本植物根系分布和降水影響深度，本文選取0～40cm土壤來分析不同土層土壤水分對降水的響應(yīng)。在典型大降水事件中（2015年6月28日），土壤水分變化呈典型的2拐點3階段變化特征：分別為增長期、相對穩(wěn)定期和衰減期（圖4）。從開始響應(yīng)時間來看，RG5在5～10cm土層響應(yīng)較慢，RG15在20～40cm土層響應(yīng)較慢。從土壤水分增加幅度來看，RG5在不同土層均最小，RG15在表層（0～5,5～10cm）較大，RG30在下層（10～20,20～40cm）較大（圖4a～4d）。從達到穩(wěn)定時的最大土壤含水量來看，RG15在表層（0～5,5～10cm）較高，但在20～40cm土層明顯降低。2.4土壤水分的動態(tài)模型Logistic模型適用于單次降水事件中土壤水分對降水的響應(yīng)。由于沒有明顯的開始增長時間和開始衰減時間，此模型不適宜用于連續(xù)降水事件；由于沒有相對穩(wěn)定期（平臺期），該模型也無法進行非大雨量降雨事件中相對穩(wěn)定期時間特征的模擬。用Logistic方程對典型大降水事件中土壤水分增長和衰減過程進行擬合，通過模型擬合得出的參數(shù)，代入公式（6)～(13），得出土壤水分響應(yīng)過程的時間特征和變化速率。模擬結(jié)果如圖4所示，相關(guān)系數(shù)R選取2015年雨季中發(fā)生較強土壤水分脈動的4次主要降水事件（6月28日，7月17日，8月3日，9月10日）土壤水分增長過程進行擬合，相關(guān)系數(shù)R3不同恢復(fù)年限草地對土壤水分變化的響應(yīng)在干旱半干旱地區(qū)，土壤水分是影響植被恢復(fù)與重建的關(guān)鍵因素，而植被恢復(fù)也能提高土壤蓄水能力，改良土壤結(jié)構(gòu)，從而增加土壤含水率大氣降水是干旱半干旱地區(qū)土壤水分的主要補給來源，土壤水分隨降水脈動呈波動變化。降水是影響土壤水分變化最重要的因素，研究較多的有降水量、降水強度、降水歷時。本研究中不同恢復(fù)年限草地對降水量、降水強度變化的響應(yīng)不同。從表3來看，在0～20cm土層，RG15土壤水分增長速率隨降水量、雨強變化均較大；在20～40cm土層，RG30土壤水分增長速率隨雨強變化較大。不同恢復(fù)年限草地的響應(yīng)隨深度的變化也不同。由于降水入滲、再分布和土壤蒸發(fā)向深層傳遞的滯后性，上層土壤水分受降水的影響明顯大于深層，其對降水的響應(yīng)也最明顯。RG15在表層（0～5,5～10cm）土壤水分響應(yīng)最大（圖4a～圖4b，表3），而在下層（20～40cm）響應(yīng)減弱且響應(yīng)時間明顯滯后（圖4d），這說明RG15表層具有較高的持水能力，而水分通過表層向深層土壤的水分入滲能力較弱4土壤水分增長特征(1）土壤水分從恢復(fù)5a草地向恢復(fù)15a草地逐漸降低，這種降低趨勢在恢復(fù)30a草地減弱。從土壤水分對降水響應(yīng)來看，恢復(fù)5a草地土壤水分增幅最小，響應(yīng)次數(shù)也最少。(2）在單次降水事件中，土壤水分增長過程和衰減過程均符合Logistic模型。從時間特征來看，恢復(fù)5a草地相對穩(wěn)定期歷時最長；從隨土層變化來看，恢復(fù)15a草地土壤水分在表層（0～5,5～10cm）增長幅度和增長速率最大，而在下層（20～40cm）增長幅度明顯減小且響應(yīng)時間滯后；恢復(fù)30a草地在下層（20～40cm）增長幅度和增長速率最大。建議在黃土高原天然草地恢復(fù)初期，適當(dāng)采取人工措施來增加水分入滲，以減少平臺期歷時，同時增加恢復(fù)過程中深層土壤水分的響應(yīng)，提高有限降水的利用效率。1.2.2土壤水分變化和降水量測定在3個實驗樣地，各安裝一套U30-NRC型土壤水分自動監(jiān)測系統(tǒng)，通過E