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科尔沁草原土壤水分动态及其与降水格局的关系 土壤水是土壤最重要的组成之一，也是水文循环的重要组成部分。降水在蒸发、径向流、入渗和渗透等水循环过程中的分配是强烈的非线性轨迹。同时,土壤水分还直接或间接地控制着土壤-植被-大气连续体(Soil-Plant-Atmosphere Continuum,SPAC)中的植被条件、土壤理化性质及地下水动态。因此,认识土壤水分的动态过程是深入揭示SPAC系统各因子之间相互作用的关键。在干旱半干旱地区,土壤水分是作物生长的控制因子之一,是监测土地退化的一个重要指标,也是气候、生态和农业等领域研究的主要参数。然而,受土壤物理、化学等过程的影响,土壤水分动态相当复杂,作为土壤水分主要输入项的降雨的高度时-空异质性及土壤、植被的空间异质性,使得土壤水分具有高度的异质性,因此,要获取一个适宜的土壤水分动态数学模型非常困难。由于影响土壤水分动态的各因素都有随机性,特别是降雨事件发生及降雨量分布的随机性,决定了土壤水分动态模型以概率形式描述才具有实际意义。Rodriguez-Iturbe等建立了以天为时间尺度的空间一点的土壤水平衡的概率模型,首次用该模型描述了入渗、蒸散发和渗漏对土壤水分的依赖,在试验条件下研究了土壤水分在一个点上的动态特征,而成为土壤水分动态随机模拟的一个重要进展。随后Laio等在蒸散发项上进一步引进了两个土壤水分临界值(凋萎系数和吸湿系数)使得在水分胁迫环境条件下能更加真实地描述土壤水分动态,称该模型为Laio土壤水分动态随机模型(简称Laio模型)。虽然目前土壤水分动态随机模拟研究已出现了大量的研究成果,但在中国干旱半干旱地区相对薄弱。由于干旱区土壤水分与地形、降水、蒸发、土壤特性及固沙植被类型和组成等都密切相关,长期处于动态变化之中,而且其变化过程比较复杂,所以有必要对其土壤水分动态进行研究和模拟。 本文利用Laio模型结合奈曼沙漠化研究站固定沙丘和沙质草地2006—2010年连续5个生长季土壤水分的监测资料及同步降水资料,分析和探究研究区固定沙丘和沙质草地根系层土壤水分年际、季节性动态特征及其与降水量的关系;验证Laio模型在科尔沁沙地应用的可行性,在此基础上获得沙地土壤水分概率密度函数;对Laio模型涉及的13个参数的敏感性进行分析,以期为该地区土壤水分动态模拟、植被建设、生态恢复及土壤水分的有效利用与管理提供一定的指导作用和理论依据。 1 降水量、蒸发量及地貌 研究区位于科尔沁沙地东南部奈曼旗境内(图1),地理位置120°19′E~121°31′E,42°14′N~43°32′N,平均海拔360 m。该区域属温带半干旱大陆性季风气候,年均温6.5℃,无霜期约151 d,极端最高气温39℃,极端最低气温29.3℃,年平均降水量为343~451 mm,降水时间分布不均匀,年降水量的70%~80%集中在7~9月份。年蒸发量为500~2 500 mm,干燥系数为1.0~1.8,近70%的蒸发发生在4~7月。地貌类型以沙丘和面积不等的平缓沙地及甸子地交错分布为特征。沙丘主要以固定沙丘为主,其主要植物种有差不嘎蒿(Artemisia halodendron)、小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)、糙隐子(Cleistog enes squarrosa)和砂蓝刺头(Echinopsgmeli nii)。平缓沙地多为沙质草地,其主要植物种有猪毛菜(Salsolacollina)、虫实(Corispermumelongatum)和冷蒿(Artemisiafrigida willd)等。 2 学习方法 2.1 试验设计与土壤水分测定结果 固定沙丘和沙质草地2006—2010年生长季土壤水分数据来源于中国科学院寒区旱区环境与工程研究所奈曼沙漠化研究站长期土壤水分观测场的监测资料。其中,固定沙丘的植被盖度为60%左右,其主要植被为差不嘎蒿、糙隐子草和砂蓝刺头;而沙质草地的植被盖度较高,为90%左右,主要植被为猪毛菜、虫实和冷蒿。这两种样地土壤水分的具体监测方法是:分别在固定沙丘和沙质草地观测场等距离埋设3个深2 m的中子水分仪(CNC100,北京),每隔10 cm为1个土层,下限为160 cm,共记录16个土层的土壤体积含水量,其中表层(0~10 cm)含水量用传统的烘干法测定。从每年的5月初到9月底,每隔10 d监测1次,降水后加测1次,连续5年(2006—2010年)。同期的气象数据由邻近的奈曼沙漠化研究站气象观测站取得。固定沙丘和沙质草地土壤含水量的监测总次数分别为96和93。这两个样地0~100 cm土层的土壤理化性质见表1。 观测点土壤参数均采用实地测定,于2011年7~8月份完成。用环刀法分层(固定沙丘分0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 c