乌兰布和沙漠是我国八大沙漠之一，其东北部占总面积的1/3，水分条件相对较优越(姬宝霖，1999)，农业开发历史悠久，沙漠化防治措施以植被建设为主(刘树华等, 1996; 苏建平等, 2004)。科学利用有限的水资源进行植被建设是该区生态环境建设必须考虑和深入探讨的问题。土壤水分植被承载力是土壤水资源利用的一个重要研究内容，近年来我国北方少雨地区的多年生人工林、草地等出现了以土壤旱化为主要特征的大面积退化，土壤水分植被承载力研究愈来愈受重视(郭忠升等，2004; 马焕成等，2001)，计算评价方法也颇多。郭忠升等(2003；2004)认为：土壤水分植被承载力是指在较长时期(1至多年)内，植物在可利用土层内的土壤水分消耗量等于或小于土壤水分补给量时，所能维持特定植物群落健康生长的最大密度，即雨水资源中补给土壤的部分水量所能维持植物健康生长的植物个体最大数量；马焕成等(2001)以土壤有效水分总量与树木单株水分消耗量的比值计算土壤水分最大承载力。目前，土壤水分植被承载力的单位仍沿用传统承载力单位——植株密度(David，1999；邓波等，2003；郭忠升等，2003；马焕成等，2001；高西宁等, 2002；Verplancke et al., 1992；周杨明等, 2002；闫俊华等, 2001；王俭等, 2005；Radersma et al., 2006)。维持水分平衡是干旱半干旱地区森林植被生态系统稳定的最重要条件(余新晓等，1996)，如植被过度消耗土壤水分，植被生态系统水分平衡被破坏，土壤退化，进而导致环境条件恶化，因而土壤水分承载力研究实质是以植被生态系统水分平衡为基础研究植被与水资源之间的相互关系，即在植被维持或改善环境水资源前提下研究土壤水分对植被的最大负荷能力。

鉴于上述，本研究从2003年开始测定该区的土壤物理特征和水分变化，同步调查植被特性和植物生理生态特征等，应用水量平衡原理建立了土壤水分动态模型，探讨了该区土壤水分植被承载力，为解决植被建设中水资源与植被之间的矛盾提供理论依据，对于该区生态建设和恢复也具有重要的理论与实践意义。由于乌兰布和沙漠植被组成以灌木为主，地下根系存在交叉联结，不易区分出独立的植株个体，且稳定的植被生态系统是植被结构和数量的统一，所以本研究选择与蒸腾耗水直接相关的叶面积指数作为评价土壤水分植被承载力的指标。

1 试验地概况

试验地位于我国西北干旱荒漠区的东缘，地处内蒙古自治区境内，黄河中游后套平原的西南部，介于狼山与黄河之间，属于乌兰布和沙漠东北部的典型地段(106°09′—107°10′ E，40°09′— 40°55′ N)。地势呈西北高东南低，海拔1 030~1 077 m。属亚洲中部温带荒漠气候，寒冷、干燥、多风，兼有大陆性季风气候区的降雨特点，降雨量集中在夏秋季节，降雨量小而持续时间短，蒸发量大，如2000—2006年的年均降水量为105 mm，年均蒸发量为3 041 mm。试验地下伏地面为古河床冲积平原，地带性土壤为灰漠土，上覆近代风成沙丘。土壤干燥贫瘠，土壤质地在样地之间和垂直层次上变化较小，土壤水分的变化在各年度间较小，月变化较大，明显与降雨相关。土壤水分的垂直变化主要发生在80 cm以上的土壤层中(叶冬梅等，2005)。

试验地属于荒漠化草原向草原化荒漠过渡地带，荒漠植被占主导地位，以干旱性灌木、半灌木和沙生植物为主，优势种有白刺(Nitraria tangutorum)、沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)及油蒿(Artemisia ordosica)等。植被稀疏，结构简单，植被盖度、生物量与叶面积指数呈直线正相关(何炎红等，2005a)。

试验地由北到南依次为流动沙地(1.53 km²)、半固定沙地(0.25 km²)和固定沙地(0.10 km²)。流动沙地呈链状、格状沙丘，丘间低地占流动沙地面积的18.5%，白刺呈灌丛状着生，沙丘一般高3~7 m，个别在7 m以上，流动沙地的地下水埋深4.5~11.5 m。半固定沙地的地貌特点为白刺灌丛沙堆与粘质土丘间低地相间分布，白刺灌丛沙堆一般高1~3 m，地下水埋深3.7~10 m。固定沙地为沙土覆盖的粘质土平地，主要植物为沙冬青、油蒿及白刺，地下水埋深2.7~3.5 m。

2 研究方法 2.1 样地调查

流动沙地设置6个固定样地，样地以围绕丘间低地的沙丘为界，沙丘移动受全年风向变化的影响，风向不同沙丘移动特点不同，沙丘不同坡向、坡位的水分状况也有差异，所以流动沙地各样地的样方设置以丘间低地中心为基点、沿8个辐射方向设2 m宽样带，土样取自沙丘顶部、沙丘中部、沙丘底部(沙土深1 m)和丘间低地中心。调查样地上所有白刺的生物量，取样带上所有植物调查其他植物生物量。固定和半固定沙地典型地段各设置1个固定样地(50 m×50 m)，对角线法设置样方，即在对角线顶点和对角线交点各设1块5 m×5 m的样方，土样取自每个样方的中心，取样方内所有植物调查生物量。样地植被特征见表 1。

2.2 样地土壤水分动态模型原理

根据水量平衡原理，样地根系层(0~120 cm)在t₂时刻的土壤含水量为C_t2(mm)，t₁时刻的土壤含水量为C_t1(mm)，时段t内的水分供给量S_w(mm)与水分消耗量C_w(mm)的关系为C_t2=C_t1+S_w-C_w。公式为土壤水分动态模型的基础公式，C_t1可作为模拟过程中的土壤水分初始值。式中土壤水分主要来源于自然降雨，由于该区植被稀疏，风大，降雨量小，场降雨持续时间短，植被冠层截流量少，自然降雨的97%以上到达植被土壤表面，降雨入渗土壤深度小于120 cm(叶冬梅等，2005)，所以S_w近似等于时段t内的降水量(mm)。时段t内的土壤水分消耗量C_w(mm)为时段t内的土壤蒸发量E(mm)、植被蒸腾量T(mm)与地表径流量R(mm)的和。E和T使用Penman-Monteith方程(简称PM方程)估计(高西宁等，2002；Verplancke et al., 1992；周杨明等，2002；闫俊华等，2001；程根伟等，2003；Shuttleworth et al., 1985)。水面蒸发E₀(mm)为：E₀＝；土壤蒸发量E(mm)为：E＝；植被蒸腾量T(mm)为：。式中：Δ为平均气温时的饱和水汽压曲线的斜率(kPa·℃^-1)；A，A_s和A_q分别为水面净辐射、冠层净辐射和地面净辐射(mm·d^-1)，为干湿表常数(kPa·℃^-1)；r_a为空气动力学阻力，与界面层特征、风等有关；r_ss和r_sp是气孔阻力和土壤蒸发水分传输阻力；E_a为空气干燥力(mm·d^-1)，，λ为蒸发潜热，ρ为空气密度，C_p为空气比热，D为饱和蒸汽压亏缺。

2.3 样地土壤物理特征及植被特征观测

土壤含水量采用干燥法测定，使用环刀取样(钢制环刀，直径5 cm，容积为100 cm³)，取样深度根据土壤类型等差异有所不同，丘间低地及固定、半固定沙地粘土一般为120 cm，流动沙丘、白刺灌丛沙包沙土一般为100 cm，沙丘下黏土一般40 cm。每隔20 cm取一个样，由上到下依次为表层、20 cm土层等。除表层取样深度距地表 0~5 cm外，其他土层均为取样环刀中心距地表的深度。3~5个重复。2003—2005年，每年4—9月的每月中旬测定1次。

土壤密度、田间持水量、最大持水量均采用环刀法测定。

土壤水势(ψ_s)使用HR-33T露点计测定，并建立土壤水势绝对值与体积含水量(x)的关系曲线，黏土为ψ_s=0.175x^-0.88 ，沙土为ψ_s=0.004x^-1.411。土壤饱和水分传导力(K_s)使用2800KⅡ Gelph渗透仪测定，黏土为0.000 124 cm·sec^-1，沙土为0.003 572 cm·sec^-1；非饱和导水率(K)计算使用2800KⅡ Gelph渗透仪计算公式K＝K_se^(αΨm)(α由Gelph渗透仪测定得到，Ψ_m为土壤基质势)。土壤蒸发水分传输阻力y(d·mm^-1)与体积含水量x的关系由土壤蒸发试验获得，粘土为y=1.76×10^-6x^-1.40，沙土为y=8.00×10^-14x^-1.48。

植物生物量、叶面积以及地径、高生长、冠幅等测定时间与土壤含水量一致。2003—2005年，在每年8—9月测定1次植被覆盖度。称重法测定生物量，白刺和沙冬青等阔叶植物利用剪纸法(廖宝文等，1990)测定叶面积，油蒿叶面积(S)计算公式为，式中：V为使用排水法测定的叶体积(cm³)，L为叶长度(cm)。

植物蒸腾速率、光合速率、气孔导度等使用LI-6400(美国，Li-COR公司)光合测定系统进行测定，植物水势使用压力室法测定。2003—2005年的4—11月份，每月中旬选取2~3个晴天，测定时间为7：00—19：00，每隔2 h测定1次。在使用PM方程计算植被蒸腾量(mm)时，r_sp使用每月的日进程最小值(气孔导度最大值)，并根据气孔导度与光、植物早水势等关系(何炎红等，2005b)进行修正。

2.4 土壤水分亏缺量计算方法

维持植物生存的最低土壤含水量(萎蔫点)为土壤水分临界值C_s(mm)。当土壤含水量(C_t2)小于C_s时，植物将会死亡。当C_t2≥C_s时，不存在真正的水分亏缺，所以令其为零。土壤水分亏缺量(D_s)计算方法为：当C_t2＜C_s时，D_s =C_t2－C_s；当C_t2≥C_s时，D_s =0。在没有植物生长时，设C_s =0，因为C_t2≥0，所以D_s＝0。从模拟开始到模拟结束这段时间内的土壤水分亏缺总量W_D(mm)为：W_D＝-∑D_s。

土壤水分动态模型模拟的时间步长为日，但在一些子模型中，如产流和下渗模型等，则以小时为单位。以月和年为时间单位表示的模拟结果是日值的累加值。本文使用2000—2005年模拟结果的平均值来研究沙地植被的水分平衡特征和土壤水分植被承载力，考虑到土壤水分变化的垂直差异，把土壤分2层(表层0~20 cm和20~120 cm)进行模拟。

模型运行需要的降雨和其他气象数据使用Li-1400自记气象站测定数据，入渗等土壤水分运动参数根据达西定律计算。

3 结果与分析 3.1 模拟与实测的蒸散量与土壤储水量比较

根据PM方程计算2000—2005年的水面蒸发，回归分析其与气象站实测水面蒸发量的关系(表 2)，二者呈显著直线相关(P＜0.01)，直线斜率(b)接近1，截距小于回归标准差，相对误差最大为11.5%(2000年)，说明可运用PM方程计算该区的水面蒸发。

为了比较模拟与实测土壤蒸发量的差别，使用了8个土壤蒸发器(直径20 cm，高20 cm)，2004-07-14—08-10, 对流动沙地的沙土进行了土壤蒸发试验，初始土壤含水量见表 3，其中23.4%为最大持水量，其他6个级别土壤含水量的变化范围与试验地20 cm层土壤含水量变化范围基本一致(叶冬梅等，2005)。持续干旱下土壤蒸发量变化如图 1所示，随持续干旱天数增加日蒸发量逐渐降低，最终接近于0。初始土壤含水量影响蒸发量大小和蒸发天数，如初始土壤含水量为6%时的蒸发天数大于22 d，而3%时仅约12 d。从图 1和表 3看出，模拟与实测土壤蒸发量呈显著直线相关(P＜0.01)，说明可利用土壤蒸发量模拟值代替实测值进行样地土壤水分亏缺的长期连续模拟。

刘奉觉等(1997)和巨关升等(2000)对不同蒸腾耗水测定技术进行比较，指出虽然不同测算方法估计的蒸腾量有差别，但方法之间具有密切相关性，Penman-Monteith方程模拟与脉冲法、整树容器法等的误差较小。为了验证模拟计算结果的准确性，比较了固定沙地蒸腾量模拟值和基于Li-COR6400测定值推算的蒸腾量，图 2指出2种蒸腾量呈显著直线相关(P＜0.01)，回归系数接近于1，亦说明可以利用Penman-Monteith方程模拟蒸腾过程代替实际蒸腾过程进行植物蒸腾耗水的长期连续模拟。

土壤含水量影响自然降雨在土壤中的分配、土壤蒸发、植物蒸腾等水分运动过程，同时又受这些水分运动过程的影响，可见模拟土壤储水量的准确性受多种因子的综合影响。图 3以流动沙地为例比较了土壤储水量变化模拟情况与实测情况的差别，可以看出，二者很相近，0~100 cm储水量相对误差小于13%，这说明利用土壤水分动态模型进行土壤储水量模拟结果的精度是可以接受的。

通过上述对样地土壤水分动态模型中所获得的主要参数(土壤蒸发、植物蒸腾和土壤含水量等)实测和模拟值的比较，对模型参数进行率定，进而应用该模型对2000—2005年沙地土壤储水量变化进行了模拟，以6年平均值来说明乌兰布和沙漠的土壤水分、蒸散组成等特点(表 4)。

从表 4中看出，各样地的土壤蒸发量均大于植物蒸腾量，随着植被覆盖度和叶面积指数(表 1)增加，土壤蒸发占降雨的比例、土壤储水量均呈下降趋势，而蒸腾占降雨比例呈增加趋势。该模拟结果与何炎红等(2005a)实际测定的结果基本一致。

3.2 土壤水分亏缺(W_D)与叶面积指数的关系

从图 4可以看出，当叶面积指数在一定范围内(0~1.7 m²·m^-2)增加时，土壤水分亏缺W_D变化较小而且近于0，表明土壤水分能满足植被的需求；但当叶面积指数继续增加时，W_D呈指数型快速增加，表明土壤水分已经不能满足植被需求。土壤水分亏缺与叶面积指数的关系曲线有明显的临界点，即由W_D变化较小到W_D快速增加的转折点，根据该临界点可以确定在满足水分平衡的条件下保证植物正常生长的最大叶面积指数(LAI_max)，由图 4可以看出，流动沙地、半固定沙地及固定沙地的LAI_max基本相同，为1.7 m²·m^-2。

4 结论与讨论

乌兰布和沙漠植被组成以灌木为主，不易区分出独立的植株个体，很难使用以承载对象个体数量为指标评价土壤水分植被承载力。在乌兰布和沙漠叶面积指数与植物覆盖度近似直线性相关(何炎红等，2005a)，土壤储水量随叶面积指数增加而减小，叶面积指数与土壤水分消耗具有内在的联系性，因此本文使用LAI_max作为评价该区土壤水分植被承载力指标，LAI_max愈大，土壤水分植被承载力愈大。根据研究结果，流动沙地、固定沙地的植物种类组成不同，但其土壤水分植被承载力相同，即在无地下水补充的乌兰布和东北部自然条件下，土壤水分所能承受的最大叶面积指数为1.7 m²·m^-2，这可能与流动沙地、半固定沙地及固定沙地下伏面土壤相同有关。

流动沙地和半固定沙地的气象条件、土壤类型、植被组成和优势种等基本相同，土壤水分亏缺值在研究年限内都近似为0(表 4)，土壤蒸发都大于植物蒸腾，但流动沙地样地的土壤蒸发占降水比例明显大于半固定沙地，植被覆盖度、叶面积指数明显小于半固定沙地，说明流动沙地的水分资源还未被自然植被充分利用，在适宜情况下现有水分条件可满足流动沙地植被向半固定沙地、固定沙地的发展。对土壤水分植被承载力而言，流动沙地植被未达到其土壤水分植被承载力，植被仍有扩展叶面积指数和覆盖度的潜力，因此，在流动沙地进行植被建设是可行的。在生产实践中，可通过改变植物种类及其叶面积指数大小来调节植被蒸腾耗水，在满足植物正常生长水分需求的前提下适当提高植被覆盖度，增强其防风固沙的生态功能。

土壤水分亏缺是确定土壤水分植被承载力的基础，其值的大小不仅受气象、土壤等环境条件和植被特征的影响，亦与土壤水分临界值大小相关。不同植物对土壤水分的适应性不同，如何确定不同植物的土壤水分临界值，有待深入探讨。