土壤水分是北半球干旱、半干旱区荒漠化治理的主要调控者，而降雨作为该独特生境中主要水分来源，二者间的动态变化严重制约着当地生态和社会发展，目前已引起学者的广泛关注^[1-4]。研究发现，不同降雨事件影响不同植被修复措施的土壤水分变化^[4-6]、补给深度^[7]、补给效率^[8]及植被分布情况^[9]，对40 cm以下土壤水分大部分降雨事件难以补充^{[6-8, 10]}，而强度小、持续时间长的降雨最利于补充^[11]；同时受固沙植被种类和林龄等因素影响，使土壤水分在相同量级降雨时间响应中也存在差异^[12-13]。

高寒沙区是青藏高原生态系统重要组成部分，受高海拔、大风沙和少降雨等生境影响，土壤水分在荒漠化治理过程中显得尤为重要^[13-14]，其中经笔者课题组多年试验并筛选“机械沙障+植物”治沙模式效果显著^[15]。该地区相关研究主要集中同一植被修复措施在不同治理年限对土壤质量^[16]、土壤微生物^[17]、植物演替^[18]及降雨响应^[19]等方面，对不同植被修复措施相同治理年限初期土壤水分降雨响应的研究仍少见报道。鉴于此，笔者以青海高原共和盆地沙珠玉高寒荒漠治沙示范区已布设3 a的不同植被修复措施植被恢复措施、2020年8月—2021年8月降雨和土壤水分数据为研究对象，探索不同植被修复措施下土壤水分对降雨响应，拟为该地区不同植被修复措施综合评价及筛选提供一定理论依据。

研究区位于青海省共和县沙珠玉乡(E 99°45′~ 100°30′、N 36°03′~36°40′)，海拔约2 880 m，属高寒干旱、半干旱气候，年平均气温2.4 ℃，年降雨量246.3 mm，具有日照时间长，日温差较大，年温差较小，冬季多大风等特点。植被类型以毛刺锦鸡儿(Caragana tibetica)，沙蒿(Artemisia desertorum)和短花针茅(Stipa breviflora)等为优势种。本研究以花棒(Hedysarum scoparium)，沙蒿，柠条(Caragana korshinskii)和菊芋(Helianthus tuberosus)为研究对象。

在研究区选取已布设3 a高立式网笼沙障、麦草方格沙障+花棒、麦草方格沙障+柠条、麦草方格沙障+沙蒿和麦草方格沙障+菊芋种植为试验样地，流动沙丘为对照(表 1和图 1)，以下简称：高立式沙障(GLS)、花棒沙障(HB)、柠条沙障(NT)、沙蒿沙障(SH)、菊芋沙障(JY)和流动沙丘(LDSQ)。2021年8月调查样方内植被情况(表 2)。利用2900ET气象站和ECH₂O(均来自北京理加联合科技有限公司)连续自动监测并记录试验区降雨量和已选样地内0~140 cm土壤体积含水量(VWC)(自上至下分别按表层0~20 cm(10 cm/层)，20~140 cm(20 cm/层)共8层，测量范围0~100%，测量精度±3%的SM100土壤水分传感器)，Watchdog 2000数据采集器采集并用手持GPS(Garmin)记录坐标点。

表 1(Tab. 1)

表 1 样地基本情况 Tab. 1 Basic information of the sample site 样地(编号) Sample site (Code) 经纬度 Location 海拔 Elevation/m 初始地貌 Initial landform 治理年份 Governance year 治理措施 Governance measures 高度及规格 Height and specifications 坡位 Slope position 流动沙丘 Mobile sand dunes (LDSQ) E 100°17′22″, N 36°13′45″ 2 882.06 流动沙丘 Mobile sand dunes 2019 — — 迎风坡 Windward slope 高立式沙障 High vertical sand barrier (GLS) E 100°17′25″, N 36°13′46″ 2 888.15 流动沙丘 Mobile sand dunes 2019 高立式网笼沙障 High vertical net cage sand barrier 20 cm; 行列式，间距4.5 m 20 cm; determinant, spacing 4.5 m 迎风坡Windward slope 花棒沙障 Hedysarum scoparium sand barrier (HB) E 100°17′30″, N 36°13′43″ 2 887.57 流动沙丘 Mobile sand dunes 2019 麦草方格沙障 Wheat straw checkered sand barrier 20 cm; 1.5 m×1.5 m 迎风坡 Windward slope 柠条沙障 Caragana korshinskii sand barrier (NT) E 100°17′26″, N 36°13′43″ 2 887.47 流动沙丘 Mobile sand dunes 2019 麦草方格沙障 Wheat straw checkered sand barrier 20 cm; 1.5 m×1.5 m 迎风坡Windward slope 沙蒿沙障 Artemisia desertorum sand barrier (SH) E 100°17′31″, N 36°13′47″ 2 887.63 流动沙丘 Mobile sand dunes 2019 麦草方格沙障 Wheat straw checkered sand barrier 20 cm; 1.5 m×1.5 m 迎风坡 Windward slope 菊芋沙障 Helianthus tuberosus sand barrier (JY) E 100°17′32″, N 36°13′47″ 2 888.21 流动沙丘 Mobile sand dunes 2019 麦草方格沙障 Wheat straw checkered sand barrier 20 cm; 1.5 m×1.5 m 迎风坡 Windward slope 注：“—”表示无。下同。Notes: “—” refers to none. The same below.

表 1 样地基本情况 Tab. 1 Basic information of the sample site

图 1(Fig. 1)

图 1 样地基本情况实拍 Fig. 1 Actual shooting for basic conditions of sample plot

表 2(Tab. 2)

表 2 治理3 a后样地群落基本特征 Tab. 2 Basic characteristics of sample plot community after 3 a governance 样地编号 Code of sample site 固沙植物 Sand-fixing plants 造林方式 Forestation methods 平均株高 Plant height/m 基径 Basal diameter/cm 平均冠幅 Crown diameter/(m×m) 草本植物 Herbaceous plant 盖度 Coverage LDSQ — — — — — 沙米 Agriophyllum squarrosum — GLS — — — — — 冰草、苔草Agropyron cristatum and Carex tristachya 0.09 HB 花棒 Hedysarum scoparium 3a实生苗 3a seedling 1.50 1.25 0.71×0.55 镰形棘豆、冰草、苔草Oxytropid falcata, Agropyron cristatum and Carex tristachya 0.53 NT 柠条 Caragana korshinskii 3a实生苗 3a seedling 0.87 1.26 0.86×0.78 苔草、冰草Carex tristachya and Agropyron cristatum 0.47 SH 沙蒿 Artemisia desertorum 3a实生苗 3a seedling 1.03 1.09 0.93×0.72 冰草、苔草Agropyron cristatum and Carex tristachya 0.73 JY 菊芋 Helianthus tuberosus 实生苗 Seedling 0.38 0.21 0.16×0.18 冰草Agropyron cristatum 0.39

表 2 治理3 a后样地群落基本特征 Tab. 2 Basic characteristics of sample plot community after 3 a governance

采用2020年8月—2021年8月降雨量及各植被修复措施下0~140cm土壤水分数据(监测频率均为1次/h)，计算其各土层土壤蓄水量和总蓄水量^[20]；按各降雨量级要求^[13]，选取典型降雨事件，筛选出Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级降雨日期为3月1日(3.4 mm)、4月19日(7.5 mm)、7月10日(12.1 mm)和7月25日(53 mm)，其中对<2 mm降雨事件本文不予研究^[13]，Ⅲ、Ⅳ级降雨下各植被修复措施土壤水分对其响应模式相同，仅对Ⅲ级(7.5 mm)降雨事件进行分析。采用Excel 2016与SPSS 25.0对数据进行整理、统计和分析，运用SigmaPlot 12.5制图。

据以往独立降雨事件相关研究^[13]，对2020年8月—2021年8月降雨监测数据进行整理(表 3)。监测期内共59次降雨事件，总降雨量287.6 mm，最大降雨量53 mm。从降雨级别看，随降雨级别增加降雨次数随之减少，Ⅰ级降雨次数占总降雨次数最高(38.98%)，贡献率最小(6.12%)；Ⅲ级降雨事件贡献率最大(29.52%)；Ⅴ级降雨次数仅出现1次(1.69%)，贡献率(18.43%)。

表 3(Tab. 3)

表 3 2020年8月—2021年8月各量级降雨特征表 Tab. 3 Rainfall characteristics of different magnitude from August 2020 to August 2021 降雨级别 Rain level 降雨次数 Rain frequency 占总降雨次数的比例 Proportion in total rain frequency/% 总降雨量 Rainfall/mm 贡献率 Contribution rate/% Ⅰ 23 38.98 17.6 6.12 Ⅱ 18 30.51 58.9 20.48 Ⅲ 11 18.65 84.9 29.52 Ⅳ 6 10.17 73.2 25.45 Ⅴ 1 1.69 53.0 18.43 合计Total 59 100.00 287.6 100.00

表 3 2020年8月—2021年8月各量级降雨特征表 Tab. 3 Rainfall characteristics of different magnitude from August 2020 to August 2021

如图 2所示，从1月起月降雨量和流动沙丘及不同植被修复措施的月总土壤蓄水量均随时间推移而逐渐增加，其中月降雨量在7月达到峰值(88.7 mm)后逐渐下降，流动沙丘及不同植被修复措施的月土壤总蓄水量均在8月达到峰值后逐渐下降。

图 2(Fig. 2)

图 2 流动沙丘及不同植被恢复措施下0~140 cm土壤月总蓄水量动态分布图 Fig. 2 Dynamic distribution map of total monthly soil water storage in 0-140 cm under vegetation restoration measures and mobile sand dunes

由图 3可知，在0~140 cm土壤深度，流动沙丘及不同之被修复措施下各土层土壤蓄水量增加量随着土壤深度增加，均呈现出“减小—增大—减小—增大”变化，但其土壤总蓄水量存蓄差距较大，其中高立式沙障土壤总蓄水量最高(4万7 563.54 mm)，菊芋沙障最低(2万5 564.09 mm)。

图 3(Fig. 3)

图 3 流动沙丘及不同植被修复措施下0~140 cm各土层土壤总蓄水量 Fig. 3 Total soil water storage capacity of 0-140 cm soil layers under different vegetation restoration measures and different types of sand barriers

图 4为流动沙丘及各植被修复措施对Ⅱ级降雨响应。该降雨事件共持续3h(11:00—13:00)，降雨量表现为先增加后减少(12:00最大)。在0~10 cm土层菊芋沙障、花棒沙障和沙蒿沙障土壤水分在降雨发生6、3和3 h后开始产生波动并迅速增加且均在3h后达到峰值(分别升高29.41%、13.33%和11.76%)并在3 h后下降；10~20 cm土层花棒沙障和沙蒿沙障土壤水分产生响应时间与0~10 cm深度一致(分别升高5.26%和5.88%)分别在6和3 h后下降，而其他沙障类型及各土层均未产生响应。

图 4(Fig. 4)

图 4 流动沙丘及各植被修复措施土壤水分对Ⅱ级降雨响应 Fig. 4 Response of soil moisture to grade Ⅱ rainfall under vegetation restoration measures for mobile dunes

由图 5可知，本次降雨事件持续7 h(05:00—14:00)，降雨量表现出似“M”形(13:00最大)。高立式沙障、花棒沙障、柠条沙障、沙蒿沙障和菊芋沙障0~10 cm土层土壤水分分别在降雨发生6、6、6、3和6 h后开始产生波动且均在6 h达到峰值(分别增加54.24%、54.39%、54.00%、53.23%和30.00%)逐渐波动下降；10~20 cm土层花棒沙障、柠条沙障、沙蒿沙障和菊芋沙障分别在0~10 cm土层产生波动后0、6、6和3 h后产生响应，其中花棒沙障土壤水分增量最多为44%，柠条沙障土壤水分增量最少为25.58%；仅花棒沙障20~100 cm各土层水分在降雨发生48 h后产生响应并分别在产生响应后12、12、12和24 h达到峰值，其中对20~40 cm土层影响最小(94.44%)，40~60 cm土层影响最大(450.00%)。

图 5(Fig. 5)

图 5 流动沙丘及各植被修复措施土壤水分对Ⅲ级降雨响应 Fig. 5 Response of soil moisture to grade Ⅲ rainfall under vegetation restoration measures for mobile dunes

由图 6可知，该降雨事件持续48 h(7月25日01:00—7月27日01:00)，降雨量表现出似“√”形(7月26日22:00最大)。在0~10 cm土层高立式沙障、花棒沙障、柠条沙障、沙蒿沙障和菊芋沙障土壤水分在第1次降雨发生后1、3、1、1和6 h开始响应并在1、5、8、1和11 h后达到峰值(分别增长123.53%、333.33%、123.64%、118.33%和52.00%)；在第2次降雨发生后，各沙障土壤水分立即响应并达峰值，其中柠条沙障土壤含水量增加最多(102.63%)，高立式沙障土壤含水量增加最少(17.11%)；第3次降雨各沙障类型土壤水分响应时间与第2次降雨一致，但土壤含水量增量之间存在差异，其中花棒沙障土壤含水量增加最多(50.76%)，沙蒿沙障土壤含水量增长最少(15.32%)。在10~20 cm土层，菊芋沙障、花棒沙障、沙蒿沙障和柠条沙障土壤水分在第1次降雨6、1、3和12 h后开始响应并在第3次降雨后达峰值，期间土壤含水量增加最高是沙蒿沙障(396.23%)。菊芋沙障、花棒沙障、沙蒿沙障和柠条沙障对20~40 cm深度土壤水分响应在降雨发生48、2、48和48 h后，对40~60 cm深度响应则在60、36、72和48 h后发生，而花棒沙障仍继续对60 cm以下土壤产生影响。

图 6(Fig. 6)

图 6 流动沙丘及各植被修复措施土壤水分对Ⅴ级降雨响应 Fig. 6 Response of soil moisture to grade Ⅴ rainfall under vegetation restoration measures for mobile dunes

高寒沙区降雨量和各植被修复措施的月总蓄水量具有明显相关性和季节性。随时间推移，降雨事件的陆续发生，从1月起，各沙障类型下月土壤总蓄水量随之变化，因该时期固沙植物处于休眠期，沙障具有良好的防风效益和蓄水保墒作用^{[4, 6]}，所以各沙障类型下的土壤总蓄水量也随之增加；5—6月气温逐渐回升，固沙植物进行营养生长等生理活动对水分的需求增加消耗所积累的土壤水分^[13]、沙化土地蓄水保墒能力较差^[16]加之高寒沙区独特的生境^[14]，使该时期的各沙障土壤总蓄水量均未明显增加；7—9月进入丰雨期^[19]，降雨在满足固沙植物自身生殖生长同时对其土壤总蓄水量进行补充，使土壤总蓄水量明显增加并在8月均达到峰值。10—12月气温逐渐下降同时降雨量减少，固沙植物进入休眠期对土壤水分的需求也降低，使土壤蓄水量逐渐趋于稳定并基本维持在相对稳定的范围内^[20], 所以，将其划分为缓慢积累期(1—4月)、消耗期(5—6月)、积累期(7—9月)和稳定期(10—12月)，这与前人划分时期^[13]不一致。而土壤水分增量的变化，与植被根系分布及耗水性的差异性有关。

本研究通过选取不同量级典型降雨事件研究发现，降雨量级与土壤水分响应深度成正相关^[21]，同一量级降雨事件对相同治理年限不同植被修复措施的土壤水分响应深度不同：在Ⅱ级(2.1~5 mm)降雨事件中，菊芋沙障0~10 cm、花棒沙障及沙蒿沙障0~20 cm土层水分产生波动；Ⅲ级(5.1~18 mm)降雨事件，高立式沙障0~10 cm，柠条沙障、沙蒿沙障及菊芋沙障0~20 cm，花棒沙障0~100 cm土层水分产生波动，这与杨恺悦等^[13]研究结果不同；Ⅴ级(>18 mm)降雨，能影响高立式沙障0~10 cm，菊芋沙障、沙蒿沙障及柠条沙障0~60 cm，花棒沙障0~140 cm土层土壤水分产生波动，这由于不同植被修复措施的冠幅节流、地表枯落物厚度增加和土壤保水性增加引起。综上，在地区的沙化土地治理，建议在5—6月进行。