半干旱沙区沙丘坡面土壤水分的时空动态与地形控制：对生态系统碳-水耦合与恢复的启示

《Agronomy》：Spatiotemporal Dynamics and Topographic Controls of Soil Moisture on Dune Slopes in a Semi-Arid Sandy Region Wande Gao, Xingwang Zhang, Zhongqiang Jin, Xiuhua Liu and Changchun Shi

为揭示干旱半干旱生态系统中土壤水分的时空分异机制及其对植被和水循环的调控作用，研究者以毛乌素沙地沙丘坡面为对象，结合20个月的高频原位监测与人工采样，系统探究了降水、地形对土壤水分动态与空间再分布的影响。研究发现降水是土壤水分波动的主控因子，浅层土壤对>4.6 mm的降雨即有响应，而深层土壤仅对大暴雨(>50 mm)敏感；地形则主导了水分的空间格局，坡脚在湿润期持续表现出更高的湿度。该研究为理解水限制区域的生态水文过程、指导植被恢复与适应性土地管理提供了重要机制依据。

　　

在广袤而脆弱的干旱与半干旱地区，水是生命和生态系统运转的命脉。土壤水分如同自然界的“血液”，它不仅是植物生长的直接水源，更是连接碳循环与水循环的关键纽带，深刻影响着生态系统的生产力、韧性与物种多样性。然而，在这些地区，降水稀少且分布不均，土壤水分的获取与保持成为制约一切生物活动的核心瓶颈。尤其是在沙地景观中，连绵的沙丘构成了独特的地形，风成作用塑造了缓和的迎风坡与陡峭的背风坡。一个核心的科学问题随之浮现：在沙丘坡面上，宝贵的降水如何在不同深度、不同坡位（如坡顶、坡中、坡脚）的土壤中运动、储存与再分配？是垂直下渗主导，还是存在沿坡面的横向“暗流”？明确这一问题，对于准确评估植被的“水福利”、预测生态系统对气候变化的响应，乃至指导沙地治理与生态恢复工程，都具有至关重要的意义。

为此，以高万德等人为首的研究团队深入毛乌素沙地，开展了一项为期20个月的精细观测研究，相关成果发表在学术期刊《Agronomy》上。他们决心揭开沙丘坡面土壤水分时空动态的奥秘，特别是要阐明：1) 沿地形梯度的不同坡位土壤水分有何特征？2) 不同位置的土壤水分如何响应降雨事件？3) 山坡尺度的土壤水分空间变异性与其平均值有何关系？

为了回答这些问题，研究人员综合运用了多种关键技术方法。研究在陕西省榆林市红石峡沙地植物园设置了一个包含连续迎风坡、丘间低地和背风坡的观测单元。核心监测技术是原位高频自动监测：在迎风坡和背风坡的上、中、下三个位置共布设了6个自动土壤水分监测站，每个站点在10、20、50、80、100和150厘米深度水平安装土壤水分探头(TDR315H)，以10分钟间隔连续采集数据，并通过数据采集器(CR300)汇总。该方法实现了对土壤水分垂直剖面动态的无人值守、高时间分辨率捕捉。同时，研究采用了烘干称重法的传统手工采样作为补充与验证：在距监测点约16.6公里的小纪汗乡固定沙丘，沿两条样线在坡上、坡中、坡脚及丘间低地中心进行人工土钻取样，测定不同深度的土壤重量含水量，并转换为体积含水量以分析空间变异格局。此外，研究还配套设立了气象站记录降水等气象要素，并对监测点土壤进行了土壤物理性质分析，包括利用激光衍射粒度分析仪(Mastersizer 3000)分析土壤质地，以及测定饱和导水率、土壤水分特征曲线和容重等，以明确研究区土壤的高渗透性特征。降雨事件分析是另一项关键方法，研究定义了降雨事件，并量化了土壤水分响应的一系列指标，如初始含水量(θ_init)、响应滞后时间、最大含水量增量(Δθ)等，从而系统剖析了不同降雨特征下的水分响应过程。

3.1. 山坡沿线的土壤水分时空变化

通过对连续监测数据的分析发现，土壤水分动态主要受季节性降雨格局调控。降雨通常只能补充表层50厘米以内的土壤水，更深层的补给仅发生在强降雨或连续降雨事件中。由于监测点间土壤性质相近且降雨空间分布相对均匀，沿坡面的土壤水分空间差异有限，但其时间波动十分显著，与降水季节变化紧密关联。浅层土壤（10厘米）对降雨和大气需求反应迅速，干湿交替频繁，其变异系数(CV)高达44.58%；而深层土壤（150厘米）的水分信号被削弱，湿度状况相对稳定，CV为32.83%。总体而言，坡脚处的平均土壤含水量最高，尤其是在深层（100和150厘米），表现出“浅层较低、深层较高”的剖面模式。在干旱期和湿润期，这种坡位间的差异模式依然存在，坡脚在深层持续表现出更高的湿度。

3.2. 山坡尺度的土壤水分空间变异性

基于小纪汗乡固定沙丘的手工采样数据，分析了平均土壤含水量与其变异性（标准差SD和变异系数CV）的关系。结果表明，土壤水分变异性与平均含水量呈非线性关系：当平均体积含水量约为21%时，标准差达到峰值，即在中等湿度条件下空间变异性最大；土壤过湿或过干时，变异性均逐渐减小。变异系数与平均含水量也表现出类似规律，其峰值出现在平均含水量约10%时。

3.3. 降雨事件下的土壤水分响应特征

通过分析三个典型降雨事件下不同坡位和土层的响应发现，随着降雨量增加，土壤水分对降雨的响应时间以及达到峰值含水量的滞后时间会缩短。在所有坡位，土壤水分增量(Δθ)均随深度增加而持续减小，表明基质流是研究区土壤水分运动的主要机制。对观测期内所有能引起可测土壤水分响应的降雨事件进行统计后，得出了关键的降雨阈值：10厘米深的表层土壤对超过4.6毫米的降雨即有响应；20厘米和50厘米的中层土壤需要超过8.6毫米的降雨；而100厘米以下的深层土壤，仅在降雨量超过50毫米的大暴雨事件中才能观察到明显的湿度增加。此外，引发响应所需的平均初始体积含水量门槛约为5.95%(10厘米)、5.33%(20厘米)和5.96%(50厘米)。

3.4. 土壤水分响应与环境因子的联系

相关性分析表明，土壤水分最大增量(Δθ)与总降雨量在大多数土层和坡位呈显著正相关，说明降雨量是控制土壤水分响应的主要因素。相比之下，Δθ与降雨强度参数（最大强度i_max、平均强度i_mean）或初始土壤含水量(θ_init)之间没有一致的关系。在某些特定深度，较高的前期土壤水分甚至会因降低下渗能力而限制水分响应幅度。

3.5. 降水与剖面尺度土壤储水量变化的关系

通过计算每次降雨事件引起的土壤剖面（0-150厘米）储水量最大增量，发现总降雨量与储水量最大增量在所有坡位均呈正相关。除背风坡中坡外，其他坡位均表现出显著的线性关系（R²> 0.8）。值得注意的是，仅在迎风坡上坡位置，拟合回归线的斜率大于1，表明其储水增加量超过了降雨输入量；而其他所有位置的斜率均小于1。

结论与讨论部分对上述发现进行了综合与深化。本研究的核心结论是：降雨主导了土壤水分的时间变异性，而地形则强有力地控制了其空间分布格局。坡脚位置（无论是迎风坡还是背风坡）的土壤含水量持续高于坡中和坡顶，特别是在湿润期，这指示了水分在坡脚的持续汇集。这种空间模式暗示着侧向水分再分配可能是一个重要机制，即水分从坡上向坡下流动。然而，基于事件尺度的剖面储水量分析并未直接捕捉到明确的、事件同步的坡脚侧向补给信号（坡脚储水增加并未超过降雨输入）。研究者分析认为，这可能是由于沙质土壤持水能力低，观测期内土壤最大体积含水量（24.56%，即0.2456 cm³/cm³）低于产生有效侧向流的阈值，且强烈的蒸散和垂直下渗过程削弱了侧向流动。此外，基于六个离散深度估算剖面储水量的方法可能无法完全捕捉垂直异质性，且沙土中侧向流速度缓慢，可能未在单个降雨事件的时间窗口内被监测到。尽管如此，土壤水分在坡脚持续富集的现象是明确的，侧向流仍是一个 plausible（合理的）但需进一步验证的过程。

这项研究的意义重大且直接。它揭示的降雨阈值（如浅层4.6毫米、深层50毫米）明确指出，小型降雨事件只能湿润表层，而深层土壤水和深根植物的存活则严重依赖罕见的大暴雨。这为理解不同生活型植物对降雨格局的差异化响应提供了机理基础。更重要的是，研究确认了坡脚作为水分“汇”区的相对优越性，这为干旱沙区的土地管理提供了精准的决策依据：在植被恢复、防护林建设或生态工程中，应优先考虑在坡脚等水分条件较好的微生境进行种植或采取保水措施，从而提高成活率与生态恢复的成效。本研究将高频自动监测与空间采样相结合，为半干旱沙区山坡水文研究提供了精细的数据基础和分析框架，对未来应对气候变化、管理脆弱生态系统具有重要的科学价值和实践指导意义。