河西走廊敦煌綠洲天然胡楊林土壤水分空間變化特征研究

張克新,劉普幸,霍華麗,吳三雄

（1.西北師范大學 地理與環(huán)境科學學院,蘭州730070;2.甘肅敦煌西湖國家級自然保護區(qū)管理局,甘肅敦煌 736200）

土壤水分是氣候、植被、地形及土壤因素等自然條件的綜合反映,是干旱、半干旱地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)和植被建設的基礎[1]。干旱區(qū)植被是綠洲外圍不可缺少的生態(tài)屏障,對荒漠生態(tài)系統(tǒng)的脆弱程度具有指示作用,能不同程度表征綠洲的退化與穩(wěn)定性狀況,在抑制荒漠化過程和保護生物多樣性等方面具有重要的意義。我國西北干旱區(qū)荒漠植被覆蓋率低,生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱,由于自然和人為因素的影響,近年來水資源短缺、土地荒漠化、土壤次生鹽漬化、天然植被嚴重退化,沙塵暴頻發(fā)等生態(tài)環(huán)境問題日益突出。作為荒漠區(qū)植被地下生境的關鍵因子,土壤水分的研究受到許多學者的重視與關注[2-6]。王軍等[2]利用地統(tǒng)計學方法研究了黃土丘陵溝壑區(qū)小流域土壤水分的空間結(jié)構(gòu)特征及其季節(jié)變化規(guī)律,結(jié)果表明土壤水分具有較高的分維數(shù),表現(xiàn)出強烈和中等程度的空間自相關。邱揚等[3]對土壤水分時空變異及其與環(huán)境因子的關系進行研究發(fā)現(xiàn)土壤水分時空變異是由多重尺度上的土地利用 (植被)、氣象(降雨)、地形、土壤、人為活動等多因子綜合作用的結(jié)果。冉有華等[4]分析了黑河流域鹽堿化草地網(wǎng)格尺度多層土壤水分空間分布的時間變化特性,為土壤水分監(jiān)測點設置及點觀測數(shù)據(jù)的時空尺度轉(zhuǎn)換提供先驗知識。常學向等[5]研究了黑河中游荒漠綠洲區(qū)免灌植被土壤水分狀況,發(fā)現(xiàn)綠洲區(qū)土壤濕度隨植物蓋度的增加而減少。馬海艷等[6]對額濟納不同植被土壤水分的時空變化特征進行了分析,結(jié)果表明土壤垂直剖面含水量自下而上并不是嚴格遞減的,其中戈壁及人工梭梭林地土壤水分在垂直剖面上分布較均勻;胡楊林地和苜蓿地各剖面土壤水分差異較大。然而,敦煌綠洲天然胡楊林生長的土壤水分究竟有何特性?其空間變化規(guī)律如何至今尚未見報道。敦煌西湖國家級自然保護區(qū)是河西走廊綠洲的第一道天然植被阻沙屏障,其胡楊林是河西綠洲胡楊林的重要組成部分和主要分布區(qū),對于維護該區(qū)域生態(tài)平衡有十分重要的作用。因此,本文通過對甘肅敦煌西湖國家級自然保護區(qū)胡楊林下土壤樣品的采集、室內(nèi)分析,借助GIS手段,探討研究區(qū)內(nèi)胡楊林生長區(qū)土壤水分空間變化特征,以期對該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的保護與重建提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

敦煌綠洲位于甘肅省河西走廊最西端,地處甘、青、新三省(區(qū))交匯地帶,東鄰瓜州縣,西、北部接新疆維吾爾自治區(qū),南連肅北蒙古族自治縣和和阿克塞哈薩克族自治縣 。地理位置為 92°15′-95°30′E,39°40′-41°35′N,東西長 60 ～240 km,南北寬 90 ～ 230 km,總面積3.1萬km2,其中綠洲面積1 400 km2,僅占敦煌綠洲土地總面積的4.5%。敦煌綠洲平均海拔1 138 m,地勢總體是南部高、北部低,地貌大體可分為南部山地、北部(北山)丘陵和走廊平原三大類。敦煌綠洲屬典型的暖溫帶干旱氣候,降雨稀少,年均降雨量僅有38.1 mm,年均蒸發(fā)量為2 486 mm。晝夜溫差大,多年平均氣溫為9.6℃,多年平均日照時數(shù)3 246.7 h,多年平均無霜期達165 d,≥10℃積溫3 600～4 200℃,光熱資源十分豐富。天然植被主要有檉柳、白刺、沙拐棗、駱駝刺、梭梭、胡楊、沙棗、蘆葦、脹果甘草、羅布麻、厚穗冰草、芨芨草、艾蒿、沙蒿、沙米、胖姑娘等。主要土壤類型為灌淤土、潮土、風沙土、棕漠土、鹽土、草甸土、沼澤土等。

甘肅敦煌西湖國家級自然保護區(qū)位于敦煌市西部,西鄰庫姆塔格沙漠和羅布泊,南接阿克塞縣,北連新疆哈密市。地理坐標為:92°45′-93°50′E,39°45′-40°36′N ?？偯娣e66萬 hm2,其中核心區(qū)面積19.8萬hm2,緩沖區(qū)面積14.6萬hm2,實驗區(qū)面積31.6萬hm2。保護區(qū)濕地面積9.8萬hm2,其中蘆葦沼澤3.4萬hm2,胡楊林主要分布在后坑、火燒湖、大馬迷兔、小馬迷兔、灣腰墩和疏勒河河床。但采樣時觀察到區(qū)內(nèi)胡楊林的樹高均比參照標準低[8],且出現(xiàn)了主干下部的小枝枯死,部分樹木頂部枯梢、空心或朽心等現(xiàn)象。顯然,目前保護區(qū)胡楊林生境正在不斷惡化,胡楊已表現(xiàn)出衰退跡象。

2 材料與方法

2.1 樣本的采集

本研究經(jīng)過實地考察與調(diào)研,于2007年5月中旬和2009年9月中旬分別在甘肅敦煌西湖國家級自然保護區(qū)胡楊林內(nèi)選擇天然胡楊林生長較為密集、面積較大且很少受人為活動的胡楊林區(qū),選取7個采樣點(表1),分別是后坑(HK)、大馬迷兔(DMM T)、疏勒河河床(SLH)、灣腰墩(WYD)和火燒湖(HSH1,HSH2,HSH3)等。研究區(qū)各個采樣點的下墊面特征基本相似,地表都有厚度約為15～20 cm的堿土層或沙土,并伴有蘆葦、檉柳、脹果甘草、駱駝刺等耐鹽堿植物。在每個采樣點內(nèi),按照土壤地理學的野外布點方法,結(jié)合實地情況,在每個采樣點選擇不同發(fā)育階段胡楊樹下,避開根部密集根系1 m的范圍,采樣點間隔為樹與樹之間的間距,大約10～15 m,考慮到研究的代表性和土壤地理學的采樣要求,在每個采樣點內(nèi)共設置15個小采樣點,用GPS定位并詳細記錄采樣點下墊面的情況。參考一般鹽漬化土壤研究的采樣深度為1 m左右的標準[7],確定土壤樣品的采集深度定為1.2 m。在每個小采樣點內(nèi)取0-20,20-40,40-60,60-80,80-100,100-120 cm不同深度的土樣,用鋁盒和塑料密封袋封存,及時帶回實驗室測定土壤水分含量。

2.2 研究方法

2.2.1 室內(nèi)預處理 在實驗室,采用烘干法測定土

式中:W——土壤水分含量(%);W1——土樣濕重(g);W2——土樣干重(g)。壤含水量。土壤含水量計算采用重量百分數(shù),計算公式為

表1 采樣點胡楊基本概況

2.2.2 經(jīng)典統(tǒng)計學和GIS的空間插值方法 本文通過計算不同采樣點0-120 cm不同土壤層次的變異系數(shù)Cv值的大小來反映土壤含水量在垂直空間上的動態(tài)特征[10-11]。用不同土壤層次的含水量作為參數(shù),利用 ArcGis反距離加權(quán)(Inverse Distance WeiGhted)插值法繪制土壤含水量的空間分布圖,分析研究區(qū)土壤含水量在垂直方向和不同采樣點間的空間差異。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤含水量的垂直分布特征

土壤水分是干旱、半干旱地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)和植被建設的基礎,而荒漠綠洲內(nèi)依靠天然降水和地下水維持的天然植被穩(wěn)定性與土壤含水量密切相關[6]。從研究區(qū)7個采樣點土壤含水量隨深度的變化(圖1)可以看出,研究區(qū)土壤含水量在垂直空間上表現(xiàn)出一定的動態(tài)特征和規(guī)律性。土壤含水量的變化趨勢總體表現(xiàn)為隨深度的增加而增加,并且不同生境不同樹齡的表層土壤含水量最低,變化程度較大。7個采樣點表層土壤含水量介于0.8%～4.49%。其中,土壤含水量最小的采樣點為DMMT僅為 0.8%,最大為HK為4.49%,相差3.69%。這主要由于受大風、強蒸發(fā)等以及不同樹齡胡楊葉面蒸騰和地形質(zhì)地的影響,導致表層土壤含水量最小且變化程度最大。從表層到60 cm之間土壤水分含量顯著增加,平均增加2.87%。60 cm以下各層土壤水分含量變化趨于平緩,增幅較小。在60-120 cm,除疏勒河床SLH與DMM T兩個采樣點土壤含水量有較明顯的減少(從60-120 cm分別由8.44%、4.0%減少到6.13%和3.2%)外,其余各點均略有增加。特別是疏勒河河床SLH的土壤含水量自60 cm的8.53%減少到80 cm的8.44%到100 cm的6.48%,直至120 cm的6.13%,是自60 cm以下減少幅度最大的區(qū)域。這是由于1960年后瓜州縣建成雙塔水庫,上游過量用水,減少了對下游地區(qū)地下水的補給,使向西注入羅布泊的疏勒河下游河道干涸[12]。大馬迷兔因位于敦煌盆地的中央部位及疏勒河沖積平原尾端,其地形為碟形洼地和梁狀緩丘,以及戈壁流沙的影響,再加上干旱、大氣干燥、多大風、日照蒸發(fā)強烈等導致其土壤含水量較少。在100-120 cm,除HSH2土壤含水量增加外,其余各采樣點的土壤含水量的變化趨勢都呈降低趨勢。這可能與HSH2采樣點位于保護區(qū)最東部的火燒湖,離綠洲和黨河等地表水最近,地下水水位較高有關,這是引起其土壤含水量在20 cm土層以下顯著增加的重要原因。7個采樣點除HK和HSH2兩個點自60 cm以下土壤含水量超過了11%,100-120 cm高達18%,其余5個點均小于9%。這與HK和HSH2兩個采樣點靠近東面敦煌綠洲(耕作區(qū)),地下水位較淺的事實相符外,也說明研究區(qū)因地勢南北高,中間低,自西南向東北傾斜的地質(zhì)地貌特征相符合。敦煌境內(nèi)最大主要河流和地表水資源-黨河位于敦煌綠洲東部,而近年來水量不但減少,離保護區(qū)較遠,絕大多數(shù)采樣點遠離水源補給區(qū),致使地下水位埋深較深。

上述分析與已有研究[12-14]表明:胡楊的水平根系或須根系主要分布在地表土層30-80 cm的范圍內(nèi),加之各樣地胡楊林的樹齡不同,而不同林齡胡楊林的根系發(fā)達程度也不同,吸收地下水分的能力也就各不相同。不同樹齡的胡楊林土壤含水量不同,表現(xiàn)為小樹的土壤含水量高于大樹[14]。此外,疏勒河上游修建水庫后,使下游來水量減少,河道斷流,地下水補給系統(tǒng)失衡,造成兩岸胡楊、紅柳林成片枯死[13]。顯然,保證現(xiàn)有疏勒河在瓜州盆地有一定數(shù)量的下泄量,并合理開發(fā)利用敦煌-瓜州綠洲水資源、保護和維持研究區(qū)水資源的現(xiàn)有量,節(jié)約水資源,是改善該區(qū)域天然胡楊林生存環(huán)境,保護和恢復河西走廊最大胡楊林分布區(qū)胡楊健康發(fā)展的關鍵。

圖1 不同樣地的土壤水分含量

在干旱半干旱氣候條件下,自然狀況的林地水分其垂直變化除受土壤質(zhì)地、地下水埋深、植被類型等影響外,還受降水、風等氣象要素的影響。土壤水分在各層土壤中的分布,隨各層土壤性質(zhì)、作物根系分布的多少和氣象因素而變化,不同樣地土壤水分的垂直分布在同一層次變化不同。土壤含水量在垂直空間上表現(xiàn)為一定的動態(tài)特征,可用樣本變異系數(shù)Cv的大小來反映此特征。按一般對變異系數(shù)的評估,當Cv≤10%時為弱變異性,當10%＜Cv≤100%時為中等變異,當Cv大于1是為強變異性[11]。

通過計算可以得出該研究區(qū)不同樣地土壤含水量的變異系數(shù)(表2)。從表2中可以看出,各采樣點土壤水分含量的變異系數(shù)在不同土壤層次間有較明顯的差異。土壤水分的垂直變化規(guī)律主要受向上的蒸發(fā)和向下的入滲再分布兩個過程所支配。HK和 HSH3表層土壤水分的變異系數(shù)較大,為96%和95%,屬于中等變異性,說明這一土層含水量變化劇烈程度相似而且最大;土層越深,其含水量變化程度越小。DMMT,HSH1,HSH2和SLH的表層土壤水分的變異系數(shù)較小,在44%～90%之間,屬于中等變異性;而在20-40 cm土壤水分的變異系數(shù)最大,在75%～129%之間,屬于中強度變異;40 cm之后由于深層土壤含有黏粒,結(jié)構(gòu)緊密,可以使土壤有較好的持水性,所以土壤水分變異系數(shù)趨于平緩。WYD各層土壤含水量的變異系數(shù)都較大,屬于中強度變異。

表2 不同樣地土壤水分含量的變異系數(shù)

3.2 土壤含水量的空間分布特征

利用地統(tǒng)計學方法中的反距離加權(quán)(Inverse Distance Weighted)插值法,將7個采樣點不同土壤層的含水量作為參數(shù),繪制土壤含水量的空間分布(圖2)。從圖2中可以看出,研究區(qū)各土層含水量的分布在空間上存在著較強的相似性,各土層含水量的空間分布均呈條帶狀或斑塊狀格局。土壤含水量總體上均表現(xiàn)出了西南低、東北高的空間分異規(guī)律。表層0-20 cm土壤含水量呈由西向東北增加的趨勢;20-40,40-60,60-80 cm這三層土壤含水量變化趨勢相似,均呈由西向東增加,但是中間的疏勒河河床和大馬迷兔由于地下水位較低[13],沙化嚴重,使其土壤水分含量減少;但80-120 cm土壤含水量也是呈由西向東增加,但是由80-120 cm土壤含水量的空間變化近乎一致,這說明水分隨深度的增加空間變化趨勢越來越小。這種變化規(guī)律主要是由于疏勒河上游用水增加引起導致地下水位下降[13]、并與研究區(qū)西臨庫姆塔格沙漠和羅布泊,東靠綠洲的地貌分布格局相一致。

圖2 不同深度土壤含水量(%)的空間插值擬合分布圖

4 結(jié)論

(1)河西走廊敦煌綠洲天然胡楊林土壤含水量變化總體表現(xiàn)為隨深度增加而增加的趨勢,但不同生境不同樹齡土壤含水量略有差異。特別是在土壤表層,這種差異最大;在深度0-60 cm之間各個采樣點的土壤水分含量都呈增加趨勢,且增加趨勢顯著;60 cm以下其余各層土壤水分含量變化差異顯著,但變化的趨勢趨于平緩。在100-120 cm,除HSH2土壤含水量增加外,其余各采樣點的土壤含水量的變化趨勢都呈降低趨勢。

(2)通過計算土壤水分的變異系數(shù)可以看出,不同土壤含水量的變異系數(shù)在不同層次間有較明顯的差異,且土層越深,其含水量變化程度越小。

(3)各土層含水量的分布在空間上存在著較強的相似性,各土層含水量的空間分布總體上均呈西低東高的空間分布。

致謝:感謝敦煌市西湖國家級自然保護區(qū)管理局袁海峰科長和后坑保護站站長常斐、王志廣及相關工作人員在采樣中給予的熱心幫助與指導。感謝研究生張銳、安建科和曹立國三位同門在野外采樣中給予的幫助。

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