塔里木河下游河道輸水對(duì)沿岸土壤含水率的影響

馮 斐

（塔里木河流域管理局，新疆庫爾勒841000）

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塔里木河下游河道輸水對(duì)沿岸土壤含水率的影響

馮 斐

（塔里木河流域管理局，新疆庫爾勒841000）

摘要：利用塔里木河下游土壤含水量5年期的監(jiān)測(cè)資料，根據(jù)變異系數(shù)和方差分析方法研究了輸水后塔里木河下游土壤含水率時(shí)空變化特性。結(jié)論顯示出塔里木河下游輸水對(duì)河道沿岸的土壤含水率有明顯影響，輸水改善了土壤中的濕度進(jìn)而影響了植被的生長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：河道輸水；土壤體積含水率；變異系數(shù)；塔里木河下游

土壤水是干旱、半干旱地區(qū)天然植被生存、生長(zhǎng)發(fā)育的基本條件，決定植被分布和動(dòng)態(tài)變化，是生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)鍵因素［1～3］。土壤濕度變化是降水、冠層截留、植物蒸騰、土壤蒸發(fā)、地表徑流、地下滲漏等多種因素綜合作用的結(jié)果，它對(duì)土壤-植被-大氣傳輸體（SVAT）中的物質(zhì)遷移過程具有重要影響［4～6］。由于中子儀測(cè)定法具有快速、省力，不破壞土壤結(jié)構(gòu)等的優(yōu)點(diǎn)，并且其系統(tǒng)誤差和性能及其測(cè)定土壤水分的精度已經(jīng)得到普遍認(rèn)可［7］，因此利用中子儀研究土壤剖面含水量的變化，掌握干旱區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)的土壤水的時(shí)空變化規(guī)律對(duì)塔里木河下游受損生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)有極為重要的意義。

塔里木河下游自2000年實(shí)施生態(tài)輸水工程以來，斷流30多年的下游河段恢復(fù)了水文過程的完整性。塔里木河下游兩岸分布的自然植被主要是非地帶性的隱域植被，它們的生存不依賴于大氣降水，而主要依賴于地下水供給其蒸騰和蒸發(fā)。但地下水是通過毛細(xì)管作用上升補(bǔ)給土壤水分，從而被植被吸收利用。因此，在一定意義上說，地下水是通過改變土壤體積含水率來影響植被的生長(zhǎng)。本文利用塔里木河下游不同監(jiān)測(cè)剖面連續(xù)近5年的土壤水動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)，試圖掌握塔里木河下游不同退化程度區(qū)土壤體積含水率的時(shí)空分布特征，深化對(duì)塔里木河下游生態(tài)輸水后生態(tài)水文過程理解，為塔里木河下游退化天然植被恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料和方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于塔里木河下游大西海子至臺(tái)特瑪湖間，地理坐標(biāo)介于東經(jīng)87.6O～88.5O，北緯N39.5O～40.6O間（圖1），屬暖溫帶荒漠干旱氣候，這里降水稀少，多年平均降水量?jī)H為20～50 mm；而年平均蒸發(fā)量卻高達(dá)2500～3000 mm。該地區(qū)的地帶性植被是溫性灌木和半灌木。在河漫灘及兩岸的低階地發(fā)育著大面積非地帶性的草甸植被，形成由胡楊（PoPuluseuPhratica）、灌木和草本植物組成的面積廣闊的喬、灌、草帶［8］，塔里木河下游兩岸主要土壤類型有綠洲潮土、風(fēng)沙土、草甸土、鹽土等。近50年來，由于人類不合理的水土資源開發(fā)，造成塔里木河下游出現(xiàn)了極其嚴(yán)重的生態(tài)退化［9～10］。

1.2研究方法

（1）樣點(diǎn)設(shè)置和數(shù)據(jù)獲取。為全面、準(zhǔn)確地掌握塔里木河下游輸水后土壤水的變化過程，在離塔里木河下游離輸水水源-大西海子水庫由近及遠(yuǎn)不同距離處，選取英蘇和依干布及麻兩個(gè)典型斷面，分別垂直于輸水河道，按一定間距布設(shè)2～3個(gè)長(zhǎng)期固定土壤水監(jiān)測(cè)剖面。土壤含水量測(cè)定采用中子水分儀（CNC503DR型，北京核子儀器有限公司，該儀器測(cè)定的是土壤非飽和帶的容積水分含量，其主要技術(shù)參數(shù)為：測(cè)量范圍是0%～70%；當(dāng)含水量0%～40%時(shí)，觀測(cè)精度為2%，當(dāng)含水量40%～70%時(shí)，觀測(cè)精度為3%）。土壤水含水量測(cè)定時(shí)間是每年每月1次，在輸水期間和輸水后每月監(jiān)測(cè)2次。文中采用的數(shù)據(jù)是2002年8月～2006年12月。

（2）數(shù)據(jù)處理。統(tǒng)計(jì)學(xué)表明，土壤體積含水率的平均值代表研究尺度內(nèi)土壤體積含水率的集中趨勢(shì)，標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)（Cv）表明土壤體積含水率對(duì)中心位置的偏離（變異性）程度，它們分別為土壤體積含水率數(shù)據(jù)分布位置、分散情況、分布形狀的量度［11～12］。Hlllel（1980）認(rèn)為當(dāng)某一土壤特性參數(shù)的變異系數(shù)Cv≤10%時(shí)為弱變異性；當(dāng)10%＜Cv＜100%時(shí)為中等變異性；當(dāng)Cv≥100%時(shí)為強(qiáng)變異性［13］。

圖1　塔里木河下游簡(jiǎn)圖

式中：S表示一組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差；表示該組數(shù)據(jù)的平均數(shù)。

利用單因素方差分析（one-wayANOVA）和多重比較（LSD）的方法計(jì)算各斷面離河道不同距離間不同土層的土壤體積含水率差異，并對(duì)其變化差異進(jìn)行單一樣本T檢驗(yàn)。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤含水率的空間變異性特征

8次輸水后（2006年11月），塔里木河下游典型斷面的土壤體積含水率在垂直方向上變化的統(tǒng)計(jì)特征如表1所示。在地表以下0～280cm土層范圍內(nèi)，整體上隨著土壤深度增加，土壤體積含水率呈現(xiàn)先減少后增加趨勢(shì)。而各層土壤體積含水率變異系數(shù)存在明顯差異。輸水后在地表60cm以下，土壤體積含水率的空間差異性極顯著（p＜0.001）。

表1　塔里木河下游輸水后主要斷面土壤體積含水率（%）統(tǒng)計(jì)特征值

在水平方向上，各斷面離河道不同距離土壤體積含水率差異性明顯（圖2左）。在0～280cm土層范圍內(nèi)，離水源較近的英蘇斷面的土壤平均含水率要明顯高于離水源較遠(yuǎn)的依干布及麻斷面的土壤平均含水率，在同一斷面離河道較近的土壤平均含水率要高于離河道較遠(yuǎn)的土壤平均含水率。各斷面離土壤體積含水率的空間變異系數(shù)規(guī)律性也明顯（圖2右）。

整體上英蘇斷面的土壤體積含水率空間變異程度低于依干布及麻斷面，但土壤體積含水率變化規(guī)律不同的是，在離河道不同距離的土壤體積含水率的空間差異性表現(xiàn)出相反的變化規(guī)律。英蘇斷面的離河道較近C1號(hào)監(jiān)測(cè)孔，屬于中等變異性；在離河道較遠(yuǎn)的C2號(hào)監(jiān)測(cè)孔的變異程度加大。但在依干布及麻斷面，離河道較近的H1監(jiān)測(cè)孔土壤體積含水率變異性很高，屬于強(qiáng)變異性；離河道較遠(yuǎn)H2監(jiān)測(cè)孔的土壤體積含水率空間變異性則較低，。這說明，離水源越近，近河道的土壤體積含水率變異性低于遠(yuǎn)河道的土壤體積含水率變異性，離水源越遠(yuǎn)，近河道的土壤體積含水率空間變異程度要高于遠(yuǎn)河道的變異程度。

圖2　塔里木河下游輸水后英蘇和依干布及麻斷面監(jiān)測(cè)孔的土壤體積含水率和變異系數(shù)變化

通過對(duì)各斷面不同距離的含水量進(jìn)行單因素的方差分析（表2），不同土層含水率之間除20cm土層的差異不顯著外，其他各土層之間的差異呈極顯著（p＜0.001）。對(duì)于同一斷面，英蘇斷面除了20cm土層外，其它各土層的C1和C2的土壤含水率差異性都很顯著（a =0.05）；而依干布及麻斷面的H1和H2的土壤含水率僅在40～60cm和240～280cm土層范圍內(nèi)，兩者差異性顯著（a =0.05），在80～220cm土層范圍內(nèi)，兩者的差異性不顯著（a =0.5）。對(duì)于不同斷面，英蘇和依干布及麻斷面，除了C2和H2在20～40cm和280cm土層外，四個(gè)監(jiān)測(cè)孔間的土壤含水率差異性顯著（a =0.05）。

表2　不同監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)之間的方差分析與多重比較

從不同土壤體積含水率和變異系數(shù)隨土壤深度的變化曲線可以看出：各剖面土壤體積含水率變化在地表以下0～3m深度范圍內(nèi)上有3個(gè)明顯不同特征的變化層：水分散失層、水分增加層和水分變化層（表3）。以英蘇斷面為例，C1號(hào)監(jiān)測(cè)孔，0～60cm土層的土壤體積含水率較低，變化幅度較小，變異系數(shù)較低；60～100cm土層的含水率顯著增加，增幅最大，變異系數(shù)較高；100～280cm土層的含水率仍在上升，但增幅有所減緩，變異程度明顯下降。

表3　塔里木河下游典型斷面各土層土壤體積含水率變化（%）

2.2土壤含水率的時(shí)序性特征

圖3　英蘇和依干布及麻斷面監(jiān)測(cè)孔土壤體積含水率時(shí)間變化

受間歇性輸水的影響，塔里木河下游各斷面土壤體積含水率隨時(shí)間變化規(guī)律十分明顯（圖3）。以英蘇斷面為例，離河道較近C1監(jiān)測(cè)孔土壤體積含水率隨著間歇性輸水變化十分明顯。在0～140cm土層內(nèi)，土壤體積含水率在輸水期間增加幅度很快，如在第4次輸水后（2002年12月）土壤平均含水率為0.03 cm3/cm3，第五次（I）輸水后（2003年7月）增加到0.09 cm3/cm3，第7次（I）輸水后（2005年8月）增加到0.12 cm3/cm3。在停水期間的土壤體積含水率略有下降，但整體上隨著輸水次數(shù)和時(shí)間的延續(xù)土壤體積含水率呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。在140cm土層以下，隨著深度增加，土壤體積含水率隨輸水時(shí)間變化的升降幅度減弱。在160～280cm土層范圍內(nèi)，土壤體積含水率隨著時(shí)間延續(xù)整體上開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但在整個(gè)輸水過程中其升降幅度明顯，尤其是在240cm土層以下，土壤體積含水率的升降變化與輸水時(shí)間和次數(shù)關(guān)系密切。

離水源距離較遠(yuǎn)的依干布及麻斷面土壤體積含水率隨時(shí)間變化明顯晚于C斷面。以H1監(jiān)測(cè)孔為例，0～120cm土層在2002年9月～2003年12普遍較低。在2004年2月～2006年12月期間，土壤體積含水率增加幅度很大；120～200cm土層土壤體積含水率增加的時(shí)間比0～120cm土層要早。120～160cm土層在2003年12月5日左右土壤體積含水率達(dá)到高峰，而180cm土層和200cm土層分別2003年11月和10月中旬達(dá)到最高值。此后至2004年2月27日，即在第六次輸水之前，其各土層土壤體積含水率降低到最低；200～280cm土層的土壤體積含水率在第5次（I）和第5次（II）輸水中出現(xiàn)兩個(gè)高峰期。此后各層土壤體積含水率隨著輸水時(shí)間的延續(xù)幅度也較低。

3　結(jié)論

（1）塔里木河下游8年輸水后土壤體積含水率在空間上有很強(qiáng)的變異性。垂直方向上，土壤體積含水率隨著土壤深度增加整體呈先減少后增加趨勢(shì)，且各層土壤體積含水率變異性存在明顯差異。

（2）根據(jù)各斷面土壤體積含水率和變異系數(shù)隨土壤深度的變化特征，塔里木河下游主要斷面土壤體積含水率變化在地表以下0～3m深度范圍內(nèi)上有3個(gè)明顯不同特征的變化層：水分散失層、水分增加層和水分變化層。各斷面在同一土層深度下土壤體積含水率差異顯著。

（3）塔里木河下游輸水后土壤體積含水率變化在時(shí)間上具有不穩(wěn)定性。隨著土層深度增加和間歇性輸水的延續(xù)，離河道較近的土壤體積含水率對(duì)輸水過程的響應(yīng)要明顯高于離河道較遠(yuǎn)的土壤體積含水率對(duì)輸水過程的響應(yīng)；在離水源距離較近的土壤體積含水率變化明顯早于離水源較遠(yuǎn)的土壤體積含水率變化。

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中圖分類號(hào)：S152.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-1305（2016）01-0079-05

DOI：10.3969 /j.issn.1008-1305.2016.01.028

收稿日期：2015-08-24

基金項(xiàng)目：水利部公益項(xiàng)目和優(yōu)秀青年科技人才培養(yǎng)項(xiàng)目（2013721032）項(xiàng)目資助。

作者簡(jiǎn)介：馮斐（1981年—），男，工程師。