亞熱帶湖濱沙地典型下墊面土壤水分變化

李蘭暉,丁明軍,黃 齊,時(shí)光訓(xùn),鄭 林

1 鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,地理與環(huán)境學(xué)院(江西師范大學(xué)), 南昌 330022 2 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101 3 江西省山江湖開發(fā)治理委員會辦公室, 南昌 330046

?

亞熱帶湖濱沙地典型下墊面土壤水分變化

李蘭暉1,2,丁明軍1,*,黃 齊3,時(shí)光訓(xùn)1,鄭 林1

1 鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,地理與環(huán)境學(xué)院(江西師范大學(xué)), 南昌 330022 2 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101 3 江西省山江湖開發(fā)治理委員會辦公室, 南昌 330046

亞熱帶湖濱沙化作為南方荒漠化的一種典型類型,闡明沙化土壤水分變化規(guī)律對該地區(qū)植被恢復(fù)與重建具有重要指示意義。研究于2013年2月至2014年2月對鄱陽湖多寶湖濱沙地的土壤水分動態(tài)進(jìn)行了監(jiān)測,分析了不同覆被條件下沙地土壤水分在年內(nèi)及極端氣候條件下的動態(tài)特征。結(jié)果如下：①湖濱沙地土壤水分在梅雨和伏旱時(shí)期差異顯著。在梅雨期及其前后,土壤水分主要受降水控制,各下墊面土壤平均含水量相對較高(>0.063 cm3/cm3),且差異較?。欢诜导捌浜笃?覆蓋條件的差異起關(guān)鍵作用,濕地松樣地的土壤平均含水量均低于0.035 cm3/cm3。②持續(xù)高溫干旱天氣下,淺層10cm土壤含水量迅速降低,之后維持在極低水平(<0.01 cm3/cm3)；隨著深度增加,不同樣地土壤含水量差異將會增強(qiáng)。③在多雨季節(jié),17年生濕地松能有效增加土壤表層的持水能力；在干旱季節(jié),濕地松對降水的截留及吸附作用強(qiáng)烈地影響土壤水分的補(bǔ)給量及補(bǔ)償深度,當(dāng)降水強(qiáng)度較低時(shí),17年生濕地松樣地的淺層土壤水分難以獲得補(bǔ)給。因此,在亞熱帶沙地進(jìn)行濕地松種植時(shí),應(yīng)增大初植密度,并且對于植株過高的濕地松林,也應(yīng)采取適當(dāng)措施降低其密度,以抵御愈加頻發(fā)的極端干旱事件帶來的風(fēng)險(xiǎn),促使沙化地區(qū)發(fā)生持續(xù)的正向演替。

土壤水分；荒漠化；植被恢復(fù)；伏旱；鄱陽湖

土壤水分作為沙化地區(qū)主要的生態(tài)限制因子,是沙化地區(qū)植被系統(tǒng)組成、格局和過程的重要驅(qū)動力[1],并深刻地影響著土壤有機(jī)質(zhì)的礦化、生物固氮、植物根系對養(yǎng)分和水分的吸收等化學(xué)或生物過程[2]。植被又是影響沙化土壤水分的重要因素,不同植被類型對陸地水循環(huán)具有重要的調(diào)節(jié)作用[3],甚至在特定植被生長狀態(tài)和氣象條件下,植被覆蓋的差異可能成為沙化土壤水分動態(tài)變化的關(guān)鍵因子[4- 6]。降水到達(dá)地面后,可以進(jìn)入土壤形成土壤水,或沿坡面形成地表徑流,由于沙化土壤對水分的保持能力低,使得降水難以得到有效利用[7]；同時(shí),由于人們對土壤水資源承載能力認(rèn)識不足,以及在植被恢復(fù)過程中措施不合理等人為因素,導(dǎo)致林下普遍出現(xiàn)干旱化現(xiàn)象[8]。因此,對沙化土地土壤水分的時(shí)空分異及動態(tài)規(guī)律進(jìn)行研究,能夠?yàn)楫?dāng)?shù)赝嘶鷳B(tài)系統(tǒng)的修復(fù)與重建提供科學(xué)依據(jù)。然而,由于氣候條件、土壤特征、植被狀況的差異,導(dǎo)致不同沙化地區(qū)土壤水分的動態(tài)變化具有明顯的地域分異特征[9- 10],目前關(guān)于沙化土地的土壤水分動態(tài)監(jiān)測多集中于北方荒漠、半荒漠地區(qū),而有關(guān)南方沙化土地的土壤水分研究則比較缺乏[11]。

隨著全球氣候變化,極端氣候事件發(fā)生的頻率不斷增加[12],將對許多地區(qū)的土壤水分狀況產(chǎn)生重要影響,尤其是在土壤持水能力較弱的沙化區(qū)。越來越多研究表明,全球氣溫的持續(xù)上升和區(qū)域性干旱脅迫程度增強(qiáng)導(dǎo)致許多地區(qū)的森林死亡速率增加以及死亡風(fēng)險(xiǎn)上升[13- 15]。區(qū)域性干旱一直是國內(nèi)外長期存在并受到普遍關(guān)注的現(xiàn)象[16]。中國南方地區(qū)雖然年降水量較大,但受到降水年內(nèi)分布不均、土壤調(diào)蓄能力有限和人類活動等多重因素的影響,存在著嚴(yán)重的季節(jié)性干旱等問題[17]。頻發(fā)的氣候異常事件也會導(dǎo)致季節(jié)性干旱的頻率增加和強(qiáng)度上升[18- 19],進(jìn)而引起植物間的水分競爭加劇以及植物根系吸收土壤水分的深度發(fā)生改變[20]。因此,研究極端氣候條件下亞熱帶沙化地區(qū)不同下墊面土壤水分特征,對于區(qū)域生態(tài)防治和植被恢復(fù)具有重要意義。鄱陽湖湖濱沙化作為亞熱帶土地沙化的典型代表,對當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶生計(jì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成嚴(yán)重影響。流沙不僅威脅到當(dāng)?shù)鼐用竦纳詈蜕a(chǎn),也影響著鄱陽湖的泄洪和航道的通暢等。該區(qū)沙化防治與生態(tài)恢復(fù)正受到越來越多的學(xué)者關(guān)注。但已有研究主要集中在沙地的形成機(jī)制[21- 23],對該沙化地區(qū)生態(tài)修復(fù)的限制因子研究仍然不足。

本研究通過對鄱陽湖湖濱沙化地區(qū)典型下墊面土壤水分連續(xù)監(jiān)測和分析,以闡明覆被條件對土壤水分特征的影響,探討土壤水分特征對沙化防治和植被恢復(fù)的指示意義,為理解區(qū)域尺度土壤水分的時(shí)空分異特征提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),同時(shí)也為亞熱帶土地沙化的治理提供參考。

1 材料與方法

研究區(qū)位于江西省都昌縣多寶沙山(29°21′22″—29°27′18″N,116°03′00″—116°7′42″E),緊鄰鄱陽湖(圖1)。氣候?qū)儆诘湫偷膩啛釒駶櫦撅L(fēng)區(qū),年均溫17.5℃,多年平均降水量1310mm。當(dāng)?shù)厣成轿锓N以單葉蔓荊(VitextrifoliaLinn.var.simplicifoliaCham)、狗牙根(Cynodondactylon(Linn.) Pers.)最為常見,近年來,該地區(qū)一直在開展以濕地松(Pinuselliottii)為主要物種的植樹造林工程。在夏季暴雨期間,流水的侵蝕形成密集的相互平行排列的切溝,冬、春兩季湖底裸露,受風(fēng)力作用,沙層向山頂吹揚(yáng)[23],使該地區(qū)土壤沙化區(qū)域平行于湖岸線分布,從湖濱到山頂,可大致分為湖濱沙地、中部沙地、內(nèi)側(cè)沙地和沙地—耕地過渡帶[24]。

本研究選擇沙化程度最嚴(yán)重的湖濱沙地作為試驗(yàn)地,各樣地幾乎平行于湖岸線分布(相距湖岸線150—200m),樣地植被及土壤質(zhì)地見圖1和表1。在四種下墊面差異顯著的樣地內(nèi)均埋設(shè)土壤溫度、水分定位監(jiān)測系統(tǒng)(ECH2O sensors (Decagon Devices))。具體設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)為：將水分探頭水平插入10、30cm和70cm土層深處,并在10cm土層處設(shè)置溫度探頭。土壤溫度、水分記錄的時(shí)間間隔均為1h,監(jiān)測時(shí)間為2013年2月至2014年2月。同期1.5m氣溫、降水量、太陽輻射量、風(fēng)速等每小時(shí)數(shù)據(jù),由設(shè)置在試驗(yàn)區(qū)的WatchDog 2000系列氣象站(圖1D 正北10m處)觀測獲得。千煙洲地區(qū)氣溫、降水量和土壤含水量(20cm深度)等數(shù)據(jù)由千煙洲站提供,為了與千煙洲紅壤對比,本文計(jì)算了研究區(qū)10cm和30cm處土壤水分的平均值。研究中還采用世界糧農(nóng)組織(FAO)1998年推薦的修正Penman-Monteith方程估算鄱陽湖湖濱沙化地區(qū)的參考蒸散發(fā)[25]。土壤水分狀況受到降雨強(qiáng)度和頻率、植被覆蓋等因素的直接影響[5,26],為進(jìn)一步闡述降雨事件與湖濱沙地土壤水分的關(guān)系,選取了17年生濕地松和裸沙地樣地土壤水分作對比分析,為保持可比性,均選擇當(dāng)次降雨事件完全結(jié)束后開始統(tǒng)計(jì)。

圖1 研究區(qū)概況(A為5年生濕地松、B為17年生濕地松、C為蔓荊子、D為裸沙地)Fig.1 Location map of the study area (5- year- old Pinus elliottii(A), 17- year- old Pinus elliottii(B), Vitex trifolina linn.(C), bare sandy land(D))

樣地Sampleplot樣地植被Typesofvegetation粒徑Soiltexture/%<0.1mm0.1—0.5mm0.5—2.5mm土壤容重Bulkdensity/(g/cm3)A5年生濕地松5-year-oldPinuselliottii1.0974.9423.971.43B17年生濕地松17-year-oldPinuselliot-tii4.9366.5928.481.43C蔓荊子VitextrifolinaLinn.3.7467.8328.431.50D裸沙地Baresandyland3.6262.3834.001.42

ECH2O EC- 5土壤水分探測器能有效監(jiān)測沙化地區(qū)的土壤水動態(tài)特征[27]。為進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)精度,本文按照Decagon Devices網(wǎng)站(http://www.decagon.com)發(fā)布的校正方法對四種下墊面的土壤含水量進(jìn)行校正?？紤]到裸沙地表層10cm處和各樣地30—70cm處的土壤質(zhì)地等差異較小,故在校正中不作區(qū)分。為保證校正實(shí)驗(yàn)的可靠性,剔除實(shí)驗(yàn)中土壤干重與對應(yīng)的容重差異較大的個(gè)別樣本,總樣本量為133個(gè),其中蔓荊子、5年生濕地松和17年生濕地松的樣本量均為31個(gè),裸沙地的樣本量為40個(gè),并采用三次多項(xiàng)式擬合獲得最佳的擬合效果[27],如圖2所示,最后對儀器獲取的土壤含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行了校正。

圖2 不同下墊面10cm土層土壤水分校正Fig.2 Soil moisture calibration under different underlying surfaces at 10cm in lakeside sandy land

2 結(jié)果

2.1 鄱陽湖湖濱沙地土壤水分年內(nèi)變化特征

鄱陽湖湖濱沙地不同下墊面土壤體積含水量(下稱含水量)低且年內(nèi)變化差異顯著(圖3)。從研究期的均值來看,不同下墊面土壤平均含水量(含10cm、30cm、70cm)大小順序依次為：裸沙地、蔓荊子、17年生濕地松和5年生濕地松,其數(shù)值依次為0.063、0.055、0.05 cm3/cm3和0.048 cm3/cm3。從年內(nèi)的變化過程來看,高值區(qū)主要分布于上半年,而下半年普遍偏低(圖3)。在2013年2月至6月期間,累計(jì)降水量超過1000mm,明顯高于同期潛在蒸散發(fā)量(圖4),并且降水事件間隔短,17年生濕地松、裸沙地、蔓荊子和5年生濕地松的土壤含水量平均值(含10cm、30cm、70cm)分別為0.075、0.069、0.066 cm3/cm3和0.063 cm3/cm3。在2013年8月—次年2月期間,累計(jì)降水量僅為327.8mm,明顯低于同期潛在蒸散發(fā)量,其中次年2月份降水量占該時(shí)期總量的42.28%,裸沙地、蔓荊子、5年生濕地松、17年生濕地松的土壤水分平均值分別為0.058、0.046、0.035 cm3/cm3和0.028 cm3/cm3,并且不同下墊面的土壤水分差異大于上半年。

不同覆被條件下各個(gè)土層水分差異明顯,且在上半年和下半年呈現(xiàn)不同的特征(圖3)。結(jié)合單因子方差統(tǒng)計(jì)(One-way ANOVA)分析發(fā)現(xiàn)(表2)：不同覆被條件下的各土層土壤含水量在降水量偏少的下半年差異顯著；而在降水量偏多的上半年,僅10cm和70cm土層呈現(xiàn)顯著差異。在垂直方向上,相對于30cm和70cm土層,不同覆被下10cm土層的土壤含水量差異更為顯著。

圖3 不同下墊面沙地土壤水分的年內(nèi)變化特征 Fig.3 Variations of soil moisture content (SWC) under different underlying surfaces

時(shí)段Studyperiod土壤深度Soildepth平均值Mean10cm30cm70cmFPFPFPFP2013-02—2014-021.620.1982.350.0852.760.0522.380.0822013-02—2013-071.750.194.890.011.520.2396.390.0032013-08—2014-026.580.0029.47<0.0015.470.0054.60.011

除受降水影響外,高溫天氣也是導(dǎo)致土壤水分存在明顯差異的重要原因。在7—10月,10cm深處土壤溫度均超過20℃,尤其是8月份,超過30℃(圖4)。高溫晴朗天氣下,地表蒸發(fā)及植被蒸騰作用均相應(yīng)增強(qiáng),從而使得植被區(qū)的蒸散作用大于非植被區(qū)。這也導(dǎo)致了有植被覆蓋的沙化區(qū)域,在降水偏少的下半年土壤含水量明顯低于裸沙地,尤其是覆蓋度相對較大的濕地松林。

由此可見,研究區(qū)上半年土壤水分主要受降水事件的控制,植被的影響次之；而在下半年,植被因子作用增強(qiáng),不同覆被條件下土壤水分的差異高于上半年。

圖4 研究區(qū)水熱條件年內(nèi)變化特征Fig.4 Variations of precipitation (P) and potential evapotranspiration (ET)

2.2 極端高溫干旱下的湖濱沙地土壤水分變化特征

2013年夏季主要經(jīng)歷了4次高溫天氣過程,其中,第3次高溫天氣過程(7月22日至8月21日)強(qiáng)度最強(qiáng)、范圍最廣[19]。從圖5可以看出,持續(xù)高溫干旱天氣下,不同覆蓋條件和不同深度土壤水分均表現(xiàn)出明顯差異。沙化土地淺層土壤含水量降低速度,隨著距離降水事件的時(shí)間增加呈現(xiàn)先快后慢,然后維持在極低水平。表層10cm土壤的含水量在降水事件后的一個(gè)星期快速下降；8月2號之后,各覆被類型下的土壤含水量均低于0.02 cm3/cm3,隨著高溫天氣持續(xù),土壤含水量均降低到0.01 cm3/cm3以下,這與馮起等學(xué)者在新建厚田沙地的研究結(jié)果較為一致[9]。值得一提的是,8月22至26號的降水量總和為9.8mm,其中最大日降水量為3.7mm,17年生濕地松和5年生濕地松樣地的土壤水分未發(fā)生明顯改變。土層30cm和70cm深度的土壤含水量受植被覆蓋條件的控制,其中5年生濕地松和17年生濕地松樣地的土壤含水量明顯低于裸沙地和蔓荊子地。相對于裸沙地和蔓荊子地,在干旱早期,濕地松樣地30cm以下土層含水量下降幅度更強(qiáng)烈；當(dāng)表層土壤水分處于低水平時(shí),濕地松根系吸收更深土層的土壤水分,導(dǎo)致70cm深度土壤保持較低的含水量。此外,由于5年生濕地松栽植密度大,相對于較為稀疏的17年生濕地松來說,其林下土壤含水量更低,說明其消耗的土壤水分也更多。

圖5 7月20日至9月5日沙地土壤含水量和溫度變化Fig.5 Variations of soil moisture content (SWC) and soil temperature from July 20 to September 5, 2013

2.3 不同季節(jié)不同強(qiáng)度降雨事件結(jié)束后的土壤水分對比

17年生濕地松和裸沙地樣地土壤含水量對不同季節(jié)和不同強(qiáng)度降水事件的響應(yīng)存在明顯差異。春季由于降水量大和降水頻率高,在降水事件發(fā)生后的72小時(shí)之內(nèi)(圖6A、B),17年生濕地松樣地表層10cm土壤含水量均明顯高于30cm土層,且隨著距離降水事件時(shí)間的延長,兩土層水分差值仍明顯高于裸沙地,說明濕地松林能通過增加地表枯枝落葉層的厚度(0.5—1.5cm)和表層有機(jī)質(zhì),有效地增加土壤的持水能力。夏季中期,強(qiáng)降水事件(31.5mm)后(圖6C),強(qiáng)烈的蒸發(fā)導(dǎo)致表層10cm處的土壤含水量迅速降低,且均明顯低于30cm土層；受到濕地松蒸騰作用,其林下土壤水分低于裸沙地。夏末秋初,低強(qiáng)度降水事件后(最后一天日降水量分別為3.7mm和6.9mm)(圖6D、E),裸沙地表層10cm處土壤水分得到一定的補(bǔ)給,但17年生濕地松樣地土壤水分未發(fā)生明顯變化；并且兩種類型樣地在30cm和70cm深處土壤水分均未得到補(bǔ)給。但當(dāng)多日持續(xù)降水量超過25mm時(shí)(圖6F),裸沙地0—70cm范圍內(nèi)的土壤水分含量受到明顯的補(bǔ)給,17年生濕地松樣地僅在30cm處的土壤水分受到少量的補(bǔ)給。

由此可見,在鄱陽湖湖濱沙地,濕地松的種植不僅直接影響著土壤水分的消耗量,而且關(guān)系到降水對土壤水分的補(bǔ)給。在多雨季節(jié),濕地松能有效增加表層的持水能力；在較為干旱季節(jié),且降水強(qiáng)度較低時(shí),濕地松對降水的截留及吸附直接影響土壤水分的補(bǔ)給量和補(bǔ)給深度。

圖6 不同季節(jié)不同強(qiáng)度降雨事件的土壤水分差異(A、B、C、D、E、F代表本次降雨最后一天的日期(總降水量,持續(xù)降水日數(shù))分別為4月5日(29.4mm,6d)、4月29日(41.2mm,4d)、7月21日(31.5mm,1d)、8月26日(9.8mm,5d)、9月10日(6.9mm,1d)、9月28日(25.9mm,6d)；1、2分別為17年生濕地松、裸沙地)Fig.6 Response of soil moisture content (SWC) on rainfall intensity in different seasons. A, B, C, D, E, F denote the date of the last day of rainfall (total rainfall, sustained days of rainfall) on April 5, (29.4 mm, 6 days), April 29 (41.2 mm, 4 d), July 21 (31.5 mm, 1 d), Aug. 26 (9.8 mm, 5 d), Sept. 10 (6.9 mm, 1 d), September 28 (25.9 mm, 6 d), respectively. 1, 2 denote 17-year-old Pinus elliottii, bare sandy land, respectively

3 討論

3.1 鄱陽湖湖濱沙地與其他類型土壤含水特征的對比

為更好地理解鄱陽湖湖濱沙地土壤含水量特征,文中將該區(qū)沙化土地含水特征與其它類型土壤進(jìn)行了對比分析。相對于南方典型紅壤來說,雖然2013年2月至2014年2月研究區(qū)降水量比千煙洲地區(qū)同期多220mm,但湖濱沙地土壤年平均含水量明顯低于千煙洲地區(qū)的紅壤,為1/7—1/8倍,其中在降水豐富的上半年為1/4—1/5倍,在下半年為1/9—1/11倍(圖7)。相對于西南地區(qū)低植被覆蓋的喀斯特土壤,湖濱沙地土壤平均含水量也較低,大致為1/3—1/4倍[28- 29]。與周邊類似地區(qū)——福建濱海沙地相比,土壤平均含水量和變化特征均較為接近[30]。但與北方沙漠化地區(qū)相比,鄱陽湖沙地的土壤含水量總體較高[31]；由于南北氣候的差異,在春季,鄱陽湖湖濱沙地土壤水分高于北方荒漠化土地,但在長江中下游地區(qū)出現(xiàn)極端高溫干旱天氣的條件下,在夏秋季節(jié)可能相反[32]。因此,亞熱帶沙地植被恢復(fù)與重建在借鑒紅壤地區(qū)、喀斯特地區(qū)以及北方沙漠化地區(qū)等成功經(jīng)驗(yàn)時(shí),也需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐耐寥浪譅顩r制定合理的對策。

圖7 鄱陽湖湖濱沙地與千煙洲紅壤的土壤水分對比及其對應(yīng)的降水量Fig.7 Difference of soil moisture content (SWC) between lakeside sandy land in Poyang Lake and krasnozem in Qianyanzhou and their concurrent rainfall

3.2 亞熱帶湖濱沙地植被恢復(fù)對策探討

沙地植被恢復(fù)與重建是減輕風(fēng)沙危害的重要手段和有效的途徑[31]。在這個(gè)過程中,往往會通過增加樹種的初植密度來實(shí)現(xiàn)迅速覆蓋地表的目的。然而,已有研究表明,土壤含水量隨著栽植密度增加而降低,并且隨著林齡的增加,其需水量也不斷增加,導(dǎo)致水分競爭愈加劇烈,容易引起土壤水分供需矛盾加劇[33- 34],從而抑制了固沙植物的生長,當(dāng)超過植物水分脅迫的閾值,最終導(dǎo)致植被死亡[14],影響植被生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)發(fā)展。由圖3和圖5可知,在伏旱時(shí)期,密度較大的5年生濕地松樣地土壤含水量低于其他類型樣地。從圖5和圖6可發(fā)現(xiàn),由于林冠及林下的凋落物的截留與吸附,降低穿透雨量,減少水分向土壤輸入[32,35],導(dǎo)致低強(qiáng)度的降水事件無法對蓋度較大的濕地松林下土壤水分進(jìn)行有效補(bǔ)給。由于濕地松根系向下生長較當(dāng)?shù)卦锓N深,如狗牙根和蔓荊子等,在極端高溫干旱的天氣下,濕地松林下的原生物種可能因水分虧缺而枯萎,從而導(dǎo)致生物多樣性降低。以土壤溫濕度監(jiān)測點(diǎn)為中心的5m×5m樣方調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn),17年生濕地松林下植被比5年生濕地松更為單一,但5年生濕地松林下也存在枯萎的狗牙根和蔓荊子等草本和灌叢。

目前,該地區(qū)采用本地育種、選擇2年生濕地松苗木、將種植日期提前的種植方式[11],有效提高了成活率[36](圖1A)。但在濕地松種植及后期管理中,須適當(dāng)控制植株密度?？紤]到研究區(qū)的土壤水分特征和幾十年的濕地松種植歷史,建議以當(dāng)?shù)匾延凶畲蟮臐竦厮上募菊鐦溆爸睆綖閰⒖?植株間距不低于這個(gè)參考值,并兼顧蔓荊子等原生植被；對于已有的低齡濕地松林,也須合理降低植株密度,以避免越來越頻發(fā)的極端干旱事件引發(fā)的水分短缺而導(dǎo)致生物多樣性減少等不利影響,逐步改善群落結(jié)構(gòu),促使沙化地區(qū)發(fā)生持續(xù)的正向演替。

4 結(jié)論

(1)亞熱帶湖濱沙地土壤水分在梅雨期和伏旱期差異顯著。降水充沛的上半年,各覆被條件下的土壤平均含水量較高,均高于0.063 cm3/cm3,且差異不明顯；而降水量少的下半年,各覆被類型之間土壤含水量均存在極顯著差異,其中,濕地松樣地的土壤平均含水量均低于0.035 cm3/cm3。在梅雨期及前后,土壤水分主要受降水事件的控制,植被的影響次之；而在伏旱及其后期,覆被條件的差異起關(guān)鍵作用。

(2)高溫干旱天氣下,沙化土地淺層土壤含水量降低速度隨著距離降水事件的時(shí)間先快后慢,之后維持在極低水平(<0.01cm3/cm3)；30cm和70cm深度的土壤含水量變化受覆被條件的控制,且相對于較為稀疏的17年生濕地松來說,栽植密度大的5年生濕地松林下土壤含水量更低。

(3)在多雨季節(jié),17年生濕地松能有效增加土壤表層的持水能力；在干旱季節(jié)且降水強(qiáng)度較低時(shí),濕地松對降水的截留和吸附強(qiáng)烈地制約土壤水分的補(bǔ)給量及補(bǔ)償深度。在未來亞熱帶沙化土地的植被恢復(fù)與重建過程中,需增大初植密度,并且對于密度過高的濕地松林,也應(yīng)采取適當(dāng)措施降低其密度,以實(shí)現(xiàn)沙化地區(qū)植被的可持續(xù)發(fā)展。

致謝：千煙洲站提供氣象數(shù)據(jù)和土壤濕度觀測數(shù)據(jù)，龍進(jìn)等測定土壤粒徑數(shù)據(jù)，特此致謝。

[1] 李新榮, 張志山, 黃磊, 王新平. 我國沙區(qū)人工植被系統(tǒng)生態(tài)-水文過程和互饋機(jī)理研究評述. 科學(xué)通報(bào), 2013, 58(5/6): 397- 410.

[2] 俞潔輝, 劉新圣, 羅天祥, 張林. 念青唐古拉山北麓草甸海拔分布上限土壤溫濕度的季節(jié)變化. 地理學(xué)報(bào), 2012, 67(9): 1246- 1254.

[3] 郭忠升, 邵明安. 半干旱區(qū)人工林地土壤入滲過程分析. 土壤學(xué)報(bào), 2009, 46(5): 953- 958.

[4] 莫保儒, 蔡國軍, 楊磊, 蘆娟, 王子婷, 黨宏忠, 王多鋒, 戚建莉. 半干旱黃土區(qū)成熟檸條林地土壤水分利用及平衡特征. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(13): 4011- 4020.

[5] Wang S, Fu B J, Gao G Y, Liu Y, Zhou J. Responses of soil moisture in different land cover types to rainfall events in a re-vegetation catchment area of the Loess Plateau, China. CATENA, 2013, 101: 122- 128.

[6] 徐飛, 賴曉明, 朱青, 廖凱華. 太湖流域丘陵區(qū)兩種土地利用類型土壤水分分布控制因素. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2016, 36(3): 592- 599.

[7] Andry H, Yamamoto T, Irie T, Moritani S, Inoue M, Fujiyama H. Water retention, hydraulic conductivity of hydrophilic polymers in sandy soil as affected by temperature and water quality. Journal of Hydrology, 2009, 373(1): 177- 183.

[8] 寧婷, 郭忠升. 半干旱黃土丘陵區(qū)撂荒坡地土壤水分循環(huán)特征. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 35(15): 5168- 5174.

[9] 馮起, 程國棟. 我國沙地水分分布狀況及其意義. 土壤學(xué)報(bào), 1999, 36(2): 225- 236.

[10] 周宏飛, 肖祖炎, 姚海嬌, 李莉, 李原理. 古爾班通古特沙漠樹枝狀沙丘土壤水分時(shí)空變異特征. 水科學(xué)進(jìn)展, 2013, 24(6): 771- 777.

[11] 李蘭暉, 丁明軍, 鄭林, 廖凱濤. 鄱陽湖沙化地區(qū)不同下墊面土壤水分動態(tài). 水土保持通報(bào), 2014, 34(2): 213- 217.

[12] Pachauri R K, Allen M R, Barros V R, Broome J, Cramer W, Christ R, Church J A, Clarke L, Dahe Q, Dasgupta P, Dubash N K, Edenhofer O, Elgizouli I, Field C B, Forster, P, Friedlingstein P, Fuglestvedt J, Gomez-Echeverri L, Hallegatte S, Hegerl G, Howden M, Jiang K, Jimenez Cisneroz B, Kattsov V, Lee H, Mach K J, Marotzke J, Mastrandrea M D, Meyer L, Minx J, Mulugetta Y, O′Brien K, Oppenheimer M, Pereira J J, Pichs-Madruga R, Plattner G K, P?rtner H O, Power S B, Preston B, Ravindranath N H, Reisinger A, Riahi K, Rusticucci M, Scholes R, Seyboth K, Sokona Y, Stavins R, Stocker T F, Tschakert P, van Vuuren D, van Ypserle J P. Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press, 2014.

[13] Allen C D, Macalady A K, Chenchouni H, Bachelet D, McDowell N, Vennetier M, Kitzberger T, Rigling A, Breshears D D, Hogg E H T, Gonzalez P, Fensham R, Zhang Z, Castro J, Demidova N, Lim J H, Allard G, Running S W, Semerci A, Cobb N. A global overview of drought and heat-induced tree mortality reveals emerging climate change risks for forests. Forest Ecology and Management, 2010, 259(4): 660- 684.

[14] Anderegg W R L, Flint A, Huang C Y, Flint L, Berry J A, Davis F W, Sperry J S, Field C B. Tree mortality predicted from drought-induced vascular damage. Nature Geoscience, 2015, 8(5): 367- 371.

[15] Anderegg W R L, Klein T, Bartlett M, Sack L, Pellegrini A F A, Choat B, Jansen S. Meta-analysis reveals that hydraulic traits explain cross-species patterns of drought-induced tree mortality across the globe. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2016, 113(18): 5024- 5029.

[16] Sheffield J, Wood E F, Roderick M L. Little change in global drought over the past 60 years. Nature, 2012, 491(7424): 435- 438.

[17] 楊艷昭, 張偉科, 封志明, 楊格格, 楊玲. 干旱條件下南方紅壤丘陵地區(qū)水分平衡. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2013, 29(12): 110- 119.

[18] 彭京備, 張慶云, 布和朝魯. 2006年川渝地區(qū)高溫干旱特征及其成因分析. 氣候與環(huán)境研究, 2007, 12(3): 464- 474.

[19] 唐恬, 金榮花, 彭相瑜, 牛若蕓. 2013年夏季我國南方區(qū)域性高溫天氣的極端性分析. 氣象, 2014, 40(10): 1207- 1215.

[20] Yang B, Wen X F, Sun X M. Seasonal variations in depth of water uptake for a subtropical coniferous plantation subjected to drought in an East Asian monsoon region. Agricultural and Forest Meteorology, 2015, 201: 218- 228.

[21] 韓志勇, 李徐生, 張兆干, 陳英勇, 楊達(dá)源, 弋雙文, 鹿化煜. 鄱陽湖湖濱沙山壟狀地形的成因. 地理學(xué)報(bào), 2010, 65(3): 331- 338.

[22] 丁明軍, 鄭林, 聶勇. 鄱陽湖沙山地區(qū)沙化土地特征及成因分析. 水土保持通報(bào), 2010, 30(2): 159- 163.

[23] 朱震達(dá), 崔書紅. 中國南方的土地荒漠化問題. 中國沙漠, 1996, 16(4): 331- 337.

[24] 胡啟武, 堯波, 鄭林, 李曉峰, 丁明軍, 曹昀. 鄱陽湖沙山土壤養(yǎng)分特征與植被恢復(fù)方向探討. 土壤通報(bào), 2012, 43(3): 651- 655.

[25] Liu C M, Zhang D, Liu X M, Zhao C S. Spatial and temporal change in the potential evapotranspiration sensitivity to meteorological factors in China (1960—2007). Journal of Geographical Sciences, 2012, 22(1): 3- 14.

[26] 王月, 李程, 李愛德, 楊自輝, 張清濤, 梁曉健, 邱國玉. 白刺沙堆退化與土壤水分的關(guān)系. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 35(5): 1407- 1421.

[27] Wu B, Han H Y, He J, Zhang J H, Cui L Q, Jia Z Y, Yang W B. Field-specific calibration and evaluation of ECH2O EC- 5 sensor for sandy soils. Soil Science Society of America Journal, 2014, 78(1): 70- 78.

[28] 徐慧芳, 宋同清, 黃國勤, 彭晚霞, 曾馥平, 杜虎, 李莎莎. 喀斯特峰叢洼地區(qū)坡地不同土地利用方式下土壤水分的時(shí)空變異特征. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2014, 35(18): 5311- 5319.

[29] Chen H S, Zhang W, Wang K L, Fu W. Soil moisture dynamics under different land uses on karst hillslope in northwest Guangxi, China. Environmental Earth Sciences, 2010, 61(6): 1105- 1111.

[30] 吳錫麟. 福建海岸帶木麻黃防護(hù)林水分生態(tài)的初步研究[D]. 福州: 福建農(nóng)林大學(xué), 2002: 19- 23.

[31] 李新榮, 張志山, 譚會娟, 高艷紅, 劉立超, 王新平. 我國北方風(fēng)沙危害區(qū)生態(tài)重建與恢復(fù): 騰格里沙漠土壤水分與植被承載力的探討. 中國科學(xué): 生命科學(xué), 2014, 44(3): 257- 266.

[32] 于曉娜, 李恩貴, 黃永梅, 李小雁. 毛烏素沙地油蒿(Artemisiaordosica)群落土壤水分動態(tài)特征. 中國沙漠, 2015, 35(3): 674- 682.

[33] 安慧, 安鈺. 毛烏素沙地南緣沙柳灌叢土壤水分及水量平衡. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 22(9): 2247- 2252.

[34] 賈海坤, 劉穎慧, 徐霞, 王昆, 高瓊. 皇甫川流域檸條林地水分動態(tài)模擬——坡度、坡向、植被密度與土壤水分的關(guān)系. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2005, 29(6): 910- 917.

[35] 張志山, 張景光, 劉立超, 王新平, 李新榮. 沙漠人工植被降水截留特征研究. 冰川凍土, 2005, 27(5): 761- 766.

[36] 張聃. 鄱陽湖區(qū)沙化土地濕地松恢復(fù)試驗(yàn)及示范研究[D]. 南昌: 江西師范大學(xué), 2011: 20- 21.

Effects of vegetation coverage on soil moisture: Evidence from subtropical lakeside sandy lands in South China

LI Lanhui1,2, DING Mingjun1,*, HUANG Qi3, SHI Guangxun1, ZHENG Lin1

1KeyLaboratoryofPoyangLakeWetlandandWatershedResearch,MinistryofEducationandSchoolofGeographyandEnvironmentJiangxiNormalUniversity,Nanchang330022,China2KeyLaboratoryofLandSurfacePatternandSimulation,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China3Mountain-River-LakeDevelopmentCommitteeofJiangxiProvince;Nanchang330046,China

Lakeside desertification is a common type of desertification in South China. Soil moisture dynamics of lakeside sandy land have important implications for regional vegetation restoration and reconstruction. Using soil moisture data from the Duobao Sand Hills of Poyang Lake recorded from February 2013 to February 2014, we investigated soil moisture dynamics under different vegetation coverage and extreme weather conditions. We found that (1) soil moisture levels of lakeside sandy land in the rainy season were significantly different from the levels in the drought season. Soil moisture, mainly affected by precipitation, was maintained at a higher level (> 0.063 cm3/cm3) and was less sensitive to the type of underlying surface in the rainy season. However, different types of vegetation cover affected soil moisture differently. Soil moisture in the presence ofPinuselliottiiwas relatively low (<0.035 cm3/cm3) during the drought period. (2) Under high temperatures and drought conditions, shallow-soil moisture of desertified lands dropped rapidly at first, then remained exceptionally low (<0.01 cm3/cm3). With the increase in soil depth, the differences in soil moisture among soils withPinuselliottii,VitextrifoliaLinn., or bare sandy lands became more significant. (3) 17-year-oldPinuselliottiieffectively increased the water-holding capacity of the soil surface during the rainy season. However, due to water absorption and obstruction of rainfall,Pinuselliottiiaffected groundwater recharge during the drought period in terms of the amount of water and soil depth. Therefore, the shallow-soil water of a 17-year-oldPinuselliottiistand is difficult to recharge when precipitation intensity is low. Based on our findings, we suggest to increasing the initial planting density ofPinuselliottiithen decreasing maturePinuselliottiidensity in subtropical sandy land in South China to neutralize the effects of more frequent extreme droughts and to induce continuous positive succession in desertified areas.

soil moisture; desertification; vegetation recovery; summer drought; Poyang Lake

江西省重大生態(tài)安全問題監(jiān)控協(xié)同創(chuàng)新中心資助項(xiàng)目(JXS-EW-00);江西省教育廳科技落地計(jì)劃項(xiàng)目

2016- 04- 22; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2017- 02- 22

10.5846/stxb201604220755

*通訊作者Corresponding author.E-mail: dingmingjun1128@163.com

李蘭暉,丁明軍,黃齊,時(shí)光訓(xùn),鄭林.亞熱帶湖濱沙地典型下墊面土壤水分變化.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(11):3892- 3901.

Li L H, Ding M J, Huang Q, Shi G X, Zheng L.Effects of vegetation coverage on soil moisture: Evidence from subtropical lakeside sandy lands in South China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(11):3892- 3901.