巴丹吉林沙漠高大沙山檉柳地土壤水分時空動態(tài)

張進(jìn)虎, 王乃昂, 牛震敏, 孫 杰, 張律呂

(1.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 蘭州 730000; 2.甘肅省治沙研究所/甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 蘭州 730000)

土壤水分在干旱區(qū)生態(tài)水文過程中扮演著重要的角色，是關(guān)鍵生態(tài)限制因子。它聯(lián)系著地下水、地表水及大氣降水，制約著干旱沙漠區(qū)植被的形成和發(fā)展，是土地沙漠化的主要調(diào)控者[1-4]，其含量及動態(tài)變化決定著沙漠化的發(fā)展或逆轉(zhuǎn)。在地下水埋深較深的干旱區(qū)，大氣降水是土壤水分最主要來源[5]。沙漠地區(qū)氣候干旱，風(fēng)沙活動頻繁劇烈，僅有少數(shù)耐旱、耐風(fēng)蝕、耐沙埋的物種可以生存和發(fā)展，且以草本或灌木為主，如白刺(Nitrariatangutorum)、沙蒿(Artemisiadesertorum)、沙拐棗(Calligonummongolicum)、霸王(Sarcozygiumxanthoxylon)、沙米(Agriophyllumsquarrosum)、沙竹(Psammochloavillosa)等。筆者在考察巴丹吉林沙漠時發(fā)現(xiàn)，在巴丹吉林沙漠東南部相對高度166～300 m的高大沙山的背風(fēng)坡中上部有短穗檉柳(Tamarixlaxa)分布，平均株高、地徑、冠幅分別可達(dá)3.34 m，6.30 cm，9.9 m×10.06 m。而一般情況下，在沙源豐富的地區(qū)，檉柳常形成檉柳沙包，枝條被沙埋，叢狀生長，與之相比，巴丹吉林高大沙山檉柳顯得形體高大，主干明顯，如同“喬木化”生長(圖1)。然而，當(dāng)?shù)啬杲邓績H為90.1～115.4 mm[6]，在如此高大的沙山中上部土壤水分是如何維持檉柳生物量的呢？

圖1 巴丹吉林沙漠與民勤綠洲邊緣檉柳生長狀態(tài)對比

巴丹吉林沙漠位于阿拉善高原西部，范圍為合黎山、北大山以北，拐子湖、古居延澤以南，雅布賴山之西北，黑河正義峽出山口、弱水東岸至古日乃湖以東，面積5.2萬km2，系我國第二大沙漠[7]。東西長約442 km，南北寬約345 km，地勢呈東南高，西北低，平均海拔1 200～1 700 m。沙山高差大多在200～300 m，最大高差接近500 m，是世界上高差最大沙山分布區(qū)[8]。巴丹吉林沙漠屬于溫帶極端干旱氣候，降水稀少，年均降水量為76.9 mm。東南部降水較多，年均降水量為90.1～115.4 mm。冬季平均氣溫—9.1℃，夏季平均氣溫25.3℃[9]。潛在蒸發(fā)量>2 000 mm。常見植物種有白刺、霸王、膜果麻黃(Ephedraprzewalskii)、沙米、沙拐棗、碟果蟲實(shí)(Corispermumpatelliforme)等。

巴丹吉林沙漠分布著全球最高的沙山及110個常年積水湖泊及若干個季節(jié)湖泊及干涸湖盆[10]。奇特的自然景觀吸引了眾多的研究者，其中沙山形成演化、湖泊水來源及湖泊—沙山水循環(huán)成為研究的焦點(diǎn)[11-17]。高大沙山水分特征，來源及沙山—湖泊水分轉(zhuǎn)化關(guān)系也得到眾多學(xué)者的關(guān)注，但研究結(jié)果存在爭論。主要表現(xiàn)為：(1) 沙山水分含量及來源的爭論。有人認(rèn)為沙山體積含水量約3%，達(dá)到了最大持水量的65%或者更高，不是當(dāng)?shù)亟邓漠a(chǎn)物，還有其他水源補(bǔ)給[19]。與之相一致的結(jié)果有湖泊水汽凝結(jié)[20]及地下水上升補(bǔ)給沙山水分[15]；有人卻認(rèn)為沙山水分含量一般小于2%，是當(dāng)?shù)亟邓漠a(chǎn)物[20]。(2) 降水入滲的爭論。有人認(rèn)為當(dāng)?shù)亟邓扇霛B通過沙山補(bǔ)給湖泊或地下水[20]，而有些人認(rèn)為降水在沙山的入滲深度有限，對地下水沒有明顯補(bǔ)給作用[17,9]。(3) 極端降水事件對沙山水分有深刻影響[11]，但現(xiàn)有研究主要以穩(wěn)定同位素、渦動相關(guān)等間接手段為主，缺乏降水入滲過程的連續(xù)實(shí)測資料，難以直接判斷降水能否通過沙山入滲補(bǔ)給地下水或者湖泊水。本研究采用先進(jìn)的土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)，以檉柳地為突破口，以裸露沙山為對照，研究兩者的土壤水分基本特征、時空動態(tài)及其對極端降水的響應(yīng)過程，旨在揭示高大沙山檉柳水分維持機(jī)制，完善沙山—湖泊水循環(huán)研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

以扎拉特東沙山背風(fēng)坡檉柳(P1)為研究對象，以查行陶勒圖東面裸露沙山(P2)為對照。兩沙山直線距離約4.45 km，立地相似，具有可比性。P1平均坡度26°，海拔1 398 m，P2平均坡度24°，海拔1 436 m(表1)。2014年10月下旬分別在P1及P2挖取土壤剖面并安裝土壤水分測量系統(tǒng)(品牌：Decagon，型號：EM50，校準(zhǔn)后精度±1%)，回填，踩實(shí)。探頭深度為20，40，…，200 cm，數(shù)據(jù)采集間隔為0.5 h。為消除土層擾動對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響，分析數(shù)據(jù)采用儀器安裝10 d后所采集的數(shù)據(jù)，即2014年11月1日—2015年10月30日。每一層觀測數(shù)據(jù)總計(jì)17 520組，整體剖面數(shù)據(jù)總計(jì)175 200組。土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室采用烘干法校正(圖2)。

圖2 土壤水份監(jiān)測系統(tǒng)校正曲線

降水?dāng)?shù)據(jù)用車日格勒自動氣象觀測系統(tǒng)(品牌：Vaisala，型號：MAWS301)觀測，記錄間隔為1 h。數(shù)據(jù)分析和做圖分別采用SPSS 13.0和OriginPro 9.0完成。

表1是巴丹吉林沙漠東南部已調(diào)查5個樣點(diǎn)的檉柳形態(tài)特征及其分布地理信息。每個樣點(diǎn)檉柳均呈“灌叢狀”分布，“喬木化”生長，平均株高3.34 m，冠幅9.9 m×10.0 m，地徑6.3 cm。主要分布于高大沙山的背風(fēng)坡，迎風(fēng)坡亦見少量分布。

表1 巴丹吉林沙漠已調(diào)查檉柳形態(tài)特征及地理信息

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分基本特征

10—210 cm剖面平均土壤水分，最大值及變異率P1點(diǎn)均高于P2點(diǎn)。P1點(diǎn)平均土壤水分為1.88%，高于P2點(diǎn)0.06%，平均最大值為5.06%，高于P2點(diǎn)2.23%，平均變異率為58.67%，是P2點(diǎn)的4.26倍。土壤水分平均最小值P1點(diǎn)低于P2點(diǎn)，P1點(diǎn)平均最小值為0.73，低于P2點(diǎn)0.77%(表2)。

表2 土壤水分基本特征 %

注：Mmax為各層次觀測最大值的平均值，Mmin為各層次觀測最小值的平均值，Mavg為各層次觀測平均值的平均值，CV為各層次水分變異率的平均值，下表同。

2.2 土壤水分時空動態(tài)

2.2.1 垂直動態(tài) P1點(diǎn)和P2點(diǎn)的土壤水分最大值均出現(xiàn)于10—30 cm深度土層，含水率達(dá)2.18%和3.24%，P1點(diǎn)低于P2點(diǎn)1.06%。土壤水分最小值P1點(diǎn)出現(xiàn)在70—90 cm深度土層，而P2點(diǎn)出現(xiàn)在較深的150—170 cm土層，含水率分別為1.42%和0.61%，P1點(diǎn)高于P2點(diǎn)最小值0.81%。P1點(diǎn)10—210 cm土壤含水量呈不顯著減小趨勢(p>0.05)，而P2點(diǎn)從10 cm到210 cm土壤含水量呈極顯著減小趨勢(p<0.01)。P1點(diǎn)10—70 cm層土壤水分明顯小于無植物的P2點(diǎn)，而深層150—210 cm土壤含水率(1.97%)顯著高于P2點(diǎn)(0.92%)(p<0.01)，70—150 cm土層兩點(diǎn)含量接近(圖3)。

每一層次土壤水分，P1點(diǎn)較P2點(diǎn)變化劇烈。P1點(diǎn)土壤水分變異率均高于P2點(diǎn)對應(yīng)層次。130—150 cm深度土層變異率差異最大，P1點(diǎn)是P2點(diǎn)的12.98倍，70—90 cm深度土層差異最小，P1點(diǎn)仍是P2點(diǎn)的2.51倍。土壤水分極差P1點(diǎn)亦高于P2點(diǎn)對應(yīng)層次。P1點(diǎn)、P2點(diǎn)極差最大值均出現(xiàn)在10—30 cm深度土層，數(shù)值分別為5.46%，2.76%，P1點(diǎn)是P2點(diǎn)的1.98倍。兩側(cè)點(diǎn)極差差異最大值出現(xiàn)在190—210 cm深度土層，相差4.06%，最小差異出現(xiàn)在70—90 cm深度土層，相差1.72%(表3)。

圖3 土壤水分垂直分布

2.2.2 季節(jié)動態(tài) 2014年11月—2015年10月降水量為88.41 mm，主要集中在4，7，9月份，占總降水量的74.2%。4，7，9月份降水量分別為21.05，22.06，19.2 mm，分別占總降水量的24.32%，24.95%，21.7%。為了便于分析比較，根據(jù)每層含水率的變化特點(diǎn)進(jìn)行合并，通過求平均值作為合并層的土壤水分，并將剖面劃分為淺層(10—70 cm)、中層(70—150 cm)及深層(150—210 cm)。

淺層土壤水分與降雨密切相關(guān)，呈雨季高、旱季低的特點(diǎn)。4—9月P1點(diǎn)和P2點(diǎn)土壤水分分別處于1.23%～4.29%，2.13%～5.31%，平均值分別為3.07%，4.09%，而其他月份P1點(diǎn)和P2點(diǎn)土壤水分分別處于0.65%～2.89%，2.04%～3.58%，平均值分別為1.32%，2.62%；除4月份外，其他月份土壤水分P1點(diǎn)均低于P2點(diǎn)；P1點(diǎn)土壤水分峰值與降雨峰值同步變化而P2點(diǎn)峰值明顯的滯后于降水峰值(圖4A)。中層土壤水分P1點(diǎn)隨雨季呈波動變化，而P2點(diǎn)幾乎不變，保持平穩(wěn)。在降水較多的4月和7月份，P1點(diǎn)土壤水分分別增加1.57%，0.61%，且保持較高水平，而P2點(diǎn)增幅較小，僅有0.01%，0.06%。在雨季，P1點(diǎn)土壤水分高于P2點(diǎn)，而在旱季P1點(diǎn)低于P2點(diǎn)(圖4B)。深層土壤水分P1點(diǎn)亦受降雨的影響，保持較高水平，而P2點(diǎn)不受降雨影響，保持平穩(wěn)；P1點(diǎn)在11月—翌年3月含量低且平穩(wěn)，從降雨較多的4月份開始增加，7月達(dá)到最大值3.32%，然后開始減小，至10月份降至1.92%；而P2點(diǎn)土壤水分變化僅為±0.27%(圖4C)。剖面整體土壤水分，P1點(diǎn)由于各層次受降雨的影響，在雨季高于P2點(diǎn)，在旱季可能是由于蒸散較大等原因，低于P2點(diǎn)(圖4D)。

表3 林地不同層次土壤水分極值及變異率 %

注：CV=SD/Mavg(SD為各層觀測值標(biāo)準(zhǔn)差)，R=Mmax-Mmin。

圖4 土壤水分季節(jié)動態(tài)

2.3 降水事件對土壤水分的影響

觀測期共發(fā)生兩次極端降雨事件，分別為2015年4月1—3日及7月8日，降雨量分別為14.64，14.19 mm。兩次降雨事件發(fā)生后P1，P2點(diǎn)土壤水分都有所增加，但增加的幅度及所需歷時差異明顯(圖5)。

4月1—3日降雨后，P1點(diǎn)各層次土壤水分都有明顯的升高，但是升高的幅度及達(dá)到峰值所用時間不同。淺層土壤初始含水量為1.80%，歷時8 d，達(dá)到峰值4.82%，增幅3.02%；中層土壤初始含水量為1.14%，歷時9 d，達(dá)到峰值2.94%，增幅1.8%；深層土壤初始含水量為1.15%，歷時30 d，達(dá)到峰值3.07%，增幅1.92%。土壤水分增幅從大到小的順序?yàn)椋簻\層>中層>深層，所用歷時從長到短的順序?yàn)椋荷顚?中層>淺層。7月8日降雨后，淺層土壤初始含水量為2.89%，歷時5 d，達(dá)到峰值5.59%，增幅2.7%；中層土壤初始含水量為2.31%，歷時5 d，達(dá)到峰值3.63%，增幅1.32%；深層土壤初始含水量為2.28%，歷時7 d，達(dá)到峰值5.07%，增幅2.79%。土壤水分增幅從大到小的順序?yàn)椋荷顚?淺層>中層，所用歷時從長到短的順序?yàn)椋荷顚?中層=淺層。P2觀測點(diǎn)只有淺層土壤受到降雨影響，中層和深層幾乎不受降雨影響；就淺層而言，降雨事件后土壤水分增加的幅度及歷時與P1點(diǎn)明顯不同，呈增幅小，歷時長的特點(diǎn)。

圖5 2015年降水事件與土壤水分日變化過程

2.4 討 論

檉柳是我國干旱及半干旱區(qū)廣泛分布的物種之一，具有耐干旱、耐鹽堿、耐貧瘠、耐風(fēng)蝕和沙埋的特點(diǎn)，是一種優(yōu)良的防風(fēng)固沙植物，同時也是水土保持和鹽堿地改良的樹種。檉柳根系發(fā)達(dá)，主要依靠地下水生存，是典型的地下水濕生植物[21-22]。在巴丹吉林沙漠高大沙山的中上部發(fā)現(xiàn)檉柳實(shí)屬奇特現(xiàn)象。

本研究顯示，巴丹吉林沙漠高大沙山檉柳林地(10—210 cm土層)平均含水量為1.88%，略高于裸露沙山水分0.14%，與趙景波等[20]的研究結(jié)果相近，符合區(qū)域氣候特征。但檉柳林地土壤水分隨深度增加呈波動變化，不呈線性減小趨勢，而裸露沙山土壤水分隨深度呈線性減小趨勢。這與前人研究的水分隨深度增加而增加的變化規(guī)律不一致[5]。深層土壤水分平均值為1.96%，高于沙山水分1.05%，最高可達(dá)5.44%，這與顧慰祖等[18]發(fā)現(xiàn)的沙山高孔隙水現(xiàn)象具有相似之處。每一層次檉柳林地水分變異大，平均變異率58.67%，是沙山平均水分變異率的4.26倍。也就是說檉柳林地水分受外界降雨影響更為敏感，在雨季水分大幅度升高，而在旱季由于強(qiáng)烈的蒸發(fā)而快速下降。例如，在降水較多的4月份，檉柳林地水分最大值可達(dá)5.44%，而沙山為4.47%；林地水分平均值為2.87%，而沙山僅為1.75%。在降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈的8月份，檉柳林地水分最低可達(dá)0.54%，而沙山為0.79%；林地水分平均值為2.0%，而沙山為2.4%。

檉柳林地水分變化與降水變化具有較好的一致性。在雨季呈林地水分增加且維持較高水平，而在旱季水分呈下降，維持較低水平。這與前人對沙地水分特征研究結(jié)果相似[23-24]。但是林地水分對降水影響敏感，變異大，且深層土壤水分高等結(jié)果與前人的研究不一致[5,16,24]。林地水分的敏感性，特別是深層較高的含水量可能與樹冠徑流等有關(guān)。王正寧等[26]對檸條、沙蒿樹干徑流及土壤入滲的研究表明，荒漠灌叢可改變降水在灌叢內(nèi)的水平空間分布，進(jìn)而影響植被冠層下土壤水分的空間響應(yīng)，使降水匯集于主干，集中入滲，增加了降水入滲量和深度。巴丹吉林沙漠高大沙山檉柳主干明顯，呈灌叢生長，滿足樹干徑流的形成條件，據(jù)調(diào)查，沙山檉柳的根系主要分布在0—90 cm土層，90 cm以下土層根系分布少，呈枯死狀態(tài)，大大減小了對土壤水分的吸取，這種“高匯水”“低耗水”的特征，有可能促使深層較高的土壤水分的形成。在降雨事件過程中或者結(jié)束后的一定時間，土壤水分主要以重力水的形式向下運(yùn)移。在運(yùn)移的過程中重力水被土層不斷吸收儲存，傳到的水分越來越少，直到停止運(yùn)移。因此，隨著土層變深，土壤水分補(bǔ)給的就越少，達(dá)到的峰值越低。但在7月8日的降雨事件后，淺層和深層土壤水分都迅速增加，達(dá)到了峰值，但是中層土壤水分峰值(3.71%)不但小于淺層的峰值(5.59%)而且小于深層(5.07%)(圖5)。由此，可以推斷深層水分雖然較大幅度的升高了，但是升高的原因不可能為降雨的入滲，可能別有源頭。

3 結(jié) 論

巴丹吉林沙漠高大沙山檉柳地土壤水分高于裸露沙山水分，且呈淺層及深層高而中層低的特點(diǎn)。淺層土壤水分檉柳地低于沙山水分對應(yīng)層次水分，中層兩者水分相近，深層檉柳地水分顯著高于裸露沙山水分。檉柳林地水分變異大，對較大降水事件敏感，入滲快而深，而裸露沙山土壤水分變小，僅有淺層土壤受到降雨的影響，中層和深層幾乎穩(wěn)定不變。

高大沙山檉柳的存在可能是區(qū)域降水—沙山—湖泊水循環(huán)研究的一個新突破口。本研究認(rèn)為檉柳地土壤水分高于裸露沙山，對降雨事件敏感，并且檉柳的存在改變了降水再分配過程，增加了降水的入滲，維持了林地較高的土壤含水量。林地深層土壤水分來源，還需進(jìn)一步的研究。

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