民勤綠洲自然稀疏人工梭梭林土壤水分動(dòng)態(tài)

丁愛強(qiáng),徐先英,,劉 江,崔文天,張榮娟,趙 鵬,付貴全

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 民勤治沙綜合試驗(yàn)站,甘肅 民勤733000; 2.甘肅省治沙研究所,蘭州 730070; 3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,蘭州 730070; 4.扶風(fēng)縣林業(yè)局,陜西 扶風(fēng) 722200)

梭梭(Haloxylonammodendron)具有強(qiáng)的抗旱、抗熱、抗寒、耐鹽堿性，而且適應(yīng)性強(qiáng)，生長(zhǎng)迅速，枝條稠密，根系發(fā)達(dá)，防風(fēng)固沙能力強(qiáng)，是我國(guó)西北干旱荒漠地區(qū)固沙造林的優(yōu)良樹種[1-2]。在民勤綠洲外圍有近3.5萬(wàn)hm2梭梭林，是防風(fēng)固沙林體系的重要組成部分，也是保護(hù)綠洲生態(tài)安全的重要屏障[3-4]。20世紀(jì)70年代后期開始，隨著人類生產(chǎn)生活和自然因素的干擾，人工固沙林大面積開始退化[5-6]，因此，有學(xué)者對(duì)人工梭梭林的退化機(jī)制進(jìn)行了一系列的研究，并提出了有關(guān)退化林帶恢復(fù)保育的技術(shù)措施[5-8]。

在干旱荒漠區(qū)，土壤水分是調(diào)節(jié)生境中水分、養(yǎng)分循環(huán)、能量流動(dòng)等諸多生態(tài)過(guò)程的主要制約因子[9-12]，其含量的變化不僅影響著植被的生長(zhǎng)[6]，而且還限制著植被的種類、數(shù)量和分布[13-16]，而植被的生長(zhǎng)發(fā)育又會(huì)消耗土壤水分，影響土壤水分的變化，所以兩者之間的關(guān)系緊密而又復(fù)雜。林分的密度是林分特征的一個(gè)重要表現(xiàn)，又是影響梭梭林透風(fēng)系數(shù)的最主要因素，適宜的密度不僅是梭梭林健康生長(zhǎng)發(fā)育的保證，而且也能最大程度的降低風(fēng)速，阻截流沙，減少風(fēng)沙流危害[3]。在沙區(qū)防護(hù)林構(gòu)建中，一般通過(guò)提高初植密度的方式增加地表覆蓋度，使得林帶在短期內(nèi)就有較高的防風(fēng)固沙效益[17]，但隨著植被生長(zhǎng)林帶土壤水分的消耗也會(huì)隨之增加，導(dǎo)致土壤旱化之[18-21]，而植被為了響應(yīng)土壤旱化所帶來(lái)的影響，就會(huì)出現(xiàn)自然稀疏現(xiàn)象[22]，使林帶出現(xiàn)不同程度的退化，嚴(yán)重影響防護(hù)林的防風(fēng)固沙效益，威脅到綠洲的安全。有關(guān)干旱荒漠區(qū)梭梭林地土壤水分動(dòng)態(tài)平衡及空間異質(zhì)性等方面的研究報(bào)道比較多[6,9-11,23-30]，這些研究多是圍繞立地條件和土壤自身特性展開，關(guān)于林分特征也僅僅有林齡[23,30-31]對(duì)土壤水分影響的研究，自然稀疏林帶不同密度對(duì)土壤水分影響的研究少見報(bào)道。文章選擇自然稀疏密度為0.024，0.037，0.052，0.075，0.098株/m2的5個(gè)密度梯度下的退化人工梭梭林，對(duì)其土壤水分進(jìn)行長(zhǎng)期定位觀測(cè)，研究不同自然稀疏林帶內(nèi)土壤水分的動(dòng)態(tài)變化，并對(duì)林分密度與土壤水分含量之間的關(guān)系進(jìn)行建模，以探討人工梭梭林在退化過(guò)程中不同密度對(duì)土壤水分變化規(guī)律的影響，建立二者間的數(shù)量關(guān)系，為民勤綠洲生態(tài)環(huán)境保護(hù)和退化防風(fēng)固沙林的恢復(fù)與重建具提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于巴丹吉林沙漠東南緣的民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(38°34′1″N，102°58′19″E)附近的荒漠—綠洲過(guò)渡帶，該區(qū)屬溫帶大陸性荒漠氣候，年均氣溫7.7℃，最低氣溫-30.8℃(1991年12月27日)，最高氣溫41.0℃(1999年7月22日)，無(wú)霜期172.6 d；多年年均降水量115.6 mm(1965—2014年)；潛在蒸發(fā)量2 452.7 mm；地下水位由1961年的2.21 m下降到2008年的平均埋深為17.29 m，仍以0.71 m/a的速度繼續(xù)下降；地帶性土壤為灰棕漠土，隱域性土壤有鹽土、草甸土、風(fēng)沙土3個(gè)亞類。丘間低地、黏土沙障固沙區(qū)、黏土平地等典型微區(qū)廣泛分布。植被主要以梭梭、白刺(Nitrariatangutorum)、紅砂(Reaumuriasongorica)、沙拐棗(Calligonumarborescens)、霸王(Sarcozygiumxanthoxylon)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、黃花磯松(Limoniumau-reum)、鹽生草(Halogetonglomeratus)、豬毛菜(Salsolacollina)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)等組成。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)前期的野外調(diào)查，2014年9月，在甘肅省民勤治沙站周圍選擇10塊不同自然稀疏密度的梭梭林為研究對(duì)象，均是在流動(dòng)沙丘上以“黏土沙障+梭梭”模式配置的防風(fēng)固沙林，并以裸露的流動(dòng)沙丘作為對(duì)照。為了方便研究，將10塊樣地依據(jù)密度大小劃分為0.024，0.037，0.052，0.075，0.098株/m2等5個(gè)梯度，在林帶內(nèi)，分別布設(shè)20 m×20 m大樣方3個(gè)，每個(gè)大樣方內(nèi)沿對(duì)角線設(shè)置3個(gè)1×1 m小樣方調(diào)查植被生狀況。

土壤水分使用TDR定位觀測(cè)，TDR水分專用測(cè)管埋設(shè)與植被調(diào)查的同時(shí)進(jìn)行。每個(gè)林帶內(nèi)布設(shè)3根，間距約10 m，為避免因梭梭消耗或雨水倒灌造成的局部偏差，測(cè)管布設(shè)在梭梭的非根區(qū)且平整的位置，埋設(shè)時(shí)使用配套工具，盡量減小對(duì)周圍結(jié)皮和植被的破壞，埋設(shè)完成之后，放置一段時(shí)間，待土壤水分恢復(fù)穩(wěn)定即可開始試驗(yàn)。土壤水分測(cè)定于2015年5月—2016年10月進(jìn)行，每月的上旬和下旬利用TDR測(cè)定，每20 cm作為一個(gè)測(cè)定層，測(cè)定深度為0—140 cm，每根測(cè)管同一深度測(cè)三次，取均值作為該層土壤含水率，將同一密度梯度內(nèi)的土壤水分觀測(cè)值取均值作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。觀測(cè)期內(nèi)降雨量數(shù)據(jù)由民勤治沙站提供。

1.3 數(shù)據(jù)分析處理

利用SPSS 20.0進(jìn)行Duncan多重檢驗(yàn)和回歸分析，圖表由Furfer 12.0和SPSS 20.0制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同密度林帶植被特征

人工梭梭林帶的退化程度不同導(dǎo)致林分的特征也不同。如表1所示，不同密度的人工梭梭固沙林林帶之間，蓋度差異顯著，高度差異不顯著，Simpson多樣性指數(shù)林帶與流動(dòng)沙丘差異顯著，林帶之間差異不顯著；結(jié)皮厚度密度最大時(shí)對(duì)應(yīng)的值最大，且與其他樣地之間的差異顯著；林齡之間也存在一定的差異。

隨著密度的增大，蓋度和結(jié)皮厚度也相應(yīng)增大，Simpson多樣性指數(shù)減小，林齡也趨于年輕。蓋度與密度同增同減不難理解，但是群落多樣性下降這與結(jié)皮有直接關(guān)系，林齡較小的林帶內(nèi)黏土沙障基本保存完整，所形成的物理結(jié)皮更加緊實(shí)，也更貧瘠[31]，草本等1 a生植物很難存活，造成了群落的組成較為單一。

表1 不同密度人工梭梭林的基本特征

注：小寫字母表示不同密度林帶之間差異顯著(p<0.05)。

2.2 不同密度林帶土壤水分動(dòng)態(tài)變化

圖1和圖2描述了在降雨的影響下人工梭梭固沙林不同密度林帶土壤水分隨時(shí)間變化的過(guò)程。11月—次年2月份，由于地表蒸發(fā)且無(wú)降雨的補(bǔ)給，使得表層土壤含水率較低，而且整個(gè)剖面土壤含水率也較低，保持著相對(duì)較為穩(wěn)定的變化；3月份開始，土壤水分開始逐漸回升，淺層(0—40 cm)回升速度較快，深層土壤水分略微滯后；到夏季，表層含水率受強(qiáng)烈的蒸發(fā)散作用和降雨的共同影響，變化劇烈，且一直保持較低水平，除降雨事件發(fā)生后的短期內(nèi)較高外，而深層土壤，隨著水分的入滲補(bǔ)給，土壤水分平緩降低，整個(gè)夏季都保持較高的水平；秋末冬初，土壤含水率交到較低水平，整個(gè)冬季基本保持平穩(wěn)。

如圖2所示，由連續(xù)兩個(gè)不同降水年份的土壤水分變可知，受降水入滲補(bǔ)給和蒸發(fā)散的共同作用，不同密度人工梭梭固沙林土壤水分隨時(shí)間的變化可分為4個(gè)階段：3月初—5月中旬，是土壤水分回升期；5月下旬—9月下旬，土壤水分在豐水年(2015年)為動(dòng)態(tài)平衡期，在枯水年(2016年)為消耗期；10月、11月為水分消退期，12月—翌年2月份，是土壤水分低穩(wěn)期。初春季節(jié)，隨著氣溫的回升，固態(tài)土壤水分開始消融，而且降雨量也增加，使得土壤水分開始逐漸增大；5月下旬開始，隨著降雨事件發(fā)生的次數(shù)和降雨量的顯著增加，土壤水分也相應(yīng)增加，但此時(shí)也為植物的生長(zhǎng)季，植物生長(zhǎng)發(fā)育等一系列生理活動(dòng)所消耗的水分也顯著增加，土壤蒸發(fā)作用也隨著高溫的來(lái)臨而加劇，但由于降水是該區(qū)土壤水分的主要來(lái)源[9]，在生長(zhǎng)季5—9月份，2015年降雨量為103.7 mm，占多年年均降水的89.7%，而2016年降雨量為60.7 mm，僅占多年年均降水量的52.5%，這就使得生長(zhǎng)季土壤水分的變化在豐水年(2015年)表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)平衡，在枯水年(2016年)表現(xiàn)為消耗，密度越大耗散程度越大；10月份開始植被逐漸停止生長(zhǎng)，土壤水分消耗以土壤蒸發(fā)為主，同時(shí)由于降水入滲的滯后效應(yīng)，土壤水分在入滲和蒸發(fā)作用下逐漸消退；12月—翌年2月，氣溫降至冰點(diǎn)，出現(xiàn)霜凍和結(jié)冰現(xiàn)象，此時(shí)梭梭已凋零停止生長(zhǎng)，雖有蒸散作用存在，但損耗也是極低的，而且土壤凍結(jié)后土壤水有液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，使得土壤含水量降到較低水平，整個(gè)冬季土壤水分基本不再變化。

2.3 林帶土壤水分垂直變化

圖3描述了不同密度林帶土壤含水率均值及其時(shí)間變化變異系數(shù)隨深度變化的趨勢(shì)。由圖3可知，不同密度的林帶對(duì)土壤水分含量的影響較一致，隨著密度增大，對(duì)土壤水分的消耗越大，土壤含水率越低。

變異系數(shù)是描述土壤水分動(dòng)態(tài)變化的指標(biāo)之一[32]，一般來(lái)說(shuō)，上層土壤受外界環(huán)境影響較大，隨深度的增加外界的干擾逐漸減弱[13]，由圖3可知，在深度上，不同密度林帶土壤水分變異系數(shù)的變化規(guī)律呈現(xiàn)一致性，淺層較大，深層較小。但是梭梭的水平根系主要分布在50—100 cm[33]，主要利用約60—120 cm 的土壤水分[34]，所以密度越大，深層土壤水分的變異系數(shù)越大，變動(dòng)越劇烈。

圖1 不同密度林帶土壤水分等值線

圖2 不同密度林帶土壤水分與降雨量

2.4 不同密度林帶土壤含水率比較

圖4描述了不同密度林帶在不同時(shí)期土壤含水率均值的大小。由圖4可知，流動(dòng)沙丘土壤含水率最高，與其他林帶差異顯著；人工梭梭林不同密度林帶之間差異表現(xiàn)不明顯；不論是全年，還是生長(zhǎng)季(5月至9月)或非生長(zhǎng)季(當(dāng)年10至翌年4月)，林帶土壤含水率的變化一致，隨著密度的增大而逐漸降低，除密度為0.075株/m2時(shí)林帶土壤含水率較高外。從不同時(shí)期來(lái)看，密度較小時(shí)(D-1，0.024株/m2；D-2，0.037株/m2)，全年與生長(zhǎng)季和非生長(zhǎng)季之間土壤含水率的差異顯著，密度較大時(shí)，差異不再顯著。

圖3 不同密度林帶土壤水分垂直變化

2.5 土壤水分與林帶密度關(guān)系

基于上述的研究結(jié)果，做出土壤水分VSWC與密度D的散點(diǎn)圖，由圖5可知，土壤水分隨密度變化可能為線性變化，也可能是非線性變化。利用SPSS 20.0軟件中的“曲線估計(jì)”功能預(yù)測(cè)有可能構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型，土壤水分隨林帶密度的變化數(shù)學(xué)模型可能為線性函數(shù)、二次函數(shù)以及指數(shù)函數(shù)，具體是那個(gè)模型能夠更好地反映土壤水分與密度之間的關(guān)系取決于曲線的擬合度。

注：大寫字母表示不同時(shí)期相同密度林帶土壤含水率的差異，小寫字母表示同一時(shí)期內(nèi)不同密度林帶土壤含水率的差異(p<0.05)；誤差棒為相同密度林帶土壤含水率平均值的標(biāo)準(zhǔn)差。

圖4不同時(shí)期林帶土壤含水率差異

圖5 土壤水分隨林分密度分布及模型預(yù)測(cè)

對(duì)3種數(shù)學(xué)模型進(jìn)行檢驗(yàn)分析，結(jié)果如表2所示。

3種模型統(tǒng)計(jì)量F所對(duì)應(yīng)Sig.值均小于0.05，說(shuō)明模型總體對(duì)方差點(diǎn)解釋是顯著的；R2值的大小反映模型的擬合優(yōu)度，二次方程(0.934)>指數(shù)方程(0.833)>線性方程(0.800)，說(shuō)明二次方程能更好的解釋試驗(yàn)所得到的客觀規(guī)律，又對(duì)于線性和指數(shù)模型來(lái)說(shuō)，當(dāng)密度增大到某一值或無(wú)限增大時(shí)，土壤水分就會(huì)等于0或無(wú)限趨近0，這不符合常規(guī)，所以相比于其他兩種模型，用二次函數(shù)模型來(lái)反映土壤水分與林帶之間的關(guān)系更合適。

表2 模型匯總和參數(shù)估計(jì)值

注：C代表常數(shù)項(xiàng)；b1，b2分別為多項(xiàng)式系數(shù)。

3 討 論

在干旱沙區(qū)，土壤水分是限制植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因子，也是影響沙化土地恢復(fù)和沙地人工固沙植被穩(wěn)定性的重要影響因子[28]，當(dāng)?shù)叵滤y以補(bǔ)給植物生長(zhǎng)之需時(shí)，一定的降雨決定了植物土壤水分含量及時(shí)空動(dòng)態(tài)，植被密度越高，土壤水分的消耗就越高。

受降水、土壤蒸發(fā)及植被蒸騰等外界環(huán)境因子的共同作用，林帶土壤水分隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)不同的規(guī)律。本研究認(rèn)為人工梭梭固沙林土壤水分年際變化可分為4個(gè)階段：3月初—5月中旬，是土壤水分回升期；5月下旬—9月下旬，是土壤水分在豐水年(2015年)為動(dòng)態(tài)平衡期，在枯水年(2016年)為消耗期；10月、11月為水分消退期，12月—翌年2月份，是土壤水分低穩(wěn)期。這與已有研究的差異主要體現(xiàn)在植被生長(zhǎng)季，非生長(zhǎng)季土壤水分的變化基本一致。徐先英等[9]通過(guò)對(duì)民勤沙井子地區(qū)典型固沙植被的研究認(rèn)為6—7月為消耗期，8—9月為積累期；王兵等[24]研究認(rèn)為7月、8月為水分消耗期，9月為水分積累期；朱雅娟[17]、格日樂[35]等通過(guò)研究不同立地條件或林齡對(duì)梭梭林地土壤水分的影響指出6—8月為消耗階段，9—10月為緩慢恢復(fù)階段；舒維花等[28]通過(guò)對(duì)不同密度檸條對(duì)土壤水分影響的研究認(rèn)為6—9月土壤水分消耗期，朱海等[13]認(rèn)為古爾班通古特沙漠6—10月是土壤水分耗損期。綜上這些研究基本是對(duì)一個(gè)生長(zhǎng)季的研究，雖然也有長(zhǎng)期的觀測(cè)，但在觀測(cè)期內(nèi)不同年份生長(zhǎng)季的降雨量差異不大，并沒有像文章中這種極端的降雨事件出現(xiàn)，這就導(dǎo)致了生長(zhǎng)季土壤水分的變化在不同年份有著不同的變化；這些研究結(jié)果然在具體劃分月份上有所差別，但都共同說(shuō)明了林帶土壤水分在生長(zhǎng)季變化劇烈。

在模型建立中并未考慮其他環(huán)境因子對(duì)土壤水分的影響，這可能對(duì)模型的準(zhǔn)確性有所影響，但通過(guò)模型得到土壤水分與林分密度呈負(fù)相關(guān)，這與已有的研究所得出的結(jié)論一致[17-21,31,36]。由模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以得到，當(dāng)林分密度D=0.087株/m2時(shí)，土壤水分含量最小Ymax=3.53%，此時(shí)林分的密度應(yīng)為降水承載密度，這結(jié)果與李愛德[37]等對(duì)民勤地區(qū)梭梭林地土壤水分平衡研究得出的降水承載密度為0.068～0.090株/m2的結(jié)果一致。當(dāng)林分密度下降到降水承載密度之后，天然降水能夠維持梭梭的生長(zhǎng)，此時(shí)林分密度基本保持穩(wěn)定，而土壤水分也有所恢復(fù)[31]，從模型中也能得出這個(gè)規(guī)律。研究所選取的均是在流動(dòng)沙丘上以“黏土沙障+梭梭”模式造林的樣地，所以理論上剛開始造林時(shí)的土壤水分含量應(yīng)與流動(dòng)沙丘水分含量一致，對(duì)模型做進(jìn)一步擴(kuò)大分析，當(dāng)林分密度增加到0.174株/m2時(shí)，林帶的土壤含水量(Y預(yù)測(cè)=6.526%)與試驗(yàn)觀測(cè)中所得到的流動(dòng)沙丘的實(shí)際土壤水分含量(Y實(shí)際=6.618%)近似相等，而此時(shí)的密度造林密度0.174株/m2與研究區(qū)人工梭梭林初植密度0.165株/m2(2 m×3 m)[31]接近。模型中林分密度D的取值范圍為0≤D≤0.165，因?yàn)樽匀幌∈枇謳У拿芏炔粌H僅決定于土壤水分，假設(shè)受其他因子影響，當(dāng)人工林帶完全死亡，這時(shí)林帶密度為0，也是極端最小值；最大值取決于人工造林的標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)選擇的均為人工林，其最大造林密度為0.165株/m2(2 m×3 m)。

從以上的分析可以得出試驗(yàn)所得到的二次函數(shù)模型具有較高的可靠性，能在研究區(qū)用來(lái)預(yù)測(cè)和初步判定不同密度人工梭梭林林帶的土壤水分狀況。但模型也有一定的不足之處，影響土壤水分含量的因素比較多，比如林地的立地條件、土壤的物化特性、種群的生理特征及外界的干擾等，各因子之間的關(guān)系也是錯(cuò)綜復(fù)雜，模型只是選擇了眾多因子中的比較特殊的林分密度這一指標(biāo)，在野外試驗(yàn)中易于獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)，而且林分密度的大小也能夠直接表征林帶的健康狀況和防風(fēng)固沙效益，所以模型具有一定的利用和參考價(jià)值，另外觀測(cè)周期較短也是本試驗(yàn)的缺點(diǎn)，以上這些不足與缺陷之處有待于在以后的試驗(yàn)研究中逐步完善與修正。

4 結(jié) 論

不同自然稀疏密度人工梭梭林土壤水分隨季節(jié)的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)基本一致，可分為4個(gè)階段：3月初—5月中旬，是土壤水分回升期；5月下旬—9月下旬，是土壤水分在豐水年(2015年)為動(dòng)態(tài)平衡期，在枯水年(2016年)為消耗期；10月、11月為水分消退期，12月—翌年2月份，是土壤水分低穩(wěn)期；但是受極端降雨事件的影響，在不同年份生長(zhǎng)季土壤水分的變化不一致。林帶密度與土壤水分含量之間的的關(guān)系可以用二次函數(shù)模型Y=394.67D2-68.769D+6.526(0≤D≤0.165)，R2=0.934來(lái)表達(dá)。