綠洲邊緣夾粘沙丘持水特性

孫程鵬,趙文智,楊淇越

1 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院,中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)臨澤內(nèi)陸河流域研究站,中國科學(xué)院內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點實驗室, 蘭州 730000 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

綠洲邊緣風(fēng)沙活動頻繁,環(huán)境脆弱,建立人工固沙植被是保護(hù)綠洲免遭風(fēng)沙危害的重要措施[1]。從1970年代開始就在河西走廊綠洲邊緣營造了大量的雨養(yǎng)梭梭人工固沙植被,原來均勻栽植的人工固沙植被經(jīng)過多年的自然演替,呈斑塊狀分布[2]。降水量是干旱區(qū)人工固沙植被生長發(fā)育的關(guān)鍵因子[3],在降水量200mm左右的綠洲邊緣,降水支撐的人工固沙植被蓋度約為10%[4]。而臨澤綠洲邊緣多年平均降水量為117mm,但部分沙丘人工梭梭林斑塊郁閉度卻在65%左右[5],這可能與沙丘剖面的夾粘層有關(guān)。

土壤質(zhì)地可以通過改變剖面中土壤水分狀況、土壤水分運移,使得土壤水分的異質(zhì)性增加[6]。與均質(zhì)土壤相比,含夾粘層土壤的穩(wěn)滲率和濕潤鋒推進(jìn)速度降低,土壤水分入滲減弱[7],其影響程度與夾粘層及組合土壤的水力學(xué)性質(zhì)有關(guān)[8]。崔浩浩等[9]研究表明,粘土夾層可以顯著提高土壤持水性。周海等[10]研究發(fā)現(xiàn),綠洲邊緣部分沙丘土壤剖面中分布有一層紅褐色粘化層,梭梭粗根系生物量在夾粘層界面處顯著增加。而有關(guān)夾粘層對土壤水分影響的研究目前多集中于土壤水分運移方面[11-12]。土壤機(jī)械組成、孔隙度、植被生長狀況對土壤持水特性影響較大。研究發(fā)現(xiàn),土壤持水能力在土層深度與植被類型間存在著顯著差異[13],土壤容重與持水性能呈負(fù)相關(guān)[14],孔隙度的增加可以使土壤持水能力提高[15],土層間持水性的變動幅度存在較大差異。閆永利等[16]和王元峰等[17]指出隨土壤粘粒含量減少,土壤質(zhì)地由粘變砂時,其持水性減弱；同時研究表明,土層結(jié)構(gòu)對土壤的持水性能也有顯著影響,上部為砂壤土、底部為砂土、中間為亞粘土的壤粘沙型結(jié)構(gòu)持水性能最好,單一沙型的土層結(jié)構(gòu)最差[9]。

夾粘沙丘在干旱區(qū)特別是荒漠綠洲邊緣呈不連續(xù)分布,研究夾粘層土壤持水特性及其對沙丘剖面土壤水分狀況的影響,對于認(rèn)識降水量100mm左右雨養(yǎng)植被的生長發(fā)育、指導(dǎo)人工植被的建設(shè)具有重要意義[18]。 本研究選擇綠洲邊緣夾粘沙丘,通過開挖0—8.0m剖面,測定土壤物理性質(zhì)和水分特征曲線,探討剖面中土壤持水性的變化規(guī)律及其影響因素,旨在揭示綠洲邊緣夾粘沙丘土壤持水特性,為深入了解夾粘沙丘人工梭梭固沙林發(fā)育與演化提供依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

圖1　研究區(qū)概況及采樣點圖Fig.1　Research area and sampling map

研究區(qū)位于河西走廊中部臨澤荒漠-綠洲過渡帶(圖1),海拔約1386m,該區(qū)為典型的大陸性荒漠氣候,年均氣溫7.6℃,多年平均降水量117mm,降水多集中在7—9月份,且以小降水事件為主,年潛在蒸發(fā)量約為2360mm。地下水埋深一般在5—10m,地下水主要靠降水補給且呈季節(jié)性變化。地貌類型主要為風(fēng)成地貌,土壤類型主要有灰棕漠土和風(fēng)沙土,土壤分層明顯,常見粘土夾層。代表性植物有梭梭(Haloxylonammodendron)、沙拐棗(Calligonummongolicum)、檉柳(Tamarixchinensis)、泡泡刺(Nitrariasphaerocarpa)、檸條(Caraganakorshinskii)等。

1.2　研究方法

1.2.1土樣采集及分析

在試驗區(qū)開挖大型土壤剖面,根據(jù)土壤剖面的植被根系、土壤顏色等劃分層次結(jié)構(gòu),分別在距土壤表面0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、4.3、4.6、5.0、8.0m的深度使用環(huán)刀采集原狀土,重復(fù)5次,其中4.0m和4.6m分別是夾粘層與沙土層的交界面。同時,取適量鮮土樣品置于鋁盒和自封袋中,帶回實驗室測定土壤含水量和機(jī)械組成。土壤含水量、容重、孔隙度和飽和含水量用烘干法測定；利用激光粒度儀(Mastersizer-2000)測定土樣的顆粒組成；采集的原狀土環(huán)刀置于水中(沙土浸泡12h,粘土浸泡24h),在25℃下設(shè)定14個不同轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)速對應(yīng)的土壤水吸力分別為0.001、0.005、0.01、0.02、0.04、0.06、0.08、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0MPa),利用離心機(jī)(H- 1400pf)離心至平衡后測量設(shè)定吸力對應(yīng)的土壤質(zhì)量含水量,獲得各剖面土壤水分特征曲線。

1.2.2土壤孔隙分布

土壤孔隙分布可以反映土壤的持水特性,不同種類孔隙的分布可以通過土壤水分特征曲線計算當(dāng)量孔徑獲得,當(dāng)量孔徑計算公式為[19]：

式中,d為當(dāng)量孔徑(mm)；h為土壤水吸力(MPa)。

本文中土壤水吸力對應(yīng)的當(dāng)量孔徑分別為300、60、30、15、7.5、5、3.75、3、1.5、0.6、0.3、0.2、0.15μm,各級別孔隙劃分標(biāo)準(zhǔn)為[19]：通氣孔隙>10μm、毛管孔隙在2—10μm、非活性孔隙<2μm。

1.2.3土壤持水性

田間持水量和凋萎系數(shù)常用來衡量土壤的持水特性,可以通過土壤水分特征曲線計算得到,一般認(rèn)為田間持水量為101.97cm H2O對應(yīng)的土壤含水量[20],凋萎系數(shù)為15295.5cm H2O對應(yīng)的土壤含水量[21]。

2　結(jié)果分析

2.1　沙丘剖面土壤物理特征

土壤深度0—4.0m和4.6—8.0m均為沙土,砂粒含量均高于92%；深度在4.0—4.6m的為粉壤土,粉粒含量達(dá)到80.41%；沙丘剖面土壤質(zhì)地差異顯著,從上到下依次是沙土、粉壤土、沙土(表1)。

表1　沙丘剖面土壤顆粒組成

土壤表層(0—0.2m)含水量較低(圖2),0.2—4.0m土壤含水量隨土壤深度增加而增加(0.005—0.017g/cm3)。土壤含水量在4.0—4.6m層處達(dá)到最大(0.241g/cm3)；4.6—8.0m沙層水分含量逐漸增大,直至在8.0m處到達(dá)潛水面,土壤水分達(dá)到飽和(0.231g/cm3)。

圖2　沙丘剖面土壤水分及容重Fig.2　Soil moisture and bulk density of the profile of sand dune

2.2　沙丘土壤水分特征曲線

采用對沙土擬合效果較好的van Genuchten模型對沙丘土壤水分特征曲線進(jìn)行擬合[22],表達(dá)式如下,

式中,θ為體積含水量(%)；θr為殘余含水量(%)；θs為飽和含水量(%)；h為土壤水吸力(cmH2O)；α為尺度參數(shù),是與土壤進(jìn)氣吸力相關(guān)的系數(shù)；m、n為經(jīng)驗擬合參數(shù),m=1-1/n,n>1；h為土壤水吸力(cmH2O)。

基于Matlab R2010a得到的沙丘不同土層深度土壤水分特征曲線的擬合與驗證結(jié)果顯示(表2),R2的取值范圍為0.975—0.998,且RMSE均小于0.02,表明van Genuchten(VG)模型對夾粘沙丘土壤水分特征曲線的擬合精度高。

表2　沙丘剖面土壤水分特征曲線擬合參數(shù)

θr：殘余含水量，Residual moisture content；θs：飽和含水量，Saturated moisture content；h：土壤水吸力，Soil water suction；α：與土壤進(jìn)氣值相關(guān)的尺度參數(shù)，Parameter corresponding approximately to the inverse of the air-entry value；n：經(jīng)驗擬合參數(shù)，Model fitting parameters；RMSE：均方根誤差，Root mean square error；R2：判定系數(shù)，Coefficient of determination。

4.0—4.6m土層的土壤水分特征曲線位置最高,夾粘層與沙土層界面處(4.0m和4.6m)次之,而0—4.0m和4.6—8.0m土層范圍的最低(圖3)。在低吸力段(0—1000cmH2O),土壤含水量隨土壤水吸力增大而急劇減少,0—4.0m層和4.6—8.0m層與其他土層相比,曲線陡直,土壤釋水速率快。在中高吸力段(>1000cmH2O),土壤水吸力增大時,土壤水分減少速率明顯減慢,0—4.0m層和4.6—8.0m層土壤水分隨吸力變化趨于穩(wěn)定,曲線平穩(wěn),而4.0—4.6m層土壤含水量隨土壤水吸力增加仍緩慢減小。

圖3　沙丘剖面土壤水分特征曲線Fig.3　Soil water characteristic curve of profile of sand dune

2.3　沙丘剖面土壤孔隙分布

沙丘剖面孔隙數(shù)量在4.0—4.6m層明顯增多(P<0.01),0—4.0m層與4.6—8.0m層總孔隙度小且無顯著差別(P>0.05,圖4)。而通氣孔隙在4.0—4.6m層最少(2.24%),4.6—8.0m層次之(20.20%),0—4.0m層最大(22.39%),4.6—8.0m層通氣孔隙度隨深度增加逐漸減少。沙丘剖面毛管孔隙度隨土壤深度增加變化較小,僅在夾粘層與沙土層界面處和潛水面(8.0m)處顯著增大,且下交界面的毛管孔隙(6.56%)略少于上交界面(7.35%)毛管孔隙逐漸增加至最大值(12.73%)。

圖4　沙丘剖面土壤孔隙分布垂向變化Fig.4　Soil porosity distribution of the profile of sand dune

2.4　沙丘剖面土壤持水性能

利用土壤水分特征曲線擬合方程計算出各深度土層的田間持水量、凋萎系數(shù)和有效含水量(圖5)。上下沙層凋萎系數(shù)基本相等,平均值為0.029cm3/cm3；4.0—4.6m層凋萎系數(shù)最高,平均值為0.21cm3/cm3。田間持水量和飽和含水量在夾粘層最高,并在4.6—8.0m土層內(nèi)隨土層深度增大而緩慢增加。而有效含水量在夾粘層最低(0.094cm3/cm3),且具有明顯的空間分異性。夾粘層與沙土層界面處的持水性略有不同,上交界面的田間持水量、凋萎系數(shù)和有效含水量均小于下交界面,但飽和含水量高于下交界面。

圖5　沙丘剖面土壤持水特性垂向變化Fig.5　Soil water retention characteristics of the profile of sand dune

3　討論

3.1　夾粘沙丘剖面持水性特征

土壤水分特征曲線是描述土壤基質(zhì)勢與土壤含水量之間關(guān)系的曲線,是研究土壤水分運動的關(guān)鍵[23]。曲線的高低可以反映土壤持水能力的強(qiáng)弱[24],鄭健等[25]通過研究植物混摻土壤的土壤水分特征曲線及其對土壤持水能力的影響發(fā)現(xiàn),土壤水分特征曲線位置高則土壤持水能力較強(qiáng),反之土壤持水性較差。本研究發(fā)現(xiàn),4.0—4.6m土壤水分特征曲線曲線位置最高,0—4.0m和4.6—8.0m土壤水分特征曲線位置較低(圖3),說明夾粘層比沙層持水性能好。但在低吸力段,4.6—8.0m層比0—4.0m層的曲線位置高,主要原因是土壤孔隙分布特征會直接影響土壤水分運動規(guī)律[26],即在低吸力段土壤排水主要在通氣孔隙中進(jìn)行[27],當(dāng)通氣孔隙比例增加,土壤在同一吸力下會釋出更多水,從而使得土壤水分特征曲線位置降低[28]。而本試驗發(fā)現(xiàn)0—4.0m的土壤通氣孔隙多于4.6—8.0m層(圖4),使得土壤持水能力減弱,因此在低吸力段0—4.0m土壤的水分特征曲線斜率變化較大、位置較低。

土壤持水性是指土壤對水分的吸持和貯存能力[29],決定了土壤水分供給的有效性[30]。田間持水量、凋萎系數(shù)和飽和含水量是表征土壤持水能力的重要指標(biāo)[31],能夠直觀地反映土壤的持水性能。周印東等[32]在子午嶺北部的研究認(rèn)為,田間持水量和飽和含水量大則土壤持水性高。本研究結(jié)果表明,粉壤質(zhì)夾粘層土壤的飽和含水量和田間持水量高于上下沙層(圖5),說明夾粘土壤持水性能好于沙土層。有效含水量可以衡量土壤水分有效性,有效含水量即田間持水量與凋萎系數(shù)之差,有效含水量高則土壤水分有效性大[33]。本研究發(fā)現(xiàn),凋萎系數(shù)在4.0—4.6m 層顯著增大(P<0.01)。有效含水量在沙丘不同深度波動較大,且4.0—4.6m層的有效含水量最小,這表明夾粘層土壤雖可以吸持更多的水分,但土壤水分有效性卻小于沙土層,這與李玉山對黃土高原下伏粘化層的持水特性研究結(jié)果不同,可能是土壤粘化層的膠膜發(fā)育程度不同造成的[20]。

表3　土壤持水性與土壤因子相關(guān)性

** 表示在 0.01 級別相關(guān)性顯著；* 表示在 0.05 級別相關(guān)性顯著

3.2　夾粘沙丘剖面土壤持水性的影響因素

很多因素可以導(dǎo)致土壤持水性能的改變,如土壤粘粉粒含量[34]、有機(jī)質(zhì)含量[35]、孔隙分布狀況[36]、電導(dǎo)率[37]等。土壤物理性質(zhì)及有機(jī)質(zhì)含量是影響土壤持水性的主要因素[38]。Betti等[36]在南澳大利亞的研究發(fā)現(xiàn),土壤容重、砂粒含量和大孔隙增多會導(dǎo)致土壤持水性減弱,但土壤水分有效性增大。本研究結(jié)果表明,土壤容重、機(jī)械組成、通氣孔隙度等對田間持水量、凋萎系數(shù)、飽和含水量大小影響顯著(表3)。沙土層質(zhì)地粗,土壤內(nèi)通氣孔隙分布多且連通性好,土壤持水特性較差。當(dāng)土壤粘粉粒含量增加,通氣孔隙占比減小,土壤對水分吸持能力強(qiáng)。而4.6—8.0m層土壤砂粒含量高于0—4.0m層(表1),其容重及通氣孔隙度均小于0—4.0m層(圖2,圖4),但其田間持水量及飽和含水量卻小于0—4.0m層(圖5)。郝芳華等[39]認(rèn)為土壤深層水分毛管作用明顯,會導(dǎo)致土壤持水性增強(qiáng)。本研究也發(fā)現(xiàn),毛管孔隙分布與土壤容重、機(jī)械組成、孔隙度、顆粒直徑等均無顯著關(guān)系(P>0.05),僅與土壤含水量存在弱相關(guān)性。4.6—8.0m層土壤含水量隨深度增加而增大,毛管孔隙度也隨土壤深度增加而增大(圖4),且顯著大于0—4.0m層。4.0—4.6m層土壤含水量最高,但其毛管孔隙度基本等于0—4.0m層,但在沙土與粉壤土界面處顯著增大,說明土壤質(zhì)地和透水性的不同均會引起毛管孔隙數(shù)量的增多,并最終會影響土壤持水性能。

3.3　夾粘沙丘剖面土壤水分狀況

夾粘沙丘土壤表層(0—0.2m)為干沙層,能夠抑制下層土壤水分蒸發(fā)[40],因此0.2m以下土壤含水量較高。4.0—4.6m為粉壤質(zhì)夾粘層,土壤含水量最高,4.6—8.0m由于受地下水的毛管作用影響,土壤含水量高于0—4.0m(圖2)。大部分土壤水分運動發(fā)生在毛管孔隙中[41],而夾粘層與沙土層界面處受毛管作用影響,土壤含水量也高于其他剖面。可見,沙丘剖面土壤孔隙的分布特征能在一定程度上影響土壤水分含量及水分交換。由土壤水分特征曲線和沙丘剖面水分分布可知,4.6—8.0m層土水勢最高,下層土壤水分仍能向上運移至土壤含水量最高的夾粘層,并貯存在夾粘層中。當(dāng)0—4.0m層沙土土壤水分降低,水勢降低至小于夾粘層土水勢時,夾粘層可以向上輸送水分,從而改善沙丘的土壤水分條件。但夾粘層與沙土層間土壤水分的交換閾值、夾粘層毛管作用高度、夾粘層厚度及夾粘層位置對沙丘水分的影響仍需進(jìn)一步研究。

4　結(jié)論

(1)沙丘剖面中,夾粘層土壤持水性遠(yuǎn)高于上下沙層。土壤顆粒組成和孔隙分布是影響夾粘沙丘土壤持水性的主要因素,砂粒含量越高,通氣孔隙數(shù)量越少,毛管作用越明顯,則土壤持水性越強(qiáng)；反之,則越弱。

(2)夾粘沙丘剖面中土壤水分分布差異較大,夾粘層土壤含水量最高,明顯高于上下沙層。夾粘層是深層土壤水分向上層沙土運移的過渡層,該層土壤含水量高,但土壤水分有效性差,很難被植被吸收利用。

(3)夾粘層具有貯存深層土壤水分和為上覆沙土層傳輸水分的雙重作用,這對改善沙丘土壤水分狀況有重要影響,其調(diào)節(jié)沙丘土壤水分的能力取決于土壤持水性及毛管作用的強(qiáng)弱。沙丘中夾粘層的分布可以通過改變土壤水分狀況從而改變植被的生長發(fā)育狀況,這可能是降水量100mm左右綠洲邊緣雨養(yǎng)植被斑塊狀分布的影響因素。