荒漠綠洲過渡帶梭梭周邊土壤水分分布研究

程小曼,管儀慶，張丹蓉，楊瀅嘉

(河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

綠洲生態(tài)系統(tǒng)與沙漠之間存在著生態(tài)緩沖區(qū)[1]，不同的氣候、土壤、地貌、植被群落等構(gòu)成了其獨(dú)特的生態(tài)功能[2]，這里同時(shí)也是綠洲與荒漠相互轉(zhuǎn)化活動(dòng)進(jìn)行的最為劇烈和突出的地帶，這些特征使得綠洲—荒漠過渡帶成為綠洲生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分[3]。甘肅民勤東西北三面被騰格里和巴丹吉林兩大沙漠包圍，是天然的風(fēng)沙屏障，從1997年到2017年，全縣累計(jì)完成人工造林12.87萬hm2，工程壓沙3.88萬hm2，而在荒漠過渡帶的防沙固林舉措也使得民勤周圍過渡帶的寬度達(dá)到10 km左右[2]。民勤過渡帶主要有白刺(Nitrariatangutorum) ,梭梭(Haloxylonammodendron(C. A. Mey.) Bunge)，沙蒿(Artemisiaarenaria) ,紅砂(Reaumuriasoongorica) , 蘆葦(Phragmitescommunis)檉柳 (Tamarixspp. ) , 膜果麻黃 (Ephedraprzewalskii) ,檸條(Nitrariaspp. )和沙拐棗(Caraganaspp . )等植物，植被蓋度在 4%～28%之間、植被高度于10～300 cm不等。

土壤與植被之間相互影響，互為依賴[6]。而固沙植被生長(zhǎng)發(fā)育與土壤水分之間的密切關(guān)系則表現(xiàn)更為突出[7]。梭梭(Haloxylonammodendron(C. A. Mey.) Bunge)作為過渡帶的主要防沙固沙植被[8]，其生長(zhǎng)發(fā)育很大程度上受制于土壤水分條件，同時(shí)又能夠?qū)ν寥浪謩?dòng)態(tài)變化產(chǎn)生一定的反饋?zhàn)饔肹9]。對(duì)于荒漠綠洲過渡帶地區(qū)的土壤水分分布特征、植被分布規(guī)律以及二者之間的聯(lián)系的研究例如：郭京衡[10]等對(duì)多枝檉柳和梭梭兩種植物與土壤水分、養(yǎng)分的關(guān)系研究表明荒漠植物對(duì)于水分的依賴性相對(duì)更大；朱雅娟[11]等對(duì)不同林齡人工梭梭林的土壤水分特征研究表明16 a梭梭對(duì)土壤改良作用最大；張凱[12]等對(duì)綠洲荒漠帶土壤水分的空間分異研究表明土壤水分特性的變異系數(shù)最大的是過渡帶, 最小的是綠洲；王彥武[13]對(duì)不同固沙林林地土壤養(yǎng)分和生物學(xué)性質(zhì)的變化特征進(jìn)行研究，這些研究對(duì)于荒漠綠洲過度帶的生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有顯著意義。本文對(duì)梭梭周邊的土壤水分分布規(guī)律研究，旨在揭示植物利用水分特點(diǎn)，為合理規(guī)劃荒漠過渡帶系統(tǒng)和鞏固防沙治沙成果提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于甘肅省河西走廊東端民勤縣內(nèi)巴丹吉林沙漠東南部石羊河紅砂梁渠西岸連古城自然保護(hù)區(qū)附近的綠洲與荒漠過渡帶。其地理位置在38°34' ～39°38'N、 103°30' ～103°68'E。該地區(qū)屬于溫帶荒漠氣候，多年平均氣溫7.6℃，年蒸發(fā)量2 604.3 mm，年平均風(fēng)速為2.4 m·s-1，盛行風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)。極端低溫—27.3℃，極端高溫39.5℃，平均日差14℃；年降水量110 mm，80%集中于夏秋，相對(duì)濕度45%、無霜期137 d，最大凍土深度105 cm，大風(fēng)日數(shù)40 d，風(fēng)砂日數(shù)130 d。

2 研究方法

在研究區(qū)域內(nèi)根據(jù)地形地貌特征，植物生長(zhǎng)趨勢(shì)，結(jié)合天氣情況，選擇典型標(biāo)準(zhǔn)梭梭樹一棵，觀測(cè)時(shí)間為2018年8月2日至8月6日。梭梭樹位于E103°63′44"，N39°13′00"，株高2.12 m，冠幅2.88 m。實(shí)驗(yàn)點(diǎn)7月28日至7月31日并無降雨，8月1日降水1.2 mm，8月2日降水11.6 mm，8月3日至8月6日并無降水。在梭梭樹的東西南北四個(gè)方向利用土壤三參數(shù)儀進(jìn)行不同深度(20 cm，40 cm，60 cm，80 cm，100 cm，120 cm)土壤含水量的測(cè)量，并分別在距梭梭樹1 m和1.5 m處進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果用Excel2010分析，圖示用Origin9進(jìn)行繪制。

3 結(jié)果分析與討論

土壤水分含量與分布受到氣候、降雨、植被覆蓋、地理位置、根系分布等各方面因素的制約。由于觀測(cè)時(shí)間處于當(dāng)?shù)叵募窘邓衅?，土壤表層含水量受降水和蒸發(fā)的影響極大，且根據(jù)選取的人工梭梭樹的冠幅和株高推算樹齡約為16 a，植物的生長(zhǎng)蒸騰消耗大量水分，所以，各土層之間的含水量相差明顯。根據(jù)所測(cè)土壤含水量直觀繪制結(jié)果如圖1～圖4所示。研究區(qū)域位于荒漠綠洲交錯(cuò)地帶，土壤水分一般處于不飽和狀態(tài)，對(duì)研究區(qū)梭梭樹不同深度的水平方向土壤含水量進(jìn)行處理，見圖5～圖8。

3.1 降水的影響

從圖1～圖4可以明顯觀察到土壤水分的變化總體呈現(xiàn)出“兩頭高，中間低”的規(guī)律，即土壤淺層(20 cm)和深層(120 cm)含水量高于中間層(40～100 cm)。觀測(cè)期間，時(shí)有暴雨，土壤水分運(yùn)移從淺層逐漸向深層運(yùn)移，8月2日降水較多，8月2日至8月3日東西南三面距根1 m及1.5 m處均可看出水分運(yùn)移變化，觀察8月4日與8月6日土壤含水量變化，淺層土壤含水量在東西南側(cè)均有上升。從時(shí)間尺度上看，8月2日有較大范圍的降水，所以土壤平均含水量8月2日最大，8月3日，8月4日，8月6日逐漸降低，平均含水量分別為15.5%，14.5%，14.1%。13.8%。這是由于日照強(qiáng)烈以及植物的蒸騰作用，所以蒸發(fā)量很大。

圖1 8月2日梭梭東西南北方向土壤含水量于不同深度的變化情況

圖2 8月3日梭梭東西南北方向土壤含水量于不同深度的變化情況

圖3 8月4日梭梭東西南北方向土壤含水量于不同深度的變化情況

圖4 8月6日梭梭東西南北方向土壤含水量于不同深度的變化情況

從土壤深度尺度看(表1)，降水對(duì)于淺層土壤含水量具有補(bǔ)給作用，但是降雨的影響效果對(duì)于100cm以上的的土層較為明顯，對(duì)于100cm以下的土層影響很小。80cm與100cm土壤平均含水量對(duì)比，可以看出土壤含水量變化波動(dòng)很小。100cm與120cm土壤平均含水量對(duì)比，可以看出土壤含水量由隨深度持續(xù)下降趨勢(shì)轉(zhuǎn)為上升，這是由于深層土壤含水量受到地下水的影響。

表1 不同深度平均土壤含水量

3.2 地形的影響

梭梭樹正東方向有樹齡2 a的小梭梭樹一株，西側(cè)靠近梭梭-白刺-蘆葦過渡帶，南側(cè)有坡度為15%的長(zhǎng)有白刺的半固定沙丘，北面是一條人為踩踏的裸露荒地小道。根據(jù)不同方向的平均土壤含水量(表2)，得出東側(cè)的土壤含水量相對(duì)最高，一方面是因?yàn)闁|側(cè)小梭梭樹的持水能力很好，另一方面是梭梭樹冠幅投下陰影減少日照時(shí)長(zhǎng)，蒸發(fā)量相較于其他三個(gè)方向較小。僅次于東側(cè)含水量的南側(cè)則因?yàn)榘状掏疗碌牡钠露容^大，坡腳處地勢(shì)較低，利于水分積聚。西側(cè)靠近梭梭-白刺過渡帶，而白刺的生長(zhǎng)對(duì)于梭梭樹的影響很小[13]，白刺對(duì)于日照的影響也相對(duì)較小[14]。表2中4個(gè)天氣日的觀測(cè)北側(cè)的土壤含水量都是最小的，北側(cè)裸露荒地小道因人為踩踏，導(dǎo)致土壤孔隙變小，土質(zhì)緊實(shí)，水分運(yùn)移相對(duì)困難，且沒有植物生長(zhǎng)，持水能力較差，沒有植物遮擋蒸發(fā)量也非常大。

表2 東西南北方向平均土壤含水量

3.3 樹冠與根系

由表3可以看出四個(gè)觀測(cè)日，距梭梭樹1 m遠(yuǎn)與距梭梭1.5 m遠(yuǎn)的各深度平均含水量均表現(xiàn)出1 m遠(yuǎn)高于1.5 m遠(yuǎn)處的特征，這是由于距離梭梭樹越近，土地被樹冠所投下的陰影面積覆蓋越大，減少了太陽直射的時(shí)間，所以1 m遠(yuǎn)處蒸發(fā)量要小于1.5 m遠(yuǎn)處。

另外在開挖過程中，觀察到梭梭樹根系在東南方向的分布要比西北方向密集，其中北邊相對(duì)而言最少，這與東西南北四個(gè)方向的平均含水量大小相符合，側(cè)面驗(yàn)證了梭梭根系的對(duì)于水分的依賴性。梭梭根系在垂直分布上也同樣表現(xiàn)出趨水特征[14]，20～40 cm土層分布最多，這與20～40 cm土壤含水量相對(duì)較高關(guān)系密切。

表3 不同深度及不同間距平均含水量

3.4 各層土壤含水量方差分析

對(duì)觀測(cè)時(shí)間內(nèi)各層土壤含水量進(jìn)行One-way ANOVA分析，從表4～表7可以看出觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，各層土壤含水量差異極其顯著(P<0.01)。8月份為該地區(qū)降雨補(bǔ)給季，8月2日一場(chǎng)較大的降水對(duì)淺層土壤含水量的改變作用明顯，接連幾天內(nèi)的各層土壤含水量均出現(xiàn)明顯差異。

表4 8月2日One-way ANOVA分析

表5 8月3日One-way ANOVA分析

表6 8月4日One-way ANOVA分析

表7 8月6日One-way ANOVA分析

4 結(jié)論

(1)在荒漠綠洲過渡帶，降水是引起表層土壤含水量變化的主要因素，降水的影響對(duì)100 cm土層以下的土壤效果不明顯。

(2)在日照強(qiáng)烈，降水相對(duì)較多的8月補(bǔ)給季節(jié)，植物的冠幅遮蓋效果對(duì)蒸發(fā)的影響較大，遮蓋面積處土壤含水量高于陽光直射區(qū)域。

(3)植物根系的分布與土壤含水量的關(guān)系密切，互為因果。梭梭樹的根系有較好的持水作用，且根系分布主要集中在20～40 cm處土壤含水量較高的土層。

(4)梭梭樹的生長(zhǎng)趨水性明顯，在降水條件一致的情況下，地勢(shì)高低對(duì)于土壤含水量的影響效果明顯，基于本次研究，南側(cè)白刺沙丘對(duì)于降水的積蓄作用導(dǎo)致南側(cè)土壤含水量高于西北側(cè)，因此，在栽種人工梭梭林時(shí)要注意選擇合理的地理位置。