塔克拉瑪干沙漠腹地檉柳年輪寬度對地下水埋深的響應(yīng)

黃婉媛 ,戴 岳 ,安外爾·阿卜杜熱伊木

(1 新疆大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,烏魯木齊 830046;2 綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830046;3 新疆大學(xué) 地理與遙感科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊 830046)

檉柳(Tamarixspp.)是中國西北干旱地區(qū)分布廣泛的植物,具有耐旱耐鹽堿的特性,是干旱區(qū)、半干旱區(qū)的優(yōu)勢種和建群種,作為關(guān)鍵植物種維持干旱區(qū)荒漠生態(tài)系統(tǒng)[1]。研究顯示,檉柳由于受極端生境、自身遺傳特性及動物采食等影響,導(dǎo)致樹盤生長存在偏心現(xiàn)象,年輪均在單側(cè)優(yōu)先生長并形成多個生長區(qū),普遍存在偽輪、缺輪和楔形輪等變異輪,采樣時一般采集灌木莖干基部的圓盤為樣本[2-4]。學(xué)者利用檉柳的樹輪寬度變化,分析了干旱區(qū)多枝檉柳(T.ramosissima)的生長特性,基于檉柳徑向生長主要受到河道徑流和地下水位限制,重建了過去近百年西居延海5—8月水位變化[2,5]。研究發(fā)現(xiàn)博斯騰湖濱檉柳的年輪指數(shù)與當(dāng)年和前1年的湖水位變化有顯著的相關(guān)性,離湖濱帶遠(yuǎn)地區(qū)的檉柳主要受地下水位的影響[6]。檉柳的徑向生長受到許多環(huán)境因素的影響,如氣候、土壤、水分、風(fēng)沙活動[7]。檉柳蒸騰作用強(qiáng)且水分需求量大,為保證正常的生命活動,其通過發(fā)達(dá)的根系吸收土壤水與地下水[8-10]。在干旱地區(qū),降雨稀少,地下水和地表水是維持荒漠植物生存的主要水源[11-12]。研究發(fā)現(xiàn),檉柳直徑年生長量即年輪寬度變化隨著地下水埋深的減小而增加[13]。湖岸檉柳在地下水位滿足其生長條件時,地下水位變化與檉柳輪寬生長顯著正相關(guān)[14]。在檉柳生長季,地下水埋深與年輪寬度顯著正相關(guān)[15]。因此,地下水是干旱區(qū)檉柳生長的重要影響因素。有研究表明,干旱區(qū)檉柳等多年生植物的生長發(fā)育由淺層地下水埋深決定[16]。檉柳的年輪寬度受到其利用水源的影響,因而對不同水分條件地區(qū)檉柳年輪的研究是有必要的。達(dá)理雅博依綠洲位于塔克拉瑪干沙漠腹地,是典型的原始荒漠綠洲,深層土壤水和地下水是成熟檉柳重要的水源[17],且研究區(qū)內(nèi)地下水埋深存在年內(nèi)和年際的顯著波動[18-19],面對波動的地下水埋深,檉柳的年輪寬度如何響應(yīng)值得進(jìn)一步研究。本研究利用檉柳年輪資料,結(jié)合地下水埋深信息,探討沙漠腹地檉柳的年輪寬度在不同的地下水埋深條件下的變化,豐富了檉柳年輪寬度對地下水埋深變化響應(yīng)的認(rèn)識,也為當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)保護(hù)提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國最大的流動性沙漠塔克拉瑪干沙漠腹地的達(dá)理雅博依綠洲(圖1)。達(dá)理雅博依綠洲是克里雅河下游的尾閭綠洲,該地區(qū)縱伸塔克拉瑪干大沙漠腹地250 km,南北長365 km,東西寬96 km,總面積2 326.98 km2。該地區(qū)屬于典型的暖溫帶干旱沙漠氣候,年均降水量不足20 mm,年均蒸發(fā)量達(dá)2 480 mm,年均氣溫12.1℃,晝夜溫差大,氣候極端干旱,風(fēng)沙天氣頻繁[18-19]。植物群落組成貧乏,結(jié)構(gòu)簡單,優(yōu)勢種單一,植物組成主要有胡楊(Populus euphratica)、檉柳、駱駝刺(Alhagi sparsifolia)、蘆葦(Phragmites communis)等[18-20]。綠洲從南到北地下水埋深逐漸變淺,范圍為2～9 m[21]。土壤p H 值范圍為8.49～9.15,呈堿性[22]。地下水呈弱堿性,p H 由西向北逐漸降低,范圍為7.71～9.19[23],礦化度較高,范圍為4～6 g/L[24]。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Map of study area

1.2 樣地調(diào)查

2021年6 月,根據(jù)地下水埋深和檉柳生長狀況,在達(dá)理雅博依綠洲2口生態(tài)監(jiān)測井附近設(shè)置樣地。研究區(qū)河流主要由冰雪融水補(bǔ)給,占71%,地下水補(bǔ)給主要來源為地表水滲漏[25]。樣地一(S1)位于河道附近,樣地二(S2)位于湖泊附近。S1樣地距地下水位觀測井(38°23′19.01″N,81°49′14.88″E)約132 m,距河道約575 m;S2樣地距地下水位觀測井(38°23′19.01″N,81°49′14.88″E)約718 m,距河道約1 134 m。以無人機(jī)和人工調(diào)查相結(jié)合方式進(jìn)行調(diào)查,調(diào)查樣地內(nèi)植被覆蓋度和檉柳的株高、冠幅和年齡,記錄其生長狀況(表1)。

表1 樣地和采樣檉柳信息Table 1 Information of sample sites and T amarix spp.samples

1.3 數(shù)據(jù)采集

1.3.1 地下水埋深

基于地下水監(jiān)測井內(nèi)的Oneset HOBO 水位自動記錄儀獲取每日地下水埋深數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)按北京時間整點(diǎn)記錄,每4 h監(jiān)測1次。S1樣地2013—2020年平均地下水埋深為1.74 m,S2樣地2015—2020年平均地下水埋深為3.78 m。

1.3.2 土壤含水量

在植物附近用土鉆取0—160 cm 土層的土壤樣品,每20 cm 一層,每層取3個重復(fù),用烘干法測量土壤含水量。

1.3.3 檉柳年輪樣品采集與年輪寬度

在每個樣地內(nèi)選取長勢較好的檉柳6叢,在每叢檉柳中選取1～2個基徑較大者,S1樣地采集圓盤平均基徑為(8.69±1.86)cm,S2樣地采集圓盤平均基徑為(14.2±4.46)cm,沿地表用鋸子截取檉柳樹盤,并對其進(jìn)行編號,帶回實(shí)驗(yàn)室。在中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所樹木年輪實(shí)驗(yàn)室對樹盤進(jìn)行打磨、拋光、交叉定年和輪寬測量。年輪寬度采用LINTAB樹輪寬度儀(Velmex system,Velmex Inc.,Bloomfiled,NY,USA)測量,測量精度0.001 mm,每個樹盤沿2個不同方向測定,由于部分檉柳樹盤存在偏心現(xiàn)象,只選擇最大半徑進(jìn)行測量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

為排除樹木自身生理年齡的影響,本研究標(biāo)準(zhǔn)化處理年輪寬度的實(shí)測數(shù)據(jù),將樹輪寬度序列轉(zhuǎn)換成新的指數(shù)序列,用年輪寬度指數(shù)反映年輪生長[26]。本次采集檉柳樣本數(shù)據(jù)用COFECHA 交叉定年質(zhì)量控制程序進(jìn)行交叉定年檢驗(yàn),確保交叉定年的準(zhǔn)確性,最后用ARSTAN 程序建立標(biāo)準(zhǔn)年表。

利用SPSS 21.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,使用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較相同年份2個樣地間檉柳年輪寬度的差異顯著性,使用單因素方差分析比較同一樣地年際間檉柳年輪寬度的差異顯著性,用Pearson相關(guān)分析對地下水埋深和年輪寬度進(jìn)行相關(guān)性分析。用Origin 8.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水埋深年變化特征

2013—2020年,S1 樣地的地下水埋深變化范圍為1.2～2.6 m,平均值為1.74 m,在2013年地下水埋深最淺,在2020年地下水埋深最深,地下水埋深變化與時間變化之間存在顯著正相關(guān)(P=0.008),隨著時間的增長呈現(xiàn)增加趨勢(圖2)。

圖2 兩樣地的地下水埋深變化Fig.2 Changes of groundwater depth at the two sample sites

2015—2020年,S2 樣地的地下水埋深變化范圍為2.7～4.5 m,平均值為3.78 m,在2020年地下水埋深最淺,在2016年地下水埋深最深,地下水埋深變化與時間變化之間存在非線性關(guān)系,隨著時間增長呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。整體上看,S1樣地地下水埋深淺于S2樣地,2016-2020年,兩樣地的地下水埋深隨時間的變化趨勢相反,S1樣地呈現(xiàn)增加趨勢而S2樣地呈現(xiàn)減小趨勢。

2.2 不同深度土壤含水量

2個樣地的土壤含水量均表現(xiàn)為隨土層深度的增加而增加(圖3)。S1樣地土壤含水量變化范圍為0.44%～16.80%,0-80 cm 土層土壤含水量極低,不足5%;S2樣地較S1樣地土壤含水量高,變化范圍為12.73%～37.17%,土壤含水量在80 cm 深度處上升至31.48%后變化不明顯。

圖3 兩樣地不同深度土壤含水量Fig.3 Soil moisture content of the vertical soil profile at the two sample sites

2.3 檉柳年輪生長的變化特征

2個樣地檉柳年輪寬度的變化趨勢不同(圖4):2001-2020 年,S1 樣地檉柳的年輪寬度呈顯著增加趨勢(P<0.001),而S2樣地檉柳的年輪寬度呈先增加后減小的波動性變化(圖4)。從整體上看,S1樣地檉柳年輪寬度在2001-2020年整體呈增加趨勢,變化范圍為0.98～5.80 mm,在2017年年輪寬度最大,在2003年年輪寬度最小;S2樣地檉柳年輪寬度在1977-2020年整體呈正弦函數(shù)變化,范圍為1.46～4.14 mm,在1978 年年輪寬度最大,在1984年年輪寬度最小。

圖4 兩樣地檉柳年輪寬度的變化Fig.4 Changes in the width of tree-ring of Tamarix spp.at the two sample sites

不同地下水埋深條件下檉柳年輪寬度在相同年份的差異性分析結(jié)果(圖5)為:在2012,2017,2018,2019年兩樣地檉柳年輪寬度均具有顯著性差異(P2012=0.003、P2017<0.001、P2018<0.001、P2019<0.001),2012,2017,2018,2019 年檉柳年輪寬度均表現(xiàn)為S1樣地顯著大于S2樣地;不同年份條件下檉柳年輪寬度在同一樣地的差異性分析結(jié)果為:S1樣地檉柳年輪寬度年際間差異性顯著(P<0.001),S2樣地檉柳年輪寬度年際間差異性不顯著(P=0.283)。

從檉柳年輪指數(shù)變化趨勢(圖6)看,隨著時間延續(xù),兩樣地檉柳年輪指數(shù)呈現(xiàn)波動性變化。2001-2020年,S1樣地檉柳年輪寬度指數(shù)在2004年最小,為0.502,在2012年最大,為1.641;1977-2020年,S2樣地檉柳年輪寬度指數(shù)在2019 年最小,為0.577,在2009年最大,為1.331。S1樣地檉柳標(biāo)準(zhǔn)年表振幅大于S2樣地檉柳標(biāo)準(zhǔn)年表。

圖6 兩樣地檉柳標(biāo)準(zhǔn)年輪寬度年表Fig.6 Chronology of standard ring width of Tamarix spp.at the two sample sites

2.4 地下水埋深與年輪指數(shù)相關(guān)性

地下水埋深和檉柳年輪指數(shù)相關(guān)性分析結(jié)果表明(表2),2013—2020年,S1樣地的地下水埋深變化與檉柳年輪指數(shù)之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性不顯著(P=0.443)。2015—2020年,S2樣地的地下水埋深變化與檉柳年輪指數(shù)之間呈正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性不顯著(P=0.616)。

表2 兩樣地檉柳年輪指數(shù)與地下水埋深之間的相關(guān)性分析Table 2 Correlation between T amarix spp.tree-ring index and groundwater depth at two sample sites

3 討論

檉柳在不同的生境下能夠通過調(diào)整水分利用策略來適應(yīng)變化的環(huán)境[27-28]。付昕宇等[29]在岱海湖濱帶的研究中發(fā)現(xiàn),靠近湖邊的檉柳主要吸收0-30 cm 淺層土壤水,遠(yuǎn)離湖邊則利用更深層次的土壤水;胡士可等[30]在塔里木河下游英蘇斷面距河道不同距離的研究表明,檉柳主要吸收50-100 cm 中層土壤水,且隨距河道距離的增加轉(zhuǎn)利用更深層次土壤水;王玉陽等[31]在塔里木河下游的庫姆塔格的研究表明,檉柳在生長季不同月份主要利用200 cm以下的深層土壤水和地下水;陳小麗等[32]在黑河下游荒漠的研究表明,檉柳主要利用200-300 cm的深層土壤水。在達(dá)理雅博依綠洲的研究顯示,當(dāng)河道沒有河水流經(jīng)時,生長在河岸旁的成熟檉柳主要利用深層土壤水和地下水[17],且檉柳的水分利用效率對地下水埋深和深層(250-300 cm)土壤水的變化高度敏感[19]。以上研究表明在水資源缺乏的荒漠生態(tài)系統(tǒng)中,不同區(qū)域地理環(huán)境下的檉柳可以通過自身調(diào)節(jié)水分利用策略最大程度地獲取水分[33]。而不同水分條件會導(dǎo)致檉柳生長的環(huán)境因素有所變化[14]。達(dá)理雅博依綠洲由于地處沙漠腹地,地下水埋深主要受地表水的影響,而該綠洲受洪水淹沒的地區(qū)與面積年際變化很大[34],土壤含水量差異也較大,因此2個樣地地下水埋深和檉柳年輪寬度隨時間呈現(xiàn)不同的變化趨勢。

干旱區(qū)檉柳的生長發(fā)育與地表水和地下水密切相關(guān),年輪中包含有較多水文環(huán)境信息[35-36]。地下水是檉柳可以利用的重要水源,埋深過深或埋深過淺均不利于檉柳的生長[35]。地下水埋深2～4 m 是檉柳生長的適宜生態(tài)水位,而地下水埋深在1～2 m時,檉柳的生長受到抑制,地下水埋深大于4 m 時,檉柳的生長也會受到影響[37]。在達(dá)理雅博依綠洲,由于克里雅河河水的補(bǔ)給和人工調(diào)控的影響,地下水埋深年內(nèi)和年際存在多次升降交替的波動變化[18]。本研究中,S1樣地地下水埋深在1.2～2.6 m,且逐年增加,檉柳的年輪寬度在2004-2020年呈顯著上升趨勢,年輪寬度年際間差異顯著,表明地下水埋深的適當(dāng)加深有利于檉柳的生長。S2樣地整體地下水埋深為2.7～4.5 m,在檉柳生長適宜的范圍內(nèi)變化,這可能是檉柳年輪寬度在1977-2020年呈現(xiàn)波動變化,但年際間差異不顯著,且標(biāo)準(zhǔn)年表振幅較小的原因。由于S2樣地附近存在湖泊,具有較充沛的地表水補(bǔ)給,地下水埋深自2016年起逐年上升,而檉柳的年輪寬度則相應(yīng)呈下降趨勢,表明地下水埋深的變淺可能對檉柳根系的呼吸產(chǎn)生抑制[38],不利于檉柳的生長。若地下水埋深進(jìn)一步變淺,檉柳年輪寬度如何變化有待進(jìn)一步研究。

地下水埋深的變化和檉柳年輪寬度之間的相關(guān)性受到環(huán)境的影響。石鑫鑫[13]的研究表明生態(tài)輸水后,多枝檉柳年輪寬度隨地下水埋深減小而增加,可能是地下水變化與檉柳徑向生長的相關(guān)性與所受干旱/水澇脅迫程度和受水量共同決定。本研究對地下水位的觀測年限較短,且影響檉柳年輪寬度生長的主要因素在不斷變化,導(dǎo)致2個樣地檉柳年輪寬度和地下水埋深的相關(guān)性不顯著。肖生春等[14]對內(nèi)蒙古西居延海湖岸階地上檉柳的研究顯示,在地下水位不足以滿足檉柳生長的條件下,地下水位的變化同檉柳輪寬生長作用呈微弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系,這與本研究S1樣地研究結(jié)果相似。有研究顯示,檉柳年輪寬度對1年中不同時段淺層地下水埋深變化敏感度不同[34],也有研究表明,檉柳年輪寬度僅和某段特定月份的地下水埋深顯著相關(guān)[28]。侯佳文等[6]研究顯示,湖岸檉柳的生長與湖水位變化顯著正相關(guān),離湖濱帶遠(yuǎn)的地區(qū)的檉柳主要受地下水位的影響;Xiao等[39]研究也表明,在生長季(5-8月)湖泊水位的波動是檉柳徑向生長變化的主要原因。本研究探討的是地下水埋深年際變化與檉柳生長的關(guān)系,在年內(nèi)不同時段可能受到其他因素(湖泊水位、微地形、土壤鹽度、動物采食)的影響[7,39]。S2樣地位于湖泊附近,除了地下水對檉柳徑向生長的影響,也可能與成熟檉柳自身具有復(fù)雜交錯的根系網(wǎng),可以很好地吸收地表水流經(jīng)后的淺層土壤水分以保證充足的水分供應(yīng)有關(guān)[1]。本研究地下水埋深數(shù)據(jù)觀測年限較短,后續(xù)研究可在更長年限地下水埋深數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,考慮檉柳年輪寬度對地下水環(huán)境變化的響應(yīng)。

4 結(jié)論

地下水埋深的增加或降低對檉柳年輪寬度的影響具有不確定性。地下水埋深在合理的范圍增加,有利于檉柳生長,表現(xiàn)為年輪寬度增加。研究結(jié)果有助于理解研究區(qū)地下水埋深變化對檉柳徑向生長的影響。