喬 宇,徐先英,2

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院民勤治沙綜合試驗(yàn)站,甘肅民勤 733000;

2.甘肅省治沙研究所荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州 730070)

沙區(qū)微區(qū)集水過程及植被效應(yīng)研究進(jìn)展

喬 宇1,徐先英1,2

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院民勤治沙綜合試驗(yàn)站,甘肅民勤 733000;

2.甘肅省治沙研究所荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州 730070)

在界定沙區(qū)微區(qū)概念的基礎(chǔ)上,分析了沙區(qū)微區(qū)集水的形成、轉(zhuǎn)化以及對干旱沙區(qū)生態(tài)水文方面的重要作用,綜述了國內(nèi)外對微區(qū)集水在土壤水文、土壤發(fā)育和微區(qū)植被生長等方面的研究動態(tài)以及沙區(qū)微區(qū)集水在農(nóng)林業(yè)和生態(tài)修復(fù)上的應(yīng)用,指出沙區(qū)微區(qū)生態(tài)水文過程今后的研究重點(diǎn)在于對微區(qū)水文過程做出更加準(zhǔn)確的量化分析,提出沙區(qū)具有完整意義的水文模型,為準(zhǔn)確定量評價沙區(qū)水分循環(huán)和生態(tài)恢復(fù)提供理論依據(jù)。

干旱沙區(qū);微區(qū)集水;土壤水文;生態(tài)水文;土壤發(fā)育;植被效應(yīng);生態(tài)修復(fù);綜述

中國是世界上受沙漠化影響最嚴(yán)重的國家之一,全國沙漠、戈壁和沙漠化土地約為165.3萬km2,其中由人類活動導(dǎo)致的沙漠化土地37.0萬km2,集中分布在我國北方干旱、半干旱地區(qū)[1]。干旱沙區(qū)降水稀少、時空分布不均、利用效率低等特點(diǎn)常常引發(fā)土地干旱化、鹽堿化、荒漠化等一系列生態(tài)環(huán)境問題,作為與干旱生態(tài)系統(tǒng)多數(shù)性質(zhì)和過程有直接或間接關(guān)系的生態(tài)因素,水資源對沙地土壤的發(fā)生演化和植物生長及整個系統(tǒng)的水熱平衡起決定作用。長期以來,國內(nèi)外對用于半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人畜飲用的雨水集流進(jìn)行了比較深入的研究[2-5],然而對干旱沙區(qū)生態(tài)水文過程的了解仍然有限[6]。沙區(qū)水文過程研究一般以沙地水分平衡為基礎(chǔ),所有水分都被認(rèn)為是匯集到土壤(沙丘)后消耗的[7],水分平衡以垂向?yàn)橹?降水必須滲入沙地根際層才能為植物根系吸收利用,降水對植物的有效性與降水強(qiáng)度、歷時和沙地結(jié)構(gòu)有關(guān),沙區(qū)無效降水通常占年降水72%[8]。對于沙區(qū)微區(qū)降水徑流,或者認(rèn)為沙地沒有徑流產(chǎn)生,往往在水量平衡方程中被刪除或忽略不計;或者認(rèn)為徑流增大了土壤無效蒸發(fā)在沙地水分平衡中所占的比例,使人工植被可利用的水量減少;而對地下水補(bǔ)給和利用等,認(rèn)為沙丘深厚,地下水埋藏深,植物根系不能吸收利用。由于微區(qū)集水從時間和空間上充分接收和貯存有限的降雨,可減少無效蒸發(fā),提高自然降水的利用效率,因此,開展對微區(qū)集水過程的研究對于降雨稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈的廣大沙區(qū)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文對沙區(qū)微區(qū)集水區(qū)徑流的形成、轉(zhuǎn)化,沙區(qū)微區(qū)徑流的集水特點(diǎn)及其對沙區(qū)微區(qū)土壤水文循環(huán)、植被生長、土壤發(fā)育的影響,利用沙區(qū)微區(qū)徑流恢復(fù)植被的潛在能力等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜合分析與評價,以期為干旱地區(qū)生態(tài)恢復(fù)提供參考。

1 微區(qū)的概念及沙區(qū)微區(qū)集水的形成

1.1 微區(qū)的概念

微區(qū)主要指由于各種自然和人為因素的影響,不同自然地貌的坡面連續(xù)性被打破,形成地表起伏、大小不同、形狀各異的微地形。一定范圍內(nèi)的微地形上土壤發(fā)育程度、植被分布狀況、地質(zhì)條件、氣候等條件近似相同,形成了區(qū)別周圍環(huán)境的微區(qū)。目前國內(nèi)外對于微區(qū)還沒有明確的定義,但相關(guān)的概念已有人提出。Boers等[9]在研究世界集雨系統(tǒng)分類中指出,微型集水區(qū)指集水面積在0.5～1000 m2之間的區(qū)域,其上的地表徑流經(jīng)過不大于100 m的距離,滲入臨近入滲區(qū)的根系土壤中,供植物吸收利用。馬天恩等[10]在研究黃土高原半干旱區(qū)集水高效利用技術(shù)體系時提出微生態(tài)環(huán)境理論,即在黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境條件下,作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的高低取決于作物生長區(qū)的土壤、氣候環(huán)境。鄺高明等[11]在研究黃土丘陵溝壑區(qū)微地形對土壤水分和生物量的影響中提出,黃土丘陵溝壑區(qū)微地形主要是指淺溝、切溝、塌陷、緩臺、陡坎等五類大小不等形狀各異的局部地形;而不同的微地形對應(yīng)大小不同的集水區(qū),但面積一般不大于1 000 m2。沙區(qū)集水微區(qū)按成因不同,可分為自然微區(qū)和人為因素形成的微區(qū),自然微區(qū)包括內(nèi)陸河流域水系地區(qū)沖擊物、坡積物、洪積物上形成的含致密黏土層的龜裂地;沙丘固定后微生物結(jié)皮形成的小的區(qū)域;固定沙丘的丘間低地;沙丘迎風(fēng)坡風(fēng)沙流破壞鈣積層形成的風(fēng)蝕坑;戈壁灘上的微地貌等。人為因素形成的微區(qū)包括黏土沙障設(shè)置后形成的風(fēng)蝕洼地;整地工程中魚鱗坑、反坡梯田設(shè)置后形成的小區(qū)域;田間微型溝壟系統(tǒng)等。

1.2 沙區(qū)微區(qū)集水的形成與轉(zhuǎn)化

沙區(qū)微區(qū)集水的相關(guān)研究最早可以追溯到干旱荒漠地區(qū)徑流產(chǎn)生的研究。前蘇聯(lián)水文專家對荒漠地區(qū)龜裂地徑流和山前徑流的形成和利用、沙漠蓄積淡水的主要形態(tài)——浮游透鏡體的形成和利用(包括潛水的化學(xué)成分及其變化)作了詳細(xì)的調(diào)查分析和研究[12]。由歐盟支持的1999—2002年度中亞沙漠集水潛能評價項(xiàng)目的研究表明,龜裂地結(jié)皮的狀況是徑流形成的主要決定因素[13]。我國于20世紀(jì)80年代在準(zhǔn)噶爾盆地莫索灣對龜裂地徑流進(jìn)行了研究[14],也研究了以水分為主體的龜裂地植叢發(fā)生的演替[15-16],認(rèn)為當(dāng)降雨量超過5 mm,龜裂地地表就會產(chǎn)生一定的地表徑流。在植被固沙區(qū),地表因有大量土壤微生物結(jié)皮[17-18]而截留降水,使降水分配格局發(fā)生改變,降水入滲淺層化,使其與無結(jié)皮地區(qū)在水分利用方式和利用效率方面存在顯著差異[19]。

沙漠地區(qū)地表微地形通常起伏不平,水分易在低洼地區(qū)的土壤表面留存,增加了水分入滲時間,從而使降水后土壤水分的時空變異性增大。對于人工植被固沙區(qū)來說,地表土壤微生物結(jié)皮的形成使得下滲率降低,徑流系數(shù)逐漸提高[20],能形成沙漠微區(qū)徑流。在河西走廊沙區(qū),廣泛存在人工固沙區(qū)形成的黏土沙障以及黏土沙障建立后經(jīng)土壤風(fēng)蝕形成的風(fēng)蝕凹面,具備了地表徑流的條件,降雨后,由于降雨強(qiáng)度超過了土壤入滲能力或者土壤水分達(dá)到了飽和狀態(tài),在有坡度的風(fēng)蝕凹面會形成地表徑流,坡面匯集的徑流集中在風(fēng)蝕洼地的最低處,形成集水面,一部分水分入滲補(bǔ)給土壤水分或地下水,一部分被蒸發(fā)。在風(fēng)蝕凹面的集水區(qū),由于土壤水分條件的改善,一年生或多年生植物開始入侵生長。對脹縮性黏土來說,無論其表面有無土壤生物結(jié)皮存在,它的入滲速率相對較低,因此在粉砂和黏粒含量很高的沙丘間龜裂地、黏土平地也會形成積水。可見形成微區(qū)徑流的下墊面條件并非只有土壤生物結(jié)皮,但有生物結(jié)皮的土壤條件是形成微區(qū)徑流最常見的形式。

2 沙區(qū)微區(qū)集水對土壤水文的影響

在干旱沙漠地區(qū),土壤蒸發(fā)與降水入滲是沙地水分循環(huán)的兩個基本過程。沙地的土壤含水量是由影響水分蒸散與入滲的多因素如地形坡度、徑流運(yùn)動、土層滲透性、太陽輻射強(qiáng)度、氣流與風(fēng)力風(fēng)速制約的結(jié)果[21]。

2.1 對蒸發(fā)的影響

土面蒸發(fā)是干旱沙漠土壤水分損失的主要形式。在干旱地區(qū),蒸發(fā)量很大,只有將有限的水分補(bǔ)給與覆蓋措施結(jié)合起來,通過覆蓋形成一個隔離層,將土壤中氣體與大氣的交換通道阻斷,才能減少土壤水分的蒸發(fā)損失,將水分保蓄在土壤中。Johansen[22]認(rèn)為,微生物結(jié)皮的產(chǎn)生有利于蒸發(fā),是因?yàn)槲⑸锝Y(jié)皮的顏色較深從而容易吸收太陽輻射;陳荷生[23]研究認(rèn)為,由于生物結(jié)皮具有較大的持水能力,能夠較長時間地把水分維持在地表上,從而使水分不易被維管束植物利用,這就提高了水分被蒸發(fā)的可能性;但王新平等[24]認(rèn)為生物結(jié)皮封閉了土壤表面而降低水分蒸發(fā)。周麗芳[25]在研究微生物結(jié)皮對地表蒸發(fā)的影響中發(fā)現(xiàn),結(jié)皮對地表蒸發(fā)的影響呈階段性變化,對蒸發(fā)的抑制和促進(jìn)在不同的蒸發(fā)階段表現(xiàn)不同;此外,還和降雨條件有關(guān),較大降雨條件下,結(jié)皮主要表現(xiàn)為對蒸發(fā)的抑制作用,較小降雨條件下,因土壤基質(zhì)的差異表現(xiàn)不同。可見生物結(jié)皮對于土壤水分蒸發(fā)的影響是復(fù)雜多變的。由于沙區(qū)土壤中沙粒含量高,許多沙區(qū)微區(qū)在產(chǎn)生徑流時,常常攜帶大量沙粒,這些沙粒堆積在微區(qū)匯流區(qū),水分在蒸發(fā)過程中容易在匯流區(qū)形成一個干沙層,干沙層的形成可阻止土壤水分的進(jìn)一步蒸發(fā),有利于土壤水分的儲存。

2.2 對入滲的影響

在干旱沙區(qū)存在大量的微區(qū)地表徑流通過集水網(wǎng)補(bǔ)充土壤水,而沙丘間龜裂地、黏土平地、人工植被固沙區(qū)易形成沙漠微區(qū)徑流,在沙區(qū)局部形成集水區(qū)。Evans等[26]指出沙漠中水分向下濕潤的深度一般較淺,通常在降雨后土壤表面立即開始蒸發(fā),濕潤層的水分由于蒸發(fā)而向下再分配逐漸減少。民勤治沙綜合試驗(yàn)站的觀測數(shù)據(jù)顯示:在民勤沙區(qū),4 d內(nèi)斷續(xù)降雨25 mm的情況下,降水入滲深度黏土沙障(入滲深度28.2～35.6 cm)比其他沙障和流沙(入滲深度20.7 cm)都深,這表明黏土沙障形成的微區(qū)積水在一定程度上增加了入滲時間和入滲總量。對于有結(jié)皮的丘間地,結(jié)皮對降水入滲的影響是有爭議的,一些學(xué)者認(rèn)為生物土壤結(jié)皮的存在有利于水分入滲[27-28],而另一些學(xué)者則認(rèn)為其存在降低了水分入滲[29-30]。另外,George等[18]采用室內(nèi)栽培與野外試驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究了生物土壤結(jié)皮對土壤水分損失的影響,認(rèn)為生物土壤結(jié)皮可以通過增加表層土壤水流阻力來提高土壤水分的有效性。

土壤質(zhì)地對水文循環(huán)的影響甚至?xí)^生物土壤結(jié)皮。Abu-Awwad[20]在約旦河谷地AI-Muwaqqar流域用填充沙土柱的方法研究了降水對提高土壤入滲能力與增加土壤貯存水量的作用,與易形成結(jié)皮的土壤比較,沙土有助于增加土壤深層(＞60 cm)貯水量。因此生物結(jié)皮對于水分入滲的作用要結(jié)合其下伏土壤成分進(jìn)行分析。比較而言,如果沙丘沙基質(zhì)上發(fā)育生物土壤結(jié)皮,這種土壤結(jié)構(gòu)所形成的剖面層次將會減少入滲水量;若砂黏土表層有生物土壤結(jié)皮發(fā)育,則有助于提高降水入滲量[31],這與Hillel等[32]的研究結(jié)果“細(xì)粒土壤層基質(zhì)勢將阻止土壤水分入滲到相對大孔隙的粗粒土壤層”相一致,因此,只有當(dāng)細(xì)粒土壤剖面達(dá)到飽和后,土壤水分才可能滲入深部粗粒土壤剖面層[33]。

2.3 對土壤含水量的影響

黏土沙障由于障埂間成凹形洼地,具有積聚降水、改善沙層水分條件的功效。民勤治沙綜合試驗(yàn)站早期的觀測數(shù)據(jù)顯示:0～50cm土層內(nèi),黏土沙障的儲水量高達(dá)16.65 mm,高立式柴草沙障和低立式柴草沙障等均小于10mm,無沙障的為13.35mm,均小于黏土沙障。就干沙層厚度來說,黏土沙障(8～10 cm)比柴、草沙障(18～20 cm)薄。關(guān)于半干旱區(qū)微集水種植技術(shù)的研究也有同樣的效果:黃偉[34]用微集水技術(shù)種植谷子的研究結(jié)果表明,7—9月雨季蓄墑期不同微集水帶型的土壤蓄墑效率為40.4%～62.9%,較露地平播提高51%以上;Suleman等[35]在巴基斯坦干旱區(qū)牧場針對微集水種植技術(shù)對土壤水分的調(diào)控效果進(jìn)行了研究,結(jié)果顯示土壤含水率顯著提高,從表層到45 cm的土壤含水率提高了59%～80%,這對于牧場植物的生長發(fā)育具有重要促進(jìn)作用;Ojasvi等[36]在半徑為1 m、面積為3.14 m2的淺圓錐形微集水區(qū)域種植棗樹,集水區(qū)用大理石覆蓋,結(jié)果顯示該技術(shù)可以使土壤含水率提高3倍; Singh等[37]對印度西部退化的Aravalli山上的草場采用微集水種植,顯著改善了土壤狀況,提高了土壤養(yǎng)分含量和含水量,植物多樣性和生物量也顯著提高。在干旱沙區(qū),由于不同類型的微區(qū)存在,降雨產(chǎn)生的地表徑流在微區(qū)底部匯集入滲,使從底部到坡面不同部位土壤入滲深度產(chǎn)生差異,也使不同層次的土壤含水量產(chǎn)生時空差異。

2.4 對地下水的影響

在塔克拉瑪干沙漠徑流試驗(yàn)場的觀測發(fā)現(xiàn),歷時較短、雨強(qiáng)較大的沙漠降雨,在流動沙丘干沙層較薄的部位產(chǎn)生對地下水的補(bǔ)給,形成淡水透鏡體;同時,在沙漠丘間低地的黏土平地形成的地表徑流在自然條件下,通常有發(fā)育不太完全的自然集水網(wǎng)穿破地表表層進(jìn)入下伏沙層或滲入周圍沙丘,形成淡水透鏡體。Fleskens等[38]提出了卡拉庫姆沙漠中利用龜裂地收集地表徑流的創(chuàng)新方法,即在龜裂地表附近挖一個深度可以達(dá)到下伏沙層的坑,收集到坑里的水入滲到鹽湖地下水位的透鏡體上,淡水再通過水井被利用。Gontia等[39]通過遙感評估了印度半干旱區(qū)的降水和微區(qū)徑流對地下水的補(bǔ)給,指出微區(qū)集水占研究區(qū)地下水總補(bǔ)給量的38.53%,可見微區(qū)集水對于增加地下水補(bǔ)給有著非常重要的作用。此外,沙丘及丘間地存在大量的裂縫、蟲洞、根孔以及層狀結(jié)構(gòu)土壤大孔隙,降水徑流在入滲時產(chǎn)生優(yōu)先滲流通道,部分徑流越過土壤結(jié)皮層下滲而進(jìn)入土壤深層補(bǔ)給地下水[40-43]。

3 沙區(qū)微區(qū)集水對植被的影響

國內(nèi)外對沙漠生態(tài)系統(tǒng)中土壤種子庫在植被恢復(fù)與重建中的作用、植物生物量分配與養(yǎng)分分配的“肥島”現(xiàn)象進(jìn)行了大量的研究[44-46],但著重于植被組成、結(jié)構(gòu)和土壤養(yǎng)分分布格局,以及對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能改變的研究,對于沙區(qū)微區(qū)徑流的補(bǔ)給對植被恢復(fù)以及生物多樣性的影響和評價需要進(jìn)一步研究。

3.1 沙區(qū)微區(qū)徑流對植被生長和分布的影響

已有研究表明,土壤水分是將氣候、土壤和植被對水分循環(huán)過程的影響作用與水分循環(huán)對植被格局的動態(tài)影響綜合起來的關(guān)鍵因子,它通過調(diào)節(jié)氣候-土壤-植被系統(tǒng)的復(fù)雜動態(tài)來控制植被的時空分布格局[47-48],而降水入滲是補(bǔ)充荒漠人工植被區(qū)土壤有效水分的主要水源[49]。

不同植物對水分的競爭性利用不同,草本蓋度與土壤表層水分顯著相關(guān),灌木蓋度分布和土壤深層次含水量相關(guān)[50],因此微區(qū)集水對土壤水分的調(diào)節(jié)將影響植被生長與物種多樣性。降雨后,結(jié)皮的存在使集水區(qū)淺層土壤水分的有效性提高,有利于淺根系灌木、草本植物的生長。肖洪浪等[51]在對土壤-植被系統(tǒng)的研究中發(fā)現(xiàn),騰格里沙漠防風(fēng)固沙體系經(jīng)過30a的演替,固沙區(qū)的優(yōu)勢物種由花棒、檸條等灌木演變?yōu)橐援嬅疾?、油蒿為主的草本植?同時,低等植物也開始與草本植物和灌木競爭,深根性的灌木逐漸退出防護(hù)體系。這與微區(qū)導(dǎo)致水分的表聚作用加劇了生物系統(tǒng)淺層化的結(jié)果是一致的。集水微區(qū)對于植被分布的影響表現(xiàn)在沙區(qū)植被的斑塊分布格局上,它加劇了沙區(qū)水分和養(yǎng)分分布的不均勻,增加了區(qū)域土壤水分,為種子萌發(fā)提供了適宜的微環(huán)境,導(dǎo)致點(diǎn)狀植被斑塊的形成,符合斑塊狀植物的裸地起源學(xué)說[52]。這種分布格局存在不均勻性和不穩(wěn)定性,取決于降雨量的大小、空間分布及其波動情況[53],但在某一個時間段增加沙區(qū)植被蓋度能夠降低土壤風(fēng)蝕。

3.2 植被對沙區(qū)微區(qū)環(huán)境的反饋?zhàn)饔?/p>

土壤水分成為影響植被結(jié)構(gòu)和組成的最重要的資源,同時植被對土壤水分動態(tài)產(chǎn)生重要的反饋?zhàn)饔?。?dāng)荒漠地區(qū)土壤-植被系統(tǒng)形成以后,土壤-植被系統(tǒng)對土壤水分運(yùn)動產(chǎn)生尤為明顯的制約作用,致使土壤水分運(yùn)動持續(xù)短暫甚至?xí)r有時無,從而加劇深層土壤干化[54-55]。植被特征與動態(tài)直接影響著植物冠層截留、蒸散發(fā)與入滲過程,固沙區(qū)降水入滲的連續(xù)觀測研究表明,原來淋溶性的格狀沙丘在植被的影響下趨于變成非淋溶性沙地,并且流沙固定后沙面變得更加緊實(shí),將越來越不適宜原生植物(流動沙丘指示種)的生長[56]。在油蒿與檸條固沙植被區(qū),終年未監(jiān)測到有土壤水分深層滲漏發(fā)生,表明荒漠灌叢植物根系活動吸收利用有效降水補(bǔ)充的土壤水分,阻止了降水條件下土壤深層滲漏的發(fā)生。蒸騰作用強(qiáng)的物種如濱草可明顯降低地下水位[57]。騰格里沙漠東南緣的植被斑塊能攔截地表徑流和侵蝕產(chǎn)物,從而控制坡面大面積侵蝕的發(fā)生[58]。查軒等[59]的研究表明,植被恢復(fù)后,土壤有機(jī)質(zhì)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體及滲透性等抗侵蝕特性分別提高了60、25和45倍,土壤抗沖性提高了20多倍。

4 沙區(qū)微區(qū)集水對土壤發(fā)育的影響

對騰格里沙漠東南緣人工植被區(qū)的土壤水分監(jiān)測表明,流沙固定后干旱砂質(zhì)新成土趨向于一種區(qū)域性的土壤類型——簡育正常干旱土,在結(jié)皮層深厚的背風(fēng)坡已見碳酸鈣的白色沉積[51]。隨著土壤-植被系統(tǒng)的演替,微生物、土壤養(yǎng)分在不斷的發(fā)展和積累,微生物參與微弱的有機(jī)質(zhì)積累過程;同時我國沙區(qū)豐富的風(fēng)蝕沉積物為結(jié)皮的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ),以粉砂或者粉砂和細(xì)沙的互層組成的結(jié)皮層逐漸出現(xiàn),表土機(jī)械組成隨固沙時間的增加而明顯變細(xì),土體構(gòu)型發(fā)生了明顯的改變。一些研究已經(jīng)證明土壤微生物能夠增強(qiáng)土壤團(tuán)聚的穩(wěn)定性,Greene等[60]提供了微形態(tài)學(xué)證據(jù),土壤微生物把非結(jié)晶黏膠狀的有機(jī)物密切地黏結(jié)在一起,而有機(jī)物又將礦物細(xì)粒進(jìn)一步黏結(jié),形成球狀表面團(tuán)聚。這樣既借助于菌絲體將土壤細(xì)粒緊實(shí)地黏結(jié),又通過微生物分泌物的黏結(jié),促使土表的穩(wěn)定性增強(qiáng)而避免風(fēng)蝕和水蝕。

5 沙區(qū)微區(qū)集水的應(yīng)用

5.1 在林業(yè)上的應(yīng)用

微集水區(qū)是一個數(shù)百平方米的單株樹木集水的區(qū)域,它由分布區(qū)和樹木生長的入滲區(qū)組成,其徑流匯入入滲區(qū)后存蓄起來,再供樹木消耗。雖然微集水區(qū)是干旱區(qū)樹木利用有限水資源的一種有前景的技術(shù),但微集水系統(tǒng)收集充足水量主要取決于年降雨量、季節(jié)中的暴雨頻數(shù)、暴雨歷時與強(qiáng)度、土壤特征、地形及樹木的抗旱性等因素[61]。利用自然坡面或改造小地形、處理地表,收集天然降水并匯集于植樹穴內(nèi)供樹木生長需要,是干旱、半干旱區(qū)徑流林業(yè)的主要技術(shù)路線[62-63]。在降雨量不足150 mm的沙漠地區(qū),集流造林存在爭議,而改造結(jié)皮集雨卻能使土壤含水率顯著提高。馬全林等[64]在民勤治沙綜合試驗(yàn)站對人工梭梭林進(jìn)行了土壤結(jié)皮改造試驗(yàn),試驗(yàn)沿著梭梭林地的自然坡面建立10～20 m2的集流面,在梭梭基部開挖容積為0.25～0.5 m3的集流坑,結(jié)果表明每株梭梭年集水約0.5 m3,相當(dāng)于提供了一次充足的灌水。處理1 a后梭梭植株根部的土壤含水率提高到1.77%,2 a后提高到1.95%,為梭梭恢復(fù)正常生長創(chuàng)造了基本水分條件。安富博等[65]通過綠洲邊緣退化梭梭林地的集流試驗(yàn)表明,集流措施能夠有效提高降雨的深層入滲,且單株集流面積越大,降雨入滲深度越大,地上生物量增長差異越顯著。黃丕振等[66-67]在平均降水量為116.5mm的莫索灣用犁開溝集雨營造梭梭林試驗(yàn)表明,造林第2年梭梭的樹高和新枝長度均超過天然梭梭同齡林的1倍以上,單株地上部分生物量相當(dāng)于同齡天然林木的13倍。在新疆風(fēng)沙礫石戈壁區(qū),深溝集水造林方式試驗(yàn)表明,60～80 cm為集水蓄水的適宜深度,60 cm深溝結(jié)合秸稈覆蓋樹木生長量達(dá)到最大[68]。在生產(chǎn)實(shí)踐中,泥炭等保水劑也用于沙區(qū)造林,在沙土中混合一定比例的黏土來提高土壤的持水能力,或在樹穴內(nèi)襯膜和覆蓋造林均是沙區(qū)微區(qū)集水的具體措施。

5.2 在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

干旱區(qū)的微集水種植技術(shù)通過在田間修筑溝壟,實(shí)施壟膜溝種,使降水由壟面向溝內(nèi)匯集,改變了降雨的時空分布,以達(dá)到改善作物根區(qū)土壤水分環(huán)境的目的。目前,許多學(xué)者通過田間試驗(yàn)和模擬降雨對溝壟集雨的集水效應(yīng)、增產(chǎn)效應(yīng)等開展了系統(tǒng)研究:胡希遠(yuǎn)等[69-70]在寧南半干旱偏旱區(qū)的試驗(yàn)均表明,該技術(shù)可明顯改善作物根際水分狀況,促進(jìn)作物生長,并指出覆膜壟的寬度影響作物生產(chǎn)力和農(nóng)田水分效益,在溝壟比為60cm∶60cm和75cm∶75 cm的條件下冬小麥、春玉米、谷子、豌豆、穄子均表現(xiàn)了較明顯的增長效應(yīng)。在甘肅榆中試驗(yàn)成功的旱地玉米全膜雙壟溝播技術(shù)使降水利用率最高達(dá)到75.2%,平均降水利用率達(dá)到70.1%,使玉米水分利用效率最高達(dá)到35.93kg/(mm·hm2),平均達(dá)到33.63 kg/(mm·hm2),在旱作農(nóng)田降水高效利用方面取得了新進(jìn)展[71]。目前我國該技術(shù)研究區(qū)域主要限于黃土高原地區(qū),微集水適宜雨量范圍可暫定為250～440 mm之間[72-74],且Tabor[75]等已經(jīng)通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該技術(shù)對于荒漠土地的適用性,得出微集水技術(shù)可以顯著提高荒漠中的土壤生產(chǎn)力,甚至能使已經(jīng)廢棄的土地重新得到有效利用。沙地防滲節(jié)水栽培也是沙區(qū)微區(qū)集水在沙地農(nóng)田上的應(yīng)用, 20世紀(jì)80年代初中國科學(xué)院蘭州沙漠研究所在騰格里沙漠沙坡頭地區(qū)流沙地進(jìn)行地下鋪設(shè)隔水層種植大豆作物試驗(yàn)、90年代在科爾沁沙地中部奈曼地區(qū)進(jìn)行沙地薄膜水稻栽培技術(shù)研究均獲得了成功[76]。

6 研究展望

國內(nèi)外的雨水收集歷史非常悠久,科學(xué)工作者對雨水集流系統(tǒng)的集水、貯存和高效利用各環(huán)節(jié)做了系統(tǒng)研究,成熟高效的雨水集流技術(shù)的研究和推廣已經(jīng)解決了干旱半干旱區(qū)人畜飲水和部分農(nóng)田補(bǔ)灌問題,然而對微區(qū)集水的研究僅局限于半干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn),對溝壟集水做了大量的研究并取得了顯著的成果。關(guān)于干旱沙漠的微區(qū)集水,由于降水資源的嚴(yán)重不足,使人們忽視了降水后形成的微區(qū)徑流及其生態(tài)功能,微區(qū)集水的應(yīng)用較少。

研究表明沙漠中存在具有集水意義的特定區(qū)域,這些區(qū)域形成的特殊的微環(huán)境對土壤生態(tài)水文過程及其植被都有不同的影響。本文對沙區(qū)微區(qū)集水過程及植被效應(yīng)進(jìn)行了綜述,今后應(yīng)重點(diǎn)研究不同微區(qū)集水區(qū)徑流的形成、轉(zhuǎn)化,探索微區(qū)徑流的集水特點(diǎn);對微區(qū)集水區(qū)土壤水分進(jìn)行動態(tài)觀測,研究沙區(qū)“四水”轉(zhuǎn)化規(guī)律、沙區(qū)生態(tài)水文過程及其生態(tài)功能,提出沙區(qū)具有完整意義的水文模型,對微區(qū)水文過程做出更加準(zhǔn)確的量化分析;通過微區(qū)集水區(qū)土壤種子庫測定與植物生長過程的研究,評價沙區(qū)利用微區(qū)徑流恢復(fù)植被的潛在能力。

總之,微區(qū)集水的研究是我國干旱沙漠地區(qū)的重要課題。對沙區(qū)微區(qū)徑流的進(jìn)一步研究,一方面將豐富沙漠地區(qū)生態(tài)水文學(xué)的研究,另一方面將為沙漠地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)和重建提供理論依據(jù)。

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View on process of water catchment and its vegetation effects in micro-region of sandy area//

QIAO Yu1,XU Xianying1,2
(1.Minqin Desert Control Comprehensive Experimental Station,Chinese Academy of Forestry,Minqin 733000, China;2.State Key Laboratory Breeding Base of Desertification and Aeolian Sand Disaster Combating,Gansu Desert Control Research Institute,Lanzhou 730070,China)

This paper defines the concept of micro-region in sandy area,on the basis of which analyzes the formation and transformation of micro-water harvesting and its important role in arid ecological hydrology.Additionally,it presents a summary the domestic and foreign research trends on the effects of micro catchment in soil hydrology,soil development and its application in agroforestry and ecological restoration.Overall,the future research trend lies in the more accurate quantitative analysis in the process of micro zone hydrology and indicates the complete significance in sandy hydrological models in order to provide a theoretical foundation for accurate quantitative evaluation of the hydrological cycle and ecological restoration in sandy areas.

arid desert area;micro-water harvesting;soil hydrology;eco-hydrology;soil development;vegetation effects; ecological restoration;review

TV121+.2

:A

:1006-7647(2014)05-0086-09

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.05.017

2013-0917 編輯:熊水斌)

國家自然科學(xué)基金(41161006);甘肅省沙生植物保護(hù)利用科技創(chuàng)新團(tuán)隊資助項(xiàng)目(1207TTCA002)

喬宇(1988—),女,河北蔚縣人,碩士研究生,主要從事干旱區(qū)水文研究。E-mail:qiaoyu2008@126.com