王宏燕 王 波 田 睿 韓政璋 韓 路

(塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

土壤是森林發(fā)揮水文調(diào)節(jié)作用的主要場(chǎng)所，土壤容重、孔隙度、滲透性及蓄水性能等土壤水文生態(tài)指標(biāo)是決定森林生態(tài)水文功能的重要基礎(chǔ)[1]，也是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[2]。森林土壤蓄水能力和滲透性是十分重要的土壤水文特性，其決定著土壤動(dòng)態(tài)蓄水的有效空間并調(diào)節(jié)土壤蓄水保土功能[3]；而植被具有涵養(yǎng)水源、保持水土和改良土壤環(huán)境質(zhì)量的重要功能，但不同植被/林分類型對(duì)土壤水文特性與貯蓄功能的影響差異較大[1,2]。植被退化是植物與土壤相互作用過程，土壤質(zhì)量狀況直接影響植物群落發(fā)生發(fā)展和決定著生態(tài)系統(tǒng)功能，而良好的群落結(jié)構(gòu)能改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)保持水土和涵養(yǎng)水源功能[4]。因此，植被和土壤環(huán)境的關(guān)系已成為生態(tài)學(xué)研究的重要領(lǐng)域之一。目前，在干旱區(qū)有關(guān)研究主要集中在植被動(dòng)態(tài)、植被/林分類型、生物多樣性、土壤物理性質(zhì)、荒漠化及環(huán)境因子對(duì)土壤水分狀況的影響方面[1,3-5]，而關(guān)于荒漠綠洲過渡帶土壤水文生態(tài)特性及其對(duì)植被退化的影響機(jī)制研究相對(duì)較少。

塔里木盆地深居干旱內(nèi)陸，以鮮明的地域特色和環(huán)境問題著稱于世，是我國生態(tài)環(huán)境建設(shè)優(yōu)先實(shí)施的重要區(qū)域?；哪G洲過渡帶是荒漠化與綠洲化進(jìn)程中對(duì)立斗爭(zhēng)的最敏感地帶[6]，其群落結(jié)構(gòu)簡單，小氣候變化劇烈，微尺度下生境異質(zhì)性明顯，生態(tài)功能穩(wěn)定性差[4]。近年來受區(qū)域人口增長和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的驅(qū)使，大規(guī)模水土資源開發(fā)致使地下水位大幅下降、原有植被及自然景觀格局和生態(tài)過程被改變，生物多樣性銳減、植被退化[7]。荒漠植被退化過程中土壤水文生態(tài)特性是否發(fā)生了相應(yīng)變化，土壤諸多理化因子對(duì)土壤水文生態(tài)功能的影響程度能否反映荒漠植被和生態(tài)環(huán)境的變化。長期以來，對(duì)此類問題較少進(jìn)行系統(tǒng)的研究，在一定程度上影響了區(qū)域荒漠植被恢復(fù)和生態(tài)重建進(jìn)程，導(dǎo)致缺乏荒漠植被合理經(jīng)營管理的依據(jù)。為此，本文以塔里木荒漠綠洲過渡帶不同退化程度的天然胡楊林為研究對(duì)象，測(cè)定分析了不同退化程度胡楊林地土壤物理性質(zhì)、土壤滲透性能及持水貯水性能等指標(biāo)，探討土壤水文生態(tài)特性與天然胡楊林退化的關(guān)系，揭示荒漠綠洲過渡帶胡楊林的退化機(jī)理，為極端干旱區(qū)荒漠植被保護(hù)恢復(fù)和水源涵養(yǎng)林營建、管理提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆塔里木灌區(qū)綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)邊緣，處于塔克拉瑪干沙漠與綠洲的過渡區(qū)(E81°09′，N40°26′)。該區(qū)屬暖溫帶大陸性干旱氣候，太陽總輻射能5 796 MJ·m-2·a-1，平均日照時(shí)數(shù)2 729.0 h，年平均氣溫10.4 ℃，≥10 ℃年積溫4 340 ℃，平均氣溫≥10 ℃的持續(xù)日數(shù)為201 d，極端最高溫度39. 4 ℃，極端最低溫度-25. 0 ℃。年平均降水量50.4 mm，年平均蒸發(fā)量1 880.0 mm，干燥度12～19，風(fēng)沙災(zāi)害頻繁。從綠洲農(nóng)田邊緣至塔克拉瑪干沙漠，天然胡楊群落退化明顯，群落結(jié)構(gòu)簡化、物種多樣性降低且逐漸稀疏。喬木有胡楊(PopuluseuphraticaOliv.)和零星分布的灰胡楊(PopuluspruinosaSchrenk)。林下植物主要有多枝檉柳(TamarixramosissimaLedeb.)、黑果枸杞(LyciumruthenicumMurr.)、鹽穗木(Halostachyscaspica(Bieb.) C.A.Mey)、脹果甘草(GlycyrrhizainflateBatal.)、駱駝刺(AlhagisparsifoliaShap.)、花花柴(Kareliniacaspica(Pall.) Less.)、蘆葦(Phragmitesaustralis(Cav.) Trin.ex Steud.)等植物。地下水位由1. 9 m降至4. 0 m。0～40 cm土壤含水量、總鹽分別由8. 33%、3. 04%降至1. 09%、0. 32%。表層堅(jiān)硬鹽殼棕漠土逐漸退化為純沙性土壤。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與樣品采集

在充分踏查的基礎(chǔ)上，于2017年6月在塔里木荒漠綠洲過渡帶采用多點(diǎn)采樣法進(jìn)行土壤樣品的采集與測(cè)定。依據(jù)天然胡楊林群落結(jié)構(gòu)組成、生長狀況、立地條件和塔里木荒漠植被退化程度劃分類型，把過渡帶胡楊林劃分為3類退化程度[7]：輕度退化(物種多樣性指數(shù)0. 68、蓋度0. 41)、中度退化(物種多樣性指數(shù)0. 47、蓋度0. 25)和重度退化(物種多樣性指數(shù)0. 19、蓋度0. 12)。 在不同退化程度的胡楊林內(nèi)隨機(jī)設(shè)置50 m×50 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地3塊，在每塊樣地內(nèi)采用相鄰格子法進(jìn)行群落調(diào)查，并用GPS定位，記錄其經(jīng)緯度和海拔、郁閉度等生態(tài)因子。每塊樣地按對(duì)角線設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)挖取土壤剖面，按20 cm等距離劃分土壤層次, 用環(huán)刀(100 cm3)和鋁盒分別于0 cm～20 cm、20 cm～40 cm、40 cm～60 cm、60 cm～80 cm、80 cm～100 cm土層深度采集土樣，將樣品密封帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤水文生態(tài)特性的測(cè)定。在不同退化程度的胡楊林內(nèi)打一口10 m深的地下水位觀測(cè)井，采用電導(dǎo)法測(cè)定地下水位埋深。

2.2 土壤水文物理參數(shù)測(cè)定

采用烘干法測(cè)定土壤含水量，簡易比重計(jì)法測(cè)定土壤顆粒組成[8]。環(huán)刀浸水法測(cè)定土壤容重、孔隙度、持水量等各項(xiàng)水文物理參數(shù)[8,9]。并由公式計(jì)算一定土層深度內(nèi)的土壤吸持貯水量、滯留貯水量和飽和貯水量[1]，即: Wc=1 000×Pc×h；Wo=1 000×Po×h；Wt=1 000×Pt×h，式中：Wc，Wo，Wt分別為土壤吸持貯水量、滯留貯存量和飽和貯水量(mm)；Pc， Po， Pt分別為毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度(%)；h為土層深度(m)。測(cè)定及計(jì)算方法參照國家林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《森林土壤水分—物理性質(zhì)的測(cè)定》(LY/T1215—1999)。

2.3 土壤滲透性的測(cè)定

采用單環(huán)滲透筒法(單環(huán)定水頭逐次加水)測(cè)定水分在土壤中的滲透速度[10]。測(cè)定時(shí)將裝有原狀土柱的環(huán)刀下端套上有網(wǎng)孔且墊有濾紙的底蓋，上端放置一個(gè)相同大小環(huán)刀并將接口密封，嚴(yán)防從接口處漏水。將結(jié)合好的環(huán)刀放在漏斗上，架上漏斗架，漏斗下面承接盛水容器。從上端向環(huán)內(nèi)加水，保持水與環(huán)刀上沿基本相平。當(dāng)漏斗下方滴下第一滴水開始計(jì)時(shí)，第1、3、5、10、15 min……稱量并記錄一次通過土柱滲透出的水量，直到單位時(shí)間內(nèi)滲出水量相等為止。計(jì)算出不同時(shí)段的土壤入滲水量以及土壤的初滲速率和穩(wěn)滲速率及滲透系數(shù)，計(jì)算方法參照國家標(biāo)準(zhǔn)《森林土壤滲透性的測(cè)定》(GB7838—87)。

3 結(jié)果與分析

3.1 荒漠綠洲過渡帶不同退化程度胡楊林地的土壤物理性質(zhì)

由表1可見，隨天然胡楊林退化程度的加劇，土壤容重呈增大趨勢(shì)，重度與輕度退化間差異達(dá)顯著水平(P<0. 05)。與此相反，土壤黏粒與粉粒含量則逐漸減少，尤其表層黏粒含量降低達(dá)極顯著水平(P<0. 01)。與輕度退化相比，中度、重度退化下林地表層與1 m土壤容重分別增加了8. 18%、6. 45%和16. 36%、12. 90%，砂粒含量分別增加了1. 77%、5. 18%和12. 38%、22. 77%；黏粒含量分別降低了27. 27%、18. 0%和54. 55%、63. 0%。表明隨胡楊林逐步退化，土壤質(zhì)地呈現(xiàn)變粗趨砂性特征。垂直分布(0～80 cm)表現(xiàn)出土壤容重、黏粒與粉粒含量隨土壤層次加深而增加，砂粒含量則呈降低趨勢(shì)。

隨天然胡楊林退化程度的加劇，土壤非毛管孔隙、非毛管孔隙度占總孔隙度的比例、土壤通氣度均值增大。與輕度退化相比，中度、重度退化下分別增加79. 65%、69. 65%、8. 92%和163. 22%、141. 79%、23. 17%。相反，毛管孔隙則減小，中度、重度退化下分別比輕度退化降低了12. 92%、26. 82%。此外，退化過程中尤其表層土壤總孔隙、非毛管孔隙顯著增加(P<0. 01)，而毛管孔隙則顯著降低(P<0. 01)。垂直分布(0～80 cm)上土壤毛管孔隙隨土層加深而增大，而非毛管孔隙減小。

表1 不同退化程度胡楊林地的土壤物理性質(zhì)

注：同列不同大寫字母表示0～20 cm參數(shù)極顯著差異(P<0. 01)，同列不同小寫字母表示0～100 cm平均值顯著差異(P<0. 05)，下同。

3.2 荒漠綠洲過渡帶不同退化程度胡楊林地土壤持水與蓄水能力

表2可見，隨胡楊林退化程度的加劇，林地土壤含水量、最大持水量、毛管持水量、田間持水量與毛管持水量/最大持水量比值均呈降低趨勢(shì)，而非毛管持水量則呈增大趨勢(shì)，尤其土壤含水量在不同退化程度間差異達(dá)極顯著水平(P<0. 01)。與輕度退化相比，重度、中度退化下土壤含水量、最大持水量、毛管持水量分別降低了95. 17%、4. 89%、11. 48%和57. 95%、4. 34%、5. 96%；非毛管持水量則分別增加了34. 44%、15. 65%。土壤剖面滯留貯水量、飽和貯水量、涵蓄降水量均隨退化程度加劇呈增大趨勢(shì)，重度、中度退化下分別高于輕度退化下163. 22%、1. 17%、21. 29%和79. 65%、0. 71%、12. 97%；而吸持貯水量、有效涵蓄量則呈降低趨勢(shì)，重度、中度退化下分別比輕度退化下降低26. 82%、9. 45%和12. 92%、1. 47%。表明隨胡楊林退化程度的加劇，林地土壤非毛管孔隙度、土壤滯留貯水能力增大，有利于減少地表徑流和降水無效損失，但明顯降低了毛管孔隙度、吸持貯水功能，減弱其供給植物有效水分的能力。

表2 不同退化程度胡楊林地土壤持水與貯水能力比較

3.3 荒漠綠洲過渡帶不同退化程度胡楊林地土壤滲透性能

表層0 cm～60 cm土壤初滲速率、平均滲透速率、穩(wěn)滲速率、滲透系數(shù)均隨胡楊林退化程度加劇呈增大趨勢(shì)(表3)，重度、中度退化下0 cm～60 cm均值分別是輕度退化的1. 63、2. 01、1. 93、2. 01和1. 42、1. 41、1. 37、1. 45倍，土壤滲透指標(biāo)在重度與輕度退化間差異均達(dá)顯著水平(P<0. 05)；表層土壤滲透指標(biāo)變化明顯，在重度與輕度退化間差異達(dá)極顯著水平(P<0. 01)。垂直分布來看，土壤滲透指標(biāo)均隨土層加深而降低，40 cm～60 cm最小。

胡楊林退化過程中土壤水分入滲過程變化趨勢(shì)相類似，隨時(shí)間延續(xù)水分不斷進(jìn)入土壤，土壤水分容量減小，入滲速率逐漸降低(圖1)，即滲透曲線可分為瞬變階段、漸變階段和平穩(wěn)階段。土壤入滲特征曲線可用Kostiakov模型進(jìn)行擬合，即f=at-b，式中：f為入滲速率(mm/min)，a，b為常數(shù)，t為入滲時(shí)間(min)。輕度、中度、重度退化下各土層模擬方程相關(guān)系數(shù)(r>0. 917)均達(dá)極顯著水平(P<0. 01)，擬合效果較好(表3)。Kostiakov入滲模型中的參數(shù)a代表一個(gè)時(shí)間段內(nèi)平均入滲速率，b值大小則反映土壤入滲速率遞減狀況，b值越大，表明入滲速率隨時(shí)間遞減的越快[11]。參數(shù)a值隨退化程度加劇逐漸增大，而隨土層深度增加逐漸降低；同一土層中，參數(shù)a變化規(guī)律與不同退化程度的土壤入滲特性相吻合(表3)。參數(shù)b最大值均出現(xiàn)在土壤表層且隨退化程度加劇而減小，表明輕度退化下土壤入滲速率隨時(shí)間減少最快，這與圖1入滲過程及退化過程中土壤變粗沙化結(jié)果相一致。

表3 不同退化程度胡楊林地土壤水分入滲性能比較 單位：mm/min

圖1 荒漠綠洲過渡帶不同退化程度胡楊林地的土壤入滲過程

3.4 荒漠綠洲過渡帶退化胡楊林地土壤滲透性能與土壤物理性質(zhì)的相關(guān)性

由表4可見，退化胡楊林地3個(gè)土壤滲透指標(biāo)與土壤非毛管孔隙度、砂粒含量呈極顯著或顯著正相關(guān),而與毛管孔隙度、粉粒含量呈極顯著或顯著負(fù)相關(guān)，但與土壤容重相關(guān)性較弱(P>0. 05)。3個(gè)土壤滲透指標(biāo)與粘粒含量均呈負(fù)相關(guān)，其中平均滲透速率與粘粒含量的相關(guān)性達(dá)顯著水平(P<0. 05)。表明，土壤顆粒組成是影響土壤滲透性能的關(guān)鍵因素。

表4 滲透指標(biāo)與土壤物理性質(zhì)的相關(guān)性

注：r0. 01,7=0. 798;r0. 05,7=0. 666

4 討論

塔里木荒漠綠洲過渡帶胡楊頂級(jí)群落作為抵御風(fēng)沙、遏制荒漠化和保障綠洲生態(tài)安全的天然屏障，在長期受極端干旱氣候和人類水土資源過度開發(fā)利用作用下發(fā)生退化[12]，體現(xiàn)在群落結(jié)構(gòu)組成、密度、蓋度等隨環(huán)境梯度顯著降低，但胡楊在群落退化過程中的優(yōu)勢(shì)地位沒有改變。研究結(jié)果表明，隨荒漠綠洲過渡帶胡楊林退化程度加劇，林地土壤顆粒組成發(fā)生顯著變化，尤其重度退化階段及土壤表層；土壤黏粒和粉粒含量逐漸減少，砂粒含量所占比重增大，土壤質(zhì)地呈現(xiàn)變粗趨砂性特征。因?yàn)殡S地下水位降低和植被退化、凋落物減少，土壤有機(jī)質(zhì)含量與蓋度降低，風(fēng)蝕作用增強(qiáng)使土壤中的細(xì)粒物質(zhì)損失[13]所致，這與蒙仲舉等(2017)[14]研究結(jié)果一致。無論是表層還是下層，荒漠綠洲過渡帶土壤砂粒含量均較高而黏粒含量均極低，反映出該區(qū)土壤是在長期干旱、風(fēng)蝕及風(fēng)選作用下形成的[15]。土壤持水性能反映土壤持水、供水與調(diào)蓄能力，常用來評(píng)價(jià)土壤層的水文功能[16]；而土壤貯水量反映了土壤貯蓄和調(diào)節(jié)水分的潛在能力[1]。吸持貯水量大小反映了植被吸持水分用于維持自身生長發(fā)育的能力；而滯留貯水量大小反映了植被滯留水分發(fā)揮涵養(yǎng)水源和削減洪水的能力[10,16]。隨胡楊林退化程度加劇，土壤總孔隙度、非毛管孔隙度、孔隙比、通氣度、非毛管持水量、滯留貯水量和涵蓄降水量增大，使土壤通氣透水性能得到改善，減輕地表徑流和水土流失。但土壤容重增大，土壤含水量、毛管孔隙度、吸持貯水量、有效涵蓄量和土壤持水性能降低，使荒漠土壤持水、有效貯水與水分供應(yīng)能力降低，尤其在枯水季節(jié)土壤有效貯水與水分供應(yīng)能力顯著降低，明顯增強(qiáng)土壤干旱脅迫并抑制荒漠植被對(duì)土壤有效水分的利用及正常生長，這是荒漠綠洲過渡帶胡楊林退化發(fā)生的原因之一。土壤滲透是水分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，滲透性能與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、孔隙度、有機(jī)質(zhì)和土壤水分等有關(guān)[3]。植被通過改善地表土壤結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)降雨入滲、減少地表徑流。胡楊林不同退化程度土壤入滲特征曲線可用Kostiakov模型進(jìn)行模擬且擬合效果較好(P<0. 01)，其滲透曲線可描述為瞬變階段、漸變階段、平穩(wěn)階段，這與張雷燕等(2007)研究結(jié)果一致[1]。0 cm～60 cm土壤初滲速率、平均滲透速率、穩(wěn)滲速率均值在重度與輕度退化間差異顯著(P<0. 05)，擬合方程參數(shù)a隨退化程度加劇逐漸增大(P<0. 05)，而t-b值差異較小(P>0. 05)，表明胡楊林退化過程能有效地提高對(duì)降雨的快速入滲，這是土壤質(zhì)地粗化、非毛管孔隙度增大的結(jié)果。相關(guān)分析也表明，滲透速率與土壤砂粒含量、非毛管孔隙呈顯著正相關(guān)(P<0. 05)，與粉粒、毛管孔隙呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0. 05)，表明土壤顆粒組成是影響土壤滲透性能的主要因素，這與王意錕等[17]研究結(jié)果相吻合。但對(duì)于蒸發(fā)強(qiáng)烈、降水稀少(<50 mm/年)，風(fēng)蝕嚴(yán)重的極端干旱區(qū)來說，水分是限制荒漠植物生存的主要因素。隨胡楊林退化程度加劇，林地土壤質(zhì)地變劣，不僅降低了土壤持水能力、減弱土壤有效水分貯存和限制了荒漠植被對(duì)水分的吸收利用，抑制其正常生理生態(tài)過程；而且會(huì)加快干旱區(qū)土壤蒸發(fā)，導(dǎo)致植被生長不良、土地沙化和荒漠生態(tài)系統(tǒng)退化，進(jìn)而威脅到綠洲的生態(tài)安全。

5 結(jié)論

(1) 隨塔里木荒漠綠洲過渡帶胡楊林退化程度加劇，林地土壤容重與非毛管孔隙度、土壤通氣度增大，黏粒、粉粒含量與毛管孔隙度降低。土壤質(zhì)地粗化，持水保土功效減弱，這是系統(tǒng)自身脆弱生態(tài)基質(zhì)受強(qiáng)烈風(fēng)蝕作用和人類干擾下植被退化共同作用的結(jié)果。

(2) 荒漠綠洲過渡帶胡楊林不同退化程度土壤入滲特征曲線可用Kostiakov模型進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，效果較好。土壤滲透速率隨退化程度加劇而顯著增大，有效地提高對(duì)降雨的快速入滲。

(3) 隨胡楊林退化程度加劇，林地土壤沙化、土壤持水貯水性能和調(diào)節(jié)水分供應(yīng)的潛在能力降低，而且會(huì)加快干旱區(qū)土壤蒸發(fā)，增強(qiáng)干旱脅迫并抑制荒漠植被對(duì)土壤有效水分的利用與正常生長，導(dǎo)致荒漠植被衰敗和生態(tài)系統(tǒng)退化，進(jìn)而威脅到綠洲的生態(tài)安全。