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于水分的依賴性相對更大；朱雅娟[11]等對不同林齡人工梭梭林的土壤水分特征研究表明16 a梭梭對土壤改良作用最大；張凱[12]等對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，植物生長趨勢，結(jié)合天氣情況，選擇典型標(biāo)準(zhǔn)梭梭樹一棵，觀測時(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)土壤含水量的測量，并分別在距梭梭樹1 m和1.5 m處進(jìn)行測量。測量結(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于100cm以上的的土層較為明顯，對于100cm以下的土層影響很小。80cm與100cm土壤平均含水量對比，可以看出土壤含水量變化波動(dòng)很小。100cm與120cm土壤平均含水量對比，可以看出土壤含水量由隨深度持續(xù)下降趨勢轉(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，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，而白刺的生長對于梭梭樹的影響很小[13]，白刺對于日照的影響也相對較小[14]。表2中4個(gè)天氣日的觀測北側(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)移相對困難，且沒有植物生長，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

對觀測時(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日一場較大的降水對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，降水相對較多的8月補(bǔ)給季節(jié)，植物的冠幅遮蓋效果對蒸發(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)梭梭樹的生長趨水性明顯，在降水條件一致的情況下，地勢高低對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。