民勤綠洲自然稀疏人工梭梭林土壤水分動態

丁愛強,徐先英,,劉 江,崔文天,張榮娟,趙 鵬,付貴全

(1.中國林業科學研究院 民勤治沙綜合試驗站,甘肅 民勤733000; 2.甘肅省治沙研究所,蘭州 730070; 3.甘肅農業大學 林學院,蘭州 730070; 4.扶風縣林業局,陜西 扶風 722200)

梭梭(Haloxylonammodendron)具有強的抗旱、抗熱、抗寒、耐鹽堿性，而且適應性強，生長迅速，枝條稠密，根系發達，防風固沙能力強，是我國西北干旱荒漠地區固沙造林的優良樹種[1-2]。在民勤綠洲外圍有近3.5萬hm2梭梭林，是防風固沙林體系的重要組成部分，也是保護綠洲生態安全的重要屏障[3-4]。20世紀70年代后期開始，隨著人類生產生活和自然因素的干擾，人工固沙林大面積開始退化[5-6]，因此，有學者對人工梭梭林的退化機制進行了一系列的研究，并提出了有關退化林帶恢復保育的技術措施[5-8]。

在干旱荒漠區，土壤水分是調節生境中水分、養分循環、能量流動等諸多生態過程的主要制約因子[9-12]，其含量的變化不僅影響著植被的生長[6]，而且還限制著植被的種類、數量和分布[13-16]，而植被的生長發育又會消耗土壤水分，影響土壤水分的變化，所以兩者之間的關系緊密而又復雜。林分的密度是林分特征的一個重要表現，又是影響梭梭林透風系數的最主要因素，適宜的密度不僅是梭梭林健康生長發育的保證，而且也能最大程度的降低風速，阻截流沙，減少風沙流危害[3]。在沙區防護林構建中，一般通過提高初植密度的方式增加地表覆蓋度，使得林帶在短期內就有較高的防風固沙效益[17]，但隨著植被生長林帶土壤水分的消耗也會隨之增加，導致土壤旱化之[18-21]，而植被為了響應土壤旱化所帶來的影響，就會出現自然稀疏現象[22]，使林帶出現不同程度的退化，嚴重影響防護林的防風固沙效益，威脅到綠洲的安全。有關干旱荒漠區梭梭林地土壤水分動態平衡及空間異質性等方面的研究報道比較多[6,9-11,23-30]，這些研究多是圍繞立地條件和土壤自身特性展開，關于林分特征也僅僅有林齡[23,30-31]對土壤水分影響的研究，自然稀疏林帶不同密度對土壤水分影響的研究少見報道。文章選擇自然稀疏密度為0.024，0.037，0.052，0.075，0.098株/m2的5個密度梯度下的退化人工梭梭林，對其土壤水分進行長期定位觀測，研究不同自然稀疏林帶內土壤水分的動態變化，并對林分密度與土壤水分含量之間的關系進行建模，以探討人工梭梭林在退化過程中不同密度對土壤水分變化規律的影響，建立二者間的數量關系，為民勤綠洲生態環境保護和退化防風固沙林的恢復與重建具提供依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區位于巴丹吉林沙漠東南緣的民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站(38°34′1″N，102°58′19″E)附近的荒漠—綠洲過渡帶，該區屬溫帶大陸性荒漠氣候，年均氣溫7.7℃，最低氣溫-30.8℃(1991年12月27日)，最高氣溫41.0℃(1999年7月22日)，無霜期172.6 d；多年年均降水量115.6 mm(1965—2014年)；潛在蒸發量2 452.7 mm；地下水位由1961年的2.21 m下降到2008年的平均埋深為17.29 m，仍以0.71 m/a的速度繼續下降；地帶性土壤為灰棕漠土，隱域性土壤有鹽土、草甸土、風沙土3個亞類。丘間低地、黏土沙障固沙區、黏土平地等典型微區廣泛分布。植被主要以梭梭、白刺(Nitrariatangutorum)、紅砂(Reaumuriasongorica)、沙拐棗(Calligonumarborescens)、霸王(Sarcozygiumxanthoxylon)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、黃花磯松(Limoniumau-reum)、鹽生草(Halogetonglomeratus)、豬毛菜(Salsolacollina)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)等組成。

1.2 試驗設計

通過前期的野外調查，2014年9月，在甘肅省民勤治沙站周圍選擇10塊不同自然稀疏密度的梭梭林為研究對象，均是在流動沙丘上以“黏土沙障+梭梭”模式配置的防風固沙林，并以裸露的流動沙丘作為對照。為了方便研究，將10塊樣地依據密度大小劃分為0.024，0.037，0.052，0.075，0.098株/m2等5個梯度，在林帶內，分別布設20 m×20 m大樣方3個，每個大樣方內沿對角線設置3個1×1 m小樣方調查植被生狀況。

土壤水分使用TDR定位觀測，TDR水分專用測管埋設與植被調查的同時進行。每個林帶內布設3根，間距約10 m，為避免因梭梭消耗或雨水倒灌造成的局部偏差，測管布設在梭梭的非根區且平整的位置，埋設時使用配套工具，盡量減小對周圍結皮和植被的破壞，埋設完成之后，放置一段時間，待土壤水分恢復穩定即可開始試驗。土壤水分測定于2015年5月—2016年10月進行，每月的上旬和下旬利用TDR測定，每20 cm作為一個測定層，測定深度為0—140 cm，每根測管同一深度測三次，取均值作為該層土壤含水率，將同一密度梯度內的土壤水分觀測值取均值作為試驗數據。觀測期內降雨量數據由民勤治沙站提供。

1.3 數據分析處理

利用SPSS 20.0進行Duncan多重檢驗和回歸分析，圖表由Furfer 12.0和SPSS 20.0制作。

2 結果與分析

2.1 不同密度林帶植被特征

人工梭梭林帶的退化程度不同導致林分的特征也不同。如表1所示，不同密度的人工梭梭固沙林林帶之間，蓋度差異顯著，高度差異不顯著，Simpson多樣性指數林帶與流動沙丘差異顯著，林帶之間差異不顯著；結皮厚度密度最大時對應的值最大，且與其他樣地之間的差異顯著；林齡之間也存在一定的差異。

隨著密度的增大，蓋度和結皮厚度也相應增大，Simpson多樣性指數減小，林齡也趨于年輕。蓋度與密度同增同減不難理解，但是群落多樣性下降這與結皮有直接關系，林齡較小的林帶內黏土沙障基本保存完整，所形成的物理結皮更加緊實，也更貧瘠[31]，草本等1 a生植物很難存活，造成了群落的組成較為單一。

表1 不同密度人工梭梭林的基本特征

注：小寫字母表示不同密度林帶之間差異顯著(p<0.05)。

2.2 不同密度林帶土壤水分動態變化

圖1和圖2描述了在降雨的影響下人工梭梭固沙林不同密度林帶土壤水分隨時間變化的過程。11月—次年2月份，由于地表蒸發且無降雨的補給，使得表層土壤含水率較低，而且整個剖面土壤含水率也較低，保持著相對較為穩定的變化；3月份開始，土壤水分開始逐漸回升，淺層(0—40 cm)回升速度較快，深層土壤水分略微滯后；到夏季，表層含水率受強烈的蒸發散作用和降雨的共同影響，變化劇烈，且一直保持較低水平，除降雨事件發生后的短期內較高外，而深層土壤，隨著水分的入滲補給，土壤水分平緩降低，整個夏季都保持較高的水平；秋末冬初，土壤含水率交到較低水平，整個冬季基本保持平穩。

如圖2所示，由連續兩個不同降水年份的土壤水分變可知，受降水入滲補給和蒸發散的共同作用，不同密度人工梭梭固沙林土壤水分隨時間的變化可分為4個階段：3月初—5月中旬，是土壤水分回升期；5月下旬—9月下旬，土壤水分在豐水年(2015年)為動態平衡期，在枯水年(2016年)為消耗期；10月、11月為水分消退期，12月—翌年2月份，是土壤水分低穩期。初春季節，隨著氣溫的回升，固態土壤水分開始消融，而且降雨量也增加，使得土壤水分開始逐漸增大；5月下旬開始，隨著降雨事件發生的次數和降雨量的顯著增加，土壤水分也相應增加，但此時也為植物的生長季，植物生長發育等一系列生理活動所消耗的水分也顯著增加，土壤蒸發作用也隨著高溫的來臨而加劇，但由于降水是該區土壤水分的主要來源[9]，在生長季5—9月份，2015年降雨量為103.7 mm，占多年年均降水的89.7%，而2016年降雨量為60.7 mm，僅占多年年均降水量的52.5%，這就使得生長季土壤水分的變化在豐水年(2015年)表現為動態平衡，在枯水年(2016年)表現為消耗，密度越大耗散程度越大；10月份開始植被逐漸停止生長，土壤水分消耗以土壤蒸發為主，同時由于降水入滲的滯后效應，土壤水分在入滲和蒸發作用下逐漸消退；12月—翌年2月，氣溫降至冰點，出現霜凍和結冰現象，此時梭梭已凋零停止生長，雖有蒸散作用存在，但損耗也是極低的，而且土壤凍結后土壤水有液態變為固態，使得土壤含水量降到較低水平，整個冬季土壤水分基本不再變化。

2.3 林帶土壤水分垂直變化

圖3描述了不同密度林帶土壤含水率均值及其時間變化變異系數隨深度變化的趨勢。由圖3可知，不同密度的林帶對土壤水分含量的影響較一致，隨著密度增大，對土壤水分的消耗越大，土壤含水率越低。

變異系數是描述土壤水分動態變化的指標之一[32]，一般來說，上層土壤受外界環境影響較大，隨深度的增加外界的干擾逐漸減弱[13]，由圖3可知，在深度上，不同密度林帶土壤水分變異系數的變化規律呈現一致性，淺層較大，深層較小。但是梭梭的水平根系主要分布在50—100 cm[33]，主要利用約60—120 cm 的土壤水分[34]，所以密度越大，深層土壤水分的變異系數越大，變動越劇烈。

圖1 不同密度林帶土壤水分等值線

圖2 不同密度林帶土壤水分與降雨量

2.4 不同密度林帶土壤含水率比較

圖4描述了不同密度林帶在不同時期土壤含水率均值的大小。由圖4可知，流動沙丘土壤含水率最高，與其他林帶差異顯著；人工梭梭林不同密度林帶之間差異表現不明顯；不論是全年，還是生長季(5月至9月)或非生長季(當年10至翌年4月)，林帶土壤含水率的變化一致，隨著密度的增大而逐漸降低，除密度為0.075株/m2時林帶土壤含水率較高外。從不同時期來看，密度較小時(D-1，0.024株/m2；D-2，0.037株/m2)，全年與生長季和非生長季之間土壤含水率的差異顯著，密度較大時，差異不再顯著。

圖3 不同密度林帶土壤水分垂直變化

2.5 土壤水分與林帶密度關系

基于上述的研究結果，做出土壤水分VSWC與密度D的散點圖，由圖5可知，土壤水分隨密度變化可能為線性變化，也可能是非線性變化。利用SPSS 20.0軟件中的“曲線估計”功能預測有可能構建的數學模型，土壤水分隨林帶密度的變化數學模型可能為線性函數、二次函數以及指數函數，具體是那個模型能夠更好地反映土壤水分與密度之間的關系取決于曲線的擬合度。

注：大寫字母表示不同時期相同密度林帶土壤含水率的差異，小寫字母表示同一時期內不同密度林帶土壤含水率的差異(p<0.05)；誤差棒為相同密度林帶土壤含水率平均值的標準差。

圖4不同時期林帶土壤含水率差異

圖5 土壤水分隨林分密度分布及模型預測

對3種數學模型進行檢驗分析，結果如表2所示。

3種模型統計量F所對應Sig.值均小于0.05，說明模型總體對方差點解釋是顯著的；R2值的大小反映模型的擬合優度，二次方程(0.934)>指數方程(0.833)>線性方程(0.800)，說明二次方程能更好的解釋試驗所得到的客觀規律，又對于線性和指數模型來說，當密度增大到某一值或無限增大時，土壤水分就會等于0或無限趨近0，這不符合常規，所以相比于其他兩種模型，用二次函數模型來反映土壤水分與林帶之間的關系更合適。

表2 模型匯總和參數估計值

注：C代表常數項；b1，b2分別為多項式系數。

3 討 論

在干旱沙區，土壤水分是限制植物生長的關鍵因子，也是影響沙化土地恢復和沙地人工固沙植被穩定性的重要影響因子[28]，當地下水難以補給植物生長之需時，一定的降雨決定了植物土壤水分含量及時空動態，植被密度越高，土壤水分的消耗就越高。

受降水、土壤蒸發及植被蒸騰等外界環境因子的共同作用，林帶土壤水分隨時間的變化呈現不同的規律。本研究認為人工梭梭固沙林土壤水分年際變化可分為4個階段：3月初—5月中旬，是土壤水分回升期；5月下旬—9月下旬，是土壤水分在豐水年(2015年)為動態平衡期，在枯水年(2016年)為消耗期；10月、11月為水分消退期，12月—翌年2月份，是土壤水分低穩期。這與已有研究的差異主要體現在植被生長季，非生長季土壤水分的變化基本一致。徐先英等[9]通過對民勤沙井子地區典型固沙植被的研究認為6—7月為消耗期，8—9月為積累期；王兵等[24]研究認為7月、8月為水分消耗期，9月為水分積累期；朱雅娟[17]、格日樂[35]等通過研究不同立地條件或林齡對梭梭林地土壤水分的影響指出6—8月為消耗階段，9—10月為緩慢恢復階段；舒維花等[28]通過對不同密度檸條對土壤水分影響的研究認為6—9月土壤水分消耗期，朱海等[13]認為古爾班通古特沙漠6—10月是土壤水分耗損期。綜上這些研究基本是對一個生長季的研究，雖然也有長期的觀測，但在觀測期內不同年份生長季的降雨量差異不大，并沒有像文章中這種極端的降雨事件出現，這就導致了生長季土壤水分的變化在不同年份有著不同的變化；這些研究結果然在具體劃分月份上有所差別，但都共同說明了林帶土壤水分在生長季變化劇烈。

在模型建立中并未考慮其他環境因子對土壤水分的影響，這可能對模型的準確性有所影響，但通過模型得到土壤水分與林分密度呈負相關，這與已有的研究所得出的結論一致[17-21,31,36]。由模型的數學表達式可以得到，當林分密度D=0.087株/m2時，土壤水分含量最小Ymax=3.53%，此時林分的密度應為降水承載密度，這結果與李愛德[37]等對民勤地區梭梭林地土壤水分平衡研究得出的降水承載密度為0.068～0.090株/m2的結果一致。當林分密度下降到降水承載密度之后，天然降水能夠維持梭梭的生長，此時林分密度基本保持穩定，而土壤水分也有所恢復[31]，從模型中也能得出這個規律。研究所選取的均是在流動沙丘上以“黏土沙障+梭梭”模式造林的樣地，所以理論上剛開始造林時的土壤水分含量應與流動沙丘水分含量一致，對模型做進一步擴大分析，當林分密度增加到0.174株/m2時，林帶的土壤含水量(Y預測=6.526%)與試驗觀測中所得到的流動沙丘的實際土壤水分含量(Y實際=6.618%)近似相等，而此時的密度造林密度0.174株/m2與研究區人工梭梭林初植密度0.165株/m2(2 m×3 m)[31]接近。模型中林分密度D的取值范圍為0≤D≤0.165，因為自然稀疏林帶的密度不僅僅決定于土壤水分，假設受其他因子影響，當人工林帶完全死亡，這時林帶密度為0，也是極端最小值；最大值取決于人工造林的標準，試驗選擇的均為人工林，其最大造林密度為0.165株/m2(2 m×3 m)。

從以上的分析可以得出試驗所得到的二次函數模型具有較高的可靠性，能在研究區用來預測和初步判定不同密度人工梭梭林林帶的土壤水分狀況。但模型也有一定的不足之處，影響土壤水分含量的因素比較多，比如林地的立地條件、土壤的物化特性、種群的生理特征及外界的干擾等，各因子之間的關系也是錯綜復雜，模型只是選擇了眾多因子中的比較特殊的林分密度這一指標，在野外試驗中易于獲取相關的數據，而且林分密度的大小也能夠直接表征林帶的健康狀況和防風固沙效益，所以模型具有一定的利用和參考價值，另外觀測周期較短也是本試驗的缺點，以上這些不足與缺陷之處有待于在以后的試驗研究中逐步完善與修正。

4 結 論

不同自然稀疏密度人工梭梭林土壤水分隨季節的動態變化趨勢基本一致，可分為4個階段：3月初—5月中旬，是土壤水分回升期；5月下旬—9月下旬，是土壤水分在豐水年(2015年)為動態平衡期，在枯水年(2016年)為消耗期；10月、11月為水分消退期，12月—翌年2月份，是土壤水分低穩期；但是受極端降雨事件的影響，在不同年份生長季土壤水分的變化不一致。林帶密度與土壤水分含量之間的的關系可以用二次函數模型Y=394.67D2-68.769D+6.526(0≤D≤0.165)，R2=0.934來表達。