民勤綠洲邊緣固沙灌木林地土壤水分時空動態研究

孫學兵，姜生秀，趙 鵬

(甘肅省治沙研究所，甘肅省荒漠化與風沙災害防治國家重點實驗室(培育基地)，蘭州 730070)

民勤綠洲位于河西走廊石羊河流域下游[1]，降水量小，蒸發量大，氣候干燥，水資源嚴重短缺，水成為決定該區生態系統結構和功能的關鍵因子[2]，而土壤水分是氣候、植被、地形及土壤因素等自然條件的綜合反映[3]，決定干旱區綠洲化與荒漠化生態環境演化過程，是植物生長和恢復的主要影響因素[4-5]。因此，對該區沙地土壤水分動態的研究有助于揭示植被對土壤水分的利用層次、土壤水分的消耗狀況和天然植被的續存機理，也可為人工植被的恢復提供理論參考[6]。

沙地植被土壤水分動態由于降水入滲、根系吸水、土面蒸發與地下水向上補給等作用而發生時空變化[7-8]，也受植物種類等多種因子制約[6]，因而不同地區植物群落的土壤水分動態表現出不同的特征。目前，國內外沙地土壤水分研究較多，如渾善達克沙地[9]、毛烏素沙地[10]等，民勤綠洲邊緣沙地天然灌木林土壤水分含量變化研究較少。因此，我們選擇該地主要類型灌木林地進行了土壤含水量時空動態研究，以揭示該區植物群落生長季節適宜土壤水分條件，為荒漠植被建設與保護提供依據。鑒于此，本文對民勤綠洲邊緣平沙地生長的梭梭、檉柳、白刺、檉柳+白刺、檉柳+沙拐棗等群落土壤水分進行了研究。

1 試驗設計及研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于石羊河下游蔡旗斷面以下的民勤綠洲邊緣，地理位置N38°05′～39°06′，E103°02′～104°02′，海拔1 367～1 311 m。屬典型大陸性氣候，年均氣溫7.4 ℃，年均降水量115.2 mm，多集中在7-9月，占全年降水量73%，年均蒸發量2 419.6 mm，為降水量的21倍，年平均風速2.35 m·s-1，年均沙塵暴日數25.8 d。研究區土壤分為灰棕漠土、風沙土，主要優勢物種有梭梭、檉柳、白刺、沙拐棗等灌木，草本種類有鹽生草、豬毛菜、五星蒿、黃花補血草等。

在研究區內，灌木林主要有梭梭，檉柳，檉柳+沙拐棗，檉柳+白刺，白刺等5個類型。研究過程中在各主要類型灌木林地選擇有代表性地段設置標準樣地(表1)，并以流沙為對照樣地進行土壤含水量測定。

表1 樣地概況

1.2 研究方法

1.2.1 野外取樣 2019年從植物開始生長的5月開始到植物生長結束后的10月為止，每月中旬用土鉆在各樣地分層取土樣；每樣地布設3個取樣點，取地表下0～180 cm層土壤樣品，每20 cm為一層，每個樣地3個樣點所采土樣混合后裝入鋁盒帶回。

1.2.2 樣品分析與數據處理 土壤水分含量采用烘干稱重法測定；土樣在105 ℃高溫烘干8 h至恒重，待冷卻后稱其干重。使用Excel 2007軟件對數據進行處理與分析。

2 結果與分析

2.1 不同季節不同類型灌木林地土壤水分含量變化

由圖1可以看出，研究區2019年全年降水26次，總降水量86.2 mm。7 、8 月降水次數最多，分別占總降水次數19.23%和15.38%；降水量3、7月最多，占年總降水量22.4%和31.3%；5、8、9月降水量相對也較多，依次為9.0、13.4、6.3 mm，分別占年總降水量10.4%、15.5%和7.3%，4月降水最少，為0.3 mm，6月降水也較少，占總降水量的3.5%。該區降水每月分配不均，主要集中在 7-9 月。

圖1 研究區2019年降水量與溫度隨時間的變化

為充分反映土壤水分季節變化，體現不同類型植被年際降水差規律以及經過旱季和雨季后不同地表植被土壤水分變化情況的圖2可以看出，研究區5種主要類型灌木林地土壤含水量月變化趨勢基本一致，即5月土壤含水量較低，6月含水量升高，這是由于5月降水量(9 mm)大于6月(3.1 mm)；7月植物進入生長盛期，蒸騰耗水量增加，地表蒸發增大，土壤含水量開始下降；8月和9月降水量增多，土壤水分得到有效補給，土壤含水量升高；10月植物生長速度減慢，水分消耗減少，土壤水分比較穩定。

流動沙地及不同類型林地各月份土壤含水量也存在差別，流動沙地土壤含水量各月份之間相差較大，9月最高、達到4.53%，5月最小、為2.17%，6、8、10月接近；梭梭林地每月土壤含水量均最小，且各月之間相差不大，變化范圍在0.05%～0.37%；檉柳+沙拐棗林地土壤含水量9月最高，7月最小，兩者相差1.46百分點；白刺灌木林地土壤含水量也是7月最小，但10月最高，兩者相差1.05百分點；檉柳和檉柳+白刺灌木林地土壤含水量各月份之間變化幅度都較小，分別為0.05百分點至0.56百分點和0.16百分點至0.31百分點。不同類型灌木林地每月平均土壤含水量也不同，5月從大到小依次為檉柳+白刺>流動沙地>檉柳+沙拐棗>檉柳>白刺>梭梭，6月和8月為流動沙地>檉柳+白刺>檉柳+沙拐棗>檉柳>白刺>梭梭，7月為檉柳+白刺>流動沙地>檉柳>檉柳+沙拐棗>白刺>梭梭，9月為流動沙地>檉柳+沙拐棗>檉柳+白刺>檉柳>白刺>梭梭，10月為流動沙地>檉柳+白刺>檉柳+沙拐棗>白刺>檉柳>梭梭，總體看流動沙地、檉柳+白刺灌木林土壤含水量高，梭梭土壤含水量最低，白刺灌木林土壤含水量也較低。

圖2 不同植被及流動沙地平均土壤水分含量比較

2.2 土壤含水量的垂直變化

由圖3可以看出，不同灌木林地和流動沙地的土壤含水量垂直變化特點都是表層最低，隨著土層深度的增加呈現先增加后減小趨勢，這主要是由于沙地土壤表層易形成1 cm厚的硬結皮，其下又有約10～20 cm厚的干沙層[6]。流動沙地土壤含水量， 5月因降水多，降水入滲整個剖面而變得較為一致，不同深度間變化幅度較??；6月和7月含水量最大值出現在80 cm處；8月和10月含水量最大值出現在100 cm處；隨著土層深度的增加，9月100～140 cm層變化幅度增大，在110 cm處出現明顯拐點，120～180 cm層含水量較一致。梭梭灌木林地土壤含水量，5月在80 cm處達到最大值，為1.44%，然后隨著土層深度增加而逐漸降低，表層土和180 cm處比較接近，6月含水量分別在30 cm和140 cm處出現明顯拐點；7-9月變化幅度都較小，分別在140 cm、100 cm和120 cm處出現最大值。檉柳灌木林地土壤含水量，5月在40 cm處達到最大值，為2.73%，比含水量最低的表層土高1.96百分點；7月不同土層間變化范圍為0.05百分點至0.16百分點，在60 cm處出現拐點； 6月和10月均在80 cm處出現拐點，8月和9月在100 cm處出現最大值。檉柳+沙拐棗灌木林地土壤含水量5月最大值出現在120 cm處，為3.75%，6月在60 cm和100 cm處出現拐點，7月在80 cm處達到最大值，為3.45%，8月和10月在40 cm處達到最大值，分別為4.11%和4.93%，9月100～140 cm土層變化幅度大，為1.44百分點至4.33百分點。檉柳+白刺灌木林地土壤含水量5、6、7、9月均在100 cm處出現最大值，8月和10月在80 cm處出現最大值。白刺灌木林地土壤含水量，5月和6月均在80 cm處出現最大值，分別為2.51%和3.45%，7月和8月含水量變化基本趨于穩定，范圍為分別為：0.05%～1.03%和0.31%～0.79%，9月和10月含水量最大值均出現在60 cm處，分別為3.89%和2.96%。

a.流動沙地；b.梭梭林地；c.檉柳林地； d.檉柳+沙拐棗林地；e.檉柳+白刺林地；f.白刺林地圖3 各林地土壤含水量垂直分布

2.3 不同灌木林類型對土壤含水量的影響

土壤水分狀況是植被、立地條件、氣候、土壤物理性質等因子共同作用的結果 ，在氣候條件基本相同的情況下，立地條件也會對水分再分配起到較為關鍵的作用[6]。從不同類型灌木林地土壤含水量在植物生長季初 (5月)、生長季中(8月)和生長季末(10月)，亦即林地土壤水分原始積累、大量消耗和緩慢恢復等三個時段變化狀況(表2)可以看出，在同等降水條件下，同一時段不同類型灌木林對水分的消耗不同：在生長季初，梭梭灌木林不同深層土壤含水量都明顯小于其它灌木林，而其它灌木林之間相差不大，說明梭梭灌木林生長初期耗水量就大于其它灌木林，其它4種灌木林之間差異較小。

之后隨著植物進入旺盛生長階段，不同灌木林土壤含水量差異較大，說明不同灌木林的水分消耗量差異較大。不同灌木林及流動沙地土壤含水量從高到低0～20 cm土層為檉柳+白刺>檉柳+沙拐棗>流動沙地>檉柳>白刺>梭梭，20～40 cm層為檉柳+沙拐棗>檉柳+白刺>檉柳>流動沙地>白刺>梭梭，40～60 cm層為檉柳+沙拐棗>檉柳+白刺>流動沙地>檉柳>白刺>梭梭，60～120 cm層為流動沙地>檉柳+白刺>檉柳>檉柳+沙拐棗>白刺>梭梭，120～180 cm層為流動沙地>檉柳+白刺>檉柳+沙拐棗>檉柳>白刺>梭梭。由此可見，5種灌木林在生長盛期耗水量梭梭林最大，白刺林次之；檉柳+白刺、檉柳+沙拐棗灌木林較少，它們二者相比，檉柳+沙拐棗消耗淺層土壤水量大于檉柳+白刺灌木林，60 cm層以下即較深土層檉柳+白刺灌木林耗水量大于檉柳+沙拐棗灌木林；檉柳林消耗深層土壤水分相對多于上層土壤；生長旺盛期檉柳+白刺灌木林土壤水分狀況最好，即消耗的土壤水分最少；植物群落是深層沙地土壤水分變化的主要原因。

生長季末，植物生長量減小，水分消耗量減少，土壤水分含量開始緩慢恢復，不同灌木林各層土壤含水量從高到低依次為， 0～20 cm層檉柳+沙拐棗>流動沙地>檉柳+白刺>白刺>檉柳>梭梭，20～40 cm層流動沙地>檉柳+沙拐棗>檉柳+白刺>白刺>檉柳>梭梭，40～60 cm層流動沙地>檉柳+白刺>檉柳+沙拐棗>白刺>梭梭，60～100 cm層流動沙地>檉柳+白刺>白刺>檉柳+沙拐棗>檉柳>梭梭，100～140 cm層流動沙地>檉柳+白刺>檉柳+沙拐棗>白刺+檉柳>梭梭，140～160 cm層檉柳+沙拐棗>檉柳+白刺>流動沙地>白刺>檉柳>梭梭，160～180 cm層檉柳+沙拐棗>檉柳+白刺>白刺>檉柳>流動沙地>梭梭，140～180 cm層土壤，植物根系及其吸收水分減少，水分含量穩定，為水分穩定層。不同灌木林地土壤層含水量總體為梭梭林最低，檉柳林也較低，檉柳+白刺林除小于40 cm的淺土層和大于140 cm的深土層外，土壤含水量最大(除過流動沙地)，檉柳+沙拐棗林土壤含水量也較高，流動沙地與灌木林相比除深度超過140 cm的深土層和0～20 cm淺土層外，土壤含水量都高，這些綜合說明灌木林有利于保持淺土層土壤水分，不同灌木林總耗水量及在不同深度層的耗水量不盡一致，這與不同種類植物生物學特性及根系垂直分布存在差異有關。

表2 不同灌木林土壤含水量

3 討論

降水、植被種類、植被生長狀況、土壤理化性質、地形和當地水文氣象條件等是影響土壤水分時空變異的重要因子，而其中降水和植被是主要因素[11]。從不同植被季節土壤水分含量變化特征(圖2)可以看出，各灌木群落每月平均含水量差異不明顯，相對變化較小，平緩而穩定，而流動沙地不同月份之間變化相對較大，這是由于流動沙地土壤水分無明顯的層次性變化，受降水及蒸發等因子影響明顯。自然植被覆蓋下的土壤，沒有灌溉影響，土壤水分僅受降水入滲、地下水補給的影響，由于研究區年降水量僅為113.2 mm，年均蒸發量2 604.3 mm，加之風沙大，所以降水對該地區土壤水分影響微弱。一方面，沙漠中土壤水分 向下濕潤的深度較淺，通常在降水后表層土即開始蒸發，濕潤層的水分由于蒸發而向下的遷移會逐漸減少；另一方面，沙地表面除了有約1 cm厚的結皮外，還有一定厚度的干沙層，可有效阻礙深層水分的大量散失[3]。因此，在降水量小的條件下，土壤水分動態主要受植物根系吸水和地下水的影響。

不同灌木林不同季節土壤含水量的變化趨勢相似，土壤水分呈明顯的層次性變化，總的特點是表層土壤含水量最低，在0.2%～2.2%范圍內，隨著土層深度的增加，土壤含水量逐漸增大，但變化平緩，這是因為干沙層可以阻礙深層土壤水分的散失，有利于入滲水分的保存；另外，深層土壤含有較多粘粒，結構緊密，也使土壤保水效果好[3]。在流動沙地上，由于5月降水較多，降水入滲使得各層土壤含水量較為一致，且隨著深度的增加，含水量基本呈升高的趨勢，根據郭柯等[11]的研究結果可以發現，流動沙地水分循環深度較深，因為降水1 mm就可以補給流沙，5 mm的降水1 d后即可入滲到流動沙地20 cm深處，20 mm 的降水則可入滲到土壤深層。6-7月氣溫較高，降水較少，空氣干燥，土表蒸發強烈，土壤含水量最大值從5月的60 cm處下降到100 cm處。在流動風沙土上，干沙層厚度一般小于10 cm(最大時10.2 cm)，其下層含水量平均 3.5%，水分消耗主要用于土壤蒸發，遇有較大降水即可補充深層水分[6]。但在生長植被的沙地上，由于各植物群落根系分布層不同，對土壤含水量的影響也不同，梭梭林地5月含水量在80 cm處達到最大值，為1.44%，然后隨著土層深度的增加逐漸減小，6-7月土壤含水量最大值出現在140 cm處，8月和9月降水較多，降水入滲使得100 cm和120 cm處土壤含水量增大；檉柳林地5月在40 cm處達到最大值，6-8月含水量最大值出現的土層降低到100 cm；檉柳+沙拐棗群落5月在120 cm處達到最大值，6月在60 cm和100 cm處出現拐點，7月在80 cm處達到最大值， 8月和10月在40 cm處達到最大值；檉柳+白刺林5、6、7、9月含水量均在100 cm處出現最大值，8月和10月在80 cm處出現最大值；白刺林地5月和6月在80 cm處出現最大值，9月和10月含水量最大值均出現在60 cm處。

不同植被類型土壤水分有很大差異，在生長季初，各群落每個土層含水量相差不大。在植物進入生長期后，隨著植被的旺盛生長，不同植物群落因對水分的消耗不同而使水分變化呈現出明顯的不同，基本呈現出如下變化規律：在0～20 cm土層范圍內，檉柳+白刺>檉柳+沙拐棗>流動沙地>檉柳>白刺>梭梭，20～40 cm：檉柳+沙拐棗>檉柳+白刺>檉柳>流動沙地>白刺>梭梭，40～60 cm：檉柳+沙拐棗>檉柳+白刺>流動沙地>檉柳>白刺>梭梭，60～120 cm：流動沙地>檉柳+白刺>檉柳>檉柳+沙拐棗>白刺>梭梭，120～180 cm：流動沙地>檉柳+白刺>檉柳+沙拐棗>檉柳>白刺>梭梭。由此可見，流動沙地在60～180 cm土層范圍內土壤含水量最大，檉柳+沙拐棗群落在0～40 cm土層范圍內土壤含水量最大，梭梭在每層的含水量均最小，這是因為檉柳+沙拐棗群落覆蓋度大，梭梭群落覆蓋度最小，另外，也可能與植物根系分布復雜及土壤物理性質有關。在生長期末，各種植物因生長基本停止而減緩了水分消耗，灌木群落含水量基本呈升高趨勢，流動沙地恢復最為迅速，0～140 cm土層含水量升高，已恢復至生長季初期水平，其他群落恢復緩慢。流動沙丘每一層的土壤水分標準差最大，梭梭最小，這說明梭梭群落具有較好的水文效應，與趙成義等研究結果相近[3]。

近年的實地調查表明，民勤綠洲邊緣荒漠植物從利用地下水資源逐漸過渡到利用有限的降水，該區降水受季節性限制，多在7-9月，且強度小，多為無效降水，受降水資源限制，植被大量死亡、稀疏，固定沙丘活化，流沙四起。當多年的降水在沙丘儲存積累，沙丘含水量提高時，根系發達

的淺根性木本植物，如白刺、沙拐棗和1 a生類短命植物利用降水，形成稀疏的雨養植物群落[1]，因此，在以后的生態環境建設中，應該改善喬木、灌木和草的比例，實現植物種類和生活型的多樣化，使民勤綠洲邊緣植被群落能夠穩定地、可持續地發展，為植被恢復重建和土地合理利用提供科學的依據。