王 月, 李 程, 李愛德, 楊自輝, 張清濤, 梁曉健, 邱國玉,*

1 北京大學環(huán)境與能源學院, 深圳 518055 2 甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站甘肅省治沙研究所, 武威 733000

白刺沙堆退化與土壤水分的關(guān)系

王 月1, 李 程1, 李愛德2, 楊自輝2, 張清濤1, 梁曉健1, 邱國玉1,*

1 北京大學環(huán)境與能源學院, 深圳 518055 2 甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站甘肅省治沙研究所, 武威 733000

近幾十年來，我國西北干旱區(qū)白刺沙堆退化嚴重，導致固定沙丘活化，流沙掩埋綠洲，造成了嚴重危害。如何盡可能長期保持白刺沙堆的穩(wěn)定、防止白刺沙堆活化成為綠洲保護和沙漠化防治急需解決的問題。在多年野外觀察的基礎(chǔ)上，提出了“土壤水分收支不平衡所導致的土壤水分減少是白刺沙堆退化的主要原因”的研究假設。但是，由于缺少長期的野外觀測試驗，這個假設一直未被很好地證明。為了證明這個假設，在甘肅民勤的綠洲外圍選擇了雛形、發(fā)育、穩(wěn)定和死亡四個退化階段的白刺沙堆，于2008年1月至2012年6月利用中子水分儀和土壤烘干稱重法對土壤水分進行了長期觀測。結(jié)果表明：各樣地的土壤含水量均呈現(xiàn)出2008年最大，2009年和2011年次之，2010年最小的趨勢。年內(nèi)變化是春季土壤含水量最低，夏季逐漸增加，隨后逐漸減小。在不同發(fā)育階段，雛形階段的土壤含水量最大，且降水容易下滲。穩(wěn)定和死亡階段的白刺沙堆土壤含水量很低，降水難以下滲，只有大的降水事件發(fā)生時，水分才可以下滲。因此，穩(wěn)定和死亡階段白刺沙堆的土壤水分經(jīng)常在植物的凋萎點之下，是造成白刺沙堆退化重要原因。證明了“土壤水分減少是白刺沙堆退化的原因”的研究假設。研究結(jié)果對今后的植物固沙實踐活動會有積極的參考意義。

白刺沙堆; 土壤水分; 退化

白刺(Nitraria)廣泛分布在荒漠綠洲過渡帶，是我國西北干旱區(qū)荒漠、半荒漠植被的重要建群種[1- 2]。白刺沙埋后能萌生大量枝條和不定根，可攔蓄和固定大量流沙，形成白刺沙堆(Nitrariadunes)。在荒漠綠洲過渡帶，成片的白刺沙堆固定了綠洲外圍的大量流沙，對保護綠洲安全有重要作用[3- 4]。白刺沙堆從形成到衰退，可分為雛形、發(fā)育、穩(wěn)定和死亡四個退化階段[5]。在雛形和發(fā)育階段的沙堆，由于有周期性的沙埋，沙源供應充分，白刺生長旺盛。在沙堆逐漸增高變大的同時，白刺沙堆隨之長高長大。到穩(wěn)定階段后，由于沙源的限制或紊流加強，風速加大，侵蝕加強，沙堆的長寬繼續(xù)增加而白刺灌叢不再長高，表面開始形成土壤結(jié)皮。穩(wěn)定后的白刺沙堆有兩種演化結(jié)果：一種是沙丘進一步穩(wěn)定，土壤結(jié)皮逐漸增厚，出現(xiàn)苔蘚、地衣和地帶性植被，從而有效的維持沙堆的長期穩(wěn)定；另一種是由于結(jié)皮的存在阻止了降水的下滲，白刺因為缺水而退化甚至死亡，沙丘活化，重新成為流動沙地[6]。

荒漠綠洲過渡帶是綠洲化(開荒)過程和荒漠化(土壤退化)過程最活躍的地區(qū)[7]，其內(nèi)部水分、能量的良性循環(huán)和天然植被的有序演替是維持荒漠與綠洲穩(wěn)定發(fā)展的生命線[8- 9]。近幾十年來，由于水資源的過度開采利用，我國西北干旱區(qū)地下水位急劇下降，沙漠化加速發(fā)展，白刺沙堆退化十分嚴重。白刺群落逐漸衰敗，局部地區(qū)的沙堆每年以3—5 m的速度向綠洲移動[10- 11]。位于騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠交匯處的民勤荒漠綠洲過渡帶，是中國沙漠化最嚴重的地區(qū)之一。水資源的過度開發(fā)利用，多年徑流性水資源的減少，地下水位不斷下降，白刺不斷退化，白刺沙堆活化、解體嚴重，綠洲萎縮，引起了土地荒漠化、鹽堿化等諸多生態(tài)問題[12]。

土壤水分是水文循環(huán)的重要組成部分[13]。在干旱區(qū)，土壤含水量是限制植物生長發(fā)育的重要生態(tài)因子，影響著植物群落的生長發(fā)育及其生產(chǎn)力[14]。目前，國內(nèi)外學者就土壤水分時空動態(tài)及運動機理[15- 16]、植被類型、生物結(jié)皮、降水對土壤水分的影響等內(nèi)容進行了大量研究[17- 19]?；哪畢^(qū)土壤水分變化過程復雜，與地形、降水、蒸發(fā)、土壤特性及固沙植被類型和組成等各種環(huán)境因子密切相關(guān)[20- 21]。通過多年的野外觀察，我們認為土壤水分減少可能是白刺沙堆退化的主要原因。到目前為止，由于缺少長期的觀測數(shù)據(jù)支持，這個假定只能通過短期的或間接定性的方法得到了一些印證[22- 23]。因此，本研究的目的是在長期土壤水分觀測的基礎(chǔ)上，研究不同退化階段的白刺沙堆的土壤水分動態(tài)，驗證“土壤水分減少是白刺沙堆退化的原因”的研究假設，為維持白刺沙堆長期穩(wěn)定或延緩其退化提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

民勤地處甘肅省河西走廊東北部，石羊河流域下游，地理坐標為東經(jīng)103°02′—104°02′，北緯38°05′—39°06′，南鄰涼州區(qū)，西毗金昌，東、西、北三面與內(nèi)蒙古自治區(qū)接壤(圖1)。處于騰格里和巴丹吉林兩大沙漠之間，三面環(huán)沙。全縣總土地面積1.60×104km2，其中沙漠、戈壁、剝蝕山地和鹽堿灘地等占91%，綠洲僅占9%，綠洲邊緣風沙線長達408 km。該區(qū)屬溫帶大陸性干旱氣候區(qū)。氣候干旱，光照充足，熱量豐富，氣溫日差較大，降雨量少，風大沙多。全年日照時數(shù)3028 h，太陽輻射總量574 kJ/cm2，年平均風速2.8 mm/s，多年平均氣溫7.8 ℃，多年平均降水量115 mm，蒸發(fā)量2644 mm，是全國最干旱地區(qū)之一。民勤縣境內(nèi)無自產(chǎn)地表水資源，唯一的地表水資源為石羊河。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Location map of study area in China

研究區(qū)位于民勤縣薛百鄉(xiāng)境內(nèi)，以甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站為依托，選取騰格里沙漠-民勤綠洲過渡帶典型雨養(yǎng)型白刺沙堆群落為樣地。在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，參考學者對白刺沙堆退化階段的研究[3,6,23- 24]，結(jié)合研究區(qū)白刺沙堆形態(tài)、土壤、植被特征，建立了雛形階段(Site 1，簡稱S1)、發(fā)育階段(Site 2，簡稱S2)、穩(wěn)定階段(Site 3，簡稱S3)、死亡階段(Site 4，簡稱S4)4個樣地。各樣地地理位置和高程見圖2、表1。

2 研究方法

2.1 氣象觀測

經(jīng)過野外勘察，在樣地1附近選取平坦開闊的區(qū)域架設自動氣象站，并進行檢測和調(diào)試，于2010年5月12日起正常運行。觀測氣象數(shù)據(jù)為降水量，儀器型號為7852M-AB, DAVIS, USA，安裝高度2 m，精度為±0.2 mm。氣象站采用太陽能驅(qū)動，利用數(shù)據(jù)采集儀(DT500 series 5，Datataker，Australia)連續(xù)自動觀測和記錄，數(shù)據(jù)采樣間隔為5 s，每10 min記錄1次降水總量。觀測起止時間為2010年5月12日至2012年6月17日。2008年1月1日至2010年5月11日的降水數(shù)據(jù)通過校正中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)中民勤氣象站的數(shù)據(jù)獲得。民勤氣象站(38°38′0.02″N，103°4′59.88″E)距離1號樣地14.37 km，將其所測2010年5月12日至2012年6月17日的降水數(shù)據(jù)同實測數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析和線性回歸分析。結(jié)果表明兩者顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.927(P<0.01)。之后利用線性相關(guān)系數(shù)將自測點觀測系列前延至2008年1月1日。

圖2 試驗地及不同退化階段白刺沙堆樣地分布圖Fig.2 Satellite image of Minqin desert-oasis ecotone study area with the position of the measurement sites for Nitraria dunes in different degradation stages

表1 不同退化階段白刺沙堆樣地地理位置及高程Table 1 Longitude, latitude, and altitude of four measurement sites

2.2 土壤水分觀測

土壤水分觀測分為兩部分。采用中子水分儀分別連續(xù)觀測4個樣地白刺沙堆的土壤含水量。每個樣地選取代表性較好的白刺沙堆，使用CNC503DR型中子水分儀(北京核安核子儀器有限公司)，2008年1月至2012年6月每月1次觀測土壤含水量。每個樣地分為10、30、50、70、90、110、130、150、170、190 cm共10個層次。由于死亡階段的白刺沙堆的深層土壤(深度為150—190 cm)是粘土，而不是沙土。粘土的土壤含水量與沙土的土壤含水量無法比較，因此死亡階段該深度的土壤含水量在本文中未作討論。2011年8月，用環(huán)刀法測各樣地每層的土壤容重，用土鉆在每根中子監(jiān)測管周圍對稱取2—4點并取樣，每層3個重復。測定的深度與中子儀的測定深度一致。中子儀探測的慢中子計數(shù)主要是快中子與土壤里的氫原子相碰撞而得到的。土壤越濕，探測器周圍的碰撞機會就愈大，進入探測器的慢中子數(shù)的概率愈高。由于中子計數(shù)與土壤含水量成正比，做出中子計數(shù)比和土壤含水量的標定直線后，可據(jù)此計算土壤含水量。

本研究中，各樣地體積含水率與中子水分儀讀數(shù)比的標定方程為：

θ=0.0003R/Rs+0.0081

(1)

式中，θ為土壤體積含水量(cm3/cm3)，R為土壤的中子計數(shù)，Rs為標準計數(shù)，R/Rs為中子計數(shù)比。

采用烘干稱重法，在降雨前后對4個樣地白刺沙堆土壤含水量進行觀測。每個樣地選取5—7個典型白刺沙堆觀測0—100 cm的土壤含水量。分為8個層次：5、10、15、20、30、50、70、100 cm，每層3個重復。測量時，使用土鉆法或剖面法將各個深度的土樣收集到特制鋁盒中，將鋁盒密封后盡快帶回實驗基地，用精度為0.01 g的天平測量鋁盒與土壤的鮮重，在烘箱105℃的溫度下烘干24 h達到恒重后測量鋁盒與土壤的干重。采樣時間分別為2010年5月15日、5月20日、7月1日、7月6日、7月15日和7月24日。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)降水變化特征

由表2可知，研究區(qū)降水季節(jié)分配不均，主要集中在以5月、7—9月為代表的夏季和秋季，占全年降水量的79%。月降水量以5月、8月或9月為拐點，呈現(xiàn)“增加-減少-增加-減少”的趨勢，2008—2011年最大月降水量分別為62.2 mm(2008年7月)、52.6 mm(2009年8月)、23.0 mm(2010年9月)、36.5 mm(2011年8月)，占全年降水量的38%、44%、25%、34%。2008—2011年生長季(5—10月)降水量分別為133.6、115.2、82.5、95.2 mm，大部分集中在生長季末期8—9月份。2008—2011年全年降水量與民勤多年平均降水量115 mm相比[25]，2008年為豐水年，2009年為平水年，2010年為枯水年，2011年為平水年。

表2 研究區(qū)月降水量和年降水量/mm

如圖3所示，研究區(qū)降水頻度小，強度大。日降水量的雨量級分布特征表明，0—5 mm降水最多，占全年降水事件的88%，大于5 mm降水事件出現(xiàn)頻率僅為12%。2008年共有8d日降水超過5 mm，分別為1月19日、4月11日、7月18日、7月28日、7月30日、8月20日、9月22日和9月25日，其中4月11日、7月28日、7月30日和9月22日4d日降水量超過10 mm；2009共有7d日降水超過5 mm，分別為6月18日、7月8日、8月18日、8月24日、8月25日、9月5日和9月6日，其中8月18日、8月25日、9月5日和9月6日4d日降水量超過10 mm；2010年共有5d日降水量超過5 mm，分別為5月17日、5月25日、6月29日、9月20日和10月25日；2011年共有6d日降水量超過5 mm，分別為5月11日、7月4日、8月15日、8月17日、8月18日和9月16日，其中，8月15日和8月17日2d日降水量超過10 mm。2008—2011年有降水發(fā)生的日數(shù)為52d、49d、44d和27d。

圖3 研究區(qū)日降水量變化(2008—2012年)Fig.3 Daily precipitation from 2008 to 2012

3.2 不同退化階段白刺沙堆土壤水分的時間變化

將中子水分儀測得的2008—2012年土壤體積含水量平均為表層0—50 cm、中間層70—130 cm和深層150—190 cm 3個深度，對照分析不同退化階段各深度白刺沙堆土壤水分的年際變化特征(圖4)?？梢钥闯觯煌嘶A段白刺沙堆土壤含水量隨時間波動的趨勢大體一致。

如圖4所示，年際變化方面，各樣地3個深度的土壤含水量均呈現(xiàn)出2008年最大，2009年和2011年次之，2010年最小的趨勢。其中，以0—50 cm表現(xiàn)最為明顯，2008年0—50 cm的土壤含水量變化范圍為0.031—0.053 m3/m3，而2010年僅為0.014—0.029 m3/m3。

結(jié)合降水數(shù)據(jù)可知，2009年和2011年降水量相當，但2011年不同深度的土壤含水量在降水日6月21日、8月1日和10月30日表現(xiàn)出更大的波動性，形成更多極值點，這可能與2011年降雨事件強度更大、連續(xù)性更好有關(guān)。2011年6月21日，0—50 cm雛形和穩(wěn)定階段白刺沙堆土壤含水量分別為0.047、0.041 m3/m3；70—130 cm穩(wěn)定階段白刺沙堆土壤含水量達到0.049 m3/m3。2011年10月30日，0—50 cm穩(wěn)定階段土壤含水量也達到0.047 m3/m3。相比之下，70—130 cm和150—190 cm土壤含水量的年際變化隨著深度的增加，變化趨于平緩，波動性顯著減小?？傊?，白刺沙堆土壤含水量與降水量和降水強度相關(guān)，愈淺層相關(guān)性愈大。且白刺沙堆具有深層土壤含水量趨于穩(wěn)定的規(guī)律。

圖4 不同退化階段白刺沙堆不同深度土壤體積含水量的年際變化(2008—2012年)Fig.4 Mean volumetric soil water content from 2008 to 2012 in differentdegradation stages

雛形階段白刺沙堆土壤含水量隨著深度的增加年際變化減小，150—190 cm深度基本維持在0.020—0.030 m3/m3。發(fā)育階段的年際變化趨勢在70—130 cm和150—190 cm高度一致，各年份差別不大，分別在0.030—0.040 m3/m3和0.040—0.055 m3/m3內(nèi)變化。穩(wěn)定階段白刺沙堆土壤含水量在2008、2011年最大，2009、2010年較小，原因在于2008、2011年降水量較大且2011年降雨強度更大、持續(xù)性更久。垂直方向上，隨著深度的增加土壤水分波動幅度變小。對于不同退化階段的白刺沙堆而言，死亡階段土壤含水量的年際變化最小，70—130 cm深度土壤水分在0.012—0.032、0.016—0.023 m3/m3內(nèi)變化。可能原因是：(1)由于根系分布較淺和表層的結(jié)皮，有效地抑制了降水等因素對土壤水分的影響[26]，土壤水分變異最?。?2) 從雛形階段到死亡階段，白刺沙堆隨著流沙的固定，粉砂級顆粒沉積，土壤機械組成隨固沙時間的增加而變細。土壤中的細砂粒和粘粒含量較高時，降水后土壤保水能力強，因而降雨事件后土壤水分損失較慢[27]。死亡階段白刺沙堆屬于固定沙丘，而固定沙丘并非理想的固沙模式，水分條件差，這也是白刺大面積衰退、死亡的主要原因所在。

土壤含水量與降水時間分布密切相關(guān)，降水的季節(jié)性差異往往導致土壤水分的季節(jié)性變化[26]。將每個樣地各層次相同月份的土壤含水量平均值作圖得到季節(jié)變化圖(圖5)。

由圖5可知，土壤水分季節(jié)變化方面，由于春季氣溫逐漸升高，干旱多風，降水少，蒸發(fā)旺盛，同時白刺發(fā)芽開始耗水，春季土壤含水量最低；夏季隨著降水的補給，波動增加，在7月或9月達到最大值，隨后氣溫降低、降水減少，沙堆土壤含水量逐漸減小。這一規(guī)律與毛烏素沙地、禹城沙地、沙坡頭地區(qū)和民勤灌叢沙堆區(qū)的研究結(jié)論一致：土壤水分的季節(jié)變化表現(xiàn)為春季的水分蒸發(fā)消耗階段(4—5月)；夏季降水補給階段(6—9月下旬)；秋季失水階段(10—11月)[28- 31]。土壤含水量的季節(jié)變化隨著土層深度的增加而愈加不明顯，穩(wěn)定階段白刺沙堆土壤含水量除190 cm土層外，其他土層含水量季節(jié)變化明顯。其他階段白刺沙堆只在0—30 cm土層表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化。

圖6為不同退化階段白刺沙堆各層土壤體積含水量平均值對應的標準差，一定程度上指示出土壤含水量變異性。雛形階段白刺沙堆土壤含水量最大值出現(xiàn)在9月份的10 cm深度，大小為0.076 m3/m3。表層10 cm和30 cm的土壤含水量以5月、6月和9月為拐點，經(jīng)歷“增加-減小-增加-減小”的過程，其他深度土壤含水量大致在0.020—0.040 m3/m3范圍內(nèi)，標準差均小于0.010 m3/m3，變化較小。發(fā)育階段白刺沙堆各層土壤含水量季節(jié)變化趨勢較為一致，5月、7月和9月為高值點，呈現(xiàn)“增加—減小—增加—減小—增加—減小”的規(guī)律，但同一深度變化幅度小，只有10 cm標準差大于0.010 m3/m3。雛形、發(fā)育階段白刺沙堆土壤含水量僅表層變化較大，可能原因是荒漠綠洲過渡帶地區(qū)高蒸發(fā)量和低降雨量以及沙地土壤特性綜合作用的結(jié)果[7]。除190 cm深度外，穩(wěn)定階段白刺沙堆各層土壤含水量表現(xiàn)出高度一致的季節(jié)變化趨勢，6月、9月和11月土壤含水量較高，標準差也最大，可能是由于降水發(fā)生強度大，下滲速率隨之增加[25]，使得土壤含水量的變化幅度大。11月30 cm土壤含水量達到0.027 m3/m3，其他月份土壤含水量基本不變，在0.020 m3/m3左右。死亡階段白刺沙堆土壤季節(jié)變化以10 cm和30 cm為代表，5、7和10月份土壤含水量較高，其他深度土壤含水量在0.018—0.020 m3/m3范圍內(nèi)，標準差基本小于0.020 m3/m3。流沙固定使得土壤顆粒向粉粒發(fā)展，結(jié)皮的存在有效的阻止了水分的下滲，大部分的降水都集中在結(jié)皮層，10%—40%的年降水量被生物土壤結(jié)皮攔截而不能滲透到較深層土壤[32]。因此表層(0—30 cm)土壤水分有較大變化，而50—130 cm深度水分變化極小?？偟膩碚f，除了穩(wěn)定階段，其他階段白刺沙堆土壤水分僅表層變化較大。

不同發(fā)育階段白刺沙堆土壤水分及其變異性方面，雛形階段稍大于發(fā)育階段，穩(wěn)定階段次之，死亡階段最小?？赡茉蚴牵弘r形階段、發(fā)育階段白刺沙堆屬于流動沙丘，植被覆蓋度低，表層無結(jié)皮，沙埋使得表層覆蓋有干沙層，土壤顆粒以砂粒為主。土壤較低的持水力、高孔隙度、高滲透力和良好的通氣性等特征決定了其土壤水分及其變異性較大。穩(wěn)定階段白刺沙堆53%的根系生物量分布在0—30 cm[33]，使得土壤顆粒以砂粒和粉粒為主，孔隙度大。但是由于植被覆蓋度最大以及表層有結(jié)皮，有效地抑制了降水等因素對土壤水分的影響，沙堆較大，有一定的坡度，容易產(chǎn)生側(cè)流，減少了水分入滲，沙堆水分條件不斷惡化，白刺開始因缺水而向死亡階段演化，導致土壤水分及其變異性小于雛形、發(fā)育階段。死亡階段白刺沙堆根系分布較淺，表層存在較厚結(jié)皮，阻止了降水下滲[26]，同時白刺沙堆隨著流沙的固定，土壤機械組成隨固沙時間的增加而變細[6]，最終導致其土壤水分及其變異性最小。

圖6 不同退化階段白刺沙堆不同深度土壤體積含水量的標準差(SD)Fig.6 Standard deviation (SD) of volumetric soil water content at different depthsandindegradation stages

3.3 不同退化階段白刺沙堆土壤水分的垂直變化

圖7、圖8是中子水分儀所測得的2008—2012年不同退化階段白刺沙堆0—190 cm土壤體積含水量的垂直變化圖?？梢钥闯?，不同退化階段土壤水分垂直變化趨勢差異明顯。其中，雛形階段白刺沙堆土壤含水量垂直波動性最大，以0—90 cm最為明顯，呈現(xiàn)開口向右的“W”型。受降水、干沙層等因素的影響，表層10 cm土壤含水量最大，2008年9月25日達到0.084 m3/m3。10—30 cm土壤含水量直線減小，30—50 cm逐漸增大，50—70 cm再次減小。90 cm以下水分變化不大，150—190 cm呈現(xiàn)略微增加的趨勢。由于雛形階段土壤顆粒較粗，毛管上升高度較低，下層水分不能補給上層[34]，白刺沙堆成為相對較穩(wěn)定的系統(tǒng)。因此，90—150 cm土層土壤水分變化小。發(fā)育階段土壤含水量垂直變化呈“S”型，0—30 cm急劇減小，在30 cm達到最小值，2011年8月1日僅為0.012 m3/m3，30—170 cm逐漸增加，170—190 cm再次減小。這種“S”型曲線規(guī)律與毛烏素沙地南緣沙柳灌叢土壤水分的研究結(jié)論[35]一致。垂直變化方面，雛形、發(fā)育階段白刺沙堆土壤含水量表層0—90 cm波動較大，呈現(xiàn)出速變層、穩(wěn)定層和增加層的分層特征。0—30 cm土層受降水和蒸發(fā)的影響，水分變化相對劇烈，具有接納雨水快、蒸發(fā)快、干濕變動頻繁等特點[36]。雛形和發(fā)育階段白刺沙堆體積和高度相對較小，各徑級根系(粗根、中根和細根)主要分布在0—60 cm[33]，這也是雛形和發(fā)育階段白刺沙堆0—90 cm土壤水分表現(xiàn)出更大波動性的原因之一。對于深層土壤而言(110 cm以下)，由于沙堆以下為質(zhì)地堅硬的粘土層，水分下滲較少，且民勤荒漠綠洲過渡帶地下水位已從20世紀50年代的1—3m下降到16.43—22.22m，植物很難利用[12,37]，根系對于深層土壤水分的變化基本無影響，深層土壤水分變化較小。

圖7 不同退化階段白刺沙堆土壤體積含水量垂直變化(2008—2010年)Fig.7 Vertical changes of volumetric soil water content from 2008 to 2010 in different degradation stages

圖8 不同退化階段白刺沙堆土壤體積含水量的垂直變化(2011—2012年)Fig.8 Vertical changes of volumetric soil water content from 2011 to 2012 in different degradation stages

穩(wěn)定階段白刺沙堆土壤水分垂直變化最小，表現(xiàn)為“1”字型，不同土層深度的土壤水分基本一致，在0.014—0.024 m3/m3范圍內(nèi)變化。2008年9月25日、2011年6月21日和10 月30日各深度土壤水分顯著增加，且0—90 cm增加幅度最大，90 cm以下變化較小。淺層土壤水分受地表植被覆蓋、氣候條件等的影響，變化顯著，標準差較大；深層土壤水分受地表條件影響小，環(huán)境相對穩(wěn)定，變化和緩，標準差較小(圖6)。2008年由8月30日的0.016—0.022 m3/m3增大至0.053—0.066 m3/m3，2011年由5月10日的0.013—0.019 m3/m3增加至0.053—0.061 m3/m3。結(jié)合降水數(shù)據(jù)可知，2008年9月21日至9月27日連續(xù)降雨，日降雨量依次為5.0、18.2、0.2、1.6、5.0、1.8、0.2 mm，7d降水總量達到32.0 mm。2011年6月21日降水量為4.4 mm，10月25日和10月28日有間斷性降水，日降水量分別為0.3、2.5 mm。由圖7可知，9月25日是2008年各個白刺沙堆樣地土壤含水量最高的時段，以穩(wěn)定階段白刺沙堆響應最為明顯。降水后，穩(wěn)定階段白刺由于得到水分補給迅速生長，植被覆蓋度增加，表層根系密度大、分布多，吸收水分。干旱區(qū)，土壤含水量的極值通常與降水事件有關(guān)，特別是連續(xù)性、高強度降水[38- 39]。死亡階段白刺沙堆表層10—30 cm土壤含水量較大，可達到0.050—0.060 m3/m3，其他土層則基本維持在0.015—0.020 m3/m3不變。穩(wěn)定、死亡階段白刺沙堆土壤水分垂直變化小，只有高強度降水事件發(fā)生時，水分在70—130 cm范圍內(nèi)下滲變化。結(jié)皮的存在、植物覆蓋度較高等因素導致降水較難補給較深層土壤[26]。

由于研究區(qū)地下水位埋深大，降水成為補充荒漠綠洲過渡帶土壤水分的主要來源。圖9是不同退化階段白刺沙堆2011年3次降雨事件前后土壤質(zhì)量含水量變化量。2011年5月15至20日前后降水總量為9.6 mm，降水次數(shù)為3次，降水強度分別為5月9日2.8 mm、5月11日5.4 mm和5月20日1.4 mm。2011年7月1日至6日前后降水總量(12.8 mm)、降水次數(shù)(5次)均為最大，降水量分別為6月29日3.6 mm、7月2日3 mm、7月3日0.2 mm、7月4日3.6 mm、7月5日2.4 mm，2011年7月15日至24日降水總量為0.4 mm，降水次數(shù)為2次，降水強度分別為7月23日0.2 mm，7月24日0.2 mm。2011年7月1至6日降水次數(shù)和強度最大，5月15至20日次之，7月15至24日最小。

圖9 不同退化階段白刺沙堆不同深度土層降雨事件前后土壤水分的變化(θ-θ0)Fig.9 Variation of mass soil water content at 0—100 cm depth after rainfall events in different degradation stages

如圖9所示，與降水次數(shù)和強度趨勢一致，土壤質(zhì)量含水量變化量7月1至6日最大，5月15至20日次之，7月15至24日最小。2011年7月1至6日最大日降水量達到3.6 mm，除死亡階段白刺沙堆50—100 cm土層，其他樣地各土層土壤含水量都有增加，增加幅度為0.07%—2.53%。垂直方向上，0—10 cm深度土壤水分增加幅度最大(1.10%—2.52%)，降水成為干旱區(qū)淺層土壤水分空間變異的決定因素，且穩(wěn)定和死亡階段白刺沙堆表層增加量比雛形、發(fā)育階段大。20—100 cm深度則雛形、發(fā)育階段土壤水分增加量比穩(wěn)定、死亡階段大，進一步證明了穩(wěn)定、死亡階段表層結(jié)皮、植被覆蓋度高等因素對降水入滲的阻礙作用。

2011年5月15至20日雛形、發(fā)育階段白刺沙堆0—50 cm土壤水分有明顯增加，其他階段白刺沙堆各土層則基本沒有變化，穩(wěn)定、死亡階段白刺沙堆0—10 cm土壤水分變化量為負值，說明土壤蒸發(fā)消耗了土壤水分。2011年7月15至24日降水量、降水次數(shù)均最小，除0—5cm土層以及穩(wěn)定階段50 cm土層和雛形階段50—70 cm土層有一定的降水下滲外，其余各樣地各土層土壤水分變化量均為負值，低強度的降水在入滲前以蒸發(fā)的方式消耗，降雨對白刺沙堆土壤水分沒有影響?？偟恼f來，降水對白刺沙堆土壤水分的有效補給，主要受降雨強度、頻率和土壤性質(zhì)、結(jié)皮等因素的影響[25]。結(jié)皮的存在、植被覆蓋度大等因素阻礙降水下滲，導致死亡階段白刺沙堆土壤蒸發(fā)旺盛和土壤水分收支不平衡，是沙堆退化甚至死亡的重要原因[26]。不同退化階段白刺沙堆由于形態(tài)、土壤性質(zhì)及植被分布格局的不同，強降雨后土壤水分的入滲率及降水再分配格局有較大差異。以雛形、發(fā)育階段為代表，生長季內(nèi)間歇性降雨和強烈的土壤蒸發(fā)，使得白刺沙堆土壤水分經(jīng)歷頻繁的干濕交替[38]。

3.4 各退化階段土壤水分充足情況評價

有研究表明，甘肅民勤流動沙丘凋萎系數(shù)為0.73%[40- 41]，民勤固定、半固定沙丘的研究表明其凋萎系數(shù)為1.36%[42]。結(jié)合本研究民勤荒漠綠洲過渡帶白刺沙堆樣地情況和土壤水分數(shù)據(jù)，雛形和發(fā)育階段白刺沙堆屬于流動沙丘，穩(wěn)定和死亡階段白刺沙堆樣地屬于固定或半固定沙丘且有結(jié)皮層，分別選用0.8%和1.5%作為雛形、發(fā)育階段白刺沙堆和穩(wěn)定、死亡階段白刺沙堆的凋萎系數(shù)。通過本研究實測所得的土壤容重換算(1.5 g/cm3)為體積含水量，對應凋萎系數(shù)分別為0.014 m3/m3(雛形、發(fā)育階段)，0.022 m3/m3(穩(wěn)定、死亡階段)。由圖5可知，發(fā)育、雛形階段白刺沙堆的土壤含水量均高于凋萎系數(shù)，穩(wěn)定階段白刺沙堆絕大部分土層深度的土壤含水量均低于凋萎系數(shù)，死亡階段白刺沙堆的土壤含水量除表層10 cm、30 cm，其余土層也均低于凋萎系數(shù)。由此表明，研究區(qū)極端干旱的環(huán)境下，穩(wěn)定階段和死亡階段白刺沙堆土壤水分不能達到維持植物生長所需的最低水分閾值，是造成白刺沙堆退化的重要原因。

4 結(jié)論與展望

(1)年際變化方面，各樣地土壤含水量均呈現(xiàn)出2008年最大，2009年和2011年次之，2010年最小的趨勢。其中，以0—50 cm深度表現(xiàn)最為明顯，70—130 cm土壤含水量的年際變化隨著深度的增加，變化趨于平緩，波動性顯著減小。季節(jié)變化方面，春季土壤含水量最低，夏季波動增加，在7月或9月達到最大值，隨后逐漸減小。季節(jié)變化在0—30 cm土層表現(xiàn)明顯，隨著土層深度的增加而愈加不明顯。

(2)垂直變化方面，不同退化階段土壤水分垂直變化趨勢差異明顯。雛形、發(fā)育階段白刺沙堆土壤含水量表層0—90 cm波動較大，呈現(xiàn)出速變層、穩(wěn)定層和增加層的分層特征。穩(wěn)定、死亡階段白刺沙堆土壤水分垂直變化小，只有高強度降水事件發(fā)生時，水分在0—90 cm范圍內(nèi)下滲變化。土壤較低的持水力、高孔隙度、高滲透力和良好的通氣性等土壤特征以及根系分布是雛形階段、發(fā)育階段白刺沙堆土壤水分垂直波動的主要影響因素。結(jié)皮的存在阻礙降水下滲，蒸發(fā)旺盛，是造成死亡階段白刺沙堆土壤水分補給不足，沙堆退化甚至死亡的重要原因。

(3)在不同發(fā)育階段，雛形階段的土壤含水量最大，降水容易下滲。穩(wěn)定和死亡階段白刺沙堆土壤含水量很低，只有大的降水事件發(fā)生時，水分才可以下滲。不同退化階段白刺沙堆土壤水分的變化幅度方面，雛形階段稍大于發(fā)育階段，穩(wěn)定階段次之，死亡階段最小。

(4)同白刺沙堆的凋萎系數(shù)相比，發(fā)育、雛形階段白刺沙堆的土壤含水量均高于凋萎系數(shù)，穩(wěn)定、死亡階段白刺沙堆大部分土層的土壤含水量低于凋萎系數(shù)。極端干旱的環(huán)境下，穩(wěn)定活化和死亡階段白刺沙堆土壤水分不能達到維持植物生長所需的最低水分閾值，是造成白刺沙堆退化的重要原因。

(5)有效利用降水和減少白刺表面蒸散發(fā)，進而保持和提高白刺沙堆土壤含水量，是防止白刺沙堆退化、做好防沙固沙工作的核心問題。

致謝：野外觀測工作得到試驗合作單位甘肅省治沙研究所和民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站實驗團體人員的幫助，特此致謝。

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The degradation ofNitrariadunes and soil water in Minqin oasis

WANG Yue1, LI Cheng1, LI Aide2, YANG Zihui2, ZHANG Qingtao1, LIANG Xiaojian1,QIU Guoyu1,*

1SchoolofEnvironmentandEnergy,ShenzhenGraduateSchool,PekingUniversity,Shenzhen518055,China2MinqinNationalStudiesStationforDesertSteppeEcosystem&GansuDesertControlResearchInstitute,Wuwei733000,China

Nitrariadunes can fix a huge amount of moving sand and are one of the most effective ways to protect oasis from moving sand in Northwest China. In recent decades,Nitrariadunes in Northwest China have seriously degraded. As a result, the fixed sand is released, and the oasis is damaged again and again. How to sustainNitrariadunes long term and prevent theNitrariaplant from dying is an important issue. Based on observation over time, we hypothesized that declining soil water content resulted from an imbalanced soil water budget leading toNitrariadunes degradation. However this hypothesis hasn′t been proved satisfactorily for the lack of long-time field experiments. To prove this hypothesis, we observed soil water content from January 2008 to June 2012 in different degradation stages ofNitrariadunes in the marginal oasis of Minqin, Gansu Province. The methods we used to observe soil water content were the neutron moisture gauge method and weighting method after dried. Results showed that average volumetric soil water content was the highest in 2008 and the lowest in 2010.The variation of volumetric soil water content was the most obvious at the depth of 0—50 cm.The vertical variation pattern of volumetric soil water content was different in different degradation stages. At the depth of 0—90 cm，volumetric soil water content varied the greatest in the early growth stage and rapid growth stage for low water-holding capacity, high seepage power and high air permeability of soil. Three kinds of soil layers divided by soil water variation features occurred in these stages of theNitrariadunes. These were sudden-change layer, stable layer and increasing layer. However, in the peak growth stage and senescence ofNitrariadunes, volumetric soil water content varied slightly because of crust on theNitrariadunes surface. Average volumetric soil water content was lower in the early spring, gradually rising in the summer and declining in the autumn.The maximum soil water content occurred in July and September. Moreover, the variation of volumetric soil water content in different seasons was the most obvious at the depth of 0—30 cm. With increasing depth, the volumetric soil water content variation became less. During different degradation stages, the volumetric soil water content in the early growth stage was the highest because precipitation was easy to infiltrate. However, the soil water content was the lowest in the peak growth stage and senescence because precipitation cannot infiltrate without a significant precipitation event. And soil water content in the peak growth stage and senescence ofNitrariadunes was lower than their wilting coefficient. As a result, soil water content cannot satisfy the basic water demand for plant growth which was the principle reason whyNitrariadunes degraded. Through this study, it can be concluded that declining soil water content is the main reason whyNitrariadunes degraded. To take advantage of precipitation efficiently and prevent evapotranspiration on the surface ofNitrariadunes is the key to protectingNitrariadunes and sand stabilization. This result will provide a positive influence on subsequent vegetation sand-control activities.

Nitrariadunes; soil water;degradation

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項項目(201304305);國家自然科學基金面上項目(20972421); 深圳市人民環(huán)境重點實驗室專項

2013- 10- 24;

日期:2014- 07- 14

10.5846/stxb201310242571

*通訊作者Corresponding author.E-mail: qiuguoyu@gmail.com

王月, 李程, 李愛德, 楊自輝, 張清濤, 梁曉健, 邱國玉.白刺沙堆退化與土壤水分的關(guān)系.生態(tài)學報,2015,35(5):1407- 1421.

Wang Y, Li C, Li A D, Yang Z H, Zhang Q T, Liang X J,Qiu G Y.The degradation ofNitrariadunes and soil water in Minqin oasis.Acta Ecologica Sinica,2015,35(5):1407- 1421.