樊寶麗，常兆豐，張劍揮，朱淑娟，王強(qiáng)強(qiáng)，張大彪，唐進(jìn)年，劉世增

(甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070)

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河西走廊綠洲邊緣積沙帶土壤水分的空間變化研究

樊寶麗，常兆豐，張劍揮，朱淑娟，王強(qiáng)強(qiáng)，張大彪，唐進(jìn)年，劉世增

(甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070)

[摘要]了解河西走廊各地區(qū)積沙帶的土壤水分狀況是進(jìn)行積沙帶治理與評(píng)價(jià)的重要前提條件之一。在對(duì)整個(gè)河西走廊綠洲外圍農(nóng)田防護(hù)林積沙帶全面踏查的基礎(chǔ)上，對(duì)所選中的9個(gè)縣(區(qū)、市)共計(jì)21個(gè)典型積沙帶樣點(diǎn)的土壤水分空間分布特性進(jìn)行了研究，并利用單變量多因素方差分析對(duì)影響土壤水分空間分布差異的因素進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：①河西走廊積沙帶的土壤含水量在武威涼州區(qū)最高，古浪縣次之，之后各積沙帶的土壤含水量隨著河西走廊自東往西的方向逐漸降低；②積沙帶土壤含水量在0～100 cm內(nèi)隨土層深度的增加逐漸增加,但變化平緩；③微地形對(duì)整個(gè)積沙帶土壤水分在空間上的垂直分布影響顯著，積沙帶土壤含水量在迎風(fēng)坡最高，但在沙丘頂部與背風(fēng)坡間的差異不顯著；④河西走廊積沙帶土壤含水量與日照時(shí)數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，與降雨量和空氣相對(duì)濕度顯著正相關(guān)，相關(guān)性程度依次為年平均日照時(shí)數(shù)>年平均降水量>年平均相對(duì)濕度。

甘肅河西走廊自古就是我國重風(fēng)沙危害區(qū)，也是我國主要的沙塵源區(qū)。新中國成立后，在農(nóng)田邊緣開展了大規(guī)模造林治沙活動(dòng)，取得了顯著成效，但同時(shí)在沙區(qū)綠洲邊緣的上風(fēng)向也形成了一條積沙帶。作為防風(fēng)固沙造林的副產(chǎn)物，積沙帶的沙丘類型與荒漠-綠洲過渡帶普通的沙丘也有著較大的區(qū)別，積沙帶在生態(tài)環(huán)境中到底起著怎樣的作用，對(duì)于積沙帶應(yīng)該采取何種有效的生態(tài)修護(hù)措施，國內(nèi)外有關(guān)方面的研究幾乎是一個(gè)空白[1]。

水分是干旱和半干旱生態(tài)系統(tǒng)中決定生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的重要環(huán)境因子[2]。土壤水分狀況對(duì)土壤物理性質(zhì)和植被生長狀況有重要影響。對(duì)植物的生長而言，土壤水分是最大的限制因子,且影響到遏止沙漠化危害的可能性[3-4]。近年來，我國學(xué)者對(duì)不同地區(qū)沙地水分狀況,各沙層含水量與氣候因子、地形條件、固沙植物種植年限及沙地植被結(jié)構(gòu)的關(guān)系等進(jìn)行了大量的研究[5-13]。積沙帶作為綠洲外圍防風(fēng)固沙林和機(jī)械沙障固沙過程中的副產(chǎn)物，不同于荒漠-綠洲過渡帶普通意義上的沙丘類型，了解河西走廊各地區(qū)積沙帶的土壤水分狀況是進(jìn)行積沙帶本底研究的基礎(chǔ)，也是進(jìn)行積沙帶治理與評(píng)價(jià)的重要前提條件之一。

我們?cè)趯?duì)河西走廊東端的古浪至走廊最西端的敦煌地區(qū)進(jìn)行踏查的基礎(chǔ)上，對(duì)其中積沙帶地貌類型顯著的9個(gè)縣(區(qū)、市)共計(jì)21個(gè)典型積沙帶進(jìn)行了選點(diǎn)取樣，對(duì)積沙帶土壤水分的水平和垂直空間動(dòng)態(tài)變化及主要?dú)夂蛞蜃訉?duì)土壤水分的影響進(jìn)行了研究，旨在探討積沙帶的生態(tài)功能，并為積沙帶的生態(tài)治理提供有力的數(shù)據(jù)支持。

1研究區(qū)域概況

河西走廊位于甘肅省西北部，東起古浪峽口一帶，西至疏勒河下游甘新區(qū)界，長約900 km，寬50～120 km，面積約8.3萬km2，地理位置36°35′～42°45′N、92°45′～104°15′E，海拔1 000～3 200 m。行政區(qū)界上包括武威、金昌、張掖、酒泉、嘉峪關(guān)5市，共轄20個(gè)縣(區(qū)、市)。走廊南側(cè)為祁連山脈，東、東北和西面依次被騰格里、巴丹吉林和庫姆塔格三大沙漠包圍，境內(nèi)有沙漠和零星沙地754 km2。從氣候上看，走廊大部分區(qū)域?qū)俑珊祬^(qū)，最西端的敦煌、瓜州屬于極端干旱區(qū)。

2研究方法

2.1野外調(diào)查與樣品采集

在對(duì)整個(gè)河西走廊綠洲外圍農(nóng)田防護(hù)林積沙帶全面踏查的基礎(chǔ)上，選中9個(gè)縣(區(qū)、市)共計(jì)21個(gè)典型積沙帶樣點(diǎn)，具體見表1。其中在積沙帶地貌類型顯著的民勤、高臺(tái)和金塔選點(diǎn)最多，各為4個(gè)，古浪、瓜州、敦煌各選點(diǎn)1個(gè)。

表1　河西走廊各地區(qū)積沙帶樣點(diǎn)分布

為免受降水影響，調(diào)查時(shí)間分別選擇在2011年10月初和2012年10月初，采樣在至少半月內(nèi)未有降雨的條件下進(jìn)行，采用手持GPS測(cè)定每個(gè)積沙帶的地理位置、海拔與坡向，并記錄每個(gè)積沙帶的地貌類型及形成積沙帶的防護(hù)林類型。土壤含水量的測(cè)定采用剖面取樣烘干法(105 ℃)，土壤取樣深度共分5個(gè)層次：0(表層)、10、30、50和100 cm。在每個(gè)選定積沙帶的迎風(fēng)坡底部和中部、背風(fēng)坡中部和底部(因?yàn)榉e沙帶的特殊成因，其背風(fēng)坡底部基本為防風(fēng)固沙林的邊緣，所測(cè)數(shù)據(jù)不能很好地代表積沙帶的土壤含水量，所以只在距離防護(hù)林較遠(yuǎn)的古浪和高臺(tái)進(jìn)行了背風(fēng)坡底部的取樣)、沙丘頂部、迎風(fēng)坡丘間地(農(nóng)田邊緣)，測(cè)定每個(gè)樣點(diǎn)的土壤含水量。

2.2數(shù)據(jù)分析

在滿足方差齊性的情況下，運(yùn)用單變量多因素方差分析，確定微生境和土層對(duì)土壤水分含量空間分布差異的影響，對(duì)所得的數(shù)據(jù)采用Excel進(jìn)行繪圖，數(shù)據(jù)分析在SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件中完成。

3結(jié)果與討論

3.1河西走廊不同區(qū)域積沙帶土壤水分在水平空間的變化

如圖1所示，從0～100 cm土層土壤含水量的水平空間變化來看，河西走廊不同區(qū)域積沙帶間土壤含水量最高的是武威的涼州，其次是古浪，之后各積沙帶的土壤含水量隨著河西走廊自東往西的方向逐漸降低，最西端的敦煌積沙帶的土壤含水量僅為0.24%。積沙帶的土壤含水量在整個(gè)區(qū)域內(nèi)組間的差異極其顯著(F=33.475，P<0.001)，除金昌與民勤、臨澤差異不顯著，以及金塔、瓜州、敦煌這3個(gè)區(qū)域間差異不顯著外，其他各個(gè)區(qū)域間都有顯著差異。

圖1　河西走廊積沙帶0～100 cm土壤水分在水平空間的變化

3.2河西走廊地區(qū)積沙帶土壤水分的垂直分布

農(nóng)田邊緣由于受河水灌溉及地下水位的影響，淺層土壤含水量(0～30 cm)在不同微生境間的各個(gè)土層中都是最高的，之后隨土壤深度增加表現(xiàn)出與其他微生境相似的變化趨勢(shì)，所以在以后的結(jié)果和討論部分都未再對(duì)其進(jìn)行分析和討論。

從圖2對(duì)河西走廊各個(gè)區(qū)域積沙帶的取樣來看，武威涼州區(qū)的積沙帶最靠近農(nóng)田，受農(nóng)業(yè)灌溉的影響，該處積沙帶表層的土壤含水量顯著高于其他土層，之后隨著土層的加深土壤含水量逐漸減小，但土層間的差異并不顯著；其余8個(gè)區(qū)域的表層含水量在各個(gè)土層間基本是最低的(瓜州的迎風(fēng)坡底部的表層除外，因?yàn)槠渚o挨農(nóng)田邊緣,所以表層土壤含水量為該區(qū)域最高值),其中古浪、民勤、金川、臨澤的積沙帶土壤含水量在10 cm土層時(shí)顯著增高，在30或者50 cm 處達(dá)到最高值，再向下民勤積沙帶的含水量隨著土層的加深又逐漸降低，古浪、金川和臨澤3個(gè)區(qū)域的土壤含水量則無明顯變化規(guī)律，但土層間的變化平緩，而金塔、高臺(tái)、瓜州和敦煌積沙帶的土壤含水量在10 cm時(shí)相比表層土并未呈現(xiàn)出顯著增加(敦煌迎風(fēng)坡中部除外)，土壤含水量在0～50 cm內(nèi)基本是隨著土層的加深而增加(以迎風(fēng)坡底部的變化趨勢(shì)最為明顯)，這應(yīng)該與這4個(gè)地區(qū)更高的日照時(shí)數(shù)有關(guān)。另外，從圖3來看，整個(gè)河西走廊積沙帶土壤平均含水量在0～100 cm的垂直分布，表現(xiàn)出從上層向下隨著土層的加深逐漸遞增的分布規(guī)律，這是因?yàn)楹游髯呃绒r(nóng)田邊緣的積沙帶多為流動(dòng)沙丘，流動(dòng)沙地表層土壤顆粒粗大，質(zhì)地疏松，持水保水能力較差，對(duì)降雨的截留較少[14-15]，降雨后水分在勢(shì)能梯度的作用下會(huì)逐漸入滲與蒸發(fā)，從而在深層次具有更高的土壤水分含量，但由于降雨量有限，故在超過50 cm的更深土層水分變化趨于平緩。積沙帶的土壤含水量垂直分布規(guī)律不同于過渡帶土壤含水量和荒漠區(qū)的土壤含水量，與張凱等[16]對(duì)民勤綠洲區(qū)土壤含水量的研究結(jié)論相一致，即由表層向下土壤含水量呈逐漸遞增的趨勢(shì)，這可能是由于積沙帶處于綠洲的邊緣，有些甚至和農(nóng)田相接，因此表現(xiàn)出了綠洲土壤含水量的變化特點(diǎn)。

圖2　河西走廊各區(qū)域積沙帶土壤水分在不同微地形間的垂直分布

圖3　河西走廊積沙帶土壤水分的垂直變化

3.3積沙帶土壤水分在微地形間的變化

微地形對(duì)河西走廊整個(gè)積沙帶土壤水分空間上的垂直分布特征影響顯著(圖4)。從不同微地形來看，各個(gè)地區(qū)積沙帶的土壤含水量基本是在迎風(fēng)坡的中部和底部要顯著高于背風(fēng)坡的中部以及沙丘頂部(P<0.05)，但迎風(fēng)坡中部與迎風(fēng)坡底部之間的差異不顯著(P>0.05)，沙丘頂部與背風(fēng)坡中部間也沒有顯著性差異(P>0.05)。積沙帶土壤含水量在迎風(fēng)坡顯著地高于沙丘頂部和背風(fēng)坡，這是因?yàn)榉e沙帶作為農(nóng)田邊緣防風(fēng)固沙造林的副產(chǎn)物，它自身也具有阻沙的效果，起風(fēng)時(shí)，沙粒自迎風(fēng)坡吹揚(yáng)而在背風(fēng)坡堆積，從沙丘頂部至背風(fēng)坡的土壤組成都為外移的風(fēng)沙土，所以在淺層土壤內(nèi)，積沙帶迎風(fēng)坡土壤含水量最高，沿著沙丘走勢(shì)土壤含水量逐漸降低，在背風(fēng)坡中部達(dá)到最低。根據(jù)這一結(jié)論，對(duì)積沙帶進(jìn)行植被治理時(shí)，應(yīng)首先考慮土壤水分條件較佳的迎風(fēng)坡。

圖4　河西走廊各地區(qū)積沙帶土壤含水量在微地形間的變化

3.4氣候因子對(duì)積沙帶土壤含水量的影響

河西走廊自東向西，逐步從干旱半干旱地區(qū)過渡到極干旱區(qū)，其中瓜州和敦煌屬于極干旱區(qū)。沿著河西走廊自東向西的方向，影響積沙帶土壤含水量的三個(gè)主要?dú)庀笠蜃又?，日照時(shí)數(shù)逐漸變長，而空氣濕度和降水量特別是降水量逐漸降低(圖5)。

圖5　主要?dú)庀笠蜃佣嗄?1955—2012年)平均值在河西走廊不同區(qū)域間的變化

從表2可以看出，河西走廊綠洲邊緣積沙帶土壤含水量與各地的年平均相對(duì)濕度、年平均降水量呈顯著正相關(guān)，與各地的年平均日照時(shí)數(shù)呈極其顯著負(fù)相關(guān)，其中與年平均日照時(shí)數(shù)的相關(guān)性最大，其次為年平均降水量，表明日照時(shí)數(shù)和降水量是決定積沙帶土壤含水量具有自東向西逐漸減少的區(qū)域分布特征的主導(dǎo)因子。土壤水分具有異質(zhì)性，研究尺度不同，主控因子也會(huì)不同[17]。很多研究發(fā)現(xiàn)，干旱區(qū)沙地土壤含水量的變化主要受氣候條件、下墊層巖性、地下水位及植被結(jié)構(gòu)的影響[4,10,18-22]。對(duì)民勤所做的試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)?shù)叵滤裆畛^1 m時(shí)，地下水補(bǔ)充于土壤的可能性基本為0[23]。河西走廊農(nóng)田邊緣積沙帶的高度均值在11 m左右，其0～100 cm深度的土壤含水量幾乎不受地下水位和下墊層巖性的影響，且積沙帶植被分布稀疏，因此大氣降水幾乎是河西走廊地區(qū)積沙帶土壤水分的唯一來源。由于降水量有限，蒸發(fā)量又大，所以日照時(shí)數(shù)和降水量便成為決定河西走廊地區(qū)積沙帶土壤含水量水平空間差異的最直接原因。

表2　河西走廊綠洲邊緣積沙帶土壤含水量與各環(huán)境因子相關(guān)性分析

綜上，本次考察中發(fā)現(xiàn)很多地區(qū)的積沙帶都緊鄰村莊和農(nóng)田，積沙帶在沙進(jìn)人退的過程中扮演著先鋒軍的作用。水分作為影響荒漠生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)諸多生態(tài)過程的主要制約因子[11,24-25]，是荒漠化治理過程中不可或缺的前提條件。但作為一個(gè)特殊的生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)積沙帶進(jìn)行治理及對(duì)農(nóng)田防護(hù)林體系的利弊進(jìn)行評(píng)價(jià)還需要結(jié)合水、土、氣、生進(jìn)行全方位的探討，如積沙帶的土壤理化性質(zhì)、植被狀況及移動(dòng)規(guī)律等還有待于進(jìn)一步的研究。

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(責(zé)任編輯徐素霞)

[中圖分類號(hào)]S152.7

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1000-0941(2016)07-0040-05

[作者簡介]樊寶麗(1982—)， 女，甘肅白銀市人，助理研究員，碩士，主要從事荒漠化防治及生態(tài)學(xué)研究。

[收稿日期]2015-09-21

[關(guān)鍵詞]積沙帶；土壤含水量；微地形；綠洲邊緣；河西走廊