吳世磊, 劉懷谷, 陳德朝, 鄢武先, 鄧東周, 文智猷, 蘇宇*

1. 四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川成都 610000；

2. 四川省林業(yè)物資供銷有限公司，四川成都 610000

沙化問題是目前我國面臨的重要環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)問題，已嚴(yán)重制約人類的生存和發(fā)展[1]。在我國不僅分布在干旱、半干旱地區(qū)，而且在半濕潤及濕潤地區(qū)也有分布[2-3]。土壤水分狀況是沙化地區(qū)極其重要的生態(tài)因素[4-5]，同時(shí)也是制約植被生長的重要限制因子[6-8]。目前，我國關(guān)于沙化土地的土壤水分研究主要集中于北方干旱與半干旱地區(qū)[6,10-12]，而有關(guān)川西北高寒沙地的土壤水分研究較少。川西北地區(qū)是我國高寒沙區(qū)的重要分布地區(qū)，目前該沙化地區(qū)植被恢復(fù)限制因子的研究較弱，在已開展的研究中主要分析沙化土壤的養(yǎng)分特征[13]，但對沙化土壤水分的研究報(bào)道較少。為此，在川西北高寒沙地不同恢復(fù)年限對土壤機(jī)械組成研究基礎(chǔ)上[14]，對此區(qū)域的不同沙化類型、不同恢復(fù)年限的沙化土壤水分進(jìn)行測定，探討其動態(tài)變化特征，以期對川西北高寒沙地的植被恢復(fù)以及沙化土地的合理利用提供參考。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于川西北地區(qū)若爾蓋縣轄曼鄉(xiāng)、阿西鄉(xiāng)，平均海拔在3 600 m以上。降雨量具有極強(qiáng)的季節(jié)性，如，從開春3月開始降雨量逐漸增加，4—6月增長率最高，6月達(dá)到一年降雨量的峰值152.9 mm，7—8月降雨量有一定下降，9月回升至120.5 mm后開始下降（見圖1）。

圖 1 若爾蓋縣2019年降雨量統(tǒng)計(jì)Fig. 1 Rainfall statistics of Zoige county in 2019

2 研究方法

（1）在若爾蓋縣選取未治理典型的重度（N-a）、中度（N-b）、輕度（N-c）及草地（G）4種沙化土地類型開展土壤動態(tài)水分變化特征研究（見圖2）。

圖 2 不同沙化土地類型Fig. 2 Different sandy desertification land types

（2）采用時(shí)空替代法，即在立地條件相近的條件下，在一定的空間尺度內(nèi)，選擇不同地墊上不同恢復(fù)年限的流動沙地來代替同一生長地點(diǎn)上的不同恢復(fù)年限的流動沙地。本試驗(yàn)以若爾蓋縣高寒沙地示范區(qū)內(nèi)未治理流動沙地（N）、植被恢復(fù)年限分別為3年、5年、10年的高寒沙地樣地（R3、R5、R10）作為研究對象（見表1），采用時(shí)空替代法研究不同恢復(fù)期限土壤的水分變化特征研究。

每個(gè)模式按春、夏、秋3個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行取樣；取樣深度：分別在此區(qū)域?qū)ν寥啦煌疃韧翆樱?～20 cm，20～40 cm，40～60 cm）進(jìn)行采樣；降雨量數(shù)據(jù)來自試驗(yàn)地若爾蓋縣自動氣象站觀測資料；土壤含水率測定采用烘干法。

3 結(jié)果分析

3.1 不同沙化類型土壤水分變化特征研究

不同沙化類型土壤平均含水率（0～60 cm）差異明顯（見表2），N-a土壤含水率在6.19%～7.23%，N-b土壤含水率6.55%～8.86%，N-c土壤含水率在9.20%～13.18%，G土壤含水率16.05%～20.10%；可見川西北高寒沙地不同沙化類型土壤平均含水率大小順序依次為：草地＞輕度沙化＞中度沙化＞重度沙化，各類型的土壤含水率差異性與土壤物理性質(zhì)、植被蓋度等因素有密切關(guān)系。草地植被蓋度高，土壤以黏粒、粉砂、極細(xì)砂為主，保水性強(qiáng)；隨著沙化程度的加深，粗砂、中砂含量逐漸增加，導(dǎo)致植被蓋度降低，保水性逐漸降低。

表 1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況Tab. 1 General situation of test sites

表 2 不同沙化類型土壤含水率（%）Tab. 2 Soil water content of different desertification types

不同沙化類型土壤含水率動態(tài)變化大致呈現(xiàn)夏季＞秋季＞春季，動態(tài)變化特征主要受降雨量影響，6、7月降雨量達(dá)到一年峰值，土壤含量率也達(dá)到一年最高值。進(jìn)入8月后降雨量相對減少，9月份有一定回升，但氣溫仍持續(xù)高溫，蒸發(fā)量也較高，土壤含水率一定程度上降低。

N-a與N-b各土層土壤含水率差異不顯著，N-c各土層深度與N-a、N-b相對含水率提高了2%～5%，夏季受降雨量提升幅度最大，約50%。G樣地0～20 cm土層土壤含水率在春季和秋季與20～40 cm、40～60 cm差異顯著，可能是由于草地中下層土壤保水保肥性能較好原因，而表層受地表增發(fā)量、植物蒸騰作用等原因造成含水率略微下降，導(dǎo)致兩者差異明顯，但這種差異性在夏季并沒有顯著性，土壤的含水率在0～60 cm都維持了較強(qiáng)的一致性（P＞ 0.05）。

3.2 不同恢復(fù)年限土壤機(jī)械組成研究

已開展對川西北高寒沙地不同恢復(fù)年限對土壤機(jī)械組成的影響研究[14]，研究得到沙地和草地土壤機(jī)械組成對比，沙地主要以細(xì)砂和中砂為主，兩者含量之和大于50%，草地以粉砂、極細(xì)砂、細(xì)砂為優(yōu)勢粒級，三者之和大于90%，其中粉砂含量最多，大于50%。隨著恢復(fù)年限增加，粉砂、極細(xì)砂含量增大，恢復(fù)10年后以粉砂、極細(xì)砂、細(xì)砂為優(yōu)勢粒級，三者含量之和在80%以上，粗砂含量極低，土壤顆粒含量表現(xiàn)為細(xì)砂＞極細(xì)砂＞粉砂＞中砂＞黏粒＞粗砂。

不同恢復(fù)年限土壤顆粒組成與未治理沙地在同一深度的分布狀況差別不大，表層和下層黏粒、粉砂、極細(xì)砂含量R10＞R5＞R3，細(xì)砂含量R5＞R3＞R10，中砂、粗砂含量R3＞R5＞R10。

固定樣地不同深度的土壤顆粒含量表現(xiàn)為，R10樣地黏粒、粉砂、極細(xì)砂含量表層＞下層，細(xì)砂、中砂、粗砂含量表層＜下層；R5樣地黏粒、粉砂、極細(xì)砂含量表層＞下層，細(xì)砂含量表層≈下層，中砂、粗砂含量表層＜下層；R3樣地黏粒含量極低，表層和下層粉砂、極細(xì)砂、細(xì)砂、中砂、粗砂含量差異不明顯。

3.3 不同恢復(fù)年限土壤水分變化特征研究

重度沙化治理樣地土壤整體含水率隨恢復(fù)年限增加而上升，40～60 cm深度的土層含水率較其他深度高，短期恢復(fù)年限內(nèi)（5年內(nèi)）底層土壤含水率一年內(nèi)變化劇烈，夏季含水率能提高75%；R5-a樣地0～40 cm深度的土壤含水率變化趨勢逐漸加大，并逐漸靠近40～60 cm（見圖3）。其中，從恢復(fù)年限來看20～40 cm較表層0～20 cm變化更早。R10-a樣地與R5-a樣地相比較，各土層土壤含水率均有一定程度提高，但從夏季到秋季變化來看，0～20 cm、20～60 cm含水率有所下降，但都達(dá)到顯著水平。

圖 3 不同恢復(fù)年限土壤水分在不同深度的動態(tài)分布Fig. 3 Dynamic distribution of soil moisture at different depths in different restoration years

固定樣地含水率相比較，0～20 cm土層深度土壤含水率變化趨勢大致相同，4—7月含水率提高7%～11%，上升幅度較快，之后8—10月份略有回落，含水率降低4%～5%；固定樣地植被生長期內(nèi)不同土層深度土壤含水率大致表現(xiàn)出40～60 cm＞20～40 cm，20～60 cm隨恢復(fù)時(shí)間的增加呈祥穩(wěn)步增加趨勢，恢復(fù)3年后土壤含水率在9%～18%之間，恢復(fù)5年后土壤含水率在12%～20%之間，恢復(fù)10年后土壤含水率在16%～20%之間，可看出隨著恢復(fù)時(shí)間的增加土壤底層含水率上升到20%左右就不再上升，而土壤底層最低含水率隨著恢復(fù)時(shí)間的增加逐漸提高，可能與土壤質(zhì)地改變有關(guān)。

草地的表層含水率在春、秋兩季較低，但在20 cm深度以后迅速增加，表層含水率在夏季隨著降雨量的增加略有上升，整體動態(tài)變化程度不明顯。

總體來說，20 cm深的土壤水分動態(tài)變化較其他深度變化劇烈，其中夏季達(dá)到最高值，與降雨量的變化趨勢具有很強(qiáng)的一致性，隨著土層深度的增加，土壤含水率呈現(xiàn)增加的趨勢，可能原因是整個(gè)研究區(qū)植被蓋度不高，隨著土層深度的增加，土壤水分的增發(fā)量小于降雨水分補(bǔ)充量，而川西北高寒地區(qū)降雨大多集中在6—9月份，土壤水分得到積累，因此土壤含水率隨著土層深度逐漸增加。

由圖3可知，高寒沙地土壤整體含水率隨不同恢復(fù)年限增加而上升，流動沙地恢復(fù)3年后，土壤平均含水率約提高1%；恢復(fù)5年后，土壤平均含水率約提高3%，夏季適逢降雨量充足時(shí)期最高達(dá)5%，恢復(fù)10年后，土壤含水率較未治理提高4%～5%；流動沙地與草地相比，草地平均含水率約比流動沙地高12%?？梢?，就土壤含水率來言，流動沙地要恢復(fù)到草地蓄水量標(biāo)準(zhǔn)在本研究的時(shí)間段內(nèi)并不能完成，需要大于10年的恢復(fù)年限。因同一恢復(fù)模式最多追溯到10年前，還需開展更長期的監(jiān)測與研究。

4 討論

4.1 土壤水分季節(jié)變化規(guī)律

由于研究區(qū)位于川西北高寒地區(qū)，降雨是高寒沙區(qū)土壤水分的主要來源，維持著生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，治沙植物生長期內(nèi)的降雨對高寒沙區(qū)治沙植物的生長至關(guān)重要。但川西北高寒沙地降雨量具有極強(qiáng)的季節(jié)性，春季、冬季降雨量相對較少，進(jìn)入夏季后降雨量逐漸增大且持續(xù)時(shí)間長，5—10月都為降雨多發(fā)時(shí)期。而研究區(qū)植被蓋度不高，氣溫較低，地表蒸騰作用對土壤含水率的作用小于氣象條件，整體呈現(xiàn)出土壤含量率夏季＞秋季＞春季。

4.2 土壤水分垂直變化規(guī)律

降雨量對高寒沙區(qū)土壤水分的影響較為顯著，降雨時(shí)雨水從地表逐漸滲入到各土。隨著土層深度的增加，土壤水分的增發(fā)量小于降雨水分補(bǔ)充量，而川西北高寒地區(qū)降雨大多集中在6—9月份，土壤水分得到積累，因此土壤含水率隨著土層深度逐漸增加。20～60 cm土壤含水率穩(wěn)定性高于0～20 cm，20 cm深的土壤水分動態(tài)變化與降雨量的變化趨勢具有很強(qiáng)的一致性，可見其20 cm深度內(nèi)的土壤含水率與降雨量的相關(guān)性明顯。

4.3 不同恢復(fù)年限土壤水分變化規(guī)律

高寒沙地土壤整體含水率隨恢復(fù)年限時(shí)間增加而上升，流動沙地恢復(fù)3年后，土壤平均含水率約提高1%；恢復(fù)5年后，土壤平均含水率約提高3%，夏季適逢降雨充足時(shí)期最高達(dá)5%；恢復(fù)10年后，土壤含水率較未治理提高4%～5%；與草地相比，草地平均含水率約比流動沙地高12%?？梢姡屯寥篮蕘硌?，流動沙地要恢復(fù)到草地蓄水量標(biāo)準(zhǔn)僅僅10年遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要更長久的恢復(fù)年限。因同一恢復(fù)模式最多追溯到10年前，還需開展更長期的監(jiān)測與研究。

4.4 土壤物理機(jī)械組成與水分土壤變化規(guī)律

各類型的土壤水分含水率差異性與土壤物理性質(zhì)等因素有密切關(guān)系。川西北高寒沙地不同沙化類型土壤平均含水率大小順序依次為：草地＞輕度沙化＞中度沙化＞重度沙化。草地植被蓋度高，土壤以黏粒、粉砂、極細(xì)砂為主，保水性強(qiáng)；隨著沙化程度的加深，粗砂、中砂含量逐漸增加，導(dǎo)致植被蓋度降低，保水性逐漸降低。恢復(fù)初期土壤機(jī)械組成表層和下層差別不大，各層水分變化趨勢不大。隨著恢復(fù)年限的增加，固沙植物通過捕獲大氣環(huán)境中的降塵，并不斷向地表輸入，土壤機(jī)械組成隨之變化，增加土壤機(jī)械組成中的細(xì)顆粒物。隨著黏粒、粉砂的增多，表層較下層細(xì)，土壤整體含水率隨恢復(fù)年限時(shí)間增加而上升。但由于高寒地區(qū)生態(tài)易破壞難恢復(fù)，沙化治理對流動沙地的土壤有一定的改善，但川西北高原地區(qū)一年生長季節(jié)短，植被生長緩慢等因素不利于高寒沙地成土過程，植被恢復(fù)措施很難在短時(shí)間內(nèi)顯著影響成土母質(zhì)的變化，土壤含水率恢復(fù)到草地蓄水量標(biāo)準(zhǔn)任重而道遠(yuǎn)，降雨量對高寒沙區(qū)土壤水分的影響能最為顯著。