騰格里沙漠人工植被區(qū)固沙灌木影響深層土壤水分的動態(tài)模擬研究

張定海, 李新榮, 陳永樂

1 中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所, 沙坡頭沙漠研究試驗站, 蘭州　730000 2 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 數(shù)量生態(tài)學(xué)研究所, 蘭州　730070

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騰格里沙漠人工植被區(qū)固沙灌木影響深層土壤水分的動態(tài)模擬研究

張定海1,2,*, 李新榮1, 陳永樂1

1 中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所, 沙坡頭沙漠研究試驗站, 蘭州730000 2 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 數(shù)量生態(tài)學(xué)研究所, 蘭州730070

摘要:灌木是我國沙漠地區(qū)主要的優(yōu)勢植物類型,固沙灌木的存在有益于沙丘的固定進(jìn)而有利于退化沙漠生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)恢復(fù)。基于騰格里沙漠沙坡頭地區(qū)50 多年的人工植被區(qū)長期觀測研究,建立生態(tài)-水文模型模擬了該地區(qū)固沙灌木蓋度和深層土壤水分的動態(tài)變化過程,結(jié)果表明,固沙灌木的建立改變了沙區(qū)原有的生態(tài)-水文過程,在固沙灌木建立40多年后,固沙灌木的蓋度和深層土壤水分達(dá)到了新的平衡狀態(tài)。灌木蓋度逐漸穩(wěn)定在(10±0.9)%左右,而深層土壤水分穩(wěn)定在(2.58±0.2)%左右。因此,在年均降雨量為186mm的騰格里沙漠沙坡頭地區(qū),土壤水分的最大植被承載力為：灌木和生物土壤結(jié)皮的蓋度分別維持在10%和60%,深層土壤水分維持在3%左右。

關(guān)鍵詞：固沙灌木；灌木蓋度；深層土壤水分；生態(tài)-水文模型；騰格里沙漠

利用人工固沙植被防止沙害是國際上公認(rèn)的沙區(qū)生態(tài)重建和沙害防止最為有效的方法和途徑之一[1],在我國也已有60多年的歷史[2]。實踐證明, 植物固沙能夠有效遏制沙漠化的發(fā)展、減輕風(fēng)沙危害和促進(jìn)局地生境恢復(fù)[1]。我國先后在風(fēng)沙危害區(qū)啟動建設(shè)“三北”防護(hù)林體系、退耕還林等以人工植被建設(shè)為主要生態(tài)修復(fù)措施的一批重大生態(tài)工程[3],包蘭鐵路沙坡頭段的防護(hù)體系是我國沙區(qū)人工植被建設(shè)的典型代表[4]。經(jīng)過60多年的發(fā)展,我國沙區(qū)人工植被建設(shè)取得了舉世矚目的成就,有效遏制了沙漠化的發(fā)展,促進(jìn)了局地生境的恢復(fù)。但在實踐中也出現(xiàn)了許多問題,無論是在降水較大的東部沙區(qū)還是降水較小的賀蘭山以西的西部沙區(qū),都不同程度的存在局地地下水下降,固沙植被衰退和死亡的現(xiàn)象,這直接影響到沙區(qū)生態(tài)恢復(fù)和防風(fēng)固沙效益的可持續(xù)性[5]。

灌木是我國沙區(qū)主要的優(yōu)勢植物類型[6-7],固沙灌木的存在有益于沙丘的固定進(jìn)而有利于退化沙漠生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)恢復(fù)[8]。這是因為相對于草本植物,灌木等木本植物更能忍受和適應(yīng)風(fēng)蝕、沙埋、放牧干擾以及干旱等非生物因子的脅迫[9]。而草本植物的繁殖主要受到干旱氣候條件、過度放牧和沙埋的制約[10]。固沙灌木蓋度的變化在一定程度上可以表征沙區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的防風(fēng)固沙效率,因此,研究固沙灌木蓋度的動態(tài)變化規(guī)律對沙區(qū)人工植被建設(shè)和生態(tài)恢復(fù)具有重要的意義。

土壤水分是沙區(qū)植被系統(tǒng)格局和過程的驅(qū)動力[11-12]。干旱沙區(qū)的水文過程控制著植物生長、植被演替和格局等主要的生態(tài)過程[5]。研究干旱沙區(qū)固沙植被的動態(tài)以及與其相關(guān)的土壤水分動態(tài)是沙區(qū)生態(tài)恢復(fù)重建過程中必須面對的基礎(chǔ)科學(xué)問題[13-14]。20世紀(jì)50年代,我國學(xué)者在包蘭鐵路沿線流動沙丘上建立了固沙植被防護(hù)體系,許多學(xué)者對該地區(qū)固沙植被動態(tài)和相關(guān)水文過程開展了研究,取得了系列成果[2, 15- 17]。如黃磊等[17]結(jié)合Rodriguez-Iturb土壤水分動態(tài)隨機(jī)模型,模擬了沙坡頭人工植被區(qū)生長季土壤水分動態(tài)與土壤濕度概率密度函數(shù)；李新榮等[2]利用沙坡頭人工植被區(qū)50余年的長期生態(tài)學(xué)研究,指出了該地區(qū)人工植被的演替規(guī)律,初步探討了降水小于200mm風(fēng)沙區(qū)土壤水分的植被承載力和植物固沙的模式。

在一定的土壤水分條件下建立什么樣類型的固沙植被,如何讓植被建設(shè)更加持續(xù)有效,是防沙治沙過程中面臨的重大科學(xué)問題[2]。而確定土壤水分的植被承載力(有限的土壤水分所能承受固沙植被的最大載荷,其可以利用植被的相關(guān)屬性進(jìn)行量化表述)是回答這些問題的重要前提之一,是沙區(qū)生態(tài)重建的重要實踐需求[2, 18]。基于中國科學(xué)院沙坡頭沙漠研究試驗站在沙坡頭地區(qū)50多年的長期定位研究資料,我們建立了固沙灌木的生態(tài)-水文模型,試圖揭示固沙灌木和深層土壤水分的動態(tài)變化規(guī)律,進(jìn)而確定了該地區(qū)土壤水分的植被承載力,更好的解釋該地區(qū)固沙植被和土壤水分的動態(tài)變化過程。以期促進(jìn)沙區(qū)生態(tài)-水文模型的研究,更好的服務(wù)于我國沙區(qū)生態(tài)建設(shè)。

1研究方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市沙坡頭地區(qū)騰格里沙漠東南緣(37°32′N, 105°02′E), 其主要景觀類型為高大密集分布的格狀沙丘。該地區(qū)年均平均溫度為10.0℃,最低氣溫為25.1℃,最高氣溫為38.1℃,全年日照時數(shù)為3264h,年均降雨量為186mm,年均風(fēng)速為2.9m/s,年潛在蒸發(fā)量為3000mm,地下水埋深達(dá)60m,植物無法利用[2]。為了確保包蘭鐵路沙坡頭段40余公里的暢通無阻,中國科學(xué)院和鐵路相關(guān)單位于1956年開始相繼設(shè)計和逐步建立了“以固為主、固阻結(jié)合”防沙固沙體系[19]。其主要措施為(1)在流動沙丘上垂直于主風(fēng)向扎設(shè)機(jī)械阻沙欄；(2)在阻沙欄后設(shè)置1m×1m的麥草方格作為固沙屏障,在無灌溉條件下主要栽植檸條(Caragana korshinskiiKom)、油蒿(ArtemisiaordosicaKrasch.) 、花棒、小葉錦雞兒(CaraganamicrophyllaLam.)、沙拐棗(Calligonum arborescensLitw.)和沙木蓼(Atraphaxis bracteataA.Los.)等旱生灌木, 其株距與行距為1m×2m或2m×3m；(3)采用同樣的方法和模式分別于1964,1973,1982和1992年在沿鐵路兩側(cè)的區(qū)域(全長16km)進(jìn)行植物固沙。沿鐵路兩側(cè)形成了北側(cè)寬500—1000m,南側(cè)寬200—1000m的固沙植被防護(hù)帶。固沙植被建立初期,人工種植的灌木蓋度逐年明顯增加,從第2年的3%增加到15a的35%,隨后其蓋度又逐漸降低,固沙植被建立45a后,其蓋度約為的9%, 此后灌木蓋度基本保持在8%—10%。深層土壤水分在固沙植被建立初期約為5%左右,當(dāng)固沙植被建立15a后,深層土壤水分下降明顯,約為3.5%左右,而當(dāng)固沙植被建立40余年后,深層土壤水分降低減緩,且逐漸穩(wěn)定在3%左右[2]。早期的人工固沙植被經(jīng)過大約60多年的演替,逐漸形成了穩(wěn)定的植被群落,這為研究固沙植被的動態(tài)模型提供良好的基礎(chǔ)。

1.2數(shù)據(jù)來源

本研究選取1956,1964,1982年固沙植被區(qū)和流沙區(qū)作為研究樣地,以1982—2012年樣方監(jiān)測的人工植被、土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)為研究材料。其中,土壤水分的測定是分別在不同年代的固定沙區(qū)和流沙區(qū)設(shè)置10個樣方,每個樣方設(shè)置3個取樣點,在每個點分別測定0—300cm深的土壤水分含量,共包括16個土層：0—10、10—20、20—40cm,然后每間隔20cm測定1次[20]。土壤水分的測定在2000年以前采用土鉆取樣稱重法測定,2000 年以后采用中子水分測定法[19],為了統(tǒng)一計量標(biāo)準(zhǔn),將2000年以后的土壤體積含水量轉(zhuǎn)換成重量含水量(體積含水量/容重)。同時根據(jù)固沙植被的根系分布規(guī)律[21-22],將0—40cm深的土壤水分作為淺層土壤含水量,該層主要分布著草本植物的根系；40—300cm層含水量作為深層土壤含水量,該層主要分布著木本植物灌木和半灌木的根系。固沙灌木蓋度的調(diào)查均在土壤水分監(jiān)測樣方中進(jìn)行,調(diào)查時間為每年9月底—10月初,樣方大小為10m×10m。生物土壤結(jié)皮的蓋度采用點針法估算得到[13]。降水?dāng)?shù)據(jù)來自位于沙坡頭站固沙植被區(qū)氣象站從1955運行至今的觀測資料。

2固沙灌木演替動態(tài)模型

2.1固沙灌木蓋度動態(tài)模型

許多研究表明,灌木幼苗的根系和草本植物的根系在土壤表層有大量的重疊部分,但沙區(qū)灌木的蓋度主要取決于成年灌木個體[23-26]。根據(jù)Walker等人的生態(tài)位分化理論,灌木的蓋度主要受到深層土壤水分的制約而草本植物的蓋度主要受表層土壤水分的制約[27-28]。同時野外調(diào)查實驗的結(jié)果也表明了同樣的結(jié)論[29]。因此我們假設(shè)深層土壤水分是沙區(qū)灌木蓋度唯一的限制因子,其他限制因子(如放牧、土壤養(yǎng)分等)都隱含在灌木蓋度的增長率和死亡率中。基于上述假定,利用種群動態(tài)模型描述灌木蓋度的動態(tài)變化規(guī)律,即

(1)

2.2深層土壤水分動態(tài)模型

由于人工騰格里沙漠人工植被區(qū)的地下水埋深達(dá)60m,灌木幾乎無法利用,因此降雨是該地區(qū)土壤水分的唯一來源。同時,隨著流沙的固定10a后,在沙面上逐漸形成了以藍(lán)藻(如Hydrocoleus violacensGom.,Microcolous vaginatusGom., Nostocsp.和PhormidiumambgumGom.等)為優(yōu)勢的結(jié)皮, 40a后出現(xiàn)了地衣(如Collema coccophorumTuck.,Collema tenaxAch., Diploschistes muscrumHoffm.Tomin和Endocarpon aridumP.M.McCarthy等)和蘚類(如Bryum argenteumHedw., Didymodon vinealisZand., Tortula bidentataBaiXueLiang和TortuladesertorumBroth.等)的混生結(jié)皮[2]。生物土壤結(jié)皮的出現(xiàn)和演替顯著地降低了降水的入滲[2],使得沙區(qū)深層土壤水分的水文過程發(fā)生了顯著地變化。因此沙區(qū)深層土壤水分的變化等于降雨對深層土壤水分的補(bǔ)給量減去生物土壤結(jié)皮對深層土壤水分入滲的阻滯量減去灌木自身生長所消耗的深層土壤水分。因此,深層土壤水分的動態(tài)模型可以表示為：

(2)

式中,S表示深層土壤水分；P表示降雨量；Z表示生物土壤結(jié)皮的蓋度；T表示灌木的蓋度；F(P) 表示降雨對深層土壤水分的補(bǔ)給函數(shù),其函數(shù)形式可通過流動沙丘上深層土壤水分和年降雨量的相關(guān)分析得出；G(Z) 表示生物土壤結(jié)皮對深層土壤水分入滲的阻滯函數(shù),假定生物土壤結(jié)皮對深層土壤水分入滲的阻滯量生物土壤結(jié)皮的蓋度成正比,即G(Z)=αZ(t),式中Z(t)為生物土壤結(jié)皮蓋度隨時間變化的函數(shù)；H(T) 為灌木生長消耗的深層土壤水分,假定灌木消耗的深層土壤水分量與灌木的蓋度成正比,即H(T)=βT,β為比例因子。

2.3固沙灌木影響深層土壤水分動態(tài)模型

將固沙灌木蓋度動態(tài)模型(1)和深層土壤水分動態(tài)模型(2)耦合可得固沙灌木影響深層土壤水分動態(tài)模型：

3)

(3)式耦合了固沙灌木蓋度的動態(tài)變化和深層土壤水分的動態(tài)變化,同時考慮了生物土壤結(jié)皮對深層土壤水分入滲量的影響。將深層土壤水分制約下灌木蓋度的增長率函數(shù)g1(S)、灌木自身的增長率函數(shù)g2(T)、灌木的死亡率函數(shù)d(T)、生物土壤結(jié)皮對深層土壤水分入滲的阻滯函數(shù)G(Z)以及灌木生長消耗的深層土壤水分函數(shù)H(T)的具體形式代入(3)式得：

(4)

式中,T(0)=3表示固沙植被蓋度的初值,S(0)=3.22表示固沙植被建立初期深層土壤水分的初值。

3結(jié)果與分析

3.1降水對深層土壤水分的補(bǔ)給函數(shù)

通過1982年以來32年流沙區(qū)深層土壤水分和年降水量數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),深層土壤水分與年均降水量具有顯著相關(guān)性,其皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.6824(p<0.001) 。進(jìn)一步線性回歸分析建立了年降水量P與深層土壤水分的回歸方程(圖1),回歸方程的表達(dá)式為：

F(P)=1.258+0.0083P

(5)

其中,回歸方程的相關(guān)系數(shù)為：R2=0.4656,P<0.001,回歸方程具有顯著地統(tǒng)計學(xué)意義。

3.2生物土壤結(jié)皮的蓋度隨時間變化的函數(shù)

在沙坡頭人工固沙區(qū),隨著流沙的固定,沙面上逐漸形成了以藍(lán)藻為優(yōu)勢的生物土壤結(jié)皮,生物土壤結(jié)皮的蓋度和種類也隨著固沙植被的拓殖逐年增加。為了簡單起見,將生物土壤結(jié)皮的蓋度簡化為隨時間變化的函數(shù)。因生物土壤結(jié)皮的蓋度不會無限制的增長,利用Michaelis-Menten模型(米氏方程)描述生物土壤結(jié)皮蓋度Z隨時間變化的關(guān)系：

(6)

根據(jù)已收集的生物土壤結(jié)皮蓋度隨時間變化的數(shù)據(jù),利用Matlab(Matlab2014a8.3.0.532) 軟件進(jìn)行非參數(shù)擬合得(6)式的各個參數(shù)為(圖2)：d1=67.39,95%的置信區(qū)間為(52.23,82.55);d2=13.53,95%的置信區(qū)間為(4.47,22.59);相關(guān)系數(shù)R2=0.9625 。

圖1　流沙區(qū)深層土壤水分與年降雨量的關(guān)系　Fig.1　The interactions between deep soil moisture and yearly precipitation in mobile sand dunes

圖2　生物土壤結(jié)皮蓋度隨時間的變化　Fig.2　The dynamics of biological soil crusts (BSC) coverage varied with time

3.3固沙灌木影響深層土壤水分動態(tài)模型的模擬

將降雨對深層土壤水分的補(bǔ)給函數(shù)F(P)和生物土壤結(jié)皮的蓋度隨時間變化的函數(shù)Z(t)代入(4)得：

(7)

利用已經(jīng)得到的56a的深層土壤水分和灌木蓋度的觀測數(shù)據(jù),模擬得到騰格里沙漠東南緣沙坡頭地區(qū)人工固沙植被區(qū)灌木蓋度和深層土壤動態(tài)變化規(guī)律(圖3和圖4),模型參數(shù)的估計采用近似貝葉斯估計法利用Matlab軟件(Matlab2014a8.3.0.532)得到,模型參數(shù)為：a1=2,a2=0.6,b1=0.3,b2=0.5,c1=0.2,c2=0.7,α=0.05,β=0.03 。

圖3　深層土壤水分隨時間的動態(tài)變化Fig.3　The dynamics of deep soil moisture varied with time

圖4　灌木蓋度隨時間的動態(tài)變化Fig.4　The dynamics of shrub coverage varied with time

由圖3可以看出,深層土壤水分從第2年(4.86%)開始急劇減少,至第13年左右達(dá)到最小值(1.57%),隨后深層土壤水分在2.58%(±0.2%)左右小幅波動。由圖4可以看出,灌木蓋度從第2年(3.36%)開始逐年增長,至第10年達(dá)到最大值(35.42%),隨后灌木蓋度開始急劇減少,40a以后灌木蓋度逐漸穩(wěn)定在(10±0.9)%。結(jié)果表明,灌木蓋度和深層土壤水分最終均達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài),且不依賴于初值。這些結(jié)果與該地區(qū)長期觀測數(shù)據(jù)基本吻合。

4討論與結(jié)論

4.1植被對深層土壤水分的影響

在固沙植被建立初期,由于灌木的蓋度較小、地表草本植物稀疏、生物土壤結(jié)皮層很薄且蓋度很小,固沙植被對深層土壤水分的動態(tài)影響較小。隨著植被中灌木、草本和隱花植物蓋度的增加和發(fā)展,植被冠層對降水的截留可達(dá)27%[30],生物土壤結(jié)皮層的增厚和演變(藍(lán)藻結(jié)皮被以蘚類結(jié)皮為優(yōu)勢的結(jié)皮所替代)顯著的降低了降水的入滲[14]；此外,隨著灌木根系系統(tǒng)的發(fā)展使深層(40—300cm)土壤水分被大量利用,且因入滲的減少而得不到足夠的降水補(bǔ)給,進(jìn)而使深層土壤水分明顯下降(圖3)。隨著深層土壤水分的降低和固沙植被的演變,一些灌木種在群落中消減,灌木在群落中維持較低的蓋度(圖4),致使灌木層減少了對降水的截留和對深層土壤水分的利用；此外,生物土壤結(jié)皮層的大量生物干擾,如沙蜥、螞蟻和其他微小動物的活動,又在一定程度上增加了降水的入滲[31],使深層土壤水分得到了一定的補(bǔ)給而能夠維持并穩(wěn)定在一定的范圍。

4.2深層土壤水分動態(tài)對固沙灌木的影響

深層土壤水分的動態(tài)變化直接影響著固沙灌木的組成和動態(tài)變化過程。在固沙植被建立前的流沙區(qū),深層土壤水分和年降雨量具有顯著的線性相關(guān)性(圖1),隨著固沙植被的建立(包括生物土壤結(jié)皮的拓殖),使得深層土壤水分得到的降水補(bǔ)給減少,表層的持水能力增加,年降雨量和深層土壤水分的相關(guān)性發(fā)生了顯著的改變,這些變化相應(yīng)的驅(qū)動著固沙植被的演替和動態(tài)變化。當(dāng)固沙植被建立15a后,深層土壤水分下降明顯(圖3),以草本層為優(yōu)勢的群落替代了原來結(jié)構(gòu)相對簡單的灌木群落；當(dāng)固沙植被建立40余年后,初步形成了穩(wěn)定的生物土壤結(jié)皮群落(圖2)和灌木群落(圖4),深層土壤水分降低減緩(圖4),且趨于穩(wěn)定,使得灌木蓋度也逐漸穩(wěn)定在10% (±0.9%)左右。

4.3土壤水分的植被承載力

土壤水分的植被承載力是衡量某一地區(qū)固沙植被重建的重要依據(jù),可以定義為有限的土壤水分所能承受固沙植被的最大荷載,其可以用植被的相關(guān)屬性進(jìn)行量化表述[2]。當(dāng)新的植被-土壤水分平衡達(dá)到時,在給定降雨條件下形成的植被的穩(wěn)定性特征與土壤水分平衡是確定植被承載力的重要依據(jù)。模型的結(jié)果表明,在年均降雨量為186mm的騰格里沙漠沙坡頭地區(qū),灌木和生物土壤結(jié)皮的蓋度分別維持在10%和60%,深層土壤水分維持在3%左右,反映了該地區(qū)土壤水分的最大植被承載力。因此,未來在這一區(qū)域?qū)嵤┲脖恢亟〞r,遵循灌木蓋度和生物土壤結(jié)皮的蓋度不宜超過上述閾值,是確保固沙植被穩(wěn)定和固沙效益持續(xù)的重要前提。

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基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助(2013CB429900); 中國科學(xué)院西部之光在職博士項目；甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)盛彤生基金(GSAU-CX1121)

收稿日期:2015- 06- 29;

修訂日期:2015- 11- 30

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: zhangdh@gsau.edu.cn

DOI:10.5846/stxb201506291332

SimulationstudyontheeffectsofsandbindingshrubonthedeepsoilwaterinarecoveredareaonthesoutheastfringeofTenggerDesert,NorthChina

ZHANGDinghai1,2,*,LIXinrong1,CHENYongle1

1 Shapotou Desert Research and Experimental Station, Cold and Arid Regions Environmental and Engineerring Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China 2 Center for Quantitative Biology, College of Science, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China

Abstract：Shrubs were the most important dominant plants in desert areas of China. Sand binding shrubs not only are vital to stabilize sand dunes in the desert, but also are beneficial to improve ecological restoration in the desert ecosystem. Based on a long-term monitoring and study(>50 years) at the Shapotou Desert Research and Experimental Station,which is located on the southeast edge of the Tengger Desert, we simulated the processes of the cover of sand-binding shrub and deep soil water content using an eco-hydrological model. The model revealed that the establishment of sand-binding shrub resulted in change in the hydrological processes comparing to the mobile sand dunes. The cover of sand-binding shrub and deep soil water content had reached to a new equilibrium after 50 years the sand-binding shrub established. The balance was the cover of sand-binding shrub remained stable at (10±0.9)% and the deep soil water content remained stable at (2.58±0.2)%. In the Shapotou area of the Tengger Desert, the coverage of shrubs and biological soil crust were about 10% and 60% respectively, and the deep soil water content maintained at 3%, reflecting the maximum soil water carrying capacity of the vegetation.

Key Words:sand binding shrub; shrub cover; deep soil water; Eco-hydrological model;Tengger Desert

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