不同齡階梭梭根區土壤水分時空變化特征

朱 海,胡順軍,劉 翔,李 浩,李宜科

1 中國科學院新疆生態與地理研究所荒漠與綠洲生態國家重點實驗室, 烏魯木齊 830011 2 中國科學院大學, 北京 100049

不同齡階梭梭根區土壤水分時空變化特征

朱 海1,2,胡順軍1,*,劉 翔1,2,李 浩1,2,李宜科1,2

1 中國科學院新疆生態與地理研究所荒漠與綠洲生態國家重點實驗室, 烏魯木齊 830011 2 中國科學院大學, 北京 100049

土壤水是荒漠植被發育最主要的制約因子。不僅影響植物的生長和發育,還限制著植被的種類、數量和分布。梭梭作為北方荒漠區重要的固沙植物,研究梭梭林地土壤水分動態對其植被生存或恢復以及群落穩定性維持具有重要意義。鑒于少有學者研究過不同齡階梭梭根區的土壤含水率差異,于2014年2月至2014年11月,采用中子儀法和烘干法對0—400 cm沙層土壤含水率進行了原位觀測,分析了不同齡階梭梭根區土壤水分的時空變化規律。結果表明：(1)梭梭根區土壤水分時間變化可分為4個階段：2月下旬—3月下旬是土壤水分快速補給期,4月上旬—5月下旬是土壤水分均衡期,6月上旬—10月下旬是土壤水分耗損期,11月上旬—次年2月中旬是土壤水分穩定期；(2)梭梭根區0—50 cm土層,受降雨、融雪水入滲補給和蒸發的影響較大,土壤水分變異系數較大且隨深度增加迅速減小,50 cm以下土層變異系數較小且隨深度變化微??；(3)不同齡階梭梭根區剖面平均土壤含水率全年與春、夏、秋季均表現為：枯樹>成熟梭梭>中齡梭梭>裸地；(4)隨距梭梭樹干距離的增大(0—5 m范圍內),土壤含水率整體呈減小趨勢；降雨前后,梭梭根區淺層(0—10 cm)土壤含水率增量大于裸地土壤含水率增量。

梭梭根區；土壤水分；時空變化；古爾班通古特沙漠

土壤水分作為荒漠植被發育最主要的制約因子,不僅影響沙地植物的生長狀況,還限制著植被的種類、數量和分布[1-5],同時,植物生長也會影響土壤水分,尤其在干旱與半干旱地區[6]。沙地水分狀況是氣候、植被、地形及土壤因素等自然條件的綜合反映[7]。梭梭(Haloxylonammodendron)為藜科梭梭屬超旱生小喬木,是我國北方荒漠區重要的固沙植物。梭梭林地土壤水分狀況一直是北方沙漠地區水分循環研究的重點領域[8-10],研究梭梭林地土壤水分動態對其植被生存或恢復[11]以及群落穩定性的維持具有重要意義。

古爾班通古特沙漠降水稀少,蒸發強烈,地下水埋深大,植被生長對土壤水分的依賴性強。梭梭作為該地區的主要固沙植被,其生長發育很大程度上受制于土壤水分條件,同時又對土壤水分動態變化產生反饋[12]。盡管不少學者研究了該地區土壤水分及其與植被相互作用[13-15],但目前針對梭梭根區土壤含水率變化的研究較少,且少有學者研究過不同齡階梭梭根區土壤含水率差異。楊艷鳳[12]采用TDR探頭對1株典型大梭梭根區土壤含水率研究后認為,梭梭根區土壤存在“濕島”效應,且這種效應夏季比春季、雨后比雨前明顯。李君[16]研究融雪后古爾班通古特沙漠南緣表層土壤含水率的空間變異后發現,在梭梭個體尺度上,土壤含水率從冠下、經冠緣至灌木間地呈梯度遞減。周宏飛[17]等也對沙漠南緣沙丘不同季節不同部位土壤含水率進行了對比,認為沙丘土壤含水率有明顯季節變化和分層變化,植被和地形對土壤水分空間分異作用明顯,沙丘坡腳處及荒漠灌木梭梭根區始終存在土壤水分相對富集區。

本文基于前人的研究成果,在古爾班通古特沙漠南緣北沙窩沙區丘間地不同齡階的梭梭植株下面,布設土壤水分定位監測點,采用中子水分儀測定0—400 cm土層土壤含水率,分析不同齡階梭梭根區土壤水分時空變化規律,以期為古爾班通古特沙漠植被保護、受損生態系統的恢復與重建提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地位于古爾班通古特沙漠南緣北沙窩試驗場(44°22.63′ N,87°55.21′ E),地貌類型以樹枝狀沙壟為主,沙壟呈南北走向近平行排列,兩側不對稱,東坡陡西坡緩,高度為5—7 m,沙丘頂部有1 m左右的平緩流沙帶。年均氣溫6.6℃,年潛在蒸散量2 000 mm,年降水量100—150 mm。穩定積雪日數100—160d,最大積雪深度多在20 cm以上[18]。潛水位埋深9—10 m。土壤為典型沙漠風沙土,容重1.54—1.65 g/cm3。植被以梭梭(Haloxylonammodendron)、白梭梭(Haloxylonpersicum)為優勢種,還包括蛇麻黃(Ephedradistachya)、角果藜(Ceratocarpusarenarius)、沙蒿(Artemisiadesertorum)及眾多短命植物[14,19]。

1.2 試驗設計

于2014年2月份,在古爾班通古特沙漠南緣北沙窩試驗場丘間低地,選取一塊50 m×50 m左右的梭梭林樣地,樣地中梭梭蓋度為36%,密度為0.25株/m2,從中選取具代表性的梭梭8株,在距其基部20—30 cm處設置土壤水分監測點(埋設中子管)。參照里昂節夫,В.Л.等[20]對梭梭齡階(幼苗、幼林、中齡林、近熟林、成熟林和過熟林)的劃分,同時結合梭梭冠幅、株高、基徑和發育狀況[21],將梭梭分為成熟梭梭、中齡梭梭及枯死梭梭(枯樹)(表1),2#、5#、6#和9#土壤水分監測點對應成熟梭梭,1#、3#和8#土壤水分監測點對應中齡梭梭,4#土壤水分監測點對應枯死梭梭。并以裸地的7#和10#土壤水分監測點為對照。另外,選取2株相鄰10 m左右的成熟梭梭,在其中間以50 cm間隔,設置一排土壤水分監測點(11#—26#)(圖1)。

樣樹的選擇主要參考：(1)長勢良好,構型相似,沒有病蟲危害,沒有動物啃食跡象,沒有人為破壞；(2)樣樹與其它同種或不同種植物保持一定的距離,以減少種間或種內由于對空間資源競爭而產生的影響[22]。

表1 不同齡階梭梭的形態特征

梭梭根區土壤水分采用中子儀法測定,中子管(鋁管)埋設深度400 cm左右。通常10 d左右監測一次,測定深度為10、30、50、70、90、…、390 cm。相鄰梭梭中間土壤水分采用烘干法測定,在梭梭生長的春、夏、秋季各取土一次,測定深度為20、40、60、80、100、…、300 cm。質量含水率與體積含水率轉換關系為：θv=θm·ρ,θv為體積含水率(cm3/cm3),θv為質量含水率(g/g),ρ為容重(g/cm3)。

1.3 數據處理

將處于相同齡階梭梭根區的各觀測點土壤含水率的平均值作為該齡階梭梭的根區土壤含水率。采用Excel2003軟件,統計不同齡階梭梭根區的土壤含水率及其變異系數；采用Sigmaplot10.0及Surfer8.0軟件繪圖。

2 結果與討論

2.1 梭梭根區土壤水分的季節變化

圖2 不同齡階梭梭根區土壤水分季節變化Fig.2 Seasonal patterns of soil moisture in the root zone of Haloxylon ammodendron at different growth stages

圖2描述了成熟梭梭根區、中齡梭梭根區、枯樹根區和裸地整個監測剖面土壤含水率隨時間變化的過程。不同齡階梭梭根區與裸地土壤含水率呈現相同的時間變化趨勢。2月份,除表層外,整個剖面土壤含水率較低。由于積雪存在一定程度的凍融作用,使得表層土壤含水率較高。3月份開始,隨氣溫回升,地表積雪開始消融,淺層(0—50cm)土壤含水率開始顯著增大,并在整個春季(3—5月)都保持較高水平,而深層土壤含水率變化不大。到夏季,表層土壤含水率開始降低,除受降雨影響有一定波動之外,土壤含水率之后一直保持較低水平。而深層土壤,濕潤鋒逐漸下移,土壤含水率緩慢降低,但在整個夏秋季都保持在較高水平。到秋末冬初,土壤含水率降到較低水平,且在整個冬季基本不再變化。

由于融雪水入滲補給、降水入滲補給和蒸散發的共同作用,梭梭根區土壤水分變化過程可分為4個階段,2月下旬至3月下旬是土壤水分快速補給期,4月上旬至5月下旬是土壤水分均衡期,6月上旬至10月下旬是土壤水分耗損期,11月上旬至次年2月中旬是土壤水分穩定期。春季是古爾班通古特沙漠土壤水分變化最迅速的時期[17],早春地表積雪開始融化,冬季積雪融水和春季降雨迅速補充到沙漠土壤中,使土壤含水率迅速增大。4月份,梭梭開始萌芽,加之大量短命植物生長,蒸騰量隨葉面積增長而快速上升,而該時期融雪水的補給加上相對充足的降雨,土壤水分消耗與補給維持在一個比較均衡的水平。到6月份,融雪水基本消耗,梭梭達到旺盛生長階段,各種草本植物也大量生長,使得根區土壤水分消耗量大大增加,造成土壤水分一直處于消耗階段。在11月上旬,地表已被積雪覆蓋,氣溫較低,土壤凍結后土壤水由液態變成固態,此時梭梭已落葉停止生長,土壤水分消耗極少,整個冬季土壤含水率基本沒有變化。

2.2 梭梭根區土壤水分垂直變化

圖3描述了不同齡階梭梭根區全年土壤含水率均值及其時間變化變異系數隨深度變化的趨勢。由圖可見,0—50cm土層,土壤含水率較高且隨深度增加急劇減小。由于早春地表積雪開始融化,凍融作用交替進行,水分向凍土表面匯聚,凍結層阻礙了表層融雪水的入滲,往往使凍土層以上土壤水分處于飽和狀態[14],故而測得的表層土壤含水率很高,使得該層全年平均土壤含水率也較高。50cm以下土層,除各層土壤質地差異造成的含水率波動外,土壤含水率隨深度變化較小。

梭梭根區土壤水分的垂直變化,除受土壤質地、地下水埋深等影響外,還受融雪、降水、蒸發和風等多種因素的影響[23]。上層土壤受外界環境影響大,隨著深度的增加土壤所受的外界環境影響逐漸減弱。一般來講,隨著深度的增加,土壤含水率的時間變異程度逐漸減小。

由圖3可見,不同齡階梭梭根區土壤水分變異系數的變化規律呈現一致性。在0—50cm土層,土壤水分含量受融雪、降雨、表面蒸發等因素的影響顯著,融雪期,融雪水入滲使得淺層土壤含水率升得很高,后期受到蒸發等影響又降到很低,年內變化很大,降雨也會使得淺層土壤含水率迅速增加,隨蒸發逐漸加強又會迅速下降,因而變異系數很大；50cm以下土層,受氣象條件影響較小,土壤水分變異系數均低于0.1,且隨深度變化微小。

圖3 不同齡階梭梭根區全年土壤含水率均值及變異系數隨深度的變化Fig.3 Variations of soil moisture content and coefficient of variation with soil depth

2.3 不同齡階梭梭根區剖面平均土壤含水率的差異

由圖4可見,2014全年不同齡階梭梭根區剖面平均土壤含水率分別為：成熟梭梭0.046cm3/cm3,中齡梭梭0.044cm3/cm3,枯樹0.047cm3/cm3,裸地0.041cm3/cm3,根區土壤含水率高低表現為：枯樹>成熟梭梭>中齡梭梭>裸地。春、夏、秋季根區剖面平均土壤含水率差異與全年差異相一致。其中春季由于融雪水入滲的原因,使得整體土壤含水率略高。

梭梭根區土壤含水率主要受樹冠集流、蒸散和遮陰作用影響。樹冠集流補充根區土壤水分,遮陰作用減少冠層下水分蒸發,蒸騰降低根區土壤含水率。由于枯樹僅有樹冠集流作用,沒有蒸騰消耗,使得根區土壤含水率很高,且梭梭死亡之后樹干開裂,樹干基部與地面形成較大裂隙,進一步促進了水分的入滲。成熟梭梭和中齡梭梭由于蒸騰作用使得根區土壤含水率低于枯樹根區。就成熟梭梭與中齡梭梭相比,雖然其較大的樹冠造成了較大的蒸騰量,但其大的樹冠能匯集更多的雨水,加之樹冠的遮陰作用更強,使得根區含水率高于中齡梭梭。裸地則不存在相關效應且受太陽直接輻射,水分蒸發使得其土壤含水率最低。

圖4 不同齡階梭梭根區土壤含水率差異Fig.4 Variances of soil moisture content in the root zone of Haloxylon ammodendron at different growth stages圖中誤差棒為處于相同齡階梭梭根區剖面平均土壤含水率的標準差,枯樹為單株,無標準差

2.4 距梭梭基部不同距離處土壤含水率特征

由圖5可見,隨距梭梭樹干距離的增大,土壤含水率整體呈減小趨勢。距梭梭樹干50cm處,土壤含水率最高,在0—300cm剖面的土壤最高含水率為0.045cm3/cm3,最低含水率為00033cm3/cm3,平均為0.037cm3/cm3。隨距梭梭樹干距離增大,土壤含水率逐漸減小,到達距梭梭樹干500cm處的土壤含水率最小,在0—300cm剖面的土壤最高含水率為0.033cm3/cm3,最低為0.024cm3/cm3,平均為0.027cm3/cm3。

在梭梭根區,由于樹冠的集流作用及根區土壤的良好滲透性能,能使降水滲透得更深[13]。加之梭梭冠幅遮陰作用,使得梭梭根區土壤含水率更高。隨距樹干距離的增加,樹冠集流作用及遮陰作用影響越來越小,故而形成土壤含水率減小趨勢,這與李君等[17]的研究結果一致。

圖5 距梭梭基部不同距離處土壤含水率的變化Fig.5 Variations of soil moisture content with distance to the base of Haloxylon ammodendron

2.5 降雨前后梭梭根區與裸地土壤含水率的差異

梭梭林冠的降水再分配改變了降水時空分布格局[24]。在降水過程中,由于樹冠集流作用,雨水通過局部匯流補充了根區土壤水分,例如9月20日夜間發生了一次典型降雨,降雨量為5.1mm,雨前(9月11日)、雨后(9月21)土壤剖面含水率分布如圖6所示,且9月11日之前較長一段時間無降雨。由圖可見,降雨之后,地表淺層(0—10cm)土壤含水率明顯增大。降雨前后梭梭根區和裸地0—10cm土層土壤含水率的增量分別為 0.024cm3/cm3, 0.022cm3/cm3,梭梭根區土壤含水率增量大于裸地。

圖6 梭梭根區與裸地土壤含水率降雨前后的差異Fig.6 Variances of soil moisture content between the root zone of Haloxylon ammodendron and bare land before and after rainfall

3 結論

(1)梭梭根區土壤水分時間變化可分為4個階段：2月下旬至3月下旬是土壤水分快速補給期,4月上旬至5月下旬是土壤水分均衡期,6月上旬至10月下旬是土壤水分耗損期,11月上旬至次年2月中旬是土壤水分穩定期。

(2)梭梭根區全年平均土壤含水率的垂直變化表現為：0—50cm土層土壤含水率很高且隨深度增加而迅速減小,50cm以下,土壤含水率隨深度變化較?。粡臅r間變異性來看,0—50cm土層土壤水分變異系數很大,并隨深度變化急劇減小,50cm以下,土壤水分變異系數基本維持在0.1左右,且隨深度變化微小。

(3)不同齡階梭梭根區剖面平均土壤含水率全年與春、夏、秋季均表現為：枯樹>成熟梭梭>中齡梭梭>裸地。

(4)隨距梭梭樹干距離的增大(0—5m范圍內),土壤含水率整體呈減小趨勢。降雨前后,梭梭根區淺層(0—10cm)土壤含水率增量大于裸地土壤含水率增量。

致謝：文章修改過程中,得到中國科學院新疆生態與地理研究所李君副研究員的指導,謹此致謝。

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Spatio-temporal variations of soil moisture in the root zone ofHaloxylonammodendronat different life stages

ZHU Hai1,2, HU Shunjun1,*, LIU Xiang1,2, LI Hao1,2, LI Yike1,2

1StateKeyLaboratoryofDesertandOasis,XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademicofSciences,Urumqi830011,China2UniversityofChineseAcademicofSciences,Beijing100049,China

Soil water, as a major factor limiting vegetation in deserts, does not only affect the survival and growth of plants, but also the species abundance and distribution. To research the spatiotemporal variations of soil moisture content in root zone is vital for understanding the recovery, maintenance and the stability of plant communities in deserts. In the Gurbantunggut desert in northwestern China,Haloxylonammodendronas the dominant species plays an important role in dune stabilization. However, little is known about the effects of plant life stage on the variations of soil moisture content in the root zone forHaloxylonammodendron. In our study, soil water dynamics were monitored for eight typicalHaloxylonammodendronsindividuals in an inter-dune low land at the southern edge of Gurbantunggut Desert, each with a soil moisture monitoring point 20—30 cm away from the stem base. Another two points were set in the inter-shrub bare soil. In addition, 16 points were positioned two individuals with 10 meters away from each other. Thus there were totally 26 points. From February 2014 to November 2014, in-situ observations for soil moisture within 0—400 cm soil were performed by neutron probe method in combination with oven-drying method to explore the spatiotemporal variations of soil moisture in the root zone ofHaloxylonammodendronindividuals at different life stages. Results show that (1) the annual variation of soil water underwent 4 periods, i.e., recharging period (from later February to early March), equilibrium period (from early April to late May), discharging period (from early June to late October), and stable period (from early November to middle February of the following year); (2) soil water dynamics differed within profiles, with a higher coefficient of variation that decreases rapidly with depth in the top 50 cm soil layer, and a relatively constant coefficient for 50—400 cm soil layers; (3) the averaged soil moisture content at different life stages in spring, summer, fall, as well as in the whole year displayed a pattern in order of dead individual > adult individulal > young individual > bare soil; (4) soil moisture decreased gradually with the increasing distance to theHaloxylonammodendronbase stem within 5 meters; and (5) following rainfall events, the soil moisture content in 10 cm soil increased more in the root zone than in the bare soil.

root zone; soil moisture; spatio-temporal variation; Gurbantunggut desert

國家重點基礎研究發展計劃項目(2013CB429902)；國家自然科學基金-新疆聯合基金面上項目(U1303181)

2015- 09- 02;

日期:2016- 06- 13

10.5846/stxb201509021818

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xjhushunjun@aliyun.com

朱海,胡順軍,劉翔,李浩,李宜科.不同齡階梭梭根區土壤水分時空變化特征.生態學報,2017,37(3):860- 867.

Zhu H, Hu S J, Liu X, Li H, Li Y K.Spatio-temporal variations of soil moisture in the root zone ofHaloxylonammodendronat different life stages.Acta Ecologica Sinica,2017,37(3):860- 867.