寧夏東部荒漠草原灌叢引入對土壤水分動態及虧缺的影響

趙亞楠,于 露,周玉蓉,王紅梅,2,*,馬千虎,陸 琪

1 寧夏大學農學院, 銀川 750021 2 西北退化生態系統恢復與重建教育部重點實驗室, 銀川 750021

草地灌叢化在過去的160年里普遍發生在全球干旱半干旱的草原生態系統[1- 2]。目前研究表明,氣候變化(降雨格局改變、溫度升高和CO2濃度上升)、土壤質地、過度放牧、火燒頻率/強度降低及大氣氮沉降等生物因素與非生物因素是植被群落自然轉變的主要誘導原因[1,3- 4],其根本原因在于灌叢對土壤水分競爭占優勢,使得草本可利用的土壤水分減少進而被抑制或退化[5],旱生灌木愈加適應干旱環境,最終導致荒漠草原植物群落向灌叢化轉變[6]。特別是在干旱、半干旱地區,土壤水分作為關鍵性限制因子,影響著植物群落生產力、植被格局和土壤侵蝕、碳氮轉化,決定著生態系統過程和功能的體現,而在全球氣候變化的大背景下,一些荒漠草原地區人為引入大量旱生灌木,可能會加速該地區的灌叢化進程[7]。

土壤水分在土壤-植被-大氣連續體(Soil-Plant-Atmosphere Continuum,SPAC)中占據重要地位,尤其是在降雨稀少的荒漠草原,決定著區域整體植被的長勢及能否存活,而灌木/木本植物入侵草原會打破原有生態系統的平衡與穩定,改變草地生態系統的功能與服務,對土壤水分及其物理性質產生重要影響[8- 9]。灌木入侵相對均一的草原影響原生植物的結構與功能,增強地表景觀時空異質性,改變地表土壤資源(水、碳、氮等)分配,使其在灌叢下方聚集,產生“沃島效應”[10],改變土壤水分的空間分布及流動方向[11],而這種正反饋則導致土壤資源的再次分配,也加速了不可逆轉的灌叢化進程[12]。自20世紀七八十年代起,為緩解荒漠草原退化,蒸騰速率低、抗逆性性強的旱生灌木錦雞兒屬檸條(Caraganakorshinskii)被廣泛應用于干旱、半干旱地區的生態修復工程[13]。但是由于人工灌叢引入配置模式不合理,表現為物種選擇不當、種植密度過大和群落生產力過高[14],造成土壤含水量較低、水量失衡等問題,導致不同層次土壤水分出現不同程度的虧缺現象[15],在一定程度上改變其生態水文過程。多年人工引入灌叢使得草原土壤與植被呈現出明顯的異向演變格局,且隨著土壤水分條件的不斷惡化,出現“土壤干層”[16],有可能導致區域土壤退(旱)化和植被衰敗甚至大面積枯死。目前,國外關于土壤水分與灌叢化已有大量研究,如Duniway等[17]在北美Chihuahuan沙漠研究了灌叢和灌叢間隙土壤水分有效性的時空格局及對干旱草地恢復的影響；Moran等[18]研究了灌叢和灌叢間隙對降水脈沖的水文響應；Pockman等[19]研究了夏季暴雨對草地-灌叢過渡帶中草地和灌木的土壤水分的影響。上述研究多集中于自然入侵形成的灌叢化草原[3- 4,17- 20],國內在黃土丘陵區對人工植被(喬灌木)與土壤水分的研究也比較多[16,21],但對人為引入灌叢的荒漠草原(年均降水量小于300 mm)報道較少,特別是在不同時空梯度下人為引入灌叢對土壤水分動態及虧缺的研究則更少。

為此,根據寧夏荒漠草原人工灌叢引入植被恢復引發的土壤水分矛盾這一現狀[22],采用時空替代法對寧夏荒漠草原草地-放牧-不同年限(間距)灌叢引入過程中的土壤水分動態進行模擬和虧缺程度的定量化評價,揭示人為引入灌叢檸條對土壤水分的影響,以期為荒漠草原的人工植被合理建設及生態修復提供科學依據。

1 試驗地概況

研究區位于寧夏鹽池縣東北部花馬池鎮柳楊堡-十六堡一帶(37°5′—38°10′N,106°30′—107°39′E),屬于我國北方重要的農牧交錯帶。氣候屬典型的溫帶大陸性氣候,降雨稀少且時空分布不均,蒸發量大,年平均氣溫8.1°C,日照時數2863 h,年均無霜期160 d,年降水量250—350 mm,超過80%的降水分布集中在7—9月,年平均蒸發量2139 mm,年平均風速為2.8 m/s,大風(風速>17 m/s)主要發生在春季(圖1)。該地區植物共計331種,57科211屬,其中禾本科(Gramineae)46種,菊科(Compositae)39種,豆科(Leguminosae)36種,藜科(Chenopodiaceae)24種,草本主要植物種有：豬毛蒿(Artemisiascoparia)、白草(Pennisetumcentrasiaticum)、草木樨狀黃芪(Astragalusmelilotoides)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、狗尾草(Setariaviridis)、牛枝子(Lespedezapotaninii)、遠志(Polygalatenuifolia)。土壤類型主要是由灰鈣土為主,其次為砂質土,以及黃土、白漿土和鹽漬土,土壤結構松散,肥力低,含沙量大。植被類型有荒漠草原、沙生植被及大量的人工灌叢,自20世紀七八十年代起,該區域大量引入錦雞兒屬灌木檸條用于植被重建與生態修復,存林面積達51.8萬hm2,其中人工種植面積占94.12%,在近30年該區域植被、土壤的結構和功能發生了巨大變化[13]。

圖1 鹽池縣1986—2017年月平均降雨量及2017 年日最高、最低氣溫Fig.1 Average precipitation of Yanchi County from 1986 to 2017 and the maximum and minimum air temperature in 2017

圖2 研究區地理位置與采樣點分布 Fig.2 Location of the study area and the distribution of sampling sitesFY: 封育草地;FM: 放牧地;NX3: 種植3a;NX12: 種植12a;NX22: 種植22a;JJ40: 間距40m;JJ6: 間距6m;JJ2: 間距2m

2 研究方法

2.1 樣品采集

選取鹽池縣東北部具有代表性的封育草地/FY、放牧地/FM、不同種植年限(3a/NX3、12a/NX12、22a/NX22)灌叢檸條、不同間距(40 m/JJ40、6 m/JJ6、2 m/JJ2)灌叢檸條(90年代種植)(圖2),利用空間梯度代替時間梯度的方法來代表荒漠草原退化及人工灌叢引入恢復的不同階段和過程。即：1)草地-放牧-不同種植年限灌叢引入類型為封育草地/FY、放牧地/FM、3a灌叢/NX3、12a灌叢/NX12及22a灌叢/NX22；2)草地-放牧-不同種植間帶灌叢引入類型為封育草地/FY、放牧地/FM、40 m間帶灌叢/JJ40、6 m間帶灌叢/JJ6和2m間帶灌叢/JJ2。草地-放牧-不同年限、間距灌叢地基本概況見表1。在FY和FM隨機設置5個重復,不同種植年限、間距檸條灌叢地在帶間、帶內分別設置2個重復,采用時域反射儀(Time Domain Reflectometry,TDR)分層對土壤水分進行土壤體積含水量的長期定位觀測,觀測土壤深度為0—200 cm,每20 cm為一層,共10層,每根TDR管分別在4個方向讀表并記錄,每月觀測1—2次,用于土壤水分動態分析。在以上觀測樣點于2016年6月用土鉆鉆取土壤樣品,重復和TDR埋管數相同,采樣深度為0—100 cm,采樣間隔為20 cm,共計340個土樣,用于土壤水分虧缺分析。根據樣地多年土壤含水量的最低值界定為凋萎濕度[7]。采用烘干法(105℃,24 h)測定土壤含水量,采用環刀法測定田間持水量和土壤容重[23]。

表1 不同年限、間距灌叢引入過程樣地情況

2.2 數據分析方法

2.2.1土壤儲水量

土壤儲水量是指土壤中含水的絕對數量,其計算公式為：

式中,WS為土壤儲水量(mm)；Mi為土壤含水量(%)；Di為土壤容重(g/cm3)；h為土層深度(cm)；i為土層序列。

2.2.2單個樣地不同土層土壤水分虧缺程度評價

利用土壤水分相對虧缺指數(compared soil water deficit index,CSWDI),評價單個樣地不同土層土壤水分相對虧缺程度[21]。

式中,i為第i土層；CPi為對照樣地第i土層土壤濕度；SMi為樣地第i土層土壤濕度；WM為凋萎濕度。

2.2.3不同樣地間土壤水分相對虧缺程度評價

樣地土壤水分相對虧缺指數(plot compared soil water deficit index,PCSWDI),計算公式為[21]：

式中,SWScpi為對照樣地第i土層土壤儲水量；SWSi為樣地第i土層土壤儲水量；SWSwm為凋萎濕度對應的土壤儲水量；k為樣地總土層數。

2.2.4土壤有效儲水量(effective soil water storage,ESWS)

土壤有效儲水量是指田間持水量和凋萎濕度之間的差值；土壤含水量低于凋萎濕度、高于田間持水量的部分,均為無效水[21]。因此,土壤有效儲水量(ESWS)表達式為：

式中,ESWSi為第i土層有效儲水量(mm)；SWSFC為田間持水量對應土壤儲水量(mm)；FC為田間持水量(mm)。

2.2.5土壤水分相對虧缺量(deficit soil water storage,DSWS)

其計算公式為[21]：

式中,SWScpi為對照地第i土層土壤儲水量；SWSi為樣地第i土層土壤儲水量。

2.3 數據處理與分析

采用Excel 2007對原始數據進行基本處理,采用Origin 2018制圖,采用SPSS19.0進行單因素方差分析(one-way ANOVA),采用最小顯著差數法(LSD)進行多重比較(α=0.05)。圖表中數據為平均值。

3 結果與分析

3.1 不同年限、間距灌叢引入土壤水分垂直動態變化特征

圖3 草原-放牧-不同灌叢引入過程0—200 cm土層土壤水分垂直動態Fig.3 Vetical distribution of 0—200 cm soil moisture in the process of shrub introduction with different years and intervals 圖中數據為平均值

由圖3A可知,在草原-放牧-不同年限灌叢引入過程中,土壤水分垂直動態表明,FY、FM 0—200 cm土層中土壤平均含水量分別為13.42%和11.76%,顯著高于NX3、NX12、NX22灌叢地土壤水分(P<0.05),平均土壤含水量分別為9.44%、8.78%和8.18%；其中各樣地 0—100 cm土層較為穩定處于低值,土壤含水量為3.99%—11.54%,隨著土層的加深,100—200 cm的土壤水分呈波動增加,FY、FM土壤水分隨著土壤深度的增加呈顯著增加趨勢(P<0.05),為9.56%—22.56%,具顯著的垂直動態,而不同年限灌叢地土壤水分隨土層垂直動態不顯著,土壤含水量為3.99%—10.23%,顯著低于FY、FM(P<0.05)。

由圖3B可知,草原-放牧-不同間距灌叢引入過程中,FY、FM 0—200 cm土層中土壤平均含水量顯著高于JJ40、JJ6、JJ2土壤水分平均土壤含水量,分別為7.68%、7.84%和7.78%；其中各樣地 0—100 cm土層較為穩定處于低值,FY、FM的土壤水分(9.56%—22.56%)顯著高于其他不同間距灌叢地(7.11%—13.40%) (P<0.05),隨著土層的加深,100—200 cm的土壤水分呈波動增加具顯著的垂直動態,而不同間距灌叢地與不同年限灌叢地相似,深層土壤水分處低值,垂直動態不明顯,顯著低于FY、FM(P<0.05)。

3.2 不同年限、間距灌叢引入土壤水分季節變化特征

由圖4A可知,在草原-放牧-不同年限引入灌叢地水分含量具有顯著性差異(P<0.05),FY、FM地土壤水分季節動態表現為；春季返潮上升期到夏季生長消耗降低期(7—8月)進而秋季雨水補充增加期的變化趨勢,不同年限灌叢地由于深層土壤水分消耗較多,在春季土壤水分返潮效果較弱,表現為較低的土壤水分,FY、FM在3—4月春季返潮期土壤水分含量分別達到最高值16.09%和14.09%,而 NX3、NX12與NX22均土壤水分出現最小值,分別為6.99%、8.76%和7.41%,表現為春季返潮不強夏季消耗秋季雨水補充的季節動態變化；各樣地間土壤含水量差異較大,在3月最高值FY與最低值NX12土壤水分含量相差8.91%。在11月兩處理間相差4.59%,差值減少了4.32%,各個階段的草地土壤水分季節動態,由于地上植被的生長和地表蒸發,到達7—8月呈現土壤水分的最低值,不同年限引入灌叢引入土壤水分的季節動態無顯著差異,由于對土壤深層水分的消耗,使得春季土壤水分深層返潮效果較差,土壤水分顯著低于封育草地、放牧地低(P<0.05),7—8月以后,隨著降雨的增加,均呈上升趨勢,雖然季節動態一致,但不同年限引入的灌叢地土壤水分顯著低于封育草地和放牧草地,差值在3.67%—7.67%范圍內。

圖4 草原-放牧-灌叢引入過程土壤水分季節動態Fig.4 Season dynamics of soil moiture in the process of shrub introduction with different years and intervals

由圖4B可知,草原—放牧地—不同間距灌叢引入過程中,在不同間距灌叢地土壤水分含量具有顯著性差異(P<0.05),3—11月FY、FM土壤含水量均高于其他樣地,分別在12.92%—16.09%、11.11%—14.09%之間。其中FY、FM地土壤水分動態均呈現春季返潮上升期到夏季生長消耗降低期(7—8月)進而秋季雨水補充增加期的變化趨勢,不同間距灌叢地由于深層土壤水分消耗較多,在春季土壤水分返潮效果較弱,表現為較低的土壤水分,具體范圍在9.39%—12.04%、7.4%—10.02%、7.8%—10.82%。不同間距灌叢草地土壤含水量變化趨勢基本相似,在生長期(7—8月)始終處于較低值,分別為9.39%、7.89%、8.45%。隨著灌叢引入密度的增加,土壤含水量呈降低的趨勢,且顯著低于封育地和放牧地,土壤含水量差值范圍處于2.62%—8.51%；FY在4月土壤水分含量達到最高值16.09%,隨著時間的遞增土壤含水量呈先降低后逐漸趨于平緩；FM在4月土壤水分達到最高值為14.09%,隨時間的遞增較其他樣地變化平緩；JJ2、JJ6季節動態特征相似,均表現為春季返潮期含水量低,季節動態變化不顯著,而JJ40的春季返潮期土壤水分高于JJ2、JJ6,雖土壤含水量低于FY、FM地但與其具相似的季節動態。

3.3 不同年限、間距灌叢引入土壤水分相對虧缺特征

從圖5可以看出,不同年限、間距灌叢地0—100 cm土壤儲水量在117.73—208.20 mm,低于FY(323.07 mm)和對照樣地/FM(214.89 mm)。土壤有效儲水量表現為：隨著不同年限和間距灌叢引入均表現為先減少后增加,土壤有效儲水量均較低,在種植22a的灌叢地(NX22)和2m間距灌叢地(JJ2)0—100 cm土壤有效儲水量略有升高,分別為18.70和7.46 mm,但均低于FY(34.67 mm),但大于FM(-5.12 mm)。灌叢引入過程中土壤水分相對虧缺量除FY外,各年限、間距灌叢地均存在不同程度的虧缺,虧缺量在6.69—97.16 mm,JJ40的虧缺值最低。

圖5 草原-放牧-不同灌叢引入過程土壤儲水量虧缺Fig.5 Deficit amount of soil water storage in the process of shrub introduction with different years and intervals

CSWDI可明確表示樣地土壤剖面上不同層次土壤水分相對虧缺程度,CSWDI值越大,表明土壤水分虧缺越嚴重,若值小于0,表示土壤水分沒有虧缺[21]。圖6表示不同年限、間距灌叢0—100 cm不同土層土壤水分相對虧缺狀況。由圖6A可知,以退化放牧草地為對照,FY的CSWDI值波動較大,在20—40 cm 土層CSWDI值達到4.10,土壤水分含量低于凋萎濕度,土壤水分虧缺嚴重；40—80 cm土層CSWDI值為-14.36—-13.11,不存在水分虧缺,反而對水分有所補充；0—20 cm和80—100 cm輕微虧缺。NX22在0—20 cm土層虧缺最為嚴重,CSWDI值為12.10,20—40 cm土層土壤水分不虧缺,在40—100 cm土層變化相對不大,存在輕微水分虧缺。NX12除40—60 cm土層存在土壤水分虧缺,其余各層虧缺狀況均比較輕。而NX3在0—100 cm土層CSWDI值在-0.86—0.50之間,水分在40—60 cm土層得到補充,虧缺程度相對不大且較為穩定。由圖6B可知,JJ40在0—60 cm隨著土層深度的增加,水分虧缺程度也隨之增加,在60—80 cm處下降,但在80—100 cm處達到最大,CSWDI值為2.84,土壤水分虧缺較為嚴重。JJ2在0—100 cm均表現為水分虧缺,尤其在0—20 cm,CSWDI值為1.73,凋萎濕度大于水分含量,存在嚴重的水分虧缺。JJ6表層0—40 cm處CSWDI值為0.11和0.21,40—60 cm為5.11,土壤水分虧缺最為嚴重,60—80 cm輕微虧缺,80—100 cm的CSWDI值為1.68,土壤水分虧缺嚴重。

圖6 草原-放牧-不同灌叢引入過程土壤水分相對虧缺指數Fig.6 CSWDI variation in the process of shrub introduction with different years and intervals

樣地土壤水分相對虧缺指數適用于不同樣地之間土壤水分虧缺程度的對比,PCSWDI值越大,表明樣地土壤水分虧缺程度越高,若PCSWDI值小于0,則表明土壤水分有所補充[21]。以FM為對照樣地,FY的PCSWDI值小于0,而不同年限、間距PCSWDI值均大于0,表明灌叢引入過程增加土壤水分虧缺。由圖7A不同年限灌叢PCSWDI值可以看出,隨著人工灌叢引入年限的增加,PCSWDI也呈緩慢增加趨勢,并在NX22達到最大,虧缺值為8.08。由圖7B不同間距PCSWDI值可以看出,隨著人工灌叢引入間距的減小,密度增大,經過22a的種植,JJ6灌叢地表現為最為虧缺,而 JJ2灌叢地相較于JJ40、JJ6虧缺減緩。

圖7 草原-放牧-不同灌叢引入過程土壤水分相對虧缺指數Fig.7 PCSWDI variation in the process of shrub introduction with different years and intervals

4 討論

4.1 荒漠草原灌叢引入過程中土壤水分動態變化特征

草地灌叢化是全球生態系統面臨的重要生態問題,對區域生態水文產生重要影響[4,10]。水分是干旱半干旱地區植被生長、恢復和重建的重要制約因素,影響著植物的生存、生長和發育,很大程度上決定了植被恢復和重建的可持續性[8]。土壤水分在大尺度上由氣候(降雨與氣溫)、植被類型和土壤質地等控制,而在小尺度上則受微地形(坡度、坡位、坡向等)、人為干擾(放牧、封育等)以及生物地球化學循環等因素的影響[24]。因此,許多外界環境因素的改變都能影響土壤水分,使之呈現出極其復雜的動態變化。

研究表明[25],一般而言,某一地區土壤水分時空變化具有其內在規律。氣候因素的季節變化,如降水、溫度、光照強度和蒸發,會引起土壤水分含量的變化。植物的生長具有季節性,隨著季節的變化植物對土壤水分的利用和植被覆蓋度的變化對土壤含水量有很大影響。大氣降水是當地土壤水分的唯一有效來源,土壤水分的季節性變化受到該地區降雨的強烈影響,從總體趨勢來看,土壤濕度的季節變化與當地氣候的季節變化基本一致(圖1與圖4)。在氣候和植被的綜合作用下,灌叢對深層水分消耗大,使得春季土壤返潮效果較差,春季到夏季階段土壤水分處于低值,均在7—8月達到最低值,雖然有降雨補充,但也只是補充了部分對土壤水分的消耗,很難像封育草地、放牧地深層土壤水分及時在春季返潮補充,因此,土壤水分存在春季微弱返潮、夏季消耗嚴重,秋季蓄積的季節規律,這與宋乃平等[22]在荒漠草原區人工檸條林的結果基本一致。這一現象可與揭示原生植被種子萌發由于春季土壤水分不足而造成最終的植物多樣性下降現象相關聯,說明灌叢引入下的深層土壤水分的消耗,降低了用于植被種子更新的土壤水分條件的要求[7]。

不同年限、間距灌叢恢復模式下土壤水分在表層(0—100 cm)波動幅度最大。究其原因是表層土壤受地面風力、降水、輻射影響,容易出現波動,而深層土壤(100—200 cm)受外界因素影響較小,因此波動幅度較小。由于檸條具有龐大的根系,由主根和多層側根組成,主根明顯,側根發達,入土較深[26],使得根系的在垂直方向和水平方向上覆蓋面增大,有利于吸收不同深度的水分,在其根部生長過程中與土壤發生強烈的相互作用,在土壤中形成了一系列相互連通的大孔隙,降雨事件過程中,水分到達地表后可通過大孔隙通道(由主根、側根、根毛生長擾動土壤產生)以優勢流的形式迅速滲入并貯存于深層土壤[27],因此深層土壤水分含量高于表層。本研究中在180—200 cm土層中,封育草地的水分含量最高,達到22.85%,灌叢檸條地在深層土層中土壤含量較天然草地水分含量低。在0—100 cm土層中,各樣地土壤水分含量動態變化強烈；在深層土壤100—200 cm土層中,灌叢地土壤水分動態變化較平緩,而封育草地與放牧草地土壤水分含量變化劇烈。這與前人的的研究基本一致[28,29]。一般來講,隨著深度的增加,土層平均含水量的逐漸穩定增加,但在本研究中土壤水分垂直動態表現為：隨著灌叢檸條年限增加和種植密度的增大,其根部的分布范圍擴大,吸水作用加強,加速了深層土壤水分的消耗和利用,使得100 cm以下土壤水分顯著低于封育草地和放牧地,最終影響土壤水分的季節動態。但長此以往,灌叢檸條地愈加干旱,會影響草本土壤種子庫中的物種萌發所需的土壤含水量以及土壤微生物礦化過程。

4.2 荒漠草原灌叢引入過程中土壤水分相對虧缺特征

在全球氣候變暖的環境背景下,荒漠草原區灌叢不合理的配置模式導致植被蒸騰和根系深層發育的吸水作用過度消耗土壤儲水量造成的土壤水分虧缺現象,給當地植被恢復和生態安全帶來新的挑戰[14,15,22]。因此,對土壤水分虧缺的定量化評價顯得尤為重要。利用WS、CSWDI、PCSWDI、ESWS和DSWS指標為土壤水分虧缺的定量化評價提供了科學的方法[21]。

本研究結果顯示,各年限、間距灌叢地均存在不同程度的虧缺(除14年封育草地),各年限、間距灌叢地0—100 cm土壤有效儲水量均不足20 mm,土壤水分嚴重虧缺。但隨著年限和密度的增大,年限22a的灌叢地和間距2m的灌叢地的土壤儲水量并未出現明顯虧缺,這是因為灌叢的樹齡和密度的不斷增大使得其生長已嚴重衰退對淺層土壤水分已沒有強烈的消耗作用,在有降雨補充的條件下,相比已沒有明顯的土壤水分虧缺,這與何福紅等[30]在黃土丘陵區的研究結果相同,造成土壤干化的植被衰退以后土壤水分能得到一定程度的恢復。不同年限、間距灌叢引入過程中不同土層均存在不同程度的水分虧缺,對照樣地/FM0—100 cm土層均存在虧缺,封育草地/FY20—40 cm存在虧缺,不同年限、間距灌叢地CSWDI值均大于0(除NX3的40—60 cm和NX22的20—40 cm),有研究證實[31],檸條根系主要集中在0—60 cm,可解釋本研究中灌叢檸條的垂直虧缺狀況。整體上,不同年限、間距灌叢地虧缺程度大于對照樣地/FM和封育草地/FY。檸條屬主側根均衡發育型[26],側根的發展隨主根的生長不斷遞增,主根能快速生長成較深的根系,隨之形成大量側根、根毛,正是這種獨特的根系構型有利于根系吸收深層土壤水分,造成灌叢地整體虧缺程度較高[32]。這與安文明等[33]對黃土丘陵區人工刺槐林地導致的土壤水分虧缺程度(以自然草地土壤水分為參考)結果一致。有研究表明[34],雖然大部分灌木更多利用深層水分,但也會利用10%—30%的淺層水分,因此灌叢地0—100 cm也存在水分虧缺；而封育草地20—40 cm卻也存在虧缺現象,其余各層均能有效補充水分,主要是由于經過14年的封育,草本的根系大多分布在20—40 cm,草本植物生長及發育消耗了大量的水分。一般情況下,天然草原水分消耗相對較少,能夠自我調節和維持土壤的水分平衡。隨著人工灌叢引入年限、間距的增大,PCSWDI也呈增加趨勢,說明其土壤水分虧缺程度越來越高,研究發現,檸條由于蒸騰作用和根系發育的強烈耗水,出現了較為嚴重的土壤虧缺[35,36],0—200 cm的土壤有效儲水量不足50 mm,PCSWDI值為0.65[15],本研究各年限、間距的PCSWDI平均值為2.22,土壤水分虧缺更為嚴重。這可能與荒漠草原更為稀少的降雨量、更低的植被蓋度和獨特的砂質土有關。但在2m間距灌叢地PCSWDI值出現降低,可能是檸條較強的抗逆性引起植被生理特性等一系列自適應調整,降低了土壤水分消耗。人為有意識引入灌叢檸條所引起的灌叢化雖然使得植株密度、蓋度和生物量增加,但也加劇土塘水分的消耗與利用,破壞了植物蒸騰耗水與環境供水能力間的水量平衡[37],使之處于嚴重的赤字狀態,造成不同程度的水分虧缺,最終可能導致荒漠草原土壤永久性干層的出現[13]。因此,在荒漠草原引入灌叢檸條必須因地制宜、適地(水)適樹(草),研究并遵循其生態閾值(生物量及水分),在不引起新的生態問題的基礎上進行合理的植被恢復。

5 結論

封育草地、放牧地的0—200 cm土壤含水量季節動態均表現為春季返潮、夏季消耗嚴重,秋季蓄積的季節規律,與兩者相比,不同年限、間距灌叢地出現春季返潮期效果微弱,顯著低于同期封育草地、放牧地土壤含水量,存在對深層土壤水分的消耗現象；灌叢引入過程中各灌叢地0—100 cm土壤有效儲水量為(-16.98—18.69 mm)均低于FY,雖在在種植22a灌叢地和2m間距灌叢地略有升高,但仍不足20.00 mm；除封育草地無顯著的虧缺外,引入過程中其他樣地均存在虧缺且各樣地不同土層CSWDI呈波動變化,隨著灌叢引入年限和密度的增大,PCSWDI值也隨之增加,土壤水分虧缺加劇。荒漠草原灌叢引入過程產生土壤水分過度利用,使得土壤水分虧缺,并加劇其深層土壤水分的消耗。