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，王強強，張大彪，唐進年，劉世增

(甘肅省荒漠化與風沙災害防治重點實驗室/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，王強強，張大彪，唐進年，劉世增

(甘肅省荒漠化與風沙災害防治重點實驗室/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行積沙帶治理與評價的重要前提條件之一。在對整個河西走廊綠洲外圍農(nóng)田防護林積沙帶全面踏查的基礎上，對所選中的9個縣(區(qū)、市)共計21個典型積沙帶樣點的土壤水分空間分布特性進行了研究，并利用單變量多因素方差分析對影響土壤水分空間分布差異的因素進行了分析。研究結果表明：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微地形對整個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坡最高，但在沙丘頂部與背風坡間的差異不顯著；④河西走廊積沙帶土壤含水量與日照時數(shù)呈顯著負相關，與降雨量和空氣相對濕度顯著正相關，相關性程度依次為年平均日照時數(shù)>年平均降水量>年平均相對濕度。

甘肅河西走廊自古就是我國重風沙危害區(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，取得了顯著成效，但同時在沙區(qū)綠洲邊緣的上風向也形成了一條積沙帶。作為防風固沙造林的副產(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，對于積沙帶應該采取何種有效的生態(tài)修護措施，國內(nèi)外有關方面的研究幾乎是一個空白[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)結構與功能的重要環(huán)境因子[2]。土壤水分狀況對土壤物理性質和植被生長狀況有重要影響。對植物的生長而言，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，我國學者對不同地區(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構的關系等進行了大量的研究[5-13]。積沙帶作為綠洲外圍防風固沙林和機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行積沙帶本底研究的基礎，也是進行積沙帶治理與評價的重要前提條件之一。

我們在對河西走廊東端的古浪至走廊最西端的敦煌地區(qū)進行踏查的基礎上，對其中積沙帶地貌類型顯著的9個縣(區(qū)、市)共計21個典型積沙帶進行了選點取樣，對積沙帶土壤水分的水平和垂直空間動態(tài)變化及主要氣候因子對土壤水分的影響進行了研究，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5市，共轄20個縣(區(qū)、市)。走廊南側為祁連山脈，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)域屬干旱區(qū)，最西端的敦煌、瓜州屬于極端干旱區(qū)。

2研究方法

2.1野外調查與樣品采集

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

表1　河西走廊各地區(qū)積沙帶樣點分布

為免受降水影響，調查時間分別選擇在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行，采用手持GPS測定每個積沙帶的地理位置、海拔與坡向，并記錄每個積沙帶的地貌類型及形成積沙帶的防護林類型。土壤含水量的測定采用剖面取樣烘干法(105 ℃)，土壤取樣深度共分5個層次：0(表層)、10、30、50和100 cm。在每個選定積沙帶的迎風坡底部和中部、背風坡中部和底部(因為積沙帶的特殊成因，其背風坡底部基本為防風固沙林的邊緣，所測數(shù)據(jù)不能很好地代表積沙帶的土壤含水量，所以只在距離防護林較遠的古浪和高臺進行了背風坡底部的取樣)、沙丘頂部、迎風坡丘間地(農(nóng)田邊緣)，測定每個樣點的土壤含水量。

2.2數(shù)據(jù)分析

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

3結果與討論

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個區(qū)域間差異不顯著外，其他各個區(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，所以在以后的結果和討論部分都未再對其進行分析和討論。

從圖2對河西走廊各個區(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個區(qū)域的表層含水量在各個土層間基本是最低的(瓜州的迎風坡底部的表層除外，因為其緊挨農(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土層時顯著增高，在30或者50 cm 處達到最高值，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、瓜州和敦煌積沙帶的土壤含水量在10 cm時相比表層土并未呈現(xiàn)出顯著增加(敦煌迎風坡中部除外)，土壤含水量在0～50 cm內(nèi)基本是隨著土層的加深而增加(以迎風坡底部的變化趨勢最為明顯)，這應該與這4個地區(qū)更高的日照時數(shù)有關。另外，從圖3來看，整個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，這是因為河西走廊農(nóng)田邊緣的積沙帶多為流動沙丘，流動沙地表層土壤顆粒粗大，質地疏松，持水保水能力較差，對降雨的截留較少[14-15]，降雨后水分在勢能梯度的作用下會逐漸入滲與蒸發(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]對民勤綠洲區(qū)土壤含水量的研究結論相一致，即由表層向下土壤含水量呈逐漸遞增的趨勢，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。

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

微地形對河西走廊整個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，各個地區(qū)積沙帶的土壤含水量基本是在迎風坡的中部和底部要顯著高于背風坡的中部以及沙丘頂部(P<0.05)，但迎風坡中部與迎風坡底部之間的差異不顯著(P>0.05)，沙丘頂部與背風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坡顯著地高于沙丘頂部和背風坡，這是因為積沙帶作為農(nóng)田邊緣防風固沙造林的副產(chǎn)物，它自身也具有阻沙的效果，起風時，沙粒自迎風坡吹揚而在背風坡堆積，從沙丘頂部至背風坡的土壤組成都為外移的風沙土，所以在淺層土壤內(nèi)，積沙帶迎風坡土壤含水量最高，沿著沙丘走勢土壤含水量逐漸降低，在背風坡中部達到最低。根據(jù)這一結論，對積沙帶進行植被治理時，應首先考慮土壤水分條件較佳的迎風坡。

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主要氣象因子中，日照時數(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　主要氣象因子多年(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濕度、年平均降水量呈顯著正相關，與各地的年平均日照時數(shù)呈極其顯著負相關，其中與年平均日照時數(shù)的相關性最大，其次為年平均降水量，表明日照時數(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)域分布特征的主導因子。土壤水分具有異質性，研究尺度不同，主控因子也會不同[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、地下水位及植被結構的影響[4,10,18-22]。對民勤所做的試驗結果顯示，當?shù)叵滤裆畛^1 m時，地下水補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。但作為一個特殊的生態(tài)系統(tǒng)，對積沙帶進行治理及對農(nóng)田防護林體系的利弊進行評價還需要結合水、土、氣、生進行全方位的探討，如積沙帶的土壤理化性質、植被狀況及移動規(guī)律等還有待于進一步的研究。

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(責任編輯徐素霞)

[中圖分類號]S152.7

[文獻標識碼]A

[文章編號]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)學研究。

[收稿日期]2015-09-21

[關鍵詞]積沙帶；土壤含水量；微地形；綠洲邊緣；河西走廊