趙 鑫,翟 勝,李建豹,孫樹(shù)臣
(1.聊城大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院,山東 聊城 252059;2.南京財(cái)經(jīng)大學(xué) 公共管理學(xué)院,江蘇 南京 210023)
水資源是中國(guó)干旱、半干旱地區(qū)植被恢復(fù)及生態(tài)環(huán)境改善的重要限制因子,土壤水分影響地表能量通量、物質(zhì)遷移及植物生長(zhǎng)狀況和演替[1-2]。目前,中國(guó)荒漠化和沙化土地仍占國(guó)土面積的27.20%和17.93%,且治理難度大[3]。加之降水稀少,蒸發(fā)量大,水資源匱乏[4],進(jìn)一步加劇了沙化土地的治理難度。
毛烏素沙地地處半干旱區(qū),沙丘廣布,風(fēng)沙活動(dòng)劇烈,生態(tài)環(huán)境脆弱,成為中國(guó)荒漠化最嚴(yán)重的地區(qū)之一[5-6]。自20世紀(jì)80年代以來(lái),國(guó)家在西北地區(qū)先后實(shí)施了“三北”防護(hù)林體系建設(shè)、退耕還林還草、防沙治沙等多項(xiàng)生態(tài)環(huán)境治理工程,植被恢復(fù)區(qū)生態(tài)環(huán)境得到有效改善[7]。研究[8-10]發(fā)現(xiàn),植被恢復(fù)后,區(qū)域內(nèi)土壤結(jié)構(gòu)改善,沙丘固定性增加,土壤水分不同程度提高。然而在人工生態(tài)林建設(shè)過(guò)程中由于缺乏對(duì)水分在土壤—植物—大氣連續(xù)體中的理解和認(rèn)識(shí),水資源匱乏導(dǎo)致人工林建設(shè)產(chǎn)生的生態(tài)效益日漸衰弱,加之沙漠治理的特殊性,經(jīng)濟(jì)很難得到可持續(xù)發(fā)展。目前相關(guān)研究大多集中在植被區(qū)土壤結(jié)構(gòu)改善[11]及不同沙丘類(lèi)型土壤水分動(dòng)態(tài)變化[12]。關(guān)于毛烏素沙地固定沙丘不同坡位條件下人工長(zhǎng)柄扁桃林土壤水分時(shí)空變化特征及蒸散耗水規(guī)律研究報(bào)道較少。土壤水分是半干旱地區(qū)植被生存與生長(zhǎng)的關(guān)鍵水源,也是緩沖氣候變化,緩解生態(tài)環(huán)境壓力等的重要參數(shù)。鑒于此,在毛烏素沙地東南緣陜西省神木市生態(tài)協(xié)會(huì)治沙造林基地內(nèi)選擇12 a齡人工長(zhǎng)柄扁桃林地建立土壤水分定位觀測(cè)小區(qū),于2018年7—10月連續(xù)監(jiān)測(cè)長(zhǎng)柄扁桃生長(zhǎng)季土壤水分,分析不同坡位條件下土壤水分的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征及蒸散耗水規(guī)律,以期為該區(qū)植被恢復(fù)及生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供理論依據(jù)。
研究區(qū)位于毛烏素沙地東南緣陜西省神木市生態(tài)協(xié)會(huì)毛烏素治沙造林基地(38°53′N(xiāo),109°22′E,海拔1 250~1 280 m)。該區(qū)屬溫帶大陸性干旱與半干旱地區(qū)過(guò)渡帶,年降水變化率較大,一般情況多雨年為少雨年的2~3倍,降水多分布在7—9月,占全年降水的60%~70%。盛行西北風(fēng),年均風(fēng)速為2.9~3.5 m/s。年均溫度為6~9 ℃,年平均蒸發(fā)量為2 100~2 600 mm,≥10 ℃積溫為2 500~3 645 ℃,年日照數(shù)2 800~3 100 h,無(wú)霜期130~160 d。土壤機(jī)械組成以砂粒為主,0—10 cm平均土壤容重為1.64 g/cm3。土質(zhì)疏松,在大風(fēng)及強(qiáng)降水作用下導(dǎo)致低植被覆蓋區(qū)及陡坡區(qū)易產(chǎn)生水土流失現(xiàn)象。該區(qū)域以灌木為主,主要灌木種有長(zhǎng)柄扁桃(Amygdaluspedunculata)、紫穗槐(Amorphafrutiocosa)、沙柳(Salixpsammophila)、油蒿(Artemisiaordosica)等,其中長(zhǎng)柄扁桃覆蓋率高達(dá)33%。在固定沙丘迎風(fēng)坡的坡中(上)表層有少量的生物結(jié)皮覆蓋,坡底冠層下生長(zhǎng)少量的草本植物。小區(qū)水源來(lái)自天然降水補(bǔ)給,無(wú)人工灌溉,其長(zhǎng)柄扁桃密度為0.25株/m2。坡頂與坡底相差10 m,迎風(fēng)坡坡度平均3.3°。
在毛烏素治沙造林基地內(nèi)以12 a齡長(zhǎng)柄扁桃林為研究對(duì)象,選擇典型固定沙丘的迎風(fēng)坡(坡上、坡中(上)、坡中(下)、坡底、坡頂)建立土壤水分定位觀測(cè)小區(qū)(見(jiàn)圖1),小區(qū)規(guī)格4 m×12 m,并在每個(gè)小區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)3根3 m長(zhǎng)中子管,用于監(jiān)測(cè)0—300 cm范圍內(nèi)土壤水分。在2018年7—10月期間,每月中旬利用北京超能科技有限公司CNC503 DR型中子儀測(cè)定土壤水分,并依據(jù)校正曲線(xiàn)計(jì)算土壤體積含水量[13]。0—100 cm范圍內(nèi)每隔10 cm測(cè)定1次,100—300 cm范圍內(nèi)每隔20 cm測(cè)定1次。氣象數(shù)據(jù)由小型全自動(dòng)氣象站自動(dòng)監(jiān)測(cè),包括大氣降水、溫度、濕度、風(fēng)速等。研究期內(nèi)(7—10月)總降水量為496.8 mm,占全年降水量的83.3%(全年596.3 mm)。
圖1 造林基地坡面土壤水分定位觀測(cè)小區(qū)示意圖
土壤儲(chǔ)水量(soil water storage,SWS)計(jì)算公式為:
(1)
式中:Ny為測(cè)定點(diǎn)土壤剖面測(cè)定層數(shù);ΔZ為土壤剖面水分測(cè)定間隔深度;θ為土壤體積含水量(soil volumetric moisture content,SWC);10為由cm轉(zhuǎn)化為mm的系數(shù)。本研究中,0—100 cm土層深度ΔZ=10 cm,100—300 cm土層深度ΔZ=20 cm。土壤水分蒸散發(fā)依據(jù)水量平衡原理進(jìn)行計(jì)算,本研究中灌水量I=0;土壤凝結(jié)水量(Cw)僅為0.031 mm[14],可忽略;因此水量平衡公式可簡(jiǎn)化為:
P+U=ET+D+R+ΔW
(2)
式中:P為降水量;U為地下水上升補(bǔ)給量;ET為蒸散發(fā)量;D為土壤水分滲漏量;R為地表徑流量;ΔW為計(jì)時(shí)段內(nèi)土壤儲(chǔ)水量變化,上述單位均為mm。毛烏素沙地地下水位在3—30 m范圍內(nèi)波動(dòng)[15],本研究中除坡底外均距地下水較深,且未能對(duì)U和D進(jìn)行有效測(cè)定,因此忽略U和D;沙地土質(zhì)疏松,入滲量大,難以形成地表徑流[16],本研究期內(nèi)亦未觀測(cè)到地表徑流,R=0。因此,公式(2)可簡(jiǎn)化為:
P=ET+ΔW
(3)
數(shù)據(jù)處理和繪圖制表在Excel及Origin 2018軟件中進(jìn)行,利用SPSS 25.0進(jìn)行K-S正態(tài)檢驗(yàn)。
迎風(fēng)坡不同坡位條件下0—300 cm范圍內(nèi)土壤含水量介于8.0%~12.5%(表1)。5種坡位條件下土壤含水量大小表現(xiàn)為:坡底>坡中(上)>坡上≥坡頂>坡中(下),說(shuō)明坡底土壤水分環(huán)境較好。不同坡位條件不僅土壤含水量之間有較大不同,其相應(yīng)的變異系數(shù)也存在差異。本研究通過(guò)變異系數(shù)(Cv)的大小來(lái)確定土壤含水量的變異程度,Cv≤10%屬于弱變異,10%
表1 迎風(fēng)坡不同坡位條件下0-300 cm土壤含水量的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征
各坡位條件下土壤含水量變異系數(shù)隨土層深度增加表現(xiàn)不同(見(jiàn)表2)。坡頂、坡上和坡中(上)變異系數(shù)隨土層深度增加先減小后增大,坡中(下)和坡底則相反。變異系數(shù)大部分介于18%~68%,屬于中等變異,只有坡底100—200 cm土層為124%,屬于強(qiáng)變異??傮w上看,在各坡位條件下土壤含水量在空間分布上差異較明顯。通過(guò)K-S正態(tài)分布檢驗(yàn),大部分坡位條件下在0—50 cm土層內(nèi)服從正態(tài)分布,在200—300 cm土層內(nèi)(除坡上外)均不服從正態(tài)分布。
表2 迎風(fēng)坡不同土層深度下土壤含水量統(tǒng)計(jì)學(xué)特征
土壤含水量動(dòng)態(tài)變化是氣候、地形、土壤質(zhì)地及植被等多種因素共同作用的結(jié)果[18]。不同坡位條件下土壤含水量垂直變化趨勢(shì)存在較大差異,坡位條件對(duì)固定沙丘長(zhǎng)柄扁桃林地0—300 cm土壤水分垂直變化動(dòng)態(tài)具有重要影響(見(jiàn)圖2)。隨土層深度增加,坡上和坡頂0—300 cm范圍內(nèi)土壤含水量表現(xiàn)出相似的垂直變化規(guī)律,均呈先增加后降低然后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì);坡中(上)和坡中(下)表現(xiàn)為先增加后降低再增加再降低的S形變化趨勢(shì);坡底雖表現(xiàn)出類(lèi)似于坡中(上、下)的S形變化,但200—300 cm土層土壤含水量呈急劇增加的變化趨勢(shì),明顯高于坡中(上、下)。相關(guān)研究表明,土壤含水量隨土層深度增加主要有4種變化形式:增長(zhǎng)型、降低型、穩(wěn)定型、波動(dòng)型[19],本研究亦發(fā)現(xiàn)相似的變化規(guī)律。
5種坡位條件下0—100 cm土層范圍內(nèi)土壤含水量受降水及蒸散耗水等因素影響波動(dòng)比較劇烈,特別是0—50 cm土層土壤含水量波動(dòng)更為劇烈,0—20 cm和20—50 cm土層變異系數(shù)除坡底外均高于50—100 cm土層(見(jiàn)表2),表明降水對(duì)0—50 cm土層范圍內(nèi)土壤含水量具有較大影響[20],隨土層深度的增加其影響程度逐漸降低。隨土層深度的增加,100—300 cm土層范圍內(nèi)坡頂和坡上土壤含水量逐漸降低并趨于穩(wěn)定,并在100—200 cm土層內(nèi)出現(xiàn)含水量的最小值,主要是由于該土層受降水補(bǔ)充有限,且距地下水為較深,長(zhǎng)柄扁桃處于生長(zhǎng)季耗水較多,易形成干土層[21],土壤含水量下降。坡中(上、下)100—300 cm土層范圍內(nèi)土壤含水量增加,其原因可能是由于該土壤水分監(jiān)測(cè)小區(qū)表層覆蓋少量生物結(jié)皮,在一定程度上對(duì)土壤水分散失起到一定的抑制作用[22];此外,在中子管布設(shè)過(guò)程中在180—220 cm土層之間發(fā)現(xiàn)有固定沙丘形成之前流動(dòng)風(fēng)沙覆蓋形成的腐殖質(zhì)層在一定程度上阻礙了上層水分的下滲并能有效保蓄水分,從而導(dǎo)致該層土壤水分呈增加趨勢(shì),并達(dá)到含水量的最大值(180—200 cm土層均值分別為15.3%和9.7%),之后逐漸降低。坡底100—300 cm范圍內(nèi)土壤含水量呈增加趨勢(shì)最后趨于穩(wěn)定,在240—260 cm土層范圍內(nèi)達(dá)到含水量的最大值(高達(dá)31.6%),可能是由于坡底距離地下水位較近,受地下水位影響較大。此外,由圖2還可以發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)柄扁桃生長(zhǎng)季內(nèi)0—300 cm土層范圍內(nèi)土壤水分波動(dòng)頻繁,土壤水分運(yùn)動(dòng)超出本研究中的3 m深度,表明在3 m范圍內(nèi)存在一定的土壤水分滲漏。而本研究中未能對(duì)U和D進(jìn)行有效觀測(cè),因此在未來(lái)的研究中,應(yīng)加U和D對(duì)土壤水分影響方面的研究,特別是坡底處受到U和D的雙重影響,土壤水分的變化可能更加復(fù)雜。以上分析表明,不同坡位條件下,土壤含水量在0—300 cm深度內(nèi)變化存在較大差別,其中深層土壤中坡底和坡中(上、下)較明顯。
圖2 2018年7-10月不同坡位條件下0-300 cm土壤剖面含水量
迎風(fēng)坡固定沙丘不同坡位條件下0—300 cm土層土壤儲(chǔ)水量均值在244.2~592.9 mm之間變化,差異較大(見(jiàn)表3),表現(xiàn)為:坡底>坡中(上)>坡上>坡頂>坡中(下)。從坡頂?shù)狡碌祝寥纼?chǔ)水量隨坡度延伸呈先增大后減小再增大的趨勢(shì)變化,這與土壤含水量變化趨勢(shì)相反。各坡位條件下變異系數(shù)介于12%~108%,坡底屬于強(qiáng)變異,其他4種均屬于中等變異。不同坡位條件下土壤儲(chǔ)水量時(shí)空分布差異較大,表明坡位條件對(duì)土壤儲(chǔ)水量空間分布影響較大,坡底對(duì)土壤儲(chǔ)水量空間分布影響較明顯。
表3 不同坡位條件下0-300 cm土壤儲(chǔ)水量統(tǒng)計(jì)特征值
不同坡位條件下灌叢小區(qū)蒸散耗水量均值在88.8 mm~161.2 mm之間變化,表現(xiàn)出較大的差異性(見(jiàn)表4),其表現(xiàn)為:坡底>坡頂>坡中(下)>坡上>坡中(上)。除坡底外,其他4種坡位條件灌叢小區(qū)蒸散耗水量差距較小。在坡面尺度上,不同坡位條件灌叢小區(qū)蒸散耗水量變異系數(shù)存在差異。變異系數(shù)介于46%~106%,其中,坡上屬于強(qiáng)變異,其他坡位均屬于中等變異。表明坡位條件對(duì)灌叢小區(qū)蒸散耗水量影響較大,且坡上對(duì)灌叢小區(qū)蒸散耗水量影響較明顯。
表4 監(jiān)測(cè)期內(nèi)不同坡位條件下灌叢小區(qū)蒸散耗水量統(tǒng)計(jì)特征值
不同監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)長(zhǎng)柄扁桃小區(qū)灌叢不同坡位條件下蒸散耗水量動(dòng)態(tài)變化如圖3所示。在各監(jiān)測(cè)時(shí)段,蒸散耗水量表現(xiàn)出較為一致的變化規(guī)律,即由坡頂?shù)狡碌祝^(qū)尺度蒸散耗水量整體表現(xiàn)為先減小后增加。從時(shí)間尺度上看,小區(qū)灌叢最大蒸散耗水量出現(xiàn)在7.17~8.17時(shí)間段,這是因?yàn)?—8月是長(zhǎng)柄扁桃生長(zhǎng)旺季,灌木生長(zhǎng)耗水增加,降水較多(268.0 mm),加之光照劇烈,土壤水分散失較多,其大小關(guān)系為:坡底>坡中(下)>坡頂>坡上>坡中(上)。因此,長(zhǎng)柄扁桃生長(zhǎng)也會(huì)加劇各灌叢小區(qū)蒸散耗水量變化。在8.17~9.17時(shí)間段內(nèi)小區(qū)灌叢蒸散耗水量較少,分析原因可能與降水減少(32.1 mm)等有關(guān)。監(jiān)測(cè)期內(nèi)坡底灌叢小區(qū)蒸散耗水量最大,這是因?yàn)槠碌淄寥篮考皟?chǔ)水量較大,土壤水分條件較好,有利于灌木蒸騰及土壤蒸發(fā)。
圖3 2018年7-10月長(zhǎng)柄扁桃小區(qū)灌叢蒸散量動(dòng)態(tài)變化
土壤水分改善對(duì)毛烏素沙地的植被恢復(fù)有著至關(guān)重要的作用[6]。沙地土壤水分變化與降水量、植被類(lèi)型、土壤質(zhì)地、地形等因素有關(guān),在其他因素相同情況下,地形(坡位、海拔)對(duì)土壤水分動(dòng)態(tài)變化影響較大[23-24],進(jìn)而對(duì)土壤儲(chǔ)水量及蒸散耗水量產(chǎn)生影響。土壤含水量一般表現(xiàn)為:沙丘下部>沙丘中部>沙丘底部>沙丘中脊[10,25],而郝振純等[26]和張思琪等[27]的研究則發(fā)現(xiàn),從坡頂?shù)狡碌淄寥篮勘憩F(xiàn)為增加。這與本研究中土壤含水量在坡底較大,坡中(下)較低,且隨坡度延伸土壤含水量呈先減小再增大的趨勢(shì)略有不同。可能是由于本研究中沙丘底部海拔較低,距地下水較近,地下水對(duì)上層土壤水分特別是200—300 cm土層土壤水分的補(bǔ)充較大。同時(shí)降水較多(研究其內(nèi)總降水量為496.8 mm),降水不僅能加劇土壤水分在時(shí)空分布上不穩(wěn)定性,而且可以增加立地條件的顯著性[25]。5種坡位條件下0—50 cm土層內(nèi)土壤含水量波動(dòng)較劇烈,50—100 cm土層次之,而100—300 cm土層范圍內(nèi)土壤含水量在不同坡位處存在較大差異,這一結(jié)果與賀美娜等[29]在刺槐林的研究存在較大差異。刺槐林土壤含水量在0—40 cm變化劇烈,在40—440 cm土層深度內(nèi)變化較為穩(wěn)定,差別不大。這可能因?yàn)樯惩僚c黃土相比土質(zhì)疏松,降雨后地表徑流較少,入滲深度較大,本研究中發(fā)現(xiàn)土壤水分入滲超過(guò)3 m深度。這與王鍇等[27]在毛烏素風(fēng)沙灘土壤水分入滲在日降水量為71 mm時(shí)僅為90 cm的研究存在較大差異。此外,坡中(上、下)180—220 cm土層范圍內(nèi)存在一層固定沙丘形成過(guò)程中流沙覆蓋形成的腐殖質(zhì)層,在一定程度上阻礙了上層水分的入滲并對(duì)水分起到保蓄作用,從而導(dǎo)致坡中100—200 cm范圍內(nèi)土壤含水量增加。土壤儲(chǔ)水量反映了土層內(nèi)部水分調(diào)節(jié)和儲(chǔ)蓄的功能,它是半干旱地區(qū)植被恢復(fù)與重建的重要影響因子[30]。研究表明,坡底土壤儲(chǔ)水量最大,坡頂和坡中(下)較低,坡位條件對(duì)土壤儲(chǔ)水量具有重要影響,這一結(jié)果與曹瑞敏[31]等對(duì)杜仲林土壤儲(chǔ)水量的研究較一致。
蒸散耗水是指土壤整體及植物向大氣輸送的水汽通量,是土壤—植物—大氣系統(tǒng)重要的組成部分[32],受到土壤水分及氣象條件等多種因素的共同影響。本研究表明坡位條件對(duì)長(zhǎng)柄扁桃林地蒸散耗水量具有重要影響,坡底較大,坡中較少。而張友焱等[33]通過(guò)沙柏地不同部位土壤水分變化研究則發(fā)現(xiàn),沙柏蒸散耗水量在迎風(fēng)坡底部較少,丘頂較大。這可能是因?yàn)檠芯繀^(qū)中坡底土壤含水量及儲(chǔ)水量較大,能夠?qū)μ幱谏L(zhǎng)期的長(zhǎng)柄扁桃提供充足的水分,同時(shí)高溫環(huán)境會(huì)加快土壤水分散失。這一結(jié)果與張國(guó)盛等[14]的研究較一致,臭柏、油蒿等灌木在8月份蒸騰速率最大。此外,降水也是灌木蒸散耗水量及土壤水分蒸發(fā)的重要影響因子[34]。研究時(shí)段內(nèi)7月17日至8月17日處于長(zhǎng)柄扁桃生長(zhǎng)旺盛期,較多的降水(268.0 mm)促進(jìn)了土壤含水量及儲(chǔ)水量的增加,從而導(dǎo)致蒸散耗水量增大;而8.17~9.17期間隨降水量(32.1 mm)的減少,土壤水分得不到有效補(bǔ)給,土壤含水量及儲(chǔ)水量下降,進(jìn)而導(dǎo)致蒸散耗水量的急劇減少。9.17之后雖長(zhǎng)柄扁桃葉片逐漸衰老但降水(96.1 mm)與之前相比有所增加,蒸散發(fā)表現(xiàn)出增加趨勢(shì)。表明降水對(duì)不同坡位條件下蒸散耗水量具有重要影響。
綜上所述,坡位條件對(duì)固定沙丘長(zhǎng)柄扁桃林地土壤含水量、儲(chǔ)水量及蒸散耗水量時(shí)空變化均產(chǎn)生重要影響。然而土壤水分及蒸散發(fā)的時(shí)空變化是多種因素共同作用的結(jié)果,本研究中僅考慮迎風(fēng)坡及坡頂土壤水分時(shí)空變化,對(duì)背風(fēng)坡土壤水分空間分布還未曾涉及。因此,還不能完全闡述固定沙丘土壤水分空間分布規(guī)律。且未能充分考慮0—3 m范圍內(nèi)土壤水分滲漏量(D)及地下水補(bǔ)給量(U),特別是在坡底條件下,土壤水分受D和U的雙重影響,將導(dǎo)致土壤水分變化更加復(fù)雜,進(jìn)而對(duì)蒸散耗水量產(chǎn)生影響。未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)D和U共同影響下的土壤水分時(shí)空變化及蒸散耗水規(guī)律。
(1) 不同坡位條件下0—300 cm土層范圍內(nèi)土壤含水量變化表現(xiàn)出較大差異。隨土壤深度的增加,坡頂和坡上土壤含水量表現(xiàn)為先增加后降低而后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì);坡中(上、下)和坡底則表現(xiàn)為先增加后降低再增加再降低的變化趨勢(shì)。
(2) 變異系數(shù)分析表明,不同坡位條件下土壤含水量除坡底屬?gòu)?qiáng)變異外均呈中等變異,且坡底100—200 cm土層土壤含水量變異性最強(qiáng);土壤儲(chǔ)水量與蒸散發(fā)量的強(qiáng)變異性則分別出現(xiàn)在坡上和坡底。
(3) 不同坡位條件下土壤含水量及儲(chǔ)水量大小均表現(xiàn)為:坡底>坡中(上)>坡上≥坡頂>坡中(下);蒸散發(fā)量則表現(xiàn)為:坡底>坡頂>坡中(下)>坡上>坡中(上)。