库布其沙漠8种防护林的土壤水分特征

顾梦鹤，谢泽慧，王春晖，周立华,3

(1.中国科学院西北生态环境资源研究院 沙漠与沙漠化重点实验室，甘肃 兰州 730000；2.甘肃省膜科学技术研究院，甘肃 兰州 730020； 3.中国科学院科技战略咨询研究院，北京 100190)

库布其沙漠8种防护林的土壤水分特征

顾梦鹤1，谢泽慧2，王春晖2，周立华1,3

(1.中国科学院西北生态环境资源研究院 沙漠与沙漠化重点实验室，甘肃 兰州 730000；2.甘肃省膜科学技术研究院，甘肃 兰州 730020； 3.中国科学院科技战略咨询研究院，北京 100190)

通过野外取样，对库布其沙漠七星湖旅游专线两侧8种防护林0-100 cm土层深度的土壤水分进行测定，分析了不同防护林不同土层的土壤水分变化特征及变异系数，旨在了解和掌握库布其防护林的土壤水分特征及变异规律。结果表明，0-20、20-40、40-60、60-80和80-100 cm 5个土层的土壤水分随着土层深度增加逐渐增加；5个土层的土壤水分变异系数分别为0.70、0.94、0.92、0.94和0.90，土壤水分的变异系数随着土层深度增加逐渐增大。8种防护林的土壤水分从高到低依次为旱柳(Salixmatsudana)+小美旱杨(Populuspopular's)混交林(9.31%)>旱柳纯林(8.93%)>沙枣(Elaeagnusangustifolia)+沙柳(Salixpsammophila)混交林(5.69%)>沙枣纯林(3.31%)>速生杨(Populusspp.)纯林(2.12%)>速生杨+羊柴(Hedysarumlaeve)混交林(1.90%)>柠条(Caraganakorshinskii)纯林(1.60%)>羊柴纯林(1.02%)；8种防护林的土壤水分变异系数为：柠条纯林(0.08)为弱变异，羊柴纯林(0.11)、速生杨纯林(0.11)、速生杨+羊柴(0.36)混交林和沙枣+沙柳混交林(0.39)为低等变异，旱柳纯林(0.64)、旱柳+小美旱杨混交林(0.67)和沙枣纯林(0.79)为中等变异。旱柳纯林、旱柳+小美旱杨混交林和沙枣+沙柳混交林是比较好的防护林配置，沙枣纯林和柠条纯林次之，羊柴纯林、速生杨纯林和羊柴+速生杨混交林3种防护林属于不理想的防护林配置。

七星湖;防护林配置;植被调查;土壤水分变异系数

土壤水分是植物生长和植被恢复的重要影响因素，也是流域水量平衡和区域水文循环的重要因子，准确掌握土壤水分变化特征，可以更好地利用和配置水资源[1-6]。区域土壤水分变化在一定程度上可以反映出该区域植被对水分的利用现状和利用强度，同时有助于帮助人们认识生态系统的水文过程以及在水文过程与生态格局之间建立定量的联系[2,7-8]。在沙漠生态系统中，土壤水分是沙漠防护林建设中重要的生态制约因子，也是维持沙漠生态系统稳定和功能正常发挥的关键因子[2-3,8-13]。土壤水分的空间分布既是制约区域植被分布的原因，同时又受到植被覆盖度及生长状况的影响，二者相互作用又相互制约。在治理沙漠的过程中，防护林作为一种能够有效防止风沙危害和荒漠化危害的防护措施，与人类生存生活休戚相关，它在固沙紧土，改良土壤结构，阻截、固定、控制流沙，改善生产生活环境，防止土壤风蚀等方面起到了巨大的作用，因此，防护林建设对于生态环境保护和社会经济发展具有重大意义[5-6,14-15]。

近年来，国内外学者对荒漠区人工植被土壤水分的时空变化、黄土丘陵区不同土地利用方式对土壤水分的影响、荒漠区土壤水分时空变异、荒漠区土壤水分对人工林生长的影响等进行了大量研究[4-6,9,14,18]，这些研究为后续的防护林建设和管理提供了重要资料和科学依据。防护林建设如果缺乏科学指导和长远规划，将会加剧土壤水分耗竭，造成土壤水分亏缺，严重阻碍区域生态系统的可持续发展[14-16]。已经有研究表明，一些脆弱生态区的水资源远远不足以维持大规模的生态工程建设，甚至会导致区域生态环境继续恶化[2,8,17-18]。因此，了解和掌握不同配置库布其防护林的土壤水分特征及土壤水分变异，对于库布其地区的防护林建设和规划具有重要意义。本研究通过调查库布其沙漠七星湖旅游专线两侧防护林的土壤水分分布特征，分析不同配置防护林的土壤水分差异及土壤水分变异系数，以期为库布其沙漠公路防护林建设中优选更加适合该地区的防护林配置以及防护林的合理规划和管理提供科学依据。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区杭锦旗独贵塔拉镇，地理位置为108°42′ E，40°36′ N，海拔1 016 m。属大陆性沙漠气候，冬季严寒而漫长，春季干旱且风沙大，年平均气温5.5～8.0 ℃，无霜期135 d，极端最高气温38.1 ℃，极端最低气温-30.5 ℃。年平均降水量144～366 mm，降水量主要集中在7-8月，占全年降水量的49%，年平均蒸发量2 100～2 955 mm。土壤类型主要是风沙土，地貌类型主要是固定沙地、流动和半流动沙丘，植被以沙地植物为主，主要有甘草(Glycyrrhizauralensis)、沙米(Agriophyllumsquarrosum)、沙蒿(Artemisiadesertorum)、猪毛菜(Salsolacollina)、砂蓝刺头(Echinopsgmelini)、羊柴(Hedysarumfruticosum)、小叶锦鸡儿(Caraganamicrophylla)等。试验地点选在通往七星湖景区的旅游专线两侧的防护林，专线是通往景区的穿沙公路，专线两旁自1999年以来陆续营建了大面积的防护林，专线自独贵塔拉镇大转盘起至七星湖景区共22 km，专线两侧地势较平坦，为固定沙地，土壤主要是风沙土，林下植被主要有甘草、羊柴、花棒(Hedysarumscoparium)、猪毛菜和雾冰藜(Bassiadasyphylla)等沙生植物。

1.2 试验设计与研究方法

在试验区内选择8种不同配置的防护林作为样地，分别为沙枣(Elaeagnusangustifolia)纯林、柠条(Caraganakorshinskii)纯林、羊柴纯林、速生杨(Populusspp.)纯林、旱柳(Salixmatsudana)纯林、沙枣+沙柳(Salixpsammophila)混交林、速生杨+羊柴混交林、旱柳+小美旱杨(Populuspopular)混交林，每种样地面积选择30 m×30 m。试验区防护林的营建时间为2005年前后，采取苗木移栽，定期灌溉至成活后自然生长，羊柴例外，采取飞播撒种，每隔1年飞播1次，由于萌发和成活率低，后期进行人工栽植，因此，个体相对其他林木而言较小，取样的防护林基本处于稳定生长状态。

2014年5月，首先使用手持GPS对防护林定位，然后在每个样地拉样线进行植被调查，调查内容包括防护林的种植规格、生长指标和林下草本植被，生长指标主要调查高度、冠幅以及胸径，林下草本植被主要调查物种多样性以及植被盖度。同年7月测定土壤水分，测定之前近1个月无降雨，可以保证野外取样的土壤水分为正常水平，样品通过挖取土壤剖面获取，在样地中按两条对角线两端及交点处选择5个样点，每个样点沿土壤剖面分5层取土样，分别为0-20、20-40、40-60、60-80和80-100 cm。取出的土样装铝盒当天称土壤湿重后105 ℃烘干48 h，称取土壤干重，逐一计算土壤水分。每个样地25个土样，8个样地总计200个土样。

1.3 数据处理与统计分析方法

利用SPSS 21统计软件对2014年8种防护林0-100 cm不同土层的土壤水分进行方差分析，并对不同土层的土壤水分进行多重比较(LSD多重比较)，绘图亦采用该软件。

2 结果与分析

2.1 防护林的植被特征

2014年5月，对8种防护林进行野外植被调查，调查结果表明(表1)，沙枣纯林、柠条纯林、沙枣+沙柳混交林3种防护林的林下植被物种多样性较高，植被分布均匀，植被盖度分别达到60%、40%和40%，3种防护林地面均已形成土壤结皮；旱柳纯林、旱柳+小美旱杨混交林两种防护林的林下物种多样性相对较低，植被分布不均匀，植被盖度均达到30%，防护林地面偶见土壤结皮；羊柴纯林、速生杨纯林和羊柴+速生杨混交林3种防护林物种多样性较低，植被分布不均匀，植被盖度分别为<2%、<5%和<5%，防护林地面是松软的沙粒。不同防护林林木生长指标差别较大，这主要是因为当初建植防护林所选苗木大小有差异，林下植被物种多样性以及植被盖度差异较大，这表明，在沙漠环境中，不同防护林在生长发育的过程中，对土壤以及环境的改造作用有较大差异，因而造成不同防护林林下植被的较大差异，因此，在防沙治沙过程中，选择适宜的防护林配置，才能有效保护沙漠公路，更好地使其发挥防风固沙和改善环境的效用。

2.2 土壤水分垂直变化特征

8种不同防护林样地0-100 cm土壤层中的土壤水分变化特征如表2所列，沙枣纯林的土壤水分变化范围为1.43%～7.40%，随着土层深度逐渐增大，在80-100 cm达到最大值7.40%；柠条纯林的土壤水分变化范围为1.29%～1.99%，60-80 cm土层的土壤水分最大，为1.99%；羊柴纯林的土壤水分变化范围为0.78%～1.56%，在不同的土层中变化较小；速生杨纯林的土壤水分变化范围为1.42%～3.26%，在0-60 cm的土壤层中较低，60 cm以下有较大增加，80-100 cm达到最大值3.26%；旱柳纯林的土壤水分变化范围为4.77%～13.66%，随着土层深度有较大增加，在80-100 cm达到最大值13.66%；沙枣+沙柳混交林的土壤水分变化范围为2.40%～11.32%，随着土层深度有较大增加，80-100 cm达到最大值11.32%；速生杨+羊柴混交林的土壤水分变化范围为1.14%～2.63%，在各土层深度变化较小；旱柳+小美旱杨混交林的土壤水分变化范围为2.72%～16.36%，变化趋势和旱柳纯林相似，随着土层深度有较大增加，在80-100 cm处土壤水分达到最大值16.36%。0-100 cm的土壤层中，土壤表面的土壤水分最小，随着土层深度逐渐增加。单因子方差分析表明，不同防护林之间的土壤水分有显著差异(F=69.41，P<0.001)。

0-20、20-40、40-60、60-80和80-100 cm土层的土壤水分变异系数分别为0.70、0.94、0.92、0.94和0.90，土壤水分的变异系数随着土层深度逐渐增大。从5个土壤层的土壤水分变异系数可得，土壤表层0-20 cm的土壤水分变化相对较小，20-100 cm的土壤中，土壤水分的变化较大，5个土层的土壤水分均属于中等变异。

2.3 不同配置防护林土壤水分均值差异显著性分析

沙枣纯林、柠条纯林、羊柴纯林、速生杨纯林、旱柳纯林、沙枣+沙柳混交林、速生杨+羊柴混交林、旱柳+小美旱杨混交林8种防护林样地土壤水分有较大差异，土壤水分均值分别为3.31%、1.60%、1.02%、2.12%、8.93%、5.69%、1.90%和9.31%，从大到小依次为旱柳+小美旱扬混交林>旱柳纯林>沙枣+沙柳混交林>沙枣纯林>速生杨纯林>速生杨+羊柴混交林>柠条纯林>羊柴纯林。方差分析结果表明，不同防护林类型的土壤水分有显著差异(P<0.05)(表3)，对其进一步进行多重比较(LSD)，结果表明，沙枣纯林的土壤水分与羊柴纯林和沙枣+沙柳混交林间显著差异(P<0.05)，与旱柳纯林和旱柳+小美旱杨混交林有极显著差异(P<0.001)，与其余3种样地无显著差异；柠条纯林的土壤水分与沙枣+沙柳混交林、旱柳纯林和旱柳+小美旱杨混交林有极显著差异(P<0.01)，与其余4种样地无显著差异；羊柴纯林的土壤水分与沙枣纯林有显著差异(P<0.05)，与旱柳纯林、沙枣+沙柳混交林和旱柳+小美旱杨混交林有极显著差异(P<0.001)，与其他3种样地无显著差异；速生杨纯林的土壤水分与旱柳纯林、沙枣+沙柳混交林和旱柳+小美旱杨混交林有极显著差异(P<0.01)，与其他4种样地无显著差异；旱柳纯林土壤水分与除旱柳+小美旱杨混交林外的其他6种样地均有极显著差异(P<0.01)；沙枣+沙柳混交林的土壤水分与除沙枣纯林外的其他6种样地均有极显著差异(P<0.01)；速生杨+羊柴混交林的土壤水分与旱柳纯林、旱柳+小美旱杨混交林和速生杨+羊柴混交林有极显著差异(P<0.01)，与其他4种样地无显著差异；旱柳+小美旱杨混交林的土壤水分与除旱柳纯林外的其他6种防护林均有极显著差异(P<0.01)。

表1 8种防护林的植被特征Table 1 Vegetation characteristics of eight kinds of shelter forest

续表1

防护林类型Shelterforest地理位置Geographicalposition株距×行距Rowspacing×linespacing林下植被及盖度Understoryvegetationandcoverage生长指标Growthindex速生杨+羊柴Populus+Hedysarumlaeve40°30′36．01″N108°40′22．24″E2m×4m1．7m×5m零星点缀沙蒿、甘草、芦苇等，林下植被盖度小于5%。Artemisiadesertorum，GlycyrrhizauralensisandPhragmitesaustralisetc．occasionallydistributed，andcoveragewaslessthan5%．速生杨平均株高3．1m，胸径23cm，羊柴平均株高1．2m，冠幅1．1m×1．2m。PopulusAverageheight：3．1m；Diameteratbreastheight：23cm；HedysarumleaveAver⁃ageheight：1．2m；Canopydi⁃ameter：1．1m×1．2m．旱柳+小美旱杨Salixmatsudana+Populuspopular40°31′47．97″N108°38′46．08″E2m×6m5m×5m苦豆子、猪毛菜、芦苇、沙蒿、紫穗槐等，林下植被分布不均匀，盖度达到30%。Sophoraalopecuroide，Salsolacollina，PhragmitesaustralisArtemisiadeserto⁃rumandAmorphafruticosaetc．equallydistributed，andcoveragereached30%．旱柳平均株高4．6m，胸径31cm，小美旱杨，平均株高5．2m，胸径35cm。Salixmatsudana；Averageheight：4．6m；Diameteratbreastheight：31cm；Averageheight：5．2m；Diameteratbreastheight：35cm．

表2 8种不同配置防护林的土壤水分(%)Table 2 Soil moisture(%) of eight kinds of shelter forest

表3 8种防护林的土壤水分均值差异显著性分析 Table 3 Multiple comparisons among soil moisture means of eight kinds of shelter forests

注：*，P< 0.05；**，P< 0.01；***，P< 0.001；N，无显著性。样地Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ分别为沙枣纯林样地、柠条纯林样地、羊柴纯林样地、速生杨纯林样地、旱柳纯林样地、沙枣+沙柳混交林样地、速生杨+羊柴混交林样地、旱柳+小美旱杨混交林样地。

Note：*，P< 0.05；**，P< 0.01；***，P< 0.001；N，No significant. Plot Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ, Ⅵ, Ⅶ and ⅧElaeagnusangustifoliaplot,Caraganakorshinskiiplot,Hedysarumleaveplot,Populusspp. plot,Salixatsudanaplot,Elaeagnusangustifolia+Salixpsammophilaplot,Populus+Hedysarumleave plot,Salixmatsudana+Populuspopularplot, respectively.

计算沙枣纯林、柠条纯林、羊柴纯林、速生杨纯林、旱柳纯林、沙枣+沙柳混交林、速生杨+羊柴混交林、旱柳+小美旱杨混交林8种样地的土壤水分变异系数分别为0.79、0.08、0.11、0.36、0.39、0.64、0.11、0.67。根据变异系数强弱区间的划分，可以将8种防护林的土壤水分分为以下3组：柠条纯林(0.08)为弱变异，在5个土层中土壤水分变化很小；羊柴(0.11)、速生杨纯林(0.11)、速生杨+羊柴混交林(0.36)、沙枣+沙柳混交林(0.39)4种防护林的土壤水分属于低等变异，在5个土层中土壤水分较小且在整个土层中变化较小；旱柳纯林(0.64)、旱柳+小美旱杨混交林(0.67)、沙枣纯林(0.79)为中等变异，土壤水分较大且在0-100 cm的土层中有较大变化。研究结果表明，不同土层的土壤水分有较大变化，不同配置的防护林之间土壤水分也有较大差异，配置合理的防护林可以较好地保持土壤水分，使土壤水分形成良性循环，林木能够较好的生长，配置不合理的防护林则不能很好的保持土壤水分，致使土壤水无效蒸发而降低，从而影响林木的生长。

3 讨论与结论

对库布其沙漠七星湖旅游专线公路防护林0-20、20-40、40-60、60-80和80-100 cm 5个土层的土壤水分分析表明，土壤水分随着土层深度逐渐增加，5个土层的土壤水分均属于中等变异。0-20 cm的土壤水分较小且变化较小，20-100 cm土壤水分逐渐增加且变化较大。表层土壤水分低于其他土层土壤水分，这主要是由于在沙漠地区，太阳辐射对土壤水分的影响较大，土壤表层的土壤水分蒸发量较大，导致土壤表面的土壤水分减小，随着土层向下，太阳辐射的影响逐渐减小，这和许多研究结果是一致的[4,14,17-19]。有研究表明防护林的林下植被会通过植被覆盖影响土壤表面蒸发率而影响土壤水分变化，土壤被零星覆盖时，土壤水分的变异性较高，土壤被完全覆盖时，土壤水分的变异性最低[5]。本研究中，柠条纯林、沙枣纯林、沙枣+沙柳混交林3种防护林的林下植被分布均匀且植被盖度较高，前者的土壤水分属于弱变异，后两种林地的均为低等变异，旱柳纯林和旱柳+小美旱杨混交林的植被覆盖度较高，林下植被分布不均匀，土壤水分属于中等变异，羊柴纯林和速生杨+羊柴混交林的林下植被较少，盖度较低，土壤水分属于低等变异，可见，植被分布及植被盖度对土壤水分有一定影响，这和前人的研究结果是一致的[5,20-22]。

8种防护林之间的土壤水分有显著差异，旱柳纯林和旱柳+小美旱杨混交林的土壤水分显著高于其他防护林，羊柴纯林和羊柴+速生杨混交林的土壤水分显著低于其他防护林。这和马全林等[5]、杨艳凤等[23]的研究结果一致，其研究表明，土壤水会随着植被种类、防护林密度的变化而变化，不同防护林之间的土壤水分会有较大差异。张晓艳和周正朝[15]和胡伟等[21]对黄土高原水土保持林的研究有相似结果且有进一步的分析，他们认为不同防护林的土壤水分有较大差异，主要是由于不同林木的根系分布有较大差异，有些林木根系分布较浅，主要消耗浅层的土壤水，有些林木根系分布较深，主要消耗深层的土壤水，因而造成土壤水分的变异。潘艳霞和王新平[2]和赵从举等[4]的研究结果还表明，防护林不仅通过植物蒸腾作用影响土壤水分变化，同时还通过根的分布和根活性影响土壤水分变化。本研究中，旱柳纯林和旱柳+小美旱杨混交林两种防护林中物种的高度、冠幅以及林下草本植被的盖度相近，后者在40 cm土层以下有更好的土壤水分条件，表明旱柳纯林比旱柳+小美旱杨混交林能更好地保持土壤水分。沙枣纯林和沙枣+沙柳混交林两种防护林相比较，在0-20 cm土层，土壤水分差异小，在40 cm以下两种防护林的土壤水分有较大差异，沙枣+沙柳混交林有较好的土壤水分条件。本研究中，8种防护林的地理环境、土壤质地和水分条件都是一致的，研究结果中不同配置防护林的土壤水分有较大差异，可能与不同植物根系分布的差异有关系，有关根系分布的差异对土壤水分的影响有待于进行更深入细致的研究。

防护林具有防风固沙、调节气候、改善环境、保持水土等重要作用，防护林的设计己逐渐从简单的栽种配置模式发展到以保持水土、涵养水源和生态效益和经济效益并重的新阶段[2,5,23]。本研究区位于沙漠区域，水土保持尤为重要，研究结果表明，旱柳纯林、旱柳+小美旱杨混交林土壤水分高，植被盖度高且植被分布均匀，沙枣+沙柳混交林的土壤水分较低，但在不同土层中变异系数小，植被盖度较高且分布均匀，能够较好的发挥防护林防风固沙和水土保持的作用，是比较好的防护林配置；沙枣纯林和柠条纯林次之，土壤水分相对较低，在土层中变异小，植被盖度较大且分布较均匀，能较好的发挥防风固沙和水土保持的作用；速生杨纯林、羊柴纯林和羊柴+速生杨混交林3种防护林的土壤水分较低，林下植被稀少且植被盖度偏低，植被生长容易受限，不能很好地发挥防护林防风固沙和水土保持的作用，属于不理想的防护林配置。

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SoilmoisturecharacteristicsofeighttypesofshelterforestintheKubuqidesert

Gu Meng-he1, Xie Ze-hui2, Wang Chun-hui2, Zhou Li-hua1,3

(1.Key Laboratory of Desert and Desertification, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources , CAS, Lanzhou 730000, Gansu, China;2.Gansu Academy of Membrane Science and Technology, Lanzhou 730020, Gansu, China；3.Institutes of Science and Development, CAS, Beijing, 100190, China)

In this paper, we analyzed the variation characteristics and variable coefficient of soil moisture among eight kinds of travel highway shelter forest at Qixinghu Lakes in the Kubuqi desert by field investigation, to study the soil moisture characteristics and soil moisture variability of shelter forest in the Kubuqi area. The results showed that the soil moisture, measured in five soil layers (0-20, 20-40, 40-60, 60-80, 80-100 cm depth), gradually increased with soil depth. The soil moisture coefficients of variation were 0.70, 0.94, 0.92, 0.94, and 0.90, respectively, and increased gradually with soil depth. From big to small, the soil moisture in the eight types of shelter forest were, respectively:Salixmatsudana+Populuspopular’s(9.31%),S.matsudana(8.93%),Elaeagnusangustifolia+S.psammophila(5.69%),E.angustifolia(3.31%),Populusspp.(2.12%),Populusspp.+Hedysarumlaeve(1.90%),Caraganakorshinskii(1.60%), andH.laeve(1.02%). According to the soil moisture coefficients of variation, the eight kinds shelter forest were divided into three groups:Caraganakorshinskii(0.08) was weak variation;H.laeve(0.11),Populusspp. (0.11),Populusspp.+H.laeve(0.36), andE.angustifolia+S.psammophila(0.39) were low variation;S.matsudana(0.64),S.matsudana+P.popular’s(0.67), andE.angustifolia(0.79) were medium variation. We find thatS.matsudana+P.popular’s,S.matsudana, andE.angustifolia+S.psammophilawere the most suitable choices to conserve soil water.E.angustifoliandC.korshinskiiwere the next.H.leave,Populusspp. andH.laeve+Populusspp. were not satisfactory choice.

Seven Star Lake; shelter forest structure; vegetation investigation; variable coefficient of soil moisture

Zhou Li-hua E-mail:lhzhou@lzb.ac.cn

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0615

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S727,22;S152.7

A

1001-0629(2017)12-2437-08

2016-12-15接受日期2017-10-10

国家重点研发计划(2016YFC0500902);国家科技支撑计划项目(2015BAC06B01);甘肃省科技支撑计划(1504FKCA096)

顾梦鹤(1974-)，女，甘肃白银人，助理研究员，博士，主要从事恢复生态学研究。E-mail:gumenghe@lzb.ac.cn

周立华(1974-)，男，山东费县人，研究员，博士，主要从事生态经济与区域可持续发展研究。E-mail:lhzhou@lzb.ac.cn

(责任编辑 武艳培)