荒漠绿洲过渡带梭梭周边土壤水分分布研究

程小曼,管仪庆，张丹蓉，杨滢嘉

(河海大学 水文水资源学院，江苏 南京 210098)

绿洲生态系统与沙漠之间存在着生态缓冲区[1]，不同的气候、土壤、地貌、植被群落等构成了其独特的生态功能[2]，这里同时也是绿洲与荒漠相互转化活动进行的最为剧烈和突出的地带，这些特征使得绿洲—荒漠过渡带成为绿洲生态系统中的重要组成部分[3]。甘肃民勤东西北三面被腾格里和巴丹吉林两大沙漠包围，是天然的风沙屏障，从1997年到2017年，全县累计完成人工造林12.87万hm2，工程压沙3.88万hm2，而在荒漠过渡带的防沙固林举措也使得民勤周围过渡带的宽度达到10 km左右[2]。民勤过渡带主要有白刺(Nitrariatangutorum) ,梭梭(Haloxylonammodendron(C. A. Mey.) Bunge)，沙蒿(Artemisiaarenaria) ,红砂(Reaumuriasoongorica) , 芦苇(Phragmitescommunis)柽柳 (Tamarixspp. ) , 膜果麻黄 (Ephedraprzewalskii) ,柠条(Nitrariaspp. )和沙拐枣(Caraganaspp . )等植物，植被盖度在 4%～28%之间、植被高度于10～300 cm不等。

土壤与植被之间相互影响，互为依赖[6]。而固沙植被生长发育与土壤水分之间的密切关系则表现更为突出[7]。梭梭(Haloxylonammodendron(C. A. Mey.) Bunge)作为过渡带的主要防沙固沙植被[8]，其生长发育很大程度上受制于土壤水分条件，同时又能够对土壤水分动态变化产生一定的反馈作用[9]。对于荒漠绿洲过渡带地区的土壤水分分布特征、植被分布规律以及二者之间的联系的研究例如：郭京衡[10]等对多枝柽柳和梭梭两种植物与土壤水分、养分的关系研究表明荒漠植物对于水分的依赖性相对更大；朱雅娟[11]等对不同林龄人工梭梭林的土壤水分特征研究表明16 a梭梭对土壤改良作用最大；张凯[12]等对绿洲荒漠带土壤水分的空间分异研究表明土壤水分特性的变异系数最大的是过渡带, 最小的是绿洲；王彦武[13]对不同固沙林林地土壤养分和生物学性质的变化特征进行研究，这些研究对于荒漠绿洲过度带的生态环境建设具有显著意义。本文对梭梭周边的土壤水分分布规律研究，旨在揭示植物利用水分特点，为合理规划荒漠过渡带系统和巩固防沙治沙成果提供依据。

1 研究区域概况

研究区域位于甘肃省河西走廊东端民勤县内巴丹吉林沙漠东南部石羊河红砂梁渠西岸连古城自然保护区附近的绿洲与荒漠过渡带。其地理位置在38°34' ～39°38'N、 103°30' ～103°68'E。该地区属于温带荒漠气候，多年平均气温7.6℃，年蒸发量2 604.3 mm，年平均风速为2.4 m·s-1，盛行风向为西北风。极端低温—27.3℃，极端高温39.5℃，平均日差14℃；年降水量110 mm，80%集中于夏秋，相对湿度45%、无霜期137 d，最大冻土深度105 cm，大风日数40 d，风砂日数130 d。

2 研究方法

在研究区域内根据地形地貌特征，植物生长趋势，结合天气情况，选择典型标准梭梭树一棵，观测时间为2018年8月2日至8月6日。梭梭树位于E103°63′44"，N39°13′00"，株高2.12 m，冠幅2.88 m。实验点7月28日至7月31日并无降雨，8月1日降水1.2 mm，8月2日降水11.6 mm，8月3日至8月6日并无降水。在梭梭树的东西南北四个方向利用土壤三参数仪进行不同深度(20 cm，40 cm，60 cm，80 cm，100 cm，120 cm)土壤含水量的测量，并分别在距梭梭树1 m和1.5 m处进行测量。测量结果用Excel2010分析，图示用Origin9进行绘制。

3 结果分析与讨论

土壤水分含量与分布受到气候、降雨、植被覆盖、地理位置、根系分布等各方面因素的制约。由于观测时间处于当地夏季降水集中期，土壤表层含水量受降水和蒸发的影响极大，且根据选取的人工梭梭树的冠幅和株高推算树龄约为16 a，植物的生长蒸腾消耗大量水分，所以，各土层之间的含水量相差明显。根据所测土壤含水量直观绘制结果如图1～图4所示。研究区域位于荒漠绿洲交错地带，土壤水分一般处于不饱和状态，对研究区梭梭树不同深度的水平方向土壤含水量进行处理，见图5～图8。

3.1 降水的影响

从图1～图4可以明显观察到土壤水分的变化总体呈现出“两头高，中间低”的规律，即土壤浅层(20 cm)和深层(120 cm)含水量高于中间层(40～100 cm)。观测期间，时有暴雨，土壤水分运移从浅层逐渐向深层运移，8月2日降水较多，8月2日至8月3日东西南三面距根1 m及1.5 m处均可看出水分运移变化，观察8月4日与8月6日土壤含水量变化，浅层土壤含水量在东西南侧均有上升。从时间尺度上看，8月2日有较大范围的降水，所以土壤平均含水量8月2日最大，8月3日，8月4日，8月6日逐渐降低，平均含水量分别为15.5%，14.5%，14.1%。13.8%。这是由于日照强烈以及植物的蒸腾作用，所以蒸发量很大。

图1 8月2日梭梭东西南北方向土壤含水量于不同深度的变化情况

图2 8月3日梭梭东西南北方向土壤含水量于不同深度的变化情况

图3 8月4日梭梭东西南北方向土壤含水量于不同深度的变化情况

图4 8月6日梭梭东西南北方向土壤含水量于不同深度的变化情况

从土壤深度尺度看(表1)，降水对于浅层土壤含水量具有补给作用，但是降雨的影响效果对于100cm以上的的土层较为明显，对于100cm以下的土层影响很小。80cm与100cm土壤平均含水量对比，可以看出土壤含水量变化波动很小。100cm与120cm土壤平均含水量对比，可以看出土壤含水量由随深度持续下降趋势转为上升，这是由于深层土壤含水量受到地下水的影响。

表1 不同深度平均土壤含水量

3.2 地形的影响

梭梭树正东方向有树龄2 a的小梭梭树一株，西侧靠近梭梭-白刺-芦苇过渡带，南侧有坡度为15%的长有白刺的半固定沙丘，北面是一条人为踩踏的裸露荒地小道。根据不同方向的平均土壤含水量(表2)，得出东侧的土壤含水量相对最高，一方面是因为东侧小梭梭树的持水能力很好，另一方面是梭梭树冠幅投下阴影减少日照时长，蒸发量相较于其他三个方向较小。仅次于东侧含水量的南侧则因为白刺土坡的的坡度较大，坡脚处地势较低，利于水分积聚。西侧靠近梭梭-白刺过渡带，而白刺的生长对于梭梭树的影响很小[13]，白刺对于日照的影响也相对较小[14]。表2中4个天气日的观测北侧的土壤含水量都是最小的，北侧裸露荒地小道因人为踩踏，导致土壤孔隙变小，土质紧实，水分运移相对困难，且没有植物生长，持水能力较差，没有植物遮挡蒸发量也非常大。

表2 东西南北方向平均土壤含水量

3.3 树冠与根系

由表3可以看出四个观测日，距梭梭树1 m远与距梭梭1.5 m远的各深度平均含水量均表现出1 m远高于1.5 m远处的特征，这是由于距离梭梭树越近，土地被树冠所投下的阴影面积覆盖越大，减少了太阳直射的时间，所以1 m远处蒸发量要小于1.5 m远处。

另外在开挖过程中，观察到梭梭树根系在东南方向的分布要比西北方向密集，其中北边相对而言最少，这与东西南北四个方向的平均含水量大小相符合，侧面验证了梭梭根系的对于水分的依赖性。梭梭根系在垂直分布上也同样表现出趋水特征[14]，20～40 cm土层分布最多，这与20～40 cm土壤含水量相对较高关系密切。

表3 不同深度及不同间距平均含水量

3.4 各层土壤含水量方差分析

对观测时间内各层土壤含水量进行One-way ANOVA分析，从表4～表7可以看出观测时间内，各层土壤含水量差异极其显著(P<0.01)。8月份为该地区降雨补给季，8月2日一场较大的降水对浅层土壤含水量的改变作用明显，接连几天内的各层土壤含水量均出现明显差异。

表4 8月2日One-way ANOVA分析

表5 8月3日One-way ANOVA分析

表6 8月4日One-way ANOVA分析

表7 8月6日One-way ANOVA分析

4 结论

(1)在荒漠绿洲过渡带，降水是引起表层土壤含水量变化的主要因素，降水的影响对100 cm土层以下的土壤效果不明显。

(2)在日照强烈，降水相对较多的8月补给季节，植物的冠幅遮盖效果对蒸发的影响较大，遮盖面积处土壤含水量高于阳光直射区域。

(3)植物根系的分布与土壤含水量的关系密切，互为因果。梭梭树的根系有较好的持水作用，且根系分布主要集中在20～40 cm处土壤含水量较高的土层。

(4)梭梭树的生长趋水性明显，在降水条件一致的情况下，地势高低对于土壤含水量的影响效果明显，基于本次研究，南侧白刺沙丘对于降水的积蓄作用导致南侧土壤含水量高于西北侧，因此，在栽种人工梭梭林时要注意选择合理的地理位置。