塔里木河干流胡杨林下土壤的水盐特征研究

杜伟宏 管文轲 霍艾迪 易 秀 韦 红

( 1. 长安大学环境科学与工程学院，陕西 西安 710054；2. 长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安 710054；3. 新疆林业科学院，新疆 乌鲁木齐 830000)

土壤的水分和盐分是干旱绿洲地下生境的关键因子，直接影响着天然植被的生长、种类以及群落结构[1]。胡杨（Populus euphratica）作为荒漠地区最宝贵的林业资源，是塔里木河流域抑制荒漠化、保护生物多样性、维持生态可持续发展的重要屏障。由于塔里木河流域地表水资源匮乏，地下水就成为荒漠植被生存所依赖的重要水分来源[2]。该地区气候干旱、水分蒸发强烈，土壤盐分则会随水分运移至地表累积，造成土壤次生盐渍化，因此，土壤水分、盐分直接影响和制约着天然植被的分布、生存和演替[3]。

荒漠地区植被的种群结构及其演替会随着土壤水分、盐分等因素的变化呈现出不同的状况。在塔里木河流域，严重的土壤荒漠化、盐碱化抑制了胡杨幼苗的孽新与生长，目前，研究区域内的天然幼龄林较少，面临种群繁衍及维持现有结构较难，拯救胡杨迫在眉睫。自20世纪80年代起，国内外学者分别对胡杨林、柽柳（Tamarix chinensis）等荒漠植被不同区域[4-5]、不同尺度土壤水盐的变化特征[6-8]、植被恢复[9]以及荒漠地区遥感反演地下水[10]进行了探讨。程智[11]通过研究内蒙古阿拉善盟额济纳旗境内胡杨，发现在不同龄级的胡杨土壤中，土壤含水量有明显差异。霍华丽等[12]以瓜州绿洲胡杨林为研究对象，发现瓜州绿洲胡杨生长阶段与其林下土壤含水量呈负相关关系，且土壤含水量越向下层变化程度越小。刘普幸等[1]应用统计学及相邻格子法等研究了胡杨林土壤水盐的空间变化特征及其影响，发现疏勒河中下游土壤水盐含量变异差异明显，各层土壤水盐存在自中游到下游水分减少、盐分增加、表层聚盐加重的显著空间分布规律。钟家骅等[13]、管文轲等[14]以荒漠地区水化学及土壤理化性质为研究对象，表明在塔里木河中游荒漠绿洲地带，土壤盐碱化是影响胡杨林繁衍发育的主要因素。以上学者及专家为胡杨林更新复壮提供了大量科学依据，作为随着干旱地区河道变化，生长情况也发生改变的胡杨，塔里木河不同干流横向距离胡杨林下土壤水盐有何特征，需要进一步研究。本研究以塔里木河流域的胡杨林为研究对象，分析了塔里木河干流胡杨林土壤水盐的特征，又以横向4个样方地，研究塔里木河干流横向不同距离对胡杨林土壤水盐特征的影响，为横向“生态输水”、胡杨林的更新复壮以及恢复塔里木河流域生态提供科学依据。

1 研究区概况

塔里木河处于我国西北干旱地区（如图1），地处东经 71°39″～93°45″、北纬 34°20″～43°39″，始于阿克苏河、叶尔羌河、田河三河交汇处的肖夹克，途径轮台县、尉黎和若羌等地，终至塔里木盆地东南缘若羌县城东北部台特玛湖，干流总长1 321 km。其中，英巴扎至恰拉河道弯曲，水流缓慢，土质松散，泥沙沉积严重，河床不断抬升，下游恰拉至台特玛湖，河床下切3～5 m[15]。区内温差变化大，年最大日温差超过30 ℃，平均日温差为14～16 ℃，年平均气温为10.6～11.5 ℃；极端最高温为43.6 ℃，极端最低温为-30.9 ℃；日照时数为3 000 h；多年平均降雨量为17.4～42.8 mm，多年平均蒸发量为1 125～1 600 mm。

图 1 研究区及样点布置示意图Fig. 1 Schematic map of research area and sample point layout

2 研究方法

2.1 样地选择

通过野外调查，选取塔里木河流域胡杨林不同生长状况的10个样方地，沿塔里木河干流流向方向依次选取6个样方地（距塔里木河干流横向距离不同），距干流上英巴扎河段不同横向距离处选取4个样方地（如图1）。在样方内，采集土壤样品、确定胡杨的数量，并测量胡杨的胸径。通过实验测得样方内土壤中的含水量及盐量，分析不同生境下胡杨的土壤水分与盐量，并结合胡杨的径级结构，分析不同胡杨下土壤水盐的特征，以及分析干流上英巴扎河段胡杨距河道不同横向距离对土壤水盐的影响。

2.2 土样采集

于2018年4月29日—5月6日，通过对塔里木河流域实地勘察与调查，行进路线沿塔里木河干流以北的公路，途经阿拉尔、沙雅、库车、轮台、尉犁、且末等多个市县，调查区域涵盖了塔河上、中、下游。在塔里木河主河道两侧选择不同生长状况的胡杨林样方地（如图2～4），即10个100 m×100 m的大样地，主河道上游布设6个，编号分别为：H1～H6，；垂直于河道两侧布设4个，编号分别为：Z1～Z4（如图1）。

图 2 生长较好的胡杨林样地无人机航拍图Fig. 2 Aerial photograph of a well-grown P. euphratica forest

图 3 生长一般的胡杨林样地无人机航拍图Fig. 3 Aerial photograph of a normal P. euphratica forest

图 4 生长不好或开始退化的胡杨林样地无人机航拍图Fig. 4 Aerial photograph of P. euphratica forest that grows poorly or begins to degenerate

每个大样地内布设4个乔木样方（20 m×20 m），在对样方进行确定之后，在所设样方地内需测量每个胡杨的胸径（如图5），胡杨种群立木径级结构按胸径由小到大分为6级，Ⅰ级（＜4 cm），Ⅱ级（4～10 cm），Ⅲ级（10～20 cm），Ⅳ级（20～30 cm），Ⅴ级（30～50 cm），Ⅵ级（≥50 cm）；Ⅰ～Ⅱ级为幼苗和幼树，Ⅲ级为中龄林，Ⅳ级为近熟林，Ⅴ级为成熟林，Ⅵ级为老龄植株，依据径级结构的测量结果来分析推断胡杨林的龄级结构，以此判断种群的长势。

图 5 胡杨胸径的现场测量Fig. 5 Field measurement of BDH of P.euphratican

每个大样方内随机选择3个点进行土壤取样，土壤取样总深度为80 cm，用取土钻，自表层开始，采样深度依次为0～20、20～40、40～60、60～80 cm（如图6），将3个样点土样均匀混合后，按四分法取1 kg左右，装入土样袋中，实验室测定含盐量。测定土壤含水量的土样立即装入铝盒称重。

图 6 土样现场取样深度示意Fig. 6 Indication of sampling depth of soil sample

2.3 指标测定

将铝盒取回的样品放入烘箱，在105 ℃的恒温下烘8 h，待样品在烘箱中自然冷却至常温，用分析天平（精确到0.001 g）称得干质量，按公式（1）计算土壤水分含量（W）。采用质量比为5∶1浸提土壤可溶盐，在恒温（25 ℃）条件下提取，称取风干土壤 20 g，置于烧杯中，加入 100 mL蒸馏水，振荡时间在5 min，然后可利用残渣烘干法测定土壤总含盐量、不同滴定法测得Ca2+、Mg2、K+、Na+、CO32-、HCO3-、Cl-、SO42-含量[16]。

式中：W为土壤水分含量；W1为土样湿质量；W2为土样干质量。

2.4 数据分析

土壤水盐指标经实验测试分析后，取其平均值、总含量值并制作图表。应用Excel分析同一样方地内不同土壤层土壤水分的变化情况；应用统计分析软件SPSS 22做不同深度土壤层含水量、含盐量的多重比较分析，选择单因素ANOVA方法。在进行多重比较中选择Tamhane’s T2和LSD，同时选择描述性和方差同质性检验选项，使用单因素方差分析法。

3 结果与分析

3.1 土壤含水量变化特征分析

由图7可知，荒漠地区塔里木河流域胡杨林生长的土壤含水量存在垂直分层现象，所有样点的土壤含水量存在随土壤深度增加而增加的趋势，不同生境胡杨林的土壤含水量最大值均出现在60～80 cm深度土层，为0.63%～21.01%；最小值出现在0～20 cm深度土层，为0.44%～17.30%，因为荒漠化地区，在极端干旱的气候条件下表层土壤蒸发强烈所致。其中，H1样方地60～80 cm深度土层的土壤含水量最高，为21.01%；H5样方地0～20 cm深度的土壤含水量最低，仅为 0.44%。从样方地含水量来看，H1＞H6＞H3＞H2＞H4＞H5，即塔里木河干流上游土壤含水量＞中游土壤含水量。其中H6处于塔里木河干流下游，样方地附近存在农业灌溉，故土壤含水量较高。

图 7 各样地不同土壤层的土壤含水量Fig. 7 Soil water content of different soil layers in different plots

由图8可知，垂直河道距离不同的横向Z1、Z2、Z3、Z4来看，土壤含水量不仅存在随土壤深度增加而增加的趋势，距离河道越近，各土层的土壤含水量也越高，含水量分布为 Z1＞Z2＞Z3＞Z4。其中含水量最高点为距离塔里木河300 m的Z1，受塔里木河干流侧向补给较大；含水量最低的点为距塔里木河3 000 m的Z4，受河流侧向补给较小。

图 8 垂直河道不同横向距离的各土壤层土壤含水量Fig. 8 Soil moisture content of each soil layer at different lateral distances in vertical river courses

由表1可知，单因子（不同土层深度）单变量（土壤含水量）F值检验不显著，说明不同土层深度的含水量不存在显著差异。

表 1 不同土壤层土壤含水量方差分析表Table 1 Analysis of variance of soil water content in different soil layers

3.2 土壤盐含量变化特征分析

由表2可知，研究区域的10个样方地（0～80 cm）所含盐分是以氯化物、硫酸盐以及碳酸氢根为主。沿干流流向方向所取6个样方地（0～80 cm）的平均含盐量由高到低分布为H2＞H5＞H6＞H1＞H4＞H3；垂直于英巴扎河段，且距河道由近及远所取的4个样方地的含盐量由高到低分布为 Z1＞Z3＞Z2＞Z4。

表 2 各样地土壤盐分含量Table 2 Soil salt content in different plots

由表3知，单因子（不同土层深度）单变量（ 土 壤 层 中 HCO3-、 Cl-、 SO42-、 Ca2+、 Mg2+、Na++ K+的含量）P值均大于0.05，F值检验不显著，说明不同土层深度的HCO3-、Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+、Na++K+的含量不存在显著差异。

表 3 不同土壤层土壤盐分方差分析Table 3 Analysis of variance of soil salinity in different soil layers

3.3 研究区域胡杨的种群特征

本研究将胡杨种群立木径级结构按胸径由小到大分为6级，以径级结构分析可推断胡杨林的龄级结构，以此判断种群特征。由图9可知，胡杨林在不同生境条件下径级结构差异明显。其中H1、H3、Z1、Z4样方地幼龄级胡杨（Ⅰ～Ⅱ）所占比例超过该样方地其他各径级结构30%，H3幼龄胡杨高达91.67%，属于增长型种群；H2、H5、H6成熟林所占比例较大，无幼龄胡杨存在，且H2、H5的老龄植株分别占该样方地的25%、9.9%，属于衰退型种群；H4、Z2、Z3点虽无幼龄胡杨存在，但中龄林、近熟林所占比例较大，为暂时稳定型种群。

图 9 各采样点内胡杨径级结构分布图Fig. 9 Distribution of P. euphratica with different diameter in each sampling point

4 结论与讨论

近年来，许多学者以塔里木河流域为研究对象，研究了塔里木河流域的耕地动态变化及动态景观格局[17]、塔里木河干流区土地利用变化特征[18]等都说明塔里木河流域存在大规模的毁林开荒、将林地转化为耕地，造成大面积的胡杨林消失。有相关研究指出[2]，大量地表水灌溉引起地下水补给减少，致使地下水位下降和土壤含水量降低，是导致植被生长受抑、植被退化、土地沙化的主要因素。

在调查的10个样方地中，胡杨林分特征与土壤含水量反映出胡杨林幼龄比例减少、林分径级结构越大，土壤含水量越低。从横向4个采样点来看，距离塔里木河越远，胡杨林幼龄比例减少，大龄胡杨比例增加，土壤分层含水量（0～20、20～40、40～60、60～80 cm）减少。在胡杨老龄化比较严重的样方地H4、H5，土壤平均含水量（0～80 cm）低于4.55%；在胡杨生长幼苗所占比例较高的样方地H1、H3、Z1，土壤平均含水量（0～80 cm）为16.75%～18.76%。在Z4样方地，幼龄胡杨比较多，Ⅰ～Ⅱ级占80.06%，不同土壤层的土壤含水量为2.03%～6.48%。Z4样方地横向距塔里木河干流3 000 m处，土壤类型为沙质土，保水能力差，大龄胡杨枯死，而幼龄胡杨孽新。于波[19]以胡杨种子萌发为研究，结果显示胡杨种子萌发时间短，遇水即能迅速萌发，长时间的洪水淹没，胡杨幼苗的存活率为100%。初步分析认为由于Z4样点不远处有一条渠道，在泛洪期间，胡杨种子随洪水落在Z4样点处，此时土壤含水量充分，降低了土壤盐分的累积量对植被生长的抑制作用，所以胡杨种子萌发，形成该地幼龄胡杨孽新、大龄胡杨枯死的状态。

已有研究表明，土壤总盐量（距离地表深度为1 m）＜1%，胡杨生长良好；总盐量在2%～3%时，胡杨生长受到抑制；当总盐量超过3%时，变成片死亡[20]。由各样方地胡杨径级结构的现场测量，结合表2所列各样方地土壤总盐量的测试结果，可以得出，研究区域有胡杨幼苗生长的土壤总盐量为0.08%～0.47%；样方地内胡杨出现老龄化，土壤全盐量超过1.36%；样方内大龄胡杨比例所占较大，土壤总盐量在0.47%～1.36%，这与已有研究结果[20]的含盐量对胡杨生长影响的趋势相符。

从距塔里木河横向4个采样点来看，距离塔里木河干流越远，土壤含盐量有降低趋势。这是由于Z1点距干流较近，且Z1样点附近有大片棉花地，受农田的灌溉作用，地下水位埋深较相对于其他样点较浅，干旱地区强烈的蒸发作用使地下水中的盐分向地表聚集。而Z4点，距干流距离较远，土壤严重沙化，受塔里木河侧渗补给较少，地下水位较深，导致地下水中的盐分在强烈的蒸发作用下难以随着水分运移至地表，所以土壤含盐量较低。

从以上分析来看，合理排盐和灌溉输水有助于促进胡杨的更新复壮。通过“生态输水”保证适合的地下水位，不仅能够防止土壤盐碱化加剧，亦能保证土壤含水量满足胡杨的生长需求。从垂直于河道的4个样方地来看，土壤盐分较高，且距离河道越远，大龄胡杨所占比例呈增加趋势、土壤水分减少，适当的横向“生态输水”，扩大输水面积，降低土壤盐分、增加土壤含水量，对促进胡杨林更新复壮具有重要意义。

本研究以塔里木河干流不同生镜的胡杨林为切入点，采集土壤样品，测定土壤的含盐量、含水量，分析了不同胡杨下土壤水盐的特征可知，天然胡杨林的土壤含水量存在随土壤深度（0～80 cm）增加呈增加趋势，不同土层深度（0～20、20～40、40～60、60～80 cm）的含水量不存在显著差异；不同土层深度（0～20、20～40、40～60、60～80 cm）的 HCO3-、Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+、Na++ K+的含量也不存在显著差异。距塔里木河干流横向距离越近，幼龄胡杨所占比例呈增加趋势，各土层的土壤（0～20、20～40、40～60、60～80 cm）含水量越高；距离河道越远，土壤含盐量（0～80 cm）有减少趋势。样方地内有胡杨幼苗生长，土壤含水量（0～80 cm）为16.75%～18.76%，土壤总盐量（0～80 cm）为0.08%～0.47%；样方地内大龄胡杨所占比例较大，土壤含水量（0～80 cm）为4.55%～16.75%，土壤总盐量（0～80 cm）在0.47%～1.36%；样方地内胡杨呈老龄化趋势，土壤含水量（0～80 cm）低于4.55%、土壤总盐量（0～80 cm）超过1.36%。

近年来，胡杨保护行动持续展开，加之塔里木河干流来水量较大，基本逆转了沿河附近胡杨种群衰败的趋势，但远离河道的胡杨在自然条件下更新复壮存在一定困难，建议扩大塔里木河干流“生态输水”面积，合理的灌溉排盐，促进胡杨的更新复壮。

[ 参 考 文 献 ]

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