塔克拉玛干沙漠腹地柽柳年轮宽度对地下水埋深的响应

2024-03-08 12:33:00黄婉媛安外尔阿卜杜热伊木
西北植物学报 2024年1期
关键词:柽柳年轮样地

黄婉媛 ,戴 岳 ,安外尔·阿卜杜热伊木

(1 新疆大学 生态与环境学院,乌鲁木齐 830046;2 绿洲生态教育部重点实验室,乌鲁木齐 830046;3 新疆大学 地理与遥感科学学院,乌鲁木齐 830046)

柽柳(Tamarixspp.)是中国西北干旱地区分布广泛的植物,具有耐旱耐盐碱的特性,是干旱区、半干旱区的优势种和建群种,作为关键植物种维持干旱区荒漠生态系统[1]。研究显示,柽柳由于受极端生境、自身遗传特性及动物采食等影响,导致树盘生长存在偏心现象,年轮均在单侧优先生长并形成多个生长区,普遍存在伪轮、缺轮和楔形轮等变异轮,采样时一般采集灌木茎干基部的圆盘为样本[2-4]。学者利用柽柳的树轮宽度变化,分析了干旱区多枝柽柳(T.ramosissima)的生长特性,基于柽柳径向生长主要受到河道径流和地下水位限制,重建了过去近百年西居延海5—8月水位变化[2,5]。研究发现博斯腾湖滨柽柳的年轮指数与当年和前1年的湖水位变化有显著的相关性,离湖滨带远地区的柽柳主要受地下水位的影响[6]。柽柳的径向生长受到许多环境因素的影响,如气候、土壤、水分、风沙活动[7]。柽柳蒸腾作用强且水分需求量大,为保证正常的生命活动,其通过发达的根系吸收土壤水与地下水[8-10]。在干旱地区,降雨稀少,地下水和地表水是维持荒漠植物生存的主要水源[11-12]。研究发现,柽柳直径年生长量即年轮宽度变化随着地下水埋深的减小而增加[13]。湖岸柽柳在地下水位满足其生长条件时,地下水位变化与柽柳轮宽生长显著正相关[14]。在柽柳生长季,地下水埋深与年轮宽度显著正相关[15]。因此,地下水是干旱区柽柳生长的重要影响因素。有研究表明,干旱区柽柳等多年生植物的生长发育由浅层地下水埋深决定[16]。柽柳的年轮宽度受到其利用水源的影响,因而对不同水分条件地区柽柳年轮的研究是有必要的。达理雅博依绿洲位于塔克拉玛干沙漠腹地,是典型的原始荒漠绿洲,深层土壤水和地下水是成熟柽柳重要的水源[17],且研究区内地下水埋深存在年内和年际的显著波动[18-19],面对波动的地下水埋深,柽柳的年轮宽度如何响应值得进一步研究。本研究利用柽柳年轮资料,结合地下水埋深信息,探讨沙漠腹地柽柳的年轮宽度在不同的地下水埋深条件下的变化,丰富了柽柳年轮宽度对地下水埋深变化响应的认识,也为当地的生态系统保护提供参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于中国最大的流动性沙漠塔克拉玛干沙漠腹地的达理雅博依绿洲(图1)。达理雅博依绿洲是克里雅河下游的尾闾绿洲,该地区纵伸塔克拉玛干大沙漠腹地250 km,南北长365 km,东西宽96 km,总面积2 326.98 km2。该地区属于典型的暖温带干旱沙漠气候,年均降水量不足20 mm,年均蒸发量达2 480 mm,年均气温12.1℃,昼夜温差大,气候极端干旱,风沙天气频繁[18-19]。植物群落组成贫乏,结构简单,优势种单一,植物组成主要有胡杨(Populus euphratica)、柽柳、骆驼刺(Alhagi sparsifolia)、芦苇(Phragmites communis)等[18-20]。绿洲从南到北地下水埋深逐渐变浅,范围为2~9 m[21]。土壤p H 值范围为8.49~9.15,呈碱性[22]。地下水呈弱碱性,p H 由西向北逐渐降低,范围为7.71~9.19[23],矿化度较高,范围为4~6 g/L[24]。

图1 研究区概况Fig.1 Map of study area

1.2 样地调查

2021年6 月,根据地下水埋深和柽柳生长状况,在达理雅博依绿洲2口生态监测井附近设置样地。研究区河流主要由冰雪融水补给,占71%,地下水补给主要来源为地表水渗漏[25]。样地一(S1)位于河道附近,样地二(S2)位于湖泊附近。S1样地距地下水位观测井(38°23′19.01″N,81°49′14.88″E)约132 m,距河道约575 m;S2样地距地下水位观测井(38°23′19.01″N,81°49′14.88″E)约718 m,距河道约1 134 m。以无人机和人工调查相结合方式进行调查,调查样地内植被覆盖度和柽柳的株高、冠幅和年龄,记录其生长状况(表1)。

表1 样地和采样柽柳信息Table 1 Information of sample sites and T amarix spp.samples

1.3 数据采集

1.3.1 地下水埋深

基于地下水监测井内的Oneset HOBO 水位自动记录仪获取每日地下水埋深数据,数据按北京时间整点记录,每4 h监测1次。S1样地2013—2020年平均地下水埋深为1.74 m,S2样地2015—2020年平均地下水埋深为3.78 m。

1.3.2 土壤含水量

在植物附近用土钻取0—160 cm 土层的土壤样品,每20 cm 一层,每层取3个重复,用烘干法测量土壤含水量。

1.3.3 柽柳年轮样品采集与年轮宽度

在每个样地内选取长势较好的柽柳6丛,在每丛柽柳中选取1~2个基径较大者,S1样地采集圆盘平均基径为(8.69±1.86)cm,S2样地采集圆盘平均基径为(14.2±4.46)cm,沿地表用锯子截取柽柳树盘,并对其进行编号,带回实验室。在中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所树木年轮实验室对树盘进行打磨、抛光、交叉定年和轮宽测量。年轮宽度采用LINTAB树轮宽度仪(Velmex system,Velmex Inc.,Bloomfiled,NY,USA)测量,测量精度0.001 mm,每个树盘沿2个不同方向测定,由于部分柽柳树盘存在偏心现象,只选择最大半径进行测量。

1.4 数据处理与分析

为排除树木自身生理年龄的影响,本研究标准化处理年轮宽度的实测数据,将树轮宽度序列转换成新的指数序列,用年轮宽度指数反映年轮生长[26]。本次采集柽柳样本数据用COFECHA 交叉定年质量控制程序进行交叉定年检验,确保交叉定年的准确性,最后用ARSTAN 程序建立标准年表。

利用SPSS 21.0软件对数据进行统计分析,使用独立样本t检验比较相同年份2个样地间柽柳年轮宽度的差异显著性,使用单因素方差分析比较同一样地年际间柽柳年轮宽度的差异显著性,用Pearson相关分析对地下水埋深和年轮宽度进行相关性分析。用Origin 8.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 地下水埋深年变化特征

2013—2020年,S1 样地的地下水埋深变化范围为1.2~2.6 m,平均值为1.74 m,在2013年地下水埋深最浅,在2020年地下水埋深最深,地下水埋深变化与时间变化之间存在显著正相关(P=0.008),随着时间的增长呈现增加趋势(图2)。

图2 两样地的地下水埋深变化Fig.2 Changes of groundwater depth at the two sample sites

2015—2020年,S2 样地的地下水埋深变化范围为2.7~4.5 m,平均值为3.78 m,在2020年地下水埋深最浅,在2016年地下水埋深最深,地下水埋深变化与时间变化之间存在非线性关系,随着时间增长呈现先增加后减小的趋势。整体上看,S1样地地下水埋深浅于S2样地,2016-2020年,两样地的地下水埋深随时间的变化趋势相反,S1样地呈现增加趋势而S2样地呈现减小趋势。

2.2 不同深度土壤含水量

2个样地的土壤含水量均表现为随土层深度的增加而增加(图3)。S1样地土壤含水量变化范围为0.44%~16.80%,0-80 cm 土层土壤含水量极低,不足5%;S2样地较S1样地土壤含水量高,变化范围为12.73%~37.17%,土壤含水量在80 cm 深度处上升至31.48%后变化不明显。

图3 两样地不同深度土壤含水量Fig.3 Soil moisture content of the vertical soil profile at the two sample sites

2.3 柽柳年轮生长的变化特征

2个样地柽柳年轮宽度的变化趋势不同(图4):2001-2020 年,S1 样地柽柳的年轮宽度呈显著增加趋势(P<0.001),而S2样地柽柳的年轮宽度呈先增加后减小的波动性变化(图4)。从整体上看,S1样地柽柳年轮宽度在2001-2020年整体呈增加趋势,变化范围为0.98~5.80 mm,在2017年年轮宽度最大,在2003年年轮宽度最小;S2样地柽柳年轮宽度在1977-2020年整体呈正弦函数变化,范围为1.46~4.14 mm,在1978 年年轮宽度最大,在1984年年轮宽度最小。

图4 两样地柽柳年轮宽度的变化Fig.4 Changes in the width of tree-ring of Tamarix spp.at the two sample sites

不同地下水埋深条件下柽柳年轮宽度在相同年份的差异性分析结果(图5)为:在2012,2017,2018,2019年两样地柽柳年轮宽度均具有显著性差异(P2012=0.003、P2017<0.001、P2018<0.001、P2019<0.001),2012,2017,2018,2019 年柽柳年轮宽度均表现为S1样地显著大于S2样地;不同年份条件下柽柳年轮宽度在同一样地的差异性分析结果为:S1样地柽柳年轮宽度年际间差异性显著(P<0.001),S2样地柽柳年轮宽度年际间差异性不显著(P=0.283)。

从柽柳年轮指数变化趋势(图6)看,随着时间延续,两样地柽柳年轮指数呈现波动性变化。2001-2020年,S1样地柽柳年轮宽度指数在2004年最小,为0.502,在2012年最大,为1.641;1977-2020年,S2样地柽柳年轮宽度指数在2019 年最小,为0.577,在2009年最大,为1.331。S1样地柽柳标准年表振幅大于S2样地柽柳标准年表。

图6 两样地柽柳标准年轮宽度年表Fig.6 Chronology of standard ring width of Tamarix spp.at the two sample sites

2.4 地下水埋深与年轮指数相关性

地下水埋深和柽柳年轮指数相关性分析结果表明(表2),2013—2020年,S1样地的地下水埋深变化与柽柳年轮指数之间呈负相关关系,相关性不显著(P=0.443)。2015—2020年,S2样地的地下水埋深变化与柽柳年轮指数之间呈正相关关系,相关性不显著(P=0.616)。

表2 两样地柽柳年轮指数与地下水埋深之间的相关性分析Table 2 Correlation between T amarix spp.tree-ring index and groundwater depth at two sample sites

3 讨论

柽柳在不同的生境下能够通过调整水分利用策略来适应变化的环境[27-28]。付昕宇等[29]在岱海湖滨带的研究中发现,靠近湖边的柽柳主要吸收0-30 cm 浅层土壤水,远离湖边则利用更深层次的土壤水;胡士可等[30]在塔里木河下游英苏断面距河道不同距离的研究表明,柽柳主要吸收50-100 cm 中层土壤水,且随距河道距离的增加转利用更深层次土壤水;王玉阳等[31]在塔里木河下游的库姆塔格的研究表明,柽柳在生长季不同月份主要利用200 cm以下的深层土壤水和地下水;陈小丽等[32]在黑河下游荒漠的研究表明,柽柳主要利用200-300 cm的深层土壤水。在达理雅博依绿洲的研究显示,当河道没有河水流经时,生长在河岸旁的成熟柽柳主要利用深层土壤水和地下水[17],且柽柳的水分利用效率对地下水埋深和深层(250-300 cm)土壤水的变化高度敏感[19]。以上研究表明在水资源缺乏的荒漠生态系统中,不同区域地理环境下的柽柳可以通过自身调节水分利用策略最大程度地获取水分[33]。而不同水分条件会导致柽柳生长的环境因素有所变化[14]。达理雅博依绿洲由于地处沙漠腹地,地下水埋深主要受地表水的影响,而该绿洲受洪水淹没的地区与面积年际变化很大[34],土壤含水量差异也较大,因此2个样地地下水埋深和柽柳年轮宽度随时间呈现不同的变化趋势。

干旱区柽柳的生长发育与地表水和地下水密切相关,年轮中包含有较多水文环境信息[35-36]。地下水是柽柳可以利用的重要水源,埋深过深或埋深过浅均不利于柽柳的生长[35]。地下水埋深2~4 m 是柽柳生长的适宜生态水位,而地下水埋深在1~2 m时,柽柳的生长受到抑制,地下水埋深大于4 m 时,柽柳的生长也会受到影响[37]。在达理雅博依绿洲,由于克里雅河河水的补给和人工调控的影响,地下水埋深年内和年际存在多次升降交替的波动变化[18]。本研究中,S1样地地下水埋深在1.2~2.6 m,且逐年增加,柽柳的年轮宽度在2004-2020年呈显著上升趋势,年轮宽度年际间差异显著,表明地下水埋深的适当加深有利于柽柳的生长。S2样地整体地下水埋深为2.7~4.5 m,在柽柳生长适宜的范围内变化,这可能是柽柳年轮宽度在1977-2020年呈现波动变化,但年际间差异不显著,且标准年表振幅较小的原因。由于S2样地附近存在湖泊,具有较充沛的地表水补给,地下水埋深自2016年起逐年上升,而柽柳的年轮宽度则相应呈下降趋势,表明地下水埋深的变浅可能对柽柳根系的呼吸产生抑制[38],不利于柽柳的生长。若地下水埋深进一步变浅,柽柳年轮宽度如何变化有待进一步研究。

地下水埋深的变化和柽柳年轮宽度之间的相关性受到环境的影响。石鑫鑫[13]的研究表明生态输水后,多枝柽柳年轮宽度随地下水埋深减小而增加,可能是地下水变化与柽柳径向生长的相关性与所受干旱/水涝胁迫程度和受水量共同决定。本研究对地下水位的观测年限较短,且影响柽柳年轮宽度生长的主要因素在不断变化,导致2个样地柽柳年轮宽度和地下水埋深的相关性不显著。肖生春等[14]对内蒙古西居延海湖岸阶地上柽柳的研究显示,在地下水位不足以满足柽柳生长的条件下,地下水位的变化同柽柳轮宽生长作用呈微弱的负相关关系,这与本研究S1样地研究结果相似。有研究显示,柽柳年轮宽度对1年中不同时段浅层地下水埋深变化敏感度不同[34],也有研究表明,柽柳年轮宽度仅和某段特定月份的地下水埋深显著相关[28]。侯佳文等[6]研究显示,湖岸柽柳的生长与湖水位变化显著正相关,离湖滨带远的地区的柽柳主要受地下水位的影响;Xiao等[39]研究也表明,在生长季(5-8月)湖泊水位的波动是柽柳径向生长变化的主要原因。本研究探讨的是地下水埋深年际变化与柽柳生长的关系,在年内不同时段可能受到其他因素(湖泊水位、微地形、土壤盐度、动物采食)的影响[7,39]。S2样地位于湖泊附近,除了地下水对柽柳径向生长的影响,也可能与成熟柽柳自身具有复杂交错的根系网,可以很好地吸收地表水流经后的浅层土壤水分以保证充足的水分供应有关[1]。本研究地下水埋深数据观测年限较短,后续研究可在更长年限地下水埋深数据基础上,考虑柽柳年轮宽度对地下水环境变化的响应。

4 结论

地下水埋深的增加或降低对柽柳年轮宽度的影响具有不确定性。地下水埋深在合理的范围增加,有利于柽柳生长,表现为年轮宽度增加。研究结果有助于理解研究区地下水埋深变化对柽柳径向生长的影响。

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