鄱陽湖沙化地區不同下墊面土壤水分動態

李蘭暉，丁明軍，2，鄭 林，2，廖凱濤

（1.江西師范大學 地理與環境學院，江西 南昌330022；2.鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室，江西 南昌330022）

荒漠化作為極其重要的環境和社會經濟問題，影響到世界1／5人口，100多個國家，嚴重威脅著人類的生存和發展［1］。沙化是荒漠化的一種重要類型［2］，在我國不僅分布在干旱、半干旱地區，而且在半濕潤及濕潤地區也有分布［3－4］。土壤水分狀況是極其重要的生態因素［5－6］，同時也是沙化地區植物生長的最大限制因子［7－9］。對沙化土地土壤水分的時空格局及動態規律進行研究，能夠為當地沙化防治、固沙植物的選育、生態系統的修復與重建提供重要參考［10］。目前，我國關于沙化土地的土壤水分研究主要集中于北方干旱與半干旱地區［7，11－14］，而有關南方濕潤地區沙化土地的土壤水分研究則報道較少。鄱陽湖作為我國第一大淡水湖泊，在長江中下游調洪蓄水中發揮著十分重要的作用。同時，優越的水熱條件也使得鄱陽湖地區成為江西省重要的農業基地。但由于各種因素影響，導致鄱陽湖地區沙化現象較為嚴重［2，15－17］。流沙不僅威脅到當地居民的生產生活，亦對鄱陽湖泄洪和航道通暢造成影響［18－19］。目前該沙化地區植被恢復限制因子的研究較弱，已有的研究僅對沙化土壤的養分特征進行了分析［20］，但尚無相關土壤水分的研究報道。為此，本研究以鄱陽湖典型沙化地區土壤水分為研究對象，對不同下墊面土壤水分進行測定，探討其動態變化特征，以期為南方沙化土地的植被恢復和重建以及沙化土地的合理利用提供參考。

1 研究區概況

研究區位于江西省都昌縣多寶沙山（29°21′22″—29°27′18″N，116°03′00″—116°7′42″E），緊鄰鄱陽湖。氣候屬于典型的亞熱帶季風區，年均溫17.5℃，多年平均降水量1 310mm。該地區土壤沙化區域平行于湖岸線分布，從湖濱到山頂，可大致分為湖濱沙地、中部沙地、內側沙地和沙地—耕地過渡帶［20］。沙地優勢植物主要為狗牙根〔Cynodon dactylon （Linn.）Pers.〕、蔓荊子 （Vitex trifolia Linn.）、算盤子〔Glochidion puberum（Linn.）Hutch.〕、檵 木〔Loropetalum chinense（R.Br.）Oliver〕、山 楂 （Crataegus pinnatifida Bge.）、小 葉 女 貞 （Ligustrum quihoui Carr.）等。近年來，該地區一直在開展植樹造林工程，樹種以濕地松（Pinus elliottii Engelm.）為主。

2 研究方法

試驗中土壤體積含水量（%）采用插針式時域反射儀（time domain reflectometry，TDR）測定。選取沙化地區4種典型的下墊面類型：7年生濕地松、4年生濕地松、草地、裸沙地，各樣地地形及群落特征詳見表1。共4個觀測點，在每個觀測點設置3個重復，濕地松測定點的位置選擇參考了文獻［11］，以濕地松樹干基部為中心，半徑均為70cm。測量深度為0—80cm，共8層（每10cm為1層），每層重復測量5次，取平均值以減小測量誤差。測量時間分別為2012年3月25日、6月19日、6月30日（暴雨后第3天）、8月3日（持續高溫晴朗天氣的第14天）、10月21和12月11日。溫度和降水數據來自研究區自動氣象站觀測資料。

表1 樣地的基本概況

3 結果與分析

3.1 不同下墊面土壤水分的年內變化

觀測期內，不同下墊面土壤平均含水量（0—80 cm）差異明顯（圖1）。4年生濕地松的平均含水量最高，裸沙地最低，不同下墊面土壤平均含水量大小順序依次為：4年生濕地松（5.22%）＞草地（4.88%）＞7年生濕地松（4.01%）＞裸沙地（2.95%）。該區土壤含水量整體偏低，這與土壤質地有密切關系，該區主要為風沙地，持水能力弱，僅相當于南方紅壤的1／5左右［21－22］；但高于北方的沙地［7，11］，這與南、北沙地的氣候條件差異有密切關系。不同下墊面土壤含水量的動態變化，不僅受到降水強弱和降水日數分布的影響，而且受到地表蒸發量和植物需水量等因素的綜合作用［23］。從圖1—2可以看出，雖然4種下墊面的土壤水分在年內的變化趨勢具有較好的一致性，但不同下墊面的土壤在不同的時期，其持水量存在著一定的差異。3—6月份盡管氣溫不斷上升，蒸發速率加快，但是月降水量多達150mm以上，且月降水日數也多達15d以上，降水間隔期小，土壤水分能迅速得到補給。據該時期3次測得的土壤含水量的平均值來看（3月25日、6月19日、6月30日），4年生濕地松土壤含水量最大，裸沙地最小，大小順序依次為：4年生濕地松（7.48%）＞草地（6.03%）＞7年生濕地松（5.01%）＞裸沙地（3.23%）。7—8月該地區正處于副熱帶高壓控制時段，雖然降水量達到100～200 mm，但降水主要是以暴雨形式出現，降水日數為6～8d，降水間隔時間長達十幾天，期間多高溫天氣，地表蒸發強度和植被蒸騰強度達到最高水平，各個下墊面的土壤水分均達到最低水平。8月3日（持續高溫晴朗天氣的第14天）觀測數據顯示，土壤體積含水量大小順序為：7年生濕地松（2.45%）＞裸沙地（2.31%＞草地（1.97%）＞4年生濕地松（1.69%）。馮起和程國棟對南昌厚田沙地的研究得出，7—8月該地沙地含水量在2%～3%之間［4］，這與本研究的結論保持了較好的一致性。進入10月后，雖然降水量和降水日數相對較少，但氣溫不斷降低，蒸發量減小，土壤水分整體相對穩定，10月21日和12月11日測得土壤含水量的平均值大小順序依次為：草地（4.61%）＞4年生濕地松（3.59%）＞7年生濕地松（3.25%）＞裸沙地（2.85%）。

圖1 不同下墊面土壤含水量的年內變化（2012年）

圖2 研究區氣溫和降水量及日數的年內變化

3.2 不同下墊面不同深度的土壤水分年內變化

經典統計學通常用變異系數（Cv）的大小來確定其變異程度，當Cv≤0.1時為弱變異性，當0.1＜Cv＜1時為中等變異性，當Cv≥1時為強變異性。從圖3可以看出，在0—80cm土層深度內，土壤水分在年內變化均為中等變異性，但不同下墊面各深度的土壤水分的變異系數存在差異。4年生濕地松不同土層深度的土壤水分年內變異系數較大，均超過了0.4，隨著土層深度增加表現為先降低、后升高的態勢；裸沙地和7年生濕地松變異系數表現為先降低，然后逐漸趨于穩定的態勢；而草地在0—80cm土層深度，變異系數一直呈現下降態勢。

圖3 不同下墊面各土層土壤水分年內變異系數

對于剖面土壤水分垂直層次的劃分，已有學者［24－25］根據各層年內的變異系數將土壤水分劃分為4層：速變層（Cv＞0.3），活躍層（0.2＜Cv≤0.3），次活躍層（0.1＜Cv≤0.2）以及穩定層（Cv≤0.1）。表2是根據變異系數劃分的不同下墊面0—80cm土壤水分垂直變化分層。從表2可以看出，不同下墊面的土壤水分分層差異較大，4年生濕地松只有速變層，7年生濕地松和草地可以分為速變層和活躍層，但兩者厚度存在差異，速變層厚度分別為0—30cm和0—60 cm，活躍層厚度分別為30—80cm和60—80cm；相對于有植被覆蓋的下墊面而言，裸沙地可以分為3層，分別為速變層（0—20cm）、活躍層（70—80cm）和次活躍層（20—70cm）。至于次活躍層位于活躍層之上的原因，本研究認為可能與小地形有關，具體原因還有待于深入分析。總的來說，不同下墊面各個土層水分年內變化波動較大，均缺乏穩定層，其中又以4年生濕地松波動最為劇烈。

表2 研究區不同下墊面0－80cm土壤含水量的垂直分層

3.3 不同下墊面土壤水在垂直方向上的變化特征

從表3和圖4可以看出，3—6月份僅4年生濕地松（20120619）和7年生濕地松（20120630）在垂直方向上呈弱變異性，其余均呈中等變異性。其中，裸沙地含水量隨深度增加呈上升趨勢，4年生濕地松、7年生濕地松和草地大致表現為先降后升的態勢（圖4），這可能與植被覆蓋的沙地表層積累了一定量的枯枝落葉和有機質，增加了土壤持水能力有關。7—8月份不同下墊面土壤水分在垂直方向均呈現為中等變異性，其中草地的變異系數最高，達到0.82。各下墊面表層均出現干層現象，在0—80cm土層深度內，土壤水分表現為遞增型（圖4），這與該時期的降水少，氣溫高，蒸發大有密切關系。從不同下墊面的表層含水量看，草地的表層含水量較低，但在30cm后迅速增加，到70cm后超過了其它幾種下墊面類型的土壤含水量，主要是由于草地的根系分布深度較7年生、4年生濕地松淺，在20—50cm土層耗水量大，其土壤水分達到最低值；但在土層深度60—80cm處，草地含水量迅速增加，而4年生濕地松、7年生濕地松土壤水分增長較緩慢，這說明在該時期沙地深層土壤中植被的根系深度對土壤水分影響較大。10—12月份各下墊面土壤水分在垂直方向變異性減弱。在12月份的觀測數據中，在0—80cm深度內，除裸沙地呈增加態勢外，其余3種下墊面土壤水分均呈降低態勢（圖4），具體原因還有待進一步分析。

總體而言，土壤水分在垂直方向上變異程度因時間和下墊面類型的不同而存在差異。在年內不同時期，垂直方向的土壤水分變異程度均表現為8月份最大，10—12月份次之，3—6月份最小。對于不同下墊面類型來說，除8和10月份外，有植被覆蓋的地區，土壤水分在垂直方向上的變異程度較低，而裸沙地變異程度較高。

表3 研究區不同下墊面土壤含水量垂直方向上的變異系數Cv

圖4 不同下墊面土壤含水量在垂直方向上的變化特征

4 結果討論

近年來，研究區一直在進行土地沙化的治理工作，主要采取濕地松造林措施，但由于基礎研究工作的缺乏，導致了沙化治理存在一些問題。從圖1可以看出，有植被覆蓋的地區，土壤含水量要高于裸露的沙地地區，說明植物的水土保持效應已經顯現出來。但同時也應該看到，蓋度較大的4年生濕地松和草地覆蓋下的土壤水分要高于7年生濕地松，并且通過野外調查還發現，林齡越高，林下植被越單一。其中一個原因是在土壤貧瘠的沙化地區，林齡增大，所需水分越多，從而抑制了林下其它物種的生長。因此，對于研究區的濕地松林，建議在樹齡達到一定時期，且流沙已經得到控制的情況下，適當降低濕地松林的密度，使原有物種得以保留和其他物種得以進入，從而達到改善群落結構，實現沙化地區森林植被的可持續發展。郭忠升和邵明安［26］也得出，在黃土丘陵區，隨著林齡增加，檸條錦雞兒林對土壤水分的影響逐漸增強，林地土壤含水量和儲水量下降幅度加大，造林5a就需要采取適當措施控制檸條錦雞兒生長。

從圖2和圖4可以看出，研究區在8月份由于受副熱帶高壓的影響，高溫少雨，蒸發旺盛，導致地表近10cm出現干層，這對于該地造林的主要樹種—濕地松幼苗的成活將是一個嚴峻考驗。如果此時期濕地松幼苗的根系能夠伸入到土壤20—30cm，幼苗的成活率將得到極大的提高，這就對濕地松的種植提出了深植要求。由于一年生濕地松幼苗高度較矮，不能滿足深植要求，因此在苗木選擇的時候最好選擇兩年生濕地松；同時盡量把種植日期提前，這樣才能保證在伏旱天氣來臨之前，濕地松從較深的土壤中吸收水分，從而減少地表干層對幼苗的影響。

5 結論

（1）不同下墊面土壤平均含水量大小順序依次為：4年生濕地松（5.22%）＞草地（4.88%）＞7年生濕地松（4.01%）＞裸沙地（2.95%）。

（2）該地區不同下墊面不同深度的土壤水分年內均表現為中等變異程度，其中，4年生濕地松變異程度最高，裸沙地最低。

（3）在不同時期，4種下墊面土壤水分在垂直方向上的變異程度存在差異，變異系數在8月份最大，10—12月份次之，3—6月份最小；相對于裸沙地來說，除8和10月份外，有植被覆蓋的地區，土壤水分在垂直方向上的變異程度較低。

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