沙障對不同林齡雨養梭梭林冠下淺層土壤含水量的影響

馬 瑞, 趙錦梅, 馬彥軍, 魏林源, 蘇永德

(1.甘肅農業大學 林學院, 甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅省治沙研究所, 甘肅 蘭州 730070)

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沙障對不同林齡雨養梭梭林冠下淺層土壤含水量的影響

馬 瑞1, 趙錦梅1, 馬彥軍1, 魏林源2, 蘇永德1

(1.甘肅農業大學 林學院, 甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅省治沙研究所, 甘肅 蘭州 730070)

[目的] 分析不同林齡雨養梭梭林冠下淺層土壤含水量在布設沙障后的變化，為沙障生態功能的評價及梭梭生長發育狀況的預測提供理論依據。 [方法] 對5年生幼年林和25年生中年林在布設沙障后冠下0—50 cm的土壤含水量、表層結皮厚度、近地表風速等因子進行測定分析。 [結果] 沙障通過降低近地表氣流流速，加速結皮形成等方式提高了梭梭冠下0—50 cm的淺層土壤含水量。沙障對5年生梭梭冠下土壤含水量的空間分布格局影響不大，但使25年生梭梭冠下土壤含水量隨著與主干距離的增加而單調增加，表現為“干島效應”。在垂直分布上，25年生梭梭冠下土壤含水量在塑料網沙障區與對照區間呈顯著相關(p<0.05)，而在麥草沙障區與對照區間相關性不顯著，其最大土壤含水量的出現深度下降至30—40 cm處。 [結論] 布設機械沙障對退化梭梭林的恢復將起到一定的促進作用，且對中年林梭梭土壤水分的影響大于對幼年林。

沙障; 雨養梭梭林; 淺層土壤含水量

文獻參數： 馬瑞, 趙錦梅, 馬彥軍, 等.沙障對不同林齡雨養梭梭林冠下淺層土壤含水量的影響[J].水土保持通報，2016,36(4)：138-142.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.025

種植防風固沙林是西北干旱、半干旱區防治土地沙化、固定流沙的關鍵措施，而土壤水分條件是荒漠區固沙植物生長發育最重要的制約因子。民勤綠洲是我國防沙治沙的重點區域，梭梭(Haloxylonammodendron)以其適應性強、生長迅速、根系發達、耐風蝕等特點，作為防風固沙優良樹種被大量種植于民勤綠洲外圍。20世紀80年代后，民勤綠洲地下水位急劇下降，使梭梭林成為不受控于地下水的雨養林，并出現了大面積的衰亡現象[1-2]。為了緩解植株衰亡，防止沙丘活化，需在退化林地上采取補設半隱蔽式或低立式機械沙障的措施，一方面利用沙障自身的遮蔽機制來防風固沙，另一方面，通過改善土壤水分狀況達到減緩梭梭林退化的目的。目前，對增設輔助固沙措施后的雨養梭梭林的研究主要是針對林地的防護效應展開的[3-4]，涉及的土壤水分測定多為隨機定點取樣，即以樣點的土壤含水量代表整個樣地的水分狀況。然而，楊艷鳳等[5]對原生梭梭根區土壤水分空間分布特征的研究表明，由于梭梭林冠的遮蔭和自集水效應，以及根區土壤良好的滲透性，使得根區土壤水分相對豐富，顯現出“濕島”效應并形成梯度變化，而這一水分富集程度及空間分布格局將很可能是影響固沙植物土壤水分利用方式和利用效率的關鍵。在土壤水分垂直分布上，由于民勤年平均降水量僅為113 mm，依據宋春武[6]、蔣進等[7]的研究結果可知，當年降水量在100 mm左右時，對土壤水分的影響深度多在60 cm以內，主要集中于地表30 cm的范圍。此外，沙障的布設可促使土壤結皮廣泛發育，使降水的入滲進一步淺層化[8-11]。基于此，本研究將以甘肅省民勤綠洲—荒漠過渡帶布設有沙障的雨養梭梭林為研究對象，對兩種林齡的梭梭冠下0—50 cm土壤含水量及其影響因子進行分析，闡明沙障對梭梭冠下淺層土壤含水量的影響，為沙障生態功能的評價及梭梭生長發育狀況的預測提供理論依據。

1　研究區與研究方法

1.1研究區自然概況

甘肅省民勤縣(102°45′—103°55′E，38°20′—39°10′N)地處石羊河下游，為騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠前緣交匯區。調查采樣區位于民勤綠洲荒漠過渡帶，西北流沙壓境，東南為民勤綠洲灌區。在氣候上，屬溫帶荒漠氣候，多年平均氣溫7.68 ℃，降水稀少，氣候干旱，年平均降水量113 mm，年平均蒸發量2 452.7 mm；年平均有風的記錄占99.23%，平均風速2.5 m/s，據當地水位觀測數據顯示，20世紀60年代初，地下水位為1～3 m，現已降至22 m以下。

1.2研究方法

1.2.1試驗地選擇為了分析布設沙障對幼年林和中年林梭梭冠下淺層土壤含水量的影響，選取民勤綠洲外圍生境條件一致的5 a林齡和25 a林齡的雨養梭梭林地為試驗地。5 a林齡的梭梭林試驗地位于民勤老虎口，梭梭行間距為2 m×3 m，蓋度30%，平均冠幅和株高分別為1.10 m×9.50 m，1.75 m。該區在2008年造林前期，于林內布設了1 m×1 m的麥草方格沙障和塑料網方格沙障，在梭梭和沙障的共同作用下，表層沙土的流動性受到抑制，沙面相對穩定但無明顯結皮形成。25 a林齡的梭梭林試驗地位于民勤治沙站，梭梭衰亡退化，保存密度270株/hm2，蓋度約5%，平均冠幅和株高分別為2.30 m×1.85 m，2.65 m。為遏制林內早期固定的沙質地表大面積活化，該區于2008年在林內布設了相同規格的麥草方格沙障和塑料網方格沙障，在沙障防護作用下，沙面形態穩定，生物結皮發育。

1.2.2土樣采集及含水量測定2014年7月中旬，在5 a林齡和25 a林齡的試驗地內的麥草沙障區和塑料網沙障區的中部分別選取長勢相對良好，冠層空間構型接近，且冠下無草本植物著生的梭梭各1株，以2個試驗區同一生境條件下無沙障防護的梭梭作為對照，記為CK5和CK25(因老虎口均為梭梭配沙障的造林模式，故試驗取沙障破壞，已無防護作用的梭梭為對照)。在每株梭梭主干的東、西、南、北4個方向上各確定一條樣線，沿樣線自主干基部起每50 cm為一取樣點，根據冠幅大小，5 a林齡的梭梭冠下共取了12個樣點，25 a林齡的梭梭冠下共取了24個樣點。用沙土鉆在各樣點取0—5 cm，5—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm，40—50 cm土層的土樣，裝入自封袋帶回民勤治沙站實驗室，采用烘干稱重法測定土壤含水量，3個重復取其平均值。

1.2.3土壤水分主要影響因素測定雨養梭梭林具有相同的土壤基礎，影響其冠下淺層土壤含水量的主要因素是降水輸入、植株水分消耗以及與土壤水分蒸發有關的環境因子，由于所選的同一林齡的梭梭生長狀況和空間構型一致，故視其生理耗水量和穿透雨量的差異可不計，則土壤含水量的差異主要是由于蒸發量的變化引起，而影響土壤蒸發的主要因素是結皮狀況和近地表的風速，對結皮和近地表風速進行測定。 (1) 結皮測定。除人為和動物干擾的地方有破損外，25 a林齡的林地內結皮發育較為完整。在每株梭梭冠下各選取5個15 cm×15 cm樣方，用土鏟和鑷子獲取結皮層，用數顯游標卡尺測定結皮厚度。 (2) 近地表風速測定。在同一風力下，使用NK4 500手持氣象站對梭梭冠下10和100 cm高度處的風速進行同步測定，瞬時風速采集時間間隔為2 s，采集時間為1 h。

1.2.4數據處理與分析采用SPSS Statistics V21.0和Excel軟件對數據進行統計分析和作圖。

2　結果與討論

2.1梭梭冠下土壤含水量及其影響因素

表1為不同林齡、不同類型沙障布設區梭梭冠下0—50 cm土層平均土壤含水量及主要影響因子值。由表1可知，麥草沙障和塑料網沙障布設后，5 a林齡和25 a林齡的梭梭冠下0—50 cm土壤含水量均有所提高，相比之下，沙障對25 a林齡的梭梭冠下土壤水分狀況的改善作用更為明顯，土壤平均含水量分別比對照(CK25)高出了1.09%和0.84%，這可能與25 a林齡的梭梭生長緩慢、耗水量較低有關，實地調查也表明，25 a林齡的梭梭生長不良，枯稍率高達40%～50%。依據馬全林等[2]的研究，土壤水分是影響人工梭梭林最關鍵、最直接的生態因子，風沙土土壤含水量介于0.82%～1.30%時，梭梭林處于退化狀態，高于1.30%時，梭梭生長正常。因此，沙障的布設對退化梭梭林的恢復將起到一定的促進作用。另外，從土壤含水量的空間變異系數看，沙障區均低于對照區，說明布設沙障在一定程度上弱化了土壤水分空間分布的差異性。

結皮是荒漠、半荒漠地區形成的土壤表面層狀結構，沙面結皮的形成是沙土固定的重要標志。在結皮形成初期，沙障為粉粒物質和有機質的積累提供了有利條件，從而加快了沙面結皮的形成進程[9-10]，而結皮的形成對降水量少、風大、氣候干燥的荒漠地區而言，即起到阻止雨水入滲的作用，又對下層土壤水分的蒸發起到了抑制作用[12-14]，二者的收支差額則決定了結皮對土壤水分狀況的改變方向。從結皮厚度測定結果(表1)來看，在25 a林齡的梭梭林內，麥草沙障區和塑料網沙障區結皮厚度均明顯大于對照區(CK25)，這使得降水入滲更為淺層化，降水過后，水分多被保持在結皮層，并在干旱多風的氣候條件下很快蒸發，但因研究區降雨次數和降雨量均較少，結皮長期處于干燥狀態，下部土壤毛管作用弱而使得已經到達下層的土壤水很難向土壤表層輸送，從而降低了下層土壤水分的汽化率，起到了保水的作用。而5 a林齡的梭梭冠下土壤含水量雖然也有一定程度的提高，但因尚未形成結皮阻隔層，故降水易于入滲也易于蒸發，使得總體上土壤含水量提高幅度較小。

風是水平流動的氣流，其流速是影響地表土壤水分蒸發的關鍵因素。沙障布設后，梭梭林內近地表氣流受障體的切割和阻擋，能量消耗而使風速降低。從表1可知，兩種沙障區100 cm高度處至10 cm高度處的風速降幅相對于對照區均有較大幅度的增加，這與土壤含水量的提高具有一致性，說明沙障的遮蔽作用可降低近地表風速，從而起到了減少土壤水分蒸發的作用。風速降低對梭梭林土壤含水量的這一影響還可從馬全林等[3]對退化梭梭林的恢復試驗中得到佐證。

表1　梭梭冠下平均土壤含水量及主要影響因子值

注：土壤含水量是冠層覆蓋區所有取樣點的平均值。

2.2梭梭冠下土壤含水量的空間變化

2.2.1土壤含水量的水平變化對雨養梭梭林而言，降雨量的多少以及冠層和地被物層對雨水的截留狀況共同決定了土壤水分的輸入量。對降雨再分配的研究表明，受冠層水平結構影響，實際到達土壤層的穿透雨量將隨著與主干距離的增大而增大[15]。因此，就降水輸入而言，與梭梭主干距離越遠，補給給土壤的雨水量就越多，土壤含水量應該越大。然而，受蒸發、水分側滲以及根系利用的多重影響，梭梭冠下土壤水分的水平分布格局將變的更為復雜。從圖1可知，在5年生幼年梭梭林內，兩種沙障布設區和對照區(CK5)的梭梭冠下土壤含水量均隨著與主干距離的增大而減小，這與楊艷鳳等[5]對古爾班通古特沙漠原生梭梭根區土壤水分變化特征的研究結果一致，即梭梭根區存在“濕島效應”。但在25年生中年梭梭林內，對照區(CK25)主干基部0—50 cm的平均土壤含水量最高，為2.04%，隨著與主干距離的增大，土壤含水量降低，距主干1.5 m處的土壤含水量最低，僅為1.5%，1.5 m以外呈升高趨勢，即出現了先降后升的變化過程。而沙障的布設使這一分布格局發生顯著變化，土壤含水量除了在主干基部比對照區略低之外，其余各處均高于對照區(CK25)，且兩種沙障均表現為沿徑向單調遞增的趨勢，遞增幅度隨著與主干距離的增大而減小，冠緣2.5 m處的土壤含水量達到最大，整體上表現為與“濕島效應”截然相反的“干島效應”。

圖1　不同林齡梭梭林冠下土壤含水量水平分布

從相關系數可知(表2)，在量上，5年生幼年梭梭冠下土壤含水量的水平分布在兩種沙障布設區與對照區間的相關性均不顯著；而25年生中年梭梭冠下土壤含水量的水平分布在兩種沙障布設區與對照區間均呈顯著負相關(p<0.05)，成對樣本T檢驗表明麥草沙障對距離梭梭主干不同距離處的土壤含水量具有顯著影響(p=0.039<0.05)，而塑料網沙障對此影響不顯著(p=0.119)。

表2　土壤含水量水平分布的相關性分析與成對樣本T檢驗

注：*表示在0.05水平(雙側)上顯著相關； 成對樣本T檢驗是在95%置信水平上。

2.2.2土壤含水量垂直變化從土壤含水量的垂直分布格局(圖2)來看，不同立地類型下的梭梭冠下土壤含水量隨深度變化均呈先增大后減小的趨勢。沙障布設對5 a林齡的梭梭冠下土壤含水量垂直分布格局的影響不顯著，而對于25 a林齡的梭梭而言，其冠下除表層0—5 cm的土壤含水量差異不明顯外，其余各層的土壤含水量在沙障布設區均高于對照區(CK25)。在峰值上，塑料網沙障布設區梭梭冠下的土壤含水量最大值出現的深度與對照區(CK25)一致，均在10—20 cm土層處，而麥草沙障內梭梭冠下的土壤含水量最大值下降至30—40 cm處，說明麥草沙障在增大土壤含水量的同時還改變了土壤水分的垂直分布格局。對雨養梭梭而言，土壤水分分布深度會影響不同土壤層的根系水分利用效率，梭梭的側根及毛細根出現深度一般在35 cm以下，因此，麥草沙障的布設有利于梭梭淺層根系對土壤水分的利用。

圖2　不同林齡梭梭林冠下土壤含水量垂直分布

表3為土壤含水量垂直分布的相關性分析與成對樣本T檢驗結果。相關系數表明(表3)，除25 a林齡的梭梭冠下土壤含水量的垂直分布在麥草沙障區與對照區無顯著相關性外，其余均在0.01水平上顯著正相關；成對樣本T檢驗說明兩種沙障對梭梭冠下各層土壤含水量均具有顯著影響。

表3　土壤含水量垂直分布的相關性分析與成對樣本T檢驗

注：**表示在0.01水平(雙側)上顯著相關；成對樣本T檢驗是在95%置信水平上。

3　討論與結論

沙障布設后，地表結皮逐漸發育，近地表風速降低，在此作用下，5 a林齡和25 a林齡的梭梭冠下0—50 cm土壤含水量均有所提高，且對25 a林齡的梭梭冠下土壤水分狀況的改善作用更為明顯，這應該與不同林齡梭梭的耗水特征有關。5年生幼年林的地上生物量相對于25年生中年林要少很多，但相比之下，幼年林生長旺盛、枯稍率低、新生枝數量多，且根系分布較淺，故其生理耗水和蒸騰作用消耗了淺層土壤中較多的水分，使其土壤含水量在同一固沙措施下增加幅度小于中年林。

從土壤含水量的空間分布格局上看，5 a林齡的梭梭冠下土壤含水量在沙障布設區仍表現為與對照區相同的“濕島效應[5]”，沙障對土壤水分在水平方向分布格局的影響不顯著；與此相比，沙障明顯改變了25 a林齡梭梭冠下土壤水分的水平分布格局，使其土壤含水量表現為沿徑向單調遞增的變化趨勢。在垂直變化上，兩種沙障對5 a林齡和25 a林齡的梭梭冠下各土層土壤含水量均具有顯著影響，其中，麥草沙障在增大土壤含水量的同時還使土壤含水量最大值下移，這與隱蔽在沙土層中的麥草的水分存儲和輸導作用有關。麥草沙障為半隱蔽式沙障，埋入沙土中的麥草作為有機質，在土體中經微生物作用后部分轉化為腐殖質，腐殖質具有膠體性質，可吸附作為極性分子的水分子，起到了對雨水的存儲作用，存儲的水分子在解吸時向下部土層補給，故出現了土壤含水量最大值下移的現象，而塑料網沙障為低立式沙障，布設時塑料網均置于沙土層之上，在使用過程中即使下部塑料網可能被攔截的流沙所埋，但因塑料不具有麥草的生物學特性，故對水分的垂直分布格局沒有明顯影響。

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Influence of Sand Barriers on Shallow Soil Moisture Under Canopy of Rain-fedHaloxylonAmmodendronForest with Different Ages

MA Rui1, ZHAO Jinmei1, MA Yanjun1, WEI Linyuan2, SU Yongde1

(1.ForestryCollege,GansuAgricultureUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China;2.GansuDesertControlResearchInstitute,Lanzhou,Gansu730070,China)

[Objective] By analyzing the changes of soil water content beneath the canopy of rain-fedHaloxylonammodendronforest in which sand barriers were established, this paper aimed to provide theoretical basis for evaluating the ecological functions of sand barriers as well as forecasting the growth and development situation of theHaloxylonammodendronforest. [Methods] Two sites of 5 and 25 years oldHaloxylonammodendronforests were selected to establish wheat straw and plastic net sand barriers. Wherein, soil water contents of 0—50 cm depth, crust thickness, near-surface wind speed beneath the canopy were measured and analyzed. [Results] Under the influence of sand barriers, soil water contents of 0—50 cm increased, air flow velocity in near-surface decreased and the formation of crust was speeded up. The sand barriers had no significant influence on the spatial distributional pattern of soil water contents beneath the 5 years oldHaloxylonammodendroncanopy. Whereas, “dry island effect” was observed for the 25 years oldHaloxylonammodendroncanopy, i.e., soil water contents decreased monotonically with the distance decreasing from the tree trunk. Soil water content in the vertical profile between plastic net sand barriers area and contrast area had a significant correlation(p<0.05), while had no evident correlation between wheat straw sand barriers area and contrast area. The depth with biggest soil water content in wheat straw sand barriers area descended to 30—40 cm. [Conclusion] Establishment of sand barriers had somewhat acceleration effects on the recovery of degeneratedHaloxylonammodendronforest, it was more obvious for the middle age forest than the young forest with regard to the effect on soil water.

sand barriers; rain-fedHaloxylonammodendronforest; shallow soil water

2016-01-28

2016-02-20

國家自然科學基金項目“基于土壤水分承載力的防風固沙林密度配置格局與防護效應”(31460221); 甘肅省自然科學基金項目“防風固沙林密度非均勻配置格局與防護效益風洞實驗研究”(1506RJZA016)

馬瑞(1977—),女(回族),甘肅省平涼市人,博士,講師,主要從事荒漠生態研究。E-mail:mr031103@126.com。

A

1000-288X(2016)04-0138-05

Q945.7