荒漠綠洲過渡帶白刺灌叢沙堆土壤水分空間分布及入滲特征

席軍強(qiáng),趙翠蓮,楊自輝,郭樹江，王強(qiáng)強(qiáng)，張劍揮

(1.甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，甘肅 民勤 733300； 2.平?jīng)鍪嘘P(guān)山林業(yè)管理局，甘肅 平?jīng)?744100)

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荒漠綠洲過渡帶白刺灌叢沙堆土壤水分空間分布及入滲特征

席軍強(qiáng)1,2,趙翠蓮1*,楊自輝1,郭樹江1，王強(qiáng)強(qiáng)1，張劍揮1

(1.甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，甘肅 民勤 733300； 2.平?jīng)鍪嘘P(guān)山林業(yè)管理局，甘肅 平?jīng)?744100)

本研究選取民勤荒漠綠洲過渡帶白刺灌叢沙堆3個(gè)演化階段：雛形階段(流動(dòng)白刺沙堆)、沙堆形成階段(發(fā)育20年，半固定白刺沙堆)和結(jié)皮與土壤形成階段(發(fā)育40年，固定白刺沙堆)為研究對(duì)象，采用空間代替時(shí)間的方法，研究不同類型沙堆土壤物理屬性對(duì)水分空間分布及入滲的影響，探索白刺灌叢沙堆土壤水分運(yùn)行規(guī)律，為綠洲荒漠過渡帶防護(hù)林體系優(yōu)化配置、綠洲生態(tài)安全管理奠定理論基礎(chǔ)。結(jié)果表明，1)土壤緊實(shí)度和結(jié)皮厚度：固定白刺沙堆>半固定白刺沙堆>流動(dòng)白刺沙堆。2)表層土壤密度流動(dòng)、半固定、固定白刺沙堆分別為2.32，2.30，1.95 g/cm3；最大持水量、毛管持水量、田間持水量和總孔隙度大小為：固定白刺沙堆>半固定白刺沙堆>流動(dòng)白刺沙堆，而深層土壤各因子變化不穩(wěn)定。3)在干旱季節(jié)，固定、半固定和流動(dòng)白刺沙堆分別以0，70，150 cm土層含水量最小，50，130，110 cm土層含水量最大；在多雨季節(jié)，表層土壤含水量波動(dòng)幅度較大，深層土壤含水量基本保持不變。4)不同演化階段沙堆降雨量與累計(jì)入滲量之間存在顯著的正相關(guān)性(P<0.01)。其中固定、半固定白刺沙堆隨降雨事件的發(fā)生立即開始入滲，流動(dòng)白刺沙堆當(dāng)降雨量達(dá)到臨界降雨量后才開始入滲。在降雨量相同情況下，當(dāng)降雨量大于0.12 mm時(shí)，累積入滲量依次為：固定白刺沙堆>半固定白刺沙堆>流動(dòng)白刺沙堆。

白刺灌叢沙堆；土壤物理性質(zhì)；水分入滲特征

荒漠綠洲過渡帶是保障綠洲生態(tài)安全的重要屏障，它是綠洲生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是荒漠生態(tài)系統(tǒng)退化的主要體現(xiàn)形式，可表征綠洲生態(tài)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性[1]，而過渡帶是荒漠生境和綠洲生境之間相互轉(zhuǎn)化活動(dòng)最劇烈、最突出的地區(qū)[2]，也是干旱區(qū)的生態(tài)敏感帶[3]，荒漠綠洲過渡帶在保護(hù)生物多樣性、抑制荒漠化和維護(hù)綠洲生態(tài)安全方面起著極其重要的作用[4]。

在我國灌叢沙堆主要分布于農(nóng)牧交錯(cuò)地帶、沙漠邊緣帶及荒漠草原[5-8]，類型有小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)、檉柳(Tamarixramosissima)、駱駝刺(Alhagisparsifolia)、蘆葦 (Phragmitesaustralis)、蒿類(Artemisiaspp.)和白刺(Nitrariaspp.)等[9]。灌叢沙堆是荒漠區(qū)土壤風(fēng)蝕、土地退化以及土壤初步形成的標(biāo)志[10-11]，也是沙漠化的一種表現(xiàn)形式，在阻攔流沙入侵綠洲、保護(hù)荒漠區(qū)生物多樣性、維持區(qū)域生態(tài)平衡、促進(jìn)土壤形成等方面所起的作用不可忽視。白刺(Nitrariatangutorun)灌叢作為民勤綠洲荒漠過渡帶分布面積最大的天然灌叢，隨著灌叢沙堆年限的增長，形成了不同類型的土壤結(jié)皮，促進(jìn)了成土過程，遏制了灌叢沙堆的活化。但是，近些年由于環(huán)境變化、不合理的人類活動(dòng)干預(yù)以及過度利用水資源致使地下水持續(xù)下降等原因，使得民勤天然植被生存環(huán)境進(jìn)一步惡化[12]，造成天然植被衰敗，灌叢沙堆大面積的衰敗枯死，體積變小,數(shù)量增加，部分灌叢沙堆出現(xiàn)活化、逐漸解體，原有的固定白刺沙堆逐漸活化成為新的風(fēng)蝕源地，進(jìn)一步發(fā)展，將會(huì)引起流沙入侵綠洲的危害，對(duì)民勤綠洲的危害性逐年加大[13-14]。另外，天然白刺幼苗在荒漠綠洲過渡帶上生長發(fā)育，使得原來以流動(dòng)白刺沙堆為主的沙漠景觀演變成了一個(gè)復(fù)雜的天然荒漠生態(tài)系統(tǒng)。大氣降塵、天然降雨等輸送的物質(zhì)對(duì)土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、生物特性、水文過程和形態(tài)特征等內(nèi)外屬性也發(fā)生不同程度的改變，促使流動(dòng)沙粒向土壤轉(zhuǎn)變，進(jìn)而不同類型沙堆呈現(xiàn)各異的水分分布狀況。因此，研究白刺灌叢沙堆水分空間分布和入滲特征，對(duì)荒漠生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)以及沙漠化防治具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來，國外學(xué)者對(duì)白刺灌叢沙堆的形態(tài)學(xué)[15-16]、沉積學(xué)[10]、生態(tài)學(xué)[16]和動(dòng)力學(xué)過程[16-17]等方面進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究；國內(nèi)學(xué)者從白刺灌叢沙堆的土壤特性[18]、生理生態(tài)特性[19-20]、灌叢生物量模擬[12]、空間格局[21]、防沙效益[22]及白刺灌叢對(duì)降水與地下水利用[23]等方面進(jìn)行了探討，在荒漠土壤的研究中，主要在土壤微生物多樣性[24-27]、土壤種子庫、土壤理化性質(zhì)、土壤微生物數(shù)量、土壤微生物生物量和土壤酶[28-31]等方面開展了研究。但是以荒漠綠洲過渡帶不同沙地類型白刺灌叢沙堆為研究對(duì)象，來探討土壤水分空間分布格局及入滲特征等方面還尚未報(bào)到。因此，本研究通過對(duì)白刺灌叢沙堆土壤水分和物理性質(zhì)進(jìn)行研究，旨在探討土壤物理性質(zhì)、土壤水分變化規(guī)律及其與入滲的相互關(guān)系，了解土壤水分在沙地生態(tài)系統(tǒng)中所起的作用，以期為沙化土地治理及植被恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處甘肅省河西走廊東端石羊河流域下游民勤綠洲邊緣，位于巴丹吉林沙漠東南緣的沙井子荒漠綠洲過渡帶上。地理位置在102°03′-104°03′ E，38°05′-39°06′ N 之間。東、北、西三面被騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠包圍，屬于我國典型的溫帶大陸性荒漠氣候。其特點(diǎn)為：氣候干燥、降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、風(fēng)大沙多、氣候環(huán)境十分惡劣；多年平均氣溫7.6 ℃，年均日較差15.2 ℃；≥10 ℃年積溫為3036.4 ℃，無霜期176 d；多年平均降水量為113 mm，主要集中在每年的6-9月，占年均總降水量的60%以上，地下水位都在20 m以下，植物生長和存活完全依靠天然降水，多年平均蒸發(fā)量為2664.0 mm；研究區(qū)年≥8級(jí)大風(fēng)日數(shù)為27.8 d；多年平均大風(fēng)日數(shù) 26.3 d，沙塵暴日 25.0 d，揚(yáng)沙日 37.5 d，浮塵日 29.7 d，是全國浮塵、揚(yáng)沙、沙塵暴最嚴(yán)重地區(qū)之一，也是我國沙塵暴的主要策源地。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置 研究樣地設(shè)在甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站(簡稱民勤國家野外站)荒漠綠洲過渡帶的觀測場，隨著不同年代沙堆演替形成流動(dòng)白刺沙堆(0年)、半固定白刺沙堆(20年)和固定白刺沙堆(40年)。分別在不同類型白刺灌叢沙堆中設(shè) 9 個(gè) 10 m×10 m的典型固定樣地，樣品和數(shù)據(jù)隨機(jī)在3種類型樣方中采集。

1.2.2 測定方法 土壤密度(g/cm3)、土壤最大持水量(g/kg)、毛管持水量(g/kg)、田間持水量(g/kg)、總孔隙度(%)、毛管孔隙度(%)、非毛管孔隙度(%)等土壤水分物理性質(zhì)指標(biāo)均按照中國林業(yè)科學(xué)研究院《森林土壤水分-物理性質(zhì)的測定》(LY/T1215-1999)標(biāo)準(zhǔn)測定(采用環(huán)刀法)，結(jié)皮厚度采用電子游標(biāo)卡尺測定，土壤緊實(shí)度采用土壤緊實(shí)度儀(指針式土壤硬度計(jì)TYD-1)測定。

土壤水分測定：于2013年5月-2015年5月在研究區(qū)選取典型白刺沙堆試驗(yàn)樣地，埋設(shè)水分探頭并安裝JY2PC-2S型土壤濕度監(jiān)測儀，探頭埋設(shè)的深度分別為10，30，50，70，90，110，130，150 cm，并定時(shí)記錄8個(gè)土層的土壤體積含水量，每隔60 min監(jiān)測1次，每個(gè)樣地3個(gè)重復(fù)。另外，在雨季降雨后連續(xù)跟蹤觀測，對(duì)降雨量在10～20 mm之間的降雨除用土壤濕度監(jiān)測儀外，用TDR輔助測定 0～5 cm、 5～10 cm、10～20 cm和20～30 cm層土壤含水量，每12 h測定一次，連續(xù)觀測7 d，大于20 mm降雨連續(xù)觀測15 d，以了解其短期土壤水分入滲變化狀況。

基于水量平衡原理，單次降雨結(jié)束后土壤中含水量的增量即為此次降雨過程的累積入滲量[32]，具體計(jì)算公式為：

式中：I為累積入滲量(mm)；θej為第j層降雨結(jié)束時(shí)的末期土壤體積含水量；θij為第j層降雨開始前的初始土壤體積含水量；Zj為第j層的土層厚度(cm)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel、Origin 7.5進(jìn)行基本數(shù)據(jù)分析和繪圖，采用SPSS 17.0軟件one-way ANOVA法進(jìn)行方差分析，采用DPS軟件的Duncan法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，所有數(shù)值以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型沙堆土壤緊實(shí)度與結(jié)皮厚度變化特征

民勤荒漠綠洲過渡帶隨著固定年限不斷延長，逐步演化成流動(dòng)、半固定和固定白刺沙堆。其中，固定白刺沙堆表層土壤緊實(shí)度最大，半固定次之，流動(dòng)最小(表1)。隨著沙堆的不斷固定，在沙堆表層形成土壤結(jié)皮，主要表現(xiàn)為固定白刺沙堆有較厚的藻結(jié)皮、物理結(jié)皮和苔蘚結(jié)皮(20.59 mm)，是半固定白刺沙堆的5倍；半固定白刺沙堆僅有物理結(jié)皮且較??；流動(dòng)白刺沙堆未形成沙結(jié)皮而是疏松的流沙?？梢?，不同封育年代的沙堆，隨著沙堆的固定形成土壤結(jié)皮且土壤緊實(shí)度不斷增加，這可能是為什么固定白刺沙堆灌木植物依次不斷退化的主要原因。

2.2 不同類型沙堆土壤水分物理性質(zhì)

就已封育40年的固定白刺沙堆而言，土壤密度表層最低，最大持水量、毛管持水量、田間持水量和總孔隙度表層最大，分別為656.97g/kg、608.54g/kg、512.72g/kg、6.24%，土壤總孔隙度越大，持水能力越強(qiáng)，即土壤保水能力越強(qiáng)，0～30cm土層土壤密度隨深度增加而增大，最大持水量、毛管持水量、田間持水量和總孔隙度隨深度增大而減小，但深層土壤密度、最大持水量、毛管持水量、田間持水量和總孔隙度變化不穩(wěn)定(表2)，這可能是土壤在沙漠化過程中不斷往復(fù)變化造成的。

表1 不同類型沙堆土壤緊實(shí)度與結(jié)皮厚度特征Table1 Thecharacteristicsofsoilcrustthicknessandhardnessindifferenttypesofsandpile樣地類型Plottype土壤緊實(shí)度值Soilhardness(kg/cm2)結(jié)皮層厚度Soilcrustthickness(mm)固定白刺沙堆Fixedsandpile2.60±0.16a20.59±0.21a半固定白刺沙堆Semi-fixedsandpile2.11±0.09b4.51±0.13b流動(dòng)白刺沙堆Flowingsandpile0.53±0.03c0.00±0.17c 注:表中值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。 Note:Thetableisthemeanvalue±standarderror,differentlower-caselettersindicatesignificantdifferencesatP<0.05.

從表3可以得出，對(duì)荒漠綠洲過渡帶已封育20年的半固定白刺沙堆來說，在淺層土壤(0～10cm)范圍內(nèi)，土壤密度由大變小，各持水量依次增大；在50～90 cm范圍內(nèi)，土壤密度隨土層深度增大依次增大，最大持水量、毛管持水量、田間持水量變化不規(guī)律，而總孔隙度不同深度基本保持不變。

對(duì)于荒漠綠洲過渡帶邊緣未封育的流動(dòng)白刺沙堆來說，土壤密度表層最大，總孔隙度淺層(0～10 cm)沙土小于深層(30～110 cm)，而在30～110 cm范圍內(nèi)，最大持水量、毛管持水量、田間持水量、土壤密度和總孔隙度變化很不穩(wěn)定(表4)，原因在于流動(dòng)白刺沙堆植被稀疏，無土壤結(jié)皮，是裸露沙堆，在風(fēng)沙活動(dòng)頻繁的環(huán)境下，表層沙粒不斷移動(dòng)，各土層往復(fù)變化致使土壤密度、持水量和總孔隙度變化無規(guī)律性。

表2 固定白刺沙堆不同土層深度土壤水分物理性質(zhì)

表3 半固定白刺沙堆不同土層深度土壤水分物理性質(zhì)

綜上所述，不同類型沙堆表層土壤密度大小依次表現(xiàn)為：流動(dòng)白刺沙堆>半固定白刺沙堆>固定白刺沙堆；最大持水量、毛管持水量、田間持水量和總孔隙度大小依次為：固定白刺沙堆>半固定白刺沙堆>流動(dòng)白刺沙堆；固定白刺沙堆在0～30 cm范圍內(nèi)，各土層土壤密度、持水量和孔隙度變化穩(wěn)定，而半固定白刺沙堆和流動(dòng)白刺沙堆變化不穩(wěn)定，各類沙堆深層土壤密度、最大持水量、毛管持水量、田間持水量和總孔隙度變化無規(guī)律。

2.3 不同類型沙堆土壤水分變化特性

圖1 固定白刺沙堆土壤水分變化特征Fig.1 Soil water characteristics of fixed N. tangutorun sandpile

固定白刺沙堆土壤含水量變化情況如圖1所示，土壤含水量隨降雨量的變化呈現(xiàn)一定的動(dòng)態(tài)特征和規(guī)律性。主要表現(xiàn)為在無自然降雨的情況下，淺層土壤含水量(0～15 cm)明顯低于深層土壤(15～100 cm)。其中，50 cm處土壤含水量最高，為9%左右；隨著小降雨事件的發(fā)生，表層土壤含水量基本保持不變，但隨著降雨量的不斷增加，表層土壤含水量在短時(shí)間內(nèi)顯著增大，尤其在0～15 cm范圍內(nèi)；在30 cm土層，大降雨事件一段時(shí)間后，土壤含水量才不斷增大，而深層土壤50～100 cm范圍內(nèi)降雨事件的發(fā)生對(duì)其含水量基本沒有影響。

由圖2可以看出，在0～30 cm土層范圍內(nèi)，土壤含水量隨降雨量的變化不穩(wěn)定，隨大降雨事件的發(fā)生土層含水量變化幅度較大，小降雨量情況下土壤含水量變化幅度不大；而在30～150 cm范圍內(nèi)，土壤水分含量隨降雨量的變化比較穩(wěn)定，降雨量的多少對(duì)深層土壤水分含量影響不大；且各土層在130 cm左右土壤含水量一直保持較高水平。

圖3是流動(dòng)白刺沙堆土壤水分連續(xù)觀測的結(jié)果。當(dāng)降雨量小于4 mm時(shí)，各土層土壤含水量基本穩(wěn)定，在0～4 mm之間波動(dòng)；當(dāng)降雨量超過7 mm時(shí)，0～110 cm范圍內(nèi)，隨降雨量的變化各土層土壤水分含量變化幅度較大，尤其當(dāng)降雨量大于18 mm一段時(shí)間后，70 cm處土壤含水量變化特別明顯；但深層土壤110～150 cm范圍內(nèi)，隨降雨量的增加或減小，各土層土壤水分含量變化不顯著，相對(duì)比較穩(wěn)定。

總之，民勤綠洲荒漠過渡帶天然降雨集中在6-9月，在沒有降雨的情況下，淺層(0～10 cm)土壤含水量半固定和流動(dòng)白刺沙堆大于固定白刺沙堆，深層土壤含水量固定白刺沙堆明顯大于半固定和流動(dòng)白刺沙堆，但隨著降雨量和降雨時(shí)間的延長，表層土壤含水量變化波動(dòng)幅度較大，深層土壤含水量基本保持不變?？梢姡跊]有天然降雨事件的情況下，隨著沙堆的演化和不斷固定，土壤結(jié)皮的形成抑制深層土壤水分的蒸發(fā)，保持土壤含水量相對(duì)穩(wěn)定，天然降雨有利于補(bǔ)給淺層土壤水分含量。

圖2 半固定白刺沙堆土壤水分變化特征Fig.2 Soil water characteristics of semi-fixed N. tangutorun sandpile

圖3 流動(dòng)白刺沙堆土壤水分變化特征Fig.3 Soil water characteristics of flowing N. tangutorun sandpile

圖4 不同類型沙堆降雨量與入滲量的關(guān)系Fig.4 The correlation between rainfall and infiltration in different sandpile types

2.4 不同類型沙堆降雨量與入滲量的關(guān)系

將不同類型白刺灌叢沙堆降雨量與土壤累計(jì)入滲量進(jìn)行線性回歸分析(圖4)，回歸方程如表5所示，其中X代表降雨量，Y代表累積入滲量，累積入滲量等于0時(shí)的降雨量為臨界降雨量。如圖4可知，3種不同類型沙堆降雨量與累計(jì)入滲量之間都存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。固定、半固定白刺沙堆隨降雨事件的發(fā)生立即開始入滲，而流動(dòng)白刺沙堆當(dāng)降雨量達(dá)到臨界降雨量后，水分才開始入滲，否則降雨結(jié)束時(shí)將全部蒸散損耗。流動(dòng)白刺沙堆，植被稀疏，植物種類少，覆蓋度低，蒸發(fā)量大，干沙層厚，無土壤結(jié)皮，需要較大的降雨量才能浸透干沙層開始下滲，其臨界降雨量為2.95 mm；半固定白刺沙堆較流動(dòng)白刺沙堆植被覆蓋度大，減弱了水分的蒸發(fā)，并形成一層較薄但表面沒有褶皺的物理結(jié)皮，干沙層較流動(dòng)白刺沙堆??；而固定白刺沙堆表層形成一層有褶皺狀的藻結(jié)皮和苔蘚結(jié)皮，其褶皺狀藻結(jié)皮有聚水性，苔蘚結(jié)皮有吸水性，因此，只要有降雨事件的發(fā)生就開始入滲。另外，在降雨量相同的情況下，當(dāng)降雨量大于0.12 mm，累積入滲量大小分別為：固定白刺沙堆>半固定白刺沙堆>流動(dòng)白刺沙堆。

表5 不同類型沙堆降雨量與入滲量關(guān)系回歸方程

3 討論

3.1 灌叢沙堆土壤物理變化特征

土壤緊實(shí)度和結(jié)皮層厚度作為重要的土壤物理屬性，其緊實(shí)度大小和結(jié)皮層厚度演變成了不同沙堆類型。就民勤荒漠綠洲過渡帶已形成的固定白刺沙堆，由于長期的封育、防護(hù)林阻攔、風(fēng)積沙塵，形成了典型的苔蘚結(jié)皮、藻結(jié)皮、物理結(jié)皮等，有效阻止了沙丘表層細(xì)砂粒移動(dòng)[33]；半固定白刺沙堆植被覆蓋度高，植物種類多，生物多樣性復(fù)雜，形成了典型的小區(qū)域植被防沙體系，經(jīng)過長期的阻攔，細(xì)砂粒沉積形成粘土和物理結(jié)皮；反之，流動(dòng)白刺沙堆區(qū)域植被覆蓋度較低，風(fēng)速大，加之沙丘的長期運(yùn)移和往復(fù)擺動(dòng)，無結(jié)皮形成?？梢姡瑥幕哪畢^(qū)向綠洲區(qū)過渡的過程，也就是豐富生物多樣，形成風(fēng)沙土和穩(wěn)定的荒漠生態(tài)系統(tǒng)的過程。此外，隨著土壤緊實(shí)度增大，土壤結(jié)皮的形成，降雨難以入滲，尤其固定白刺沙堆植被嚴(yán)重退化，對(duì)于這兩大突出矛盾如何解決是今后有待進(jìn)一步研究的課題。

另外，荒漠綠洲過渡帶風(fēng)沙土的密度、容重、孔隙度等直接影響著土壤的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量、生物多樣性及土壤酶活性和微生物數(shù)量，間接的影響著養(yǎng)分循環(huán)和能量交換[34]，決定著風(fēng)沙土形成和成土快慢[35]。本研究發(fā)現(xiàn)不同類型沙堆表層土壤密度依次表現(xiàn)為：流動(dòng)白刺沙堆>半固定白刺沙堆>固定白刺沙堆；最大持水量、毛管持水量、田間持水量和總孔隙度依次為：固定白刺沙堆>半固定白刺沙堆>流動(dòng)白刺沙堆；固定白刺沙堆在0～30 cm范圍內(nèi)，各土層土壤密度、持水量和空隙度變化穩(wěn)定，而半固定白刺沙堆和流動(dòng)白刺沙堆變化不穩(wěn)定。尤其深層土壤密度、最大持水量、毛管持水量、田間持水量和總孔隙度變化不穩(wěn)定，這與徐麗恒[36]的研究結(jié)果相一致。可見，隨著荒漠區(qū)向綠洲區(qū)生態(tài)環(huán)境的不斷演化，固定白刺沙堆表層形成藻結(jié)皮和苔蘚結(jié)皮，半固定白刺沙堆形成物理結(jié)皮，所以土壤密度依次減小，持水能力、孔隙度依次增大，而流動(dòng)白刺沙堆是裸露的沙堆，其結(jié)果恰好與其相反；但深層土壤隨著沙堆從流動(dòng)、半固定到固定不斷演化的過程中風(fēng)沙土往復(fù)運(yùn)移、細(xì)顆粒物沉降和通過生物化學(xué)過程的作用，使深層土壤表現(xiàn)出不同的分層特征，如粗砂層、細(xì)砂層等，從而使深層土壤密度、持水能力和孔隙度表現(xiàn)出不穩(wěn)定的變化特征。

3.2 灌叢沙堆土壤水文變化特征

通過對(duì)民勤荒漠綠洲過渡帶天然降雨量進(jìn)行定位定時(shí)觀測，發(fā)現(xiàn)降雨量主要集中在6-9月，但年總降雨量不超過200 mm；在無天然降雨的情況下，淺層(0～10 cm)土壤含水量半固定和流動(dòng)白刺沙堆大于固定白刺沙堆，深層(50 cm以下)土壤含水量固定白刺沙堆明顯大于半固定白刺沙堆和流動(dòng)白刺沙堆；這可能主要是由于固定白刺沙堆植被覆蓋度很低，植物對(duì)水分的利用率小，根系分布較少以及內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)定可能使土壤含水量有所增加并保持穩(wěn)定，所以深層土壤含水量較高，半固定白刺沙堆植被覆蓋度較高，形成局部小環(huán)境氣候、灌木植物遮陰、林冠截留作用等[37]，使表層含水量較高，而深層植物根系分布廣，為保證其自然生長根系吸收大量水分，進(jìn)而土壤含水量較低，流動(dòng)白刺沙堆由于表層流沙的不斷運(yùn)移，使淺層常處于濕沙層；隨著降雨事件的發(fā)生和降雨時(shí)間的延長，表層土壤含水量波動(dòng)幅度較大，深層土壤含水量基本保持不變。

魯瑞潔等[32]研究結(jié)果表明3類沙堆累積入滲量與降雨量之間都存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，達(dá)到臨界降雨量后，累積入滲量隨降雨量的增加而增大。降雨量只有達(dá)到某一臨界值才發(fā)生下滲，否則降雨結(jié)束時(shí)將全部蒸散損耗。本研究結(jié)果與此有所不同，本研究發(fā)現(xiàn)固定和半固定白刺沙堆隨降雨事件的發(fā)生立即開始入滲，而流動(dòng)白刺沙堆當(dāng)降雨量達(dá)到臨界降雨量后，水分才開始入滲，否則降雨結(jié)束時(shí)將全部蒸散損耗。主要是由于固定白刺沙堆表層形成一層有褶皺狀的藻結(jié)皮和苔蘚結(jié)皮，其褶皺狀藻結(jié)皮有聚水性，苔蘚結(jié)皮有吸水性；半固定白刺沙堆較流動(dòng)白刺沙堆植被覆蓋度大，減弱了水分的蒸發(fā)，并形成一層較薄但表面沒有褶皺的物理結(jié)皮，干沙層較流動(dòng)白刺沙堆??；流動(dòng)白刺沙堆，植被稀疏，植物種類少，覆蓋度低，蒸發(fā)量大，干沙層厚，無土壤結(jié)皮，需要較大的降雨量才能浸透干沙層開始下滲。

4 結(jié)論

1)固定、半固定和流動(dòng)白刺沙堆之間土壤緊實(shí)度和結(jié)皮層厚度差異顯著(P<0.01)。土壤緊實(shí)度大小分別為2.60，2.11，0.53 kg/cm2，結(jié)皮厚度依次為20.59，4.51，0 mm。

2)表層土壤密度表現(xiàn)為：流動(dòng)白刺沙堆>半固定白刺沙堆>固定白刺沙堆，分別為2.32，2.30，1.95 g/cm3，恰好與表層最大持水量、毛管持水量、田間持水量和總孔隙度大小相反，但深層土壤各物理因子變化不規(guī)律。

3)民勤綠洲荒漠過渡帶天然降雨集中在6-9月，在干旱季節(jié)，淺層(0～10 cm)土壤含水量半固定和流動(dòng)白刺沙堆大于固定白刺沙堆，深層土壤含水量固定白刺沙堆明顯大于半固定和流動(dòng)白刺沙堆；在多雨季節(jié)，隨著降雨量和降雨時(shí)間的延長，表層土壤含水量波動(dòng)幅度較大，深層土壤含水量基本保持不變；不同類型沙堆降雨量與累計(jì)入滲量之間存在顯著的正相關(guān)性(P<0.01)。其中固定、半固定白刺沙堆隨降雨事件的發(fā)生立即開始入滲，而流動(dòng)白刺沙堆當(dāng)降雨量達(dá)到臨界降雨量后才開始入滲。

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Soil moisture spatial distribution and infiltration characteristics ofNitrarianebkha in an oasis-desert ecotone

XI Jun-Qiang1,2, ZHAO Cui-Lian1*, YANG Zi-Hui1, GUO Shu-Jiang1, WANG Qiang-Qiang1, ZHANG Jian-Hui1

1.GansuMinqinNationalFieldObservation&ResearchStationonEcosystemofDesertGrassland,Minqin733300,China; 2.PingliangGuanshanForestryAuthority,Pingliang744100,China

This study utilizedNitrariatangutorunnebkhas vegetation growing in a desert-oasis ecotone in Minqin to investigate space distribution of soil moisture content and the influence of soil physical properties, particularly soil hardness and crust thickness on water distribution and infiltration of the three evolutionary stages of soil formation; stable sand dune, sand dune formation and moving sand. The aim was to explore the effect ofN.tangutorunnebkhas on soil moisture and to establish a theoretical foundation for protective systems for oasis-desert ecotones. The results as follows: 1) Soil hardness and crust thickness were highest in the stable dune, intermediate in forming dunes and least in moving sand. 2) Soil surface bulk density was 2.32, 2.30 and 1.95 g/cm3in moving sand, forming dunes and stable dunes respectively; maximum water holding capacity, capillary water content, field capacity and total porosity was highest in the stable dune, intermediate in the forming dune and least in the moving sand. Soil physical properties in the subsurface layer were variable in all dune formation stages. 3) In the dry season, the lowest soil moisture contents occurred in soils from forming dunes and moving sand at 0, 70, 150 cm depth, maximum soil moisture occurred at 50, 130, 110 cm; in the rainy season, surface soil moisture content fluctuated while soil moisture at depth was relatively stable. 4) There were significant correlations between rainfall and infiltration in all three stages of soil formation (P<0.01). Water infiltration after rainfall events occurred immediately instable and forming dune soils whereas infiltration in moving sand only occurred when rainfall reached a critical threshold; with rainfall greater than 0.12 mm, infiltration was highest in the stable dune, intermediate in forming dune and least in moving sand.

Nitrariatangutorunnebkhas; soil physical properties; feature of infiltration

10.11686/cyxb2016083

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-03-03；改回日期：2016-06-06

國家重大林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201404306)，國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31260200)和甘肅省青年基金計(jì)劃項(xiàng)目(145RJYA270)資助。

席軍強(qiáng)(1988-)，男，甘肅會(huì)寧人，助理工程師。E-mail：junqxi@163.com*通信作者Corresponding author. E-mail：zihyang@126.com

席軍強(qiáng), 趙翠蓮, 楊自輝, 郭樹江, 王強(qiáng)強(qiáng), 張劍揮. 荒漠綠洲過渡帶白刺灌叢沙堆土壤水分空間分布及入滲特征. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2016, 25(11): 15-24.

XI Jun-Qiang, ZHAO Cui-Lian, YANG Zi-Hui, GUO Shu-Jiang, WANG Qiang-Qiang, ZHANG Jian-Hui. Soil moisture spatial distribution and infiltration characteristics ofNitrarianebkha in an oasis-desert ecotone. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(11): 15-24.