荒漠綠洲過渡帶退化胡楊林地土壤水文生態特性

王宏燕 王 波 田 睿 韓政璋 韓 路

(塔里木大學植物科學學院，新疆 阿拉爾 843300)

土壤是森林發揮水文調節作用的主要場所，土壤容重、孔隙度、滲透性及蓄水性能等土壤水文生態指標是決定森林生態水文功能的重要基礎[1]，也是評價土壤質量的重要指標[2]。森林土壤蓄水能力和滲透性是十分重要的土壤水文特性，其決定著土壤動態蓄水的有效空間并調節土壤蓄水保土功能[3]；而植被具有涵養水源、保持水土和改良土壤環境質量的重要功能，但不同植被/林分類型對土壤水文特性與貯蓄功能的影響差異較大[1,2]。植被退化是植物與土壤相互作用過程，土壤質量狀況直接影響植物群落發生發展和決定著生態系統功能，而良好的群落結構能改善土壤結構，增強保持水土和涵養水源功能[4]。因此，植被和土壤環境的關系已成為生態學研究的重要領域之一。目前，在干旱區有關研究主要集中在植被動態、植被/林分類型、生物多樣性、土壤物理性質、荒漠化及環境因子對土壤水分狀況的影響方面[1,3-5]，而關于荒漠綠洲過渡帶土壤水文生態特性及其對植被退化的影響機制研究相對較少。

塔里木盆地深居干旱內陸，以鮮明的地域特色和環境問題著稱于世，是我國生態環境建設優先實施的重要區域。荒漠綠洲過渡帶是荒漠化與綠洲化進程中對立斗爭的最敏感地帶[6]，其群落結構簡單，小氣候變化劇烈，微尺度下生境異質性明顯，生態功能穩定性差[4]。近年來受區域人口增長和經濟發展的驅使，大規模水土資源開發致使地下水位大幅下降、原有植被及自然景觀格局和生態過程被改變，生物多樣性銳減、植被退化[7]。荒漠植被退化過程中土壤水文生態特性是否發生了相應變化，土壤諸多理化因子對土壤水文生態功能的影響程度能否反映荒漠植被和生態環境的變化。長期以來，對此類問題較少進行系統的研究，在一定程度上影響了區域荒漠植被恢復和生態重建進程，導致缺乏荒漠植被合理經營管理的依據。為此，本文以塔里木荒漠綠洲過渡帶不同退化程度的天然胡楊林為研究對象，測定分析了不同退化程度胡楊林地土壤物理性質、土壤滲透性能及持水貯水性能等指標，探討土壤水文生態特性與天然胡楊林退化的關系，揭示荒漠綠洲過渡帶胡楊林的退化機理，為極端干旱區荒漠植被保護恢復和水源涵養林營建、管理提供科學理論依據。

1 研究區概況

研究區位于新疆塔里木灌區綠洲農業區邊緣，處于塔克拉瑪干沙漠與綠洲的過渡區(E81°09′，N40°26′)。該區屬暖溫帶大陸性干旱氣候，太陽總輻射能5 796 MJ·m-2·a-1，平均日照時數2 729.0 h，年平均氣溫10.4 ℃，≥10 ℃年積溫4 340 ℃，平均氣溫≥10 ℃的持續日數為201 d，極端最高溫度39. 4 ℃，極端最低溫度-25. 0 ℃。年平均降水量50.4 mm，年平均蒸發量1 880.0 mm，干燥度12～19，風沙災害頻繁。從綠洲農田邊緣至塔克拉瑪干沙漠，天然胡楊群落退化明顯，群落結構簡化、物種多樣性降低且逐漸稀疏。喬木有胡楊(PopuluseuphraticaOliv.)和零星分布的灰胡楊(PopuluspruinosaSchrenk)。林下植物主要有多枝檉柳(TamarixramosissimaLedeb.)、黑果枸杞(LyciumruthenicumMurr.)、鹽穗木(Halostachyscaspica(Bieb.) C.A.Mey)、脹果甘草(GlycyrrhizainflateBatal.)、駱駝刺(AlhagisparsifoliaShap.)、花花柴(Kareliniacaspica(Pall.) Less.)、蘆葦(Phragmitesaustralis(Cav.) Trin.ex Steud.)等植物。地下水位由1. 9 m降至4. 0 m。0～40 cm土壤含水量、總鹽分別由8. 33%、3. 04%降至1. 09%、0. 32%。表層堅硬鹽殼棕漠土逐漸退化為純沙性土壤。

2 研究方法

2.1 樣地設置與樣品采集

在充分踏查的基礎上，于2017年6月在塔里木荒漠綠洲過渡帶采用多點采樣法進行土壤樣品的采集與測定。依據天然胡楊林群落結構組成、生長狀況、立地條件和塔里木荒漠植被退化程度劃分類型，把過渡帶胡楊林劃分為3類退化程度[7]：輕度退化(物種多樣性指數0. 68、蓋度0. 41)、中度退化(物種多樣性指數0. 47、蓋度0. 25)和重度退化(物種多樣性指數0. 19、蓋度0. 12)。 在不同退化程度的胡楊林內隨機設置50 m×50 m的標準樣地3塊，在每塊樣地內采用相鄰格子法進行群落調查，并用GPS定位，記錄其經緯度和海拔、郁閉度等生態因子。每塊樣地按對角線設置3個測點挖取土壤剖面，按20 cm等距離劃分土壤層次, 用環刀(100 cm3)和鋁盒分別于0 cm～20 cm、20 cm～40 cm、40 cm～60 cm、60 cm～80 cm、80 cm～100 cm土層深度采集土樣，將樣品密封帶回實驗室進行土壤水文生態特性的測定。在不同退化程度的胡楊林內打一口10 m深的地下水位觀測井，采用電導法測定地下水位埋深。

2.2 土壤水文物理參數測定

采用烘干法測定土壤含水量，簡易比重計法測定土壤顆粒組成[8]。環刀浸水法測定土壤容重、孔隙度、持水量等各項水文物理參數[8,9]。并由公式計算一定土層深度內的土壤吸持貯水量、滯留貯水量和飽和貯水量[1]，即: Wc=1 000×Pc×h；Wo=1 000×Po×h；Wt=1 000×Pt×h，式中：Wc，Wo，Wt分別為土壤吸持貯水量、滯留貯存量和飽和貯水量(mm)；Pc， Po， Pt分別為毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度(%)；h為土層深度(m)。測定及計算方法參照國家林業行業標準《森林土壤水分—物理性質的測定》(LY/T1215—1999)。

2.3 土壤滲透性的測定

采用單環滲透筒法(單環定水頭逐次加水)測定水分在土壤中的滲透速度[10]。測定時將裝有原狀土柱的環刀下端套上有網孔且墊有濾紙的底蓋，上端放置一個相同大小環刀并將接口密封，嚴防從接口處漏水。將結合好的環刀放在漏斗上，架上漏斗架，漏斗下面承接盛水容器。從上端向環內加水，保持水與環刀上沿基本相平。當漏斗下方滴下第一滴水開始計時，第1、3、5、10、15 min……稱量并記錄一次通過土柱滲透出的水量，直到單位時間內滲出水量相等為止。計算出不同時段的土壤入滲水量以及土壤的初滲速率和穩滲速率及滲透系數，計算方法參照國家標準《森林土壤滲透性的測定》(GB7838—87)。

3 結果與分析

3.1 荒漠綠洲過渡帶不同退化程度胡楊林地的土壤物理性質

由表1可見，隨天然胡楊林退化程度的加劇，土壤容重呈增大趨勢，重度與輕度退化間差異達顯著水平(P<0. 05)。與此相反，土壤黏粒與粉粒含量則逐漸減少，尤其表層黏粒含量降低達極顯著水平(P<0. 01)。與輕度退化相比，中度、重度退化下林地表層與1 m土壤容重分別增加了8. 18%、6. 45%和16. 36%、12. 90%，砂粒含量分別增加了1. 77%、5. 18%和12. 38%、22. 77%；黏粒含量分別降低了27. 27%、18. 0%和54. 55%、63. 0%。表明隨胡楊林逐步退化，土壤質地呈現變粗趨砂性特征。垂直分布(0～80 cm)表現出土壤容重、黏粒與粉粒含量隨土壤層次加深而增加，砂粒含量則呈降低趨勢。

隨天然胡楊林退化程度的加劇，土壤非毛管孔隙、非毛管孔隙度占總孔隙度的比例、土壤通氣度均值增大。與輕度退化相比，中度、重度退化下分別增加79. 65%、69. 65%、8. 92%和163. 22%、141. 79%、23. 17%。相反，毛管孔隙則減小，中度、重度退化下分別比輕度退化降低了12. 92%、26. 82%。此外，退化過程中尤其表層土壤總孔隙、非毛管孔隙顯著增加(P<0. 01)，而毛管孔隙則顯著降低(P<0. 01)。垂直分布(0～80 cm)上土壤毛管孔隙隨土層加深而增大，而非毛管孔隙減小。

表1 不同退化程度胡楊林地的土壤物理性質

注：同列不同大寫字母表示0～20 cm參數極顯著差異(P<0. 01)，同列不同小寫字母表示0～100 cm平均值顯著差異(P<0. 05)，下同。

3.2 荒漠綠洲過渡帶不同退化程度胡楊林地土壤持水與蓄水能力

表2可見，隨胡楊林退化程度的加劇，林地土壤含水量、最大持水量、毛管持水量、田間持水量與毛管持水量/最大持水量比值均呈降低趨勢，而非毛管持水量則呈增大趨勢，尤其土壤含水量在不同退化程度間差異達極顯著水平(P<0. 01)。與輕度退化相比，重度、中度退化下土壤含水量、最大持水量、毛管持水量分別降低了95. 17%、4. 89%、11. 48%和57. 95%、4. 34%、5. 96%；非毛管持水量則分別增加了34. 44%、15. 65%。土壤剖面滯留貯水量、飽和貯水量、涵蓄降水量均隨退化程度加劇呈增大趨勢，重度、中度退化下分別高于輕度退化下163. 22%、1. 17%、21. 29%和79. 65%、0. 71%、12. 97%；而吸持貯水量、有效涵蓄量則呈降低趨勢，重度、中度退化下分別比輕度退化下降低26. 82%、9. 45%和12. 92%、1. 47%。表明隨胡楊林退化程度的加劇，林地土壤非毛管孔隙度、土壤滯留貯水能力增大，有利于減少地表徑流和降水無效損失，但明顯降低了毛管孔隙度、吸持貯水功能，減弱其供給植物有效水分的能力。

表2 不同退化程度胡楊林地土壤持水與貯水能力比較

3.3 荒漠綠洲過渡帶不同退化程度胡楊林地土壤滲透性能

表層0 cm～60 cm土壤初滲速率、平均滲透速率、穩滲速率、滲透系數均隨胡楊林退化程度加劇呈增大趨勢(表3)，重度、中度退化下0 cm～60 cm均值分別是輕度退化的1. 63、2. 01、1. 93、2. 01和1. 42、1. 41、1. 37、1. 45倍，土壤滲透指標在重度與輕度退化間差異均達顯著水平(P<0. 05)；表層土壤滲透指標變化明顯，在重度與輕度退化間差異達極顯著水平(P<0. 01)。垂直分布來看，土壤滲透指標均隨土層加深而降低，40 cm～60 cm最小。

胡楊林退化過程中土壤水分入滲過程變化趨勢相類似，隨時間延續水分不斷進入土壤，土壤水分容量減小，入滲速率逐漸降低(圖1)，即滲透曲線可分為瞬變階段、漸變階段和平穩階段。土壤入滲特征曲線可用Kostiakov模型進行擬合，即f=at-b，式中：f為入滲速率(mm/min)，a，b為常數，t為入滲時間(min)。輕度、中度、重度退化下各土層模擬方程相關系數(r>0. 917)均達極顯著水平(P<0. 01)，擬合效果較好(表3)。Kostiakov入滲模型中的參數a代表一個時間段內平均入滲速率，b值大小則反映土壤入滲速率遞減狀況，b值越大，表明入滲速率隨時間遞減的越快[11]。參數a值隨退化程度加劇逐漸增大，而隨土層深度增加逐漸降低；同一土層中，參數a變化規律與不同退化程度的土壤入滲特性相吻合(表3)。參數b最大值均出現在土壤表層且隨退化程度加劇而減小，表明輕度退化下土壤入滲速率隨時間減少最快，這與圖1入滲過程及退化過程中土壤變粗沙化結果相一致。

表3 不同退化程度胡楊林地土壤水分入滲性能比較 單位：mm/min

圖1 荒漠綠洲過渡帶不同退化程度胡楊林地的土壤入滲過程

3.4 荒漠綠洲過渡帶退化胡楊林地土壤滲透性能與土壤物理性質的相關性

由表4可見，退化胡楊林地3個土壤滲透指標與土壤非毛管孔隙度、砂粒含量呈極顯著或顯著正相關,而與毛管孔隙度、粉粒含量呈極顯著或顯著負相關，但與土壤容重相關性較弱(P>0. 05)。3個土壤滲透指標與粘粒含量均呈負相關，其中平均滲透速率與粘粒含量的相關性達顯著水平(P<0. 05)。表明，土壤顆粒組成是影響土壤滲透性能的關鍵因素。

表4 滲透指標與土壤物理性質的相關性

注：r0. 01,7=0. 798;r0. 05,7=0. 666

4 討論

塔里木荒漠綠洲過渡帶胡楊頂級群落作為抵御風沙、遏制荒漠化和保障綠洲生態安全的天然屏障，在長期受極端干旱氣候和人類水土資源過度開發利用作用下發生退化[12]，體現在群落結構組成、密度、蓋度等隨環境梯度顯著降低，但胡楊在群落退化過程中的優勢地位沒有改變。研究結果表明，隨荒漠綠洲過渡帶胡楊林退化程度加劇，林地土壤顆粒組成發生顯著變化，尤其重度退化階段及土壤表層；土壤黏粒和粉粒含量逐漸減少，砂粒含量所占比重增大，土壤質地呈現變粗趨砂性特征。因為隨地下水位降低和植被退化、凋落物減少，土壤有機質含量與蓋度降低，風蝕作用增強使土壤中的細粒物質損失[13]所致，這與蒙仲舉等(2017)[14]研究結果一致。無論是表層還是下層，荒漠綠洲過渡帶土壤砂粒含量均較高而黏粒含量均極低，反映出該區土壤是在長期干旱、風蝕及風選作用下形成的[15]。土壤持水性能反映土壤持水、供水與調蓄能力，常用來評價土壤層的水文功能[16]；而土壤貯水量反映了土壤貯蓄和調節水分的潛在能力[1]。吸持貯水量大小反映了植被吸持水分用于維持自身生長發育的能力；而滯留貯水量大小反映了植被滯留水分發揮涵養水源和削減洪水的能力[10,16]。隨胡楊林退化程度加劇，土壤總孔隙度、非毛管孔隙度、孔隙比、通氣度、非毛管持水量、滯留貯水量和涵蓄降水量增大，使土壤通氣透水性能得到改善，減輕地表徑流和水土流失。但土壤容重增大，土壤含水量、毛管孔隙度、吸持貯水量、有效涵蓄量和土壤持水性能降低，使荒漠土壤持水、有效貯水與水分供應能力降低，尤其在枯水季節土壤有效貯水與水分供應能力顯著降低，明顯增強土壤干旱脅迫并抑制荒漠植被對土壤有效水分的利用及正常生長，這是荒漠綠洲過渡帶胡楊林退化發生的原因之一。土壤滲透是水分循環的重要環節，滲透性能與土壤質地、結構、孔隙度、有機質和土壤水分等有關[3]。植被通過改善地表土壤結構，從而促進降雨入滲、減少地表徑流。胡楊林不同退化程度土壤入滲特征曲線可用Kostiakov模型進行模擬且擬合效果較好(P<0. 01)，其滲透曲線可描述為瞬變階段、漸變階段、平穩階段，這與張雷燕等(2007)研究結果一致[1]。0 cm～60 cm土壤初滲速率、平均滲透速率、穩滲速率均值在重度與輕度退化間差異顯著(P<0. 05)，擬合方程參數a隨退化程度加劇逐漸增大(P<0. 05)，而t-b值差異較小(P>0. 05)，表明胡楊林退化過程能有效地提高對降雨的快速入滲，這是土壤質地粗化、非毛管孔隙度增大的結果。相關分析也表明，滲透速率與土壤砂粒含量、非毛管孔隙呈顯著正相關(P<0. 05)，與粉粒、毛管孔隙呈顯著負相關(P<0. 05)，表明土壤顆粒組成是影響土壤滲透性能的主要因素，這與王意錕等[17]研究結果相吻合。但對于蒸發強烈、降水稀少(<50 mm/年)，風蝕嚴重的極端干旱區來說，水分是限制荒漠植物生存的主要因素。隨胡楊林退化程度加劇，林地土壤質地變劣，不僅降低了土壤持水能力、減弱土壤有效水分貯存和限制了荒漠植被對水分的吸收利用，抑制其正常生理生態過程；而且會加快干旱區土壤蒸發，導致植被生長不良、土地沙化和荒漠生態系統退化，進而威脅到綠洲的生態安全。

5 結論

(1) 隨塔里木荒漠綠洲過渡帶胡楊林退化程度加劇，林地土壤容重與非毛管孔隙度、土壤通氣度增大，黏粒、粉粒含量與毛管孔隙度降低。土壤質地粗化，持水保土功效減弱，這是系統自身脆弱生態基質受強烈風蝕作用和人類干擾下植被退化共同作用的結果。

(2) 荒漠綠洲過渡帶胡楊林不同退化程度土壤入滲特征曲線可用Kostiakov模型進行模擬和預測，效果較好。土壤滲透速率隨退化程度加劇而顯著增大，有效地提高對降雨的快速入滲。

(3) 隨胡楊林退化程度加劇，林地土壤沙化、土壤持水貯水性能和調節水分供應的潛在能力降低，而且會加快干旱區土壤蒸發，增強干旱脅迫并抑制荒漠植被對土壤有效水分的利用與正常生長，導致荒漠植被衰敗和生態系統退化，進而威脅到綠洲的生態安全。