灌叢樹干莖流與根區(qū)優(yōu)先流對(duì)灌叢沙堆“土壤沃島效應(yīng)”的影響研究

余海龍， 樊 瑾， 牛玉斌， 朱灣灣， 黃菊瑩

(1. 寧夏大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 寧夏 銀川 750021； 2. 寧夏大學(xué)環(huán)境工程研究院， 寧夏 銀川 750021)

在荒漠生態(tài)系統(tǒng)中，灌叢沙堆顯著地改變了土壤-植被系統(tǒng)的生態(tài)水文過(guò)程[1]。灌叢植株冠層截留的降水經(jīng)枝葉匯流后與莖干截留的降水一起流向灌叢基部形成樹干莖流，改變了灌叢區(qū)降水的空間分布格局，并匯集附著在枝葉、莖干的干濕沉降物于根區(qū)。樹干莖流經(jīng)由根區(qū)優(yōu)先流使水分和養(yǎng)分在灌叢根部富集，從而影響局地微生境水分和養(yǎng)分的運(yùn)移與分布格局，其對(duì)提高干旱區(qū)降水的有效利用和改善土壤養(yǎng)分狀況具有重要作用，有利于荒漠灌叢的生存繁衍。灌叢沙堆的形成是灌木植物適應(yīng)貧瘠荒漠環(huán)境的主要機(jī)制和有效利用養(yǎng)分的主要對(duì)策[2]，主要表現(xiàn)為荒漠灌叢通過(guò)樹干莖流對(duì)降水及干濕沉降物向根區(qū)匯集所產(chǎn)生的水分、養(yǎng)分和微生物富集區(qū)，即“土壤沃島效應(yīng)”[3-9]。而灌叢沙堆“土壤沃島效應(yīng)”的形成進(jìn)一步加劇了資源的異質(zhì)化和斑塊化，最終導(dǎo)致草地荒漠化。灌叢植被的樹干莖流和根區(qū)優(yōu)先流與灌叢形態(tài)、結(jié)構(gòu)和根系分布密切相關(guān)，由樹干莖流和根區(qū)優(yōu)先流聯(lián)結(jié)驅(qū)動(dòng)的灌叢植被與土壤水分、養(yǎng)分之間的動(dòng)態(tài)耦合機(jī)制，是影響群落組成結(jié)構(gòu)、分布格局與演變過(guò)程的重要驅(qū)動(dòng)力。土壤為植物生長(zhǎng)提供礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)和水分，其含量不僅影響植物的個(gè)體發(fā)育，更進(jìn)一步?jīng)Q定植物群落的類型、分布和動(dòng)態(tài)[10]。開(kāi)展灌叢沙堆演化過(guò)程中灌木對(duì)土壤水分變化的時(shí)空響應(yīng)及其多樣性的維持機(jī)制、植被對(duì)水分的生態(tài)適應(yīng)對(duì)策與演替規(guī)律研究，可以揭示土壤-植被系統(tǒng)演變的水循環(huán)過(guò)程與旱生植物的干旱適應(yīng)機(jī)制，將為干旱荒漠生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化的響應(yīng)與適應(yīng)性研究提供理論基礎(chǔ)，為我國(guó)干旱區(qū)植被恢復(fù)提供技術(shù)支撐。

灌叢沙堆的分布格局是植被對(duì)環(huán)境長(zhǎng)期適應(yīng)的結(jié)果，相對(duì)于均勻分布在生態(tài)學(xué)上更為合理，其獨(dú)特的生態(tài)水文過(guò)程和水分驅(qū)動(dòng)機(jī)制使其在干旱環(huán)境下依然能夠維持穩(wěn)定。這種趨于穩(wěn)定的植被格局更替主要受土壤水文過(guò)程的驅(qū)動(dòng)[11]。Wilcox，Puigdefábregas，Dunkerley和Valentin等生態(tài)水文專家分別在美國(guó)、歐洲、澳大利亞和非洲對(duì)旱生灌木的分布格局及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制進(jìn)行了大量觀測(cè)研究，認(rèn)為灌叢植被能夠改變降水徑流的路徑、減緩水蝕、提高灌叢斑塊土壤水分和養(yǎng)分含量，增加初級(jí)生產(chǎn)力，對(duì)降水變化和水分脅迫具有獨(dú)特的響應(yīng)機(jī)理和適應(yīng)對(duì)策[12-15]。生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化的響應(yīng)依賴于地上和地下過(guò)程的綜合作用，土壤水文過(guò)程是地表過(guò)程與地下過(guò)程變化與耦合的主要直接驅(qū)動(dòng)力。我國(guó)已有的土壤水文過(guò)程及其對(duì)植被響應(yīng)研究大多只注重單一水文過(guò)程，缺乏將植被地上部分和地下部分作為整體考慮。傳統(tǒng)的土壤水文過(guò)程研究主要是利用土壤物理學(xué)原理，通過(guò)人工采集土壤樣品的實(shí)驗(yàn)室測(cè)定、數(shù)學(xué)模型和理論分析研究微觀尺度上土壤水分和溶質(zhì)運(yùn)移特征，而且許多水分運(yùn)移模型(例如達(dá)西定律、霍頓產(chǎn)流理論)都假設(shè)土壤為均質(zhì)介質(zhì)，不能準(zhǔn)確解釋和預(yù)測(cè)水分在異質(zhì)性土壤中的流動(dòng)速度、路徑和動(dòng)態(tài)過(guò)程。以上研究表明干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)演變及其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)都與灌叢植被存在著某種內(nèi)在的聯(lián)系，但其中的互饋和響應(yīng)機(jī)制還不十分清楚。因此，有必要開(kāi)展灌叢沙堆不同演化階段的土壤水文過(guò)程與植被響應(yīng)機(jī)理研究，將植被地上部分和地下部分作為一個(gè)整體考慮，從水文循環(huán)過(guò)程的物理機(jī)制入手，將降雨、下滲、土壤水和蒸散發(fā)多個(gè)水文過(guò)程聯(lián)結(jié)起來(lái)，研究植物地上部分對(duì)降雨再分配和根系分布特征對(duì)土壤中水分傳輸和轉(zhuǎn)化過(guò)程的影響，揭示土壤-植被系統(tǒng)演化過(guò)程中各水文要素的相互作用及其變化規(guī)律。

1 灌叢沙堆成因、演化過(guò)程及其研究意義

灌叢沙堆作為綠洲-荒漠交錯(cuò)帶一種獨(dú)特的風(fēng)積生物地貌類型，是流動(dòng)碎屑受植物叢的阻力，在灌叢周圍沉積形成的不隨風(fēng)沙流遷移的凸起地形，是干旱地區(qū)常見(jiàn)的風(fēng)積地貌類型[16-17]。它可以固定綠洲外圍的大量流沙，從而阻止流沙對(duì)綠洲的危害，對(duì)穩(wěn)定綠洲環(huán)境具有極其重要的作用。灌叢沙堆的演化階段可以間接反映土地沙漠化過(guò)程，它的產(chǎn)生和衰亡與土地沙漠化正逆過(guò)程密切相關(guān)。近年來(lái)一些不合理的人為活動(dòng)，如過(guò)度抽取地下水和樵采，使天然植被生存環(huán)境惡化，造成天然植被衰敗[18]，結(jié)果引起灌叢沙堆活化，體積變小，數(shù)量增加，對(duì)綠洲的危害增大[19]。朱震達(dá)經(jīng)過(guò)野外觀測(cè)和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，依據(jù)不同演化階段形態(tài)參數(shù)的差異，提出灌叢沙堆的形成和演化過(guò)程可分為沙條、沙嘴、沙堆和沙包四個(gè)階段[20]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同區(qū)域通過(guò)野外調(diào)查，依據(jù)不同演化階段灌叢沙堆土壤、植被和形態(tài)特征參數(shù)將灌叢沙堆的發(fā)育過(guò)程一般可以劃分為4個(gè)不同的演化階段：雛形階段、發(fā)育階段、穩(wěn)定階段和活化階段[21]。灌叢沙堆演化過(guò)程主要受沙源、風(fēng)力、植被和土壤相互作用，共同影響著灌叢沙堆的侵蝕堆積平衡和土壤水分供需平衡，導(dǎo)致灌叢沙堆的形態(tài)在不同演化階段存在差異。在影響灌叢沙堆形成與演化的諸多外部條件中，土壤水分狀況的改變是最具有決定性的因素[22]。土壤資源的空間異質(zhì)性對(duì)物種間關(guān)系、種的空間分布格局、群落結(jié)構(gòu)及物種多樣性的影響還存在爭(zhēng)議[23]。灌叢沙堆向何種方向發(fā)育將直接對(duì)綠洲地區(qū)的生態(tài)環(huán)境安全產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，因此對(duì)于灌叢沙堆的形成演變過(guò)程及其影響因素的研究有助于在區(qū)域尺度上理解該地區(qū)綠洲化和荒漠化過(guò)程及其發(fā)展方向，從根本上采取措施維持綠洲-荒漠交錯(cuò)帶的植被穩(wěn)定[24]。

2 灌叢沙堆土壤水文過(guò)程與植被響應(yīng)機(jī)理

水分因子是干旱沙區(qū)生態(tài)格局和過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力[25]，水文過(guò)程控制著植被的時(shí)空分布格局和生態(tài)過(guò)程[26]。灌叢的存在改變了降雨特性和空間分布格局，從而影響降雨在植被冠層下入滲、再分配等一系列水文過(guò)程，并影響著灌叢下土壤水分的空間響應(yīng)。灌叢植被的分布格局與其周圍環(huán)境通過(guò)交互作用和反饋形成協(xié)同進(jìn)化關(guān)系，探討這種關(guān)系對(duì)于干旱區(qū)的生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)具有重要科學(xué)意義，成為自然地理學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)和生態(tài)水文學(xué)研究的一個(gè)重要前沿領(lǐng)域。

干旱區(qū)植被格局的“二分法”理論假說(shuō)認(rèn)為在未來(lái)區(qū)域氣候條件(如月降水和溫度)相對(duì)變化較小的前提下，土壤資源的空間變異性(如土壤質(zhì)地、水分及養(yǎng)分)是決定植物群落格局和結(jié)構(gòu)的主要影響因素[27-30]，具體表現(xiàn)為：土壤異質(zhì)性在原生草地植被退化過(guò)程中即由灌叢植被代替草本植被過(guò)程中增加,植被建設(shè)增加了沙丘土壤空間異質(zhì)性,但固沙植被從灌木群落向以草本植物為優(yōu)勢(shì)的群落演變過(guò)程中土壤異質(zhì)性程度又開(kāi)始減弱[31]。在沙區(qū)植被建設(shè)中利用灌木種易于形成較高的土壤資源分布異質(zhì)性的特殊生態(tài)功能,選擇旱生灌木種來(lái)建立固沙先鋒植物群落。由于灌木的遮擋、攔截等作用，促使灌叢周圍土壤資源島的形成，與開(kāi)闊的裸地相比灌幅下土壤具有更好資源優(yōu)勢(shì)。一方面實(shí)現(xiàn)了流沙的固定,為物種的繁衍與生物多樣性的恢復(fù)創(chuàng)造了條件,另一方面促進(jìn)了土壤成土過(guò)程,隨著植被的演變和土壤異質(zhì)性的降低使人工灌木固沙植被向以草本植物為主的荒漠化草原植被演變[32]。

為了有效遏制風(fēng)沙危害，防止沙化土地進(jìn)一步擴(kuò)張，國(guó)家先后在風(fēng)沙危害區(qū)啟動(dòng)了“三北”防護(hù)林建設(shè)、退耕還林和京津風(fēng)沙源治理等以人工植被建設(shè)作為主要生態(tài)修復(fù)措施的一批重大生態(tài)建設(shè)工程[33]。沙區(qū)植被建設(shè)取得了舉世矚目的成就，有效遏制了沙漠化的發(fā)展，促進(jìn)了局地生境恢復(fù)，但也在實(shí)踐中出現(xiàn)了許多問(wèn)題，無(wú)論是在降水較大的東部沙區(qū)還是降水較小的賀蘭山以西沙區(qū)，不同程度地存在局地地下水下降，固沙植被衰退和死亡的現(xiàn)象，直接影響了沙區(qū)的生態(tài)恢復(fù)和防風(fēng)固沙效益的可持續(xù)性[34]。究其原因，主要是由于人工固沙植被演化過(guò)程中根土界面土壤水文過(guò)程方面缺乏系統(tǒng)深入研究。根據(jù)我國(guó)干旱荒漠區(qū)對(duì)人工植被穩(wěn)定性與土壤水分動(dòng)態(tài)關(guān)系的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，初步揭示了土壤水分的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化驅(qū)動(dòng)著固沙植被的演替，而固沙植被從結(jié)構(gòu)和功能上的改變反饋?zhàn)饔糜谕寥浪值臅r(shí)空變化。灌叢植被的逐年增長(zhǎng)，其下伏的土壤顆粒組成、植被蓋度及沙堆形態(tài)也發(fā)生相應(yīng)的改變，并使得降水入滲發(fā)生再分配[35]，植被開(kāi)始出現(xiàn)自疏效應(yīng)[36]。與此同時(shí)，植被的生殖分配也發(fā)生改變，結(jié)實(shí)率下降，使得灌叢更新更加困難。灌叢沙堆的植被覆蓋度減小后，風(fēng)力對(duì)于灌叢沙堆的侵蝕量增加，造成灌叢沙堆逐漸崩塌，進(jìn)入活化階段。當(dāng)灌叢沙堆的水分狀況不能維持灌叢生物量時(shí)，灌叢開(kāi)始大量死亡，灌叢沙堆開(kāi)始由風(fēng)積地貌變?yōu)轱L(fēng)蝕地貌，多個(gè)灌叢沙堆風(fēng)蝕堆積連接在一起后可能會(huì)變?yōu)榇笃牧魃常G洲化過(guò)程開(kāi)始向荒漠化過(guò)程演替。目前對(duì)灌叢沙堆活化的臨界條件尚不清楚，即在氣候暖干化背景下，土壤水分和生物量保持何種比例，入滲速率達(dá)到多大后灌叢沙堆才能維持穩(wěn)定而不會(huì)解體？探析不同演化階段的灌叢沙堆灌叢水分來(lái)源及其動(dòng)態(tài)變化特征有助于理解灌叢沙堆的演化過(guò)程，闡明不同演化階段下灌木水分利用策略及對(duì)干旱的適應(yīng)機(jī)制將會(huì)為荒漠區(qū)生態(tài)恢復(fù)和建設(shè)提供必要的理論基礎(chǔ)。

研究荒漠灌叢的降雨再分配特征及土壤水分入滲響應(yīng)，可促進(jìn)對(duì)荒漠灌木適應(yīng)干旱環(huán)境機(jī)理的理解。然而關(guān)于水文驅(qū)動(dòng)下的植被格局動(dòng)態(tài)的長(zhǎng)期生態(tài)學(xué)研究明顯不足，尤其是“降水-植物水-土壤水-地下水”相互轉(zhuǎn)化和傳輸?shù)淖兓c固沙植物種群的更新、存活及消亡以及植物間的競(jìng)爭(zhēng)替代關(guān)系，進(jìn)而闡明影響植被格局及動(dòng)態(tài)的生態(tài)水文機(jī)理是沙區(qū)植被建設(shè)與固沙植被穩(wěn)定性維持的重要研究?jī)?nèi)容和方向之一[37]。因此，有必要加強(qiáng)對(duì)灌叢沙堆演化過(guò)程中的土壤、植被、水分的變化特征及其各影響因素耦合關(guān)系的研究，進(jìn)一步完善灌叢沙堆形成的機(jī)理[38]。

在土壤-植被系統(tǒng)生態(tài)水文過(guò)程研究中，土壤水分可視作植被格局演變的方向標(biāo)。土壤水分的時(shí)空動(dòng)態(tài)與重建植被動(dòng)態(tài)密切相關(guān)：固沙植被通過(guò)對(duì)土壤水分的利用和時(shí)空再分配而改變了原來(lái)荒漠草原的水循環(huán)特征，水文過(guò)程驅(qū)動(dòng)人工植被的演替。干旱區(qū)降水的脈沖特性、根區(qū)優(yōu)先流、灌叢斑塊分布格局、土壤空間異質(zhì)性和植被類型差異決定了土壤-植被-大氣傳輸(SVAT)過(guò)程的復(fù)雜性。我國(guó)已有的土壤水文過(guò)程及其對(duì)植被響應(yīng)研究常常忽視土壤結(jié)構(gòu)、植物根系對(duì)水文過(guò)程和生態(tài)功能的影響，尤其缺乏將植被地上部分和地下部分聯(lián)接起來(lái)開(kāi)展植被的降雨再分配過(guò)程以及根土界面的水分傳輸與利用研究。因此，有必要在典型區(qū)域開(kāi)展相關(guān)研究。

3 灌叢沙堆樹干莖流與根區(qū)優(yōu)先流對(duì)“土壤沃島效應(yīng)”的影響

灌叢斑塊引起的土壤資源空間異質(zhì)性的變化是一個(gè)自我增強(qiáng)的過(guò)程。水分、養(yǎng)分及其它土壤資源時(shí)間、空間異質(zhì)性增強(qiáng)，土壤資源的異質(zhì)性促使荒漠灌木入侵，這導(dǎo)致土壤資源在灌木冠層下進(jìn)一步局部富集，形成“土壤沃島效應(yīng)”。而養(yǎng)分在灌木下積累是一個(gè)自發(fā)過(guò)程并可能促進(jìn)群落灌木的維持和草原的荒漠化。

荒漠灌叢通過(guò)對(duì)降水的再分配來(lái)影響植被-土壤系統(tǒng)的水文過(guò)程。具體表現(xiàn)為：荒漠灌叢通過(guò)樹干莖流增加土壤的水分輸入、遮陰根際土壤減少土壤蒸發(fā)損失、利用根孔增加根際區(qū)水分滲透等方式深刻影響著水文過(guò)程[39]。許多學(xué)者通過(guò)野外定位觀測(cè)和室內(nèi)數(shù)值模擬，深入研究了灌叢植被的水分驅(qū)動(dòng)機(jī)制，并探討了其對(duì)干旱區(qū)植被恢復(fù)的可能啟示，結(jié)果認(rèn)為灌叢植被是一個(gè)高效的雨水集流系統(tǒng)[40]。荒漠灌木樹干莖流的形成受灌木的種類、冠層結(jié)構(gòu)、樹皮性質(zhì)以及降雨特性(雨量、雨強(qiáng)、降雨時(shí)間、前期降雨)等諸多因素的影響。樹干莖流被認(rèn)為是荒漠灌叢在貧瘠環(huán)境下重要的水分及養(yǎng)分來(lái)源，其形成規(guī)律、變化特征及生態(tài)水文效應(yīng)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[41-42]。樹干莖流能夠改變降水的空間分布格局，使水分和養(yǎng)分在植物根部富集，提高了水分和養(yǎng)分的利用效率，對(duì)樹木的生長(zhǎng)起著相當(dāng)重要的作用。

根系形成的優(yōu)先流通道是樹干莖流在土壤中傳輸?shù)闹饕ǖ溃瑑?yōu)先流的產(chǎn)生有利于植被根部土壤水分的累積。灌叢斑塊中發(fā)達(dá)的灌木根系在其生長(zhǎng)過(guò)程中于土壤層中形成一系列相互連通的大孔隙，雨水到達(dá)地表后以優(yōu)勢(shì)流的形式快速到達(dá)并貯存于深層土壤，有助于灌叢斑塊捕獲更多的水分，有利于灌叢斑塊的發(fā)展[43]。灌木植被的冠層對(duì)降雨過(guò)程進(jìn)行重分配，截留形成的莖流在灌叢根區(qū)產(chǎn)生土壤優(yōu)先流[44]。灌叢根系生長(zhǎng)過(guò)程中通過(guò)“生物鉆孔”方式使土壤變得松散，提高土壤孔隙率，增強(qiáng)了土壤導(dǎo)水能力，易發(fā)生優(yōu)先流[45]。腐爛根系和枯枝落葉產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)，有助于土壤團(tuán)聚體和孔隙形成，改善了土壤結(jié)構(gòu)和水分傳導(dǎo)能力，加快了土壤水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程。水分優(yōu)先沿著相互連通的大孔隙運(yùn)動(dòng)，影響著土壤水分時(shí)空分布格局，使土壤水分的變異性增強(qiáng)。Devitt等[46]通過(guò)染色劑和溴化物示蹤試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)年降雨量約為100 mm的莫哈韋沙漠存在優(yōu)先流，對(duì)荒漠植物的存活生長(zhǎng)有著重要的影響，并影響著沙漠地帶的土壤水分時(shí)空分布特征，進(jìn)而對(duì)斑塊狀植被分布格局產(chǎn)生影響。灌叢根系在土壤內(nèi)可形成巨大的孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成優(yōu)先流通道，加快優(yōu)先流過(guò)程。但有關(guān)灌木根系結(jié)構(gòu)與優(yōu)先流之間的定量匹配關(guān)系一直沒(méi)有得到有效解決。

灌叢植物的漏斗效應(yīng)使降水匯集于灌叢基部并通過(guò)根區(qū)優(yōu)先流進(jìn)入深層土壤，改變了灌叢區(qū)降水的空間分布格局，并匯集附著在枝葉莖干的干濕沉降物于根區(qū)[47]。荒漠灌木根系通道是影響土壤優(yōu)先流發(fā)育的主要因素。荒漠植被垂直根系發(fā)達(dá)，水分沿著根系優(yōu)先運(yùn)動(dòng)是補(bǔ)充土壤水分的主要方式[48]。土壤水分、養(yǎng)分在根區(qū)的空間變異分布，既是根系追蹤土壤水分、養(yǎng)分空間分異的結(jié)果，其又通過(guò)根區(qū)優(yōu)先流加劇這一過(guò)程[49]。在干旱荒漠地區(qū)，地表植被特征主要影響著土壤優(yōu)先流的發(fā)生[50-51]。由樹干莖流和根區(qū)優(yōu)先流聯(lián)結(jié)驅(qū)動(dòng)的灌叢植被與土壤水分、養(yǎng)分之間的動(dòng)態(tài)耦合機(jī)制，是影響群落組成結(jié)構(gòu)、分布格局與演變過(guò)程的重要驅(qū)動(dòng)力，是干旱區(qū)生態(tài)水文學(xué)和恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究的前沿領(lǐng)域，對(duì)植被重建與生態(tài)恢復(fù)具有重要的理論指導(dǎo)意義。

4 灌叢樹干莖流與根區(qū)優(yōu)先流研究方法

樹干莖流的研究方法可分為野外觀測(cè)法和建立數(shù)學(xué)模型估算法。其中，野外觀測(cè)法是目前應(yīng)用最為廣泛的方法，它的核心技術(shù)環(huán)節(jié)是測(cè)定樣株的選取和樹干莖流的收集[42]。野外觀測(cè)法主要是在選定的標(biāo)準(zhǔn)植物樹干基部做一個(gè)閉合截水環(huán)，再用導(dǎo)管將莖流引入地面集水器中進(jìn)行人工測(cè)量。數(shù)學(xué)模型估算法多是建立在理想化條件和假設(shè)基礎(chǔ)上的，不涉及莖流過(guò)程，因而模型的精度和適用性較差。在由于各個(gè)模型之間引入的參數(shù)互不相同，如森林類型、降雨量差異和樹種形態(tài)特征差異較大，在應(yīng)用于不同森林類型的樹干莖流預(yù)測(cè)時(shí)受到很大限制，導(dǎo)致可比性太差。因此，基于大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯咏谡鎸?shí)莖流量。

灌叢沙堆在根區(qū)剖面分布受水分優(yōu)先流的影響，具有空間變異性。通過(guò)測(cè)量灌叢基部、灌叢下和灌叢外土壤水分變化特征可以對(duì)這種空間變異性進(jìn)行評(píng)價(jià)。由于土壤的非透明性和異質(zhì)性，迄今人們對(duì)樹干莖流水進(jìn)入土壤后沿根系等大孔隙運(yùn)移特征并不十分清楚，量化研究本身存在客觀困難。現(xiàn)有研究主要通過(guò)測(cè)量土壤剖面水分或觀察濕潤(rùn)鋒[52-53]和染色示蹤[54-55]的方法進(jìn)行量化評(píng)估；后者主要是將染色劑如亮藍(lán)粉末在自然降雨或人工模擬降雨前撒在樹木基部(或?qū)⑷斯そ涤甑乃萌旧珓┡涑梢欢舛鹊娜芤褐苯舆M(jìn)行人工降雨而無(wú)需提前撒染色劑粉末)，降雨結(jié)束后開(kāi)挖土壤剖面進(jìn)行拍照，而后用Photoshop、Image J或Image Pro Plus等圖形處理軟件對(duì)照片進(jìn)行量化處理分析。研究灌木根孔及其對(duì)入滲的貢獻(xiàn)，可以借鑒大孔隙流常用的技術(shù)和方法。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者成功運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助斷層掃描術(shù)CT掃描法研究了裂隙的分布及結(jié)構(gòu)特征，證實(shí)是一種切實(shí)可行的非破壞性定量觀測(cè)大孔隙的新技術(shù)[56-58]。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者如胡霞等采用CT掃描技術(shù)對(duì)青海湖流域高山植被、不同土地利用類型對(duì)土壤大孔隙發(fā)育特征進(jìn)行了量化分析[59-60]。李宗超、胡霞等采用CT掃描技術(shù)對(duì)草原灌叢化、圍封對(duì)內(nèi)蒙古草原土壤大孔隙數(shù)量、垂直分布規(guī)律進(jìn)行了量化分析，揭示了灌叢化對(duì)內(nèi)蒙古沙質(zhì)草地土壤孔隙結(jié)構(gòu)的影響[61-63]。這些研究為灌木根區(qū)優(yōu)先流發(fā)生過(guò)程的監(jiān)測(cè)提供了可借鑒的實(shí)驗(yàn)方法，為開(kāi)展根區(qū)優(yōu)先流對(duì)灌叢沙堆“土壤沃島效應(yīng)”的形成和影響等研究提供了研究思路、方法和手段。

5 問(wèn)題與展望

在灌叢沙堆斑塊格局與生態(tài)水文過(guò)程關(guān)系上國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行了大量的研究并取得了很多成果,但是目前仍然存在一些問(wèn)題。主要有：(1)關(guān)于灌木地下根系分布及水分和養(yǎng)分沿灌木根系形成的優(yōu)先通道運(yùn)移和再分配的研究相對(duì)缺乏，尤其缺乏相關(guān)的實(shí)地觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)研究。具體問(wèn)題如灌木根系數(shù)量、大小對(duì)灌叢沙堆“沃島效應(yīng)”或者“水文島”的貢獻(xiàn)率大小？(2)灌叢密度大小或不同演替階段對(duì)灌叢沙堆的系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗蝕性的影響如何？(3)目前面臨的最大挑戰(zhàn)就在于缺乏土壤水文過(guò)程和灌叢沙堆植被響應(yīng)之間關(guān)系的一些關(guān)鍵性的數(shù)據(jù)和信息積累，如灌叢結(jié)構(gòu)和格局如何影響降水的截留作用、土壤優(yōu)勢(shì)流與水分運(yùn)移如何控制水文過(guò)程及其響應(yīng)單元尺度等。(4)如何將斑塊狀植被的生態(tài)水文機(jī)理應(yīng)用到我國(guó)干旱區(qū)的植被恢復(fù)中，將成為未來(lái)該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的關(guān)鍵。

從微觀上來(lái)說(shuō)，樹干莖流的水分和養(yǎng)分富集作用是對(duì)灌叢沙堆“土壤沃島效應(yīng)”的形成、發(fā)育和演化具有極其重要作用的一個(gè)生態(tài)水文因子。樹干莖流的雨水匯流和養(yǎng)分富集作用具有協(xié)同效應(yīng)，增強(qiáng)了植物對(duì)干旱貧瘠環(huán)境的適應(yīng)能力和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在植被重建方面具有重要的生態(tài)水文學(xué)意義。加強(qiáng)樹干莖流協(xié)同根區(qū)優(yōu)先流自我調(diào)控水分的生態(tài)適應(yīng)機(jī)制研究，對(duì)詮釋荒漠“土壤沃島效應(yīng)”的形成、發(fā)育和演化及其貢獻(xiàn)率有重要意義，有助于了解灌叢沙堆土壤-植被系統(tǒng)的發(fā)展維持機(jī)制，為干旱區(qū)植被的保護(hù)和恢復(fù)提供理論基礎(chǔ)。

從宏觀上來(lái)說(shuō)，干旱區(qū)灌叢與草地景觀在氣候、土壤和水文因素的相互作用下呈現(xiàn)斑塊鑲嵌分布格局，這種斑塊鑲嵌分布格局及其時(shí)空變化主要受土壤水文過(guò)程驅(qū)動(dòng)，主要通過(guò)植物截留、蒸散發(fā)、地表徑流、土壤水分入滲等水文過(guò)程影響水分再分配和聚集影響植被格局。研究土壤水文過(guò)程和灌叢沙堆植被響應(yīng)之間的關(guān)系，在充分理解地上生態(tài)過(guò)程和地下土壤水文過(guò)程的耦合關(guān)系和互饋機(jī)理基礎(chǔ)上更好地揭示灌叢沙堆分布格局的形成機(jī)理及其對(duì)干旱適應(yīng)的生態(tài)水文機(jī)制，以及預(yù)測(cè)生態(tài)水文過(guò)程變化可能帶來(lái)的后果，將為干旱生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化的響應(yīng)與適應(yīng)性研究提供理論基礎(chǔ)，為我國(guó)干旱區(qū)植被恢復(fù)提供技術(shù)支撐。