吐魯番盆地人工梭梭林的土壤水分補給來源分析

李 林 李 柳 王雪霞

(新疆農業大學,新疆 烏魯木齊 830052)

梭梭(Haloxylon Ammodendron)為藜科梭梭屬的旱生小喬木,具有很強的耐旱、耐鹽、耐堿和耐土壤貧瘠能力,其高大的灌叢狀結構和龐大的根系具有良好的防風固沙效果,是我國干旱地區防風固沙林建設的理想樹種。然而,由于長期不合理的放牧和樵采,天然梭梭林受到了極其嚴重的破壞,分布面積日趨縮小,已被列為國家三級保護漸危種。近年來,隨著在人工梭梭林根系上接種中藥材肉蓯蓉(Cistanche deserticola Ma.)項目在一些風沙侵蝕區的大力推廣,農民在政府的扶持下開始大面積種植人工梭梭防護林,并在梭梭植株的根系上接種肉蓯蓉,變被動治沙為主動治沙,一方面可以防風固沙,另一方面也可通過肉蓯蓉獲取經濟收益,體現了生態效益、經濟效益和社會效益的結合。然而,在這樣的種植積極性的背后也存在著一些問題。目前國內針對梭梭開展的絕大多數已有研究都集中在新疆古爾班通古特沙漠南緣、甘肅民勤地區以及內蒙古的庫布齊沙漠等自然降水條件較為適宜梭梭生長的地區,研究區的多年平均年降水量通常超過150mm,且能夠通過地下水或者春季融雪對土壤水分進行補給。相比之下,在平均年降水量小于100mm的干旱區甚至極端干旱區開展梭梭林種植的相關研究相對較少,缺乏對這些地區人工種植梭梭林的管護指導。因此,一些干旱區的林業基層工作者和農民們因為對已有研究產生了一些認知上的誤區,認為梭梭可以在任何干旱環境下存活,完全不需要人工灌溉養護。這種認知誤區使得一些極端干旱地區的梭梭防護林嚴重退化,甚至產生不可逆的根系損傷。因此,在干旱區進行人工梭梭防護林建設時,需要結合當地的實際情況進行灌溉需求分析,指導林業基層工作者和農民們對人工梭梭林因地制宜施以科學合理的管護措施。

1 干旱區梭梭水分來源

在干旱區,土壤水分是植物需水的首要來源,是影響植物個體生長發育、群落結構與生態系統功能的首要限制因子[1]。天然梭梭植株的根系十分發達,同時具有埋深很深且側根較少的垂直主根系和埋深較淺但向四周廣泛伸展的水平根系,可以同時利用淺層和深層的土壤水分,以及一定埋深的地下水[2],具有很高的水分利用效率。然而,雖然梭梭具有很強的耐干旱脅迫能力,但若想人工種植的梭梭防護林能夠維持正常的生長和可持續發展,依然需要有持續穩定的土壤水分供給,尤其是在梭梭快速生長期的5—6月[3]。梭梭最主要的水分來源分別是地下水補給、春季融雪補給以及5—9月的大、中規模降雨補給。

1.1 地下水

在同時擁有多種水分補給渠道的情況下,梭梭對地下水的利用程度很高,最高幅度可達到總利用水源的80%,平均占30%左右[4];夏季的嚴重干旱致使梭梭增加對地下水的利用[5],5—9月梭梭對地下水的利用程度高達68%～100%[6]。梭梭生長的最理想的地下水位為5～8m,地下水位大于8m時種群衰退;地下水位小于4m時,地下水礦化度會影響土壤表層積鹽,進而顯著地降低物種多樣性,阻礙梭梭幼苗更新,導致梭梭種群衰敗[7]。

1.2 春季融雪

春季融雪補給量對增加土壤滲潤深度和土壤含水量作用明顯,可直接影響梭梭林當年的生長狀況[3,8],降雪量會影響第二年春天幼苗出苗期的土壤水分補給,無降雪條件下梭梭林幼苗對其他水分補給需求明顯增加,如果不能獲得及時補給則會影響其天然更新[9-10]。

1.3 降雨

與地下水補給和春季融雪補給相比,夏季降雨對干旱區梭梭林土壤水分的補給作用并不明顯,這主要是由于降雨雨量小、頻率高是我國干旱荒漠區最主要的降雨模式,而已有研究表明,小于5mm的小型降雨事件對土壤水分的補給作用非常有限,無法被梭梭利用[11]。許皓等[12]研究表明,當降水充足,表層土壤含水量(≥6.6%)可以滿足梭梭正常生存所需時,梭梭主要利用降水形成的淺層土壤水維持生存,而在無有效降水的情況下,0～0.7m深表土層中的梭梭根系大量萎縮,幾乎沒有活躍吸收根存在。此時,如果該地區地下水位滿足梭梭的利用條件,吸收根會向著深層土壤伸展。此外,我國干旱區的降雨主要集中在7—8月,而此時由于土壤蒸發量高、氣候干燥等原因,梭梭植株通常會進入夏季生長停滯期,因而相比之下春季梭梭快速生長期的水分補給更為重要。

2 吐魯番盆地水資源特征及其對人工梭梭林土壤水分的補給作用

吐魯番盆地位于新疆維吾爾自治區的東部,地處東經87°16″～91°55″、北緯41°12″～43°40″的范圍之內,總面積約為69713km2,行政區劃包括吐魯番市、托克遜縣、鄯善縣。吐魯番盆地屬典型的大陸性暖溫帶干旱沙漠氣候,四季明顯,十分干燥,春季的氣溫上升和秋季的氣溫下降都較快,熱量、日射量和日氣溫溫差大。主要土壤類型為白硝土、棕漠土和灌耕土,農作物以糧食作物、葡萄、棉花為主。吐魯番境內高山盆地相間,西北高而東南低,地形地勢由山區向盆地最低點艾丁湖傾斜,海拔最高4300m,最低-150m,梯度變化很大。由于特殊的氣候條件,吐魯番地區梭梭的快速生長期較其他地區平均提前約20～30天,即4—5月為該地區梭梭的快速生長期,此后因為該地區的夏季極為干燥炎熱,梭梭的生長在7—8月進入停滯期。因此,4—5月的水分補給對于吐魯番盆地的人工梭梭林極為關鍵。而吐魯番盆地的水資源分布具有很高的時空變異性,對當地植被的支撐能力需要因地制宜具體分析。

2.1 吐魯番盆地降水特征及其對人工梭梭林的支撐能力

吐魯番地區多年平均年降水量為16.4mm,歷史最大年降雨量為48.4mm,歷史最小年降雨量為2.9mm。多年平均年蒸發量為2845mm,平均年降水量具有明顯的地區分異性,年降水量隨海拔的升高而增大,各站年降水量變化在7.6～169.9mm,其中吐魯番、托克遜、東坎的多年平均年降雨量均在20mm以下,鄯善的多年平均年降雨量小于30mm。該地區降水量年內分配不均,6—9月降水量占年降水量的58.0%～83.6%,且主要以小于2mm的極小降雨事件為主,且集中程度較高,降雨事件主要集中在6—9月,春、秋、冬三季降水所占比例很小。吐魯番盆地的降雪量極小,歷年冬季降雪平均不足2mm,呈現山區多于盆地、山北多于山南、由北向南逐漸減少的特點,且越向南降水越少,無降水日數較長,同時年降水量的年際變化較大[13]。吐魯番盆地在梭梭快速生長的4—5月期間,無法通過降雨或者春季融雪提供有效的土壤水分補給。

2.2 吐魯番盆地地下水空間分布特征及其對人工梭梭林的支撐能力

應用Surfer19.0軟件對吐魯番盆地32眼長期觀測井的地下水位資料進行分析,其中空間插值采用克里格插值法進行,可得出直觀展現吐魯番盆地的地下水位空間變化差異圖,見圖1。

圖1 吐魯番地區地下水位空間分布

從圖1可以看出,吐魯番盆地的地下水位具有明顯的空間差異性,其中:盆地中部地區的地下水位平均埋深超過50m,最深處可達到觀測下限80m;盆地東部地區(南盆地)地下水位平均埋深為20～50m,其中艾丁湖附近約為0～10m,以艾丁湖為中心向北地下水位埋深逐漸加深;盆地西部地區(南盆地)地下水位較淺,平均埋深為1～20m。此外,整個吐魯番地區的地下水位從2000年開始有逐漸下降的趨勢,致使淺層地下水位控制面積逐年縮小。其中鄯善縣西南部南盆地的觀測井記錄其地下水位在8年間下降量將近15m。結合本文1.1的研究內容可知,吐魯番盆地在梭梭快速生長的4—5月期間,無法通過降雨或者春季融雪提供有效的土壤水分補給。除艾丁湖附近(0～10m)及北盆地(1～20m)的部分地區以外,絕大多數地區地下水埋深較深,無法被地表植被有效利用。

3 結 語

在快速生長期能夠獲得穩定的土壤水分供給是干旱區人工梭梭林可持續發展的必要條件。梭梭同時擁有埋深很深的垂直主根系和埋深較淺的水平根系,可以充分利用多種來源的土壤水分,主要包括地下水補給、春季融雪補給以及5—9月的大、中規模降雨補給。然而吐魯番盆地年降水量極小,且主要以小于2mm的極小降雨事件的形式發生,對土壤水分的補給十分有限;該地區冬季降雪量也極小,年降雪量通常不超過2mm,春季無法通過融雪對土壤水分進行有效補給;該地區地下水位的空間分布差異十分明顯,除艾丁湖附近(0～10m)及北盆地(1～20m)的部分地區以外,絕大多數地區地下水埋深較深,無法被地表植被有效利用。因此,在該地區進行人工梭梭林種植時,需要結合實際情況進行灌溉需求分析,確定合適的人工灌溉頻次、時機及灌溉量,避免人工梭梭林因長期缺水嚴重退化。今后,應當在實際生產過程中通過科學合理的實驗分析,進行吐魯番盆地防護樹種的灌溉需求分析,對當地的防護林建設提供具有實踐意義的理論指導。