閆珂，楊廣*，李發(fā)東，何新林，李鵬飛，陳東，王澤林，李玥

（1 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院/現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子832003；2 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京100101）

斑塊狀植被由不連續(xù)的植被斑塊和裸地斑塊鑲嵌而成，是干旱半干旱地區(qū)常見(jiàn)的植被景觀格局[1-5]。斑塊狀格局一般分布在荒漠—綠洲過(guò)渡帶，植被覆蓋度相對(duì)較低，一般在10%-30%左右，是干旱區(qū)生態(tài)過(guò)程和水文過(guò)程共同作用的結(jié)果。準(zhǔn)噶爾盆地地處我國(guó)西北干旱內(nèi)陸區(qū)，毗鄰我國(guó)第二大沙漠古爾班通古特沙漠[6-10]，植被生長(zhǎng)發(fā)育主要靠大氣降水或局部地下滲透水來(lái)維持[11]，綠洲- 荒漠交錯(cuò)帶發(fā)育著許多斑塊狀、條帶狀的天然植被或灌叢沙堆，形成以梭梭為主要荒漠植被的斑塊狀景觀格局。有關(guān)該區(qū)域斑塊狀植被的形成演化、空間格局近年來(lái)受到了越來(lái)越多的關(guān)注[12]。土壤水分決定了整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的水熱平衡[13]，在干旱半干旱地區(qū)土壤水分更加決定了土壤特性，土壤水鹽與養(yǎng)分的分布一定程度上影響了植被的分布格局，而局部的地貌特征又可以通過(guò)平衡土壤水分來(lái)影響土壤異質(zhì)性進(jìn)而調(diào)節(jié)植被分布[14-15]。張凱等[16]對(duì)民勤綠洲- 荒漠交錯(cuò)帶進(jìn)行研究表明土壤含水率最大值出現(xiàn)在綠洲區(qū)，最小值出現(xiàn)在過(guò)渡區(qū)。

本文針對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地南緣綠洲- 荒漠交錯(cuò)帶斑塊格局這一特殊植被分布情況，通過(guò)對(duì)植被斑塊與裸地斑塊土壤水分、鹽分和養(yǎng)分采樣、對(duì)比與分析，得出土壤水分、鹽分、溫度、八大離子及Ph 值的分布規(guī)律。本文研究結(jié)果可以為該區(qū)域斑塊格局形成機(jī)理研究提供基礎(chǔ)依據(jù)和科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣綠洲- 荒漠交錯(cuò)帶（圖1），東經(jīng)86°15′58″E，北緯45°16′53″N，年降雨量100 mm，年蒸發(fā)量為1000-1500 mm，無(wú)地表徑流，植被覆蓋率為30%左右。地下水潛水埋深為6-7 m，在2017年8月、9月、10月別對(duì)植被斑塊和裸地斑塊的土壤水分、鹽分、溫度、養(yǎng)分進(jìn)行采集和測(cè)定。

圖1 試驗(yàn)點(diǎn)地理位置圖Fig.1 Location map of test points

準(zhǔn)噶爾盆地南緣綠洲- 荒漠交錯(cuò)帶典型斑塊狀格局選取相鄰的植被斑塊和裸地斑塊布置對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)植被斑塊和裸地斑塊的土壤理化性質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 沙漠觀測(cè)點(diǎn)地理坐標(biāo)Tab.1 Geographical coordinates of desert observation points

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 水分、溫度和鹽分

采用ENVIdata-DT 探頭式水溫鹽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分別對(duì)植被斑塊代表性梭梭和裸地斑塊土壤進(jìn)行溫度、水分及鹽分的監(jiān)測(cè)。水溫鹽探頭埋于深度為0-180 cm 的土層內(nèi)，每30 cm 為一個(gè)土層。

1.2.2 養(yǎng)分離子

同期內(nèi)對(duì)植被斑塊和裸地斑塊的土壤進(jìn)行樣品采集，采樣深度為0-180 cm，每30 cm 采樣，進(jìn)行土壤pH 值、八大離子和總鹽的測(cè)定。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

本文采用室內(nèi)試驗(yàn)分析和數(shù)學(xué)分析相結(jié)合的方法分析數(shù)據(jù)，并用ArcGIS、Origin 繪圖軟件繪圖。

試驗(yàn)采樣周期時(shí)間為2017年8-10月。

2 分析與討論

2.1 土壤溫度

結(jié)果（圖2、圖3）顯示：

（1）裸地斑塊與植被斑塊的土壤溫度均隨土壤深度的增加逐漸降低。這是由于8月溫度高太陽(yáng)輻射大，地表溫度受環(huán)境影響大，故導(dǎo)致地表溫度偏高。隨著土壤深度增加環(huán)境因子對(duì)土壤作用越來(lái)越小，故較深層土壤的溫度小幅變化直至穩(wěn)定。植被覆蓋會(huì)削弱太陽(yáng)輻射和光照等，使得植被斑塊受環(huán)境因子作用變小導(dǎo)致植被斑塊成為低溫中心，裸地斑塊成為高溫中心，沿植被斑塊向裸地斑塊逐漸增溫的分布特征，形成以植被斑塊為中心的“冷島效應(yīng)”。

（2）隨著時(shí)間的推移，植被斑塊土壤溫度表現(xiàn)為：8月＞9月＞10月；裸地斑塊則表現(xiàn)為：9月＞8月＞10月。這是由于植被覆蓋導(dǎo)致土壤溫度受環(huán)境因子影響削弱從而降低溫度。

圖2 土壤溫度時(shí)空分布圖Fig.2 temporal and spatial distribution

圖3 “冷島效應(yīng)”圖Fig.3 "cold island effect" map of soil temperature

2.2 土壤水分

通過(guò)ENVIdata-DT 探頭式水溫鹽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得出不同土層土壤含水率變化情況（圖4）及以梭梭植株為中心原點(diǎn)繪出土壤含水率的“濕島”圖（圖5）。

圖4 土壤含水率時(shí)空變化情況Fig.4 temporal and spatial variation

圖5 以梭梭為中心的“濕島”圖Fig.5 "wet island" centered on of soil moisture content Haloxylonammodendron

由圖4、圖5可見(jiàn)：

（1）植被斑塊和裸地斑塊土壤含水率隨著土層深度的增加均呈現(xiàn)出明顯的反“S”型分布，即先增大后減小再增大的變化規(guī)律。其中，植被斑塊表層土壤含水率較低，在30 cm 處約為2.8%，隨著土層深度的增加到120 cm，土壤含水率逐漸增大到22.12%；裸地斑塊土壤含水率隨著土壤深度增加而逐漸增大，在30 cm 處最小，約為2.8%，而后逐漸增大，當(dāng)土層深度為180 cm 時(shí)，土壤含水率增大到13.83%。

（2）植被斑塊上由于梭梭的生長(zhǎng)和覆蓋減少蒸發(fā)，加之梭梭的根系主要集中在距土表50-120 cm 的土層[17-18]，根系吸收水分供植物生長(zhǎng)，故植被斑塊土壤含水率明顯大于裸地斑塊，其中梭梭植株的濕度最高，逐漸向外圍降低，形成了以梭梭為中心的“濕島”。

（3）9月為雨季，少量的降雨會(huì)導(dǎo)致土壤含水率小幅上漲[19-20]，故各層土壤的含水率均隨著月的增大不同程度先增大后減小，表現(xiàn)為9月＞10月＞8月。

2.3 土壤鹽分

土壤鹽分結(jié)果（圖6、圖7）顯示：

（1）植被斑塊與裸地斑塊的土壤總鹽含量均呈“正S 型”曲線。土壤表層含鹽量高是因?yàn)榛哪疁囟雀邔?dǎo)致地下水蒸發(fā)，鹽分在土壤表層富集。植被斑塊的土壤含鹽量明顯小于裸地斑塊，以梭梭植株為

圖6 土壤含鹽量時(shí)空分布圖Fig.6 spatial and temporal distribution

2.4 土壤養(yǎng)分

土壤養(yǎng)分見(jiàn)圖8和圖9。

由圖8可知：

（1）植被斑塊和裸地斑塊土壤總鹽與陰離子之間的關(guān)系相似。

（2）土壤總鹽與SO42-相關(guān)性極強(qiáng)，其次是Cl-，與HCO3-相關(guān)性不大。土壤八大離子中陰離子以SO42-和Cl-為主，植被斑塊和裸地斑塊土壤中陰離子的變化規(guī)律相同：SO42-隨著土壤深度的增加先減最低點(diǎn)逐漸往周圍遞增，形成了以梭梭為中心的低鹽區(qū)，這說(shuō)明梭梭根系對(duì)地下水有一定的貯存能力，且梭梭作為耐鹽植被，它的樹(shù)干莖流可以帶走鹽分從而降低土壤含鹽量，這也是梭梭葉表面上有白色晶體析出的原因。

（2）植被斑塊由于大量植被覆蓋受氣候溫度影響大，故8、9、10月土壤含鹽量明顯隨著月份增加而增大表現(xiàn)為：10月＞9月＞8月。相對(duì)而言，裸地斑塊土壤含鹽量趨于穩(wěn)定，隨時(shí)間增加并沒(méi)有明顯變化。后增，Cl-則隨土壤深度的增加逐漸增大。SO42-呈現(xiàn)出明顯淺集表聚的分布特征，而Cl-則往土壤深處遷移。

圖7 以梭梭為中心的“低鹽區(qū)”Fig.7 "low salinity area" centered on of soil salinity Haloxylonammodendron

（3） 土壤離子中HCO3-含量最低，這是因?yàn)镠CO3-主要來(lái)源于CO2的水解反應(yīng)而綠洲- 荒漠交錯(cuò)帶土壤水分少導(dǎo)致的。

（4）準(zhǔn)噶爾盆地南緣綠洲- 荒漠交錯(cuò)帶土壤中鹽分以硫酸鹽和氯化物為主，最主要以硫酸鹽為主。

圖8 土壤陰離子分布Fig.8 distribution of soil anion

圖9 土壤陽(yáng)離子分布Fig.9 distribution of soil cation

由圖9可知：

（1）植被斑塊和裸地斑塊土壤總鹽與陽(yáng)離子之間的關(guān)系相似。

（2）土壤總鹽與Ca2+相關(guān)性極強(qiáng)，其次是Na+，與K+和Mg2+相關(guān)性不大，這與文獻(xiàn)[21-23]研究結(jié)果一致。土壤八大離子中陽(yáng)離子以Ca2+和Na+為主，Ca2+隨著土壤深度的增加先減后增呈現(xiàn)出明顯淺集表聚的分布特征，而Na+則隨土壤深度的增加逐漸加大往土壤深處遷移，這是由于土壤膠體對(duì)Na+的吸附能力大于對(duì)Ca2+的吸附導(dǎo)致Ca2+隨水分蒸發(fā)富集于地表。

Ca2+與Na+呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)，這是由于在土壤鹽分相互轉(zhuǎn)化過(guò)程中Ca2+與Na+為主要的置換對(duì)象，故鈣鹽下降鈉鹽就會(huì)相應(yīng)上升。

（3）陽(yáng)離子中K+和Mg2+的含量最低，且與陰離子中HCO3-的含量相當(dāng)，這表示K+和Mg2+在土壤中以碳酸氫鉀和碳酸氫鎂的形式存在。

（4）綜上所述，準(zhǔn)噶爾盆地南緣綠洲- 荒漠交錯(cuò)帶土壤中鹽分以硫酸鈣、硫酸鈉、氯化鈉為主。綠洲- 荒漠交錯(cuò)帶土壤pH 值均在8-9.5 范圍內(nèi)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)劃分該研究區(qū)土壤屬弱堿性土。

3 討論

（1）植被斑塊由于梭梭覆蓋土壤水分明顯大于裸地斑塊，形成以梭梭植株為中心的“濕島”，說(shuō)明梭梭具有極強(qiáng)的自集水特性。這與楊艷鳳等[24]發(fā)現(xiàn)梭梭的自集水功能使得其根區(qū)土壤存在明顯的“濕島”研究結(jié)論一致。

（2）本研究得出由于植被覆蓋降低太陽(yáng)輻射植被斑塊土壤溫度小于裸地斑塊土壤溫度，這就形成以植被斑塊為低溫中心，以裸地斑塊為高溫中心，沿植被斑塊向裸地斑塊逐漸增溫的分布特征，形成以植被斑塊為中心的“冷島效應(yīng)”。這與馬永剛等[25]在塔里木南緣綠洲所做的“冷島效應(yīng)”結(jié)論一致。

（3）本研究得出的結(jié)論針對(duì)于局部斑塊，需將試驗(yàn)范圍擴(kuò)大來(lái)得到植被斑塊和裸地斑塊之間的水分傳輸和響應(yīng)機(jī)制，為綠洲- 荒漠交錯(cuò)帶斑塊狀格局土壤的水分運(yùn)移模型提供基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

（1） 在準(zhǔn)噶爾盆地南緣綠洲- 荒漠過(guò)渡帶，土壤溫度形成以植被斑塊為中心的“冷島效應(yīng)”；植被斑塊土壤水分呈明顯反“S”型分布，形成以梭梭植株為中心的“濕島”；植被斑塊與裸地斑塊土壤總鹽含量均呈“正S 型”曲線，并形成以梭梭植株為中心的“低鹽區(qū)”。

（2）準(zhǔn)噶爾盆地南緣綠洲- 荒漠過(guò)渡帶植被斑塊與裸地斑塊pH 值均在8-9.5 呈弱堿性，土壤八大離子中陽(yáng)離子以Ca2+和Na+為主，陰離子以SO42-和Cl-為主。其中SO42-和Ca2+呈現(xiàn)出明顯淺集表聚的分布特征，少部分離子往土壤深處遷移，如Cl-和Na+，表明該過(guò)渡帶土壤中鹽分以硫酸鈣、硫酸鈉和氯化鈉為主。