杜偉宏 管文軻 霍艾迪 易 秀 韋 紅

( 1. 長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2. 長安大學(xué)旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；3. 新疆林業(yè)科學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000)

土壤的水分和鹽分是干旱綠洲地下生境的關(guān)鍵因子，直接影響著天然植被的生長、種類以及群落結(jié)構(gòu)[1]。胡楊（Populus euphratica）作為荒漠地區(qū)最寶貴的林業(yè)資源，是塔里木河流域抑制荒漠化、保護生物多樣性、維持生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的重要屏障。由于塔里木河流域地表水資源匱乏，地下水就成為荒漠植被生存所依賴的重要水分來源[2]。該地區(qū)氣候干旱、水分蒸發(fā)強烈，土壤鹽分則會隨水分運移至地表累積，造成土壤次生鹽漬化，因此，土壤水分、鹽分直接影響和制約著天然植被的分布、生存和演替[3]。

荒漠地區(qū)植被的種群結(jié)構(gòu)及其演替會隨著土壤水分、鹽分等因素的變化呈現(xiàn)出不同的狀況。在塔里木河流域，嚴重的土壤荒漠化、鹽堿化抑制了胡楊幼苗的孽新與生長，目前，研究區(qū)域內(nèi)的天然幼齡林較少，面臨種群繁衍及維持現(xiàn)有結(jié)構(gòu)較難，拯救胡楊迫在眉睫。自20世紀(jì)80年代起，國內(nèi)外學(xué)者分別對胡楊林、檉柳（Tamarix chinensis）等荒漠植被不同區(qū)域[4-5]、不同尺度土壤水鹽的變化特征[6-8]、植被恢復(fù)[9]以及荒漠地區(qū)遙感反演地下水[10]進行了探討。程智[11]通過研究內(nèi)蒙古阿拉善盟額濟納旗境內(nèi)胡楊，發(fā)現(xiàn)在不同齡級的胡楊土壤中，土壤含水量有明顯差異?；羧A麗等[12]以瓜州綠洲胡楊林為研究對象，發(fā)現(xiàn)瓜州綠洲胡楊生長階段與其林下土壤含水量呈負相關(guān)關(guān)系，且土壤含水量越向下層變化程度越小。劉普幸等[1]應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)及相鄰格子法等研究了胡楊林土壤水鹽的空間變化特征及其影響，發(fā)現(xiàn)疏勒河中下游土壤水鹽含量變異差異明顯，各層土壤水鹽存在自中游到下游水分減少、鹽分增加、表層聚鹽加重的顯著空間分布規(guī)律。鐘家驊等[13]、管文軻等[14]以荒漠地區(qū)水化學(xué)及土壤理化性質(zhì)為研究對象，表明在塔里木河中游荒漠綠洲地帶，土壤鹽堿化是影響胡楊林繁衍發(fā)育的主要因素。以上學(xué)者及專家為胡楊林更新復(fù)壯提供了大量科學(xué)依據(jù)，作為隨著干旱地區(qū)河道變化，生長情況也發(fā)生改變的胡楊，塔里木河不同干流橫向距離胡楊林下土壤水鹽有何特征，需要進一步研究。本研究以塔里木河流域的胡楊林為研究對象，分析了塔里木河干流胡楊林土壤水鹽的特征，又以橫向4個樣方地，研究塔里木河干流橫向不同距離對胡楊林土壤水鹽特征的影響，為橫向“生態(tài)輸水”、胡楊林的更新復(fù)壯以及恢復(fù)塔里木河流域生態(tài)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

塔里木河處于我國西北干旱地區(qū)（如圖1），地處東經(jīng) 71°39″～93°45″、北緯 34°20″～43°39″，始于阿克蘇河、葉爾羌河、田河三河交匯處的肖夾克，途徑輪臺縣、尉黎和若羌等地，終至塔里木盆地東南緣若羌縣城東北部臺特瑪湖，干流總長1 321 km。其中，英巴扎至恰拉河道彎曲，水流緩慢，土質(zhì)松散，泥沙沉積嚴重，河床不斷抬升，下游恰拉至臺特瑪湖，河床下切3～5 m[15]。區(qū)內(nèi)溫差變化大，年最大日溫差超過30 ℃，平均日溫差為14～16 ℃，年平均氣溫為10.6～11.5 ℃；極端最高溫為43.6 ℃，極端最低溫為-30.9 ℃；日照時數(shù)為3 000 h；多年平均降雨量為17.4～42.8 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 125～1 600 mm。

圖 1 研究區(qū)及樣點布置示意圖Fig. 1 Schematic map of research area and sample point layout

2 研究方法

2.1 樣地選擇

通過野外調(diào)查，選取塔里木河流域胡楊林不同生長狀況的10個樣方地，沿塔里木河干流流向方向依次選取6個樣方地（距塔里木河干流橫向距離不同），距干流上英巴扎河段不同橫向距離處選取4個樣方地（如圖1）。在樣方內(nèi)，采集土壤樣品、確定胡楊的數(shù)量，并測量胡楊的胸徑。通過實驗測得樣方內(nèi)土壤中的含水量及鹽量，分析不同生境下胡楊的土壤水分與鹽量，并結(jié)合胡楊的徑級結(jié)構(gòu)，分析不同胡楊下土壤水鹽的特征，以及分析干流上英巴扎河段胡楊距河道不同橫向距離對土壤水鹽的影響。

2.2 土樣采集

于2018年4月29日—5月6日，通過對塔里木河流域?qū)嵉乜辈炫c調(diào)查，行進路線沿塔里木河干流以北的公路，途經(jīng)阿拉爾、沙雅、庫車、輪臺、尉犁、且末等多個市縣，調(diào)查區(qū)域涵蓋了塔河上、中、下游。在塔里木河主河道兩側(cè)選擇不同生長狀況的胡楊林樣方地（如圖2～4），即10個100 m×100 m的大樣地，主河道上游布設(shè)6個，編號分別為：H1～H6，；垂直于河道兩側(cè)布設(shè)4個，編號分別為：Z1～Z4（如圖1）。

圖 2 生長較好的胡楊林樣地?zé)o人機航拍圖Fig. 2 Aerial photograph of a well-grown P. euphratica forest

圖 3 生長一般的胡楊林樣地?zé)o人機航拍圖Fig. 3 Aerial photograph of a normal P. euphratica forest

圖 4 生長不好或開始退化的胡楊林樣地?zé)o人機航拍圖Fig. 4 Aerial photograph of P. euphratica forest that grows poorly or begins to degenerate

每個大樣地內(nèi)布設(shè)4個喬木樣方（20 m×20 m），在對樣方進行確定之后，在所設(shè)樣方地內(nèi)需測量每個胡楊的胸徑（如圖5），胡楊種群立木徑級結(jié)構(gòu)按胸徑由小到大分為6級，Ⅰ級（＜4 cm），Ⅱ級（4～10 cm），Ⅲ級（10～20 cm），Ⅳ級（20～30 cm），Ⅴ級（30～50 cm），Ⅵ級（≥50 cm）；Ⅰ～Ⅱ級為幼苗和幼樹，Ⅲ級為中齡林，Ⅳ級為近熟林，Ⅴ級為成熟林，Ⅵ級為老齡植株，依據(jù)徑級結(jié)構(gòu)的測量結(jié)果來分析推斷胡楊林的齡級結(jié)構(gòu)，以此判斷種群的長勢。

圖 5 胡楊胸徑的現(xiàn)場測量Fig. 5 Field measurement of BDH of P.euphratican

每個大樣方內(nèi)隨機選擇3個點進行土壤取樣，土壤取樣總深度為80 cm，用取土鉆，自表層開始，采樣深度依次為0～20、20～40、40～60、60～80 cm（如圖6），將3個樣點土樣均勻混合后，按四分法取1 kg左右，裝入土樣袋中，實驗室測定含鹽量。測定土壤含水量的土樣立即裝入鋁盒稱重。

圖 6 土樣現(xiàn)場取樣深度示意Fig. 6 Indication of sampling depth of soil sample

2.3 指標(biāo)測定

將鋁盒取回的樣品放入烘箱，在105 ℃的恒溫下烘8 h，待樣品在烘箱中自然冷卻至常溫，用分析天平（精確到0.001 g）稱得干質(zhì)量，按公式（1）計算土壤水分含量（W）。采用質(zhì)量比為5∶1浸提土壤可溶鹽，在恒溫（25 ℃）條件下提取，稱取風(fēng)干土壤 20 g，置于燒杯中，加入 100 mL蒸餾水，振蕩時間在5 min，然后可利用殘渣烘干法測定土壤總含鹽量、不同滴定法測得Ca2+、Mg2、K+、Na+、CO32-、HCO3-、Cl-、SO42-含量[16]。

式中：W為土壤水分含量；W1為土樣濕質(zhì)量；W2為土樣干質(zhì)量。

2.4 數(shù)據(jù)分析

土壤水鹽指標(biāo)經(jīng)實驗測試分析后，取其平均值、總含量值并制作圖表。應(yīng)用Excel分析同一樣方地內(nèi)不同土壤層土壤水分的變化情況；應(yīng)用統(tǒng)計分析軟件SPSS 22做不同深度土壤層含水量、含鹽量的多重比較分析，選擇單因素ANOVA方法。在進行多重比較中選擇Tamhane’s T2和LSD，同時選擇描述性和方差同質(zhì)性檢驗選項，使用單因素方差分析法。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤含水量變化特征分析

由圖7可知，荒漠地區(qū)塔里木河流域胡楊林生長的土壤含水量存在垂直分層現(xiàn)象，所有樣點的土壤含水量存在隨土壤深度增加而增加的趨勢，不同生境胡楊林的土壤含水量最大值均出現(xiàn)在60～80 cm深度土層，為0.63%～21.01%；最小值出現(xiàn)在0～20 cm深度土層，為0.44%～17.30%，因為荒漠化地區(qū)，在極端干旱的氣候條件下表層土壤蒸發(fā)強烈所致。其中，H1樣方地60～80 cm深度土層的土壤含水量最高，為21.01%；H5樣方地0～20 cm深度的土壤含水量最低，僅為 0.44%。從樣方地含水量來看，H1＞H6＞H3＞H2＞H4＞H5，即塔里木河干流上游土壤含水量＞中游土壤含水量。其中H6處于塔里木河干流下游，樣方地附近存在農(nóng)業(yè)灌溉，故土壤含水量較高。

圖 7 各樣地不同土壤層的土壤含水量Fig. 7 Soil water content of different soil layers in different plots

由圖8可知，垂直河道距離不同的橫向Z1、Z2、Z3、Z4來看，土壤含水量不僅存在隨土壤深度增加而增加的趨勢，距離河道越近，各土層的土壤含水量也越高，含水量分布為 Z1＞Z2＞Z3＞Z4。其中含水量最高點為距離塔里木河300 m的Z1，受塔里木河干流側(cè)向補給較大；含水量最低的點為距塔里木河3 000 m的Z4，受河流側(cè)向補給較小。

圖 8 垂直河道不同橫向距離的各土壤層土壤含水量Fig. 8 Soil moisture content of each soil layer at different lateral distances in vertical river courses

由表1可知，單因子（不同土層深度）單變量（土壤含水量）F值檢驗不顯著，說明不同土層深度的含水量不存在顯著差異。

表 1 不同土壤層土壤含水量方差分析表Table 1 Analysis of variance of soil water content in different soil layers

3.2 土壤鹽含量變化特征分析

由表2可知，研究區(qū)域的10個樣方地（0～80 cm）所含鹽分是以氯化物、硫酸鹽以及碳酸氫根為主。沿干流流向方向所取6個樣方地（0～80 cm）的平均含鹽量由高到低分布為H2＞H5＞H6＞H1＞H4＞H3；垂直于英巴扎河段，且距河道由近及遠所取的4個樣方地的含鹽量由高到低分布為 Z1＞Z3＞Z2＞Z4。

表 2 各樣地土壤鹽分含量Table 2 Soil salt content in different plots

由表3知，單因子（不同土層深度）單變量（ 土 壤 層 中 HCO3-、 Cl-、 SO42-、 Ca2+、 Mg2+、Na++ K+的含量）P值均大于0.05，F(xiàn)值檢驗不顯著，說明不同土層深度的HCO3-、Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+、Na++K+的含量不存在顯著差異。

表 3 不同土壤層土壤鹽分方差分析Table 3 Analysis of variance of soil salinity in different soil layers

3.3 研究區(qū)域胡楊的種群特征

本研究將胡楊種群立木徑級結(jié)構(gòu)按胸徑由小到大分為6級，以徑級結(jié)構(gòu)分析可推斷胡楊林的齡級結(jié)構(gòu)，以此判斷種群特征。由圖9可知，胡楊林在不同生境條件下徑級結(jié)構(gòu)差異明顯。其中H1、H3、Z1、Z4樣方地幼齡級胡楊（Ⅰ～Ⅱ）所占比例超過該樣方地其他各徑級結(jié)構(gòu)30%，H3幼齡胡楊高達91.67%，屬于增長型種群；H2、H5、H6成熟林所占比例較大，無幼齡胡楊存在，且H2、H5的老齡植株分別占該樣方地的25%、9.9%，屬于衰退型種群；H4、Z2、Z3點雖無幼齡胡楊存在，但中齡林、近熟林所占比例較大，為暫時穩(wěn)定型種群。

圖 9 各采樣點內(nèi)胡楊徑級結(jié)構(gòu)分布圖Fig. 9 Distribution of P. euphratica with different diameter in each sampling point

4 結(jié)論與討論

近年來，許多學(xué)者以塔里木河流域為研究對象，研究了塔里木河流域的耕地動態(tài)變化及動態(tài)景觀格局[17]、塔里木河干流區(qū)土地利用變化特征[18]等都說明塔里木河流域存在大規(guī)模的毀林開荒、將林地轉(zhuǎn)化為耕地，造成大面積的胡楊林消失。有相關(guān)研究指出[2]，大量地表水灌溉引起地下水補給減少，致使地下水位下降和土壤含水量降低，是導(dǎo)致植被生長受抑、植被退化、土地沙化的主要因素。

在調(diào)查的10個樣方地中，胡楊林分特征與土壤含水量反映出胡楊林幼齡比例減少、林分徑級結(jié)構(gòu)越大，土壤含水量越低。從橫向4個采樣點來看，距離塔里木河越遠，胡楊林幼齡比例減少，大齡胡楊比例增加，土壤分層含水量（0～20、20～40、40～60、60～80 cm）減少。在胡楊老齡化比較嚴重的樣方地H4、H5，土壤平均含水量（0～80 cm）低于4.55%；在胡楊生長幼苗所占比例較高的樣方地H1、H3、Z1，土壤平均含水量（0～80 cm）為16.75%～18.76%。在Z4樣方地，幼齡胡楊比較多，Ⅰ～Ⅱ級占80.06%，不同土壤層的土壤含水量為2.03%～6.48%。Z4樣方地橫向距塔里木河干流3 000 m處，土壤類型為沙質(zhì)土，保水能力差，大齡胡楊枯死，而幼齡胡楊孽新。于波[19]以胡楊種子萌發(fā)為研究，結(jié)果顯示胡楊種子萌發(fā)時間短，遇水即能迅速萌發(fā)，長時間的洪水淹沒，胡楊幼苗的存活率為100%。初步分析認為由于Z4樣點不遠處有一條渠道，在泛洪期間，胡楊種子隨洪水落在Z4樣點處，此時土壤含水量充分，降低了土壤鹽分的累積量對植被生長的抑制作用，所以胡楊種子萌發(fā)，形成該地幼齡胡楊孽新、大齡胡楊枯死的狀態(tài)。

已有研究表明，土壤總鹽量（距離地表深度為1 m）＜1%，胡楊生長良好；總鹽量在2%～3%時，胡楊生長受到抑制；當(dāng)總鹽量超過3%時，變成片死亡[20]。由各樣方地胡楊徑級結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場測量，結(jié)合表2所列各樣方地土壤總鹽量的測試結(jié)果，可以得出，研究區(qū)域有胡楊幼苗生長的土壤總鹽量為0.08%～0.47%；樣方地內(nèi)胡楊出現(xiàn)老齡化，土壤全鹽量超過1.36%；樣方內(nèi)大齡胡楊比例所占較大，土壤總鹽量在0.47%～1.36%，這與已有研究結(jié)果[20]的含鹽量對胡楊生長影響的趨勢相符。

從距塔里木河橫向4個采樣點來看，距離塔里木河干流越遠，土壤含鹽量有降低趨勢。這是由于Z1點距干流較近，且Z1樣點附近有大片棉花地，受農(nóng)田的灌溉作用，地下水位埋深較相對于其他樣點較淺，干旱地區(qū)強烈的蒸發(fā)作用使地下水中的鹽分向地表聚集。而Z4點，距干流距離較遠，土壤嚴重沙化，受塔里木河側(cè)滲補給較少，地下水位較深，導(dǎo)致地下水中的鹽分在強烈的蒸發(fā)作用下難以隨著水分運移至地表，所以土壤含鹽量較低。

從以上分析來看，合理排鹽和灌溉輸水有助于促進胡楊的更新復(fù)壯。通過“生態(tài)輸水”保證適合的地下水位，不僅能夠防止土壤鹽堿化加劇，亦能保證土壤含水量滿足胡楊的生長需求。從垂直于河道的4個樣方地來看，土壤鹽分較高，且距離河道越遠，大齡胡楊所占比例呈增加趨勢、土壤水分減少，適當(dāng)?shù)臋M向“生態(tài)輸水”，擴大輸水面積，降低土壤鹽分、增加土壤含水量，對促進胡楊林更新復(fù)壯具有重要意義。

本研究以塔里木河干流不同生鏡的胡楊林為切入點，采集土壤樣品，測定土壤的含鹽量、含水量，分析了不同胡楊下土壤水鹽的特征可知，天然胡楊林的土壤含水量存在隨土壤深度（0～80 cm）增加呈增加趨勢，不同土層深度（0～20、20～40、40～60、60～80 cm）的含水量不存在顯著差異；不同土層深度（0～20、20～40、40～60、60～80 cm）的 HCO3-、Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+、Na++ K+的含量也不存在顯著差異。距塔里木河干流橫向距離越近，幼齡胡楊所占比例呈增加趨勢，各土層的土壤（0～20、20～40、40～60、60～80 cm）含水量越高；距離河道越遠，土壤含鹽量（0～80 cm）有減少趨勢。樣方地內(nèi)有胡楊幼苗生長，土壤含水量（0～80 cm）為16.75%～18.76%，土壤總鹽量（0～80 cm）為0.08%～0.47%；樣方地內(nèi)大齡胡楊所占比例較大，土壤含水量（0～80 cm）為4.55%～16.75%，土壤總鹽量（0～80 cm）在0.47%～1.36%；樣方地內(nèi)胡楊呈老齡化趨勢，土壤含水量（0～80 cm）低于4.55%、土壤總鹽量（0～80 cm）超過1.36%。

近年來，胡楊保護行動持續(xù)展開，加之塔里木河干流來水量較大，基本逆轉(zhuǎn)了沿河附近胡楊種群衰敗的趨勢，但遠離河道的胡楊在自然條件下更新復(fù)壯存在一定困難，建議擴大塔里木河干流“生態(tài)輸水”面積，合理的灌溉排鹽，促進胡楊的更新復(fù)壯。

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