麻 進(jìn)，胡廣錄，陳海志，焦 嬌

(蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

荒漠—綠洲過(guò)渡帶生態(tài)環(huán)境脆弱且敏感[1]，但在保護(hù)綠洲穩(wěn)定及抵御荒漠化進(jìn)程中起著重要作用。過(guò)渡帶區(qū)域有部分和沙漠生境相類(lèi)似的特性，降雨稀少且蒸發(fā)量大，存在顯著的資源型缺水問(wèn)題，地表風(fēng)蝕風(fēng)積嚴(yán)重，容易形成結(jié)皮[2-3]；過(guò)渡帶亦有部分與綠洲相類(lèi)似的特性，能夠保留一定程度的肥力，使得部分耐干旱、耐鹽堿、抗風(fēng)蝕、抗沙埋的荒漠植被正常生長(zhǎng)發(fā)育。土壤作為植物生長(zhǎng)的載體，其質(zhì)量高低，對(duì)荒漠-綠洲過(guò)渡帶植被的生長(zhǎng)及生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定有著直接影響。土壤水分作為土壤的重要組成部分，不僅影響著植物的生長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)荒漠—綠洲過(guò)渡帶生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能起著至關(guān)重要的作用[4-7]。因此，了解荒漠—綠洲過(guò)渡帶土壤水分的變化規(guī)律對(duì)沙漠化逆轉(zhuǎn)[8]、固沙植被的建設(shè)具有重要指導(dǎo)意義。

目前，許多國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)干旱半干旱區(qū)土壤水分開(kāi)展了大量研究。其中張克海等[9]對(duì)單一固沙植被梭梭進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在花期與果期土壤水分含量的主要影響因素不同，石薇等[10]以騰格里沙漠人工固沙植被區(qū)土壤為例，研究了淺層土壤水分入滲與再分配過(guò)程，陳悅等[11]研究了新疆艾比湖濕地土壤水、鹽、SOM含量和空間分布以及三者之間的關(guān)系，張帥普等[12]對(duì)黑河中游邊緣的土壤有機(jī)質(zhì)與土壤水分之間的相關(guān)性進(jìn)行研究，徐雅潔等[13]對(duì)鄂爾多斯西柳溝不同林分配置對(duì)土壤水分物理性質(zhì)的影響進(jìn)行探討，張定海等[14]通過(guò)建立生態(tài)-水文模型，模擬了騰格里沙漠固沙灌木蓋度和深層土壤水分的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。這些研究主要集中在單一植被水分動(dòng)態(tài)變化、植被水分空間分布與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系、土壤水分動(dòng)態(tài)模擬等方面，但對(duì)干旱區(qū)混交灌木根區(qū)土壤含水率特征研究涉及較少。

甘肅省臨澤縣北部的荒漠-綠洲過(guò)渡帶，自20世紀(jì)50年代后，當(dāng)?shù)厝罕姙榱朔里L(fēng)固沙、保護(hù)綠洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，在流動(dòng)和半固定沙地上不間斷地栽植了大量防風(fēng)固沙植物，不同時(shí)期栽植的植物大多是抗旱、抗風(fēng)蝕、耐鹽堿的灌木，但受氣候、土壤和水分條件的限制，植物的成活率并不高，目前該區(qū)域固沙植被大多呈斑塊狀格局，有天然的(泡泡刺)也有人工的(梭梭、沙拐棗等)，基本屬于混交栽植模式，植被覆蓋度約為30%，但這些固沙植被對(duì)于保護(hù)臨澤綠洲的安全穩(wěn)定發(fā)揮了極其重要的作用。因此，以此區(qū)域固沙植物根區(qū)土壤為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)3種典型混交灌木根區(qū)的土壤進(jìn)行采樣和土壤含水率測(cè)定，比較不同類(lèi)型混交灌木根區(qū)土壤含水率的垂直分布及差異性，旨在為荒漠-綠洲過(guò)渡帶固沙植被局地生態(tài)環(huán)境的快速構(gòu)建以及固沙植物種類(lèi)的合理選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河西走廊張掖市臨澤縣北部、巴丹吉林沙漠南緣的沙漠-綠洲過(guò)渡帶(39°21′53″-39°22′01″N，100°09′12″-100°09′14″E)(圖1)，海拔1 380～2 278 m，屬典型的溫帶大陸性荒漠氣候，多年平均氣溫7.6 ℃，最高溫度為39.1 ℃，最低氣溫為-27.3 ℃。年降水量117 mm，且多集中在7-9月；年蒸發(fā)量2 360 mm，空氣相對(duì)濕度46%。風(fēng)向以西北風(fēng)為主，年平均風(fēng)速為3.2 m·s-1，4-5月風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈，最大風(fēng)速21 m·s-1。土壤以風(fēng)沙土為主，植被群落簡(jiǎn)單，以超旱生植被為主，代表性植物有梭梭(Haloxylonammodendron)、沙拐棗(Calligonummongolicum)、泡泡刺(Nitrariasphaerocarpa)、檉柳(Tamarixramosissima)等。

1.2 樣地選擇與土壤采樣

選擇地勢(shì)相對(duì)平坦的丘間地段作為樣地，于2021年7-9月進(jìn)行采樣，7月6日開(kāi)始第1次采樣，采樣間隔為30 d，共計(jì)采樣3次。在樣地中選取3種不同類(lèi)型的混交灌木，分別為梭梭×泡泡刺(SS×PP)、泡泡刺×沙拐棗(PP×SG)、沙拐棗×梭梭(SG×SS)。所選混交灌木的2棵植株間距為1～3 m，植株周?chē)? m范圍內(nèi)無(wú)其他或極少有其他固沙植物存在，此種情況下能更好反映各類(lèi)型混交灌木的土壤水分特征。每種混交灌木類(lèi)型選取3處土壤采樣點(diǎn)。

每月上旬，以混交的2株植物幾何中心連線的中點(diǎn)作基點(diǎn)開(kāi)挖土壤剖面，剖面深度為100 cm，每20 cm垂直間距作為一采樣土層。采樣時(shí)開(kāi)辟50 cm×50 cm采樣平臺(tái)，通過(guò)五點(diǎn)采樣法進(jìn)行采樣，每層共采取200～300 g土壤，混合裝入塑封袋中，之后置于儲(chǔ)物箱內(nèi)，待采樣完畢后一并帶回實(shí)驗(yàn)室處理。實(shí)驗(yàn)室采取烘干法測(cè)量土壤含水率[15-16]。

圖1 研究區(qū)地理位置

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019和SPSS26.0軟件對(duì)混交灌木根區(qū)土壤含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Origin2018軟件繪制圖形。數(shù)據(jù)分析采用描述性統(tǒng)計(jì)、單因素方差分析(ANOVA)。其中，單因素方差分析采用最小顯著性差異法(Least Significance Difference)，使用邦弗倫尼法(Bonferroni)進(jìn)行差異性檢驗(yàn)，采用沃勒-鄧肯(Waller-Duncan)法分析試驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行差異性標(biāo)注。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同混交灌木根區(qū)土壤含水率描述性統(tǒng)計(jì)特征

7-9月3種混交灌木SS×PP、SG×SS、SG×PP在0～100 cm土層土壤含水率描述性統(tǒng)計(jì)特征(表1)結(jié)果顯示：每種混交灌木根區(qū)土壤含水率的平均值在各個(gè)月份不同，SS×PP 9月(2.77%)>7月(1.88%)>8月(1.84%)；SG×SS 9月(1.84%)>7月(1.82%)>8月(1.56%)；SG×PP 9月(2.43%)>8月(1.71%)>7月(1.48%)。

上述結(jié)果說(shuō)明混交灌木SS×PP根區(qū)土壤含水率相對(duì)較高，與8月相比，7、9月3種混交灌木土壤含水率變異程度相對(duì)較大，但都屬于中低等變異程度。

表1 不同混交灌木0～100 cm土層土壤含水率描述性統(tǒng)計(jì)特征

2.2 混交灌木根區(qū)土壤含水率垂直變化特征及差異

2.2.1 不同混交灌木根區(qū)土壤含水率垂直變化特征 由圖2可見(jiàn)，7月3種混交灌木土壤含水率都隨土層深度增加而增大；此月土壤含水率最大值出現(xiàn)在混交灌木SS×PP的60～80 cm土層，最小值出現(xiàn)在混交灌木SG×PP的0～20 cm土層。8月混交灌木SS×PP、SG×PP土壤含水率呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)；混交灌木SG×SS土壤含水率仍隨土層深度增加而增大；混交灌木SG×PP土壤含水率在60～80 cm隨土層深度增加而減小，而混交灌木SS×PP土壤含水率在60～100 cm隨土層深度增加而減小。本月土壤含水率最大值出現(xiàn)在混交灌木SS×PP的80～100 cm土層，最小值出現(xiàn)在混交灌木SS×PP的0～20 cm土層。9月3種混交灌木的土壤含水率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；混交灌木SG×PP土壤含水率在40～100 cm隨土層深度增加而減小，而混交灌木SS×PP、SG×SS土壤含水率在60～100 cm隨土層深度增加而減小。此月土壤含水率最大值出現(xiàn)在混交灌木SS×PP的40～60 cm土層，最小值出現(xiàn)在混交灌木SG×SS的0～20 cm土層。分析結(jié)果表明不同類(lèi)型的混交灌木根區(qū)土壤含水率在垂直分布上存在差異。

2.2.2 同一類(lèi)型混交灌木不同土層土壤含水率的差異 由圖3可見(jiàn)，7月混交灌木SS×PP、SG×SS在不同土層間土壤含水率均存在顯著性差異，而混交灌木SG×PP土壤含水率在60～100 cm的不同土層間無(wú)顯著差異。8月混交灌木SS×PP在40～80 cm的各土層間土壤含水率差異性不顯著，而混交灌木SG×SS、SG×PP 在各土層間土壤含水率無(wú)顯著性差異。9月混交灌木SS×PP、SG×PP在各土層間土壤含水率均差異性顯著，而混交灌木SG×SS的土壤含水率在60～80 cm與80～100 cm土層間無(wú)顯著性差異，混交灌木SS×PP、SG×SS在40～60 cm的土壤含水率均顯著高于其余土層。分析結(jié)果表明同一混交灌木在不同月份、不同土層，其根區(qū)土壤含水率存在不同程度的差異性。

圖2 7-9月不同類(lèi)型混交灌木根區(qū)土壤含水率垂直變化

2.2.3 同一土層不同類(lèi)型混交灌木土壤含水率的差異 由圖4可見(jiàn)，7月0～60 cm土層3種混交灌木根區(qū)土壤含水率之間均存在顯著性差異；60～80 cm土層，混交灌木SG×SS、SG×PP的土壤含水率無(wú)顯著性差異，同時(shí)兩者土壤含水率顯著低于混交灌木SS×PP；80～100 cm土層，混交灌木SS×PP、SG×SS的土壤含水率無(wú)顯著性差異，但均顯著高于混交灌木SG×PP的土壤含水率。8月在0～20、80～100 cm土層，3種混交灌木土壤含水率之間均無(wú)顯著性差異；20～80 cm土層3種混交灌木土壤含水率之間均存在顯著性差異。9月在0～20 cm土層，3種混交灌木土壤含水率之間均無(wú)顯著性差異；20～40、60～100 cm土層混交灌木SG×SS的土壤含水率顯著低于其余混交類(lèi)型，且其余各混交類(lèi)型的土壤含水率之間均無(wú)顯著性差異；40～60 cm土層3種混交灌木土壤含水率之間均存在顯著性差異。分析結(jié)果表明不同類(lèi)型混交灌木根區(qū)土壤含水率在不同月份、同一土層間均存在不同程度的差異性。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

1)7-9月混交灌木根區(qū)0～100 cm土層土壤含水率變化范圍依次如下：SS×PP為0.54%～2.75%、1.06%～2.41%、0.73%～4.72%；SG×SS為0.42%～2.59%、0.96%～2.35%、0.57%～3.58%；SG×PP為0.31%～2.38%、0.56%～2.33%、0.79%～3.71%；3種混交灌木土壤含水率變化均在60～100 cm土層逐漸趨于穩(wěn)定。

2)混交灌木根區(qū)土壤含水率垂向上表現(xiàn)出2種變化趨勢(shì)，一是隨深度增加而增大，二是隨深度增加先增大后減小。月際間，同一土層下不同混交灌木土壤含水率之間存在顯著性差異，7月在0～100 cm土層混交灌木SS×PP土壤含水率顯著高于混交灌木SG×PP，8月在20～80 cm土層混交灌木SS×PP土壤含水率整體上顯著高于SG×SS，9月在20～40 cm與60～100 cm土層混交灌木SG×SS土壤含水率均顯著低于其他2種混交類(lèi)型。

3)研究區(qū)3種類(lèi)型混交灌木根區(qū)的土壤含水率為SS×PP>SG×PP>SG×SS，說(shuō)明混交灌木SS×PP根區(qū)土壤的持水能力顯著高于其他2種混交方式。因此，在維持現(xiàn)有植被格局穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，大力推廣梭梭與泡泡刺的混交栽植，是今后防沙治沙工程中固沙植物種類(lèi)選擇及合理搭配的主要舉措。

3.2 討論

3.2.1 不同混交灌木根區(qū)土壤含水率垂直變化特征 土壤水分與植物類(lèi)型、氣候、降水、土壤質(zhì)地[17]以及地形地貌等相關(guān)性較強(qiáng)。在本研究區(qū)氣象與水文條件基本一致的情況下，土壤質(zhì)地及固沙植被的不同混交類(lèi)型成為影響土壤含水率的重要因素。研究結(jié)果表明3種混交灌木根區(qū)的土壤含水率垂直變化表現(xiàn)出2種變化趨勢(shì)。

1)土壤含水率隨深度增加而增大，包括7月份3種混交灌木及8月份混交灌木SG×SS。這是由于研究區(qū)內(nèi)表層土壤蒸發(fā)量大，使各混交灌木在0～20 cm土層土壤含水率最小[18]。而蒸發(fā)形成的淺層干沙可有效防止深層土壤水分的散失(圖5)，對(duì)下層的土壤水分起到一定保護(hù)作用[19]。項(xiàng)目組多年的檢測(cè)資料顯示(表2)，深層土壤中黏粉砂(d<250 μm)的含量占50 %以上，不同固沙植物根區(qū)深層土壤粒級(jí)雖然存在差異，但黏粉砂含量的增加無(wú)疑對(duì)土壤水分(毛細(xì)水)具有很好的保持作用。另外雨季(7-9月)相對(duì)較多的降水緩解了植被對(duì)深層土壤水分的攝取，深層土壤水分得到暫時(shí)保護(hù)，并保持在相對(duì)較高的水平。而固沙植被中SG、SS的根系組成較PP更發(fā)達(dá)[20]，深層相對(duì)發(fā)達(dá)的根系極易形成水分滲透的優(yōu)勢(shì)流，致使深層與周?chē)耐寥浪种g存在較大的水勢(shì)梯度[21]，有利于周?chē)寥浪旨暗叵滤畬?duì)其進(jìn)行補(bǔ)充。使得混交灌木SG×SS深層土壤含水率在高消耗的前提下，仍然能保持較高水平。

注：小寫(xiě)字母表示同一類(lèi)型混交灌木不同土層間土壤含水率在P<0.05水平上存在顯著差異。

注：大寫(xiě)字母表示不同類(lèi)型混交灌木同一土層土壤含水率在P<0.05水平上存在顯著差異。

圖5 2021年研究區(qū)全年日均降水量

表2 研究區(qū)不同固沙植物根區(qū)0～100 cm 土層土壤機(jī)械組成

2)土壤含水率隨深度增加先增大后減小，包括8月混交灌木SS×PP、SG×PP及9月3種混交灌木。張勃等[22]對(duì)綠洲-荒漠生態(tài)脆弱帶土壤含水量空間分異的研究表明，土壤含水率明顯呈現(xiàn)出表層和底層低，中間層高的特點(diǎn)，與本研究結(jié)果一致，這是由于研究區(qū)溫度快速升高，植物進(jìn)入一年中的最快生長(zhǎng)期，植被蒸騰作用造成較大的水力提升，僅降水不足以滿足植被生長(zhǎng)需求，故加速了深層土壤水分的耗水量[23]。同時(shí)也表明在酷暑季節(jié)植被的生長(zhǎng)對(duì)深層土壤水分有強(qiáng)烈的依賴性[24]。隨著時(shí)間的推移，植物逐漸進(jìn)入一年中生長(zhǎng)發(fā)育的后期，枝葉開(kāi)始枯萎凋謝，蒸騰作用造成的水力提升降低，同時(shí)植物對(duì)根系層土壤水分的攝取量減少[25-27]。降水有機(jī)會(huì)向深層轉(zhuǎn)移，但降水向深層土壤入滲存在滯后性[28]，致使40～60 cm土層土壤含水率呈現(xiàn)出較高水平。深層土壤含水率的減小，可能與深層土壤水分在重力作用下對(duì)地下水進(jìn)行補(bǔ)充有關(guān)，7-9月地下水水位得到一定程度的提升(表3)。由于本次試驗(yàn)時(shí)間較短，未對(duì)不同季節(jié)的混交灌木剖面土壤含水率進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，后期還需要更進(jìn)一步開(kāi)展研究。

表3 2021年研究區(qū)地下水埋深

3.1.2 不同混交灌木根區(qū)土壤含水率月際間變化特征 當(dāng)土壤含水率較高時(shí)，土壤水分分布主要由土壤質(zhì)地與降水決定，而當(dāng)土壤含水率較低時(shí)，土壤水分主要受混交灌木根系的穿插作用影響，并且混交灌木根系的水分吸收會(huì)弱化土壤質(zhì)地及降水的影響。因此，混交灌木類(lèi)型對(duì)土壤水分分布有著重要影響，主要通過(guò)植被根系的穿插作用，有效增加土壤孔隙度，降低容重，提升土壤的持水能力。其次，不同混交灌木植被冠幅不同，影響植被對(duì)土壤水分的吸收及降雨截留。本研究結(jié)果表明，月際間同一土層不同混交灌木根區(qū)土壤含水率差異顯著(P<0.05)。7月在0～100 cm土層混交灌木SS×PP土壤含水率顯著高于SG×PP，8月份在20～80 cm土層，混交灌木SS×PP土壤含水率顯著高于混交灌木SG×SS。付鵬程等[29]對(duì)沙漠-綠洲過(guò)渡帶固沙植被根區(qū)土壤理化性質(zhì)的研究結(jié)果表明，3種固沙植物的土壤持水性能為：SS>PP>SG，與本研究結(jié)果一致，主要原因是梭梭冠幅較大，防風(fēng)固沙作用顯著高于其他2種固沙植物，梭梭的枝葉特點(diǎn)也決定了其能有效地截留細(xì)小沙塵顆粒，細(xì)小顆粒在根區(qū)沉積且隨截留的雨水向下運(yùn)移，在改變根區(qū)土壤機(jī)械組成的同時(shí)，還可匯集根區(qū)被微生物分解的枯落物、分泌物等有機(jī)質(zhì)成分，使根區(qū)出現(xiàn)“肥島效應(yīng)”[30]，進(jìn)而提高了根區(qū)深層土壤的持水性能。另一方面由于泡泡刺在自然狀態(tài)下以灌叢沙堆的形式存在，且在沙質(zhì)生境下?lián)碛邪l(fā)育完善的二態(tài)性根系，通過(guò)對(duì)降雨多少的判斷，該根系能夠靈活地利用降水與地下水[31-32]。9月在20～40 cm與60～100 cm土層，混交灌木SG×SS的土壤含水率均顯著低于混交灌木SS×PP、SG×PP。是由于沙拐棗枝葉稀疏，冠幅小，棵間蒸發(fā)強(qiáng)烈，當(dāng)年生長(zhǎng)發(fā)育的不定根主要集中在20～40 cm土層，致使該層土壤水分大量消耗。而梭梭根區(qū)表層逐漸增多的凋落物，以及長(zhǎng)期受到各種風(fēng)化作用，使表層土壤理化性質(zhì)改變，極易形成生物結(jié)皮，不利于降水入滲，而主要消耗于蒸發(fā)[34-36]。同時(shí)梭梭雖屬于深根系灌木[37]，主要利用深層地下水維持生命活動(dòng)，對(duì)淺層土壤水分的需求量小于沙拐棗和泡泡刺[38]，但其冠幅遠(yuǎn)大于兩者，故存在深層土壤水分被根系吸收，以及在重力作用下對(duì)地下水補(bǔ)充的可能，致使深層土壤含水率下降。另外趙文玥等[33]的研究結(jié)果表明，泡泡刺含有蠟質(zhì)層的卵形葉片不易截留降雨，易促進(jìn)雨水以穿透雨的形式滴落土層，有效促進(jìn)冠層下土壤水分補(bǔ)充。同時(shí)泡泡刺沙堆四周不同程度的穴洞極易形成優(yōu)先流通道，致使泡泡刺根區(qū)可迅速得到雨水的補(bǔ)充。因此，泡泡刺沙堆的淺層和深層土壤含水率相對(duì)較高，但其與沙拐棗或梭梭混交后的土壤水分特點(diǎn)，可能影響因素較為復(fù)雜，尚需進(jìn)一步探究。