河西走廊绿洲边缘积沙带土壤水分的空间变化研究

樊宝丽，常兆丰，张剑挥，朱淑娟，王强强，张大彪，唐进年，刘世增

(甘肃省荒漠化与风沙灾害防治重点实验室/甘肃省治沙研究所，甘肃 兰州 730070)



河西走廊绿洲边缘积沙带土壤水分的空间变化研究

樊宝丽，常兆丰，张剑挥，朱淑娟，王强强，张大彪，唐进年，刘世增

(甘肃省荒漠化与风沙灾害防治重点实验室/甘肃省治沙研究所，甘肃 兰州 730070)

[摘要]了解河西走廊各地区积沙带的土壤水分状况是进行积沙带治理与评价的重要前提条件之一。在对整个河西走廊绿洲外围农田防护林积沙带全面踏查的基础上，对所选中的9个县(区、市)共计21个典型积沙带样点的土壤水分空间分布特性进行了研究，并利用单变量多因素方差分析对影响土壤水分空间分布差异的因素进行了分析。研究结果表明：①河西走廊积沙带的土壤含水量在武威凉州区最高，古浪县次之，之后各积沙带的土壤含水量随着河西走廊自东往西的方向逐渐降低；②积沙带土壤含水量在0～100 cm内随土层深度的增加逐渐增加,但变化平缓；③微地形对整个积沙带土壤水分在空间上的垂直分布影响显著，积沙带土壤含水量在迎风坡最高，但在沙丘顶部与背风坡间的差异不显著；④河西走廊积沙带土壤含水量与日照时数呈显著负相关，与降雨量和空气相对湿度显著正相关，相关性程度依次为年平均日照时数>年平均降水量>年平均相对湿度。

甘肃河西走廊自古就是我国重风沙危害区，也是我国主要的沙尘源区。新中国成立后，在农田边缘开展了大规模造林治沙活动，取得了显著成效，但同时在沙区绿洲边缘的上风向也形成了一条积沙带。作为防风固沙造林的副产物，积沙带的沙丘类型与荒漠-绿洲过渡带普通的沙丘也有着较大的区别，积沙带在生态环境中到底起着怎样的作用，对于积沙带应该采取何种有效的生态修护措施，国内外有关方面的研究几乎是一个空白[1]。

水分是干旱和半干旱生态系统中决定生态系统结构与功能的重要环境因子[2]。土壤水分状况对土壤物理性质和植被生长状况有重要影响。对植物的生长而言，土壤水分是最大的限制因子,且影响到遏止沙漠化危害的可能性[3-4]。近年来，我国学者对不同地区沙地水分状况,各沙层含水量与气候因子、地形条件、固沙植物种植年限及沙地植被结构的关系等进行了大量的研究[5-13]。积沙带作为绿洲外围防风固沙林和机械沙障固沙过程中的副产物，不同于荒漠-绿洲过渡带普通意义上的沙丘类型，了解河西走廊各地区积沙带的土壤水分状况是进行积沙带本底研究的基础，也是进行积沙带治理与评价的重要前提条件之一。

我们在对河西走廊东端的古浪至走廊最西端的敦煌地区进行踏查的基础上，对其中积沙带地貌类型显著的9个县(区、市)共计21个典型积沙带进行了选点取样，对积沙带土壤水分的水平和垂直空间动态变化及主要气候因子对土壤水分的影响进行了研究，旨在探讨积沙带的生态功能，并为积沙带的生态治理提供有力的数据支持。

1研究区域概况

河西走廊位于甘肃省西北部，东起古浪峡口一带，西至疏勒河下游甘新区界，长约900 km，宽50～120 km，面积约8.3万km2，地理位置36°35′～42°45′N、92°45′～104°15′E，海拔1 000～3 200 m。行政区界上包括武威、金昌、张掖、酒泉、嘉峪关5市，共辖20个县(区、市)。走廊南侧为祁连山脉，东、东北和西面依次被腾格里、巴丹吉林和库姆塔格三大沙漠包围，境内有沙漠和零星沙地754 km2。从气候上看，走廊大部分区域属干旱区，最西端的敦煌、瓜州属于极端干旱区。

2研究方法

2.1野外调查与样品采集

在对整个河西走廊绿洲外围农田防护林积沙带全面踏查的基础上，选中9个县(区、市)共计21个典型积沙带样点，具体见表1。其中在积沙带地貌类型显著的民勤、高台和金塔选点最多，各为4个，古浪、瓜州、敦煌各选点1个。

表1　河西走廊各地区积沙带样点分布

为免受降水影响，调查时间分别选择在2011年10月初和2012年10月初，采样在至少半月内未有降雨的条件下进行，采用手持GPS测定每个积沙带的地理位置、海拔与坡向，并记录每个积沙带的地貌类型及形成积沙带的防护林类型。土壤含水量的测定采用剖面取样烘干法(105 ℃)，土壤取样深度共分5个层次：0(表层)、10、30、50和100 cm。在每个选定积沙带的迎风坡底部和中部、背风坡中部和底部(因为积沙带的特殊成因，其背风坡底部基本为防风固沙林的边缘，所测数据不能很好地代表积沙带的土壤含水量，所以只在距离防护林较远的古浪和高台进行了背风坡底部的取样)、沙丘顶部、迎风坡丘间地(农田边缘)，测定每个样点的土壤含水量。

2.2数据分析

在满足方差齐性的情况下，运用单变量多因素方差分析，确定微生境和土层对土壤水分含量空间分布差异的影响，对所得的数据采用Excel进行绘图，数据分析在SPSS 16.0统计软件中完成。

3结果与讨论

3.1河西走廊不同区域积沙带土壤水分在水平空间的变化

如图1所示，从0～100 cm土层土壤含水量的水平空间变化来看，河西走廊不同区域积沙带间土壤含水量最高的是武威的凉州，其次是古浪，之后各积沙带的土壤含水量随着河西走廊自东往西的方向逐渐降低，最西端的敦煌积沙带的土壤含水量仅为0.24%。积沙带的土壤含水量在整个区域内组间的差异极其显著(F=33.475，P<0.001)，除金昌与民勤、临泽差异不显著，以及金塔、瓜州、敦煌这3个区域间差异不显著外，其他各个区域间都有显著差异。

图1　河西走廊积沙带0～100 cm土壤水分在水平空间的变化

3.2河西走廊地区积沙带土壤水分的垂直分布

农田边缘由于受河水灌溉及地下水位的影响，浅层土壤含水量(0～30 cm)在不同微生境间的各个土层中都是最高的，之后随土壤深度增加表现出与其他微生境相似的变化趋势，所以在以后的结果和讨论部分都未再对其进行分析和讨论。

从图2对河西走廊各个区域积沙带的取样来看，武威凉州区的积沙带最靠近农田，受农业灌溉的影响，该处积沙带表层的土壤含水量显著高于其他土层，之后随着土层的加深土壤含水量逐渐减小，但土层间的差异并不显著；其余8个区域的表层含水量在各个土层间基本是最低的(瓜州的迎风坡底部的表层除外，因为其紧挨农田边缘,所以表层土壤含水量为该区域最高值),其中古浪、民勤、金川、临泽的积沙带土壤含水量在10 cm土层时显著增高，在30或者50 cm 处达到最高值，再向下民勤积沙带的含水量随着土层的加深又逐渐降低，古浪、金川和临泽3个区域的土壤含水量则无明显变化规律，但土层间的变化平缓，而金塔、高台、瓜州和敦煌积沙带的土壤含水量在10 cm时相比表层土并未呈现出显著增加(敦煌迎风坡中部除外)，土壤含水量在0～50 cm内基本是随着土层的加深而增加(以迎风坡底部的变化趋势最为明显)，这应该与这4个地区更高的日照时数有关。另外，从图3来看，整个河西走廊积沙带土壤平均含水量在0～100 cm的垂直分布，表现出从上层向下随着土层的加深逐渐递增的分布规律，这是因为河西走廊农田边缘的积沙带多为流动沙丘，流动沙地表层土壤颗粒粗大，质地疏松，持水保水能力较差，对降雨的截留较少[14-15]，降雨后水分在势能梯度的作用下会逐渐入渗与蒸发，从而在深层次具有更高的土壤水分含量，但由于降雨量有限，故在超过50 cm的更深土层水分变化趋于平缓。积沙带的土壤含水量垂直分布规律不同于过渡带土壤含水量和荒漠区的土壤含水量，与张凯等[16]对民勤绿洲区土壤含水量的研究结论相一致，即由表层向下土壤含水量呈逐渐递增的趋势，这可能是由于积沙带处于绿洲的边缘，有些甚至和农田相接，因此表现出了绿洲土壤含水量的变化特点。

图2　河西走廊各区域积沙带土壤水分在不同微地形间的垂直分布

图3　河西走廊积沙带土壤水分的垂直变化

3.3积沙带土壤水分在微地形间的变化

微地形对河西走廊整个积沙带土壤水分空间上的垂直分布特征影响显著(图4)。从不同微地形来看，各个地区积沙带的土壤含水量基本是在迎风坡的中部和底部要显著高于背风坡的中部以及沙丘顶部(P<0.05)，但迎风坡中部与迎风坡底部之间的差异不显著(P>0.05)，沙丘顶部与背风坡中部间也没有显著性差异(P>0.05)。积沙带土壤含水量在迎风坡显著地高于沙丘顶部和背风坡，这是因为积沙带作为农田边缘防风固沙造林的副产物，它自身也具有阻沙的效果，起风时，沙粒自迎风坡吹扬而在背风坡堆积，从沙丘顶部至背风坡的土壤组成都为外移的风沙土，所以在浅层土壤内，积沙带迎风坡土壤含水量最高，沿着沙丘走势土壤含水量逐渐降低，在背风坡中部达到最低。根据这一结论，对积沙带进行植被治理时，应首先考虑土壤水分条件较佳的迎风坡。

图4　河西走廊各地区积沙带土壤含水量在微地形间的变化

3.4气候因子对积沙带土壤含水量的影响

河西走廊自东向西，逐步从干旱半干旱地区过渡到极干旱区，其中瓜州和敦煌属于极干旱区。沿着河西走廊自东向西的方向，影响积沙带土壤含水量的三个主要气象因子中，日照时数逐渐变长，而空气湿度和降水量特别是降水量逐渐降低(图5)。

图5　主要气象因子多年(1955—2012年)平均值在河西走廊不同区域间的变化

从表2可以看出，河西走廊绿洲边缘积沙带土壤含水量与各地的年平均相对湿度、年平均降水量呈显著正相关，与各地的年平均日照时数呈极其显著负相关，其中与年平均日照时数的相关性最大，其次为年平均降水量，表明日照时数和降水量是决定积沙带土壤含水量具有自东向西逐渐减少的区域分布特征的主导因子。土壤水分具有异质性，研究尺度不同，主控因子也会不同[17]。很多研究发现，干旱区沙地土壤含水量的变化主要受气候条件、下垫层岩性、地下水位及植被结构的影响[4,10,18-22]。对民勤所做的试验结果显示，当地下水埋深超过1 m时，地下水补充于土壤的可能性基本为0[23]。河西走廊农田边缘积沙带的高度均值在11 m左右，其0～100 cm深度的土壤含水量几乎不受地下水位和下垫层岩性的影响，且积沙带植被分布稀疏，因此大气降水几乎是河西走廊地区积沙带土壤水分的唯一来源。由于降水量有限，蒸发量又大，所以日照时数和降水量便成为决定河西走廊地区积沙带土壤含水量水平空间差异的最直接原因。

表2　河西走廊绿洲边缘积沙带土壤含水量与各环境因子相关性分析

综上，本次考察中发现很多地区的积沙带都紧邻村庄和农田，积沙带在沙进人退的过程中扮演着先锋军的作用。水分作为影响荒漠生态系统内诸多生态过程的主要制约因子[11,24-25]，是荒漠化治理过程中不可或缺的前提条件。但作为一个特殊的生态系统，对积沙带进行治理及对农田防护林体系的利弊进行评价还需要结合水、土、气、生进行全方位的探讨，如积沙带的土壤理化性质、植被状况及移动规律等还有待于进一步的研究。

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(责任编辑徐素霞)

[中图分类号]S152.7

[文献标识码]A

[文章编号]1000-0941(2016)07-0040-05

[作者简介]樊宝丽(1982—)， 女，甘肃白银市人，助理研究员，硕士，主要从事荒漠化防治及生态学研究。

[收稿日期]2015-09-21

[关键词]积沙带；土壤含水量；微地形；绿洲边缘；河西走廊