腾格里沙漠人工植被区固沙灌木影响深层土壤水分的动态模拟研究

张定海, 李新荣, 陈永乐

1 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所, 沙坡头沙漠研究试验站, 兰州　730000 2 甘肃农业大学理学院 数量生态学研究所, 兰州　730070



腾格里沙漠人工植被区固沙灌木影响深层土壤水分的动态模拟研究

张定海1,2,*, 李新荣1, 陈永乐1

1 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所, 沙坡头沙漠研究试验站, 兰州730000 2 甘肃农业大学理学院 数量生态学研究所, 兰州730070

摘要:灌木是我国沙漠地区主要的优势植物类型,固沙灌木的存在有益于沙丘的固定进而有利于退化沙漠生态系统的生态恢复。基于腾格里沙漠沙坡头地区50 多年的人工植被区长期观测研究,建立生态-水文模型模拟了该地区固沙灌木盖度和深层土壤水分的动态变化过程,结果表明,固沙灌木的建立改变了沙区原有的生态-水文过程,在固沙灌木建立40多年后,固沙灌木的盖度和深层土壤水分达到了新的平衡状态。灌木盖度逐渐稳定在(10±0.9)%左右,而深层土壤水分稳定在(2.58±0.2)%左右。因此,在年均降雨量为186mm的腾格里沙漠沙坡头地区,土壤水分的最大植被承载力为：灌木和生物土壤结皮的盖度分别维持在10%和60%,深层土壤水分维持在3%左右。

关键词：固沙灌木；灌木盖度；深层土壤水分；生态-水文模型；腾格里沙漠

利用人工固沙植被防止沙害是国际上公认的沙区生态重建和沙害防止最为有效的方法和途径之一[1],在我国也已有60多年的历史[2]。实践证明, 植物固沙能够有效遏制沙漠化的发展、减轻风沙危害和促进局地生境恢复[1]。我国先后在风沙危害区启动建设“三北”防护林体系、退耕还林等以人工植被建设为主要生态修复措施的一批重大生态工程[3],包兰铁路沙坡头段的防护体系是我国沙区人工植被建设的典型代表[4]。经过60多年的发展,我国沙区人工植被建设取得了举世瞩目的成就,有效遏制了沙漠化的发展,促进了局地生境的恢复。但在实践中也出现了许多问题,无论是在降水较大的东部沙区还是降水较小的贺兰山以西的西部沙区,都不同程度的存在局地地下水下降,固沙植被衰退和死亡的现象,这直接影响到沙区生态恢复和防风固沙效益的可持续性[5]。

灌木是我国沙区主要的优势植物类型[6-7],固沙灌木的存在有益于沙丘的固定进而有利于退化沙漠生态系统的生态恢复[8]。这是因为相对于草本植物,灌木等木本植物更能忍受和适应风蚀、沙埋、放牧干扰以及干旱等非生物因子的胁迫[9]。而草本植物的繁殖主要受到干旱气候条件、过度放牧和沙埋的制约[10]。固沙灌木盖度的变化在一定程度上可以表征沙区生态系统的防风固沙效率,因此,研究固沙灌木盖度的动态变化规律对沙区人工植被建设和生态恢复具有重要的意义。

土壤水分是沙区植被系统格局和过程的驱动力[11-12]。干旱沙区的水文过程控制着植物生长、植被演替和格局等主要的生态过程[5]。研究干旱沙区固沙植被的动态以及与其相关的土壤水分动态是沙区生态恢复重建过程中必须面对的基础科学问题[13-14]。20世纪50年代,我国学者在包兰铁路沿线流动沙丘上建立了固沙植被防护体系,许多学者对该地区固沙植被动态和相关水文过程开展了研究,取得了系列成果[2, 15- 17]。如黄磊等[17]结合Rodriguez-Iturb土壤水分动态随机模型,模拟了沙坡头人工植被区生长季土壤水分动态与土壤湿度概率密度函数；李新荣等[2]利用沙坡头人工植被区50余年的长期生态学研究,指出了该地区人工植被的演替规律,初步探讨了降水小于200mm风沙区土壤水分的植被承载力和植物固沙的模式。

在一定的土壤水分条件下建立什么样类型的固沙植被,如何让植被建设更加持续有效,是防沙治沙过程中面临的重大科学问题[2]。而确定土壤水分的植被承载力(有限的土壤水分所能承受固沙植被的最大载荷,其可以利用植被的相关属性进行量化表述)是回答这些问题的重要前提之一,是沙区生态重建的重要实践需求[2, 18]。基于中国科学院沙坡头沙漠研究试验站在沙坡头地区50多年的长期定位研究资料,我们建立了固沙灌木的生态-水文模型,试图揭示固沙灌木和深层土壤水分的动态变化规律,进而确定了该地区土壤水分的植被承载力,更好的解释该地区固沙植被和土壤水分的动态变化过程。以期促进沙区生态-水文模型的研究,更好的服务于我国沙区生态建设。

1研究方法

1.1研究区概况

研究区位于宁夏回族自治区中卫市沙坡头地区腾格里沙漠东南缘(37°32′N, 105°02′E), 其主要景观类型为高大密集分布的格状沙丘。该地区年均平均温度为10.0℃,最低气温为25.1℃,最高气温为38.1℃,全年日照时数为3264h,年均降雨量为186mm,年均风速为2.9m/s,年潜在蒸发量为3000mm,地下水埋深达60m,植物无法利用[2]。为了确保包兰铁路沙坡头段40余公里的畅通无阻,中国科学院和铁路相关单位于1956年开始相继设计和逐步建立了“以固为主、固阻结合”防沙固沙体系[19]。其主要措施为(1)在流动沙丘上垂直于主风向扎设机械阻沙栏；(2)在阻沙栏后设置1m×1m的麦草方格作为固沙屏障,在无灌溉条件下主要栽植柠条(Caragana korshinskiiKom)、油蒿(ArtemisiaordosicaKrasch.) 、花棒、小叶锦鸡儿(CaraganamicrophyllaLam.)、沙拐枣(Calligonum arborescensLitw.)和沙木蓼(Atraphaxis bracteataA.Los.)等旱生灌木, 其株距与行距为1m×2m或2m×3m；(3)采用同样的方法和模式分别于1964,1973,1982和1992年在沿铁路两侧的区域(全长16km)进行植物固沙。沿铁路两侧形成了北侧宽500—1000m,南侧宽200—1000m的固沙植被防护带。固沙植被建立初期,人工种植的灌木盖度逐年明显增加,从第2年的3%增加到15a的35%,随后其盖度又逐渐降低,固沙植被建立45a后,其盖度约为的9%, 此后灌木盖度基本保持在8%—10%。深层土壤水分在固沙植被建立初期约为5%左右,当固沙植被建立15a后,深层土壤水分下降明显,约为3.5%左右,而当固沙植被建立40余年后,深层土壤水分降低减缓,且逐渐稳定在3%左右[2]。早期的人工固沙植被经过大约60多年的演替,逐渐形成了稳定的植被群落,这为研究固沙植被的动态模型提供良好的基础。

1.2数据来源

本研究选取1956,1964,1982年固沙植被区和流沙区作为研究样地,以1982—2012年样方监测的人工植被、土壤水分数据为研究材料。其中,土壤水分的测定是分别在不同年代的固定沙区和流沙区设置10个样方,每个样方设置3个取样点,在每个点分别测定0—300cm深的土壤水分含量,共包括16个土层：0—10、10—20、20—40cm,然后每间隔20cm测定1次[20]。土壤水分的测定在2000年以前采用土钻取样称重法测定,2000 年以后采用中子水分测定法[19],为了统一计量标准,将2000年以后的土壤体积含水量转换成重量含水量(体积含水量/容重)。同时根据固沙植被的根系分布规律[21-22],将0—40cm深的土壤水分作为浅层土壤含水量,该层主要分布着草本植物的根系；40—300cm层含水量作为深层土壤含水量,该层主要分布着木本植物灌木和半灌木的根系。固沙灌木盖度的调查均在土壤水分监测样方中进行,调查时间为每年9月底—10月初,样方大小为10m×10m。生物土壤结皮的盖度采用点针法估算得到[13]。降水数据来自位于沙坡头站固沙植被区气象站从1955运行至今的观测资料。

2固沙灌木演替动态模型

2.1固沙灌木盖度动态模型

许多研究表明,灌木幼苗的根系和草本植物的根系在土壤表层有大量的重叠部分,但沙区灌木的盖度主要取决于成年灌木个体[23-26]。根据Walker等人的生态位分化理论,灌木的盖度主要受到深层土壤水分的制约而草本植物的盖度主要受表层土壤水分的制约[27-28]。同时野外调查实验的结果也表明了同样的结论[29]。因此我们假设深层土壤水分是沙区灌木盖度唯一的限制因子,其他限制因子(如放牧、土壤养分等)都隐含在灌木盖度的增长率和死亡率中。基于上述假定,利用种群动态模型描述灌木盖度的动态变化规律,即

(1)

2.2深层土壤水分动态模型

由于人工腾格里沙漠人工植被区的地下水埋深达60m,灌木几乎无法利用,因此降雨是该地区土壤水分的唯一来源。同时,随着流沙的固定10a后,在沙面上逐渐形成了以蓝藻(如Hydrocoleus violacensGom.,Microcolous vaginatusGom., Nostocsp.和PhormidiumambgumGom.等)为优势的结皮, 40a后出现了地衣(如Collema coccophorumTuck.,Collema tenaxAch., Diploschistes muscrumHoffm.Tomin和Endocarpon aridumP.M.McCarthy等)和藓类(如Bryum argenteumHedw., Didymodon vinealisZand., Tortula bidentataBaiXueLiang和TortuladesertorumBroth.等)的混生结皮[2]。生物土壤结皮的出现和演替显著地降低了降水的入渗[2],使得沙区深层土壤水分的水文过程发生了显著地变化。因此沙区深层土壤水分的变化等于降雨对深层土壤水分的补给量减去生物土壤结皮对深层土壤水分入渗的阻滞量减去灌木自身生长所消耗的深层土壤水分。因此,深层土壤水分的动态模型可以表示为：

(2)

式中,S表示深层土壤水分；P表示降雨量；Z表示生物土壤结皮的盖度；T表示灌木的盖度；F(P) 表示降雨对深层土壤水分的补给函数,其函数形式可通过流动沙丘上深层土壤水分和年降雨量的相关分析得出；G(Z) 表示生物土壤结皮对深层土壤水分入渗的阻滞函数,假定生物土壤结皮对深层土壤水分入渗的阻滞量生物土壤结皮的盖度成正比,即G(Z)=αZ(t),式中Z(t)为生物土壤结皮盖度随时间变化的函数；H(T) 为灌木生长消耗的深层土壤水分,假定灌木消耗的深层土壤水分量与灌木的盖度成正比,即H(T)=βT,β为比例因子。

2.3固沙灌木影响深层土壤水分动态模型

将固沙灌木盖度动态模型(1)和深层土壤水分动态模型(2)耦合可得固沙灌木影响深层土壤水分动态模型：

3)

(3)式耦合了固沙灌木盖度的动态变化和深层土壤水分的动态变化,同时考虑了生物土壤结皮对深层土壤水分入渗量的影响。将深层土壤水分制约下灌木盖度的增长率函数g1(S)、灌木自身的增长率函数g2(T)、灌木的死亡率函数d(T)、生物土壤结皮对深层土壤水分入渗的阻滞函数G(Z)以及灌木生长消耗的深层土壤水分函数H(T)的具体形式代入(3)式得：

(4)

式中,T(0)=3表示固沙植被盖度的初值,S(0)=3.22表示固沙植被建立初期深层土壤水分的初值。

3结果与分析

3.1降水对深层土壤水分的补给函数

通过1982年以来32年流沙区深层土壤水分和年降水量数据的相关性分析发现,深层土壤水分与年均降水量具有显著相关性,其皮尔逊相关系数为0.6824(p<0.001) 。进一步线性回归分析建立了年降水量P与深层土壤水分的回归方程(图1),回归方程的表达式为：

F(P)=1.258+0.0083P

(5)

其中,回归方程的相关系数为：R2=0.4656,P<0.001,回归方程具有显著地统计学意义。

3.2生物土壤结皮的盖度随时间变化的函数

在沙坡头人工固沙区,随着流沙的固定,沙面上逐渐形成了以蓝藻为优势的生物土壤结皮,生物土壤结皮的盖度和种类也随着固沙植被的拓殖逐年增加。为了简单起见,将生物土壤结皮的盖度简化为随时间变化的函数。因生物土壤结皮的盖度不会无限制的增长,利用Michaelis-Menten模型(米氏方程)描述生物土壤结皮盖度Z随时间变化的关系：

(6)

根据已收集的生物土壤结皮盖度随时间变化的数据,利用Matlab(Matlab2014a8.3.0.532) 软件进行非参数拟合得(6)式的各个参数为(图2)：d1=67.39,95%的置信区间为(52.23,82.55);d2=13.53,95%的置信区间为(4.47,22.59);相关系数R2=0.9625 。

图1　流沙区深层土壤水分与年降雨量的关系　Fig.1　The interactions between deep soil moisture and yearly precipitation in mobile sand dunes

图2　生物土壤结皮盖度随时间的变化　Fig.2　The dynamics of biological soil crusts (BSC) coverage varied with time

3.3固沙灌木影响深层土壤水分动态模型的模拟

将降雨对深层土壤水分的补给函数F(P)和生物土壤结皮的盖度随时间变化的函数Z(t)代入(4)得：

(7)

利用已经得到的56a的深层土壤水分和灌木盖度的观测数据,模拟得到腾格里沙漠东南缘沙坡头地区人工固沙植被区灌木盖度和深层土壤动态变化规律(图3和图4),模型参数的估计采用近似贝叶斯估计法利用Matlab软件(Matlab2014a8.3.0.532)得到,模型参数为：a1=2,a2=0.6,b1=0.3,b2=0.5,c1=0.2,c2=0.7,α=0.05,β=0.03 。

图3　深层土壤水分随时间的动态变化Fig.3　The dynamics of deep soil moisture varied with time

图4　灌木盖度随时间的动态变化Fig.4　The dynamics of shrub coverage varied with time

由图3可以看出,深层土壤水分从第2年(4.86%)开始急剧减少,至第13年左右达到最小值(1.57%),随后深层土壤水分在2.58%(±0.2%)左右小幅波动。由图4可以看出,灌木盖度从第2年(3.36%)开始逐年增长,至第10年达到最大值(35.42%),随后灌木盖度开始急剧减少,40a以后灌木盖度逐渐稳定在(10±0.9)%。结果表明,灌木盖度和深层土壤水分最终均达到了稳定状态,且不依赖于初值。这些结果与该地区长期观测数据基本吻合。

4讨论与结论

4.1植被对深层土壤水分的影响

在固沙植被建立初期,由于灌木的盖度较小、地表草本植物稀疏、生物土壤结皮层很薄且盖度很小,固沙植被对深层土壤水分的动态影响较小。随着植被中灌木、草本和隐花植物盖度的增加和发展,植被冠层对降水的截留可达27%[30],生物土壤结皮层的增厚和演变(蓝藻结皮被以藓类结皮为优势的结皮所替代)显著的降低了降水的入渗[14]；此外,随着灌木根系系统的发展使深层(40—300cm)土壤水分被大量利用,且因入渗的减少而得不到足够的降水补给,进而使深层土壤水分明显下降(图3)。随着深层土壤水分的降低和固沙植被的演变,一些灌木种在群落中消减,灌木在群落中维持较低的盖度(图4),致使灌木层减少了对降水的截留和对深层土壤水分的利用；此外,生物土壤结皮层的大量生物干扰,如沙蜥、蚂蚁和其他微小动物的活动,又在一定程度上增加了降水的入渗[31],使深层土壤水分得到了一定的补给而能够维持并稳定在一定的范围。

4.2深层土壤水分动态对固沙灌木的影响

深层土壤水分的动态变化直接影响着固沙灌木的组成和动态变化过程。在固沙植被建立前的流沙区,深层土壤水分和年降雨量具有显著的线性相关性(图1),随着固沙植被的建立(包括生物土壤结皮的拓殖),使得深层土壤水分得到的降水补给减少,表层的持水能力增加,年降雨量和深层土壤水分的相关性发生了显著的改变,这些变化相应的驱动着固沙植被的演替和动态变化。当固沙植被建立15a后,深层土壤水分下降明显(图3),以草本层为优势的群落替代了原来结构相对简单的灌木群落；当固沙植被建立40余年后,初步形成了稳定的生物土壤结皮群落(图2)和灌木群落(图4),深层土壤水分降低减缓(图4),且趋于稳定,使得灌木盖度也逐渐稳定在10% (±0.9%)左右。

4.3土壤水分的植被承载力

土壤水分的植被承载力是衡量某一地区固沙植被重建的重要依据,可以定义为有限的土壤水分所能承受固沙植被的最大荷载,其可以用植被的相关属性进行量化表述[2]。当新的植被-土壤水分平衡达到时,在给定降雨条件下形成的植被的稳定性特征与土壤水分平衡是确定植被承载力的重要依据。模型的结果表明,在年均降雨量为186mm的腾格里沙漠沙坡头地区,灌木和生物土壤结皮的盖度分别维持在10%和60%,深层土壤水分维持在3%左右,反映了该地区土壤水分的最大植被承载力。因此,未来在这一区域实施植被重建时,遵循灌木盖度和生物土壤结皮的盖度不宜超过上述阈值,是确保固沙植被稳定和固沙效益持续的重要前提。

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基金项目:国家重点基础研究发展计划资助(2013CB429900); 中国科学院西部之光在职博士项目；甘肃农业大学盛彤生基金(GSAU-CX1121)

收稿日期:2015- 06- 29;

修订日期:2015- 11- 30

*通讯作者

Corresponding author.E-mail: zhangdh@gsau.edu.cn

DOI:10.5846/stxb201506291332

SimulationstudyontheeffectsofsandbindingshrubonthedeepsoilwaterinarecoveredareaonthesoutheastfringeofTenggerDesert,NorthChina

ZHANGDinghai1,2,*,LIXinrong1,CHENYongle1

1 Shapotou Desert Research and Experimental Station, Cold and Arid Regions Environmental and Engineerring Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China 2 Center for Quantitative Biology, College of Science, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China

Abstract：Shrubs were the most important dominant plants in desert areas of China. Sand binding shrubs not only are vital to stabilize sand dunes in the desert, but also are beneficial to improve ecological restoration in the desert ecosystem. Based on a long-term monitoring and study(>50 years) at the Shapotou Desert Research and Experimental Station,which is located on the southeast edge of the Tengger Desert, we simulated the processes of the cover of sand-binding shrub and deep soil water content using an eco-hydrological model. The model revealed that the establishment of sand-binding shrub resulted in change in the hydrological processes comparing to the mobile sand dunes. The cover of sand-binding shrub and deep soil water content had reached to a new equilibrium after 50 years the sand-binding shrub established. The balance was the cover of sand-binding shrub remained stable at (10±0.9)% and the deep soil water content remained stable at (2.58±0.2)%. In the Shapotou area of the Tengger Desert, the coverage of shrubs and biological soil crust were about 10% and 60% respectively, and the deep soil water content maintained at 3%, reflecting the maximum soil water carrying capacity of the vegetation.

Key Words:sand binding shrub; shrub cover; deep soil water; Eco-hydrological model;Tengger Desert

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