塔里木河上游荒漠河岸林土壤水盐空间变化与生态影响

韩 路 ，王海珍 ，王家强 ，柳维杨

（塔里木大学 a.植物科学学院；b.新疆生产建设兵团塔里木盆地生物资源保护利用重点实验室，新疆 阿拉尔 843300）

塔里木河上游荒漠河岸林土壤水盐空间变化与生态影响

韩 路a，b，王海珍a，b，王家强a，柳维杨a

（塔里木大学 a.植物科学学院；b.新疆生产建设兵团塔里木盆地生物资源保护利用重点实验室，新疆 阿拉尔 843300）

荒漠河岸林是干旱荒漠区宝贵的天然林资源，而水盐格局制约着物种的形成、进化、演替和分布。基于塔里木河上游不同生境荒漠河岸林6个样地750个土壤样品采集和6.0 hm2群落调查，研究了土壤水盐的空间变化特征及其对优势种群的影响。结果表明：上游荒漠河岸林土壤含水量随深度而增加，40 cm土层之下变化剧烈，土壤总盐含量变化与之相反，表层积盐明显；不同生境土壤水盐含量变异差异明显，均属中强度变异，垂直方向土壤总盐含量变异性弱于含水量；各层土壤水盐含量从上段至下段逐渐减少，自然和人为因素共同作用导致区域土壤水盐空间分布差异；低水多盐生境抑制荒漠河岸林优势种群的生长发育，致使种群更新资源匮乏，稀疏，林分偏老，死亡率高，种群明显衰退；不合理的人类活动是造成荒漠河岸林优势种群生长受抑和植被退化的主要因素，长此以往，上游荒漠河岸林将快速衰退演替而消失。提出优势种群生存的半致死地下水位(GWD50)为5.5 m左右，此可作为流域植被恢复与生态输水的理论依据。

荒漠河岸林；土壤水盐；空间变异；优势种群；半致死地下水位

塔里木盆地地处欧亚大陆腹地，是我国最干旱、生态环境最脆弱的生态系统。这个以沙漠化和盐渍化为基本特征的特殊生态环境，是许多中生植物生存定居的不利因素，更限制了森林植被的分布和发展。荒漠河岸林是荒漠地区中最具代表性的非地带性植被类型和珍贵的林业资源，也是荒漠地区中生命现象最活跃、生物多样性和初级生产力高的独特生态系统[1]，其已成为抵御风沙、遏制沙化和维护绿洲生态安全及保障绿洲工农业持续发展的生态屏障。胡杨Populus euphratica、灰胡杨Populus pruinosa是构成荒漠河岸林最古老、最原始的珍贵Ⅲ级濒危保护树种和无以取代的建群种，是干旱区生态环境重要的指示器，其变化可揭示区域环境的演化与变迁[2]。

塔里木极端干旱荒漠区地表水资源匮乏，地下水就成为荒漠植被生存所依赖的重要水分来源。同时，由于气候干旱、水分蒸发强烈，土壤盐分则会随水分运移至地表累积，造成土壤次生盐渍化。因此，土壤水盐成为干旱荒漠区植被地下生境的关键因子并直接影响和制约着天然植被的分布、生存和演替[3]。近年来，随着区域人口急增和大规模水土资源开发，地下水位下降、植被衰退、土地沙化、土壤盐渍化等问题日益突出，荒漠河岸林土壤水盐研究愈来愈受到学者们的关注，且成为遏制荒漠河岸林退化、改善生存环境与实现荒漠植被恢复过程中一项重要而又基础的工作。当前，国内外学者分别对荒漠植被、胡杨林、柽柳、绿洲、黄河三角洲等不同区域、不同尺度土壤水盐的变化特征进行了探讨[3-9]。国内河西内陆河流域天然胡杨林土壤水盐动态特征研究较多[3,7]，而对极端干旱区塔里木荒漠河岸林土壤水盐特征的研究相对缺乏。塔里木河流域作为我国最大的荒漠河岸林分布区，关于其林下土壤含水量、全盐量的动态、土壤水盐空间异质性格局及其生态影响机制等问题尚未系统研究。本研究以塔里木河上游荒漠河岸林为研究对象，通过野外群落调查和土样分析，探讨荒漠河岸林土壤水盐动态及其对优势种群生存的影响，旨在揭示土壤水盐与优势种群动态间的相互关系，以期为塔里木河流域荒漠河岸林保护、植被恢复、生态输水与退化生态系统恢复重建提供科学依据。

1 研究区自然概况

塔里木河上游是指从阿克苏河、叶尔羌河、和田河三河交汇的肖夹克至轮台县的英巴扎，全长 495 km（ 见 图 1）。 该 区（40°25′N，80°10′E至 41°10′N，84°36′E）属典型暖温带大陆性干旱气候，区内光热资源丰富，年均日照时数2 729.0 h，太阳总辐射能5 796 MJ·m-2a-1；年均气温10.4 ℃，平均气温≥10 ℃的持续日数为201 d，≥10 ℃年积温4 340 ℃；极端最高温度39.4 ℃，极端最低温度-25.0 ℃。年均降水量50.4mm，年均蒸发量＞2 500mm，干燥度12～19。该区春、夏季多大风天气，风沙灾害频繁，是危害该区农业生产的常见自然灾害。经实地考察，该区植物群落结构简单，乔—灌—草三层结构明显，物种多样性低，植被稀疏。优势种为胡杨、灰胡杨，林下主要分布多枝柽柳Tamarix ramosissima、铃铛刺Halimodendron halodendron、黑果枸杞Lycium ruthenwum、骆驼刺Alhagi sparsifolia、芦苇Phragmites australis、甘草Glycyrrhiza uralensis等植物[10]。土壤类型为林灌草甸土。

2 材料与方法

2.1 野外调查与土壤采集

图1 塔里木河上游荒漠河岸林野外调查断面示意Fig.1 Investigation sections of desert riparian forest at the upper reaches of the Tarim river

经实地调研与踏查，于2012、2013年8月分别在塔里木河上游上段（阿拉尔，A）、中段（新其满，B）及下段（英巴扎，C）荒漠河岸林内选择具有代表性、人为干扰较小的研究样区，选取上段托海乡（A1）、水工三连（A2）、南口镇（A3），中段沙雅（B1）和下段轮南镇（C1、C2）（见图1、表1），各设置一个100 m×100 m固定监测样方。各样方土壤采样点设置在优势种——胡杨、灰胡杨树下，避开根部密集根系1 m的范围[3]。采样点间距约20 m，每个样方共设 25 个土壤采样点，合计150个点，750个土样。土壤采样深度定为1.0 m，分5层用土钻每隔20 cm取土样，用铝盒和塑料袋封装，室内测定土壤水分和全盐含量。

表1 塔里木河上游荒漠河岸林调查样地的基本特征Table 1 The basic features of surveyed plots of desert riparian forest at the upper reaches of Tarim river

每块样地以20 m为间隔分成25个20 m×20 m的乔灌木样方，采用相邻格子法进行每木检尺，记录胸径≥2.5 cm乔木树种的种名、胸径、树高、冠幅[10]、树冠疏失度[11]、活立木和死亡木等指标；乔木幼苗统计时以基株为单位统计，记录其中径级最大一株的高度、地径、冠幅。同时，各样方用GPS定位，记录其经纬度和海拔、郁闭度等生态因子[10]。地下水埋深采用机械打井（PVC管，10 m）、电导法测定[12]，用于长期监测各样地地下水位。

2.2 测定方法

采用蒸馏水浸提，水土比为5∶1，水浴蒸干法测定土壤总盐含量；土壤含水量采用烘干法测定。

2.3 数据分析

通过计算各样地0～100 cm不同土壤层次的变异系数Cv值来反映土壤水盐含量在垂直空间和不同生境的空间变异[3]。根据野外调查数据，绘制胡杨、灰胡杨种群年龄结构、密度、冠幅和死亡率分布图。年龄结构以大小级结构代替[13]，冠幅以树冠的长与宽乘积来表示。

3 结果与分析

3.1 荒漠河岸林土壤水分与盐分垂直分布特征

3.1.1 土壤含水量垂直分布特征

塔里木河上游荒漠河岸林土壤含水量存在明显垂直分层现象，其随土壤深度而增加，40 cm以下变化较大（见图2）。40 cm以下土壤含水量除A1、A2样地超过了14%，80～100 cm高达27%以外，其余4个样地均小于9%；中下段土壤含水量较低（＜5%），尤其C2样地仅为0.50%。因为这4个样地均远离河岸，受河水侧渗补给影响较小，导致土壤含水量低。土壤含水量（1 m）沿河流走向逐渐减少，从上段15.04%减少到下段1.51%，降幅为89.96%，其中表层土壤含水量降幅最大（91.75%），底层较小（82.71%），这是极端干旱气候下表层土壤水分强烈蒸发所致。不同生境表层土壤含水量介于0.21%～23.82%之间，上段与下段相差19.62倍，A2与C2样地相差113.1倍，水平差异显著。6个样地土壤含水量与林分特征变化反映出土壤含水量越低，林分郁闭度越小，而平均胸径则越大，林木密度降低与枯死木增多（见表1、图2），进一步证实水分是限制荒漠河岸林植被生存与发展的关键因子[5]。统计分析表明，土壤含水量与地下水位呈显著负相关（r=-0.866 0，P＜0.05），反映出干旱荒漠区地下水位直接控制土壤水分。

图2 荒漠河岸林不同生境各土层的土壤含水量Fig.2 Dynamics of soil water content with depth under different habitats in desert riparian forest

3.1.2 土壤总盐含量的垂直分布特征

土壤总盐含量随河流走向从上段至下段逐渐减少，上段分别是中、下段的1.91、3.82倍（见图3）。垂直方向土壤总盐含量均随土层深度增加而降低，60 cm以上变化显著，以下变化平缓。其中，上、中与下段表层土壤总盐量分别是底层的4.07、2.17和10.17倍，A3样地表层土壤总盐最高（2.68%），与C2样地相差11.04倍。60 cm以下土壤总盐含量基本趋于稳定，其中A1样地土壤总盐最高（0.81%），C2最低（0.06%）；C1样地降幅最高（41.67%），其余5个样地平均降幅为18.01%。可见，上游荒漠河岸林土壤盐分表聚作用明显，上段高于中下段，但土壤盐渍化程度明显低于疏勒河中下游[3]。产生此现象的原因是，塔里木河上游地势相对平坦，地下水埋深较浅，强烈蒸发引起地下水中的盐分通过毛细管作用向地表积聚；尤其A3样地处于绿洲农田前缘，受农田冬春灌溉排水洗盐作用提升了地下水位和矿化度，导致土壤总盐含量普遍高于中下段，常出现盐霜或盐斑。而中、下段样地均离河道较远（＞1.5 km），土壤沙化明显，植被稀疏，地下水位较深且多年保持某一水平，受河水侧渗补给影响较小，造成地下水中的盐分难以通过毛细管作用随水分运移至地表，使林下土壤水分与盐分普遍较低。经统计分析，表层土壤总盐含量与地下水位呈显著负相关（r=-0.822 3，P＜0.05），反映出干旱荒漠区土壤总盐含量变化受地下水埋深的影响。

3.1.3 土壤水盐含量的垂直变化特征

图3 荒漠河岸林不同生境各土层的总盐含量Fig.3 Dynamics of soil total salinity with depth under different habitats in desert riparian forest

变异系数（Cv）是描述变量空间变异程度的主要指标[3]。荒漠河岸林不同生境样地不同土层间土壤含水量的变异系数在11.06%～101.50%间波动，因生境不同差异显著，总体随河流走向逐渐减小（见图4）。样地不同土层间土壤总盐含量的变异系数差异不显著，除A2样地在80～100 cm土层超过 100%外，其它介于23.21%～85.32%之间，并在垂直方向上比土壤含水量的变异程度缓和，且从上段至下段变异程度增大，与土壤含水量的空间变化相反，但土壤水盐含量总体均属中强度变异。调查样地中以B1样地各层土壤含水量的变异系数均大于80%，属中强度变异；40～60 cm土层变异系数最大，为101.50%，属强变异性，且随土层深度增加而降低，垂直方向上呈倒“V”型。A2、C1样地各层土壤含水量的变异系数较小，均值分别为22.38%、30.43%，属中等变异，尤其A2样地40～60 cm变异系数为11.16%，偏向弱变异。土壤总盐含量除A3、C1样地变异系数较大，分别为77.87%和64.04%；其余各样地的变异系数较小，均属中等强度变异。统计分析表明，土壤全盐量、土壤含水量的变异系数与地下水位分别呈极显著负相关（r=-0.491 4，P＜0.01）、显著正相关（r=0.366 7，P＜0.05），进一步揭示干旱荒漠区地下水直接调整土壤水盐变化的特点。

图4 荒漠河岸林不同生境土壤水盐含量的变异系数（n=25）Fig.4 Variation coef fi cients of soil water-salt content under different habitats in desert riparian forest

3.2 土壤水盐空间格局对优势种群生长的影响

从图5可见，荒漠河岸林不同生境优势种群径级结构差异明显。A1生境幼龄级（I、II）缺失，A2、A3、C2生境幼龄（I）分别占总体的1.40%、0.92%和2.73%，中大树比例均较高，优势种群结构均呈两头小中间大的纺锤形；C1生境优势种群结构呈倒金字塔型，大老龄级比例较高（65.71%），属衰退型种群。B1生境优势种群年龄结构呈钟型，幼龄级（I）比例较大（15.38%），但I至II龄级过渡中死亡率较高（59.37%），抑制了种群发展，目前属暂时稳定型种群。从上、中、下段优势种群年龄结构图（见图5右）可见，随河流走向种群更新资源减少，大老龄个体增多，林龄向老龄化发展，种群长势衰败，枯枝、秃顶与立枯个体增多（见图6中、右）。野外调查发现下段优势种长势已出现明显衰败，大部分树木顶部枯败秃顶、林地土壤沙化。可以预见，随上游水土资源开发加速、河流径流量逐年减少和地下水位下降，从上至下优势种群生存越发困难，衰退速度加快，土壤沙化加剧。

不同生境荒漠河岸林优势种群密度差异明显，总体表现至上而下密度逐渐降低（见图6左）。A1最高达4.24株/100 m2，B1最低仅为1.79株/100 m2，两者相差2.37倍；上段平均密度为3.33株/100 m2，分别是中段、下段的1.86与1.03倍。不同生境优势种群冠幅与平均胸径变化趋势一致（见图6中），二者呈显著正相关（r=0.885 1，P＜0.05）。表明随冠幅增大的过程中，伴随着小径级、小冠幅的个体死亡，留存了一些大冠幅与径级的大树，致使种群缺乏更新个体。其中C2林木冠幅最小，比C1降低了60.34%，但其平均胸径仅降低了34.52%，反映出随土壤水分/地下水位降低（见表1），优势种群枯枝叶比例增大，树冠缩小，长势变劣；另一方面，反映出优势种群冠幅对地下水位变化的敏感性强于胸径。随河流走向，从上至下优势种群冠幅总体呈增长趋势，表明上段至下段优势种群更新资源减少，衰退趋势增强，这与种群径级结构分析结果一致。优势种群死亡密度与死亡率均表现出从上至下增大趋势（见图6右），下段平均死亡率高达42.61%，分别是上段与中段的8.56、3.11倍。尤其C2死亡密度高于活立木密度，死亡率高达53.28%。依据优势种群生态响应与参考环境毒理学半致死剂量（LD50），提出荒漠河岸林优势种群生存的半致死地下水位（GWD50）为5.5 m左右。此外，A2处于河漫滩，地下水位最浅，土壤水分充足，但优势种群死亡率较高，表明除水分因素外，土壤盐分也是重要的影响因素。前人研究指出土壤总盐量（1 m）＜1%，胡杨生长良好；总盐量在2%～3%时，生长受到抑制；当总盐量超过3%时，便成片死亡[14]。上段表层土壤总盐量在2%左右，1 m土壤平均含盐量＞1%，表明上段优势种群生长受土壤盐分的抑制。可见，干旱荒漠区水分是关键制约因素，土壤水盐互作共同影响着荒漠河岸林优势种群的生存发展。

图5 荒漠河岸林不同生境优势种群径级结构Fig.5 Size structure of dominant population under different habitats in desert riparian forest

图6 荒漠河岸林不同生境优势种群密度、冠幅与死亡率Fig.6 Density, crown breadth and mortality rate of dominant population under different habitats in desert riparian forest

4 讨 论

近年来随着气候变暖、蒸散发增大与河流径流量减少[15-16]，河道经常性断流与地下水位持续下降及地表返盐，部分区段地下水位已超过植被忍耐阈值[17]，直接导致区域植被衰败与土地沙化。除自然原因外，20世纪50年代以来，塔里木河上游大规模毁林毁草、开荒种田、盲目扩大粮棉果生产与人类对水资源无序开发利用及移民，区域人口和耕地迅速增加，分别由1988年48.65万人、8.895万hm2增加到 2010年的86.74万人、22.983万hm2，增加了1.78 倍和2.58倍[18]，尤其第一师部分团场有组织、有计划大规模开荒，年开垦耕地1 366.7 hm2，耕地面积增长主要集中在干流上游阿拉尔和新其满。区域土地利用类型转移的主要方向是林草地转化为耕地，导致塔里木胡杨林面积从20世纪50年代到 90年代减少了47.72%，其中上游减少了49.00%，中游减少了33.73%，下游减少了87.78%[19]，甚至上游出现了闻名的“魔鬼林”。塔里木河上游因人口与耕地快速增长及工农业、城镇化的快速发展，为了使耕地得到灌溉与人类、工业化需水得到满足，干流上共修建了8座平原水库，修建平原水库后各河流的引水率达到75.0%以上，远超过国际上河流引水率低于50%的要求，使生态用水不足20%～30%[15]。区域人口与耕地迅速增加，大量地表水灌溉引起地下水补给减少，致使地下水位下降和土壤含水量降低，导致植被生长受抑、植被退化和土地沙化。其次，由于地表水资源总量不能满足农业用水需要，大量耕地使用地下深井抽水灌溉，此灌溉方式不仅引起地下水位下降，且造成地表返盐。为保证来年农业生产，常采用冬春大水漫溉压碱洗盐，致使上段处于绿洲农田附近的胡杨林土壤含水量与表层含盐量高于中下段，加重区域次生盐渍化和扩展了盐碱地。如阿拉尔水文站1976—1997年监测结果表明，河水矿化度逐年升高，最高已超过6 g/L，全年10个月矿化度均高于中下游[20]。人类活动对上游年径流量减少的影响平均为65.08%，而气候变化的影响平均为2.31%[15]。由此可见，塔里木河上游不合理的人类活动和粗放生产方式改变了区域水文过程和荒漠河岸林土壤水盐的时空分布格局，其是造成荒漠河岸林优势种群生长受抑和植被退化的主要因素。若长此下去，塔里木河流域荒漠河岸林面积与植被覆盖率将下降，植被长势衰败，生物多样性锐减，土地沙化和盐渍化加剧，生态环境不断恶化，最终在人类干扰和气候变暖的共同作用下将使塔里木河流域面积最大、分布集中的生态屏障衰败和宝贵种质资源消失。

5 结 论

（1） 塔里木河上游荒漠河岸林土壤含水量随深度而增加，以表层土壤含水量最低，40 cm以下变化较大。土壤总盐含量变化相反，盐分表聚显著，垂直方向逐渐降低。土壤含水量、总盐含量均表现从上段至下段逐渐降低趋势，样地离河岸越远，地下水位越深，其土壤水分与盐分含量越低。土壤水分、表层盐分与地下水位呈极显著的负相关，盐随水走特征明显。

（2）上游荒漠河岸林土壤含水量与总盐含量的变异性均属于中强度变异，因生境不同差异显著。垂直方向上土壤总盐含量比土壤含水量的变异性弱，从上段至下段变异程度增大。土壤水盐空间变异性揭示干旱荒漠区地下水直接调整土壤水盐空间变化与分布格局。

（3）上游荒漠河岸林优势种群长势与数量特征基本与土壤水盐环境相对应，下段地下水位深与土壤含水量低是导致荒漠河岸林退化与优势种群长势衰败的主要原因，而上段优势种群生存同时受水盐共同作用，农田洗盐排水与浅层地下水上升、强烈蒸发导致土壤聚盐使优势种群生长受抑。自然背景下的人类不合理活动造成上游荒漠河岸林低水多盐环境，限制优势种群的生存发展。

（4） 依据优势种群的生态响应与环境毒理学理论，提出上游荒漠河岸林优势种群生存的半致死地下水位（GWD50）为5.5 m左右，此可作为流域植被恢复与生态输水的理论依据。

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Spatial variation and effects of soil water-salt content of desert riparian forest in upper reaches of Tarim river

HAN Lua,b, WANG Hai-zhena,b, WANG Jia-qianga, LIU Wei-yanga
(a.College of Plant Science; b.Key Laboratory of Protection and Utilization of Biological Resources in Tarim Basin, Xinjiang Production& Construction Corps, Tarim University, Alar 843300, Xinjiang, China)

Desert riparian forest is preciously natural forest resources in desert arid areas, and spatiotemporal pattern of water and salt restricts the formation of species, evolution, succession and distribution.750 soil samples were collected and dominant populations were investigated at desert riparian forest by contiguous quadrate methods under different habitats in the upper reaches of Tarim river.The object of this study is to investigate the spatial variation and effects of soil water-salt content on dominant populations. The results indicated that the soil water content was increased with the depth and the change was sharp from 40 cm to 100 cm, while the soil salt content was decreased with the depth and salt accumulated signi fi cantly in surface layer soil. Signi fi cant water and salt variations were found in all layers and different habitats, and variability of soil water content was higher than that of salt content in vertical direction,but ranges of their variation coef fi cients were belonged to medium variation. Both natural and human factors resulted in the evident spatial variations of the decreasing soil water and slat content from the upper section to the lower section in the study area. The growth of dominant population was stressed at low water and high salt habitat; it resulted in lack of regeneration resources, sparse stands,high mortality rate and obvious declining. Unreasonable human activity is main factors of dominant population degeneration and environmental deterioration. In this way, desert riparian forest will decline rapidly and die out in the future. The half lethal groundwater depth(GWD50) was proposed about 5.5 m, this could be as the theory basis of vegetation restoration and ecological water conveyance.

desert riparian forest; soil water and salinity; spatial variability; dominant population; half lethal groundwater table

S714.2

A

1673-923X(2016)09-0082-07

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.09.016

2015-03-31

兵团应用基础研究（2015AG006）；国家自然科学基金（31060066，31260140，31560182）

韩 路，教授，博士；E-mail：hlzky@163.com

韩 路，王海珍，王家强，等. 塔里木河上游荒漠河岸林土壤水盐空间变化与生态影响[J].中南林业科技大学学报，2016,36(9): 82-88.

[本文编校：谢荣秀]