绿洲边缘夹粘沙丘持水特性

2018-07-18孙程鹏赵文智杨淇越

生态学报 2018年11期

孙程鹏,赵文智,杨淇越

1 中国科学院西北生态环境资源研究院,中国生态系统研究网络临泽内陆河流域研究站,中国科学院内陆河流域生态水文重点实验室, 兰州 730000 2 中国科学院大学, 北京 100049

绿洲边缘风沙活动频繁,环境脆弱,建立人工固沙植被是保护绿洲免遭风沙危害的重要措施[1]。从1970年代开始就在河西走廊绿洲边缘营造了大量的雨养梭梭人工固沙植被,原来均匀栽植的人工固沙植被经过多年的自然演替,呈斑块状分布[2]。降水量是干旱区人工固沙植被生长发育的关键因子[3],在降水量200mm左右的绿洲边缘,降水支撑的人工固沙植被盖度约为10%[4]。而临泽绿洲边缘多年平均降水量为117mm,但部分沙丘人工梭梭林斑块郁闭度却在65%左右[5],这可能与沙丘剖面的夹粘层有关。

土壤质地可以通过改变剖面中土壤水分状况、土壤水分运移,使得土壤水分的异质性增加[6]。与均质土壤相比,含夹粘层土壤的稳渗率和湿润锋推进速度降低,土壤水分入渗减弱[7],其影响程度与夹粘层及组合土壤的水力学性质有关[8]。崔浩浩等[9]研究表明,粘土夹层可以显著提高土壤持水性。周海等[10]研究发现,绿洲边缘部分沙丘土壤剖面中分布有一层红褐色粘化层,梭梭粗根系生物量在夹粘层界面处显著增加。而有关夹粘层对土壤水分影响的研究目前多集中于土壤水分运移方面[11-12]。土壤机械组成、孔隙度、植被生长状况对土壤持水特性影响较大。研究发现,土壤持水能力在土层深度与植被类型间存在着显著差异[13],土壤容重与持水性能呈负相关[14],孔隙度的增加可以使土壤持水能力提高[15],土层间持水性的变动幅度存在较大差异。闫永利等[16]和王元峰等[17]指出随土壤粘粒含量减少,土壤质地由粘变砂时,其持水性减弱；同时研究表明,土层结构对土壤的持水性能也有显著影响,上部为砂壤土、底部为砂土、中间为亚粘土的壤粘沙型结构持水性能最好,单一沙型的土层结构最差[9]。

夹粘沙丘在干旱区特别是荒漠绿洲边缘呈不连续分布,研究夹粘层土壤持水特性及其对沙丘剖面土壤水分状况的影响,对于认识降水量100mm左右雨养植被的生长发育、指导人工植被的建设具有重要意义[18]。本研究选择绿洲边缘夹粘沙丘,通过开挖0—8.0m剖面,测定土壤物理性质和水分特征曲线,探讨剖面中土壤持水性的变化规律及其影响因素,旨在揭示绿洲边缘夹粘沙丘土壤持水特性,为深入了解夹粘沙丘人工梭梭固沙林发育与演化提供依据。

1　材料与方法

1.1　研究区概况

图1　研究区概况及采样点图Fig.1　Research area and sampling map

研究区位于河西走廊中部临泽荒漠-绿洲过渡带(图1),海拔约1386m,该区为典型的大陆性荒漠气候,年均气温7.6℃,多年平均降水量117mm,降水多集中在7—9月份,且以小降水事件为主,年潜在蒸发量约为2360mm。地下水埋深一般在5—10m,地下水主要靠降水补给且呈季节性变化。地貌类型主要为风成地貌,土壤类型主要有灰棕漠土和风沙土,土壤分层明显,常见粘土夹层。代表性植物有梭梭(Haloxylonammodendron)、沙拐枣(Calligonummongolicum)、柽柳(Tamarixchinensis)、泡泡刺(Nitrariasphaerocarpa)、柠条(Caraganakorshinskii)等。

1.2　研究方法

1.2.1土样采集及分析

在试验区开挖大型土壤剖面,根据土壤剖面的植被根系、土壤颜色等划分层次结构,分别在距土壤表面0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、4.3、4.6、5.0、8.0m的深度使用环刀采集原状土,重复5次,其中4.0m和4.6m分别是夹粘层与沙土层的交界面。同时,取适量鲜土样品置于铝盒和自封袋中,带回实验室测定土壤含水量和机械组成。土壤含水量、容重、孔隙度和饱和含水量用烘干法测定；利用激光粒度仪(Mastersizer-2000)测定土样的颗粒组成；采集的原状土环刀置于水中(沙土浸泡12h,粘土浸泡24h),在25℃下设定14个不同转速(转速对应的土壤水吸力分别为0.001、0.005、0.01、0.02、0.04、0.06、0.08、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0MPa),利用离心机(H- 1400pf)离心至平衡后测量设定吸力对应的土壤质量含水量,获得各剖面土壤水分特征曲线。

1.2.2土壤孔隙分布

土壤孔隙分布可以反映土壤的持水特性,不同种类孔隙的分布可以通过土壤水分特征曲线计算当量孔径获得,当量孔径计算公式为[19]：

式中,d为当量孔径(mm)；h为土壤水吸力(MPa)。

本文中土壤水吸力对应的当量孔径分别为300、60、30、15、7.5、5、3.75、3、1.5、0.6、0.3、0.2、0.15μm,各级别孔隙划分标准为[19]：通气孔隙>10μm、毛管孔隙在2—10μm、非活性孔隙<2μm。

1.2.3土壤持水性

田间持水量和凋萎系数常用来衡量土壤的持水特性,可以通过土壤水分特征曲线计算得到,一般认为田间持水量为101.97cm H2O对应的土壤含水量[20],凋萎系数为15295.5cm H2O对应的土壤含水量[21]。

2　结果分析

2.1　沙丘剖面土壤物理特征

土壤深度0—4.0m和4.6—8.0m均为沙土,砂粒含量均高于92%；深度在4.0—4.6m的为粉壤土,粉粒含量达到80.41%；沙丘剖面土壤质地差异显著,从上到下依次是沙土、粉壤土、沙土(表1)。

表1　沙丘剖面土壤颗粒组成

土壤表层(0—0.2m)含水量较低(图2),0.2—4.0m土壤含水量随土壤深度增加而增加(0.005—0.017g/cm3)。土壤含水量在4.0—4.6m层处达到最大(0.241g/cm3)；4.6—8.0m沙层水分含量逐渐增大,直至在8.0m处到达潜水面,土壤水分达到饱和(0.231g/cm3)。

图2　沙丘剖面土壤水分及容重Fig.2　Soil moisture and bulk density of the profile of sand dune

2.2　沙丘土壤水分特征曲线

采用对沙土拟合效果较好的van Genuchten模型对沙丘土壤水分特征曲线进行拟合[22],表达式如下,

式中,θ为体积含水量(%)；θr为残余含水量(%)；θs为饱和含水量(%)；h为土壤水吸力(cmH2O)；α为尺度参数,是与土壤进气吸力相关的系数；m、n为经验拟合参数,m=1-1/n,n>1；h为土壤水吸力(cmH2O)。

基于Matlab R2010a得到的沙丘不同土层深度土壤水分特征曲线的拟合与验证结果显示(表2),R2的取值范围为0.975—0.998,且RMSE均小于0.02,表明van Genuchten(VG)模型对夹粘沙丘土壤水分特征曲线的拟合精度高。

表2　沙丘剖面土壤水分特征曲线拟合参数

θr：残余含水量，Residual moisture content；θs：饱和含水量，Saturated moisture content；h：土壤水吸力，Soil water suction；α：与土壤进气值相关的尺度参数，Parameter corresponding approximately to the inverse of the air-entry value；n：经验拟合参数，Model fitting parameters；RMSE：均方根误差，Root mean square error；R2：判定系数，Coefficient of determination。

4.0—4.6m土层的土壤水分特征曲线位置最高,夹粘层与沙土层界面处(4.0m和4.6m)次之,而0—4.0m和4.6—8.0m土层范围的最低(图3)。在低吸力段(0—1000cmH2O),土壤含水量随土壤水吸力增大而急剧减少,0—4.0m层和4.6—8.0m层与其他土层相比,曲线陡直,土壤释水速率快。在中高吸力段(>1000cmH2O),土壤水吸力增大时,土壤水分减少速率明显减慢,0—4.0m层和4.6—8.0m层土壤水分随吸力变化趋于稳定,曲线平稳,而4.0—4.6m层土壤含水量随土壤水吸力增加仍缓慢减小。

图3　沙丘剖面土壤水分特征曲线Fig.3　Soil water characteristic curve of profile of sand dune

2.3　沙丘剖面土壤孔隙分布

沙丘剖面孔隙数量在4.0—4.6m层明显增多(P<0.01),0—4.0m层与4.6—8.0m层总孔隙度小且无显著差别(P>0.05,图4)。而通气孔隙在4.0—4.6m层最少(2.24%),4.6—8.0m层次之(20.20%),0—4.0m层最大(22.39%),4.6—8.0m层通气孔隙度随深度增加逐渐减少。沙丘剖面毛管孔隙度随土壤深度增加变化较小,仅在夹粘层与沙土层界面处和潜水面(8.0m)处显著增大,且下交界面的毛管孔隙(6.56%)略少于上交界面(7.35%)毛管孔隙逐渐增加至最大值(12.73%)。

图4　沙丘剖面土壤孔隙分布垂向变化Fig.4　Soil porosity distribution of the profile of sand dune

2.4　沙丘剖面土壤持水性能

利用土壤水分特征曲线拟合方程计算出各深度土层的田间持水量、凋萎系数和有效含水量(图5)。上下沙层凋萎系数基本相等,平均值为0.029cm3/cm3；4.0—4.6m层凋萎系数最高,平均值为0.21cm3/cm3。田间持水量和饱和含水量在夹粘层最高,并在4.6—8.0m土层内随土层深度增大而缓慢增加。而有效含水量在夹粘层最低(0.094cm3/cm3),且具有明显的空间分异性。夹粘层与沙土层界面处的持水性略有不同,上交界面的田间持水量、凋萎系数和有效含水量均小于下交界面,但饱和含水量高于下交界面。

图5　沙丘剖面土壤持水特性垂向变化Fig.5　Soil water retention characteristics of the profile of sand dune

3　讨论

3.1　夹粘沙丘剖面持水性特征

土壤水分特征曲线是描述土壤基质势与土壤含水量之间关系的曲线,是研究土壤水分运动的关键[23]。曲线的高低可以反映土壤持水能力的强弱[24],郑健等[25]通过研究植物混掺土壤的土壤水分特征曲线及其对土壤持水能力的影响发现,土壤水分特征曲线位置高则土壤持水能力较强,反之土壤持水性较差。本研究发现,4.0—4.6m土壤水分特征曲线曲线位置最高,0—4.0m和4.6—8.0m土壤水分特征曲线位置较低(图3),说明夹粘层比沙层持水性能好。但在低吸力段,4.6—8.0m层比0—4.0m层的曲线位置高,主要原因是土壤孔隙分布特征会直接影响土壤水分运动规律[26],即在低吸力段土壤排水主要在通气孔隙中进行[27],当通气孔隙比例增加,土壤在同一吸力下会释出更多水,从而使得土壤水分特征曲线位置降低[28]。而本试验发现0—4.0m的土壤通气孔隙多于4.6—8.0m层(图4),使得土壤持水能力减弱,因此在低吸力段0—4.0m土壤的水分特征曲线斜率变化较大、位置较低。

土壤持水性是指土壤对水分的吸持和贮存能力[29],决定了土壤水分供给的有效性[30]。田间持水量、凋萎系数和饱和含水量是表征土壤持水能力的重要指标[31],能够直观地反映土壤的持水性能。周印东等[32]在子午岭北部的研究认为,田间持水量和饱和含水量大则土壤持水性高。本研究结果表明,粉壤质夹粘层土壤的饱和含水量和田间持水量高于上下沙层(图5),说明夹粘土壤持水性能好于沙土层。有效含水量可以衡量土壤水分有效性,有效含水量即田间持水量与凋萎系数之差,有效含水量高则土壤水分有效性大[33]。本研究发现,凋萎系数在4.0—4.6m 层显著增大(P<0.01)。有效含水量在沙丘不同深度波动较大,且4.0—4.6m层的有效含水量最小,这表明夹粘层土壤虽可以吸持更多的水分,但土壤水分有效性却小于沙土层,这与李玉山对黄土高原下伏粘化层的持水特性研究结果不同,可能是土壤粘化层的胶膜发育程度不同造成的[20]。

表3　土壤持水性与土壤因子相关性

** 表示在 0.01 级别相关性显著；* 表示在 0.05 级别相关性显著

3.2　夹粘沙丘剖面土壤持水性的影响因素

很多因素可以导致土壤持水性能的改变,如土壤粘粉粒含量[34]、有机质含量[35]、孔隙分布状况[36]、电导率[37]等。土壤物理性质及有机质含量是影响土壤持水性的主要因素[38]。Betti等[36]在南澳大利亚的研究发现,土壤容重、砂粒含量和大孔隙增多会导致土壤持水性减弱,但土壤水分有效性增大。本研究结果表明,土壤容重、机械组成、通气孔隙度等对田间持水量、凋萎系数、饱和含水量大小影响显著(表3)。沙土层质地粗,土壤内通气孔隙分布多且连通性好,土壤持水特性较差。当土壤粘粉粒含量增加,通气孔隙占比减小,土壤对水分吸持能力强。而4.6—8.0m层土壤砂粒含量高于0—4.0m层(表1),其容重及通气孔隙度均小于0—4.0m层(图2,图4),但其田间持水量及饱和含水量却小于0—4.0m层(图5)。郝芳华等[39]认为土壤深层水分毛管作用明显,会导致土壤持水性增强。本研究也发现,毛管孔隙分布与土壤容重、机械组成、孔隙度、颗粒直径等均无显著关系(P>0.05),仅与土壤含水量存在弱相关性。4.6—8.0m层土壤含水量随深度增加而增大,毛管孔隙度也随土壤深度增加而增大(图4),且显著大于0—4.0m层。4.0—4.6m层土壤含水量最高,但其毛管孔隙度基本等于0—4.0m层,但在沙土与粉壤土界面处显著增大,说明土壤质地和透水性的不同均会引起毛管孔隙数量的增多,并最终会影响土壤持水性能。

3.3　夹粘沙丘剖面土壤水分状况

夹粘沙丘土壤表层(0—0.2m)为干沙层,能够抑制下层土壤水分蒸发[40],因此0.2m以下土壤含水量较高。4.0—4.6m为粉壤质夹粘层,土壤含水量最高,4.6—8.0m由于受地下水的毛管作用影响,土壤含水量高于0—4.0m(图2)。大部分土壤水分运动发生在毛管孔隙中[41],而夹粘层与沙土层界面处受毛管作用影响,土壤含水量也高于其他剖面。可见,沙丘剖面土壤孔隙的分布特征能在一定程度上影响土壤水分含量及水分交换。由土壤水分特征曲线和沙丘剖面水分分布可知,4.6—8.0m层土水势最高,下层土壤水分仍能向上运移至土壤含水量最高的夹粘层,并贮存在夹粘层中。当0—4.0m层沙土土壤水分降低,水势降低至小于夹粘层土水势时,夹粘层可以向上输送水分,从而改善沙丘的土壤水分条件。但夹粘层与沙土层间土壤水分的交换阈值、夹粘层毛管作用高度、夹粘层厚度及夹粘层位置对沙丘水分的影响仍需进一步研究。