荒漠绿洲过渡带退化胡杨林地土壤水文生态特性

王宏燕 王 波 田 睿 韩政璋 韩 路

(塔里木大学植物科学学院，新疆 阿拉尔 843300)

土壤是森林发挥水文调节作用的主要场所，土壤容重、孔隙度、渗透性及蓄水性能等土壤水文生态指标是决定森林生态水文功能的重要基础[1]，也是评价土壤质量的重要指标[2]。森林土壤蓄水能力和渗透性是十分重要的土壤水文特性，其决定着土壤动态蓄水的有效空间并调节土壤蓄水保土功能[3]；而植被具有涵养水源、保持水土和改良土壤环境质量的重要功能，但不同植被/林分类型对土壤水文特性与贮蓄功能的影响差异较大[1,2]。植被退化是植物与土壤相互作用过程，土壤质量状况直接影响植物群落发生发展和决定着生态系统功能，而良好的群落结构能改善土壤结构，增强保持水土和涵养水源功能[4]。因此，植被和土壤环境的关系已成为生态学研究的重要领域之一。目前，在干旱区有关研究主要集中在植被动态、植被/林分类型、生物多样性、土壤物理性质、荒漠化及环境因子对土壤水分状况的影响方面[1,3-5]，而关于荒漠绿洲过渡带土壤水文生态特性及其对植被退化的影响机制研究相对较少。

塔里木盆地深居干旱内陆，以鲜明的地域特色和环境问题著称于世，是我国生态环境建设优先实施的重要区域。荒漠绿洲过渡带是荒漠化与绿洲化进程中对立斗争的最敏感地带[6]，其群落结构简单，小气候变化剧烈，微尺度下生境异质性明显，生态功能稳定性差[4]。近年来受区域人口增长和经济发展的驱使，大规模水土资源开发致使地下水位大幅下降、原有植被及自然景观格局和生态过程被改变，生物多样性锐减、植被退化[7]。荒漠植被退化过程中土壤水文生态特性是否发生了相应变化，土壤诸多理化因子对土壤水文生态功能的影响程度能否反映荒漠植被和生态环境的变化。长期以来，对此类问题较少进行系统的研究，在一定程度上影响了区域荒漠植被恢复和生态重建进程，导致缺乏荒漠植被合理经营管理的依据。为此，本文以塔里木荒漠绿洲过渡带不同退化程度的天然胡杨林为研究对象，测定分析了不同退化程度胡杨林地土壤物理性质、土壤渗透性能及持水贮水性能等指标，探讨土壤水文生态特性与天然胡杨林退化的关系，揭示荒漠绿洲过渡带胡杨林的退化机理，为极端干旱区荒漠植被保护恢复和水源涵养林营建、管理提供科学理论依据。

1 研究区概况

研究区位于新疆塔里木灌区绿洲农业区边缘，处于塔克拉玛干沙漠与绿洲的过渡区(E81°09′，N40°26′)。该区属暖温带大陆性干旱气候，太阳总辐射能5 796 MJ·m-2·a-1，平均日照时数2 729.0 h，年平均气温10.4 ℃，≥10 ℃年积温4 340 ℃，平均气温≥10 ℃的持续日数为201 d，极端最高温度39. 4 ℃，极端最低温度-25. 0 ℃。年平均降水量50.4 mm，年平均蒸发量1 880.0 mm，干燥度12～19，风沙灾害频繁。从绿洲农田边缘至塔克拉玛干沙漠，天然胡杨群落退化明显，群落结构简化、物种多样性降低且逐渐稀疏。乔木有胡杨(PopuluseuphraticaOliv.)和零星分布的灰胡杨(PopuluspruinosaSchrenk)。林下植物主要有多枝柽柳(TamarixramosissimaLedeb.)、黑果枸杞(LyciumruthenicumMurr.)、盐穗木(Halostachyscaspica(Bieb.) C.A.Mey)、胀果甘草(GlycyrrhizainflateBatal.)、骆驼刺(AlhagisparsifoliaShap.)、花花柴(Kareliniacaspica(Pall.) Less.)、芦苇(Phragmitesaustralis(Cav.) Trin.ex Steud.)等植物。地下水位由1. 9 m降至4. 0 m。0～40 cm土壤含水量、总盐分别由8. 33%、3. 04%降至1. 09%、0. 32%。表层坚硬盐壳棕漠土逐渐退化为纯沙性土壤。

2 研究方法

2.1 样地设置与样品采集

在充分踏查的基础上，于2017年6月在塔里木荒漠绿洲过渡带采用多点采样法进行土壤样品的采集与测定。依据天然胡杨林群落结构组成、生长状况、立地条件和塔里木荒漠植被退化程度划分类型，把过渡带胡杨林划分为3类退化程度[7]：轻度退化(物种多样性指数0. 68、盖度0. 41)、中度退化(物种多样性指数0. 47、盖度0. 25)和重度退化(物种多样性指数0. 19、盖度0. 12)。 在不同退化程度的胡杨林内随机设置50 m×50 m的标准样地3块，在每块样地内采用相邻格子法进行群落调查，并用GPS定位，记录其经纬度和海拔、郁闭度等生态因子。每块样地按对角线设置3个测点挖取土壤剖面，按20 cm等距离划分土壤层次, 用环刀(100 cm3)和铝盒分别于0 cm～20 cm、20 cm～40 cm、40 cm～60 cm、60 cm～80 cm、80 cm～100 cm土层深度采集土样，将样品密封带回实验室进行土壤水文生态特性的测定。在不同退化程度的胡杨林内打一口10 m深的地下水位观测井，采用电导法测定地下水位埋深。

2.2 土壤水文物理参数测定

采用烘干法测定土壤含水量，简易比重计法测定土壤颗粒组成[8]。环刀浸水法测定土壤容重、孔隙度、持水量等各项水文物理参数[8,9]。并由公式计算一定土层深度内的土壤吸持贮水量、滞留贮水量和饱和贮水量[1]，即: Wc=1 000×Pc×h；Wo=1 000×Po×h；Wt=1 000×Pt×h，式中：Wc，Wo，Wt分别为土壤吸持贮水量、滞留贮存量和饱和贮水量(mm)；Pc， Po， Pt分别为毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度(%)；h为土层深度(m)。测定及计算方法参照国家林业行业标准《森林土壤水分—物理性质的测定》(LY/T1215—1999)。

2.3 土壤渗透性的测定

采用单环渗透筒法(单环定水头逐次加水)测定水分在土壤中的渗透速度[10]。测定时将装有原状土柱的环刀下端套上有网孔且垫有滤纸的底盖，上端放置一个相同大小环刀并将接口密封，严防从接口处漏水。将结合好的环刀放在漏斗上，架上漏斗架，漏斗下面承接盛水容器。从上端向环内加水，保持水与环刀上沿基本相平。当漏斗下方滴下第一滴水开始计时，第1、3、5、10、15 min……称量并记录一次通过土柱渗透出的水量，直到单位时间内渗出水量相等为止。计算出不同时段的土壤入渗水量以及土壤的初渗速率和稳渗速率及渗透系数，计算方法参照国家标准《森林土壤渗透性的测定》(GB7838—87)。

3 结果与分析

3.1 荒漠绿洲过渡带不同退化程度胡杨林地的土壤物理性质

由表1可见，随天然胡杨林退化程度的加剧，土壤容重呈增大趋势，重度与轻度退化间差异达显著水平(P<0. 05)。与此相反，土壤黏粒与粉粒含量则逐渐减少，尤其表层黏粒含量降低达极显著水平(P<0. 01)。与轻度退化相比，中度、重度退化下林地表层与1 m土壤容重分别增加了8. 18%、6. 45%和16. 36%、12. 90%，砂粒含量分别增加了1. 77%、5. 18%和12. 38%、22. 77%；黏粒含量分别降低了27. 27%、18. 0%和54. 55%、63. 0%。表明随胡杨林逐步退化，土壤质地呈现变粗趋砂性特征。垂直分布(0～80 cm)表现出土壤容重、黏粒与粉粒含量随土壤层次加深而增加，砂粒含量则呈降低趋势。

随天然胡杨林退化程度的加剧，土壤非毛管孔隙、非毛管孔隙度占总孔隙度的比例、土壤通气度均值增大。与轻度退化相比，中度、重度退化下分别增加79. 65%、69. 65%、8. 92%和163. 22%、141. 79%、23. 17%。相反，毛管孔隙则减小，中度、重度退化下分别比轻度退化降低了12. 92%、26. 82%。此外，退化过程中尤其表层土壤总孔隙、非毛管孔隙显著增加(P<0. 01)，而毛管孔隙则显著降低(P<0. 01)。垂直分布(0～80 cm)上土壤毛管孔隙随土层加深而增大，而非毛管孔隙减小。

表1 不同退化程度胡杨林地的土壤物理性质

注：同列不同大写字母表示0～20 cm参数极显著差异(P<0. 01)，同列不同小写字母表示0～100 cm平均值显著差异(P<0. 05)，下同。

3.2 荒漠绿洲过渡带不同退化程度胡杨林地土壤持水与蓄水能力

表2可见，随胡杨林退化程度的加剧，林地土壤含水量、最大持水量、毛管持水量、田间持水量与毛管持水量/最大持水量比值均呈降低趋势，而非毛管持水量则呈增大趋势，尤其土壤含水量在不同退化程度间差异达极显著水平(P<0. 01)。与轻度退化相比，重度、中度退化下土壤含水量、最大持水量、毛管持水量分别降低了95. 17%、4. 89%、11. 48%和57. 95%、4. 34%、5. 96%；非毛管持水量则分别增加了34. 44%、15. 65%。土壤剖面滞留贮水量、饱和贮水量、涵蓄降水量均随退化程度加剧呈增大趋势，重度、中度退化下分别高于轻度退化下163. 22%、1. 17%、21. 29%和79. 65%、0. 71%、12. 97%；而吸持贮水量、有效涵蓄量则呈降低趋势，重度、中度退化下分别比轻度退化下降低26. 82%、9. 45%和12. 92%、1. 47%。表明随胡杨林退化程度的加剧，林地土壤非毛管孔隙度、土壤滞留贮水能力增大，有利于减少地表径流和降水无效损失，但明显降低了毛管孔隙度、吸持贮水功能，减弱其供给植物有效水分的能力。

表2 不同退化程度胡杨林地土壤持水与贮水能力比较

3.3 荒漠绿洲过渡带不同退化程度胡杨林地土壤渗透性能

表层0 cm～60 cm土壤初渗速率、平均渗透速率、稳渗速率、渗透系数均随胡杨林退化程度加剧呈增大趋势(表3)，重度、中度退化下0 cm～60 cm均值分别是轻度退化的1. 63、2. 01、1. 93、2. 01和1. 42、1. 41、1. 37、1. 45倍，土壤渗透指标在重度与轻度退化间差异均达显著水平(P<0. 05)；表层土壤渗透指标变化明显，在重度与轻度退化间差异达极显著水平(P<0. 01)。垂直分布来看，土壤渗透指标均随土层加深而降低，40 cm～60 cm最小。

胡杨林退化过程中土壤水分入渗过程变化趋势相类似，随时间延续水分不断进入土壤，土壤水分容量减小，入渗速率逐渐降低(图1)，即渗透曲线可分为瞬变阶段、渐变阶段和平稳阶段。土壤入渗特征曲线可用Kostiakov模型进行拟合，即f=at-b，式中：f为入渗速率(mm/min)，a，b为常数，t为入渗时间(min)。轻度、中度、重度退化下各土层模拟方程相关系数(r>0. 917)均达极显著水平(P<0. 01)，拟合效果较好(表3)。Kostiakov入渗模型中的参数a代表一个时间段内平均入渗速率，b值大小则反映土壤入渗速率递减状况，b值越大，表明入渗速率随时间递减的越快[11]。参数a值随退化程度加剧逐渐增大，而随土层深度增加逐渐降低；同一土层中，参数a变化规律与不同退化程度的土壤入渗特性相吻合(表3)。参数b最大值均出现在土壤表层且随退化程度加剧而减小，表明轻度退化下土壤入渗速率随时间减少最快，这与图1入渗过程及退化过程中土壤变粗沙化结果相一致。

表3 不同退化程度胡杨林地土壤水分入渗性能比较 单位：mm/min

图1 荒漠绿洲过渡带不同退化程度胡杨林地的土壤入渗过程

3.4 荒漠绿洲过渡带退化胡杨林地土壤渗透性能与土壤物理性质的相关性

由表4可见，退化胡杨林地3个土壤渗透指标与土壤非毛管孔隙度、砂粒含量呈极显著或显著正相关,而与毛管孔隙度、粉粒含量呈极显著或显著负相关，但与土壤容重相关性较弱(P>0. 05)。3个土壤渗透指标与粘粒含量均呈负相关，其中平均渗透速率与粘粒含量的相关性达显著水平(P<0. 05)。表明，土壤颗粒组成是影响土壤渗透性能的关键因素。

表4 渗透指标与土壤物理性质的相关性

注：r0. 01,7=0. 798;r0. 05,7=0. 666

4 讨论

塔里木荒漠绿洲过渡带胡杨顶级群落作为抵御风沙、遏制荒漠化和保障绿洲生态安全的天然屏障，在长期受极端干旱气候和人类水土资源过度开发利用作用下发生退化[12]，体现在群落结构组成、密度、盖度等随环境梯度显著降低，但胡杨在群落退化过程中的优势地位没有改变。研究结果表明，随荒漠绿洲过渡带胡杨林退化程度加剧，林地土壤颗粒组成发生显著变化，尤其重度退化阶段及土壤表层；土壤黏粒和粉粒含量逐渐减少，砂粒含量所占比重增大，土壤质地呈现变粗趋砂性特征。因为随地下水位降低和植被退化、凋落物减少，土壤有机质含量与盖度降低，风蚀作用增强使土壤中的细粒物质损失[13]所致，这与蒙仲举等(2017)[14]研究结果一致。无论是表层还是下层，荒漠绿洲过渡带土壤砂粒含量均较高而黏粒含量均极低，反映出该区土壤是在长期干旱、风蚀及风选作用下形成的[15]。土壤持水性能反映土壤持水、供水与调蓄能力，常用来评价土壤层的水文功能[16]；而土壤贮水量反映了土壤贮蓄和调节水分的潜在能力[1]。吸持贮水量大小反映了植被吸持水分用于维持自身生长发育的能力；而滞留贮水量大小反映了植被滞留水分发挥涵养水源和削减洪水的能力[10,16]。随胡杨林退化程度加剧，土壤总孔隙度、非毛管孔隙度、孔隙比、通气度、非毛管持水量、滞留贮水量和涵蓄降水量增大，使土壤通气透水性能得到改善，减轻地表径流和水土流失。但土壤容重增大，土壤含水量、毛管孔隙度、吸持贮水量、有效涵蓄量和土壤持水性能降低，使荒漠土壤持水、有效贮水与水分供应能力降低，尤其在枯水季节土壤有效贮水与水分供应能力显著降低，明显增强土壤干旱胁迫并抑制荒漠植被对土壤有效水分的利用及正常生长，这是荒漠绿洲过渡带胡杨林退化发生的原因之一。土壤渗透是水分循环的重要环节，渗透性能与土壤质地、结构、孔隙度、有机质和土壤水分等有关[3]。植被通过改善地表土壤结构，从而促进降雨入渗、减少地表径流。胡杨林不同退化程度土壤入渗特征曲线可用Kostiakov模型进行模拟且拟合效果较好(P<0. 01)，其渗透曲线可描述为瞬变阶段、渐变阶段、平稳阶段，这与张雷燕等(2007)研究结果一致[1]。0 cm～60 cm土壤初渗速率、平均渗透速率、稳渗速率均值在重度与轻度退化间差异显著(P<0. 05)，拟合方程参数a随退化程度加剧逐渐增大(P<0. 05)，而t-b值差异较小(P>0. 05)，表明胡杨林退化过程能有效地提高对降雨的快速入渗，这是土壤质地粗化、非毛管孔隙度增大的结果。相关分析也表明，渗透速率与土壤砂粒含量、非毛管孔隙呈显著正相关(P<0. 05)，与粉粒、毛管孔隙呈显著负相关(P<0. 05)，表明土壤颗粒组成是影响土壤渗透性能的主要因素，这与王意锟等[17]研究结果相吻合。但对于蒸发强烈、降水稀少(<50 mm/年)，风蚀严重的极端干旱区来说，水分是限制荒漠植物生存的主要因素。随胡杨林退化程度加剧，林地土壤质地变劣，不仅降低了土壤持水能力、减弱土壤有效水分贮存和限制了荒漠植被对水分的吸收利用，抑制其正常生理生态过程；而且会加快干旱区土壤蒸发，导致植被生长不良、土地沙化和荒漠生态系统退化，进而威胁到绿洲的生态安全。

5 结论

(1) 随塔里木荒漠绿洲过渡带胡杨林退化程度加剧，林地土壤容重与非毛管孔隙度、土壤通气度增大，黏粒、粉粒含量与毛管孔隙度降低。土壤质地粗化，持水保土功效减弱，这是系统自身脆弱生态基质受强烈风蚀作用和人类干扰下植被退化共同作用的结果。

(2) 荒漠绿洲过渡带胡杨林不同退化程度土壤入渗特征曲线可用Kostiakov模型进行模拟和预测，效果较好。土壤渗透速率随退化程度加剧而显著增大，有效地提高对降雨的快速入渗。

(3) 随胡杨林退化程度加剧，林地土壤沙化、土壤持水贮水性能和调节水分供应的潜在能力降低，而且会加快干旱区土壤蒸发，增强干旱胁迫并抑制荒漠植被对土壤有效水分的利用与正常生长，导致荒漠植被衰败和生态系统退化，进而威胁到绿洲的生态安全。