民勤绿洲边缘固沙灌木林地土壤水分时空动态研究

孙学兵，姜生秀，赵 鹏

(甘肃省治沙研究所，甘肃省荒漠化与风沙灾害防治国家重点实验室(培育基地)，兰州 730070)

民勤绿洲位于河西走廊石羊河流域下游[1]，降水量小，蒸发量大，气候干燥，水资源严重短缺，水成为决定该区生态系统结构和功能的关键因子[2]，而土壤水分是气候、植被、地形及土壤因素等自然条件的综合反映[3]，决定干旱区绿洲化与荒漠化生态环境演化过程，是植物生长和恢复的主要影响因素[4-5]。因此，对该区沙地土壤水分动态的研究有助于揭示植被对土壤水分的利用层次、土壤水分的消耗状况和天然植被的续存机理，也可为人工植被的恢复提供理论参考[6]。

沙地植被土壤水分动态由于降水入渗、根系吸水、土面蒸发与地下水向上补给等作用而发生时空变化[7-8]，也受植物种类等多种因子制约[6]，因而不同地区植物群落的土壤水分动态表现出不同的特征。目前，国内外沙地土壤水分研究较多，如浑善达克沙地[9]、毛乌素沙地[10]等，民勤绿洲边缘沙地天然灌木林土壤水分含量变化研究较少。因此，我们选择该地主要类型灌木林地进行了土壤含水量时空动态研究，以揭示该区植物群落生长季节适宜土壤水分条件，为荒漠植被建设与保护提供依据。鉴于此，本文对民勤绿洲边缘平沙地生长的梭梭、柽柳、白刺、柽柳+白刺、柽柳+沙拐枣等群落土壤水分进行了研究。

1 试验设计及研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于石羊河下游蔡旗断面以下的民勤绿洲边缘，地理位置N38°05′～39°06′，E103°02′～104°02′，海拔1 367～1 311 m。属典型大陆性气候，年均气温7.4 ℃，年均降水量115.2 mm，多集中在7-9月，占全年降水量73%，年均蒸发量2 419.6 mm，为降水量的21倍，年平均风速2.35 m·s-1，年均沙尘暴日数25.8 d。研究区土壤分为灰棕漠土、风沙土，主要优势物种有梭梭、柽柳、白刺、沙拐枣等灌木，草本种类有盐生草、猪毛菜、五星蒿、黄花补血草等。

在研究区内，灌木林主要有梭梭，柽柳，柽柳+沙拐枣，柽柳+白刺，白刺等5个类型。研究过程中在各主要类型灌木林地选择有代表性地段设置标准样地(表1)，并以流沙为对照样地进行土壤含水量测定。

表1 样地概况

1.2 研究方法

1.2.1 野外取样 2019年从植物开始生长的5月开始到植物生长结束后的10月为止，每月中旬用土钻在各样地分层取土样；每样地布设3个取样点，取地表下0～180 cm层土壤样品，每20 cm为一层，每个样地3个样点所采土样混合后装入铝盒带回。

1.2.2 样品分析与数据处理 土壤水分含量采用烘干称重法测定；土样在105 ℃高温烘干8 h至恒重，待冷却后称其干重。使用Excel 2007软件对数据进行处理与分析。

2 结果与分析

2.1 不同季节不同类型灌木林地土壤水分含量变化

由图1可以看出，研究区2019年全年降水26次，总降水量86.2 mm。7 、8 月降水次数最多，分别占总降水次数19.23%和15.38%；降水量3、7月最多，占年总降水量22.4%和31.3%；5、8、9月降水量相对也较多，依次为9.0、13.4、6.3 mm，分别占年总降水量10.4%、15.5%和7.3%，4月降水最少，为0.3 mm，6月降水也较少，占总降水量的3.5%。该区降水每月分配不均，主要集中在 7-9 月。

图1 研究区2019年降水量与温度随时间的变化

为充分反映土壤水分季节变化，体现不同类型植被年际降水差规律以及经过旱季和雨季后不同地表植被土壤水分变化情况的图2可以看出，研究区5种主要类型灌木林地土壤含水量月变化趋势基本一致，即5月土壤含水量较低，6月含水量升高，这是由于5月降水量(9 mm)大于6月(3.1 mm)；7月植物进入生长盛期，蒸腾耗水量增加，地表蒸发增大，土壤含水量开始下降；8月和9月降水量增多，土壤水分得到有效补给，土壤含水量升高；10月植物生长速度减慢，水分消耗减少，土壤水分比较稳定。

流动沙地及不同类型林地各月份土壤含水量也存在差别，流动沙地土壤含水量各月份之间相差较大，9月最高、达到4.53%，5月最小、为2.17%，6、8、10月接近；梭梭林地每月土壤含水量均最小，且各月之间相差不大，变化范围在0.05%～0.37%；柽柳+沙拐枣林地土壤含水量9月最高，7月最小，两者相差1.46百分点；白刺灌木林地土壤含水量也是7月最小，但10月最高，两者相差1.05百分点；柽柳和柽柳+白刺灌木林地土壤含水量各月份之间变化幅度都较小，分别为0.05百分点至0.56百分点和0.16百分点至0.31百分点。不同类型灌木林地每月平均土壤含水量也不同，5月从大到小依次为柽柳+白刺>流动沙地>柽柳+沙拐枣>柽柳>白刺>梭梭，6月和8月为流动沙地>柽柳+白刺>柽柳+沙拐枣>柽柳>白刺>梭梭，7月为柽柳+白刺>流动沙地>柽柳>柽柳+沙拐枣>白刺>梭梭，9月为流动沙地>柽柳+沙拐枣>柽柳+白刺>柽柳>白刺>梭梭，10月为流动沙地>柽柳+白刺>柽柳+沙拐枣>白刺>柽柳>梭梭，总体看流动沙地、柽柳+白刺灌木林土壤含水量高，梭梭土壤含水量最低，白刺灌木林土壤含水量也较低。

图2 不同植被及流动沙地平均土壤水分含量比较

2.2 土壤含水量的垂直变化

由图3可以看出，不同灌木林地和流动沙地的土壤含水量垂直变化特点都是表层最低，随着土层深度的增加呈现先增加后减小趋势，这主要是由于沙地土壤表层易形成1 cm厚的硬结皮，其下又有约10～20 cm厚的干沙层[6]。流动沙地土壤含水量， 5月因降水多，降水入渗整个剖面而变得较为一致，不同深度间变化幅度较小；6月和7月含水量最大值出现在80 cm处；8月和10月含水量最大值出现在100 cm处；随着土层深度的增加，9月100～140 cm层变化幅度增大，在110 cm处出现明显拐点，120～180 cm层含水量较一致。梭梭灌木林地土壤含水量，5月在80 cm处达到最大值，为1.44%，然后随着土层深度增加而逐渐降低，表层土和180 cm处比较接近，6月含水量分别在30 cm和140 cm处出现明显拐点；7-9月变化幅度都较小，分别在140 cm、100 cm和120 cm处出现最大值。柽柳灌木林地土壤含水量，5月在40 cm处达到最大值，为2.73%，比含水量最低的表层土高1.96百分点；7月不同土层间变化范围为0.05百分点至0.16百分点，在60 cm处出现拐点； 6月和10月均在80 cm处出现拐点，8月和9月在100 cm处出现最大值。柽柳+沙拐枣灌木林地土壤含水量5月最大值出现在120 cm处，为3.75%，6月在60 cm和100 cm处出现拐点，7月在80 cm处达到最大值，为3.45%，8月和10月在40 cm处达到最大值，分别为4.11%和4.93%，9月100～140 cm土层变化幅度大，为1.44百分点至4.33百分点。柽柳+白刺灌木林地土壤含水量5、6、7、9月均在100 cm处出现最大值，8月和10月在80 cm处出现最大值。白刺灌木林地土壤含水量，5月和6月均在80 cm处出现最大值，分别为2.51%和3.45%，7月和8月含水量变化基本趋于稳定，范围为分别为：0.05%～1.03%和0.31%～0.79%，9月和10月含水量最大值均出现在60 cm处，分别为3.89%和2.96%。

a.流动沙地；b.梭梭林地；c.柽柳林地； d.柽柳+沙拐枣林地；e.柽柳+白刺林地；f.白刺林地图3 各林地土壤含水量垂直分布

2.3 不同灌木林类型对土壤含水量的影响

土壤水分状况是植被、立地条件、气候、土壤物理性质等因子共同作用的结果 ，在气候条件基本相同的情况下，立地条件也会对水分再分配起到较为关键的作用[6]。从不同类型灌木林地土壤含水量在植物生长季初 (5月)、生长季中(8月)和生长季末(10月)，亦即林地土壤水分原始积累、大量消耗和缓慢恢复等三个时段变化状况(表2)可以看出，在同等降水条件下，同一时段不同类型灌木林对水分的消耗不同：在生长季初，梭梭灌木林不同深层土壤含水量都明显小于其它灌木林，而其它灌木林之间相差不大，说明梭梭灌木林生长初期耗水量就大于其它灌木林，其它4种灌木林之间差异较小。

之后随着植物进入旺盛生长阶段，不同灌木林土壤含水量差异较大，说明不同灌木林的水分消耗量差异较大。不同灌木林及流动沙地土壤含水量从高到低0～20 cm土层为柽柳+白刺>柽柳+沙拐枣>流动沙地>柽柳>白刺>梭梭，20～40 cm层为柽柳+沙拐枣>柽柳+白刺>柽柳>流动沙地>白刺>梭梭，40～60 cm层为柽柳+沙拐枣>柽柳+白刺>流动沙地>柽柳>白刺>梭梭，60～120 cm层为流动沙地>柽柳+白刺>柽柳>柽柳+沙拐枣>白刺>梭梭，120～180 cm层为流动沙地>柽柳+白刺>柽柳+沙拐枣>柽柳>白刺>梭梭。由此可见，5种灌木林在生长盛期耗水量梭梭林最大，白刺林次之；柽柳+白刺、柽柳+沙拐枣灌木林较少，它们二者相比，柽柳+沙拐枣消耗浅层土壤水量大于柽柳+白刺灌木林，60 cm层以下即较深土层柽柳+白刺灌木林耗水量大于柽柳+沙拐枣灌木林；柽柳林消耗深层土壤水分相对多于上层土壤；生长旺盛期柽柳+白刺灌木林土壤水分状况最好，即消耗的土壤水分最少；植物群落是深层沙地土壤水分变化的主要原因。

生长季末，植物生长量减小，水分消耗量减少，土壤水分含量开始缓慢恢复，不同灌木林各层土壤含水量从高到低依次为， 0～20 cm层柽柳+沙拐枣>流动沙地>柽柳+白刺>白刺>柽柳>梭梭，20～40 cm层流动沙地>柽柳+沙拐枣>柽柳+白刺>白刺>柽柳>梭梭，40～60 cm层流动沙地>柽柳+白刺>柽柳+沙拐枣>白刺>梭梭，60～100 cm层流动沙地>柽柳+白刺>白刺>柽柳+沙拐枣>柽柳>梭梭，100～140 cm层流动沙地>柽柳+白刺>柽柳+沙拐枣>白刺+柽柳>梭梭，140～160 cm层柽柳+沙拐枣>柽柳+白刺>流动沙地>白刺>柽柳>梭梭，160～180 cm层柽柳+沙拐枣>柽柳+白刺>白刺>柽柳>流动沙地>梭梭，140～180 cm层土壤，植物根系及其吸收水分减少，水分含量稳定，为水分稳定层。不同灌木林地土壤层含水量总体为梭梭林最低，柽柳林也较低，柽柳+白刺林除小于40 cm的浅土层和大于140 cm的深土层外，土壤含水量最大(除过流动沙地)，柽柳+沙拐枣林土壤含水量也较高，流动沙地与灌木林相比除深度超过140 cm的深土层和0～20 cm浅土层外，土壤含水量都高，这些综合说明灌木林有利于保持浅土层土壤水分，不同灌木林总耗水量及在不同深度层的耗水量不尽一致，这与不同种类植物生物学特性及根系垂直分布存在差异有关。

表2 不同灌木林土壤含水量

3 讨论

降水、植被种类、植被生长状况、土壤理化性质、地形和当地水文气象条件等是影响土壤水分时空变异的重要因子，而其中降水和植被是主要因素[11]。从不同植被季节土壤水分含量变化特征(图2)可以看出，各灌木群落每月平均含水量差异不明显，相对变化较小，平缓而稳定，而流动沙地不同月份之间变化相对较大，这是由于流动沙地土壤水分无明显的层次性变化，受降水及蒸发等因子影响明显。自然植被覆盖下的土壤，没有灌溉影响，土壤水分仅受降水入渗、地下水补给的影响，由于研究区年降水量仅为113.2 mm，年均蒸发量2 604.3 mm，加之风沙大，所以降水对该地区土壤水分影响微弱。一方面，沙漠中土壤水分 向下湿润的深度较浅，通常在降水后表层土即开始蒸发，湿润层的水分由于蒸发而向下的迁移会逐渐减少；另一方面，沙地表面除了有约1 cm厚的结皮外，还有一定厚度的干沙层，可有效阻碍深层水分的大量散失[3]。因此，在降水量小的条件下，土壤水分动态主要受植物根系吸水和地下水的影响。

不同灌木林不同季节土壤含水量的变化趋势相似，土壤水分呈明显的层次性变化，总的特点是表层土壤含水量最低，在0.2%～2.2%范围内，随着土层深度的增加，土壤含水量逐渐增大，但变化平缓，这是因为干沙层可以阻碍深层土壤水分的散失，有利于入渗水分的保存；另外，深层土壤含有较多粘粒，结构紧密，也使土壤保水效果好[3]。在流动沙地上，由于5月降水较多，降水入渗使得各层土壤含水量较为一致，且随着深度的增加，含水量基本呈升高的趋势，根据郭柯等[11]的研究结果可以发现，流动沙地水分循环深度较深，因为降水1 mm就可以补给流沙，5 mm的降水1 d后即可入渗到流动沙地20 cm深处，20 mm 的降水则可入渗到土壤深层。6-7月气温较高，降水较少，空气干燥，土表蒸发强烈，土壤含水量最大值从5月的60 cm处下降到100 cm处。在流动风沙土上，干沙层厚度一般小于10 cm(最大时10.2 cm)，其下层含水量平均 3.5%，水分消耗主要用于土壤蒸发，遇有较大降水即可补充深层水分[6]。但在生长植被的沙地上，由于各植物群落根系分布层不同，对土壤含水量的影响也不同，梭梭林地5月含水量在80 cm处达到最大值，为1.44%，然后随着土层深度的增加逐渐减小，6-7月土壤含水量最大值出现在140 cm处，8月和9月降水较多，降水入渗使得100 cm和120 cm处土壤含水量增大；柽柳林地5月在40 cm处达到最大值，6-8月含水量最大值出现的土层降低到100 cm；柽柳+沙拐枣群落5月在120 cm处达到最大值，6月在60 cm和100 cm处出现拐点，7月在80 cm处达到最大值， 8月和10月在40 cm处达到最大值；柽柳+白刺林5、6、7、9月含水量均在100 cm处出现最大值，8月和10月在80 cm处出现最大值；白刺林地5月和6月在80 cm处出现最大值，9月和10月含水量最大值均出现在60 cm处。

不同植被类型土壤水分有很大差异，在生长季初，各群落每个土层含水量相差不大。在植物进入生长期后，随着植被的旺盛生长，不同植物群落因对水分的消耗不同而使水分变化呈现出明显的不同，基本呈现出如下变化规律：在0～20 cm土层范围内，柽柳+白刺>柽柳+沙拐枣>流动沙地>柽柳>白刺>梭梭，20～40 cm：柽柳+沙拐枣>柽柳+白刺>柽柳>流动沙地>白刺>梭梭，40～60 cm：柽柳+沙拐枣>柽柳+白刺>流动沙地>柽柳>白刺>梭梭，60～120 cm：流动沙地>柽柳+白刺>柽柳>柽柳+沙拐枣>白刺>梭梭，120～180 cm：流动沙地>柽柳+白刺>柽柳+沙拐枣>柽柳>白刺>梭梭。由此可见，流动沙地在60～180 cm土层范围内土壤含水量最大，柽柳+沙拐枣群落在0～40 cm土层范围内土壤含水量最大，梭梭在每层的含水量均最小，这是因为柽柳+沙拐枣群落覆盖度大，梭梭群落覆盖度最小，另外，也可能与植物根系分布复杂及土壤物理性质有关。在生长期末，各种植物因生长基本停止而减缓了水分消耗，灌木群落含水量基本呈升高趋势，流动沙地恢复最为迅速，0～140 cm土层含水量升高，已恢复至生长季初期水平，其他群落恢复缓慢。流动沙丘每一层的土壤水分标准差最大，梭梭最小，这说明梭梭群落具有较好的水文效应，与赵成义等研究结果相近[3]。

近年的实地调查表明，民勤绿洲边缘荒漠植物从利用地下水资源逐渐过渡到利用有限的降水，该区降水受季节性限制，多在7-9月，且强度小，多为无效降水，受降水资源限制，植被大量死亡、稀疏，固定沙丘活化，流沙四起。当多年的降水在沙丘储存积累，沙丘含水量提高时，根系发达

的浅根性木本植物，如白刺、沙拐枣和1 a生类短命植物利用降水，形成稀疏的雨养植物群落[1]，因此，在以后的生态环境建设中，应该改善乔木、灌木和草的比例，实现植物种类和生活型的多样化，使民勤绿洲边缘植被群落能够稳定地、可持续地发展，为植被恢复重建和土地合理利用提供科学的依据。