吐鲁番盆地人工梭梭林的土壤水分补给来源分析

李 林 李 柳 王雪霞

(新疆农业大学,新疆 乌鲁木齐 830052)

梭梭(Haloxylon Ammodendron)为藜科梭梭属的旱生小乔木,具有很强的耐旱、耐盐、耐碱和耐土壤贫瘠能力,其高大的灌丛状结构和庞大的根系具有良好的防风固沙效果,是我国干旱地区防风固沙林建设的理想树种。然而,由于长期不合理的放牧和樵采,天然梭梭林受到了极其严重的破坏,分布面积日趋缩小,已被列为国家三级保护渐危种。近年来,随着在人工梭梭林根系上接种中药材肉苁蓉(Cistanche deserticola Ma.)项目在一些风沙侵蚀区的大力推广,农民在政府的扶持下开始大面积种植人工梭梭防护林,并在梭梭植株的根系上接种肉苁蓉,变被动治沙为主动治沙,一方面可以防风固沙,另一方面也可通过肉苁蓉获取经济收益,体现了生态效益、经济效益和社会效益的结合。然而,在这样的种植积极性的背后也存在着一些问题。目前国内针对梭梭开展的绝大多数已有研究都集中在新疆古尔班通古特沙漠南缘、甘肃民勤地区以及内蒙古的库布齐沙漠等自然降水条件较为适宜梭梭生长的地区,研究区的多年平均年降水量通常超过150mm,且能够通过地下水或者春季融雪对土壤水分进行补给。相比之下,在平均年降水量小于100mm的干旱区甚至极端干旱区开展梭梭林种植的相关研究相对较少,缺乏对这些地区人工种植梭梭林的管护指导。因此,一些干旱区的林业基层工作者和农民们因为对已有研究产生了一些认知上的误区,认为梭梭可以在任何干旱环境下存活,完全不需要人工灌溉养护。这种认知误区使得一些极端干旱地区的梭梭防护林严重退化,甚至产生不可逆的根系损伤。因此,在干旱区进行人工梭梭防护林建设时,需要结合当地的实际情况进行灌溉需求分析,指导林业基层工作者和农民们对人工梭梭林因地制宜施以科学合理的管护措施。

1 干旱区梭梭水分来源

在干旱区,土壤水分是植物需水的首要来源,是影响植物个体生长发育、群落结构与生态系统功能的首要限制因子[1]。天然梭梭植株的根系十分发达,同时具有埋深很深且侧根较少的垂直主根系和埋深较浅但向四周广泛伸展的水平根系,可以同时利用浅层和深层的土壤水分,以及一定埋深的地下水[2],具有很高的水分利用效率。然而,虽然梭梭具有很强的耐干旱胁迫能力,但若想人工种植的梭梭防护林能够维持正常的生长和可持续发展,依然需要有持续稳定的土壤水分供给,尤其是在梭梭快速生长期的5—6月[3]。梭梭最主要的水分来源分别是地下水补给、春季融雪补给以及5—9月的大、中规模降雨补给。

1.1 地下水

在同时拥有多种水分补给渠道的情况下,梭梭对地下水的利用程度很高,最高幅度可达到总利用水源的80%,平均占30%左右[4];夏季的严重干旱致使梭梭增加对地下水的利用[5],5—9月梭梭对地下水的利用程度高达68%～100%[6]。梭梭生长的最理想的地下水位为5～8m,地下水位大于8m时种群衰退;地下水位小于4m时,地下水矿化度会影响土壤表层积盐,进而显著地降低物种多样性,阻碍梭梭幼苗更新,导致梭梭种群衰败[7]。

1.2 春季融雪

春季融雪补给量对增加土壤渗润深度和土壤含水量作用明显,可直接影响梭梭林当年的生长状况[3,8],降雪量会影响第二年春天幼苗出苗期的土壤水分补给,无降雪条件下梭梭林幼苗对其他水分补给需求明显增加,如果不能获得及时补给则会影响其天然更新[9-10]。

1.3 降雨

与地下水补给和春季融雪补给相比,夏季降雨对干旱区梭梭林土壤水分的补给作用并不明显,这主要是由于降雨雨量小、频率高是我国干旱荒漠区最主要的降雨模式,而已有研究表明,小于5mm的小型降雨事件对土壤水分的补给作用非常有限,无法被梭梭利用[11]。许皓等[12]研究表明,当降水充足,表层土壤含水量(≥6.6%)可以满足梭梭正常生存所需时,梭梭主要利用降水形成的浅层土壤水维持生存,而在无有效降水的情况下,0～0.7m深表土层中的梭梭根系大量萎缩,几乎没有活跃吸收根存在。此时,如果该地区地下水位满足梭梭的利用条件,吸收根会向着深层土壤伸展。此外,我国干旱区的降雨主要集中在7—8月,而此时由于土壤蒸发量高、气候干燥等原因,梭梭植株通常会进入夏季生长停滞期,因而相比之下春季梭梭快速生长期的水分补给更为重要。

2 吐鲁番盆地水资源特征及其对人工梭梭林土壤水分的补给作用

吐鲁番盆地位于新疆维吾尔自治区的东部,地处东经87°16″～91°55″、北纬41°12″～43°40″的范围之内,总面积约为69713km2,行政区划包括吐鲁番市、托克逊县、鄯善县。吐鲁番盆地属典型的大陆性暖温带干旱沙漠气候,四季明显,十分干燥,春季的气温上升和秋季的气温下降都较快,热量、日射量和日气温温差大。主要土壤类型为白硝土、棕漠土和灌耕土,农作物以粮食作物、葡萄、棉花为主。吐鲁番境内高山盆地相间,西北高而东南低,地形地势由山区向盆地最低点艾丁湖倾斜,海拔最高4300m,最低-150m,梯度变化很大。由于特殊的气候条件,吐鲁番地区梭梭的快速生长期较其他地区平均提前约20～30天,即4—5月为该地区梭梭的快速生长期,此后因为该地区的夏季极为干燥炎热,梭梭的生长在7—8月进入停滞期。因此,4—5月的水分补给对于吐鲁番盆地的人工梭梭林极为关键。而吐鲁番盆地的水资源分布具有很高的时空变异性,对当地植被的支撑能力需要因地制宜具体分析。

2.1 吐鲁番盆地降水特征及其对人工梭梭林的支撑能力

吐鲁番地区多年平均年降水量为16.4mm,历史最大年降雨量为48.4mm,历史最小年降雨量为2.9mm。多年平均年蒸发量为2845mm,平均年降水量具有明显的地区分异性,年降水量随海拔的升高而增大,各站年降水量变化在7.6～169.9mm,其中吐鲁番、托克逊、东坎的多年平均年降雨量均在20mm以下,鄯善的多年平均年降雨量小于30mm。该地区降水量年内分配不均,6—9月降水量占年降水量的58.0%～83.6%,且主要以小于2mm的极小降雨事件为主,且集中程度较高,降雨事件主要集中在6—9月,春、秋、冬三季降水所占比例很小。吐鲁番盆地的降雪量极小,历年冬季降雪平均不足2mm,呈现山区多于盆地、山北多于山南、由北向南逐渐减少的特点,且越向南降水越少,无降水日数较长,同时年降水量的年际变化较大[13]。吐鲁番盆地在梭梭快速生长的4—5月期间,无法通过降雨或者春季融雪提供有效的土壤水分补给。

2.2 吐鲁番盆地地下水空间分布特征及其对人工梭梭林的支撑能力

应用Surfer19.0软件对吐鲁番盆地32眼长期观测井的地下水位资料进行分析,其中空间插值采用克里格插值法进行,可得出直观展现吐鲁番盆地的地下水位空间变化差异图,见图1。

图1 吐鲁番地区地下水位空间分布

从图1可以看出,吐鲁番盆地的地下水位具有明显的空间差异性,其中:盆地中部地区的地下水位平均埋深超过50m,最深处可达到观测下限80m;盆地东部地区(南盆地)地下水位平均埋深为20～50m,其中艾丁湖附近约为0～10m,以艾丁湖为中心向北地下水位埋深逐渐加深;盆地西部地区(南盆地)地下水位较浅,平均埋深为1～20m。此外,整个吐鲁番地区的地下水位从2000年开始有逐渐下降的趋势,致使浅层地下水位控制面积逐年缩小。其中鄯善县西南部南盆地的观测井记录其地下水位在8年间下降量将近15m。结合本文1.1的研究内容可知,吐鲁番盆地在梭梭快速生长的4—5月期间,无法通过降雨或者春季融雪提供有效的土壤水分补给。除艾丁湖附近(0～10m)及北盆地(1～20m)的部分地区以外,绝大多数地区地下水埋深较深,无法被地表植被有效利用。

3 结 语

在快速生长期能够获得稳定的土壤水分供给是干旱区人工梭梭林可持续发展的必要条件。梭梭同时拥有埋深很深的垂直主根系和埋深较浅的水平根系,可以充分利用多种来源的土壤水分,主要包括地下水补给、春季融雪补给以及5—9月的大、中规模降雨补给。然而吐鲁番盆地年降水量极小,且主要以小于2mm的极小降雨事件的形式发生,对土壤水分的补给十分有限;该地区冬季降雪量也极小,年降雪量通常不超过2mm,春季无法通过融雪对土壤水分进行有效补给;该地区地下水位的空间分布差异十分明显,除艾丁湖附近(0～10m)及北盆地(1～20m)的部分地区以外,绝大多数地区地下水埋深较深,无法被地表植被有效利用。因此,在该地区进行人工梭梭林种植时,需要结合实际情况进行灌溉需求分析,确定合适的人工灌溉频次、时机及灌溉量,避免人工梭梭林因长期缺水严重退化。今后,应当在实际生产过程中通过科学合理的实验分析,进行吐鲁番盆地防护树种的灌溉需求分析,对当地的防护林建设提供具有实践意义的理论指导。