塔里木河绿洲-荒漠过渡带典型防护林对温湿度及土壤理化特性的影响

塔里木河绿洲-荒漠过渡带典型防护林对温湿度及土壤理化特性的影响

生物群落与环境密切相关，它们之间存在着密切的物质和能量交换。一方面,植物各组织器官的生长发育、光合蒸腾等生理活动受生境因子的限制;另一方面,植物反映下垫面局部特征,并通过辐射、蒸腾、屏障等作用,影响近地面层的微环境特征,调节系统内部水、热等小气候环境,使系统产生热量平衡和水量平衡的差异。绿洲是干旱区的核心,随着气候变化和人类活动的双重影响,荒漠不断扩大化,作为绿洲天然防护带的绿洲-荒漠过渡带逐渐萎缩,土壤沙化,植物群落退化,绿洲农田生态系统的外围保障体系遭到严重破坏。如何恢复和重建绿洲-荒漠过渡带植物群落对绿洲稳定的保障作用已是目前绿洲稳定发展面临的重要问题。尽管有学者就绿洲内农田防护林的生态效应进行了分析,但对极端干旱区绿洲-荒漠过渡带防护林环境特征及生态功能的研究尚不多见。因此,本研究以遭受严重生态危机的塔里木河下游绿洲-荒漠过渡带防护林为研究对象,分析不同组成结构的防护林群落的生态特征和功能及其对环境的影响,为了解极端干旱区防护林的生态功能和估价其环境效应提供科学基础,并为恢复、重建和优化配置绿洲外围防护林体系,遏制荒漠化进程提供科学依据。1土壤条件及地下水条件研究区位于塔里木河下游尾闾绿洲-铁干里克绿洲边缘与荒漠接壤之处,长约10km,属于典型的绿洲-荒漠过渡带。研究区属暖温带极干旱气候区,气候干燥,多风沙天气,年均降水量17.4~42.0mm,年均蒸发量高达2500~3000mm,太阳年总辐射5692~6360MJ/m2,日照时数2780~2980h,≥10℃年积温为4100~4300℃,平均日较差13~17℃,是中国极端干旱地区之一,土壤多为碱化漠钙土和盐化草甸土,浅层地下水主要由河水下渗补给。为阻挡绿洲外围的风沙侵蚀,改良土壤理化性质,改善微气候条件,维护区内生态平衡,保障绿洲农业生产的正常运行,过渡带内靠近绿洲区布设有不同结构组成的人工防护林,包括乔灌草、乔灌、单一乔木和单一灌木等类型(表1),由于单一灌木群落的植被稀疏,生长衰败,生态意义不大,因此我们选取了前三种典型组成结构的防护林为研究对象。2学习方法2.1群落风压监测三种组成结构的防护林之间的最大距离不超过2km。于2010年5月和8月,在群落背风面0~100m距离内每隔10m设置一个监测点,每个监测点监测高度分别设置为0.5、1、2、3、4、5m(图1)。在每个监测点的每个高度利用DEM6型三杯风向风速仪,同步连续监测风速1min,取其平均值,同时,在群落迎风面,选择无植被覆盖的裸地或稀疏植被处作为对照点,同步监测风速。每个点监测3次,取其平均值计算防风效应。2.2温度和湿度测定在各防护林群落内和对照点,选择晴朗天气,从08∶00~20∶00,每隔2h,利用AR827型温湿计测定群落内外2m处的气温和相对湿度。AR827型温湿计采样间隔为2次/s,每次记录一分钟内的出现频率最高的温度和湿度为测量时间段内的温度和湿度,用以分析群落内外的温湿度差异。2.3土壤温度指标的测定在各防护林群落内和对照点,挖取1m深土壤剖面,于晴朗天气,从08∶00~20∶00,每隔2h,利用数字测温计(型号:HH10/Onecal)监测不同土层温度(0,5,10,20,30,50,80,100cm),并分层(0~5,5~10,10~20,20~30,30~50,50~80,80~100cm)取土壤,测定土壤质量含水量和土壤盐分、养分指标,各指标用常规方法进行测定。2.4数据的统计分析本文所有数据处理采用Excel和SPSS13.0软件,作图采用Sigmaplot10.0软件。3结果与分析3.1增湿和增湿效益分析在生长期,不论乔灌草、灌草还是单一乔木的防护林均可起到调节大气温度和湿度的作用,但日调节幅度有差异(图2)。从气温差日变化来看,08∶00时三种防护林气温均较对照裸地高,即存在增温效应,其中乔灌草、乔灌和单一乔木防护林分别高出对照裸地6.5、3.3和0.2℃;10∶00~16∶00,三种防护林均较对照裸地气温低,即存在明显的降温作用,其中乔灌草防护林较裸地气温变化幅度较大,尤其是在10∶00~12∶00之间,表明其降温作用较乔灌和单一乔木防护林大,这可能是因为密度和盖度较高的植被冠层有效地遮挡了太阳的直接辐射,使得群落内温度较为稳定;18∶00~20∶00,三种防护林较裸地的气温差变化减弱,说明群落内温差减小,尤其是乔灌草防护林,气温差由负转为正,表明此时具有增温效应。方差分析表明,乔灌草防护林群落内外温差与乔灌防护林和单一乔木防护林均有显著差异(P<0.05),表明乔灌草结构防护林更能有效地调节气温,稳定群落温度。从相对湿度差日变化来看,三种防护林都具有明显的增湿效益,但增湿幅度因群落类型而异。乔灌草防护林在08∶00~20∶00内均保持较高的相对湿度,尤其是08∶00~12∶00期间,相对湿度较林外高30%以上,12∶00后,湿度差保持在20%~25%之间;乔灌防护林在08∶00~16∶00增湿增幅也较大,平均较林外高出20%以上,随时间的推移,湿度差略有减少;单一乔木防护林在08∶00~20∶00间均变幅不大,相对湿度差保持在10%~15%。方差分析表明,乔灌草防护林的增湿效益显著高于乔灌和单一乔木防护林(P<0.05),乔灌防护林和单一乔木防护林的增湿效益差异未达显著水平(P>0.05),表明乔灌草结构防护林能明显地调节林内空气相对湿度,使群落内保持较高的相对湿度,利于植物生长发育。这可能是因为乔灌草防护林较高的植物密度和覆盖度,太阳辐射经过乔木冠层、灌木冠层和草本冠层的三层截留后到达群落内的辐射已经很少了,减少了水分的散失,因而能增加林内的空气湿度。3.2不同林分类型对土壤盐分含量的影响土壤水盐是植物群落形成的基本条件,群落对土壤水盐也有反馈作用。从不同土层深度的土壤水分来看(图3),乔灌草防护林土壤水分随深度变幅最大,0~30cm土壤水分逐渐增加,高达25%以上,远高于乔灌和单一乔木防护林,差异显著(P<0.05);乔灌防护林和单一乔木防护林土壤水分的变化相似,0~30cm土壤水分含量低,在5%以下,变化不大。30~100cm土层中,三种防护林土壤水分逐渐趋于一致,差异不明显(P>0.05)。这表明,乔灌草防护林能显著提高0~30cm土层的土壤水分,而30cm以下土层,土壤水分受防护林类型的影响较小。这可能与群落内植物的吸水根系分布有关,乔灌木的植物吸水根系主要分布在50cm以下,而草本植物的吸水根系主要分布在30cm以上,同时分布在50cm以下的乔灌木吸水根系可以吸取土壤下层水分及地下水,通过水分再分配,将水分释放至土壤上层,被草本植物根截留,滞留在土壤中,增加了表层土壤湿度。三种防护林的土壤盐分含量与土壤水分变化相反。0~100cm土层,乔灌草和乔灌防护林土壤盐分均变化不大,两者差异不显著(P>0.05);0~50cm土层,单一乔木防护林土壤盐分变化不大,当土壤深度>50cm后,土壤盐分迅速增加,且0~100cm的土壤盐分含量均显著高于乔灌草和乔灌防护林(P<0.05)。表明乔灌草和乔灌防护林较单一乔木防护林更能抑制土壤盐分,尤其是深层土壤盐分(50~100cm)。3.3不同林分类型土壤全n含量防护林类型还影响土壤养分特征(图4)。0~50cm,乔灌草防护林土壤有机质含量最高,乔灌防护林次之,单一乔木防护林最低;50~100cm,乔灌草和乔灌防护林土壤有机质含量随土层增加趋于稳定;50~80cm,单一乔木防护林土壤有机质迅速增加,80~100cm,趋近于其它两种防护林。方差分析显示,0~50cm,乔灌草和乔灌防护林土壤有机质显著高于单一乔木防护林,且三者有显著差异(P<0.05);50~100cm,三者土壤有机质含量差异未达到显著水平(P>0.05)。表明乔灌草防护林更有利于增加0~50cm土壤有机质,这可能是因为乔灌草群落的枯枝落叶较多,尤其是花花柴的叶片和茎杆木质部较少,茎叶含水量较高,在秋季枯死后较乔灌木枯枝叶更易分解,对于土壤有机质的改善具有重要作用。土壤全N含量与有机质变化趋势相似,0~50cm,乔灌草和乔灌防护林土壤全N显著高于单一乔木防护林,50~100cm,土壤全N含量逐渐下降至稳定;单一乔木防护林土壤全N含量在0~50cm较低,50~80cm迅速增加,之后急剧下降,略低于乔灌草群落和乔灌群落。方差分析表明,0~50cm,乔灌草和乔灌防护林土壤全N差异不显著(P>0.05),但两者均显著高于单一乔木防护林(P<0.05)。同样,0~50cm,乔灌草和乔灌防护林土壤全P含量显著高于单一乔木防护林(P<0.05),50~100cm,三种防护林土壤全P含量均呈下降趋势,且趋于一致。但是,土壤全K含量的变化趋势与其他土壤养分指标相反。0~20cm,三种防护林的土壤全K含量变化不大,但土层深度>20cm,三种防护林土壤全K含量均增加,且乔灌草和乔灌防护林均显著高于单一乔木防护林(P<0.05)。表明乔灌草和乔灌防护林有利于增加0~50cm土壤全N、全P和20~100cm土壤全K的积累,对改善土壤质量有显著作用。3.4种防护林类型的调节效果从图5可看出,防护林土壤温度与对照点的温度差垂直分布总体表现为由地表向地下递减,即防护林对土壤温度的调节能力从地表向下逐渐减弱,且当土壤深度>80cm,各群落土壤温度与对照点土壤温度相差极小。比较三种防护林,乔灌草和乔灌群落能有效调节调节0~50cm土壤温度,且乔灌草群落调节能力较乔灌群落强(P<0.05),单一乔木群落能有效调节0~30cm土壤温度,但调节幅度显著小于前两种防护林类型(P<0.05)。表明乔灌草防护林能显著缓冲0~50cm土壤温度的剧变,维持温度稳定,这可能因为乔灌草群落中草本植物,如花花柴等,距离地表高度较低,枝叶繁多,覆盖度较大,较大程度地遮挡住了穿透乔灌木冠层的太阳辐射,有效地减少了热量的传递,维持了土壤温度的稳定。其次为乔灌防护林,单一乔木防护林仅能调节0~30cm土壤温度,缓冲作用最弱,调节幅度最小,这可能与其植被覆盖度过低有关。3.5横向有效防风距离冠层可以阻挡风力,降低近地层风速,而且防护效应是植物群落保障绿洲生产安全的关键因素。图6是距离防护林不同距离和不同高度的群落防风效应图。从不同高度的防风效应变化趋势来看,乔灌草防护林在1m以下的防护作用较高,这个高度正是草本层,尤其是密度和冠幅较大的花花柴分布的高度,1~2m时,防风作用逐渐减小,2~4m又开始增大,此高度是灌木和乔木冠层大量分布的高度,当超过4m后再次减小,因此,乔灌草防护林的有效防护高度为1m以下和2~4m之间;乔灌木和单一乔木防护林的防风效应随高度的变化趋势一致,1m以内防风作用较低,乔灌木和单一乔木防护林分别在2~4m和2~3m保持着较好的防护作用,之后随高度上升,其防护效应开始下降,这可能是因为乔灌木和单一乔木防护林在1m内没有草本层,灌木冠层集中在2~3m,大量乔木冠层主要分布在2~4m,对于高度较低的单一乔木防护林而言,当超过3m后乔木冠层稀疏,阻风能力有限,因此乔灌木防护林和单一乔木防护林的有效防护高度分别为2~4m和2~3m。比较三种防护林不同横向距离的防风效应,单一乔木防护林的防风效应在三种群落中最差,当横向距离超过40m后,防护效益低于20%,且随高度几乎不变,表明此时防风作用已不明显,可推断单一乔木防护林的横向有效防风距离为40m;乔灌木防护林在横向距离超过60m后,防护效应为20%左右,且随距离的增加变化不大,由此可判断,乔灌木防护林的横向有效防风距离为60m;乔灌草防护林在高度低于1m时,横向距离100m内的防护效应大于40%以上,表现出了较好的防护作用,高度超过1m时,横向距离在超过60m后,防护效应为20%左右,变化不大,表明乔灌草防护林在1m以下的横向有效防风距离可达100m,超过1m以上的横向有效防风距离为60m。研究区的绿洲主要农作物为棉花,其高度在1m左右,因此,乔灌草防护林可降低风沙对农作物的危害,有效保护农业生产。4增加土壤水分、改善土壤理化性质的作用(1)绿洲-荒漠过渡带防护林可提Z高群落内气温和相对湿度的稳定性;其中,三种不同类型防护林对气温和相对湿度的调节能力大小依次为:乔灌草防护林>乔灌防护林>单一乔木防护林,且乔灌草防护林的调节能力显著高于后两者。(2)乔灌草防护林0~30cm土壤水分含量显著高于乔灌和单一乔木防护林,且乔灌草及乔灌防护林0~100cm土壤盐分含量显著低于单一乔木防护林,同时乔灌草防护林更有利于增加0~50cm土壤有机质、全N、全P和20~100cm土壤全K的积累,因此能更有效地增加土壤水分、抑制盐分、增加养分,改善土壤质量。(3)乔灌草防护林较乔灌木和单一乔木防护林更能显著调节0~50cm土层的温度,维持土壤温度的稳定,利于植物根系和土壤中微生物的生理活动,并减少土壤表层水分蒸发,增加土壤湿度。(4)在有效防护高度上,乔灌草防护林的有效防护高度为1m以下和2~4m之间,乔灌群落的有效防护高度为2~4m间,单一乔木防护林的有效防护高度为2~3m;在横向有效防护距离上,乔灌草防护林在高度1m以上时横向有效防护距离为60m,在1m以内的横向有效防护距离可达100m,乔灌防护林的横向有效防护距离为60m,单一乔木防护林的横向有效防护距离为40m。综上所述,乔灌草防护林较乔灌木和单一乔木防护林可有效减弱