辽西北地区沙地不同植被植物水分亏缺度与补偿度时空分布

辽西北地区沙地不同植被植物水分亏缺度与补偿度时空分布

辽西北沙带是科尔沁沙带的一部分。辽西北沙地生态环境和植被恢复是辽宁省和谐社会建设的重要组成部分，也是中国东北老工业基地的重要环境保护。从20世纪50年代以来,国家及辽宁省投入了大量的人力物力财力治理辽西北沙地,营建大面积人工林,50多年来取得了显著成绩,但也带来一些严重的隐患,地下水位明显下降,植被退化严重,樟子松人工林大面积死亡等等。在半干旱沙地,水分是农牧业生产和植被恢复的主要限制因子。土壤既是水的载体也是植被的载体,植物为了生存需要不断地从土壤中吸收水分和养分,进行各种生理生化反应,满足自身的生长和需要,而天然降水量以及土壤水分补给深度和总量有限,土壤本身也不断地通过蒸发来散失水分,导致在北方少雨地区草地上出现以土壤旱化为主要特征的土壤退化现象,特别是以土壤水分的持续性严重亏缺为特征的人工植被土壤干化问题正在日益严峻地威胁着我国北方广大地区人工林的生存与持续发展,成为制约这一地区人工植被建设的主要瓶颈。在干旱半干旱地区,天然降水是土壤水分补给的主要来源,同时,植物水分补偿度是降雨与植物水分亏缺程度的反映,植物水分亏缺度越高,补偿度越大。近年来,围绕土壤水分与降雨之间的关系以及土壤水分与植被适宜性等成为很多学者关注的热点问题。然而,关于不同植被区域土壤水分亏缺程度、极限及补偿的时空特征研究还很少。本文通过分析不同植被区生态系统水分消耗与补偿规律,探索辽西北沙地雨养植被建设的可行性,为生产提供理论依据。1基地生产单位年降水量4.定位观测区(122°32′E,42°42′N)位于辽宁省风沙地利用改良研究所章古台试验基地,该研究基地位于辽宁省阜新市彰武县境内,往北距内蒙古哲里木盟科左后旗甘旗卡镇30km,往南距彰武县城40km。自然区域属于科尔沁沙地东南部边缘,也是西辽河平原的边缘地带,海拔高度345.1m,年平均气温6.82℃,极端最低气温-33.4℃,极端最高气温43.2℃,平均气温变化幅度在4.9~6.7℃.平均空气湿度60.4%,年降水量450mm左右,年均蒸发量为1590mm,为降水的3.2倍,全年降水量的69.6%集中在6,7,8三个月,全年平均风速3.33m/s,风速大于3m/s的日数平均为160d,风速大于10m/s的日数为10d,风速大于8m/s的日数25d,而起风沙的风速5m/s全年达240多次,无霜期145~150d,≥10℃活动积温3468℃,是典型的北方风沙半干旱地区。基地土壤属于风沙土,植被属内蒙古植被区系西辽河小区,以抗旱性较强的沙生植物为主。代表性植物有色木(Acermono)、山里红(Crataeguspinnatifida)、家榆(Ulmuspumila)、大果榆(Ulmusmacrocarpa)、山杏(Arnemiacasibirica)、胡枝子(Lespedezabicolor)、小黄柳(Salixgordejevii)、差巴嘎蒿(Artemisiahalodendron)、中华隐子草(Cleistogeneschinensis)等。2学习方法2.1试验地与试验材料土壤水分动态监测在2008年4-10月进行,从土壤完全解冻后的4月25日开始,到土壤开始上冻的10月25日截止。选择辽西北沙地主要的植被作为研究对象,分别以樟子松纯林(2m×2m,林龄30年)、油松纯林(4m×4m,林龄43年)、杨树纯林(2m×4m,林龄9年)、樟子松杨树混交林(4m×4m,松树44年生,杨树9年生)、山杏灌木林(1m×2m,林龄5年)、榆树疏林(天然野生)为试验地,荒草地作为对照试验地。每一林地以标准株树干为中心,以60cm为半径作一个圆形,在圆周上等距离取3个样点(3个样点连成一个等边三角形),测定深度200cm,每10cm深度取样1层,每层3个重复。采用土钻取土烘干法测定土壤重量含水量。土壤贮水量计算公式为:W=10×M×R×H式中:W——贮水量(mm);M——土壤含水量(%);R——土壤容重(g/cm3);H——土层深度(cm)。2.2植物水分亏缺补偿与恢复的关系辽西北沙地沙层深厚,地下水位很低,降雨是试验林地土壤水分的唯一来源,在自然状况下,人工林地土壤干层的补偿与恢复取决于天然降雨与土壤水分的蒸散消耗。对植物生长而言,田间持水量的60%是植物生长的最适宜含水量,低于这一含水量,植物生长就会产生一定的胁迫,或者说植物水分亏缺,我们采用植物水分亏缺度和植物水分亏缺补偿度,来分析试验地植物土壤水分亏缺的补偿与恢复,它们的关系表达式分别为:植物水分亏缺度:DPW(%)=Da/Fc×100%,其中Da=0.6Fc-Wc式中:Da——植物水分亏缺量(mm);Fc——土壤田间持水量(mm);Wc——土壤实际储水量(mm)。植物水分亏缺补偿度:CPW(%)=ΔW/Dac×100%,其中ΔW=Wcm-Wcc,Dac=0.6Fc-Wcc式中:ΔW——雨季末土壤储水增量(mm);Wcc——雨季初土壤实际储水量(mm);Wcm——雨季末土壤实际储水量(mm);Dac——雨季初土壤储水亏缺量(mm)。3结果与讨论3.1不同植被类型中植物的水分亏缺度图1是不同乔木林地0-200cm土壤储水亏缺变化情况,从图中可以看出,不同乔木林地,植物水分亏缺度在全年的变化趋势大体一致,即从4月份开始,植物水分亏缺度逐渐降低,到7月份为全年的最低点,荒草地的植物水分亏缺度在最低点接近15%,然后又开始逐渐上升,上升到10月的高点位。这个规律和该地区全年的降雨规律几乎一致。在雨季,植物水分亏缺度得到明显的缓解,但几种植被类型的植物水分亏缺度,不论是雨季还是非雨季,都在15%以上,最高的达到45%以上,要使植物正常生长,必须及时补充水分或者采取措施及时调控植物密度。荒草地的水分亏缺度大部分时间在25%上下波动,在雨季植物水分亏缺降到了全年的最低点,也是所有植被类型中植物水分亏缺度最低的。樟子松纯林地的水分亏缺度最高,到7月份随着降雨量的增加,水分亏缺度也有一定的下降,但仍然在30%以上,最高月份的水分亏缺度超过45%,处于水分极度亏缺的状态。油松纯林林地水分亏缺度有点出人意料,在几个主要乔木林地水分亏缺度最低,这可能和油松林龄大、密度小有关系,但测定时发现130-150cm层次土壤异常坚硬,正常情况下树木根系很难突破这个层次,目前还不能断定水分亏缺度高低是否和该层次的存在有一定关系,有待今后作进一步研究。杨树纯林林地的土壤水分亏缺度介于油松纯林地和樟子松纯林地之间,这与杨树树龄相对较小有很大的关系,随着树龄的增大,这种水分亏缺和水分补给的矛盾肯定会继续加剧,对杨树纯林的经营要引起足够的重视,如果密度不进行适当调整,可能会引起杨树林的衰退,从而形成杨树小老头林。图2是0-200cm两种灌木的水分亏缺度变化情况,从图中可以看出,两种灌木林地的水分亏缺度的走势大致相当,呈“V”字形波动,7月份水分亏缺度最低,4月和10月亏缺度最高。全年所有月份的水分亏缺度在30%以上,两种灌木林地植物水分亏缺度明显地高于荒草地,和上述的乔木林相近。因此,在半干旱的沙地,一味强调栽植灌木似乎也不可行。密度问题或许是问题的关键,乔木密度小,灌木密度大,对土壤水分的消耗起到了相同的作用。在经营管理的过程中,控制好植物密度才是土壤水分能否恢复的关键。榆树疏林地,10月份的水分亏缺度高于4月份,说明在当前的降雨条件下,降雨已不足以维持榆树疏林地所需要的水分,如果没有及时的水分补充,水分亏缺会继续加剧,土壤储水量还将继续减少,表明天然的榆树疏林密度并不是最合理的密度,继续保持该密度则会造成土壤水分的逐年减少、地下水位的逐年降低。5年生的山杏林地,10月份的水分亏缺度低于4月份,林地土壤水分有所恢复。而荒草地的土壤水分亏缺度从4月份的接近35%降低到10月份的近25%,土壤水分储量大幅度地增加,这对整个沙地土壤水分的恢复起到促进作用。3.2土壤水分补偿土壤水分亏缺补偿是降雨入渗补给与系统耗水共同作用的结果,弄清不同植被条件下林地土壤水分补偿的作用,有助于采取合理的技术措施,促进林地土壤干层的恢复。荒草地条件下,从4月下旬0-200cm土壤储水量176mm增加到10月底的226mm,除满足草本植物正常生长所需要的水分外,对土壤水分也有一定的补偿作用(表1),补偿度达到21.42%,高于所有林地的土壤水分补偿。松杨混交林地,从90mm增加到133mm,松杨林地土壤水分补偿度达到14.83%。樟子松林地、油松林地、榆树疏林地土壤水分只有几毫米的增加,山杏林地也只有17mm的增加量,这点水分在干燥的冬季和大风的春季可能很快就会流失。而杨树纯林地,不但对土壤水分没有补偿,相反,还将土壤以前储存的部分水分利用。除荒草地、松杨混交林地外,如果冬季降雨不能有效补充土壤水分,那么植物的退化将不可避免。另外,从补偿度高低也可以看出,混交林受到的水分胁迫好于纯林,山杏灌木林好于樟子松纯林、杨树纯林、榆树疏林,另一方面也可以看出山杏的抗旱性要大于另外几个树种。3.3不同深度土壤水分变化图3是4-10月乔木林地植物水分亏缺度的平均值,从图中看出,乔木林地植物水分亏缺度在垂直方向上具有不均匀性。各林地在垂直方向上植物水分亏缺的差异性虽然较大,但有共同特征:表层水分亏缺度较低,深层水分亏缺度最高。樟子松纯林地,水分亏缺在表层较低,然后随着深度的增加水分亏缺度有一个小的升高,随即下降,最低水分亏缺度出现在30-40cm层次,以后随着深度的增加,水分亏缺度逐渐增大,到90cm的深度后,水分亏缺度达到最大并保持稳定的程度。油松纯林,表层水分亏缺度最低,以后随着深度的增加逐渐增大,到90cm达到30%以上并且保持稳定,在130cm后开始有一个下降的过程,这可能与油松纯林地的土壤硬层有一定的关系,160cm以后又开始逐渐增大,并达到最大,总体来说,从表层到200cm层次,水分亏缺度是上升的过程。而杨树纯林地水分亏缺度在表层最低,然后随着深度的增加而急剧增大,在30-40cm层次达到40%,表明杨树表层根系相当发达,吸收了大量的表层水分供植物生长,随后随深度的增加,水分亏缺缓慢地降低,在100cm以后又开始缓慢地上升,达到水分亏缺的最高点。松杨混交林的表现和杨树纯林的走势大体一致。总之,沙地的几种乔木林地,除油松林有土壤硬层的影响外,水分亏缺度在100cm以下都是逐渐升高的,表明100cm以后降雨不能补充到这个深度,而地下水又较低,乔木的根系分布有很大部分是在100cm以下的,因此,深层土壤水分亏缺要远远地高于100cm以上的层次。灌木林地土壤水分在垂直方向上有自己的特点(图4),两种灌木林地的水分亏缺走势非常相似,都是两头低,中间高,在20-40cm层次达到最大值,由于两种灌木的根系主要分布在20-50cm这个层次,因而,虽然有降雨的补充,但水分亏缺度仍然很高,都超过了40%,以后随着深度增加,水分亏缺度开始缓慢地下降,在一定深度保持稳定不再降低。土壤水分补偿度是降雨与土壤亏缺程度的反映,从图5中可以看出,除对照的荒草地外,其他几种乔木林地的水分补偿度表现基本一致,表层的补偿度最低,随深度的增加,补偿度急剧上升,40cm以后变化比较平缓。表层受土壤蒸发和植物蒸腾两方面的影响,因而补偿度最低,而且都在0以下,说明表层水分的补偿量小于消耗量,表层土壤水分将继续恶化。10-50cm层次,水分补偿度取决于降雨和蒸发两方面大小比较,同时这个层次根系比较集中,植物水分亏缺度比较大,因而水分补偿度也较大。50cm以后,一方面由于植物蒸腾带走了部分土壤水分,另一方面这些层次受降雨的影响越来越弱直至停止,因此水分补偿度缓慢下降直至保持稳定。110cm以后,随着根系分布的减少,植物水分补偿度开始保持稳定,其中,樟子松林地和杨树林地的土壤水分补偿量小于10%,其它几种的土壤水分补偿量在20%~30%之间。从灌木林地的水分补偿度空间变化可看出(图6),在表层水分补偿度较低,随着深度的增加,补偿度也逐渐增加,在30-40cm层次,补偿度较高。随着深度增加补偿度保持稳定,在140cm深度后,两种灌木林的补偿度出现分化,山杏林在140cm后,补偿度逐渐增加,160-170cm补偿度达到最高,超过20%,随后又缓慢下降直至保持稳定。而天然榆树疏林地,在140cm后,补偿度逐渐降低,变化幅度在0附近,即整个降雨季节后,该林地深度水分没有任何的补偿。因此,天然榆树疏林地的植被密度,是环境容量的最大体现,而非环境容量的最适宜体现。4不同的土壤水分,主要有破(1)不同植被,植物水分亏缺度不同,荒草地在所有的植被中植物水分亏缺度最小,大部分时间在25%以下。油松纯林地在乔木林地中植物水分亏缺度最小,亏缺度大部分时间都在30%以下。杨树林地高于油松林地,而樟子松林地最高。除油松林地稍好以外,其它几种乔木林地处于水分极度亏缺的状况。乔木林和灌木林地水分亏缺度大致相当。如果要保持土壤水分不再继续恶化,水分补充是必要的,否则,就要考虑使林分控制在合理的密度范围内。(2)降雨是半干旱地区非常重要的水分来源,除满足植物正常生长所需