不同深度胡杨林对干扰格局下生态用水的影响

不同深度胡杨林对干扰格局下生态用水的影响

水资源是黑河下游额济纳地区经济可持续发展和生态环境建设的基础。如何稳定绿洲，使绿洲适度发展，是生态保护的中心问题。但是,近年来由于黑河下泄水量减少,以及过度放牧和人为破坏等干扰因素的存在,绿洲植被严重退化。植被的衰退使额济纳绿洲逐渐萎缩,各项生态功能不断减弱。因其特殊的地理位置与战略地位,额济纳绿洲的存亡具有重大的意义,恢复黑河下游额济纳生态系统具有很大的经济价值。在干旱(包括我国的华北、西北和青藏高原的绝大部分)、半干旱地区,土壤水分状况是植被生存和稳定的最敏感限制因子。胡杨林是在自然条件下形成的,它的发育与环境条件,特别是土壤水分状况有着极为密切的关系。同时,胡杨(Populuseuphratica)的繁殖方式为根蘖繁殖和种子繁殖,扦插难于成活。这是因为胡杨是浅根性树种,水平根系主要分布在20～60cm的浅土层,且以40～60cm范围最为集中。而浅层土壤中的水平根接近地表,透气性相对强,易于形成不定芽,产生根蘖苗。其埋藏于土层厚、透气性差的根系难于形成不定芽而萌生新植株,即使形成也难于穿透深厚的土层,远比浅层水平根系产生的根蘖苗少,成苗能力也差。胡杨的生长速度与地下水也有密切关系,地下水位为1～3m时生长旺盛,地下水位在4m以下时生长缓慢,地下水位降至6m以下时胡杨就会死亡。笔者从额济纳天然胡杨林分布区土壤水分含量近几年的动态变化入手,通过不同样地、不同林型、不同径级、不同时期、不同土层取样,实测得到天然胡杨林典型林型的土壤水分数据,并对土壤水分动态变化进行深入分析,旨在为天然胡杨林生态用水机理的研究提供基础性资料,并为今后胡杨林的恢复与可持续发展提供科学依据。1自然条件及试验地概况黑河流域下游额济纳绿洲位于黑河末端,属内蒙古自治区阿拉善盟额济纳旗管辖,总面积11.46万km2,总人口仅1.57万人。额济纳旗位于内蒙古自治区的西北端,地理坐标为97°10′～102°59′E,37°52′～43°39′N,海拔高度900～1000m(最低处820m),沿河地区地面坡降1/800～1/1000。该区为极端干旱的温带荒漠。气候特征是温差大,变化多,水量少,干燥,多风,冬季严寒,夏季酷热。年平均气温8.3℃,7月平均气温26.3℃,1月平均气温-12℃,极端最高气温43.1℃,极端最低气温-37.6℃。年温差和日温差较大。全年日照时数3171.2h以上,≥10℃积温达3694℃,年平均无霜期144d。年平均降水量41.3mm,最多年降水量103mm,最少年降水量仅有7mm,年平均蒸发量3706mm,湿润度1%。春季平均风速48m/s,冬季平均风速4m/s,年平均8级以上大风日数52d,年平均沙暴日数21d。主要植被分布有胡杨(Populuseuphratica)和沙枣林(Elaeagnusangastifolia)以及成片的柽柳林、梭梭(Haloxylonammosdendron)林和芨芨草(Achnatherumspenldens)滩、芦苇(Phragmitescommunis)滩、林间空地分布有苦豆子(Sophoraalopecuroides)、苏枸杞(Iyciumruthenicum)、甘草(Glycyrrhizauralensis)等。土壤类型主要为盐化草甸土、潮土(灰色草甸土)、盐土和风沙土,区内以砾石戈壁为主,间有砂砾戈壁,东部分布有沙漠。试验地分七道桥(2块样地)、二道桥和戈壁滩3个试验点,七道桥的2块样地设在额济纳胡杨林国家级自然保护区内,距额济纳旗达来库布镇东20km处,行政区域隶属吉日格朗图苏木,管护面积1333hm2。样地位于41°58′N,101°05′E,海拔高度930m,样地内分布着大小不一的沙丘,以10°～30°坡度居多,丘间低地有积水,主要生长胡杨(Populuseuphratica),伴生的树种有沙枣(Elaeagnusangastifolia)和柽柳,地被物多为苦豆子;二道桥试验样地,靠近达来呼布镇,位于41°58′N,101°05′E,海拔高度932m,成过熟龄胡杨居多,伴生树种有柽柳、沙枣等;无任何植被生长的戈壁滩,作为对照,样地位于41°59′N,101°01′E,海拔高度924m。2学习方法2.1被测物的含水量野外调查使用CMP管状土壤水分仪,它可自由测量土壤等不同被测物的不同深度剖面的含水量,其工作原理为根据探测器发出的电磁波在不同阶电常数物质中的反射不同,从而可以计算出被测物的含水量。2.2样地的土钻分别在七道桥、二道桥和戈壁滩设立3个试验点,根据不同地形、不同林型、不同林龄等共设固定样地4块。用土钻分各层取土,由于胡杨的根系分布情况等特点,所以在样地内用土钻分别取10、20、30、40、50、60cm深度处的土样,并根据经验及比色卡判断每个深度土样的土壤类型和比色湿度;用CMP管状土壤水分仪测量不同深度土壤含水量,利用探头测量不同深度的土壤中的水分亏缺(D)值,并分析各样地不同深度处的土壤质地类型,通过校正软件得出不同深度所属的校准类型。2.3处理数据利用Excel对观测数据进行统计分析,计算出各土层土壤含水量的平均值(表1),并绘制出相应的图表。3结果与分析3.1不同深度土壤水分变化的规律将1号样地七道桥中径级胡杨林(下被植物为沙枣)、2号样地七道桥小径级胡杨林(下被植物为苦豆子)、3号样地二道桥大径级胡杨林(下被植物为苦豆子)、4号样地戈壁滩(无植被生长)4个样地作不同林型的土壤水分含量对比(图1)。从土壤水分的垂直变化动态来看,4个样地总的特点是:①表层土壤含水量最低。通过分析表层土壤质地,发现表层土壤多由干沙层构成,由于干沙层蒸散迅速且蒸散量大,使得表层土壤含水量最低;②10～30cm土壤含水量随土壤深度的增加而增加,且变动较大。经过2003、2004、2007年3年的调查发现,干沙层厚度变化在10～30cm,最高可达40cm。该层在降雨之后土壤含水量迅速升高,但在降雨量小于10mm时,水分很快就被大气蒸发消耗掉,因此,含水量变动很大;③在30～60cm土层内,随着土层深度的增加,土壤含水量随土壤深度增加逐渐增大,但变化平缓。从土壤水分的垂直变化动态来看,4个样地的不同点为:①2、3号样地土壤含水量明显高于1号样地,2、3号样地的林型为苦豆子—胡杨林,1号样地的林型为沙枣—胡杨林,土壤结构的不同是原因之一,2种林型耗水量的差异也是导致土壤含水量曲线高低变化的另一原因,沙枣-胡杨林的保水作用主要表现在表土层,对心土层则起耗水作用。②10～30cm深度内,1、2、3号样地比无植被的4号样地土壤水分含量高,这是由于植被在土壤表层起到保水作用,而戈壁滩没有植被,其土壤表面蒸发量大于前3者的地被植物蒸腾作用所消耗的水分,所以导致戈壁滩土壤表面的含水量最低。③30～60cm深度内,戈壁滩土壤含水量明显高于其他3个样地的土壤含水量,这不仅是因为戈壁滩上表层干沙层可以阻碍深层土壤水分的散失,有利于水分的保存,另外深层土壤含有黏粒,结构紧密,也使土壤保水效果良好;而其他几个样地在该深度范围内都有不同程度的植物根系分布,因而部分水分会通过植物蒸腾作用消耗,总体就会比戈壁滩的消耗明显增大。3.2土壤水分变化由图2可知,2号样地小径级胡杨林(下被植物为苦豆子)与3号样地大径级胡杨林(下被植物为苦豆子)土壤含水量相对较高,而1号样地中径级胡杨林(下被植物为沙枣)的土壤含水量相对较低。这是因为,一方面中径级胡杨的生长旺盛,新陈代谢快,根系吸水量大,而小径级与大径级胡杨的生长相对较弱,根系吸水量相对较少,导致了1号样地七道桥中径级胡杨土壤含水量比2号样地七道桥小径级胡杨与3号样地二道桥大径级胡杨的土壤含水量低。另一方面,2号样地七道桥小径级胡杨林地处丘间低地,河水积存较多,土壤得到水分比较多,地下水位较其他地区也高,土壤水分可沿毛细管上升到土壤表层,使整个土壤剖面处于湿润状态,即使胡杨幼苗根系很浅,也能够得到足够的水分,以保证它的生长和发育需要;3号样地二道桥大径级胡杨生长区域属河漫滩,离河道很近,河道渗水和水面冲刷使得土壤含水量高;土壤水分最低的1号样地七道桥中径级胡杨林地处自然保护区深处,即使是黑河放水能够到达的水量也很小,且地下水对土壤表层的补给很弱,但由于胡杨青壮林根系深达2～4m,能利用一定深度的土壤水分,由此保证了胡杨的生长。3.3不同季节和不同放水量、不同水分含量的土壤水分变化选择土壤含水量较高的2号样地七道桥小径级胡杨林(图3)和3号样地二道桥大径级胡杨林(图4)作分析,对2003、2004、2007年的土壤含水量进行对比研究。测定结果(图3、4)表明,土壤含水量由高到低的年份依次是2004、2007和2003年。其主要原因是5月份为土壤水分积累期,植物蒸散与土壤蒸发需水量少,土壤含水量会有一定幅度的增加;而7月份为土壤水分消耗期,植物进入生长盛期,蒸发量大,虽然有一定量的降雨,但由于植冠截留与地表结皮的阻碍,沙漠中水分向下湿润的深度一般较浅,通常在降雨以后土表立即开始蒸发,土壤含水量会有一定幅度的下降;8月末植物生长趋于缓慢,植物蒸发散热减小,相对于7月份来说土壤含水量有所增加。此外,3年中每年黑河的放水量也逐步增加,2003年放水量最少,所以土壤含水量最小,由此也可看出近年来国家对绿洲生态环境越来越重视。总体来讲,该区土壤含水量有逐年下降的趋势,全球气候变化影响下,胡杨的生存环境越来越严峻。4有植被的土壤含水量高,存在着将其作为一种因素(1)不同样地的土壤含水量变化有共同点也有不同点。相同点是表层土壤含水量最低,随着土壤深度的增加,土壤含水量增加,且0～30cm之间变化较大,30～60cm之间变化平缓,分析原因为表层干沙层蒸散迅速且量大,使得表层土壤含水量最低,变化较大。不同点是2、3号样地土壤含水量明显高于1号样地土壤含水量,土壤结构的不同是原因之一,2种林型耗水量的差异也是导致土壤含水量曲线高低变化的另一原因;10～30cm深度内,有植被的1、2、3号样地比无植被的4号样地土壤水分含量高,这是由于植被在土壤表层的保水作用而引起的差异;而30～60cm深度内,4号样地土壤含水量明显高于其他3个样地的土壤含水量,这是由于前者在30～60cm内有植物根系分布,由于植物蒸腾作用消耗,总体会比戈壁滩的消耗大些。(2)不同径级胡杨林土壤含水量变化曲线表明,小径级胡杨林与大径级胡杨林土壤含水量相对较高,而中径级胡杨林的土壤含水量相对较低。原因是一方面中径级胡杨的生长旺盛,根系吸水力大,土壤含水量就小;另一方面是各自的区域环境特点不同。(3)不同时期胡杨林土壤含水量的变化表明,胡杨的生存环境越来越严峻。一方面,由于胡杨在不同月份的生长阶段不同,根系吸水量不同