古尔班通古特沙漠原生梭梭根区土壤水分变化特征解析

应用生态学报 2011年7月第22卷第7期ChineseJournalofAppliedEcology,Ju.l2011,22(7):1711-1716
古尔班通古特沙漠原生梭梭根区土壤水分变化特征杨艳凤
11,2,3* 周宏飞1,3** 徐利岗
41,4(中国科学院新疆生态与地理研究所,乌鲁木齐830011;外科学观测研究站,新疆阜康831505;2中国科学院研究生院,北京100049;3阜康荒漠生态系统国家野宁夏水利科学研究所,银川750001)
摘要研究原生梭梭根区土壤水分动态变化对深入理解古尔班通古特沙漠水文过程与植
被的相互作用具有重要意义.2007年8月至2008年7月,利用TDR土壤水分测定系统测定
古尔班通古特沙漠南缘梭梭林地的土壤体积含水量,分析梭梭根区土壤水分时空分布及其变
化规律.结果表明:梭梭根区土壤存在湿岛效应,根区60cm土层水分储量是裸地的1 49
倍,这种差异夏季比春季、降雨后比降雨前明显.春季积雪融化后,古尔班通古特沙漠土壤水
分最丰富,而冬季的土壤水分含量最低.土壤水分年内变化可分为春季(3 5月)土壤水分迅
速补充消耗期、夏秋(6 9月)土壤水分缓慢消耗期和秋冬(10月至次年2月)土壤水分稳定
期.经小波计算,根区和裸地土壤水分含量分别出现43d、40d的小周期和110d、103d的大
周期.树冠的遮荫和自集水效应,以及根区土壤良好的渗透性是梭梭根区土壤水分相对丰富
的主要原因.
关键词土壤水分梭梭根区湿岛古尔班通古特沙漠
文章编号 1001-9332(2011)07-1711-06 中图分类号 P426.68;Q142.3 文献标识码 A DynamicvariationsofsoilmoistureinHaloxylonammodendronrootzoneinGurbantunggut1, 2,31,31,41Desert.YANGYan feng,ZHOUHong fei,XULi
gang(XinjiangInstituteofEcology&2Geography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi83 0011,China;GraduateUniversityofChinese3AcademyofSciences,Beijing100049,China;N ationalFukangDesertEcosystemFieldSciencesOb
4servationandResearchStation,Fukang831505,Xinjiang,China;NingxiaInstituteofWater Con
servancySciences,Yinchuan750001,China). Chin.J.Appl.Ecol.,2011,22(7):1711-1716. Abstract:TounderstandthedynamicvariationsofsoilmoistureintherootzoneoforiginalHalo xy lonammodendronlandisofsignificanceforfurtherunderstandingtheinteractionsbetweenhy drolog
icalprocessesandvegetationsintheGurbantunggutDeser.tByusingTDRprobessystem,this papermeasuredthevolumetricsoilmoisturecontentinH.ammodendronlandinthesoutherned ge
ofGurbantunggutDeser,tandanalyzedthespatiotemporaldistributionofsoilmoistureinthero ot
zoneofH.ammodendroninAugust2007-July2008.Thereexisted wetisland effectinH.am modendronrootzone.The0-60cmsoilwaterstorageintherootzonewas1 49timesofthatin bareland.Suchadifferencewasgreaterinsummerthaninspringandafterrainfallthanbefore rainfal.lThesoilmoisturecontentintheDesertwastherichestinspringaftersnowmeltingandth e
lowestinwinter,anditsannualvariationcouldbedividedintothreeperiods,i.e.,quicksupple ment
consumptionperiodinspring(fromMarchtoMay),slowconsumptionperiodinsummerand autumn(fromJunetoSeptember),andstableperiodinwinter(formOctobertonextFebruary). Basedonwaveletanalysis,thesoilmoisturevariationinH.ammodendronrootzoneandbarelan d
hadashortcycleof43and40daysandalongcycleof110and103days,respectively.Therela tivelyrichsoilmoisturecontentinH.ammodendronrootzonecouldbemainlyduetothestemflo w
watercollection,treecanopyshading,andthebetterwaterpercolatingcapacityinrootzone. Keywords:soilmoisture;Haloxylonammodendron;rootzone;
wetisland ;GurbantunggutDes
er.t
*国家重点基础研究发展计划项目(2009CB421301)、国家杰出青年科学基金项目(40725002)和国家国际科技合作项目(2010DFA92720)资助.
**通讯作者.E mai:lzhouh@ 12 .
1712 应用生态学报 22卷
梭梭(Haloxylonammodendron)广泛分布于我国北方干旱荒漠地区,是重要的防风固沙植物.原生梭梭林地土壤水分动态研究是北方沙漠地区水分循环研究的重点领域,
对深入探讨沙漠地区水文过程及其与植被的关系具有重要意义.土壤水分是影响植被生长及其分布格局的重要生态因子
[1]
成,整个沙漠面积95%以上的土壤为风沙土,表层土以中、细沙颗粒为主的松散物质组成.沙漠及其边缘地区以固定、半固定风沙土为主,多以垄状沙丘为主.沙垄顶部的半流动风沙土和垄间平缓低洼地风沙土成状性良好,其物理特性和颗粒组成差别较大,平缓低洼地沙土多为粘粒和粉砂,而沙丘上几乎不含粘粒;从渗透特性来看,沙垄顶部的稳渗率是垄间平地的3~6倍.植被类型是以梭梭为主要建群种的荒漠植被群落,主要植物物种有梭梭、白梭梭(Haloxylonpersicum)、沙蒿(Artemisiaarenaria)、角果藜(Ceratocarpusarenarius)、叉毛蓬(Petrosimonia
[17]
sibirica)以及众多的短命植物.1 2 试验布置
试验布设在位于古尔班通古特沙漠南缘的中国科学院阜康荒漠生态站北沙窝实验区内,地理坐标44 22 N、87 55 E,海拔460m;土壤质地属粉砂土,具有良好的层状性,粘粒、粉粒和砂粒各占3 5%、24 9%和71 6%,土壤容重为1 57g -3-2cm,梭梭密度为530株 hm.
2005年设置沙漠土壤水分动态观测场,利用中子土壤水分仪监测沙垄和垄间的土
壤水分动态变化,利用TDR系统监测梭梭周围土壤水分的时空动态变化.选择长势良好的梭梭1株,冠幅为205cm 210cm,在其周围安装一套TDR100土壤水分自动观测系统(Campbell公司,美国),土壤水分探头型号有CS605和CS610两种,探头安装采用开挖剖面水平插入方式(图1),分别在距梭梭基干水平距离20、50、100、150、200和300cm处设置6个土壤水分探头安装剖面,20、50cm和大于100cm的垂直剖面上分别安装9个(安装深度10、30、50、70、100
、
[16]
.它控制植
被组成与结构,同时植被又对土壤水分动态变化产生反馈.针对沙地土壤水分及其与植被结构相互作
用关系研究已被广泛关注与重视,并取得了一系列成果.国内外学者从沙地土壤水分分布规律
[4-5]
[2-3]
、植
被结构对土壤水分的影响、不同植物根区土壤
[6]
水分入渗特征等方面进行了深入研究.然而,关于梭梭林地土壤水分时空分布规律方面的研究更多集中在黑河流域
[11]
[7-9]
、塔里木沙漠公路防护林
[12]
[10]
、
库布齐沙漠、乌兰布和等区域的人工梭梭林,
对自然生长状态下梭梭土壤水分状况研究比较薄弱.并且,以往研究多针对生长季
节进行试验,观测时间较短;在空间尺度上,针对灌溉与非灌溉的人工种植梭梭林地水量平衡研究的取样深度较浅,研究自然生境梭梭根区和裸地土壤水分的差异较少.针对古尔班通古特沙漠不同部位土壤水分时空分布及其植被的影响研究由于缺乏长时间序列的连续观测数据,没有对年内的变化特征进行探讨.
本文以古尔班通古特沙漠南缘自然生长的梭梭林地为对象,通过在梭梭周围一定范围和不同土层埋置TDR土壤水分探头获取长系列土壤含水量数据,研究梭梭影响下的沙地土壤水分时空变化规律,旨在进一步认识荒漠生态系统中植物与水分的关系,为退化荒漠生态系统植被恢复中生态需水配置提供科学指导.
1 研究地区与研究方法
1 1 研究区概况
古尔班通古特沙漠(44 11 46 20 N,84 31 90 00 E,海拔450~600m)地处新疆北部准噶尔盆地中部,是中国最大的固定、半固定沙漠,
42
面积4 88 10km,沙丘相对高度20~30m.该地区温带干旱气候,夏季干燥炎热、冬季寒冷,年均气温6 6 .年均降水量90~150mm,降水多集中在4 9月;冬季稳定积雪日数100~160d,最大积雪深度在20cm以上,年潜在蒸发量约2000mm,地下水埋深多在30m以下,很难为沙漠植物所利用.由降水转化的土壤水分是古尔班通古特沙漠的
主要水分来源.古尔班通古特沙漠土壤主要由中、细砂组
[13-15]
图1 梭梭根区TDR探头布置图
Fig.1 ArrangementofTDRprobesinthesoilprofileofHalox ylonammodendron.
7期杨艳凤等:古尔班通古特沙漠原生梭梭根区土壤水分变化特征 1713
150、200、250和300cm)、6个(安装深度10、30、50、70、100和150cm)和3个TDR探头(安装深度10、30和50cm);另外,在附近空旷裸地安装2个垂直插入(可测量表层0~20cm平均土壤水分)的TDR探头,作为对照.1 3 数据获取
为避免开挖安装对根系和原始土壤的扰动影响,本文选择安装观测2年后的2007
年8月至2008年7月数据进行分析.TDR系统每30min采集一次数据.试验区内另安装有自动气象站(Campbell公司)一套,包括降水、气温、辐射、风速、风向等参数,试验时段内,试验区平均气温2 6 ,总降雨量为182 2mm,最大次降雨量25 3mm.土壤温度和降水等数据来源于阜康荒漠生态站设在试验区内的长期气象观测资料.1 4 数据处理
采用Origin8 0和MATLAB7 0软件进行数据分析.利用MATLAB7 0对数据进行
小波分析,利用Origin8 0软件作图.2 结果与分析
2 1 梭梭根区土壤水分年变化
由图2可见,2007年8月至2008年7月,梭梭根区和裸地0~60cm土层平均土壤体积含水量动态变化过程及变化趋势相似,全年根区土壤水分含量均明显高于裸地,随着降雨事件的发生,土壤水分出现较大幅度波动.土壤水分年内变化按土壤含水量大小和变幅大致可以划分为3个阶段 1)春季土壤水分迅速补充消耗期.这一时期是一年中土壤水分最丰富的时期,开始于积雪融化后的2月下旬至3月上旬,结束于大部分短命植物结束生命周期的5月中下旬,冬季积雪融水以及春季降雨的水分迅速补充到沙漠土壤中,为沙漠中的主要建群种荒漠灌木梭梭以及短命植物和1年生植物的萌发提供了丰富的水分条件.随着气温上升、沙漠植物耗水增加,土壤水分迅速减少,这一时期的沙漠植物供水充分,梭梭耗水与土壤水分具有显著的相关性
[18]
图2 古尔班通古特沙漠梭梭根区(a)和裸地(b)土壤含水率年变化(2007 08 2008 07)Fig.2 AnnualvariationforvolumetricsoilmoisturecontentinHaloxylonammodendronroot zone(a)andbareland(b)ofGuerbantunggutDesert(2007 08-2008 07).
P:降水量Precipitation;S:土壤温度Soiltemperature.
2)夏秋土壤水分缓慢消耗期.开始于5月下旬至6月上旬,结束于9月下旬至10月上旬沙漠植物生长期结束,这一时期沙漠植物耗水普遍受土壤水分条件制约,总体上土壤水分呈缓慢减少趋势.期间,土壤水分受降雨补给,会有波动变化,但受强烈的蒸发作用影响,土壤水分会迅速下降到雨前状况.这一时期,沙漠植物生长几乎消耗了全部土壤有效水分.3)秋冬土壤水分稳定期.开始于入冬降雪后的10月中下旬,结束于冬季积雪融化时的2月下旬,这一时期,土壤蒸发微弱,由于地表积雪覆盖,土壤
冻结,无水分补充土壤,土壤水分变化很小,并且一直维持较低的土壤水分水平,是年内土壤水分最低时期.2 2 梭梭根区土壤贮水量的季节变化
从距离梭梭树干不同水平距离的5个土壤剖面0~60cm土层不同时期的土壤储水量值(表1)可
.
表1 不同季节梭梭根区土壤垂直剖面平均土层贮水量
Table1 SeasonalaveragesoilwaterstorageindifferentrootzoneprofileofHaloxylonammodendron( mm)
季节Season春季Spring夏季Summer秋季Autumn冬季Winter
裸地Bareland44 236 534 927 5
距树基干距离Distance(cm)
20063 248 647 338 0
15073 660 658 039 8
10070 760 759 537 6
5066 958 153 238 3
2060 647 545 436 3
标准差SD10 59 69 24 4
平均值Average55 745 943 931 7
变异系数CV(%)
19212114
1714 应用生态学报 22卷
以看出,根区土壤各剖面土壤水分储量均大于裸地,距树干200cm范围内根区的5个剖面0~60cm土层平均土壤水分储量是裸地的1 49倍,其中冬季为1 38倍,春、夏、秋季均为1 51倍,同样,根区土壤水分年内变化幅度也大于裸地.其中,春季土壤水分储量大于其他各季,冬季最小.夏季和秋季的变幅(CV值)最大,春季次之,冬季最小(表1).2 3 降雨后梭梭根区土壤水分动态变化
从1次降雨(8月21日18:00 0:00,降雨量2 8mm)前后土壤含水量垂直变化图(图3)可以看出,根区土壤含水率的增幅均大于裸地.降雨前的8月12日,根区0~20cm、20~40cm和40~60cm的土壤含水量比裸地相应深度的土壤含水量分别高29%、36%和37%,而降雨后的8月24日,根区土壤相应深度土壤含水量比裸地分别高28%、40%和44% 一次2 8mm的降雨可以使根区0~60cm土层的土壤含水量比裸地提高3 3%.另外,由于古尔班通古特沙漠81 1%的降雨事件是5mm以下的降雨,裸地上的降雨几乎不可能入渗到60cm以下土层;但在根区,由于树干径流的富集作用以及根区土壤良好的渗透性能,小降雨事件也可以使雨水入渗到60cm以下的深层土壤,而根区实际土壤水分的增幅更大.
这说明树干径流的自集水作用可以使梭
梭根区土壤得到更多的雨水,在梭梭根区形成湿岛 ,为梭梭抵御干旱储存更多的水分.这也是梭梭成为古尔班通古特沙漠主要建群种的重要水分成因.
2 4 梭梭根区土壤水分变化周期小波分析
小波分析能将时间序列分解成交织在一起的多尺度成分,可以对信号进行多时间尺度分析并能聚焦到所研究对象的任意细节上,小波变换的时频局部化优势可以准确地找到时间序列的大小时间尺度(周期)和突变点所在位置.
对2007年7月 2008年8月土壤表层(0~20cm)日体积含水量进行小波分析,从图4可以看出,土壤水分的年内变化存在明显的周期.根区表层和裸地表层趋势一致,小周期分别为43d和40d,大周期分别为110d和106d.
由于梭梭根系在土壤表层(0~20cm)分布相对较少
[20]
[19]
,对表层土壤水分含量的变化影响不大,
而树冠对根区土壤的遮蔽在一定程度上减缓了地表土壤水分变幅,使根区表层土壤水分变化周期比裸地略长.但深层没有出现明显的周期变化这一方面因为深层土壤水分变化更缓慢,另一方面,由于数据系列不够长,无法找出更长周期.从现有的土壤水分监测数据来看,当年补充的水分基本在当年消耗完,
冬季土壤含水量接近植物能够利用土壤水分的
图3 梭梭根区(a)和裸地(b)降雨前后土壤水分动态Fig.3 DynamicsofsoilwatercontentinHaloxylonammoden
dronrootzone(a)andbareland(b)beforeandafterrainfal.l
图4 梭梭根区(a)和裸地(b)土壤含水量小波方差图Fig.4 WaveletvarianceforsoilwatercontentinHaloxylonam
modendronrootzone(a)andbareland(b).
7期杨艳凤等:古尔班通古特沙漠原生梭梭根区土壤水分变化特征 1715
下限,即凋萎土壤含水量,土壤水分存在年周期变化.
研究时段内,较大的降雨发生在2007年8月12日、9月23日、10月24日和2008年3月11日、4月18日、5月25日,间隔时间约40d,在一定程度上说明小周期的出现主要与降雨有关.由图2可知,2007年10月到次年2月土壤水分含量出现极低值,在2008年的6、7、8月也同样出现最低值,相距约110d,从而导致大周期的出现.3 讨论
梭梭根区存在水分相对丰富的湿岛 ,根区的平均土壤含水量均大于裸地.梭梭根区60cm土层的土壤储水量值是裸地的1 49倍.其中,春、夏、秋季均为1 51倍,冬季为1 38倍.Li等半干旱交界的皋兰站、Wang等缘的沙坡头站、Li等
[13]
[22]
[21]
特征
[16]
,为降雨快速入渗到深层土壤储存创造了有
[25]
利条件;3)林荫遮蔽和风沙土使土壤蒸发减弱生存环境自我调节和适应的表现.
参考文献
,
起到了很好的保水效果.这也是沙漠生境中植物对
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在古尔班通古特沙漠南缘的
相关研究中也发现,荒漠灌木根区存在水分富集现象.但有关不同时期不同种类的荒漠灌木根区的水分富集程度还缺乏系统研究,值得今后深入探讨.
梭梭根区土壤水分受春季雪融水和降雨的影响,具有明显的年内变化特征.其与裸地土壤水分的年内变化过程及趋势相似,与土壤温度变化趋势一致.春季3 5月是古尔班通古特沙漠一年中土壤水分最丰富的时期,而秋、冬季的9月底至次年2月底是全年土壤水分最低时期.因而土壤储水量的变幅以夏、秋季最大,春季次之,冬季最小.降雨发生后,根区土壤含水量的增幅大于裸地.一次2 8mm的降雨就可使根区0~60cm土层的土壤含水量比裸地提高3 3%.
小波分析表明,根区和裸地表层土壤水分分别出现40d、43d的小周期和110d、103d的大周期.降雨间隔时间决定了小周期的出现,生长期和土壤冻结期土壤水分收支的显著差异则决定了大周期的出现.根区和裸地存在基本相同的周期,说明土壤水分的来源和消耗过程一致,但数量有所差别.从现有的土壤水分观测数据来看,当年补充的水分在当年基本消耗尽,在冬季土壤含水量接近凋萎点,存在年周期变化.但这有待多年的土壤水分监测数据支撑.现有研究结果
[23]
表明,土壤水分的年周期变化特征
普遍存在.
原生梭梭根区土壤水分富集的原因可归结为:1)树干径流的自集水效应
[21,24]
,为根区土壤得到
;
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