綠洲及綠洲-荒漠生態(tài)過(guò)渡帶土壤含水量空間分異研究

綠洲及綠洲-荒漠生態(tài)過(guò)渡帶土壤含水量空間分異研究

1土壤水分的時(shí)空分布特性綠洲是干旱地區(qū)發(fā)展一切企業(yè)的基礎(chǔ)，水資源是影響綠洲規(guī)模、布局模式和質(zhì)量的決定性因素。有水為綠洲,無(wú)水成沙漠是干旱區(qū)自然景觀的真實(shí)寫(xiě)照。在干旱區(qū)水資源一方面極為緊缺,同時(shí)其時(shí)空分布又高度不均勻,進(jìn)而影響到綠洲土壤含水量的時(shí)空分布和水資源的有效利用。土壤是綠洲和荒漠植被的載體,土壤質(zhì)量的高低,直接影響著綠洲荒漠生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。土壤含水量是土壤質(zhì)量的重要標(biāo)志,不僅影響著土壤的理化性狀,而且還影響著土壤礦物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分配和植物的吸收,同時(shí)還影響著土壤熱通量的變化。在干旱區(qū)土壤是綠洲荒漠生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。影響土壤水分轉(zhuǎn)化的因子很多,但就農(nóng)田來(lái)說(shuō),土壤物理特性是最主要的影響因子,關(guān)于這方面的研究,國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量工作。在綠洲區(qū),土壤水分的空間變化還反映了人類(lèi)活動(dòng)的強(qiáng)度和方式,在綠洲-荒漠生態(tài)脆弱帶,土壤含水量的空間分布形式受自然因素和人類(lèi)活動(dòng)的雙重影響。河西地區(qū)是全球環(huán)境變化的敏感區(qū)和生態(tài)脆弱帶,在長(zhǎng)期的人類(lèi)開(kāi)發(fā)歷史進(jìn)程中,綠洲土地利用類(lèi)型和空間結(jié)構(gòu)經(jīng)歷多次變化,進(jìn)而影響山地-綠洲-荒漠生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過(guò)典型區(qū)域——黑河中游地區(qū)不同綠洲類(lèi)型和不同作物土壤含水量時(shí)空分布變化規(guī)律的研究,對(duì)理解干旱區(qū)現(xiàn)代環(huán)境變化的人為影響,協(xié)調(diào)人地關(guān)系,確保區(qū)域糧食與生態(tài)安全有著重要的理論和實(shí)踐意義。業(yè)已初步查明,黑河流域部分綠洲邊緣植被退化嚴(yán)重,出現(xiàn)了“生態(tài)裂谷”(ecologicalgap),已有的研究成果也從地-氣能量平衡的角度做了深入研究[7,8,9,10,11,12,13],但對(duì)綠洲-荒漠交錯(cuò)帶的土壤水分動(dòng)態(tài)變化與時(shí)空分布規(guī)律研究較少,影響了對(duì)綠洲-荒漠生態(tài)脆弱帶生態(tài)裂谷形成原因的整體認(rèn)識(shí)。因此,開(kāi)展綠洲荒漠生態(tài)系統(tǒng)土壤分異規(guī)律研究意義重大,不僅為綠洲土地資源的合理開(kāi)發(fā)利用提供決策依據(jù),而且有助于認(rèn)識(shí)綠洲—荒漠生態(tài)脆弱帶的形成機(jī)理,并為干旱區(qū)生態(tài)恢復(fù)提供理論依據(jù)。2陰山山地地貌及生態(tài)適宜性黑河中游地區(qū)綠洲是全流域綠洲的精華,這里人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的干擾最劇烈,土壤受人類(lèi)活動(dòng)的影響也最顯著。研究區(qū)位于張掖-臨澤綠洲的北部邊緣平川鄉(xiāng)和民樂(lè)北部綠洲六壩鄉(xiāng)。平川鄉(xiāng)位于臨澤縣西北部,西臨高臺(tái)縣,東接本縣板橋鄉(xiāng),北與內(nèi)蒙古阿拉善右旗接壤,東北接巴丹吉林沙漠,南瀕黑河。地理位置為99°25′E～100°25′E,39°04′N(xiāo)～39°24′N(xiāo)。綠洲分布在本區(qū)南部,北部為荒漠戈壁及巴丹吉林沙漠南部邊緣部分,綠洲北部受到巴丹吉林沙漠的嚴(yán)重威脅,形成綠洲-荒漠生態(tài)脆弱帶。境內(nèi)地勢(shì)北高南低,北部屬于合黎山低山丘陵區(qū),由大孤山、小黑山、馬鞍山、楊臺(tái)山、大青山等山體組成;南部屬山前傾斜平原;平均海拔1300～1454m。氣候?qū)贉貛Т箨懶愿珊禋夂?平均年氣溫7.6℃,≥10℃積溫3085℃,平均年降水量113.8mm,主要集中在5～9月,占全年降水量的70～80%,年蒸發(fā)量2388.0mm。地下水位11～2月為2～3m,3月下旬開(kāi)始下降,10月上旬降到最低值,達(dá)5.1m。天然植被稀疏,主要有紅砂、珍珠和泡泡刺等,人工植被以楊樹(shù)、沙棗、檉柳、梭梭、花棒、檸條為主,地帶性土壤為灰棕漠土、沙壤土及沙土。土地總面積835.66km2,占全縣土地總面積的26.54%,其中耕地面積3345.31hm2,占全鄉(xiāng)土地面積的4.0%,林地2147.58hm2,占全鄉(xiāng)總面積的2.6%,牧草地38417.62hm2,占全鄉(xiāng)總面積的46.0%,未利用土地37550.49hm2,占總面積的45.0%。全鄉(xiāng)現(xiàn)有農(nóng)業(yè)人口2.0萬(wàn),人均占有耕地0.167hm2;農(nóng)民人均生產(chǎn)糧食1191kg,提供商品糧1780×104kg,商品率73%;農(nóng)民人均純收入2876.0元,居全縣第三位。3樣品采集和處理研究實(shí)驗(yàn)區(qū)選擇在黑河中游綠洲區(qū)的臨澤平川鄉(xiāng)和民樂(lè)六壩鄉(xiāng),平川實(shí)驗(yàn)區(qū)從黑河北岸農(nóng)田向北到綠洲邊緣的綠洲—荒漠生態(tài)脆弱帶,采用分布式格網(wǎng)化布點(diǎn),格網(wǎng)規(guī)格為500×500m,共417個(gè)格網(wǎng)(如圖1),農(nóng)田類(lèi)型有春小麥地、玉米地、棉花地、水稻地、啤酒花地、果園、菜地等,樣線(xiàn)編號(hào)自西向東依次為1號(hào),2號(hào)……,每條樣線(xiàn)由北向南(荒漠-綠洲)采集樣品,用GPS確定采樣位置,采樣間隔為500m。六壩實(shí)驗(yàn)區(qū)采用樣線(xiàn)采樣法,從綠洲到荒漠,采樣間距500m?？紤]到一般農(nóng)田土壤和荒漠土壤的活動(dòng)層深度約為60cm,因此采樣深度定為0cm、30cm、60cm。為盡量避免灌溉和施肥對(duì)樣品的影響,統(tǒng)一在作物收獲后采樣,平川實(shí)驗(yàn)區(qū)采樣時(shí)間為2001年9月22日～10月31日,六壩實(shí)驗(yàn)區(qū)采樣時(shí)間為2004年8月12日～9月11日。這期間研究區(qū)大氣降水稀少,為了真實(shí)反映土壤水分的自然變化狀況,采樣點(diǎn)選擇在3周內(nèi)未灌溉的農(nóng)田和荒漠。樣品封存在鋁制水分盒內(nèi)和塑料密封袋中,在實(shí)驗(yàn)室用烘干法測(cè)定土壤重量含水量,將樣品放入烘箱在105℃下恒溫24小時(shí),然后把樣品放在干燥箱中自然冷卻至常溫,用精度為1/1000克電子天平稱(chēng)重。土壤含水量計(jì)算采用重量百分?jǐn)?shù),計(jì)算公式為:WS=W1?WW×100%WS=W1-WW×100%式中,WS-土壤水分重量百分?jǐn)?shù)(%),W1-原樣土重(g),W-烘干土重(g)。4結(jié)果分析4.1土壤水分隨市域的變化分析結(jié)果表明,在無(wú)灌溉情況下,綠洲及綠洲北部邊緣表層(0～30cm)土壤含水量水平分異明顯,由綠洲區(qū)的20%左右遞減到綠洲-荒漠生態(tài)過(guò)渡帶的2.9%,即綠洲-荒漠生態(tài)脆弱帶表層土壤水分含量低于綠洲農(nóng)田土壤(如圖2)。表層土壤水分的這種差異主要由土壤性狀引起,其次受局地微氣象條件影響。由于土水勢(shì)和土壤持水能力受土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、土壤有機(jī)質(zhì)含量等因素影響,綠洲土壤結(jié)構(gòu)、黏粒含量和有機(jī)質(zhì)含量均遠(yuǎn)高于沙土,綠洲土壤水吸力大于沙土;同時(shí)沙質(zhì)土難以形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu),缺乏毛管孔以保存水分;沙土的沙粒多而黏粒少,粒間孔隙大,降水和灌溉水容易滲入,內(nèi)部排水快,蓄水少而蒸發(fā)失水強(qiáng)烈,水汽由大孔隙擴(kuò)散至表層而損失。因此土壤性狀本身決定了荒漠土壤的持水能力小于綠洲農(nóng)田土壤。從綠洲邊緣到荒漠,越靠近綠洲,土壤水分含量越高,距離綠洲越遠(yuǎn),土壤含水量越小,一方面因?yàn)榫G洲農(nóng)田土壤和沙土性狀差異導(dǎo)致的持水能力的差別,還由于綠洲-荒漠區(qū)近地層大氣水平平流的存在,使綠洲區(qū)水汽不斷輸送到臨近綠洲的荒漠區(qū),同時(shí)可能存在著從綠洲到荒漠的土壤水分水平運(yùn)動(dòng)。王兵等對(duì)石羊河流域民勤綠洲-荒漠過(guò)渡帶的研究已揭示了這一現(xiàn)象,這是干旱區(qū)荒漠綠洲土壤水分變化的一般規(guī)律。當(dāng)綠洲-荒漠過(guò)渡帶出現(xiàn)生態(tài)退化時(shí),土壤水分的水平分異會(huì)發(fā)生變化,即在退化帶上土壤水分明顯低于綠洲區(qū)土壤水分,同時(shí)也低于荒漠區(qū)土壤水分。圖3為黑河中游民樂(lè)六壩綠洲-荒漠0～60cm土壤水分水平分異,在綠洲-荒漠過(guò)渡帶,土壤水分在0.5%～1.4%之間,而在綠洲區(qū)土壤水分最低在1.4%～2.6%之間,荒漠區(qū)土壤水分最低在1.6%～2.5%之間。在綠洲區(qū)由于灌溉農(nóng)業(yè)的發(fā)展,灌溉水回歸入滲補(bǔ)給地下水,是地下水補(bǔ)給的重要來(lái)源,形成了以綠洲為中心的地下高水位區(qū),地下水從綠洲區(qū)補(bǔ)給外圍荒漠區(qū),地下水埋藏深度由綠洲灌溉區(qū)向外圍荒漠區(qū)依次增加,受地下水埋藏深度影響,正常情況下植被蓋度從綠洲邊緣向外依次遞減。但由于綠洲區(qū)過(guò)量超采地下水,因地下水位下降而形成地下水漏斗,使得地下水位補(bǔ)給形式發(fā)生變化,地下水由外圍荒漠區(qū)反向補(bǔ)給綠洲區(qū),靠地下水補(bǔ)給生存的荒漠植被開(kāi)始衰退。不僅因人類(lèi)過(guò)度開(kāi)發(fā)利用水資源導(dǎo)致綠洲衰退,而且綠洲-荒漠過(guò)渡帶也是受人類(lèi)活動(dòng)干擾最強(qiáng)的地帶,由于過(guò)度放牧與樵采,不僅使生物量減少,還使土壤理化性質(zhì)發(fā)生了明顯改變,土壤容重增加,土壤變得緊實(shí)甚至板結(jié),團(tuán)粒結(jié)構(gòu)被破壞,滲透性和持水能力降低。綠洲區(qū)表層0cm土壤濕度是退化過(guò)渡帶的11.8倍,荒漠區(qū)土壤濕度是退化過(guò)渡帶的9.3倍;綠洲區(qū)50cm深度土壤濕度是退化過(guò)渡帶的5.6倍,荒漠區(qū)土壤濕度是退化過(guò)渡帶的3.2倍。從而在綠洲-荒漠過(guò)渡帶形成一個(gè)在生態(tài)質(zhì)量上既低于綠洲區(qū)同時(shí)也低于荒漠區(qū)的生態(tài)環(huán)境退化帶,即“生態(tài)裂谷”。4.2土壤水分變化從0～60cm深度范圍內(nèi),隨著土層深度的增加,雖然各個(gè)觀測(cè)樣線(xiàn)土壤含水量變化曲線(xiàn)不盡相同,但土壤含水量由表層向下逐漸遞增的趨勢(shì)明顯,變幅在3.12%～21.77%之間。在20～30cm處出現(xiàn)土壤水分突變,但變化幅度不大。圖4為平川綠洲北部北距綠洲邊緣2.5km處、圖5為距綠洲邊緣2.0km處的農(nóng)田土壤水分垂直空間分異,顯示綠洲土壤水分在60cm范圍內(nèi)由表層向下都逐漸遞增的趨勢(shì)。在研究區(qū)內(nèi),表層土壤含水量變化在3.12%～11.38%之間,變化幅度為8.26%;30cm深含水量變化在3.78%～16.73%之間,變化幅度為12.95%;60cm深含水量變化在13.41%～21.77%之間,變化幅度為8.36%。4.3土壤水分的垂直空間差異與綠洲農(nóng)田土壤不同,綠洲-荒漠生態(tài)脆弱帶沙土土壤含水量明顯呈現(xiàn)出表層和底層低,中間層高的特點(diǎn)(如圖6),同樣是樣線(xiàn)9、樣線(xiàn)17和樣線(xiàn)30,在不同采樣點(diǎn)上(圖4距綠洲邊緣2.5km,圖5距綠洲邊緣2.0km,圖6綠洲邊緣)土壤水分垂直空間分異卻表現(xiàn)不同,在過(guò)渡帶表現(xiàn)為中間層高的特點(diǎn)。表層0cm平均6.3%,底層60cm平均5.6%,而在距地表20～30cm深處為土壤含水量最大值,平均達(dá)到10.9%。何志斌等在該區(qū)域人工梭梭林觀測(cè)試驗(yàn),林下土壤水分垂直變化亦表現(xiàn)出在20cm左右土層含水量較高,平均為2.8%,其他各層都較低,在1.3%～1.7%之間,常學(xué)向等的研究結(jié)果亦支持這一結(jié)論。證明0～20cm土層以?xún)?nèi)有干沙層存在,對(duì)下層沙土的蒸發(fā)具有明顯抑制作用,利于該層土壤水分的保持,對(duì)沙漠植被生長(zhǎng)發(fā)育具有重要的生態(tài)學(xué)意義。5結(jié)論和討論5.1土壤活動(dòng)層水分垂直空間分布特征總體而言,綠洲土壤水分含量高于綠洲-荒漠過(guò)渡帶和荒漠土壤水分含量,這是由其土壤性狀決定的。綠洲土壤活動(dòng)層水分垂直空間分異大體從表層向下遞增,而綠洲-荒漠過(guò)渡帶及荒漠區(qū)土壤水分垂直空間分異則是表層和底層土壤水分低,在20～30cm處出現(xiàn)高值。就景觀類(lèi)型而言,綠洲景觀和荒漠景觀過(guò)渡帶也是干旱區(qū)各景觀生態(tài)類(lèi)型相互轉(zhuǎn)化最為劇烈的區(qū)域。5.2不同土地利用方式對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響綠洲—荒漠生態(tài)脆弱帶土壤水分變化反映了人類(lèi)利用綠洲水資源的程度。凡是綠洲地下水資源開(kāi)發(fā)過(guò)度和綠洲邊緣人類(lèi)活動(dòng)劇烈的區(qū)域均存在著生態(tài)裂谷,在不同區(qū)域生態(tài)裂谷的寬度不同,從600m到40～60km不等,生態(tài)裂谷的形成對(duì)綠洲生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定極為不利。不同的土地利用方式對(duì)土壤含水量和生態(tài)裂谷都產(chǎn)生顯著影響,自然狀態(tài)下的荒漠土壤水分變異幅度最大的發(fā)生在20～30cm,而土地利用影響下的土壤水分變化最大的在50～75cm。在干旱區(qū),表層土壤水分的