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  世界林业研究  2010, Vol. 23 Issue (6): 50-54  
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引用本文  

崔向慧. 干旱半干旱沙区人工植被与土壤水分环境相互作用关系研究进展[J]. 世界林业研究, 2010, 23(6): 50-54.
Cui Xianghui. Research Advances in the Interaction Relationships Between Artificial Vegetations and Soil Moisture in Arid and Semi-Arid Sandy Regions of China[J]. World Forestry Research, 2010, 23(6): 50-54.

基金项目

林业公益性行业科研专项经费项目荒漠生态系统服务功能监测与评估技术研究(201004010);林业标准制修订项目极端干旱区荒漠生态系统定位观测指标体系(2009-LY-058)

作者简介

崔向慧(1975-), 男, 博士, 中国林科院荒漠化研究所助理研究员, 主要研究方向:陆地生态系统野外观测、旱地生态水文, E-mail:cxh_lion@hotmail.com

文章历史

收稿日期:2010-09-14
干旱半干旱沙区人工植被与土壤水分环境相互作用关系研究进展
崔向慧1,2     
1. 中国林业科学研究院荒漠化研究所, 北京 100091;
2. 中国防治荒漠化研究与发展中心, 北京 100091
摘要:土壤水分在干旱、半干旱沙区人工植被恢复、植物生长和群落演替过程中起着重要作用。文中综述了我国主要沙化地区人工固沙植被土壤水分状况和动态的研究现状, 分析了土壤水分的时空格局及其影响因子; 探讨植被冠层、生物结皮、植物根系对土壤水分的调控作用和影响机理以及干旱、半干旱沙区人工植被土壤水分空间异质性及相关问题; 最后提出人工植被区的土壤水分动态模拟预测、土壤—植被—大气系统水量平衡和水分循环以及空间尺度扩展等问题应是未来的研究重点。
关键词人工植被    土壤水分    空间异质性    干旱半干旱区    
Research Advances in the Interaction Relationships Between Artificial Vegetations and Soil Moisture in Arid and Semi-Arid Sandy Regions of China
Cui Xianghui1,2     
1. Institute of Desertification Studies, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China;
2. China National Research and Development Center of Combating Desertification, Beijing 100091, China
Abstract: Soil moisture plays an important role in artificial vegetation rehabilitation, plant growth and community succession in arid and semi-arid areas.The paper reviewed the research state on soil moisture condition and dynamics in different types of artificial sand-fixing vegetation and synthetically analyzed the temporal and spatial pattern of soil moisture and its closely correlated influencing factors.The regulation effect and influencing mechanism of plant canopy, biological soil crusts and plant-root system on soil moisture were discussed.Finally, based on these research results, it was suggested that future research should give attention to modeling and predicting of soil moisture dynamics, water balance and hydrology circulation of Soil-Plant-Atmosphere continuum, and soil moisture heterogeneity in large scale in arid and semi-arid sandy regions.
Key words: artificial vegetation    soil moisture    spatial heterogeneity    arid and semi-arid areas    

由于全球气候变暖和人为活动干扰等因素, 我国干旱、半干旱区土地原生天然植被面积急剧减少, 沙化越来越严重。在干旱、半干旱区采取植物固沙建立稳定的沙地人工植被是有效治理土地沙化的根本途径。1978年启动的三北防护林体系工程把防沙治沙放在了突出位置, 近30年来在沙区共营造防风固沙林476万hm2, 新增治沙面积4万km2, 使20%的沙化土地得到初步治理。国家科技支撑项目在沙化土地治理技术方面也取得了显著成果, 在干旱、半干旱区建立了沙区固沙试验示范林, 提高了苗木的成活率和植被覆盖率, 流沙蔓延得到初步控制[1]

土壤水分的动态变化和运动规律直接影响到干旱地区植被根系对土壤水分和养分的吸收, 在很大程度上决定着植被的成分、结构、形态和生理特性[2], 是影响人工植被生长和演替的主要限制因子。人工固沙植被的建立和发展能在诸多尺度上改变水量平衡各分量之间的比例关系, 特别是对土壤水分产生重要影响。因此, 研究人工固沙植被生长条件下的土壤水分过程及水文循环规律, 探讨水分平衡条件下的植被优化配置模式, 准确测定不同植被覆被情况下的土壤水分动态, 对于现有植被的合理经营与未来稳定固沙植被的科学建设具有重要的理论和实践意义。

1 人工植被区土壤水分状况与动态研究

干旱、半干旱沙区建立人工固沙植被后, 植被对水分的利用直接影响到固沙植被区土壤水分的时空分布和格局变化。许多研究者对我国主要沙化地区不同类型人工植被的土壤水分状况和动态开展了全面研究, 包括定性与定量分析、短期与长期调查观测以及对系统水分的模拟预测等。研究区域涵盖了中国主要干旱和半干旱气候区, 主要集中在人工植被分布较广的科尔沁沙地、毛乌素沙地和腾格里沙漠(沙坡头地区); 植被类型包括从东部沙地的人工乔木林到西北荒漠区的灌丛植被; 研究内容涉及土壤水分状况、动态变化及其驱动因素和影响机理等。研究表明, 沙地人工植被土壤水分存在明显的垂直和季节变化, 而且土壤水分状况和动态变化规律与人工植被群落的类型、分布、密度、演替等密切相关[3]

土壤水分的垂直分布受降水、地形、蒸散等多因素综合影响, 变化趋势较为复杂。降水及植物耗水是土壤水分发生垂直变化的主要原因, 土壤水分垂直变化也同植物种类、植被密度和立地条件等密切相关。研究发现, 流动沙丘和天然植被区土壤水分状况优于人工植被区[4]。张继贤通过对多年监测资料的研究表明, 天然植被下的固定风沙土60 cm以上沙层含水量较人工植被高; 60 cm以下沙层含水量为稳定含水量, 而人工植被无明显的稳定含水层[5]。研究显示, 草本植物对10~20 cm层的土壤含水量影响较大, 浅根性灌木主要影响20~40 cm层的土壤含水量; 较深层含水量的变化规律与固沙植被中深根性灌木的盖度大小密切相关, 当盖度下降至6%~9%时, 100~ 300 cm沙层能维持相对稳定的较低含水量(1%~ 1.5%)[4]。由于植被覆盖减少了地表面的水分蒸发, 改善了表层的土壤有机质, 从而增强了土壤的保水能力, 因此, 表层土壤含水量基本上是随植被盖度的增大而增加; 在植物根系的分布层, 由于植被耗水作用, 特别是在植物生长季, 土壤含水量与植被密度呈负相关关系[6]

流动风沙土地栽植人工植被后, 土壤逐步由水分淋溶型转变成非淋溶型, 植被生长完全依靠降水量供给, 因此, 沙地土壤水分呈现明显的季节变化, 一般可分为春季失水阶段、降雨补给阶段、秋季失水阶段和冬季水分调整阶段[7]。受气候变化、区域性降水、植被生长季耗水、冻土以及地面蒸发等因素的影响, 不同沙地植被区土壤水分的季节变化也有很大差异。宁夏沙坡头地区固沙植被建立后初期, 土壤水分因受到降水的影响而季节变化明显, 土壤含水量的变化表现为4-6月份为水分蒸发消耗阶段, 7-9月份为降水人渗补给阶段, 秋、冬季为相对稳定阶段。10余年后, 土壤水分的这种季节变化特点趋于不明显[4]。由此可见, 植被对水分的利用影响了水分在时间尺度上的变异。

立地条件不同也会造成降水在沙地上的再分配格局发生变化, 因而引起人工植被区土壤水分动态上的差异。在科尔沁樟子松人工林沙地0~200 cm土层的平均土壤含水量是丘间低地>迎风坡上部>沙丘顶部。在毛乌素沙地西南缘的人工柠条以及油篙固沙植被区, 丘间低地的水分状况明显好于流动沙丘, 沙丘下部好于沙丘上部[8]。浑善达克沙地不同部位土壤水分的变化梯度是丘间湿地>沙丘北坡>沙丘南坡>丘岗顶部[9]。此外, 迎风坡与背风坡的土壤水分状况也有明显差异, 这种差异可能是地形坡度、径流运动、土层渗透性、地下水位、太阳辐射强度、气流与风力风速等影响水分运移与蒸散的多因素制约的结果。

由于沙地分布区域广、地形复杂, 土壤及植被的变异程度高, 植被对水分在土壤剖面中的分布特征有很大的影响, 不同植被类型在不同土壤剖面层次和不同季节, 其土壤水分动态变化规律不同。诸多研究表明[3-4, 6], 由于固沙植被建立、发展和演变时间进程的增加, 沙丘土壤水分呈明显的下降趋势。人工植被栽植时间越长, 沙层含水率越低[10]。人工植被区固沙植被发展9~10年后, 由于植被的蒸散耗水增加, 深层土壤水分得不到有效补充, 土壤含水量开始明显下降, 40年后人工植被的土壤水分降低到一个稳定的水平。随着沙地人工固沙植被群落演替和植物生物适应性的发展, 植被对土壤水分状况和动态的影响更趋复杂化, 其过程和机制尚需进一步研究。

2 植被冠层及生物结皮对土壤水文过程的调控作用

在干旱、半干旱地区, 降水在进人土壤前要经历2次再分配过程, 一是植被冠层对降水分截留, 二是土壤表面不同发育阶段的生物结皮对水分的干扰。

2.1 植被冠层的截留作用

对于沙区人工植被降水截留, 包括降水在不同植被冠层的截留特点、穿透水与降水特征关系等, 目前还缺乏系统的研究。已有研究结果表明, 土壤表面能接受到降水的量值大小受降水特性和覆盖地表的植被类型和结构2个因素的影响[11]。一方面, 短暂而零星的降水在降水过程中始终无法使植被冠层达到饱和状态, 水分在到达地面之前已基本被蒸发消耗; 相反, 大而强的降水虽然冠层截留量很大, 但还是有大部分降水能够到达地面。另一方面, 不同植被类型的冠层结构有很大差异, 因此对降水截留的能力也不尽相同, 一般来说高大冠层截留的降水相对较多。张志山对沙漠区2种人工固沙植物的研究显示, 在总降水量为110.9 mm的情况下, 具有高大结构的柠条冠层截留量(10.7 mm)比油篙冠层截留量(3.7 mm)高出7 mm[11]

2.2 土壤生物结皮的调控作用

在我国干旱、半干旱区, 人工固沙植被类型多样, 生物结皮分布广泛, 但对生物结皮土壤水文过程的研究主要集中在腾格里沙漠东南边缘的沙坡头人工固沙植被区。早在20世纪90年代, 陈荷生在沙坡头地区对降水后沙地和生物结皮层的水分跟踪观测发现[12], 由于人工植被的存在而形成生物结皮的最低持水量为20.3%~24.0%, 约为流动沙土的6倍, 延长了降水在土壤表层的滞留时间, 导致降水人渗能力下降, 沙地水分发生恶化。李涛等利用土壤侵蚀模型对该地区微生物结皮与降雨人渗的关系进行了模拟[13], 结果显示, 生物结皮覆盖区的降雨人渗率比裸露沙丘上的降雨人渗率降低了36%~74%。随后, 又有学者相继开展了沙丘与微生物结皮的土壤持水性和渗透能力的对比研究, 同样认为有较高持水能力的微生物结皮会降低水分的渗透深度, 从而使降水对深根性植物的有效性降低, 而浅根性植被则由于浅层土壤水分有效性的提高而受益, 并在植被的演替发展中显现优势。

在人工植被固沙区, 不同发育年限的生物结皮与裸露沙地的蒸发过程在不同蒸发阶段显示出很大的差异[14]。有研究者认为, 在强蒸发条件下, 发育良好的生物结皮水分被强烈蒸发而变干, 割断了与下层沙层水分的毛管联系, 使下层水分的蒸发速度减慢, 减少了水分的无效蒸发, 对水分的保持具有一定的作用[15]。但刘立超等对沙坡头地区雨后不同生物结皮覆盖区和流沙区的土面蒸发过程的研究认为, 发育程度越高的生物结皮, 通过降低反射率和提高毛管作用, 土面蒸发越强烈。同时, 生物结皮使水分的分配浅层化, 为土壤水分的蒸发提供了便利[16]

尽管已发表的研究结果还存在很大争议, 但研究者一致认为, 沙区人工植被下生物结皮的逐年发育导致了土壤水分入渗能力、保持性能和蒸发过程的改变, 使土壤水分的分配格局和分配过程发生了很大变化, 生物结皮对土壤水文过程的调控作用很大程度上影响着植被固沙区的土壤水环境[14]。生物结皮对土壤水分关系的影响具有高度的地区(区域)特征, 作用范围和影响程度又因区域气候状况、植被类型、地表粗糙度、土壤质地与结构以及结皮种类和发育程度的差异而不同[15]。。

3 人工植被区根系对土壤水分的影响

在干旱、半干旱沙地人工植被区, 以往主要侧重对人工植被根系的分布和生长特征分析[17], 近几年开始有研究者对人工植被根系特征及其与土壤水分的关系开展初步研究[18], 并取得了一些试验结果。

史小红等在科尔沁沙地选取典型固沙植物差巴嘎篙、小叶锦鸡儿和黄柳为研究对象, 分析了沙地不同灌木、半灌木植物根系分布以及与之相对应的土壤含水量, 发现在空间分布上植物根系发育层对应着土壤水分丰富区[19]。这一研究中没有对根系进行分类, 也没有说明土壤水分的运动方向, 仅是反映了植物根系形态和土壤水分的空间对应关系。张永明在对鄂尔多斯荒漠4种灌木根系生态特性研究时发现, 土壤含水量的峰值也出现在吸水能力强的侧根分布范围内[20]。阿拉木萨等根据根系的组成结构, 将沙地人工小叶锦鸡儿的根系分为直径感1 mm的吸收根和直径> 1 mm的输导根来分析研究植被的根系分布与土壤水分的关系。结果显示, 植被吸收根主要分布区以下10~20 cm的土壤层受吸收根系分布的影响最大, 通常土壤含水量也最低[21]

植被蒸腾作用对深层土壤水分的影响是普遍的, 降水后, 根系需要吸收下渗水补充蒸腾对浅层土壤水分的消耗, 因而使降水下渗的深度变浅和量值减少, 深层水得不到补充。陈有君等研究认为厂[22], 由于蒸腾作用和根系吸水的影响, 深根系植物受深层土壤干旱胁迫更严重, 而浅根系植被对深层水分的影响不明显。苏芳莉等研究发现[23], 在地下水位较浅的章古台沙地, 人工樟子松根系主要分布在100 cm以内的土壤层, 吸收根分布在表土层, 既可以有效吸收50 cm以上土壤中的水分, 又不会轻易造成地下水位的下降。

另外, 不同发育阶段、不同栽植密度的植被根系生长和分布有差异, 对深层土壤水分的影响也不同。一般成龄和密度大的植被, 由于根系发育成熟, 密集度高, 对土壤水分的影响更大[21]。正是由于植物蒸腾过量耗水而造成植物根系作用范围内土壤水分长时间持续地严重亏缺, 天然降水不能有效予以补偿, 才导致我国北方人工植被在生长后期出现了明显衰退以致大面积干枯死亡的后果。

4 人工植被区土壤水分空间异质性研究

干旱区土壤水分具有较强的异质性, 而且人工固沙植被各层土壤水分的空间异质性与人工固沙植被区土壤的形成、植被的变化以及根系分布格局都有着密切关系[24]。干旱区植物往往通过改变水分吸收的空间格局来响应根区土壤水分的异质性。赵文智对半干旱区科尔沁沙地人工植被土壤水分进行了研究, 提出无论是水平格局还是垂直格局, 人工植被的建立都增强了沙地土壤水分的空间异质性[25]。吕贻忠等通过对毛乌素沙地油篙固定沙丘、人工沙柳半固定沙丘以及流动沙丘的土壤水分进行对比研究认为[26], 不同沙丘的土壤水分具有明显的空间结构, 土壤水分的空间变异受沙丘分布及其性质和坡位、坡面等立地因子的影响显著, 土壤水分存在较强的空间异质性。

研究土壤水分空间变异性的最大困难在于土壤水分在时空序列上不具有相对稳定性, 且不同尺度上土壤水分的空间变异规律不同[24]。已有的研究是在相对较小的尺度上进行的, 试验比较容易操作, 限定条件易于控制, 土壤的取样和水分测定方便, 可以从多角度、多层次对土壤水分的分布格局进行分析, 如土壤水分与立地因子的关系、不同深度的土壤水分空间变异、植被分布对土壤水分变异的影响等[27]。但是, 这些研究缺乏对坡面尺度、集水区和流域尺度、生态系统, 尤其是区域尺度上的研究, 因此, 不能在大尺度上揭示人工植被对土壤水分的影响机制, 更不能反映土壤水分的区域分异。要全面了解干旱、半干旱沙区人工固沙植被区土壤水分的空间变异规律, 还需要对土壤水分空间分布随时间的变化及在不同尺度上的规律性作更进一步的研究。

5 讨论与展望

干旱、半干旱沙区人工固沙植被系统形成以后, 改变了原有下垫面的性质和深层土壤的组成和结构; 植被类型、特征与动态直接影响着植物冠层截留、蒸散发与人渗过程, 深刻地影响了该区的土壤水文过程[28]。目前, 我国对人工植被区土壤水分的研究时间短, 研究方法和实验手段缺少创新, 定量研究人工植被区水文循环过程中各水文要素之间转化关系的工作非常有限, 特别是人工植被对土壤水文过程影响的机制和过程尚未得到充分研究。根据我国沙区生态工程建设和科学研究的需要, 针对目前研究中存在的问题和不足, 可以将以下几个方面作为未来研究的重点。

l) 人工植被生长条件下土壤水分动态模拟预测研究。在旱地生态系统中, 土壤水分是影响植被生长动态以及分布格局的主要生态因子, 它实际上控制了植被的组成与结构, 同时, 植被在诸多尺度上对土壤水分动态产生重要的反馈作用。开展不同地表覆被情况下的土壤水分动态监测, 在准确测定的基础上, 结合地统计学、数理建模、计算机模拟等手段[29], 建立人工植被格局与土壤水分过程的关系模型, 对不同区域、不同植被类型、不同营造模式下的植被区土壤水分动态开展模拟预测研究[30], 并通过分析降水补给与土壤水分转化、土壤水分消耗与植物生长之间的关系, 最终估算出不同区域、不同生境的植被适宜度和土壤水分植被承载力, 对干旱、半干旱沙区人工植被的建设及合理经营与管理都具有重要意义, 因此它是主要的研究方向。

2) 人工植被生态系统水量平衡及水文循环研究。干旱植被区水量平衡主要由水分来源的波动(降水)与植被耗水需求(蒸散)在局地的相互作用过程来决定, 土壤水分在其中起到主要的调节作用。过去对人工植被耗水和植被合理配置问题重视不够, 在植物固沙过程中, 很少考虑植被耗水与环境水分条件的平衡关系, 一些关键技术问题(如营造模式、密度确定等)没有得到解决。因此, 研究人工植被生态系统水量平衡和土壤一植被一大气系统水文界面水分传输过程中包括降水、截留、入渗、径流和蒸散的水量转换关系, 对于解决水分平衡条件下的植被优化配置问题, 即根据植被耗水和沙区水资源承载力来确定植被的合理结构、密度、空间配置和营造模式, 建立合理稳定的固沙植被, 实现沙区生态系统的修复与重建, 具有重大的理论和实践意义。

3) 通过尺度扩展, 加强区域尺度土壤水分异质性的研究。由于我国干旱、半干旱区沙地面积广裹, 土壤水分受降水量、土壤类型、植被类型、地形、温度、光照等因素的影响不同, 在空间分布上既有连续性又有变异性, 因而增加了研究的复杂性和艰巨性[31]。目前, 我国研究者对干旱区土壤水分的研究还停留在小尺度范围内, 不能反映区域特性, 而且时间上不具有连续性[2]。因此, 应用景观生态学理论中的尺度效应开展区域间长期同步观测和试验, 在区域尺度上探索土壤水分变异规律并揭示人工植被对土壤水分的影响机制应该是今后的研究重点。

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