不同覆蓋度下土壤水分動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

不同覆蓋度下土壤水分動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

沙漠帶的生態(tài)意義重大，關(guān)系到沙漠的進(jìn)度。同時(shí)，該地區(qū)也是一個(gè)生態(tài)脆弱地區(qū)，近年來(lái)一直是干旱半干旱地區(qū)的主要研究領(lǐng)域。植被的生長(zhǎng)與恢復(fù)情況是該區(qū)域生態(tài)狀況的決定因素,而荒漠、綠洲內(nèi)靠天然降水和地下水維持的天然植被的穩(wěn)定性與土壤含水量密切相關(guān)。由于干旱、半干旱地區(qū)降水稀少,季節(jié)分配不均勻,蒸發(fā)強(qiáng)烈,土壤水分的變化規(guī)律與其他區(qū)域土壤水分的變化規(guī)律不同,所以土壤水分動(dòng)態(tài)一直是該區(qū)域水分的研究重點(diǎn)之一。國(guó)際上,對(duì)土壤水分時(shí)空變異性的研究也一直是水文學(xué)、土壤學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。在對(duì)綠洲-荒漠過(guò)渡帶土壤水分變化的研究中,有關(guān)學(xué)者對(duì)不同沙地類型的土壤水分動(dòng)態(tài)、林地水分平衡等進(jìn)行了廣泛的研究,但對(duì)綠洲-荒漠過(guò)渡帶不同植被覆蓋度下土壤水分動(dòng)態(tài)的原位監(jiān)測(cè)、連續(xù)觀測(cè)與研究較少。時(shí)域反射儀(TDR)能快速,準(zhǔn)確,原位,連續(xù)自動(dòng)的測(cè)量土壤水分,正逐漸成為測(cè)量土壤水分的重要工具,隨著TDR技術(shù)的日益完善,越來(lái)越多的地球和環(huán)境科學(xué)家已熱衷于TDR技術(shù)的應(yīng)用。利用TDR定點(diǎn)監(jiān)測(cè)新疆奇臺(tái)綠洲-荒漠過(guò)渡帶不同植被覆蓋度下土壤水分的情況,以深入了解其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,對(duì)修復(fù)、保護(hù)過(guò)渡帶生態(tài)環(huán)境具有指導(dǎo)意義。1極端最低氣溫研究區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)奇臺(tái)縣西北部滿營(yíng)湖區(qū),臨近沙漠,屬典型的綠洲-荒漠過(guò)渡帶。該區(qū)年平均氣溫為4.7°C,7月份極端最高氣溫43°C,1月份極端最低氣溫為零下42.6°C。年平均降水量為176mm,蒸發(fā)量為2141mm,無(wú)霜期平均156d,年日照時(shí)數(shù)2840-3230h,夏季炎熱,冬季寒冷,屬于中溫帶大陸性干旱半干旱氣候。地表植被主要有梭梭(Haloxylonammodendron)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、豬毛菜(Salsolacollina)、花花柴(Kareliniacaspica)等。2土壤水分測(cè)量觀測(cè)系統(tǒng)在研究區(qū)內(nèi)選取植被覆蓋度分別為30%、15%和0的三種樣地,于2008年4月初埋設(shè)長(zhǎng)度為100cm的TDR探管用于定點(diǎn)監(jiān)測(cè)不同植被覆蓋度下土壤水分的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。從4月5日開(kāi)始,分別在4月5日、5月5日,6月5日、7月14日、7月28日和8月16日利用TDR測(cè)量各樣地0～20,20～40,40～60,60～80,80～100cm5個(gè)土層深度的土壤水分,并利用EXCEL2003及DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析。試驗(yàn)儀器為德國(guó)IMKO公司生產(chǎn)的TRIME-T3管式TDR土壤含水量測(cè)量系統(tǒng),測(cè)量范圍為0～60%體積含水量,最大測(cè)深3m;測(cè)量精度:當(dāng)含水量為0-40%時(shí)是±2%,含水量為40-60%時(shí)是±3%,滿足試驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求。主要研究?jī)?nèi)容有:觀測(cè)不同植被覆蓋度下0～20,20～40,40～60,60～80,80～100cm的土壤水分含量;研究土壤水分垂直變化規(guī)律及變化層次劃分;不同植被覆蓋度下土壤水分的時(shí)間變化特征。3結(jié)果與分析3.1不同植被覆蓋下土壤含水量的垂直變化特征3.1.1土壤水分的含量不同植被覆蓋度水平下土壤平均含水量的垂直變化特征是覆蓋度越高,其表層土壤(0～20cm)的含水量越高(圖1)。植被覆蓋度為30%,15%,0的表層土壤含水量均值分別為14.99%,13.23%,11.21%。剖面各層土壤的平均含水量的總體變化規(guī)律是:從表層向下逐漸增大,3樣地土壤水分分別由表層的14.99%,13.23%,11.21%增加到底層的18.05%,16.94%,16.81%。剖面水分的垂直變化中,植被覆蓋度為15%的剖面在深度為40～60cm時(shí)的土壤平均含水量驟減,遠(yuǎn)小于同層其他樣地的土壤含水量,出現(xiàn)異常層(圖1)。異常層的特點(diǎn)是水分含量低,土層貯水量低,土壤水分的變異系數(shù)大(表1)。通過(guò)與剖面土壤樣品的粒度對(duì)比知,異常層的出現(xiàn)與剖面土壤的粒度有關(guān)。異常層土壤的粗顆粒含量遠(yuǎn)高于其他土層的粗顆粒含量(表2)。異常層土壤水分含量小于其他土層的含水量,而變異系數(shù)大于其他土層,說(shuō)明含粗顆粒多的土層涵水能力差,失水性強(qiáng),變異強(qiáng)度大。植被覆蓋對(duì)剖面土壤水分的影響在淺層(0～40cm)土壤中比較明顯,隨著土層深度的增加,這種由植被覆蓋度高低而引起的對(duì)土壤水分的影響逐漸減小并最終消失(圖1)。3種覆蓋度下,各樣地剖面平均土壤水分的含量在淺層土層中差異顯著,植被覆蓋度為30%、15%、0的淺層土壤含水量均值分別為15.45%,13.57%,11.49%,最高最低值相差3.96%。到80cm及其以下深度時(shí),樣地間的土壤含水量均值差異減小,3樣地80～100cm土層的水分含量均值分別為18.05%,16.94%,16.81%,最高最低值僅相差1.24%,這同樣表明地表?xiàng)l件差異對(duì)土壤水分的影響在淺層比較明顯,對(duì)深層土壤水分的影響小。3.1.2土壤水分的變異性干旱半干旱地區(qū)土壤水分的活躍程度受地表植被覆蓋和氣候條件的影響顯著,植被種類、根系數(shù)量、根系分布深度、氣溫、降水以及降水再分配等都對(duì)土壤水分的變化產(chǎn)生明顯的影響。采用基于標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)兩個(gè)定量指標(biāo)以及多元分析中的聚類分析方法對(duì)剖面土壤水分的垂直變化進(jìn)行分層,判定不同植被覆蓋度下各測(cè)試層土壤水分的變化類型(表3)。變異系數(shù)CV的大小反映了土壤水分的變異性大小,一般認(rèn)為:變異系數(shù)CV≤0.1時(shí)為弱變異性;0.1<CV<1時(shí)為中等變異性;CV≥1時(shí)為強(qiáng)變異性。由表3知,覆蓋度30%的樣地60～80,80～100cm深度土壤水分的變異強(qiáng)度為弱變異性;其他土層水分的變異系數(shù)均介于0.1～1間,屬于中等變異性。通過(guò)聚類分析可知:(1)研究區(qū)土壤水分的變化類型可劃分為速變層、活躍層和次活躍層,且基本從表層至底層依次排列,即總體上水分的活躍程度由表層向底層降低;同時(shí),植被覆蓋度越低,土壤剖面上層的重復(fù)層越厚。(2)不同剖面層次特點(diǎn)不同。1)速變層,該變化類型包括異常層及植被覆蓋度為0的樣地的表層:異常層由于其粗顆粒含量高,土層的涵水能力差,土壤水分隨時(shí)間的變化劇烈,變異系數(shù)大;而植被覆蓋為0的表層則是少了植被覆蓋和植物根系對(duì)其土壤水分的調(diào)熵作用,直接受地表氣象環(huán)境的影響,其變異也十分顯著。2)活躍層,該類型土壤水分變異程度中等。植被覆蓋度低的樣地其活躍層厚,覆蓋度為30%、15%、0的樣地其活躍層厚度分別為0～20cm,0～40cm,20～80cm。3)次活躍層,植被覆蓋度為30%的樣地除表層外的其他土層、覆蓋度為15%樣地的60～80、80～100cm土層和覆蓋度為0的樣地的80～100cm土層均屬于次活躍層。覆蓋度30%的樣地20～40cm的土層,由于表層植被的覆蓋作用,該層土壤水分受地表氣候的影響小,加上植被的涵水調(diào)熵作用,所以該層水分變化的強(qiáng)度較小,屬于次活躍層;而其他的次活躍層由于土層深度較大,受氣候及植被影響都較小,且土壤水分變化的動(dòng)力小,變化過(guò)程受到限制,導(dǎo)致土壤水分的變化明顯減小。這一層在植被強(qiáng)烈蒸騰期和缺水期可以向土壤水分活躍層供水,豐水年雨季可起貯水作用,對(duì)荒漠植被根系吸收具有一定調(diào)節(jié)作用。3.2不同植被覆蓋下土壤水分時(shí)間的變化特征3.2.1地表植被覆蓋度對(duì)土壤水分變化的影響不同植被覆蓋度下各剖面土壤平均含水量的總體特征是:平均含水量隨時(shí)間變化的基本趨勢(shì)相同,都隨著時(shí)間的前推而減少,表明雖然地表植被覆蓋不同,但其土壤水分含量的總體變化特征是一致的(圖2)。4月初,由于季節(jié)性凍土的解凍、雪水的入滲以及埋深淺的地下水(4月實(shí)測(cè)值2.8m)的影響,土壤含水量從表層到底層均達(dá)到最大值,此時(shí)3種覆蓋度下土壤水分的差異小,植被覆蓋度水平30%、15%和0的樣地4月初整個(gè)剖面(0～100cm)的平均含水量分別為19.46%,16.64%,17.04%。而后,隨著夏季的到來(lái),溫度升高,蒸發(fā)加強(qiáng),各剖面土壤水分含量迅速減少,到8月16日,3樣地剖面土壤水分平均含量分別降至14.50%,10.41%,9.54%,減少量分別為4.96%,6.22%,7.50%,植被覆蓋度高的樣地其土壤含水量的減小量小,反之減小量大;同時(shí),3覆蓋度水平下樣地土壤水分的變異程度及變化速率的變化規(guī)律是:覆蓋度高其變異系數(shù)和變化速率小,覆蓋度由高到低其土壤水分均值的變異系數(shù)CV分別是0.12,0.19,0.22,土壤含水量均值的變化速率分別是0.83,1.04,1.25,說(shuō)明地表植被覆蓋可以有效地抑制土壤水分的變化過(guò)程,減小土壤水分變異,降低土壤水分變化速率,對(duì)土壤起著保水調(diào)熵的作用。3樣地土壤水分的時(shí)間變化過(guò)程中,植被覆蓋度15%的樣地的土壤水分含量均值在4月5日～7月14日時(shí)間段中都小于覆蓋度為30%和0的樣地,其原因是覆蓋度15%樣地含有異常層。異常層的含水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他樣地同層的含水量(植被覆蓋30%,15%,0的樣地40～60cm在4月5日～7月14日時(shí)間段中的含水量均值分別為18.12%,6.28%,13.07%),導(dǎo)致整個(gè)剖面含水量均值小于其他兩樣地。7月14日～8月16時(shí)間段中,地表高溫且氣象條件變化劇烈,覆蓋度為0的樣地由于少了植被的保水調(diào)熵作用,其土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)烈,失水嚴(yán)重,含水量迅速減小,并低于植被覆蓋為15%的樣地。這也同樣說(shuō)明植被覆蓋對(duì)土壤的保水作用顯著。3.2.2地表覆蓋對(duì)土壤水分變化的影響不同植被覆蓋度,不同深度土壤水分隨時(shí)間的變化顯著,并呈現(xiàn)出自己的規(guī)律(圖3)。整體上看,除異常層外,剖面土壤平均含水量隨時(shí)間的變異程度和變化速率從表層向底層逐漸減小(表4)。0～20cm植被覆蓋度水平為30%、15%和0的樣地的變異系數(shù)CV分別為0.16,0.20,0.33,變化速率分別為0.95,1.03,1.55;而3樣地80～100cm的變異系數(shù)分別是0.09,0.13,0.12,變化速率分別是0.75,0.94,0.84。說(shuō)明隨著土層深度的增加,土壤水分的時(shí)間變異性逐漸減小。植被覆蓋度水平不同,剖面各層土壤水分的變化速率不同,覆蓋度高的樣地,變化速率小。3樣地每層土壤水分的變化速率由小到大依次排列(表4),表明植被覆蓋能有效地抑制土壤水分的變化過(guò)程,對(duì)土壤水分的調(diào)節(jié)作用明顯,且覆蓋度越高,對(duì)土壤的保水調(diào)熵作用越大。在0～20cm深度土壤水分的變化過(guò)程中,植被覆蓋度30%、15%樣地的土壤含水量在8月16日有輕微上升,增加量分別為0.41%,0.20%;植被覆蓋度為0的樣地該層土壤水分含量保持下降趨勢(shì),且3樣地20cm以下土層含水量也仍保持下降趨勢(shì)(圖3)。其原因是一周前在觀測(cè)區(qū)有次12mm的降雨,這也說(shuō)明少量降雨只對(duì)土壤淺層(0～20cm)有影響,而對(duì)表層以下(20cm以下)土壤的水分變化沒(méi)有顯著影響,同時(shí)這也表明,植被覆蓋對(duì)地表土壤的保水作用明顯,由于地表植被的覆蓋,能有效地保持降落在土層中的雨水,并且覆蓋度越高,這種保水能力越強(qiáng);無(wú)覆蓋的樣地難以保持住降落的少量雨水,雨過(guò)天晴時(shí),在地表氣候的影響下,雨水很快蒸發(fā),幾乎對(duì)土壤水分無(wú)影響。深層土壤水分的變化情況與其他土層不同,由于土層深度較深,土壤水分的環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定,失水少。3樣地80～100cm深度的土壤水分含量較其他層高,變化和緩,水分含量均值分別為18.05%,16.94%,16.81%,變異系數(shù)分別為0.09,0.94,0.84。4土壤水分的垂直變化規(guī)律不同植被覆蓋度下剖面土壤水分平均含量的垂直變化總體趨勢(shì)是水分含量由表層向底層逐漸增加,變異系數(shù)和變化速率逐漸減小;同時(shí),植被覆蓋度越高,其表層土壤含水量越大,變異系數(shù)和變化速率越小,反之,其表層土壤含水量小,變異系數(shù)和變化速率大,表明淺層土壤水分受到地表氣候條件及植被狀況的影響,水分變化快速,變異大;而深層土壤水分受上述環(huán)境條件的影響較小,其環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定。3樣地土壤水分垂直變化類型的總體分布趨勢(shì)是從上向下分別為速變層、活躍層和次活躍層;且植被覆蓋度高的樣地,活躍層數(shù)少,次活躍層多,而植被覆蓋度低的反之。不同植被覆蓋度下,不同深度的土壤水分隨時(shí)間的變化顯著,土層水分的時(shí)間分配明顯。4月初,由于季節(jié)性凍土的解凍和雪水的入滲,加之較高的地下水位,剖面表層至底層的土壤含水量達(dá)到最大值。而在炎熱的夏季,土壤水分變化明顯,損失嚴(yán)重。從4月5日到8月16日,植被覆蓋度30%、15%和0的樣地平均含水量分別減少4.96%,