塔里木河綠洲-荒漠過渡帶典型防護林對溫濕度及土壤理化特性的影響

塔里木河綠洲-荒漠過渡帶典型防護林對溫濕度及土壤理化特性的影響

生物群落與環(huán)境密切相關，它們之間存在著密切的物質和能量交換。一方面,植物各組織器官的生長發(fā)育、光合蒸騰等生理活動受生境因子的限制;另一方面,植物反映下墊面局部特征,并通過輻射、蒸騰、屏障等作用,影響近地面層的微環(huán)境特征,調節(jié)系統(tǒng)內部水、熱等小氣候環(huán)境,使系統(tǒng)產生熱量平衡和水量平衡的差異。綠洲是干旱區(qū)的核心,隨著氣候變化和人類活動的雙重影響,荒漠不斷擴大化,作為綠洲天然防護帶的綠洲-荒漠過渡帶逐漸萎縮,土壤沙化,植物群落退化,綠洲農田生態(tài)系統(tǒng)的外圍保障體系遭到嚴重破壞。如何恢復和重建綠洲-荒漠過渡帶植物群落對綠洲穩(wěn)定的保障作用已是目前綠洲穩(wěn)定發(fā)展面臨的重要問題。盡管有學者就綠洲內農田防護林的生態(tài)效應進行了分析,但對極端干旱區(qū)綠洲-荒漠過渡帶防護林環(huán)境特征及生態(tài)功能的研究尚不多見。因此,本研究以遭受嚴重生態(tài)危機的塔里木河下游綠洲-荒漠過渡帶防護林為研究對象,分析不同組成結構的防護林群落的生態(tài)特征和功能及其對環(huán)境的影響,為了解極端干旱區(qū)防護林的生態(tài)功能和估價其環(huán)境效應提供科學基礎,并為恢復、重建和優(yōu)化配置綠洲外圍防護林體系,遏制荒漠化進程提供科學依據。1土壤條件及地下水條件研究區(qū)位于塔里木河下游尾閭綠洲-鐵干里克綠洲邊緣與荒漠接壤之處,長約10km,屬于典型的綠洲-荒漠過渡帶。研究區(qū)屬暖溫帶極干旱氣候區(qū),氣候干燥,多風沙天氣,年均降水量17.4~42.0mm,年均蒸發(fā)量高達2500~3000mm,太陽年總輻射5692~6360MJ/m2,日照時數(shù)2780~2980h,≥10℃年積溫為4100~4300℃,平均日較差13~17℃,是中國極端干旱地區(qū)之一,土壤多為堿化漠鈣土和鹽化草甸土,淺層地下水主要由河水下滲補給。為阻擋綠洲外圍的風沙侵蝕,改良土壤理化性質,改善微氣候條件,維護區(qū)內生態(tài)平衡,保障綠洲農業(yè)生產的正常運行,過渡帶內靠近綠洲區(qū)布設有不同結構組成的人工防護林,包括喬灌草、喬灌、單一喬木和單一灌木等類型(表1),由于單一灌木群落的植被稀疏,生長衰敗,生態(tài)意義不大,因此我們選取了前三種典型組成結構的防護林為研究對象。2學習方法2.1群落風壓監(jiān)測三種組成結構的防護林之間的最大距離不超過2km。于2010年5月和8月,在群落背風面0~100m距離內每隔10m設置一個監(jiān)測點,每個監(jiān)測點監(jiān)測高度分別設置為0.5、1、2、3、4、5m(圖1)。在每個監(jiān)測點的每個高度利用DEM6型三杯風向風速儀,同步連續(xù)監(jiān)測風速1min,取其平均值,同時,在群落迎風面,選擇無植被覆蓋的裸地或稀疏植被處作為對照點,同步監(jiān)測風速。每個點監(jiān)測3次,取其平均值計算防風效應。2.2溫度和濕度測定在各防護林群落內和對照點,選擇晴朗天氣,從08∶00~20∶00,每隔2h,利用AR827型溫濕計測定群落內外2m處的氣溫和相對濕度。AR827型溫濕計采樣間隔為2次/s,每次記錄一分鐘內的出現(xiàn)頻率最高的溫度和濕度為測量時間段內的溫度和濕度,用以分析群落內外的溫濕度差異。2.3土壤溫度指標的測定在各防護林群落內和對照點,挖取1m深土壤剖面,于晴朗天氣,從08∶00~20∶00,每隔2h,利用數(shù)字測溫計(型號:HH10/Onecal)監(jiān)測不同土層溫度(0,5,10,20,30,50,80,100cm),并分層(0~5,5~10,10~20,20~30,30~50,50~80,80~100cm)取土壤,測定土壤質量含水量和土壤鹽分、養(yǎng)分指標,各指標用常規(guī)方法進行測定。2.4數(shù)據的統(tǒng)計分析本文所有數(shù)據處理采用Excel和SPSS13.0軟件,作圖采用Sigmaplot10.0軟件。3結果與分析3.1增濕和增濕效益分析在生長期,不論喬灌草、灌草還是單一喬木的防護林均可起到調節(jié)大氣溫度和濕度的作用,但日調節(jié)幅度有差異(圖2)。從氣溫差日變化來看,08∶00時三種防護林氣溫均較對照裸地高,即存在增溫效應,其中喬灌草、喬灌和單一喬木防護林分別高出對照裸地6.5、3.3和0.2℃;10∶00~16∶00,三種防護林均較對照裸地氣溫低,即存在明顯的降溫作用,其中喬灌草防護林較裸地氣溫變化幅度較大,尤其是在10∶00~12∶00之間,表明其降溫作用較喬灌和單一喬木防護林大,這可能是因為密度和蓋度較高的植被冠層有效地遮擋了太陽的直接輻射,使得群落內溫度較為穩(wěn)定;18∶00~20∶00,三種防護林較裸地的氣溫差變化減弱,說明群落內溫差減小,尤其是喬灌草防護林,氣溫差由負轉為正,表明此時具有增溫效應。方差分析表明,喬灌草防護林群落內外溫差與喬灌防護林和單一喬木防護林均有顯著差異(P<0.05),表明喬灌草結構防護林更能有效地調節(jié)氣溫,穩(wěn)定群落溫度。從相對濕度差日變化來看,三種防護林都具有明顯的增濕效益,但增濕幅度因群落類型而異。喬灌草防護林在08∶00~20∶00內均保持較高的相對濕度,尤其是08∶00~12∶00期間,相對濕度較林外高30%以上,12∶00后,濕度差保持在20%~25%之間;喬灌防護林在08∶00~16∶00增濕增幅也較大,平均較林外高出20%以上,隨時間的推移,濕度差略有減少;單一喬木防護林在08∶00~20∶00間均變幅不大,相對濕度差保持在10%~15%。方差分析表明,喬灌草防護林的增濕效益顯著高于喬灌和單一喬木防護林(P<0.05),喬灌防護林和單一喬木防護林的增濕效益差異未達顯著水平(P>0.05),表明喬灌草結構防護林能明顯地調節(jié)林內空氣相對濕度,使群落內保持較高的相對濕度,利于植物生長發(fā)育。這可能是因為喬灌草防護林較高的植物密度和覆蓋度,太陽輻射經過喬木冠層、灌木冠層和草本冠層的三層截留后到達群落內的輻射已經很少了,減少了水分的散失,因而能增加林內的空氣濕度。3.2不同林分類型對土壤鹽分含量的影響土壤水鹽是植物群落形成的基本條件,群落對土壤水鹽也有反饋作用。從不同土層深度的土壤水分來看(圖3),喬灌草防護林土壤水分隨深度變幅最大,0~30cm土壤水分逐漸增加,高達25%以上,遠高于喬灌和單一喬木防護林,差異顯著(P<0.05);喬灌防護林和單一喬木防護林土壤水分的變化相似,0~30cm土壤水分含量低,在5%以下,變化不大。30~100cm土層中,三種防護林土壤水分逐漸趨于一致,差異不明顯(P>0.05)。這表明,喬灌草防護林能顯著提高0~30cm土層的土壤水分,而30cm以下土層,土壤水分受防護林類型的影響較小。這可能與群落內植物的吸水根系分布有關,喬灌木的植物吸水根系主要分布在50cm以下,而草本植物的吸水根系主要分布在30cm以上,同時分布在50cm以下的喬灌木吸水根系可以吸取土壤下層水分及地下水,通過水分再分配,將水分釋放至土壤上層,被草本植物根截留,滯留在土壤中,增加了表層土壤濕度。三種防護林的土壤鹽分含量與土壤水分變化相反。0~100cm土層,喬灌草和喬灌防護林土壤鹽分均變化不大,兩者差異不顯著(P>0.05);0~50cm土層,單一喬木防護林土壤鹽分變化不大,當土壤深度>50cm后,土壤鹽分迅速增加,且0~100cm的土壤鹽分含量均顯著高于喬灌草和喬灌防護林(P<0.05)。表明喬灌草和喬灌防護林較單一喬木防護林更能抑制土壤鹽分,尤其是深層土壤鹽分(50~100cm)。3.3不同林分類型土壤全n含量防護林類型還影響土壤養(yǎng)分特征(圖4)。0~50cm,喬灌草防護林土壤有機質含量最高,喬灌防護林次之,單一喬木防護林最低;50~100cm,喬灌草和喬灌防護林土壤有機質含量隨土層增加趨于穩(wěn)定;50~80cm,單一喬木防護林土壤有機質迅速增加,80~100cm,趨近于其它兩種防護林。方差分析顯示,0~50cm,喬灌草和喬灌防護林土壤有機質顯著高于單一喬木防護林,且三者有顯著差異(P<0.05);50~100cm,三者土壤有機質含量差異未達到顯著水平(P>0.05)。表明喬灌草防護林更有利于增加0~50cm土壤有機質,這可能是因為喬灌草群落的枯枝落葉較多,尤其是花花柴的葉片和莖桿木質部較少,莖葉含水量較高,在秋季枯死后較喬灌木枯枝葉更易分解,對于土壤有機質的改善具有重要作用。土壤全N含量與有機質變化趨勢相似,0~50cm,喬灌草和喬灌防護林土壤全N顯著高于單一喬木防護林,50~100cm,土壤全N含量逐漸下降至穩(wěn)定;單一喬木防護林土壤全N含量在0~50cm較低,50~80cm迅速增加,之后急劇下降,略低于喬灌草群落和喬灌群落。方差分析表明,0~50cm,喬灌草和喬灌防護林土壤全N差異不顯著(P>0.05),但兩者均顯著高于單一喬木防護林(P<0.05)。同樣,0~50cm,喬灌草和喬灌防護林土壤全P含量顯著高于單一喬木防護林(P<0.05),50~100cm,三種防護林土壤全P含量均呈下降趨勢,且趨于一致。但是,土壤全K含量的變化趨勢與其他土壤養(yǎng)分指標相反。0~20cm,三種防護林的土壤全K含量變化不大,但土層深度>20cm,三種防護林土壤全K含量均增加,且喬灌草和喬灌防護林均顯著高于單一喬木防護林(P<0.05)。表明喬灌草和喬灌防護林有利于增加0~50cm土壤全N、全P和20~100cm土壤全K的積累,對改善土壤質量有顯著作用。3.4種防護林類型的調節(jié)效果從圖5可看出,防護林土壤溫度與對照點的溫度差垂直分布總體表現(xiàn)為由地表向地下遞減,即防護林對土壤溫度的調節(jié)能力從地表向下逐漸減弱,且當土壤深度>80cm,各群落土壤溫度與對照點土壤溫度相差極小。比較三種防護林,喬灌草和喬灌群落能有效調節(jié)調節(jié)0~50cm土壤溫度,且喬灌草群落調節(jié)能力較喬灌群落強(P<0.05),單一喬木群落能有效調節(jié)0~30cm土壤溫度,但調節(jié)幅度顯著小于前兩種防護林類型(P<0.05)。表明喬灌草防護林能顯著緩沖0~50cm土壤溫度的劇變,維持溫度穩(wěn)定,這可能因為喬灌草群落中草本植物,如花花柴等,距離地表高度較低,枝葉繁多,覆蓋度較大,較大程度地遮擋住了穿透喬灌木冠層的太陽輻射,有效地減少了熱量的傳遞,維持了土壤溫度的穩(wěn)定。其次為喬灌防護林,單一喬木防護林僅能調節(jié)0~30cm土壤溫度,緩沖作用最弱,調節(jié)幅度最小,這可能與其植被覆蓋度過低有關。3.5橫向有效防風距離冠層可以阻擋風力,降低近地層風速,而且防護效應是植物群落保障綠洲生產安全的關鍵因素。圖6是距離防護林不同距離和不同高度的群落防風效應圖。從不同高度的防風效應變化趨勢來看,喬灌草防護林在1m以下的防護作用較高,這個高度正是草本層,尤其是密度和冠幅較大的花花柴分布的高度,1~2m時,防風作用逐漸減小,2~4m又開始增大,此高度是灌木和喬木冠層大量分布的高度,當超過4m后再次減小,因此,喬灌草防護林的有效防護高度為1m以下和2~4m之間;喬灌木和單一喬木防護林的防風效應隨高度的變化趨勢一致,1m以內防風作用較低,喬灌木和單一喬木防護林分別在2~4m和2~3m保持著較好的防護作用,之后隨高度上升,其防護效應開始下降,這可能是因為喬灌木和單一喬木防護林在1m內沒有草本層,灌木冠層集中在2~3m,大量喬木冠層主要分布在2~4m,對于高度較低的單一喬木防護林而言,當超過3m后喬木冠層稀疏,阻風能力有限,因此喬灌木防護林和單一喬木防護林的有效防護高度分別為2~4m和2~3m。比較三種防護林不同橫向距離的防風效應,單一喬木防護林的防風效應在三種群落中最差,當橫向距離超過40m后,防護效益低于20%,且隨高度幾乎不變,表明此時防風作用已不明顯,可推斷單一喬木防護林的橫向有效防風距離為40m;喬灌木防護林在橫向距離超過60m后,防護效應為20%左右,且隨距離的增加變化不大,由此可判斷,喬灌木防護林的橫向有效防風距離為60m;喬灌草防護林在高度低于1m時,橫向距離100m內的防護效應大于40%以上,表現(xiàn)出了較好的防護作用,高度超過1m時,橫向距離在超過60m后,防護效應為20%左右,變化不大,表明喬灌草防護林在1m以下的橫向有效防風距離可達100m,超過1m以上的橫向有效防風距離為60m。研究區(qū)的綠洲主要農作物為棉花,其高度在1m左右,因此,喬灌草防護林可降低風沙對農作物的危害,有效保護農業(yè)生產。4增加土壤水分、改善土壤理化性質的作用(1)綠洲-荒漠過渡帶防護林可提Z高群落內氣溫和相對濕度的穩(wěn)定性;其中,三種不同類型防護林對氣溫和相對濕度的調節(jié)能力大小依次為:喬灌草防護林>喬灌防護林>單一喬木防護林,且喬灌草防護林的調節(jié)能力顯著高于后兩者。(2)喬灌草防護林0~30cm土壤水分含量顯著高于喬灌和單一喬木防護林,且喬灌草及喬灌防護林0~100cm土壤鹽分含量顯著低于單一喬木防護林,同時喬灌草防護林更有利于增加0~50cm土壤有機質、全N、全P和20~100cm土壤全K的積累,因此能更有效地增加土壤水分、抑制鹽分、增加養(yǎng)分,改善土壤質量。(3)喬灌草防護林較喬灌木和單一喬木防護林更能顯著調節(jié)0~50cm土層的溫度,維持土壤溫度的穩(wěn)定,利于植物根系和土壤中微生物的生理活動,并減少土壤表層水分蒸發(fā),增加土壤濕度。(4)在有效防護高度上,喬灌草防護林的有效防護高度為1m以下和2~4m之間,喬灌群落的有效防護高度為2~4m間,單一喬木防護林的有效防護高度為2~3m;在橫向有效防護距離上,喬灌草防護林在高度1m以上時橫向有效防護距離為60m,在1m以內的橫向有效防護距離可達100m,喬灌防護林的橫向有效防護距離為60m,單一喬木防護林的橫向有效防護距離為40m。綜上所述,喬灌草防護林較喬灌木和單一喬木防護林可有效減弱