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人工生態(tài)防護(hù)體系土壤水分物理特征的模擬分析
生物土壤(bcs)是由土壤表面由苔蘚、藻、土壤等隱花植物和微生物組成的有機綜合體組成的。它們廣泛分布于干旱和干旱地區(qū)。由于生物土壤結(jié)皮在干旱區(qū)生態(tài)恢復(fù)中所具有的獨特生態(tài)功能,生物土壤結(jié)皮研究愈來愈引起人們的廣泛關(guān)注,成為荒漠化地區(qū)防沙治沙和生態(tài)恢復(fù)研究的熱點問題[3~5]。生物土壤結(jié)皮中的細(xì)粒物質(zhì)(沙粒、粉粒、粘粒)不是以單獨顆粒形式存在,而是被微生物(主要是細(xì)菌,少量放線菌與真菌)菌絲體、凝膠體或其分泌的多聚糖、黏液質(zhì)鞘粘連,或者被藻類、地衣和苔蘚的假根捆綁起來,與微生物、藻類、地衣和苔蘚等隱花植物一起形成完整的生物土壤結(jié)皮。大量研究報道了生物土壤結(jié)皮的固土培肥,增加土壤養(yǎng)分,改變土壤水分狀況等方面的生態(tài)功能[1,5~14]。我國騰格里沙漠東南緣人工植被固沙區(qū)降塵的累積構(gòu)成了微生物土壤結(jié)皮中非生物成分的主體,并不斷改變著生物土壤結(jié)皮層的土壤物質(zhì)平衡。對不同固沙年限沙丘迎風(fēng)坡結(jié)皮層機械組成分析表明,隨著沙丘固定時間的延長,生物土壤結(jié)皮中<0.002mm粘粒含量不斷增加,而0.05~0.5mm砂粒的比例不斷降低。肖洪浪等認(rèn)為,流沙固定過程中土壤-植被系統(tǒng)向地帶性方向演替,水分和養(yǎng)分的表聚行為導(dǎo)致了生物系統(tǒng)淺層化的過程。土壤剖面分化、結(jié)皮層形成和土體構(gòu)型的改變導(dǎo)致土壤水分保持能力和入滲、再分配過程的變化,形成了土壤-植被系統(tǒng)全新的水環(huán)境。生物土壤結(jié)皮對土壤-水分關(guān)系的影響具有高度的地區(qū)/區(qū)域特征。生物土壤結(jié)皮蓋度以及結(jié)皮中藍(lán)藻、地衣、苔蘚的構(gòu)成比例等指標(biāo)所反映的生物土壤結(jié)皮發(fā)育程度,區(qū)域氣候狀況,地表粗糙度,土壤質(zhì)地與結(jié)構(gòu)等均明顯影響特定地區(qū)的水文循環(huán)過程土壤質(zhì)地對水文循環(huán)的影響作用極其重要甚至?xí)^生物土壤結(jié)皮比如對脹縮性粘土來說,無論其表面有無生物土壤結(jié)皮存在,它的入滲速率相對較低。有關(guān)生物土壤結(jié)皮對水文循環(huán)的影響目前存在著兩種截然不同的觀點,一些學(xué)者認(rèn)為生物土壤結(jié)皮的存在有利于水分入滲,而另一些學(xué)者則認(rèn)為其存在降低了水分入滲。另外,George等采用栽培室與野外試驗相結(jié)合的方法,研究了生物土壤結(jié)皮對土壤水分損失的影響,認(rèn)為生物土壤結(jié)皮可以通過增加表層土壤水流阻力來提高土壤水分的有效性。本文通過確定荒漠人工植被區(qū)表層土壤水力學(xué)參數(shù),對生物土壤結(jié)皮的水文物理特征進(jìn)行分析,對草原化荒漠地區(qū)土壤水分動態(tài)模擬與基于土壤有效水分動態(tài)變化特征的區(qū)域植被建設(shè)及優(yōu)化管理提供基礎(chǔ)理論解釋。1學(xué)習(xí)方法1.1生物土壤結(jié)皮的原位取樣方法試驗在中國科學(xué)院沙坡頭沙漠試驗研究站(37°32′N,105°02′E)人工植被生態(tài)防護(hù)體系內(nèi)進(jìn)行,試驗區(qū)格狀沙丘由西北向東南傾斜,呈階梯狀分布。沙丘主梁呈新月型沙丘鏈形態(tài),走向為西北-東南方向,海拔高度約為1300m,相對高差15~20m。本區(qū)域主風(fēng)方向為西北風(fēng)和西北西風(fēng),2m高度處年均風(fēng)速2.1m/s。流動沙丘區(qū)風(fēng)沙土0~5cm剖面土壤容重在1.45~1.63g/cm3之間變化,平均為1.57±0.07g/cm3;而表層0~5cm生物土壤結(jié)皮容重在1.05~1.39g/cm3之間變化,平均為1.21±0.03g/cm3(表1)。自1956年開始,我國幾代沙漠科學(xué)工作者先后于1956、1964、1965、1966、1973、1981、1982、1984、1987與1989年數(shù)年內(nèi),沿包(頭)-蘭(州)鐵路中衛(wèi)甘塘段兩側(cè)逐步向北、向南及東西方向推進(jìn),采用半隱蔽式草方格沙障(1m×1m)對流動沙丘進(jìn)行固定。然后在人工固定的沙丘表面沿東北-西南方向栽植黃柳、喬木沙拐棗、沙木蓼、檸條、油蒿和花棒等灌木幼苗,防護(hù)林呈條帶狀,垂直于盛行風(fēng)西北風(fēng)方向。累年栽植固沙灌木固定以后,沿鐵路東西走向形成長16000m,北側(cè)500m、南側(cè)200m寬的人工固沙生態(tài)防護(hù)體系。由于1956年初始栽植的人工植被區(qū)生物土壤結(jié)皮發(fā)育程度最好,該區(qū)76個調(diào)查點原位取樣測定結(jié)果顯示,生物土壤結(jié)皮最小厚度3.5cm,最大為6.8cm,平均厚度為5.1cm(表2)。因此,選擇在該樣區(qū)內(nèi)設(shè)置固定取樣觀測樣方10個(1m×1m);同時,在流動沙丘區(qū)選擇3個樣點,取相同深度的土壤樣品作為對照。1.2土壤水分的表征田間直接測定項目與方法:由于生物土壤結(jié)皮表面凹凸不平,常規(guī)環(huán)刀法取樣難以真實反映表層容重,因此用石蠟固定法(容積代換法)測定;沙丘沙容重用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀(直徑與高度均為5cm,容積100cm3)取樣法測定。由表2可知,生物土壤結(jié)皮平均厚度5.1cm,其中值與眾數(shù)分別為5.2cm,5.4cm。因此,取有生物土壤結(jié)皮表層0~5cm土樣,已能代表該地區(qū)的生物土壤結(jié)皮。0~5cm土壤體積含水率用TraseSystemI時域反射儀測定美國儀器公司然后取表層土樣均勻混合后帶回中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所土壤實驗室分析。土壤顆粒分析用MS-S激光粒度分析儀(英國Malvern儀器公司)。非飽和土壤水力傳導(dǎo)度取原狀土采用Star-1非飽和土壤水力傳導(dǎo)度(荷蘭瓦赫寧根大學(xué)土壤物理實驗室研制)測定;飽和土壤導(dǎo)水率(Ks)用Guelph入滲儀(Model2800K1GuelphPermeameter,美國Soilmoisture儀器公司)在野外直接測定。土壤體積含水率與土壤基質(zhì)勢對應(yīng)關(guān)系由壓力陶土板系統(tǒng)(15BarCeramicPlateExtractor,美國Soilmoisture儀器公司)測定,土壤飽和含水率(θs)相當(dāng)于總孔隙度,由土壤容重?fù)Q算得到;土壤滯留含水率(θr)近似為風(fēng)干土壤含水率;參數(shù)α,m,n的確定應(yīng)用vanGenuchten土壤水分特征曲線擬合:式中θs為土壤飽和含水率,cm3/cm3;θr為土壤滯留含水率,cm3/cm3;h(≤0)為土壤基質(zhì)勢,cm;α(1/cm),n,m為參數(shù),其中m=1-1/n。在不收縮的土壤中,根據(jù)水分特征曲線可以計算出當(dāng)量孔徑的分布。當(dāng)量孔徑為非飽和土-水系統(tǒng)中,與一定土壤水吸力對應(yīng)的產(chǎn)生毛細(xì)管作用的土壤有效孔徑。由以下公式求得:式中d為毛管孔隙直徑,mm;σ為水的表面張力系數(shù),室溫下一般為72×10-5N/cm;s為土壤水吸力(等于土壤基質(zhì)勢的負(fù)值)水頭,cm。為了表述方便,定義無量綱土壤水分含量參數(shù)Θ為根據(jù)Mualem通過土壤水分特征曲線估算非飽和土壤水力傳導(dǎo)度K(h)及土壤水彌散系數(shù)D(Θ)的方法有:基于vanGenuchten方程(1)模擬的土壤水力參數(shù)并應(yīng)用式(5),計算得到生物土壤結(jié)皮與沙丘沙非飽和土壤水力傳導(dǎo)度K(h)與土壤基質(zhì)勢關(guān)系,并與Star-1非飽和土壤水力傳導(dǎo)度測定結(jié)果比較。2試驗結(jié)果與分析2.1沙區(qū)土壤含水率土壤水分特征曲線能夠反映土壤水分的有效性。由于土壤水分特征曲線的變化特征在高土壤基質(zhì)勢范圍內(nèi)主要取決于土壤結(jié)構(gòu),它與毛管上升作用力有關(guān),而在低土壤基質(zhì)勢范圍內(nèi)受土壤質(zhì)地的制約,因此在低土壤基質(zhì)勢作用影響下,很可能與土壤的孔隙數(shù)量和孔隙特性有關(guān)。沙丘沙體積含水率的變化范圍在0.0046~0.042cm3/cm3之間,生物土壤結(jié)皮為0.04~0.1349cm3/cm3(圖1,圖2;表3)。當(dāng)土壤基質(zhì)勢在-300~-15000cm水頭之間變化時,生物土壤結(jié)皮含水率在0.0931~0.0446cm3/cm3之間,土壤有效含水率為0.0485cm3/cm3;沙丘沙含水率在33之間土壤有效含水率為0.026cm3/cm3。通過計算土壤田間持水量與凋萎濕度差值的方法,比較得出研究區(qū)溫帶荒漠人工植被生物土壤結(jié)皮的有效含水率比沙丘沙含水率高0.0225cm3/cm3。2.2生物土壤結(jié)皮的持水能力當(dāng)量孔徑在0.002~0.06mm范圍內(nèi)時,孔隙的毛管作用明顯,其中的水分能夠運動,毛管傳導(dǎo)率大,土壤水分易被植物吸收利用,是對植物最有效的水分。當(dāng)土壤基質(zhì)勢低于-5000cm時,兩種試驗土壤的持水能力依次為:生物土壤結(jié)皮>沙丘沙。長期監(jiān)測的土壤水分值低于0.03cm3/cm3,土壤干旱成為脅迫植物正常生長的制約因素,土壤基質(zhì)勢處于<-5000cm的狀況。因此,僅在降水補給條件下生物土壤結(jié)皮的持水能力大于沙丘沙。比較而言,如果沙丘沙基質(zhì)上發(fā)育生物土壤結(jié)皮,這種土壤結(jié)構(gòu)所形成的剖面層次將會減少入滲水量;若砂粘土表層有生物土壤結(jié)皮發(fā)育,則有助于提高降水入滲量。與Hillel等的研究結(jié)果“細(xì)粒土壤層基質(zhì)勢將阻止土壤水分入滲到相對大孔隙的粗粒土壤層”相一致。所以,只有當(dāng)細(xì)粒土壤剖面達(dá)到飽和以后,土壤水分才可能滲入深部粗粒土壤剖面層。2.3土壤基質(zhì)勢、土壤基質(zhì)勢均與土壤結(jié)皮同工性的關(guān)系Star-1非飽和土壤水力傳導(dǎo)度測定系統(tǒng)所測定的土壤基質(zhì)勢范圍在-1~-1000cm之間,因此與擬合結(jié)果的比較僅限定在此范圍之內(nèi),沙丘沙與生物土壤結(jié)皮的擬合決定指數(shù)分別為0.997與0.9971。圖3表明,隨著土壤基質(zhì)勢的不斷降低,沙丘沙非飽和水力傳導(dǎo)度呈指數(shù)趨勢遞減,而生物土壤結(jié)皮非飽和水力傳導(dǎo)度隨土壤基質(zhì)勢的降低(h=-3000cm)下降至0.077cm/d以后趨于回升,當(dāng)土壤基質(zhì)勢在>-3000~-15000cm之間變化時,其非飽和水力傳導(dǎo)度一直維持在平均0.3±0.03cm/d的水平。在土壤基質(zhì)勢較高的初始階段(h=0~-10cm),生物土壤結(jié)皮非飽和水力傳導(dǎo)度略高于沙丘沙,爾后急劇降低。當(dāng)h=-300cm時,生物土壤結(jié)皮含水率為0.0931cm3/cm3,K值僅為27.4cm/d,沙丘沙含水率為0.0357cm3/cm3,K值仍高達(dá)158.2cm/d。但是當(dāng)h降至-3000cm時,生物土壤結(jié)皮含水率為0.0503cm3/cm3,K值出現(xiàn)回升,平均K值為0.3cm/d,而沙丘沙含水率為0.0172cm3/cm3,K值降低至0.002cm/d以下2.4生物土壤結(jié)皮與沙丘沙材料的機械組成特征根據(jù)vanGenuchten方程(1)模擬的土壤水力參數(shù)(表3),并應(yīng)用式(5),計算得到生物土壤結(jié)皮與沙丘沙非飽和彌散系數(shù)與土壤含水率之間的變化關(guān)系(圖4,圖5)。比較生物土壤結(jié)皮與沙丘沙非飽和彌散系數(shù)變化過程(圖4,圖5),當(dāng)沙丘沙含水率由0.005增加至0.042cm3/cm3時,其非飽和彌散系數(shù)由0.0008上升至10848.3cm2/d;當(dāng)生物土壤結(jié)皮含水率由0.0412增加至0.1249cm3/cm3時,其非飽和彌散系數(shù)由0.00005上升至3181.4cm2/d。生物土壤結(jié)皮與沙丘沙兩種土壤類型的質(zhì)地差異直接影響非飽和彌散系數(shù)的變化。從表1生物土壤結(jié)皮與沙丘沙0~5cm深度機械組成分析可以看出,表層沙丘沙粉粒(粒徑0.002~0.05mm)含量僅占0.02%,其余99.98%全部為沙粒。而生物土壤結(jié)皮粘粒(粒徑<0.002mm)含量為4.3%,沙粉粒(粒徑0.002~0.05mm)含量占13.76%,沙粒含量降低為81.94%。兩種土壤質(zhì)地差異巨大,生物土壤結(jié)皮中粉粒、粘粒含量的增高,提高了土壤的聚集穩(wěn)定性,是導(dǎo)致其非飽和彌散系數(shù)降低的主要原因。3生物土壤結(jié)皮的影響形成于干旱溫帶荒漠地區(qū)的生物土壤結(jié)皮的水文物理特性具有典型的微地域差異性,且隨著土壤含水率的變化表現(xiàn)出非線性特征;與該地區(qū)原始流動沙丘沙比較,生物土壤結(jié)皮既具有較強的保持水分的能力,同時其非飽和水力傳導(dǎo)度在隨土壤含水率降低遞減至一定值時,出現(xiàn)回升并能夠維持在一個較高的水平,這一點完全區(qū)別于原始流動沙丘沙。本文研究結(jié)果支持Harper等與George等的結(jié)論,生物土壤
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