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白刺砂堆の退化と土壤水分の関係(その3)

2017年 5月25日

王月, 李程, 張清涛, 梁暁健, 邱国玉:北京大学環境・能源学院

李愛徳, 楊自輝:甘粛民勤荒漠草地生態システム国家野外科学観測研究ステーション甘粛省治沙研究所

その2よりつづき)

3.3 異なる退化段階の白刺砂堆の土壤水分の垂直変化

 図7と図8は、中性子水分計によって測定された2008—2012年の異なる退化段階にある白刺砂堆の0—190cmの土壤体積含水量の垂直変化図である。ここからは異なる退化段階で土壤水分の垂直変化の傾向に明らかな差異が見られることがわかる。このうち原形段階の白刺砂堆の土壤含水量は垂直波動性が最も大きく、0—90cmが最も際立ち、右に開いたW字型を示している。降水や乾砂層などの要素の影響を受け、表層10cmの土壤含水量は最も大きく、2008年9月25日には0.084m3/m3に達した。10—30cmの土壤含水量は直線的に減少し、30—50cmでは徐々に増大し、50—70cmではさらに減少した。90cmより下の水分変化は大きくなく、150—190cmでわずかに増加する傾向を示した。原形段階の土壤顆粒は比較的粗いことから、毛管上昇の高さが比較的低く、下層の水分は上層へと補給されず[34]、白刺砂堆は比較的安定した系統となる。このため90—150cmの土層の土壤水分の変化は小さい。発育段階の土壤含水量の垂直変化はS字型を示し、0—30cmで急激に減少し、30cmで最小値に達し、2011年8月1日にはわずか0.012m3/m3となり、30—170cmで徐々に増加し、170—190cmで再び減少する。このようなS字型曲線の法則は、毛烏素砂地の南縁の砂柳低木の土壤水分の研究の結論[35]と一致する。垂直変化の面では、原形段階と発育段階の白刺砂堆の土壤含水量は表層0—90cmで波動が比較的大きく、「変速層」「安定層」「増加層」に分層される特徴を示した。0—30cmの土層は、降水と蒸発の影響を受け、水分変化が比較的激しく、雨水の吸収が速く、蒸発も速く、乾湿の変動が頻繁であるなどの特性を示す[36]。原形段階と発育段階の白刺砂堆の体積と高度は比較的小さく、各径級の根系(粗根、中根、細根)は主に0—60cmに分布している[33]。これも、原形段階と発育段階の白刺砂堆の深さ0—90cmの土壤水分がより大きな波動性を示す原因の一つとなっている。深層土壤について言えば(110cmより下)、砂堆の下方は土性の硬い粘土層であり、水分の下方浸透が比較的少なく、民勤の荒漠・オアシス推移帯の地下水位はすでに1950年代の1—3mから16.43—22.22mへと下がり、植物が利用するのは困難で[12,37]、深層土壤水分の変化に対して根系はほぼ影響せず、深層土壤の水分変化は比較的小さい。

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図7 異なる退化段階の白刺砂堆の土壤体積含水量の垂直変化(2008—2010年)

Fig.7 Vertical changes of volumetric soil water content from 2008 to 2010 in different degradation stages

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図8 異なる退化段階の白刺砂堆の土壤体積含水量の垂直変化(2011—2012年)

Fig.8 Vertical changes of volumetric soil water content from 2011 to 2012 in different degradation stages

 安定段階の白刺砂堆の土壤水分の垂直変化は最も小さく、1字型を示し、異なる土層深度の土壤水分はほぼ一致し、0.014—0.024m3/m3の範囲で変化した。2008年9月25日と2011年6月21日、10月30日の各深度の土壤水分は顕著に増加し、0—90cmで増加幅は最大となり、90cmより下では変化は小さかった。浅層土壤の水分は、地表植生の被覆や気候条件などの影響を受け、変化が顕著で、標準偏差は比較的大きい。深層土壤水分は、地表条件の影響が小さく、環境が相対的に安定し、変化は緩やかで、標準偏差は小さかった(図6)。2008年は、8月30日の0.016—0.022m3/m3から0.053—0.066m3/m3に増大し、2011年は、5月10日の0.013—0.019m3/m3から0.053—0.061m3/m3に増加した。降水データと結合すると、2008年9月21日から9月27日までは連続で降雨となり、日降水量は順に5.0、18.2、0.2、1.6、5.0、1.8、0.2mmで、7dの降水総量は32.0mmに達した。2011年6月21日の降水量は4.4mmで、10月25日と10月28日は間断性の降水があり、日降水量はそれぞれ0.3、2.5mmだった。図7からは、9月25日が、2008年の各白刺砂堆標本地の土壤含水量が最高の日であったことがわかる。反応が最も際立っていたのは、安定段階の白刺砂堆だった。降水後、安定段階の白刺は、水分補給のために迅速に生長し、植生の被度は高まり、表層の根系密度は増し、分布は拡大し、水分を吸収する。乾燥地帯では、土壤含水量の極値は通常、降水現象と関係があり、とりわけ連続的で集中的な降水でそれが際立つ[38-39]。死亡段階の白刺砂堆の表層10—30cmの土壤含水量は比較的多く、0.050—0.060m3/m3に達する。その他の土層はほぼ0.015—0.020m3/m3の間で変わらない。安定段階と死亡段階の白刺砂堆の土壤水分の垂直変化は小さく、集中的な降水が発生した時だけ、水分は70—130cmの範囲の下方にまで浸透する。クラストの存在や植物被度の高さなどにより、降水は深層土壤には補給されにくくなる[26]

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図6 異なる退化段階の白刺砂堆の異なる深度の土壤体積含水量の標準偏差(SD)〔再掲〕

Fig.6 Standard deviation (SD) of volumetric soil water content at different depthsandindegradation stages

 研究エリアは地下水位が深く、降水が、荒漠・オアシス推移帯の土壤水分補給の主要な源となっている。図9は、異なる退化段階の白刺砂堆の2011年の3回の降雨現象前後の土壤質量含水量の変化量である。2011年5月15から20日の前後の降水総量は9.6mmで、降水回数は3回、降水強度はそれぞれ5月9日が2.8mm、5月11日が5.4mm、5月20日が1.4mmだった。2011年7月1日から6日の前後の降水総量は12.8mmで、降水回数は5回でいずれも最大であり、降水量はそれぞれ6月29日が3.6mm、7月2日が3mm、7月3日が0.2mm、7月4日が3.6mm、7月5日が2.4mmだった。2011年7月15日から24日の降水総量は0.4mm、降水回数は2回で、降水強度はそれぞれ7月23日が0.2mm、7月24日が0.2mmだった。降水の回数と強度が最大だったのは2011年7月1日から6日までで、5月15日から20日までがこれに続き、7月15日から24日が最小だった。

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図9 異なる退化段階の白刺砂堆の異なる深度の土層の降雨現象の前後の土壤水分の変化(θ-θ0

Fig.9 Variation of mass soil water content at 0—100 cm depth after rainfall events in different degradation stages

 図9に示される通り、降水の回数と強度の傾向と一致し、土壤質量含水量の変化量は7月1日から6日が最大で、5月15日から20日がこれに続き、7月15日から24日が最小だった。2011年7月1日から6日までの最大日降水量は3.6mmに達し、死亡段階の白刺砂堆の50—100cm土層を除けば、その他の標本地の各土層の土壤含水量はいずれも増加し、増加幅は0.07%—2.53%だった。垂直方向では、0—10cmの深さの土壤水分の増加幅が最大(1.10%—2.52%)で、降水は、乾燥地帯の浅層土壤水分の空間的な差異の决定的な原因となり、安定段階と死亡段階の白刺砂堆の表層の増加量は原形段階と発育段階よりも大きかった。20—100cmの深度では、原形段階と発育段階の土壤水分の増加量は、安定段階と死亡段階よりも大きく、安定段階と死亡段階の表層クラストや植生被度の高さなどの要素が降水の侵入をさえぎる役割を果たしていることがより一層裏付けられた。

 2011年5月15から20日までの原形段階と発育段階の白刺砂堆の0—50cmの土壤水分は明らかに増加し、その他の段階の白刺砂堆の各土層は基本的に変化せず、安定段階と死亡段階の白刺砂堆の0—10cmの土壤水分の変化量は負の値となり、土壤の蒸発が土壤水分を消耗したことを示した。2011年7月15から24日までの降水量と降水回数はいずれも最小で、0—5cm土層と安定段階の50cm土層、原形段階の50—70cm土層で一定の降水の下方浸透があったのを除けば、その他の各標本地の各土層の土壤水分変化量はいずれも負の値となり、強度の低い降水は侵入する前に蒸発という方式で消耗され、降雨が白刺砂堆の土壤水分に影響を与えていないことがわかった。総じて、降水による白刺砂堆の土壤水分の有効補給は主に、降雨の強度や頻度、土壤の性質、クラストなどの要素の影響を受ける[25]。クラストの存在や植生被度の高さなどの要素は、降水の下方浸透を妨げ、死亡段階の白刺砂堆の土壤の蒸発の旺盛さと土壤水分の収支不均衡をもたらし、これが砂堆の退化さらには死亡の重要な原因となる[26]。異なる退化段階の白刺砂堆の間では、形態や土壤の性質、植生分布の状況の違いに応じて、強い降雨後の土壤水分の侵入率と降水の再分配の状況に大きな差異が見られる。原形段階と発育段階に典型的に見られる通り、生長シーズンの間欠的な降雨と強烈な土壤蒸発によって、白刺砂堆の土壤水分は、乾湿の頻繁な交替を経ることとなる[38]

3.4 各退化段階の土壤水分状況の評価

 研究によると、甘粛省の民勤流動砂丘のしおれ係数は0.73%で[40-41]、民勤の固定・半固定砂丘の研究ではしおれ係数は1.36%だった[42]。本研究における民勤の荒漠・オアシス推移帯の白刺砂堆の標本地の状況と土壤水分データと結びつけ、原形・発育段階の白刺砂堆は流動砂丘、安定・死亡段階の白刺砂堆の標本地は固定または半固定の砂丘に属し、クラスト層が形成されている。0.8%と1.5%をそれぞれ、原形・発育段階の白刺砂堆と安定・死亡段階の白刺砂堆のしおれ係数として選ぶ。本研究で実測された土壤容積重量を体積含水量に換算すると(1.5g/cm3)、対応するしおれ係数はそれぞれ0.014m3/m3(原形・発育段階)と0.022m3/m3(安定・死亡段階)だった。図5からは、発育・原形段階の白刺砂堆の土壤含水量はいずれもしおれ係数よりも高く、安定段階の白刺砂堆のほとんどの土層深度の土壤含水量はしおれ係数よりも低く、死亡段階の白刺砂堆の土壤含水量は表層の10cmと30cmを除けば、それ以外の土層はしおれ係数よりも低いことがわかる。このことは研究エリアの極端な乾燥環境の下では、安定段階と死亡段階の白刺砂堆の土壤水分は植物の生長の維持に必要な最低水分閾値に達さず、これが白刺砂堆の退化につながる重要な原因になることを示している。

4 結論と展望

(1)年をまたいだ変化では、各標本地の土壤含水量はいずれも、2008年に最大となり、2009年と2011年がこれに次ぎ、2010年が最小となる傾向を示した。このうち深さ0—50cmでは変化が最も際立ち、70—130cmの土壤含水量の年ごとの変化は、深さが増すに伴って緩やかとなり、波動性は明らかに減少する。季節による変化では、春季の土壌含水量が最低で、夏季は波動が大きくなり、7月または9月に最大値に達し、その後、徐々に減少する。季節による変化は0—30cmの土層で際立ち、土層の深さが増すにつれて、より明らかとなる。

(2)垂直変化では、異なる退化段階の土壤水分の垂直変化が明らかな差異を示した。原形段階と発育段階の白刺砂堆の土壤含水量の表層0—90cmの波動は比較的大きく、「変速層」「安定層」「増加層」に分層される特徴を示した。安定段階と死亡段階の白刺砂堆の土壤水分の垂直変化は小さく、集中的な降水が発生した時だけ、水分は0—90cmの範囲の下方にまで浸透する。土壤の保水力の低さや孔隙率の高さ、浸透力の高さ、良好な通気性などの土壤の特徴と根系の分布は、原形段階と発育段階の白刺砂堆の土壤水分の垂直波動に対する主要な影響要素となる。クラストの存在が降水の下方浸透を妨げ、蒸発が旺盛であることは、死亡段階の白刺砂堆の土壤の水分補給の不足をもたらし、砂堆の退化さらには死亡の重要な原因となる。

(3)発育段階別に見ると、土壤含水量は原形段階で最大となり、降水は容易に下方浸透した。安定段階と死亡段階の白刺砂堆は土壤含水量がとても低く、大量の降水の発生した時だけ、水分は下方浸透した。異なる退化段階の白刺砂堆の土壤水分の変化の幅に目を向けると、原形段階は発育段階よりもやや大きく、安定段階がこれに次ぎ、死亡段階が最小だった。

(4)白刺砂堆のしおれ係数と比べると、発育・原形段階の白刺砂堆の土壤含水量はいずれもしおれ係数よりも高く、安定・死亡段階の白刺砂堆のほとんどの土層の土壤含水量はしおれ係数よりも低かった。極端な乾燥環境の下では、安定・活性化段階と死亡段階の白刺砂堆の土壤水分は植物の生長の維持に必要な最低水分閾値に達さず、これが白刺砂堆の退化につながる重要な原因になることを示している。

(5)降水を有効に利用し、白刺の表面の蒸散を減少させることで、白刺砂堆の土壤含水量を保持し、高めることは、白刺砂堆の退化を防止し、砂漠化防止・砂固定を進めるための核心問題となる。

謝辞

 野外観測では、試験協力機関の甘粛省治沙研究所と民勤荒漠草地生態系統国家野外科学観測研究所の実験団体・人員の支援を得た。ここに感謝を示したい。

(おわり)

参考文献

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[42]. 俄有浩, 汪傑, 張錦春, 李愛徳. 民勤水資源変化與林地水分条件変化関係研究. 甘粛林業科技, 2001, 26(4) : 19-23.

※本稿は王月, 李程, 李愛徳, 楊自輝, 張清涛, 梁暁健, 邱国玉「白刺沙堆退化与土壌水分的関系」(『生態学報』第35卷第5期(2015年3月)、pp.1407-1421)を『生態学報』編 集部の許可を得て日本語訳・転載したものである。記事提供:同方知網(北京)技術有限公司


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