毛烏素沙區(qū)沙柳空間異質(zhì)性及其影響因子研究進(jìn)展

毛烏素沙區(qū)沙柳空間異質(zhì)性及其影響因子研究進(jìn)展

空間異質(zhì)性指的是系統(tǒng)或系統(tǒng)屬性在空間上的復(fù)雜性和變異性。系統(tǒng)屬性可與生態(tài)變量（如土壤特性、植被類型等）有關(guān)，其空間異質(zhì)性在生態(tài)功能和過(guò)程中起著重要作用。在土壤類型相同的區(qū)域內(nèi),土壤特性在平面和深度上實(shí)際并不完全為均質(zhì),這種土壤屬性在空間上的非均一性,稱為土壤特性的空間變異性。有關(guān)研究表明,土壤水分具有明顯的空間異質(zhì)性。在不同的空間尺度上,土壤水分受到影響的因子有所不同。在較小尺度上,主要受植被分布、微立地條件等因子的影響。許多學(xué)者對(duì)森林、草地、沙地等不同生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究,對(duì)認(rèn)識(shí)不同群落土壤水分空間分布具有重要的意義。毛烏素沙區(qū)生態(tài)系統(tǒng)以灌木為主,其中沙柳(Salixpsammophila)是分布最廣的優(yōu)勢(shì)灌木,常與烏柳(Salixlinearistripularis)組成柳灣林,是毛烏素沙區(qū)優(yōu)良的防風(fēng)固沙樹(shù)種,具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)價(jià)值。對(duì)該地區(qū)沙柳的生物學(xué)特性、光合水分生理特征以及群落特征等都有過(guò)較為詳細(xì)的研究,而對(duì)沙柳土壤水分的空間分布特征研究很少。表層土壤水分的空間格局由不同尺度上的自然作用和過(guò)程控制,包括降水、徑流、蒸發(fā)等,其變化尺度從幾厘米到上百米,通過(guò)對(duì)以上過(guò)程的調(diào)節(jié),微地貌、植被、土壤性質(zhì)等環(huán)境因子間接控制著土壤水分的空間分布,同時(shí)土壤水分的空間分布格局也反映了這些自然過(guò)程和作用的空間差異。因此,對(duì)沙柳林地表層土壤水分空間異質(zhì)性進(jìn)行研究,揭示不同林齡沙柳林地表層土壤水分變異的程度及沙柳土壤水分空間異質(zhì)性隨林齡變化的規(guī)律,為該地區(qū)的水土保持、荒漠化防治及生態(tài)環(huán)境恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。1地表形態(tài)及土壤條件研究地位于毛烏素沙地東北部的中科院植物研究所鄂爾多斯沙地草地生態(tài)研究站(110°11′E,39°29′N),海拔1295m。年均氣溫6.0℃,最冷月(1月)平均氣溫-10℃,最熱月(7月)平均氣溫22℃。年均降水量358.3mm,且2/3以上的降水集中于6～9月。地表形態(tài)主要表現(xiàn)為梁地與灘地、沙丘與灘地相間分布。土壤類型主要有梁地上的栗鈣土或淡栗鈣土,沙地上的各類風(fēng)沙土,以及灘地上的草甸土、鹽堿土與沼澤潛育土;植被類群主要為梁地上的草原與灌叢植被,半固定、固定沙丘及沙地上的沙生灌叢、灘地草甸、鹽生和沼澤植被。2學(xué)習(xí)方法2.1樣地設(shè)置及取樣在實(shí)驗(yàn)站周圍,按林齡大小確定3塊樣地,樣地A為2年生沙柳林,樣地B為3年生沙柳林,樣地C為4年生沙柳林,同時(shí)選擇油蒿樣地D作為參照樣地。4塊樣地均位于丘間低地地段,地面平坦。依據(jù)地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論及空間格局分析的取樣方法,在每塊樣地內(nèi)設(shè)置一個(gè)30m×30m樣方,內(nèi)設(shè)規(guī)則2m×2m的取樣點(diǎn),在網(wǎng)格的交叉點(diǎn)處取樣。樣地A、B、C、D內(nèi)布設(shè)樣點(diǎn)均為196個(gè)。2.2土壤表面土壤水分測(cè)定于2006年8月,采用TraseModel6050X1型的TDR土壤水分速測(cè)儀測(cè)定表層土壤(0～20cm)水分含量。2.3土壤水分空間變異函數(shù)理論模型采用經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算各樣點(diǎn)的土壤水分特征值,在方差分析基礎(chǔ)上,檢驗(yàn)各樣地間土壤水分平均狀況的差異。對(duì)獲得的土壤水分含量和空間位置數(shù)據(jù),采用變異函數(shù)分析方法建立變異函數(shù)理論模型。在地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論中,空間格局通常作為分離距離間函數(shù)描述觀測(cè)值間的變異性,兩樣本間分隔距離(h)通過(guò)經(jīng)驗(yàn)半方差分析(亦為變異函數(shù))來(lái)測(cè)定,同時(shí)使用克立格空間局部插值法估計(jì)和比較表層土壤水分的空間分布特征。3結(jié)果與分析3.1沙柳林地和參樣地表層土壤水分變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明(表1),不同林齡沙柳表層土壤間水分含量差異明顯。4塊樣地表層土壤水分含量波動(dòng)范圍分別是3.50%～7.70%,4.20%～9.40%,4.80%～14.00%和3.10%～8.60%。4年生的沙柳林地(C)土壤水分平均含量較高,為6.60%;2年生沙柳林地(A)最低,為5.46%;3年生沙柳林地(B)和參照樣地(D)介于二者之間,分別為6.30%和3.26%。方差分析表明,不同林齡沙柳地之間表層土壤水分含量差異極顯著(p<0.01)。說(shuō)明在2～4年的沙柳林中,隨著林齡的增長(zhǎng),表層土壤水分含量有增加的趨勢(shì),這與林地內(nèi)的植被蓋度影響有關(guān)。丘間低地營(yíng)造沙柳林,3～4年內(nèi)即可形成地上枝葉茂盛、地下根系發(fā)達(dá)、縱橫交錯(cuò)的林網(wǎng)。有關(guān)研究還表明,沙柳成林后可降低14個(gè)百分點(diǎn)的水分蒸發(fā)量,起到保持水土、涵養(yǎng)水源的作用。沙柳成林后,其群落保持著較高的蓋度,可減少陽(yáng)光直射地面、增加群落內(nèi)濕度、降低溫度等,從而降低地面蒸發(fā)和植物蒸騰。樣地A中,其表層土壤水分含量變異系數(shù)為0.09,屬于弱變異;樣地B、樣地C和樣地D表層土壤水分含量變異系數(shù)分別為0.13,0.15和0.14,皆屬于中等變異,其中樣地C(4年生沙柳林)最大。這說(shuō)明在2～4年的沙柳林中,隨著林齡的增長(zhǎng),加上林內(nèi)沙柳個(gè)體生長(zhǎng)的分異,對(duì)水分需求的不一會(huì)引起不同位置上土壤水分含量差異增大,以致使表層土壤水分變異系數(shù)有所增加。3.2沙柳系內(nèi)最大空間變異程度的界定利用各樣地取樣點(diǎn)的土壤水分屬性計(jì)算出的散點(diǎn)圖,分別對(duì)4塊樣地表層土壤水分進(jìn)行模型擬合,得到各模型最佳擬合結(jié)果(表2)及變異函數(shù)曲線(圖1)。塊金值表示區(qū)域變量在小尺度上的非連續(xù)變異,主要來(lái)源于抽樣尺度的隨機(jī)變異和測(cè)量誤差;基臺(tái)值表示變量在研究系統(tǒng)中最大的變異程度,可用來(lái)衡量空間異質(zhì)性程度。在3種林齡的沙柳林中,表層土壤水分空間異質(zhì)性程度具有明顯的不同。從表2中可以看出,樣地A的塊金值和基臺(tái)值分別是0.14,0.37,樣地B為0.20,0.67,樣地C為0.18,1.35,參照樣地D的塊金值和基臺(tái)值為0.39,1.05。在2～4年的沙柳林中,隨著林齡的增長(zhǎng),沙柳樣地的塊金值和基臺(tái)值有逐漸增大的趨勢(shì),基臺(tái)值越大,總的空間異質(zhì)性程度越高。變程是測(cè)定因子最大變異的空間距離,在變程之內(nèi),空間自相關(guān)存在,在變程之外,空間自相關(guān)消失。因此,變程的大小表示空間異質(zhì)性的尺度。樣地A、樣地B和樣地C的變程分別為27.00m,6.25m和4.07m。樣地D的變程介于樣地A和樣地B之間。說(shuō)明隨著林齡的增長(zhǎng),使得基臺(tái)值增大和變程減少,空間異質(zhì)性程度增大,土壤水分空間分布趨于離散。3.3沙柳樣地表層土壤水分與營(yíng)養(yǎng)成分關(guān)系的探索空間異質(zhì)性比表示空間異質(zhì)程度,如果該比值較高,說(shuō)明由非隨機(jī)的結(jié)構(gòu)原因形成的變異即空間自相關(guān)部分引起的空間異質(zhì)性程度較高,相反,則由空間隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性程度較高。Cambardella等研究認(rèn)為:結(jié)構(gòu)比>75%,說(shuō)明系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性;比值在25%～75%間,表明系統(tǒng)中等相關(guān);比例<25%,說(shuō)明系統(tǒng)相關(guān)性很弱。樣地A、B、C所得結(jié)構(gòu)比分別為0.63,0.70,0.87。在2～4年的沙柳林中,隨著林齡的增長(zhǎng),沙柳樣地的表層土壤水分由隨機(jī)因素引起的空間異質(zhì)性由37%降低到13%,而由空間自相關(guān)引起的空間異質(zhì)性由63%增大到87%;沙柳樣地的表層土壤水分由中等程度的空間相關(guān)性向強(qiáng)烈的空間相關(guān)性轉(zhuǎn)變,表層土壤水分含量的總變異中由隨機(jī)因素引起的空間變異程度變小,而由空間自相關(guān)部分引起的空間異質(zhì)性程度增大。其空間變異主要是由樣地內(nèi)植物個(gè)體生長(zhǎng)狀況、植物本身的蒸騰耗水以及群落蓋度引起的。參照樣地D空間結(jié)構(gòu)比為0.57,由空間自相關(guān)引起的空間異質(zhì)性相對(duì)較低。3.4沙林不同方向上的變異土壤水分的空間變異通常具有方向性,這主要是受微地形、植物等因子的影響,導(dǎo)致不同的方向上呈現(xiàn)不同的變異規(guī)律。從不同樣地表層土壤水分含量E0°和N90°兩個(gè)方向上變異函數(shù)的比值(圖2)可以看出,各樣地的空間異質(zhì)性具有各向異性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(其各向異性比不等于或不接近1)。其中樣地A(2年生沙柳林)表層土壤水分含量在4m范圍之內(nèi),N90°方向上的變異明顯小于E0°方向上的變異,在4～28m之間,N90°方向上的變異大于E0°方向上的變異。樣地B(3年生沙柳林)表層土壤水分含量的各向異性比在整體尺度上雖存在較大波動(dòng),但總體上,N90°方向上的變異大于E0°方向上的變異。樣地C(4年生沙柳林)表層土壤含水量在20m范圍之內(nèi),E0°和N90°兩個(gè)方向上的各向異性比在1附近來(lái)回波動(dòng),說(shuō)明其具有各向同行的趨勢(shì),但在20～28m間,N90°方向上的變異大于E0°方向上的變異,說(shuō)明其各向異性比的復(fù)雜性。而參照樣地在總體上,N90°方向上的變異小于E0°方向上的變異。3.5土壤水分的空間變異擬合在變異函數(shù)分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)行各向異性的分?jǐn)?shù)維計(jì)算,結(jié)果表明,2年生沙柳林(樣地A)與參照樣地(樣地D)表層土壤水分含量的雙對(duì)數(shù)變異函數(shù)的直線擬合均達(dá)顯著水平。說(shuō)明樣地A和參照樣地D的表層土壤水分具有很好的分形特征,其空間分布格局的變異存在尺度依賴,分?jǐn)?shù)維分別為1.836和1.850。而樣地B、C中的直線擬合均不顯著,說(shuō)明樣地B、C中其表層土壤水分含量的空間梯度分布不明顯,其依賴于尺度的空間異質(zhì)性小,空間分布格局較為復(fù)雜。從依據(jù)變異函數(shù)理論模型進(jìn)行空間局部插值估計(jì)的克立格圖可看出,在2～4年生的沙柳林中,2年生沙柳林表層土壤水分含量的斑塊面積較大,斑塊形狀的復(fù)雜程度較低,其分?jǐn)?shù)維D=1.836,梯度分布特征較明顯(見(jiàn)圖3)。3,4年生沙柳林表層土壤水分含量呈現(xiàn)許多小面積斑塊分布,分?jǐn)?shù)維較大(分別為1.957,1.999),斑塊形狀較為復(fù)雜,小尺度上的斑塊接近于圓或橢圓,其中4年生沙柳林中取值較高的斑塊與取值相對(duì)較低的斑塊鑲嵌。參照樣地D表層土壤水分含量的空間分布特征與樣地A具有一定程度的相似性,斑塊形狀的復(fù)雜程度較低,其分?jǐn)?shù)維為1.850,梯度分布特征明顯。4沙林表層土壤水分隨林齡的空間異質(zhì)性變化(1)2～4年生的沙柳林中,隨著林齡的增長(zhǎng),林地表層土壤水分含量差異顯著。2年生沙柳表層土壤平均水分含量最低,為5.46%;4年生沙柳表層土壤水分含量最大,為6.60%。有關(guān)研究表明,沙柳營(yíng)造3～4年內(nèi)即可成林,成林后形成成熟的群落結(jié)構(gòu),具有較大的群落蓋度和繁茂樹(shù)體枝葉分型結(jié)構(gòu),改變了原有的生態(tài)環(huán)境,降低了土壤水分的蒸發(fā),從而增加了土壤水分。表層土壤水分含量的樣本方差和變異系數(shù)關(guān)系為:4年生沙柳林(C)>參照油蒿樣地(D)>3年生沙柳林(B)>2年生沙柳(A)。其原因在于植物通過(guò)借助樹(shù)種特性、樹(shù)冠覆蓋等途徑來(lái)影響土壤資源異質(zhì)性的發(fā)展,隨著林齡的增長(zhǎng),地被生物多樣性的增加,加上林內(nèi)沙柳個(gè)體生長(zhǎng)的分異,對(duì)水分需求的不一引起不同位置上土壤水分含量差異增大,使得表層土壤水分空間異質(zhì)程度由弱變異性向中等變異性轉(zhuǎn)變。(2)隨著林齡增長(zhǎng),沙柳林表層土壤水分含量具有較高的空間異質(zhì)性。不同林齡間的變異函數(shù)曲線顯著不同。對(duì)所取樣本進(jìn)行變異函數(shù)分析表明,林齡增長(zhǎng)使得平均塊金值、基臺(tái)值和平均結(jié)構(gòu)比增大,其增大范圍分別為0.14～0.20,0.37～1.35,63%～87%;使變程變小,變化范圍為25～4m。4年生沙柳林表層土壤水分基臺(tái)值明顯大于2年生沙柳林。(3)沙柳林表層土壤水分的空間異質(zhì)性以空間自相關(guān)部分為主,隨著林齡增長(zhǎng),由占總空間異質(zhì)性的63%增大到87%,而由隨機(jī)因素引起的空間變異程度變小。其空間變異程度由中等程度的空間相關(guān)性向強(qiáng)烈的