荒漠綠洲過渡帶土壤濕度和植被的關系

沙漠中的綠色過渡帶是綠色生態系統的重要組成部分，在維護綠色青年的穩定方面發揮著重要作用。過渡帶土壤濕度和植被之間的相互關系是了解荒漠綠洲過渡帶的重要科學問題,從而開始受到重視。20世紀60年代Matheron建立的地統計學(Geostatistics)區別于經典統計學的顯著特征在于它注重變量因子的空間過程,考慮其空間分布特征和空間自相關,已在包括生態學在內的地球科學研究中得到應用和發展,被證明是分析包括土壤水分在內的生態因子空間特征及其變異規律最為有效的方法之一。應用地統計學研究土壤水分和植被空間格局空間異質性已有許多實例,如森林、草地、沙地、農田等,其中,王政權等對闊葉紅松林的類似研究得出土壤水分具有明顯的空間異質性;邱揚等對黃土高原區的研究表明,不同剖面層土壤水分空間異質性不同,并且受到不同因子影響。這些研究對認識不同群落和土地利用方式土壤水分格局與動態具有重要意義。生態過渡帶是指兩個生態系統(或斑塊)之間的接觸帶,荒漠綠洲過渡帶就是荒漠生態系統和綠洲生態系統之間的接觸帶。近年來對荒漠綠洲過渡帶的研究陸續展開,例如賈寶全研究了民勤綠洲荒漠綠洲過渡帶的植被蓋度、沙丘密度和沙包占地面積的變化,分析了過渡帶環境演變過程和機制;何志斌等對過渡帶優勢植物泡泡刺、紅砂種群的密度、蓋度以及泡泡刺沙堆體積和高度的空間格局進行研究,結果表明泡泡刺種群在樣地內靠近綠洲和淺山區有幾條明顯的分布帶,而紅砂分布相對均勻,兩種種群蓋度和密度的變程在34m以內,同時指出泡泡刺種群空間格局的塑造主要受降水量及其形成的地表徑流的控制;李秋艷等對戈壁和沙漠兩種生境條件下泡泡刺種群的空間分布特征、動態及其對風沙干擾的響應進行研究,結果表明戈壁生境中的泡泡刺灌叢沙堆趨向于斑塊小、密度大、空間自相關距離短,而沙漠生境中則相反;常學向等對荒漠綠洲區免灌植被土壤水分狀況的研究表明土壤濕度隨植被蓋度增大而減小,隨著植物生長土壤濕度下降。但這些研究多集中在植物種群空間格局特征,以及土壤濕度、降水和地下水變化對群落消長方面,有關荒漠綠洲過渡帶土壤特性,特別是土壤水分與植被相結合的空間異質性研究涉及并不多。本文旨在采用地統計學的方法,研究黑河中游荒漠綠洲過渡帶土壤水分與植被的空間異質性程度、空間異質性組成、尺度,以及土壤水分與植被之間的相互關系,為維持過渡帶生態系統功能和安全利用該區資源提供理論依據。1研究領域的總結和研究方法1.1氣候條件及植被研究區選在河西走廊中段,黑河流域中游的甘肅省臨澤縣北部綠洲邊緣,中心區地理坐標(39°20′N,100°08′E),處于荒漠、巴丹吉林沙漠和張臨高綠洲的交匯處,樣地的南側和東側為綠洲,西側為祁連山余脈淺山區,北側為荒漠戈壁和巴丹吉林沙漠延伸帶,地勢平坦,平均海拔1350m左右,年平均降水量117mm,最高210mm,最低83mm,多集中于7、8、9月份,約占全年65%。空氣相對濕度46%,年蒸發量高達2390mm,年平均氣溫7.6℃,最高達39.1℃,最低為-27.3℃,≥10℃年積溫為3085℃,屬干旱荒漠氣候。風向以西北風為主,年平均風速為3.2m·s-1,最大風速21m·s-1,大于17m·s-1大風日數年平均為15d。地帶性植被為中溫帶荒漠化草原植被,主要由超旱生灌木、半灌木或鹽生、旱生肉質半灌木組成。主要植物種有泡泡刺(Nitrariasphaerocarpa)、紅砂(Reaumuriasoongorica)、沙拐棗(Calligonumchinense)、梭梭(Haloxylonammodendron)、檉柳(Tamarixramosissima)等。地帶性土壤為灰棕漠土,荒漠戈壁地勢平坦,地表有少量小礫石及灰棕色細土結皮,其下為較均一的青灰色細沙,1～0.25mm的沙粒占73%～91%,有機質含量一般為0.1%～0.4%。樣帶大致為南北走向,地表為覆沙地,覆沙厚度2～5m,由南向北覆沙厚度逐漸增加。1.2學習方法1.2.1樣地設置和取樣方法研究樣地選擇在距中國生態系統研究網絡臨澤內陸河流域綜合研究站東5km的一塊處在綠洲荒漠過渡帶上的長方形區域,面積約34hm2(南北長約1700m,東西寬約200m)。在樣地內,沿南北走向設置3條平行樣線,按東西、南北間隔100m取樣,共有54個樣點,并以每個樣點為中心設置20m×20m樣方。土壤濕度調查是在每塊樣方內的垂直剖面上取0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140、140～160、160～180、180～200cm的土樣,3個重復。1.2.2土壤濕度、貯水量采用烘干法測定土壤濕度。為了便于分析比較,主要考慮不受降水影響,選擇在8月份一次雨后8～10天對整個樣帶進行集中采樣。取樣時,先除去表層枯枝落葉,然后用土壤鉆(直徑=4cm)取樣,剔除樣品中明顯的植物根段和枯落物等雜質,裝入編號的鋁盒中,帶回實驗室,在105℃的烘箱內烘12h后,取出后稱重,計算出土壤濕度。土壤貯水量按WC=0.1RVH計算,式中,WC為土壤貯水量(mm),R為土壤重量含水量(%),V為土壤容重(g/cm3),H為土層厚度(cm)。依據該公式分別計算出各層的土壤貯水量,然后累加計算出2m土層的水分貯量。最后將算得的土壤濕度和土壤貯水量值用于空間變異性分析。1.2.3植被密度、蓋度值調查每個小樣方內植物的種類、株數、冠幅、高度,由此計算出樣方內的植被密度、蓋度值。其中以樣方內所有植物的冠幅所占整個樣方的比例作為蓋度值。本文采取54個20m×20m小樣方中獲取的植被蓋度、密度、高度、種類數、冠幅數據來分析荒漠綠洲過渡帶植被的空間變異。1.2.4土壤水分變程的方法采用GS+進行地統計學變異函數數據分析。考慮到在地統計學中,變異函數的計算要求數據符合正態分布,或近似正態分布,否則可能存在比例效應,所以統計分析分兩步驟:①對土壤水分和植被蓋度等數據用單樣本Kolomogorov-Semirnov(KS)方法進行正態分布檢驗(SPSS13.0軟件)。②變異函數的計算,用于估計半方差的公式為:r(h)=12N(h)∑i=1N(h)[Z(xi)?Z(xi+h)]2(1)式中,N(h)是距離等于h時的點對數,Z(xi)是樣點Z在位置xi的實測值,Z(xi+h)是與xi距離為h處樣點的值。變異函數只有在最大間隔的1/2內才有意義。本研究中球狀模型(sphericalmodel,公式2)和指數模型(exponentialmodel,公式3)土壤水分和植被蓋度等的數據符合要求。球狀模型的變程等于相關距離a;而指數模型并不表現出有限變程,但實踐中變程值近似用3a表示。{r(h)=C0+C(3h2a?h32a3)h≤ar(h)=C0+Ch≤a(2)r(h)=C0+C(1?e?ha)(3)式中,C0為塊金值(nugget),C0+C為基臺值(sill),a為相關距離(correlationlength)。分維數D的計算由變異函數和步長h之間的關系確定,即:2r(h)=h4-2D(4)上式取雙對數后再對雙對數曲線進行線性回歸,得到回歸直線的斜率k,分維數可用斜率k估算:D=1/2(4-k)(5)分維數D的大小,表示變異函數曲線的曲率。不同變量D值之間的比較,可以確定空間異質性的程度。2結果與討論2.1土壤濕度的季節變化在水平方向上,荒漠綠洲過渡帶各層土壤濕度介于0.86%～8.82%之間,最大值出現在距綠洲1200m處,最小值出現在綠洲邊緣(圖1a、b)。2m土層水分貯量平均值為79.0mm,介于45.6～115.4mm之間,最大值出現在距綠洲600m處,最小值出現在距綠洲1700m處(圖1c)。總體上看,0～60cm土壤濕度從綠洲向荒漠均有增加的趨勢,并且在大多數樣方內這3層土壤濕度均隨土層加深而增加。其余7層土壤濕度從綠洲向荒漠均有減少的趨勢。土壤深層水分狀況導致在剖面上土壤濕度出現了較大的峰值,表現在高峰值呈較大的波動性,這可能與剖面土壤質地不均勻有關。2m土層中水分貯量沿過渡帶變化的總趨勢是隨著距綠洲距離的增加逐漸減小。在垂直方向上,土壤濕度平均值為2.48%,介于1.45%～3.85%之間,隨深度增加而增加;土壤濕度變異性(即變異系數)的變動范圍在27.7%～83.2%,隨土層深度增加變異系數有逐漸增大的趨勢(表1),說明在荒漠綠洲過渡帶上土壤剖面各層土壤濕度在不同的空間位置差異在增大。過渡帶植被主要有:泡泡刺、沙拐棗、梭梭。在水平方向上,荒漠綠洲過渡帶植被蓋度平均值為24%,介于9%～80%之間,最大值出現在綠洲邊緣,最小值出現在距綠洲1000m處。植被冠幅平均值為2.8m2,介于0.7～13.8m2之間,最大值出現在綠洲邊緣,最小值出現在距綠洲300m處。植被高度平均值為67cm,介于29～360cm之間,最大值出現在綠洲邊緣,最小值出現在距綠洲1600m處。植被密度平均值為0.11株/m2,介于0.06～0.16株/m2之間,最大值出現在距綠洲600m處,最小值出現在距綠洲1500m處(圖1d、e、f、g)。總體上看,從綠洲到荒漠植被蓋度、冠幅、高度、密度值均有下降的趨勢,最大值都出現在綠洲邊緣或距離綠洲不遠處,這可能與綠洲邊緣土壤水分條件相對較好有關。另外,植物種類數沿綠洲荒漠過渡帶變化不明顯,各樣方內植物種類最多為4種,最少為1種(圖1h)。植被蓋度、冠幅、高度的變異系數分別為80%、118.1%、116.4%,比植被密度(37.7%)大的多,說明沿荒漠綠洲過渡帶植被蓋度、冠幅與高度受到的影響相對較大(表1)。2.2土壤水分的空間異質性尺度不同在荒漠綠洲過渡帶上以20cm為1層將0～200cm土層劃分為10層,各層土壤濕度存在高度的異質性,且隨著距綠洲距離的增加而增大,塊金值(C0)變化于0.008～0.099之間,基臺值(C0+C)在0.095～0.607之間。Cambardella等運用參數比值的大小判定系統內變量的空間相關性程度,指出當C/(C0+C)比值為<25%,25%～75%,>75%時,分別表明變量的空間相關性為較弱、中等、較強。本研究表明,荒漠綠洲過渡帶各層土壤濕度、2m土層貯水量及植被冠幅、高度、密度的C/(C0+C)之比均大于75%(表2),說明過渡帶土壤濕度、植被特征在研究的尺度上具有較強的空間自相關。空間格局是環境、資源以及生物系統結構在空間上有規律的分布。空間異質性導致空間分布格局的存在。空間異質性不同,其變量的空間分布格局也不同,0～20、20～40和40～60cm土層受降水等環境因子影響明顯,土壤水分斑塊格局較明顯。60～80、80～100、100～120cm這3層土壤以及160～180、180～200cm這2層土壤具有較大的分形維數(1.987,1.986,1.999,1.988,1.970),格局顯得較弱。120～140cm、140～160cm土壤水分分形維數又減小,格局相對明顯。植被高度的分形維數(1.792)小于植被蓋度、冠幅及密度,說明植被高度的格局較明顯。從空間異質性的組成分析,塊金值(C0)表示隨機部分的空間異質性,拱高(C)則表示系統變異的空間異質性,拱高與基臺值之比同時也反映自相關部分的空間異質性占總空間異質性的程度。2m土層貯水量與各層土壤濕度空間自相關度C/(C0+C)比較,相對較小,2m土層貯水量的總空間異質性中約有22%由隨機因素引起,主要存在于<100m的尺度內,而由空間自相關部分引起的空間異質性占78%,存在于100～430m范圍內。植被蓋度與其它植被特征的C/(C0+C)值比較,因其塊金方差大,空間自相關度較小。說明對于植被冠幅、高度、密度由隨機因素引起的空間異質性(SHR)占總空間異質性的比例比植被蓋度(39.8%)小,且主要體現在100m以下的尺度上;而由空間自相關引起的空間異質性(SHA)占總空間異質性的比例比植被蓋度(60.2%)大,主要體現在100～3110m的尺度范圍內。植被蓋度與高度的變程大于1700m,在研究樣帶上不能很好反映兩者的空間變化情況,建議在今后的研究中,適當延伸樣帶長度,進一步提高結果的完整性。變程是測定土壤水分與植被特征最大變異的空間距離,在變程之內,空間自相關存在,在變程之外,空間自相關消失。因此,變程的大小表示空間異質性的尺度。在研究樣帶上,不同土層土壤濕度異質性尺度不同,變程大約在130～300m范圍內(表2)。盡管各土層存在一定差異,但可以推斷綠洲邊緣0～300m的取樣范圍基本反映土壤濕度的信息。從表2可以看出植被冠幅、密度的空間自相關尺度相差不大,但遠小于植被蓋度(1930m)和高度(3110m)。土壤水分與植被的變異函數分析能夠表征它們從綠洲向荒漠過渡的程度和空間尺度。在研究的地域范圍,各層土壤濕度、2m土層貯水量及植被冠幅、高度、密度在空間分布上有明顯的規律性,存在較強的空間自相關和格局,這種明顯的變異規律幾乎完全是由綠洲向荒漠過渡這種趨勢所引起的。這種規律表現在在小尺度(<100m)上土壤水分和植被特征沒有明顯的規律,而在中尺度(100～3110m)上具有聚集分布的特點。2.3土壤理化性質與土壤濕度的關系表3是研究區內植被蓋度、冠幅、高度、密度與各層土壤濕度及2m土層貯水量之間的相關性。植被蓋度、冠幅與0～100cm各層土壤濕度呈負相關,其中與0～20、20～40cm這兩層在p<0.05的水平上呈顯著負相關(圖2);與100～200cm各層土壤濕度呈正相關,其中與120～140、140～160cm兩層呈顯著和極顯著正相關。植被高度與0～20、20～40cm兩層土壤濕度呈極顯著負相關(p<0.01);植被高度與植被蓋度、冠幅呈顯著正相關。植被密度只與冠幅呈顯著負相關。土壤2m貯水量和植被特征沒有明顯的相關性,而與各層土壤濕度存在正相關,與60～200cm各層土壤濕度呈極顯著正相關。如上所述,0～60cm土層土壤濕度隨著距離綠洲越遠有增加的趨勢,而植被蓋度、冠幅值沿過渡帶逐漸減小;圖2又表明,植被蓋度、冠幅與0～20、20～40cm土壤濕度呈顯著負相關,說明蓋度和冠幅值增加會導致0～60cm