取樣尺度對(duì)荒漠草原土壤水分空間異質(zhì)性的影響

張 宇，黃 琛，趙萌莉

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

土壤水分是直接影響植物生長和土壤性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)。土地利用和植被覆蓋情況與土壤水分狀況有著密切關(guān)系。由于在不同時(shí)空尺度上影響因子存在差異，所以土壤水分具有高度時(shí)空異質(zhì)性[1]。其異質(zhì)性受到不同尺度的降水、徑流、蒸騰和蒸發(fā)、地表植被、地質(zhì)地形和其它自然因素以及人為因素的干擾和控制。這種不同程度的空間異質(zhì)性對(duì)群落結(jié)構(gòu)以及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)都有重要影響[2]。目前，國內(nèi)外關(guān)于土壤水分的研究熱點(diǎn)主要集中于不同生態(tài)系統(tǒng)土壤水分的時(shí)空變化[3-4]及土壤水分循環(huán)與植被變化的研究[5]。近年來，基于GIS技術(shù)各種空間內(nèi)插技術(shù)使得土壤空間變異性研究更加深入和多樣[6]。雖有對(duì)荒漠草原植被變化與土壤水分空間異質(zhì)性的相關(guān)研究[7]，但對(duì)荒漠草原不同樣地尺度上土壤水分空間異質(zhì)性的研究尚未見報(bào)道。

本研究分析不同取樣尺度對(duì)荒漠草原土壤水分空間異質(zhì)性狀況的影響，旨在了解不同取樣尺度與土壤水分空間異質(zhì)性的關(guān)系，為荒漠草原土壤水分空間異質(zhì)性相關(guān)研究取樣尺度的選擇與生態(tài)因子合理有效的控制提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1樣地自然條件與植被概況 研究區(qū)域位于內(nèi)蒙古四子王旗農(nóng)牧科學(xué)院實(shí)驗(yàn)基地(111°53′46″ E、41°47′17″ N)，海拔1 440～1 460 m，地處烏蘭花鎮(zhèn)北部的葛根塔拉草原腹地，屬典型中溫帶大陸性氣候，春季干旱少雨，夏季炎熱，最高月平均溫度為7月21.5～23.5 ℃；年均降水量約為280 mm，5-8月的降水量占全年降水量的70%左右，蒸發(fā)量是降水量的7～10倍，濕潤度0.15～0.30，無霜期90～120 d。研究樣地為短花針茅(Stipabreviflora)+無芒隱子草(Cleistogenessongorica)+冷蒿(Artemisiafrigida)荒漠草原，植被稀疏，草層低矮，平均高度8 cm，蓋度為18%～20%。試驗(yàn)地土壤為淡栗鈣土，土層厚度約為1 m，距地表50-60 cm處多出現(xiàn)白色鈣積層。土壤pH值為8.0，全氮含量0.13%，有機(jī)碳含量1.3%，土壤微生物主要有放線菌，好氣性細(xì)菌和霉菌等。

樣地植被以冷蒿、短花針茅、無芒隱子草為建群種，伴生阿氏旋花(Convolvulusammanni)、狹葉錦雞兒(Caraganastenophylla)、羊草(Leymuschinesis)、細(xì)葉韭(Alliumtenuissimum)等。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì) 本試驗(yàn)所選取的樣地設(shè)置于該試驗(yàn)基地圍封9年的草地。圍欄區(qū)域面積為4.4 hm2，樣地整體地形較為平坦，植被條件一致。野外取樣時(shí)間選擇在該地區(qū)降水較為集中的8月下旬。試驗(yàn)于降雨后第3天進(jìn)行，在研究區(qū)域內(nèi)采用網(wǎng)格法設(shè)置土壤水分測(cè)定樣點(diǎn)位置，用大尺度網(wǎng)格套小尺度網(wǎng)格方式進(jìn)行設(shè)置。樣地尺度從較小尺度到較大尺度依次為1.5 m×1 m(I)、3 m×2 m(II)、6 m×4 m(III)、12 m×8 m(IV)、24 m×16 m(V)，各3次重復(fù)。在5種不同尺度樣地的各個(gè)重復(fù)內(nèi)，分別按照0.075 m×0.1 m、0.15 m×0.2 m、0.3 m×0.4 m、0.6 m×0.8 m、1.2 m×1.6 m的間隔將各樣地平均劃分成200個(gè)小樣方，使用TDR-300水分速測(cè)儀，按照蛇形順序在每個(gè)小樣方中心位置測(cè)定0-12 cm深度土壤的含水量。

1.3數(shù)據(jù)處理 本試驗(yàn)使用SPSS 9.0，Excel 2010及GS+ 9.0軟件對(duì)所測(cè)得水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析與地統(tǒng)計(jì)分析，并繪制克里格空間分布圖進(jìn)行空間異質(zhì)性分析。使用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，用偏度、峰度、中數(shù)、平均值以及變異系數(shù)等統(tǒng)計(jì)值來表示樣本的變異程度，差異顯著水平在不做說明的情況下為P<0.05。變異系數(shù)反映的是相對(duì)變異，平均值、標(biāo)準(zhǔn)差反映的是絕對(duì)變異。使用GS+9.0地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)不同尺度大小樣地0-12 cm土層土壤水分進(jìn)行模型擬合，分別采用指數(shù)模型(Exponential Model)、球狀模型(Spherical Model)、線性有基臺(tái)值模型(Linear to Sill Model)與高斯模型(Gaussian Model)對(duì)不同樣地尺度水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行擬合，根據(jù)不同尺度網(wǎng)格內(nèi)水分測(cè)定的取樣間距h值，計(jì)算土壤水分半方差r(h)，然后進(jìn)行模型擬合，并根據(jù)擬合數(shù)據(jù)選擇最佳擬合模型。在土壤水分變異函數(shù)模型與結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上，采用克立格法對(duì)未采樣區(qū)進(jìn)行最優(yōu)化內(nèi)插并繪制土壤水分空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1土壤水分特征 在不考慮空間位置及取樣間距情況下，樣地土壤水分均存在異質(zhì)性現(xiàn)象。對(duì)不同尺度樣地土壤水分均值進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果表明，各研究尺度樣地之間土壤水分均存在顯著差異(P<0.05)(表1)。

表1 不同取樣尺度土壤水分統(tǒng)計(jì)特征值Table 1 The statistical characteristic values of soil moisture under different sampling scales

2.2土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)頻數(shù)直方圖 利用半方差函數(shù)進(jìn)行空間異質(zhì)性分析的一個(gè)必要條件就是其變量必須滿足正態(tài)分布。非正態(tài)分布的變量數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致變異函數(shù)產(chǎn)生比例效應(yīng)，降低函數(shù)的描述精度[8-9]。分析數(shù)據(jù)的平均值和方差或標(biāo)準(zhǔn)差之間的相關(guān)關(guān)系是判斷比例效應(yīng)是否存在的方法之一。比例效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致變異函數(shù)發(fā)生畸變，最直觀的表現(xiàn)為塊金值和基臺(tái)值偏高，增大變異函數(shù)描述誤差，所以在利用半方差函數(shù)進(jìn)行空間異質(zhì)性分析時(shí)，應(yīng)消除比例效應(yīng)。消除比例效應(yīng)的最直接方法是對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)的分布類型轉(zhuǎn)換為正態(tài)分布。

頻數(shù)分布圖是檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布的一個(gè)常用方法。通過對(duì)頻數(shù)分布圖的研究發(fā)現(xiàn)5個(gè)樣地土壤含水量頻數(shù)分布直方圖左右基本對(duì)稱(圖1)，呈正態(tài)分布，滿足平穩(wěn)假設(shè)，可以對(duì)土壤含水量的數(shù)據(jù)直接用于進(jìn)一步的半方差分析。

2.3土壤水分的空間結(jié)構(gòu) 以變異函數(shù)r(h)為Y軸，抽樣間隔距離h為X軸，繪制空間變異函數(shù)曲線圖(半方差函數(shù)圖)，研究不同取樣尺度下土壤水分性質(zhì)空間變異函數(shù)理論模型及有關(guān)參數(shù)(表2)。結(jié)果顯示，各取樣尺度下土壤水分變異函數(shù)均符合指數(shù)模型，在小尺度范圍內(nèi)有一定的變異函數(shù)值，且隨著取樣距離的增大，變異函數(shù)值不斷增加并最終趨于平穩(wěn)(圖2)。

圖1 土壤含水量頻數(shù)分布直方圖Fig.1 Frequency distribution map of soil moisture

塊金值(C0)也叫塊金方差，反映的是測(cè)量誤差以及最小抽樣尺度以下變量的變異性。理論上當(dāng)兩個(gè)采樣點(diǎn)距離為0時(shí)，半變異函數(shù)值應(yīng)為0，但由于空間變異性及測(cè)量誤差的存在，當(dāng)兩采樣點(diǎn)距離非常小時(shí)，它們的半變異函數(shù)值不為0。從各樣地塊金值C0來看，樣地I和樣地II的塊金值較小，樣地 IV的塊金值最大，為0.442。較大的塊金值表明在較小尺度上有著不可忽視的生態(tài)學(xué)過程，這種過程有可能由空間結(jié)構(gòu)變異或者實(shí)驗(yàn)誤差引起，需要縮小取樣尺度進(jìn)行深入研究[10]。

當(dāng)采樣點(diǎn)距離h增大時(shí)，空間變異程度隨著空間距離的增加而增大，半方差函數(shù)r(h)從初始的塊金值(C0)達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的常數(shù)時(shí)，該常數(shù)值稱為基臺(tái)值(C0+C)。基臺(tái)值表示變量的最大變異程度。當(dāng)半方差函數(shù)值超過基臺(tái)值時(shí)，即函數(shù)值不隨采樣點(diǎn)間隔距離的變化而改變時(shí)，空間相關(guān)性不存在。樣地III在研究系統(tǒng)中的最大變異程度為1.106，其次是樣地IV，其最大變異程度為1.075；樣地I和樣地II的最大變異程度較小，分別為0.631和0.633；樣地V在研究中的最大變異程度為0.980。

圖2 不同取樣尺度下土壤水分半方差函數(shù)圖Fig.2 Semi-variogram of soil moisture under different sampling scales

當(dāng)半方差函數(shù)的取值由初始的塊金值達(dá)到基臺(tái)值時(shí)，采樣點(diǎn)的間隔距離稱為變程(A)。變程表示了在某種觀測(cè)尺度下研究變量空間自相關(guān)變異的尺度范圍，其大小受觀測(cè)尺度的限定。在變程范圍內(nèi)，樣點(diǎn)間的距離越小，其空間相關(guān)性越大?？臻g自相關(guān)在變程之內(nèi)存在，在變程之外空間自相關(guān)消失。空間自相關(guān)范圍最大的是樣地IV，其次為樣地V。樣地I、樣地II和樣地III空間自相關(guān)范圍相近，分別為0.126、0.300和0.897(表2)。

結(jié)構(gòu)比C/(C0+C)表示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部分的空間異質(zhì)性占系統(tǒng)總空間異質(zhì)性的比值。如果該比值<25%，說明系統(tǒng)具有較弱的空間自相關(guān)性；如果該比值在25%～75%，表明系統(tǒng)具有中等程度的空間自相關(guān)性；若該比值>75%，則說明系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性[11]。樣地II結(jié)構(gòu)比最大，達(dá)到0.975；樣地I和樣地V的結(jié)構(gòu)比相近，分別為0.899和0.896；樣地III結(jié)構(gòu)比為0.691，樣地IV的結(jié)構(gòu)比最小，為0.589。

由此可知，四子王旗荒漠草原土壤水分在不同取樣尺度存在著空間異質(zhì)性；隨機(jī)因素引起的空間異質(zhì)性樣地IV較大，樣地I和樣地II較??；最大空間變異程度樣地III最大，樣地I和樣地II較小；樣地II結(jié)構(gòu)比最大，結(jié)構(gòu)比樣地IV最??；空間自相關(guān)范圍樣地IV最大，樣地I最小。

在不同取樣尺度下，隨機(jī)因素引起的空間異質(zhì)性表現(xiàn)為樣地IV>樣地III>樣地V>樣地I>樣地II；空間最大變異程度表現(xiàn)為樣地III>樣地IV>樣地V>樣地II>樣地I，與各樣地水分異質(zhì)性系數(shù)CV大小順序基本一致；樣地III和樣地IV具有中等程度的空間自相關(guān)性，樣地I、樣地II、樣地V具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性；空間自相關(guān)范圍大小為樣地IV>樣地V>樣地III>樣地II>樣地I。

2.4土壤水分的空間插值分析 為了更加準(zhǔn)確直觀地描述土壤水分的空間分布，使用GS+9.0軟件中采樣克里格插值法繪制不同取樣尺度下0-12 cm土壤水分的空間分布圖(圖3)，發(fā)現(xiàn)樣地IV和樣地V土壤水分呈完整的斑塊狀分布，且分布較為均勻，有明顯的空間趨勢(shì)，水分變化梯度緩和，可以較好地反映樣地植物叢下、叢間及整個(gè)樣地的水分空間異質(zhì)性狀況。樣地微地形與植被因子對(duì)樣地I、樣地II和樣地III水分分布格局的影響較為顯著。樣地I土壤水分分布格局完全細(xì)化、碎化，沒有明顯梯度，水分分布的隨機(jī)性比較大，能夠反映出樣地水分分布的隨機(jī)性，但對(duì)樣地整體水分分布格局反映不明顯，應(yīng)增大取樣尺度以消除影響。樣地II、樣地III水分空間分布呈較大且不完整斑塊或碎塊狀分布，空間分布上對(duì)隨機(jī)性的反映較好，同時(shí)也較好反映出叢下、叢間水分狀況，但取樣尺度尚不能完整地反映樣地土壤水分異質(zhì)性狀況。

3 討論

空間的等級(jí)特性與結(jié)構(gòu)性是一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的重要特性，生態(tài)系統(tǒng)的各種功能也依托于這種空間等級(jí)特性與結(jié)構(gòu)性。尺度問題是生態(tài)學(xué)研究的重要基礎(chǔ)[12]。研究空間格局尺度問題可以更好地分析生態(tài)過程中的一些問題。生態(tài)學(xué)中很多研究領(lǐng)域都涉及到尺度的問題，如景觀結(jié)構(gòu)、景觀動(dòng)態(tài)、生物多樣性和動(dòng)物生態(tài)學(xué)等。但不同研究領(lǐng)域在尺度應(yīng)用上存在較大差異[13]。目前對(duì)生態(tài)學(xué)中尺度問題的研究主要集中在單尺度研究和尺度上推研究[14]，但是對(duì)多尺度分析、尺度效應(yīng)和尺度選擇問題的研究尚不多見。地統(tǒng)計(jì)學(xué)是研究特定空間格局所對(duì)應(yīng)尺度下空間異質(zhì)性的一個(gè)重要方法。當(dāng)試驗(yàn)、觀測(cè)、模擬或分析的時(shí)空尺度發(fā)生變化時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)變量也發(fā)生變化，這種尺度效應(yīng)在自然界和人類社會(huì)中普遍存在[15]。

表2 不同尺度土壤水分變異函數(shù)理論模型和相關(guān)參數(shù)Table 2 Semi-variance functional analysis of soil moisture

圖3 不同取樣尺度下土壤水分空間分布圖Fig.3 The 2-d spatial pattern map of soil moisture under different sampling scales

本研究以尺度分析與尺度選擇為出發(fā)點(diǎn)對(duì)荒漠草原水分空間異質(zhì)性進(jìn)行探討。雖然草原土壤水分的結(jié)構(gòu)特征與草原生態(tài)系統(tǒng)植物種群格局不一定是完全對(duì)應(yīng)的，但二者的變化趨勢(shì)是一致的[16]。前人研究指出樣地的設(shè)置存在一定的尺度效應(yīng)(Scale Effect)[17]。樣地尺度設(shè)置過大，樣地變量的差異性消失；樣地尺度設(shè)置過小，則不能反映群落整體的空間異質(zhì)性和樣地所包含的全部信息[18]。研究發(fā)現(xiàn)，四子王旗荒漠草原土壤水分變異系數(shù)隨取樣面積的增加呈先增大，后略減小至趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。由于試驗(yàn)樣地內(nèi)的植被類型與地貌并未發(fā)生明顯變化，所以由此可推斷，不同尺度樣地內(nèi)的微地形條件、土層厚度變化與灌木叢導(dǎo)致的水分富集效應(yīng)可能是引起這種變化的主要原因。Heather等[19]的研究也指出，草原土壤厚度不同與地面凹凸所造成的土壤斑塊也可能是影響草原土壤異質(zhì)性的因子。而隨著試驗(yàn)取樣尺度的不斷增大，樣地微地形、土層厚度和灌木叢的水分富集效應(yīng)的控制作用被弱化，所以土壤水分異質(zhì)性系數(shù)趨于平穩(wěn)。這與柳領(lǐng)君等[20]對(duì)青藏高原東緣高寒草地、沙地的土壤水分空間異質(zhì)性研究的結(jié)果一致。所以，對(duì)土壤水分空間異質(zhì)性研究時(shí)，樣地尺度的選擇具有十分重要的意義。

4 結(jié)論

研究樣地取樣尺度的大小影響荒漠草原土壤水分異質(zhì)性。四子王旗荒漠草原土壤水分空間異質(zhì)性隨著取樣尺度呈先增大，后略減小至趨于平穩(wěn)。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)四子王旗荒漠草原土壤水分異質(zhì)性研究取樣適宜尺度在(4～6)m×(8～12)m之間。該試驗(yàn)樣地內(nèi)土壤水分空間異質(zhì)性的影響因子主要是樣地微地形條件與灌木叢引起的水分富集效應(yīng)。試驗(yàn)樣地設(shè)置在地形條件一致、植被均勻的草地，可以減少地形與植被因子對(duì)水分異質(zhì)性規(guī)律的影響，更好地分析荒漠草原土壤水分異質(zhì)性狀況。

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