科爾沁沙地丘間低地-流動沙丘聯合體土壤含水量的空間異質性1)

苗純萍 李雪華 蔣德明 賈美玉 韓旭

(中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所,沈陽,110016)

科爾沁沙地丘間低地-流動沙丘聯合體土壤含水量的空間異質性1)

苗純萍 李雪華 蔣德明 賈美玉 韓旭

(中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所,沈陽,110016)

運用半方差分析、單因素方差分析和Duncan多重比較方法，對科爾沁沙地丘間低地-流動沙丘聯合體土壤含水量的時空變化進行了分析。結果表明：土壤含水量的季節(jié)動態(tài)與降水量的變化趨勢保持一致，6月份降水量和土壤含水量最高。土壤含水量由高到低的趨勢為：過渡帶、丘間低地、流動沙丘。流動沙丘和過渡帶的土壤含水量隨著土壤深度的增加而增加，丘間低地的土壤含水量隨著土壤深度的增加而降低。流動沙丘的土壤含水量在較小尺度上具有90%的空間自相關性，過渡帶的土壤含水量在較大尺度上具有強烈的空間自相關性。丘間低地表層的土壤含水量在較大尺度上具有中等的空間自相關性。

沙地丘間低地-流動沙丘聯合體；土壤含水量；空間自相關性

We studied the spatial and temporal variation of soil water content by semi-variance analysis, one-way ANOVA and Duncan multiple comparisons. The seasonal dynamic of soil water content was consistent with the rainfall, and both of them were highest on June. The soil water content decreased from the ecotones to the interdune lowlands, to the active sand dunes. Both the soil water content on the active sand dunes and ecotones were increased with the increasing of soil depth, whereas, it was decreased with the increasing of soil depth on the interdune lowlands. The spatial autocorrelation of soil water content on the active sand dune was 90% at fine scale, however, the autocorrelation on the ectone was strong at coarser scale. The spatial autocorrelation on the upper soil layer of interdune lowlands was moderate at the coarser scale.

荒漠化是當今世界面臨的最為嚴峻的環(huán)境問題[1]。沙漠化是干旱、半干旱地區(qū)氣候變化和人為活動等干擾導致的土地退化[2]。中國干旱半干旱區(qū)占國土面積的比例為34.6%，其中80%干旱半干旱區(qū)面臨嚴重的沙漠化[3]。土地沙漠化已嚴重影響景觀格局，并造成植被和物種多樣性的消失[4-6]。

科爾沁沙地是我國北方農牧交錯的典型區(qū)域，也是近年來沙漠化最為嚴重的地區(qū)[7]。丘間低地-流動沙丘聯合體是科爾沁沙地重要的風沙地貌類型。丘間低地-流動沙丘聯合體包括流動沙丘、過渡帶和丘間低地3個部分[8-9]。流動沙丘的形成是干旱半干旱地區(qū)土壤退化的產物[10]。由于流動沙丘土壤貧瘠，沙埋、風蝕和風沙移動嚴重，一方面造成土壤種子庫密度較低，另一方面不利于大多數物種的侵入、補充和存活，因此，植被自然恢復進程相對緩慢[11-13]。過渡帶是由流動沙丘沿著主風向推移后造成原來沙丘覆蓋的地表裸露而形成，有學者將其稱為退沙畔[14]。丘間低地是流動沙丘在強烈的季風作用下，風蝕、風積共同作用而形成的一種單獨的地貌單元。多數丘間低地植被發(fā)育良好、地下水位接近地表且波動頻繁[15-16]，具有重要的儲種、保種和種群擴散的作用。

土壤水分狀況是沙地生態(tài)系統的重要生態(tài)因子，決定著沙地土壤的發(fā)育、演化和土地產力，制約著沙地植被的形成和發(fā)展[7，17]。土壤水分動態(tài)和水分的空間異質性是沙地土壤水分研究的重要內容[7]。沙漠化地區(qū)土壤持水能力弱，水分蒸發(fā)快，土壤含水量是植被恢復最關鍵的因素[18-19]。土壤水分的分布特征，往往是沙地演替早期階段先鋒植被分布格局的決定性因素。隨著植物的定居、生長和植被的演替，土壤水分和養(yǎng)分資源的分布格局發(fā)生改變，從而又影響到植被格局。本文擬采用地統計學分析和方差分析方法，對科爾沁沙地流動沙丘、過渡帶和丘間低地等沙化地區(qū)的土壤含水量的空間異質性進行分析，為丘間低地生態(tài)系統功能的維持和流動沙丘、過渡帶的植被恢復提供理論依據。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于科爾沁沙地腹地，內蒙古自治區(qū)翁牛特旗烏蘭敖都地區(qū)(海拔479 m)。該地區(qū)屬溫帶大陸性半干旱氣候，平均年降水量284.4 mm，其中6—8月的降水占全年的70%以上，年蒸發(fā)量是降水量的6～7倍。年平均氣溫約為6.3 ℃；≥10 ℃的年積溫為3 000～3 200 ℃，無霜期140～160 d；全年大氣濕度為50%～55%，季節(jié)變化明顯；年平均風速4.4 m/s，年大風(>16 m/s)時間為21～80 d。土壤類型主要為退化的沙質栗鈣土和風沙土。流動沙丘以隨機分布的沙米(Agriophyllumsquarrosum)為主要物種，蓋度<5%。丘間低地的優(yōu)勢物種有綠珠藜(Chenopodiumacuminatum)、狗尾草(Setariaviridis)、山竹巖黃蓍(Hedysarumfruticosum)，紅柳(Salixmicrostachya)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylia)等。

2 研究方法

2.1 試驗設計

2012年4月，分別于流動沙丘、過渡帶和丘間低地各設置1個50 m×50 m的樣地，每5 m取一個樣點，每個樣地取樣100個。土層分三層(0～10、>10～20、>20～30 cm)測定土壤含水量。測量用時域反射計(TDR)，測量前已將TDR校正為質量含水量。測量時間為2012年4月15日到8月31日，每15 d測定一次，共測量10次。

2.2 數據處理

采用地統計學軟件GS+作半方差分析，分析土壤水分的空間變異特征。半方差計算公式為：

其中：γ(h)為空間距離為h時的半方差值，N(h)為被空間距離h劃分的對數，xi為初始值，yi為末端值。以γ(h)為縱坐標，空間距離h為橫坐標作圖，得到半方差圖。半方差圖的結構可以用3個主要的參數來表示，即塊金方差(C0)、基臺值(C0+C)和自相關閾值(A)。塊金方差(C0)是半方差圖在縱軸上的截距，源于小于取樣間隔的空間尺度上的變異和隨機誤差。基臺值(C0+C)是半方差隨空間距離的增加而不再增加，達到水平時的值；塊金方差與基臺值之比反映了隨機變異在整個空間變異中的作用大小(塊金效應)[20]。自相關閾值(A)是半方差達到基臺值時的空間距離，在自相關閾值范圍內,格局或過程變量之間具有較強的空間自相關性;而超過該閾值,格局或過程變量之間近似相互獨立,表現出較弱的空間自相關性和較強的隨機性[21]。

采用SAS 9.2軟件進行單因素分析和Duncan多重比較，P<0.05視為存在顯著差異，利用Microsoft Excel 2010軟件完成作圖。

3 結果與分析

從4月中旬到8月底，流動沙丘土壤含水量呈先逐漸增加后逐漸下降的趨勢(見表1)。其中，6月中旬土壤含水量較高，4月中旬和8月底土壤含水量較低。過渡帶和丘間低地的土壤含水量與流動沙丘呈現相似的月動態(tài)變化趨勢，土壤含水量同樣先增加后逐漸降低，且六月中旬的土壤含水量最高。

表1 2012年4—8月流動沙丘、過渡帶、丘間低地土壤含水量動態(tài)

%

注：表中數值為“平均值±標準誤”。

由表2可知，4月的降雨天數為3天，是該時間段內降雨天數最少的月份。6月份的降雨天數最多，為14天，7月份次之，為12天。6月14日的日降水量最高，達到59.2 mm，7月22日的日降水量次之，為51.2 mm。6月中旬降雨天數多，降雨量大，與6月中旬的土壤含水量最高相吻合。

由圖1可知，流動沙丘0～10 cm土層的土壤含水量顯著低于>10～20、>20～30 cm土層；流動沙丘>20～30 cm土層的土壤含水量高于>10～20 cm土層，但無顯著差異。過渡帶>20～30 cm土層的土壤含水量顯著高于10～20 cm土層，而>10～20 cm土層的土壤含水量又顯著高于0～10 cm土層。丘間低地0～10 cm土層的土壤含水量顯著高于>10～20、>20～30 cm土層，>10～20 cm土層的土壤含水量略高于>20～30 cm土層，但無顯著差異?？傊?，流動沙丘和過渡帶的土壤含水量隨著土壤深度的增加而增加，丘間低地的土壤含水量對著土壤深度的增加而降低。

圖1 流動沙丘、過渡帶和丘間低地的土壤含水量的比較及分層比較

流動沙丘0～10 cm土層的土壤含水量顯著低于同層過渡帶和丘間低地，而過渡帶和丘間低地0～10 cm土層的土壤含水量無顯著差異。過渡帶>10～20 cm土層的土壤含水量顯著高于同層流動沙丘和丘間低地，而流動沙丘和丘間低地>10～20 cm土層的土壤含水量無顯著差異；過渡帶>20～30 cm土層的土壤含水高于同層流動沙丘和丘間低地，且三者之間差異顯著?？傊^渡帶的土壤含水量高于丘間低地和流動沙丘。

由表3可知，流動沙丘0～10、>10～20、>20～30 cm土層的土壤含水量的半方差圖用指數模型擬合，土壤含水量的塊金效應分別為11.617%、9.471%、12.883%，自相關閾值分別為3.96、5.19、4.73 m。流動沙丘的土壤含水量約90%的空間異質性來源于空間自相關性，10%左右來源于隨機因素。

過渡帶0～10、>10～20、>20～30 cm土層的半方差圖都用球狀模型擬合，三者的半方差都隨著空間尺度的增加而增加。0～10、>10～20、>20～30 cm土層土壤含水量的塊金效應分別為14.775%、10.004%、6.691%，自相關閾值分別為33.08、37.13、34.38 m。過渡帶土壤含水量的空間異質性主要來源于空間自相關性。

丘間低地0～10 cm土層土壤含水量半方差圖用球狀模型擬合，其塊金方差為0.381，基臺值為0.898，塊金效應為42.428%，自相關閾值為36.15 m。而>10～20、>20～30 cm土層土壤含水量的半方差圖分別用指數模型和球狀模型擬合，塊金效應依次為2.043%和0.387%，自相關閾值分別為2.98、9.84 m。丘間低地>10～20、>20～30 cm土層土壤含水量的空間異質性主要來源于空間自相關性。

表3 丘間低地-流動沙丘聯合體土壤含水量的半方差擬合模型及相關參數

4 結論與討論

丘間低地過渡帶地下水位高，且根系的持水量強，土壤含水量高于流動沙丘。但丘間低地灌叢枝條以及地面落葉等覆蓋物截留降雨，使得丘間低地的水分輸入減少，土壤含水量低于過渡帶。流動沙丘的土壤含水量在較小尺度上具有強烈的空間自相關性，而過渡帶的土壤含水量在較大尺度上的空間自相關性強烈，丘間低地表層的土壤含水量在較大尺度上具有中等的空間自相關性。

科爾沁沙地丘間低地流動沙丘聯合體4—8月的土壤含水量呈先升高后降低的變化趨勢，這與內蒙古渾善達克沙地5—9月份的土壤水分的變化趨勢一致[22]。土壤含水量的這種變化趨勢對當地降水量的時空變化有很強的依賴性[7]。降水量是土壤水分供給的一個重要來源，降水量多有利于土壤含水量的增加[23]。另外，由于本試驗區(qū)降水少，且水分蒸發(fā)強烈，所以降水對該地區(qū)深層土壤水分的影響微弱，對淺層土壤的含水量的影響較為顯著，而對深層土壤含水量的作用不明顯[24]。

土壤含水量的垂直變化受降水量的大小、沙土的機械組成、植物根系分布和根量等多種因子的綜合影響[25]。流動沙丘和過渡帶的土壤含水量隨著土壤深度的增加而增加。主要原因是流動沙丘土壤結構松散，土壤毛細管作用力弱，沙丘地表存在干沙層，對深層土壤的蒸發(fā)有阻礙作用。另外，流動沙丘和過渡帶植被較少，受風沙影響蒸發(fā)量大，在降水以后土壤表層水分立即蒸發(fā)，而深層土壤水分蒸發(fā)較小，故隨著土壤深度的增加，流動沙丘和過渡帶的土壤含水量逐漸增加[26]。丘間低地的土壤含水量隨著土壤深度的增加而降低。由于丘間低地植被相對豐富，降水后，植物固定了大量水分；植物的存在也使沙丘流動變緩，促使結皮的形成，減少了表層水分的蒸發(fā)；隨著丘間低地植被生物量的增加，特別是淺根性植物的增加，根系對自然降水截留能力提高，使深層土壤水分補給不足[27]。因此，隨著深度的增加，丘間低地土壤含水量逐漸減少。這與趙從舉等[28]的研究結果一致。

科爾沁沙地過渡帶的土壤含水量高于丘間低地和流動沙丘。雖然丘間低地和過渡帶的地下水位都較高，但由于丘間低地灌叢枝條以及地面落葉等覆蓋物截留降水，使丘間低地的水分輸入減少，因此，土壤含水量低于過渡帶。由于丘間低地地下水位較高，土壤類型主要為草甸土，植被根系周圍土壤能夠得到地下水的補充，故丘間低地土壤含水量能夠保持在較高水平。流動沙丘土壤含水量較低，多數時間土壤含水量處在3%以下，主要是土壤保水能力差，地下水位低，上層土壤得不到地下水的補充，完全依靠降水量的補充，所以土壤含水量低于丘間低地[29]。

左小安等[30]將塊金效應劃分為三個等級(25%以下、25%～75%、75%以上)，分別表示變量的空間自相關性強烈、中等、較弱。本研究中，流動沙丘和過渡帶三層土壤含水量的塊金效應均小于25%，說明流動沙丘和過渡帶的土壤含水量具有較強的空間自相關性。丘間低地0～10 cm的土壤含水量的塊金效應為25%～75%，丘間低地表層土壤含水量的具有中等的空間自相關性；而>10～20和>20～30 cm土壤含水量的塊金效應小于25%，深層土壤的空間自相關性強烈。另外，流動沙丘土壤含水量的空間自相關閾值明顯小于過渡帶，說明一定的降水量對過渡帶土壤含水量的補充大于流動沙丘，使得過渡帶的土壤含水量的空間變異性存在于更大的尺度上[7]。丘間低地表層的土壤含水量在較大尺度上具有中等的空間自相關性，隨機因素引起的空間異質性所占的比重大。而降水量對丘間低地深層的土壤水分的補充少，使其在較小尺度上具有強烈的空間自相關性。

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Spatial Heterogeneity of Soil Water Content in the Interdune Lowland-Active Sand Dune Systems in Horqin Sandy Land

Miao Chunping, Li Xuehua, Jiang Deming, Jia Meiyu, Han Xu(Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Science, Shenyang 110016, P. R. China)/Journal of Northeast Forestry University，2015,43(3)：90-94.

Interdune lowland-active sand dune systems; Soil water content; Spatial autocorrelation

1)國家自然科學基金項目(41271115)；遼寧省自然科學基金(2013020064)。

苗純萍，女，1987年12月生，中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所，現為中國科學院大學博士研究生。E-mail：miaochunping316@163.com。

李雪華，中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所，副研究員。E-mail：lixuehua@iae.ac.cn。

2014年9月27日。

S152.7

責任編輯：王廣建。