油蒿群落不同恢復(fù)階段的土壤水分空間異質(zhì)性及植被特征

朱林峰, 張宇清, 秦樹高, 關(guān)紅杰, 張舉濤, 高 浩, 楊路明, 高宏仙

(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院 寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,

北京 100083; 2.寧夏鹽池縣環(huán)境保護(hù)和林業(yè)局, 寧夏 鹽池 751500)

油蒿群落不同恢復(fù)階段的土壤水分空間異質(zhì)性及植被特征

朱林峰1, 張宇清1, 秦樹高1, 關(guān)紅杰1, 張舉濤1, 高 浩1, 楊路明1, 高宏仙2

(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院 寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,

北京 100083; 2.寧夏鹽池縣環(huán)境保護(hù)和林業(yè)局, 寧夏 鹽池 751500)

摘要：[目的] 分析沙地恢復(fù)不同階段(流動沙地、半固定沙地、固定沙地)油蒿(Artemisia ordosica)群落的土壤水分空間變異規(guī)律以及植被響應(yīng)特征，為荒漠地區(qū)植被恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。 [方法] 利用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)與地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法進(jìn)行分析。 [結(jié)果] (1) 從流動沙地到固定沙地的演替過程中，土壤水分逐步減少，其空間結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出明顯的斑塊狀和條帶狀布局特點(diǎn)，同時沙地土壤水分空間異質(zhì)性逐步增加，土壤水分在不同恢復(fù)階段均表現(xiàn)出隨著土層深度的增加，空間相關(guān)性逐漸增強(qiáng)的特征。 (2) 在沙地恢復(fù)過程中，油蒿種群的植被覆蓋度、生物量、密度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，而植被特征的空間變異性則趨于減弱。 (3) 在流動沙地和固定沙地上，油蒿種群特征與土壤水分呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)。 [結(jié)論] 油蒿種群的植被格局在一定程度上改變了土壤水分的空間異質(zhì)性與分布格局。

關(guān)鍵詞：油蒿群落; 土壤水分; 空間異質(zhì)性; 植被格局

土壤水分是將土壤、植被與氣候鏈接起來的關(guān)鍵因子，其含量的大小與分布格局影響著荒漠生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建，并且對于評估土地植被承載力具有重要意義[1-3]。由于受氣候、土壤、植被、地形等因素的影響，沙區(qū)土壤水分在時間和空間上表現(xiàn)出比較高的變異性[4-6]。因此，研究沙地土壤水分時空變異性在量化局部水文、揭示植被的空間結(jié)構(gòu)與演替過程具有重要作用。土壤水分變異特征在不同的的研究尺度上影響因素不盡相同，在較小的坡面尺度上，植被狀況則是主要影響因子[7-8]。同時，在干旱地區(qū)，土壤水分是制約植被演替的關(guān)鍵因素，在很大程度上決定植物的生長狀況和分布格局[9-10]。近年來，土壤水分與植被間相互關(guān)系的研究已經(jīng)成為荒漠生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)水文的一個熱點(diǎn)問題[11]。已有研究表明，土壤水分和植被的時空分布具有一定的同步性，并且植被特征與深層土壤水分顯著正相關(guān)[12-13]；經(jīng)過長期人工固沙植被的演變，植被蓋度、物種豐富度、土壤有機(jī)碳、土壤全氮和電導(dǎo)率逐步增加，而灌木在群落中的優(yōu)勢度和蓋度降低，土壤含水量逐漸減少[14]，同時沙地土壤水分的空間異質(zhì)性有所增加[15]。這些研究研究對深入認(rèn)識土壤—植被系統(tǒng)提供了一定的基礎(chǔ)。

油蒿(Artemisiaordosica)是毛烏素沙地重要的植被恢復(fù)物種之一，也是面積最大的固沙植物種(占沙區(qū)總面積的31.2%)，在沙區(qū)植被的恢復(fù)與重建過程中具有極其重要的地位[16]。鑒于毛烏素沙地油蒿灌叢植被的重要性，國內(nèi)外學(xué)者對油蒿展開了大量研究。張軍紅等[17]研究認(rèn)為降水補(bǔ)給深度是導(dǎo)致油蒿群落土壤水分時空變異的重要因素；Yang等[18]研究發(fā)現(xiàn)半固定沙地油蒿較固定沙地的自相關(guān)性更強(qiáng)，斑塊化更加明顯；胡旭等[19]研究認(rèn)為土壤水分的空間異質(zhì)性并不一定可以影響生物量的異質(zhì)性。前人對油蒿的土壤水分狀況、種群空間格局、空間異質(zhì)性等展開了深入研究，然而將油蒿群落土壤水分與植被的空間分布相結(jié)合的研究相對較少，對于這種單一種群斑塊形成的機(jī)理認(rèn)識尚有不足。因此，本研究通過選取典型油蒿樣地，進(jìn)行土壤水分監(jiān)測和植被調(diào)查，旨在揭示油蒿群落不同恢復(fù)階段土壤水分空間異質(zhì)性及植被特征，探討沙區(qū)油蒿種群土壤水分與植被之間的相互關(guān)系，為荒漠地區(qū)植被恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

本研究在寧夏鹽池荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站進(jìn)行，站區(qū)地理位置為北緯37°40′—37°43′,東經(jīng)107°12′—107°17′，拔高度約1550 m，位于毛烏素沙地西南緣，屬典型的溫帶大陸性氣候。該區(qū)全年干燥少雨，多年平均降水量290 mm，降水主要集中在7—9月，大約占全年降水量的63%，年均潛在蒸發(fā)量為2 050 mm，年均氣溫7.7 ℃，晝夜溫差大，無霜期約130 d。土壤類型主要為風(fēng)沙土，結(jié)構(gòu)松散，風(fēng)沙運(yùn)動強(qiáng)烈。研究區(qū)植被以低矮、稀疏的沙生灌木和旱生草本植物為主，當(dāng)?shù)刂饕参锓N有：油蒿、楊柴(Astragalusmongolicum)、沙柳(Salixpsammophila)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)、針茅(Stipacapillata)、賴草(Leymussecalinus)、沙米(Agriophyllumarenarium)等。

1.2　研究方法

1.2.1水分測定在處于不同恢復(fù)階段(流動沙地、半固定沙地、固定沙地)的油蒿林地中，各設(shè)置一塊大小為20 m×20 m的試驗(yàn)樣地，3塊樣地地形與地貌特征相近，沙地類型及植被特征詳見表1?；诘亟y(tǒng)計(jì)學(xué)原理與格局分析的布點(diǎn)要求[20],每塊樣地以2 m×2 m大小的網(wǎng)格間距布設(shè)采樣點(diǎn)100個。于2013年8月,在每個網(wǎng)格中心采用TDR 土壤水分速測儀測定3塊樣地共300個樣點(diǎn)的土壤體積含水率(簡稱土壤含水率)，每個測點(diǎn)分0—20 cm，20—40 cm和40—60 cm三層測定土壤含水率，調(diào)查前半個月未有降水，土壤水分較為穩(wěn)定。

表1　試驗(yàn)樣地基本情況

1.2.2TDR儀器標(biāo)定為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，將野外實(shí)地TDR監(jiān)測與烘干法相結(jié)合，進(jìn)行數(shù)據(jù)校正。在試驗(yàn)樣地選取3個50 cm深的土壤剖面，以10 cm為間距，用TDR測定各層土壤水分，同時采用環(huán)刀取土測其容重，并且回實(shí)驗(yàn)室烘干法測定水分含量。將15組數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，分析結(jié)果表明，烘干法與TDR測得水分?jǐn)?shù)據(jù)顯著線性相關(guān)(p<0.01)，相關(guān)系數(shù)為R2=0.945。表明校正后的土壤水分值與傳統(tǒng)的烘干法所測值相符，能比較準(zhǔn)確地反映樣地土壤水分狀況。

1.2.3植被調(diào)查2013年8月，調(diào)查300個小樣方內(nèi)每叢油蒿的株高、冠幅、密度、蓋度、生物量。蓋度由每個小樣方內(nèi)植物地上部分垂直投影面積占樣方面積的百分比確定；油蒿地上地上生物量采用生長方程進(jìn)行估算[21]：

Q=a(A·H)b

(1)

式中：Q——地上生物量(g)；A——冠幅面積(cm2)；H——株高(cm)；a——生長系數(shù)(g/cm3)；b——生長指數(shù)。a，b由樣地內(nèi)隨機(jī)選取20叢油蒿，測定其株高、灌幅、地上生物量，回歸模擬得出。經(jīng)測算，油蒿地上生物量的生長方程為：

Q=0.005(A·H)0.804(R2=0.87)

繼而結(jié)合樣地的植被調(diào)查數(shù)據(jù)，估算出樣地內(nèi)的所有油蒿地上生物量。

1.3　數(shù)據(jù)分析處理

采用SPSS 20.0對土壤水分、植被數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算每塊樣地不同深度土壤含水率、種群特征的均值(Mean)、標(biāo)準(zhǔn)差(SD)和變異系數(shù)(Cv)，用來評估土壤水分、植被的平均狀況和總體變異。采用單因素方差分析(取α=0.01顯著水平),檢驗(yàn)土壤水分、種群特征在不同沙地間的差異。對研究區(qū)不同深度土壤水分進(jìn)行Kolmogorov—Smirnov非參數(shù)檢驗(yàn)，驗(yàn)證其是否符合正態(tài)分布，滿足半方差函數(shù)的計(jì)算以及模型擬合的要求；利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件GS+9.0，根據(jù)RSS，R2選取最優(yōu)理論模型以及相關(guān)參數(shù)——塊金值(C0)、基臺值(C0+C)、結(jié)構(gòu)方差比[C/(C0+C)]、變程(A)和分維數(shù)(D)，對土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行變異函數(shù)分析和分維分析；并利用ArcGIS 9.3中的地統(tǒng)計(jì)模塊進(jìn)行克立格空間局部插值，比較不同樣地間土壤水分、油蒿生物量的空間分布差異。

2結(jié)果與討論

2.1　土壤水分的空間變異特征

由表2可知，3塊樣地土壤含水率變化范圍為2.97%～8.87%，試驗(yàn)期間，流動、半固定、固定沙地0—60 cm土壤含水率均值分別為7.27%，6.12%和4.57%。單因素方差分析表明，在沙地恢復(fù)過程中，油蒿林地0—60 cm的土壤水分含量差異極顯著(p<0.01)，土壤含水率表現(xiàn)為：流動沙地>半固定沙地>固定沙地。

表2　樣地0-60 cm平均土壤含水率統(tǒng)計(jì)特征(樣本數(shù)=100)

注：不同的小寫字母表示差異顯著(p<0.01水平)，下同； K—S檢驗(yàn)中，當(dāng)p>0.05時，表示服從正態(tài)分布。

從變異系數(shù)(Cv)可以看出(表2)，不同恢復(fù)階段的油蒿林地的土壤水分均表現(xiàn)為中等變異性(Cv=0.1～1)。0—60 cm土壤水分在不同恢復(fù)階段的變異系數(shù)大小次序表現(xiàn)為：流動沙地<半固定沙地<固定沙地，可見在恢復(fù)過程中，各層土壤水分空間變異性逐步上升，這主要因?yàn)橥寥浪衷诠鄥仓脖坏挠绊懴拢M(jìn)行重新分配，產(chǎn)生了空間變異[22]。表2給出的僅是從經(jīng)典統(tǒng)計(jì)的角度刻畫土壤水分狀況，只能整體上反映其變異特征,不能定量地描述其內(nèi)部變異結(jié)構(gòu)特征，因此有必要對其進(jìn)行變異函數(shù)分析(表3)。空間異質(zhì)性比C0/(C0+C)表示自相關(guān)部分引起的空間變異性程度高低，該系數(shù)越高，表示由隨機(jī)性因素引發(fā)的空間異質(zhì)性較高，相反，則由結(jié)構(gòu)性部分引起的空間變異性程度較大。當(dāng)異質(zhì)性比值為<0.25，0.25～0.75，>0.75時，分別表示強(qiáng)烈相關(guān)、中等相關(guān)、弱相關(guān)[23]。由表3可知，流動沙地0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm土壤含水率結(jié)構(gòu)性比分別為0.27，0.13和0.11,半固定沙地為0.46，0.41和0.09,固定沙地為0.44，0.35和0.29,樣地各層土壤含水率異質(zhì)性比均<0.75,表現(xiàn)出中等以上的空間自相關(guān)。土壤水分空間異質(zhì)性比在不同恢復(fù)階段均表現(xiàn)出隨土層深度增加而下降的趨勢(表3)，最低值是在各試驗(yàn)地的40—60 cm。說明樣地深層土壤水分受結(jié)構(gòu)性因子影響較大，土壤質(zhì)地、土壤母質(zhì)帶來的異質(zhì)性更強(qiáng)；然而土壤淺層，隨機(jī)性因素引起的空間變異性而占主導(dǎo)地位，主要由風(fēng)沙運(yùn)動、土壤蒸發(fā)、根系吸水、生物土壤結(jié)皮等因素引起。土壤水分表現(xiàn)出隨著土層深度的增加，空間相關(guān)性逐漸增強(qiáng)的特征。

表3　試驗(yàn)樣地土壤水分半方差函數(shù)最優(yōu)模型及其有關(guān)參數(shù)

2.2　植被的響應(yīng)特征

由表4可以看出，在沙地恢復(fù)過程中，植被的蓋度、生物量、密度呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(p<0.01，除固定沙地油蒿密度之外)。油蒿的植被蓋度、生物量、密度的變異系數(shù)則呈現(xiàn)出：流動沙地>半固定沙地>固定沙地(除固定沙地油蒿生物量之外)，植被特征的變異性與土壤水分變異性表現(xiàn)出相反的趨勢?？梢娫谏车鼗謴?fù)過程中，油蒿種群隨著恢復(fù)年限的增加，植被覆蓋度、生物量、密度呈現(xiàn)增加的趨勢，油蒿種群變異性則表現(xiàn)出減弱的過程。

表4　樣地植被特征統(tǒng)計(jì)特征

2.3　土壤水分與植被的空間格局

在變異函數(shù)理論分析基礎(chǔ)上，運(yùn)用克里金最優(yōu)內(nèi)插值法繪制三塊調(diào)查樣地的土壤水分、生物量的空間分布圖(圖1)。由圖1可以看出，調(diào)查樣地0—60 cm土壤平均含水量在空間上呈現(xiàn)明顯的斑塊狀和條帶狀分布特點(diǎn)。流動沙地油蒿生物量的東南與西南方向上分布著兩個高值區(qū)域，與之對應(yīng)相同的位置，土壤水分卻呈現(xiàn)出兩個低值區(qū)域，植被與土壤水分表現(xiàn)出相反的分布格局。Pearson相關(guān)分析顯示(表5)，流動沙地植被因子與土壤水分表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.01),流動沙地上植被分布較好的區(qū)域水分條件相對較差，這主要是由于植被建設(shè)初期，流動沙地水分條件較好，土壤水分的空間格局決定建群種油蒿的分布格局，故油蒿長勢較好的區(qū)域，消耗的水分較多，土壤含水率低。表5顯示，當(dāng)?shù)竭_(dá)植被建設(shè)的中期的半固定沙地階段，群落尚未穩(wěn)定，植被分布受到養(yǎng)分條件、水分、地形等多因素的干擾，植被與土壤水分沒有得到相關(guān)關(guān)系(p>0.01)。植被恢復(fù)后期的固定沙地階段，油蒿種群相對穩(wěn)定，植被生長主要受制于土壤水分，故再次與土壤水分表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。

顯然，在小尺度上，地表植被蓋度、空間分布格局對土壤水分產(chǎn)生重要影響，不同學(xué)者在研究植被—土壤水分關(guān)系的時候得出的結(jié)果不盡相同，史麗麗等[24]研究發(fā)現(xiàn)祁連山臭草植被蓋度與表層土壤水分表現(xiàn)出強(qiáng)烈的正相關(guān)關(guān)系，王蕙等[13]研究發(fā)現(xiàn)在黑河過渡帶的灌木植被灌幅、蓋度與0—40 cm土壤水分含量呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，潘艷霞等[25]在沙坡頭地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)植被蓋度與表層土壤水分的相關(guān)性未達(dá)到顯著水平。造成這些差異的原因是植被類型、降雨條件、立地條件的不同，草本植物相對木本植物對土壤水分的需求量較少,對于土壤水分的反應(yīng)較為敏感，易呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系；而研究對象為灌木時,耗水量大于草本，故顯示出負(fù)相關(guān)關(guān)系，本研究對象為油蒿屬于半灌木植物，故也得出類似結(jié)論；而當(dāng)研究區(qū)植被為灌草結(jié)合時，相關(guān)性并未達(dá)到顯著。由圖1可以看出，植被建設(shè)初期土壤水分的分布控制著油蒿種群植被格局，導(dǎo)致油蒿的斑塊狀分布，繼而植被通過其空間格局的分配模式和植物蒸騰，改變地表土壤蒸發(fā)、降水的入滲等水文過程，對水分空間分布進(jìn)行了二次分配，當(dāng)?shù)竭_(dá)群落穩(wěn)定階段的固定沙地階段，植被的發(fā)展受限于土壤水分狀況，植被空間結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出與土壤水分相反的分布格局，可以說油蒿種群在很大程度上改變了土壤水分的空間異質(zhì)性與分布格局，同時自身對土壤水分變化做出相應(yīng)的響應(yīng)，提高了在干旱地區(qū)的競爭力。

圖1　不同恢復(fù)階段0-60 cm土壤平均含水率和油蒿生物量空間分布

沙地類型種群特征土層/cm0—2020—4040—60蓋度-0.31**-0.26**-0.32**流動沙地 生物量-0.27**-0.23*-0.31**密度-0.25*-0.20 -0.22*蓋度0.08-0.02 -0.08 半固定沙地生物量-0.22*-0.10 -0.04 密度0.06-0.01 -0.17 蓋度-0.12 -0.32**-0.15 固定沙地 生物量0.04-0.20*-0.21*密度0.080.01-0.01

注：**表示p<0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān); *表示p<0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3結(jié) 論

(1) 從流動沙地到固定沙地的演替過程中，土壤水分逐步減少,其空間結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出明顯的斑塊狀和條帶狀布局特點(diǎn)，同時沙地土壤水分空間異質(zhì)性逐步增加。土壤水分在不同恢復(fù)階段均表現(xiàn)出隨著土層深度的增加，空間相關(guān)性逐漸增強(qiáng)的特征。

(2) 在沙地恢復(fù)過程中，油蒿種群植被覆蓋度、生物量、密度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢,而種群特征的空間變異性則趨于減弱。

(3) 在流動沙地和固定沙地上，油蒿種群植被特征與土壤水分顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，油蒿種群的演替改變了沙地土壤水分狀況，植被格局在一定程度上改變了土壤水分的空間異質(zhì)性與分布格局。

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Spatial Heterogeneity of Soil Moisture and Vegetation Characteristics inArtemisiaOrdosicaCommunity at Different Succession Stages

ZHU Linfeng1, ZHANG Yuqing1, QIN Shugao1, GUAN Hongjie1,

ZHANG Jutao1, GAO Hao1, YANG Luming1, GAO Hongxian2

(1.YanchiEcologyResearchStationoftheMuUsDesert,CollegeofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China; 2.EnviromentalProtectionandForestryBureauofYanchiCounty,Yanchi,Ningxia751500,China)

Abstract：[Objective] The research investigated the spatial patterns of soil moisture and the responses of vegetation in Artemisia ordosica community at different succession stages(shifting dunes, semi-fixed dunes and fixed dunes) in order to provide scientific basis for vegetation restoration in desert region. [Methods] The experiment was conducted in three Artemisia ordosica communities and the data were analyzed by classical statistical and geo-statistical method. [Results] (1) In the succession of shifting dunes to fixed dunes, soil moisture of Artemisia ordosica community was gradually getting worse. And the spatial distribution of soil moisture was obviously characterized by a strip-like or patchy structure; Meanwhile the spatial variability of soil moisture was increasing. The spatial autocorrelation of soil moisture gradually increased with the increase of soil depth in all three Artemisia ordosica communities. (2) In the revegetation process, community coverage, biomass and density gradually increased, while spatial variation of community characteristics decreased. (3) Community characteristics of Artemisia ordosica had significantly negative correlation with soil moisture in shifting dunes and fixed dunes. [Conclusion] Vegetation pattern of Artemisia ordosica largely influenced the spatial distribution and heterogeneity of soil moisture.

Keywords:Artemisia ordosica community; spatial heterogeneity; soil moisture; vegetation pattern

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0058-06

中圖分類號：S152.7

通信作者：張宇清(1971—),男(漢族),寧夏自治區(qū)鹽池縣人,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事荒漠化防治方向研究。E-mail:zhangyqbjfu@gmail.com。

收稿日期：2014-05-16修回日期：2014-05-28

資助項(xiàng)目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)科學(xué)(973)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“沙區(qū)土壤水分時空分布格局與區(qū)域分異規(guī)律”(2013CB429901); “十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD16B02)

第一作者：朱林峰(1989—),男(漢族),江蘇省宜興市人,碩士研究生，研究方向?yàn)榛哪脖簧鷳B(tài)水文。E-mail:1013760238@qq.com。