基于電磁感應(yīng)成像植被斑塊土壤水鹽效應(yīng)研究

蔣志云,李小雁,張思毅,吳華武,馬育軍,胡中民

1 華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,廣州 510631 2 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部自然資源學(xué)院,北京 100875 3北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875 4 廣東省生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究所,廣州 510650 5 中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,南京 210008

非連續(xù)性植被斑塊格局是一種世界范圍內(nèi)十分常見的自然景觀,其分布區(qū)域約占全球陸地面積的30%,廣泛分布在非洲、美洲、大洋洲、歐洲及亞洲等地的干旱半干旱區(qū)[1-3]。當(dāng)前研究普遍認(rèn)為,地表水文過程在植被斑塊形成、維持及演變中起著十分關(guān)鍵的作用[2, 4],植被斑塊通過調(diào)節(jié)地表徑流、入滲及土壤水分等水文過程,使其周圍形成一個(gè)土壤水分富集區(qū),而水分的運(yùn)移帶動(dòng)養(yǎng)分等營養(yǎng)物質(zhì)的聚集,從而促進(jìn)植被生長、影響群落結(jié)構(gòu)與生態(tài)系統(tǒng)功能[5]。因此,斑塊狀植被與地表水文過程間相互作用關(guān)系研究,已經(jīng)成為國際植物適應(yīng)干旱研究的前沿與熱點(diǎn)領(lǐng)域,被眾多國際主流刊物時(shí)常報(bào)道[2- 3,6- 7]。

土壤水分是干旱半干旱區(qū)植被格局與結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵影響因素。很多研究認(rèn)為,植被與水分入滲之間存在一種正反饋關(guān)系：在植被密度高的地方常會(huì)入滲更多的水分,從而使得土壤水分產(chǎn)生空間異質(zhì)性[8]。另外,土壤鹽分也是干旱區(qū)植物生長的環(huán)境限制因子之一,影響植被格局形成[9],高濃度鹽分脅迫會(huì)擾亂水勢及離子分布的動(dòng)態(tài)平衡,導(dǎo)致植物細(xì)胞損壞、生長受阻甚至死亡[10]。雖然目前研究已經(jīng)認(rèn)識到植被斑塊能夠影響土壤水分、鹽分及養(yǎng)分的空間分布,匯集水分及養(yǎng)分從而形成“資源島”[8, 11- 12],但大部分停留在“量”的對比上,如植被斑塊與裸地間水分及養(yǎng)分含量的對比。然而,靜態(tài)的“量”的對比通常很難反映具體的水文過程,且常得出相悖的結(jié)論。例如,很多認(rèn)為植被斑塊聚集水分及養(yǎng)分,使其水分及養(yǎng)分高于裸地或基質(zhì)斑塊[5,8, 12],但也有研究指出植被斑塊水分低于裸地[13]。因此,揭示植被斑塊對土壤水分動(dòng)態(tài)變化過程的影響,如次降雨過程中植被斑塊對水分再分配過程的影響、以及不同干濕季節(jié)植被斑塊土壤水分動(dòng)態(tài)變化等,對認(rèn)識植被斑塊格局與土壤水文過程間相互作用關(guān)系具有重要意義,而這種動(dòng)態(tài)的過程卻因缺乏合適的觀測工具而難以捕捉到,成為了植被斑塊研究的難點(diǎn)問題[14]。

傳統(tǒng)研究土壤水鹽的方法如烘干法、中子儀法、TDR法,很難準(zhǔn)確表達(dá)異質(zhì)性土壤水鹽空間分布及其動(dòng)態(tài)變化[14]。近年來,電磁感應(yīng)方法(Electromagnetic induction, EMI)被引入土壤性質(zhì)研究中,它通過產(chǎn)生電磁感應(yīng)圖像,可以用于建立與土壤性質(zhì)變化間的聯(lián)系,因其測定快速、準(zhǔn)確且便捷,已經(jīng)成為國內(nèi)外土壤-水文-環(huán)境領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)方法[15- 18]。許多研究通過分析EMI所產(chǎn)生的土壤表觀電導(dǎo)率(ECa)與土壤水分、土壤粘粒含量之間的關(guān)系,認(rèn)為ECa可作為土壤的指示器,且可用來揭示植被空間格局與土壤性質(zhì)間的關(guān)系[15- 19]。同樣很多研究將EMI技術(shù)應(yīng)用于土壤鹽分測定,國內(nèi)目前主要將電磁感應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于土壤含鹽量測定、土壤鹽漬剖面分類與鹽分空間變異等方面[20- 22]。然而,目前研究一般將EMI用于揭示某一種土壤性質(zhì),而同時(shí)用于分析土壤水分與鹽分變化過程及其對植被斑塊格局的響應(yīng)的研究十分匱乏,尤其在國內(nèi)還鮮有報(bào)道。因此,應(yīng)用EMI研究植被斑塊格局與土壤水鹽動(dòng)態(tài)過程,對于深入認(rèn)識植被斑塊對土壤水文過程的影響具有重要意義。

芨芨草(Achnatherumsplendens)是廣泛分布在亞歐大陸干旱半干旱區(qū)具有耐寒、耐旱、耐鹽堿等優(yōu)點(diǎn)的深根性多年生草本植物,在空間上常呈斑塊狀聚集分布[23]。青海湖流域分布著大面積的芨芨草群落,其主要分布在環(huán)青海湖湖盆區(qū)北部和東南部海拔2900—3350m的湖岸沖洪積平原,形成一條1—15 km的植被帶,是人畜活動(dòng)的主要聚集地,且在防風(fēng)固沙、水土保持及生物多樣性保護(hù)方面起著重要作用[24]。然而,近幾十年來,受氣候變化與人類活動(dòng)的影響,青海湖環(huán)湖地區(qū)芨芨草草地退化與生態(tài)系統(tǒng)功能下降等問題十分嚴(yán)峻,出現(xiàn)了草地水源涵養(yǎng)能力降低、水土流失、草地退化及荒漠化等現(xiàn)象[25- 26]。因此,選擇青海湖流域芨芨草斑塊群落作為研究對象,采用EMI方法研究土壤水分及鹽分變化過程,揭示芨芨草斑塊對土壤水鹽動(dòng)態(tài)過程及季節(jié)性變異的影響,對理解斑塊植被與地表水文過程相互作用關(guān)系具有重要意義,也可為芨芨草草原生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海湖流域北岸剛察縣三角城種羊場地區(qū)的芨芨草草原(37°14′52.7″ N, 100°14′8.5″ E),海拔約3200 m,該地區(qū)輻射強(qiáng)、溫差大且干旱少雨,屬于高原大陸性氣候。據(jù)剛察站多年氣象資料分析,該地年平均氣溫為-0.6 ℃,年平均降雨量為370.3 mm,且主要集中在生長季(5—9月),年平均蒸發(fā)量為607.4 mm[17- 18]。芨芨草群落結(jié)構(gòu)一般為2—3層,第一層為高大的芨芨草草叢,其他禾草植物如針茅(Stipakrylovii)、冰草(Agropyroncristatum)、羊草(Leymuschinensis)、早熟禾(Poamalaca)等構(gòu)成第二層,第三層為一些低矮的雜草,如冷蒿(Artemisiafrigida)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)等[27]。因此,本研究將芨芨草植株冠層垂直投影區(qū)域稱為芨芨草斑塊,包括芨芨草以及生長在其冠層下方的其他所有植物,芨芨草斑塊之間生長低矮雜草區(qū)域稱為基質(zhì)區(qū)(圖1)。坡度約為1—2°,芨芨草斑塊外圍一般比基質(zhì)區(qū)地勢低,存在微地形。土壤主要是栗鈣土,由寒凍雛形土(mol-cryic cambisols)發(fā)育而來,土層深度約100 cm,淺層土壤田間持水量29.7%—32%[28]。

1.2 電磁感應(yīng)(EMI)實(shí)驗(yàn)

選擇典型芨芨草斑塊群落分布區(qū)作為EMI實(shí)驗(yàn)樣區(qū),大小約為60 m×60 m。EM38大地電導(dǎo)率儀(Geonics Limited, Ontario, Canada)由加拿大Geonics公司研發(fā),基于電磁感應(yīng)原理獲得土壤表觀電導(dǎo)率(Apparent Electrical Conductivity,ECa),有關(guān)其工作原理、操作及校正方法已有較多詳細(xì)介紹[16, 20- 22, 29]。在樣區(qū)內(nèi)由東至西以3 m間距設(shè)計(jì)21條樣線,每次實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)的樣線上以1 m/s左右的速度行駛。選擇2013—2014年中14次EMI監(jiān)測實(shí)驗(yàn),2013年9次,有4次為2013年8月19—23日強(qiáng)降雨事件雨前、雨中、雨后的監(jiān)測實(shí)驗(yàn),2014年5次。

圖1 青海湖北岸芨芨草草原景觀圖 Fig.1 The landscape of A. splendens steppe in northern Qinghai Lake

采用繪圖法,將實(shí)驗(yàn)樣區(qū)細(xì)分為3 m×3 m的網(wǎng)格,芨芨草斑塊冠幅的垂直投影為其輪廓,將輪廓對應(yīng)地繪制在坐標(biāo)紙上,掃描成圖后采用ArcGIS軟件矢量化,得到芨芨草斑塊空間分布圖。自動(dòng)氣象站安裝在距離實(shí)驗(yàn)樣區(qū)約100 m處,主要監(jiān)測降水、土壤溫度、空氣溫濕度及輻射等。

1.3 土壤性質(zhì)

1.3.1土壤水分與鹽分

實(shí)驗(yàn)樣區(qū)內(nèi)選擇20個(gè)樣點(diǎn)取土壤樣品,其中15個(gè)樣點(diǎn)選在芨芨草斑塊內(nèi)部,5個(gè)在基質(zhì)區(qū)中。土壤樣品采集深度為0—80 cm(基質(zhì)區(qū)一般為0—50 cm),間距為10 cm。采集的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室,每個(gè)樣品中的一半用烘干法測土壤水分,另一半測土壤鹽分。風(fēng)干后過2 mm篩,與蒸餾水按照1∶5的質(zhì)量比例混合,過濾后采用上海雷磁DDS- 307電導(dǎo)儀測土壤溶液電導(dǎo)率EC1∶5。因土壤溶液電導(dǎo)率與土壤含鹽量之間具有極顯著的相關(guān)性,一般采用土壤溶液電導(dǎo)率近似代替土壤含鹽量[30]。每次取土樣后,采用EM38的Station Mode測定每個(gè)采樣點(diǎn)的ECa值。2013與2014年共采樣10次(其中9次測土壤鹽分),約1300個(gè)樣品。

1.3.2土壤非飽和導(dǎo)水率

采用微型圓盤入滲儀(Decagon Devices, Inc. USA)測土壤非飽和導(dǎo)水率,吸力值設(shè)置為5、20、60 mm,入滲儀底盤直徑45 mm。在實(shí)驗(yàn)樣區(qū)內(nèi)選取5個(gè)典型的芨芨草斑塊,每個(gè)芨芨草斑塊及相鄰基質(zhì)區(qū)各測5個(gè)重復(fù),每次測量均測3個(gè)吸力值,總共150次測量。

1.3.3其他土壤性質(zhì)

用容積為100 cm3的環(huán)刀取原狀土測定土壤容重,土壤孔隙度是根據(jù)對芨芨草原狀土柱進(jìn)行CT掃描解譯而得,具體實(shí)驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)處理參考Hu等[31]。土壤機(jī)械組成在輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所采用馬爾文激光粒徑分析儀測得。

1.4 徑流系數(shù)

選擇3組典型的芨芨草草叢及相鄰基質(zhì)區(qū)建設(shè)地表徑流小區(qū),盡量保證相似的坡度及植被覆蓋。徑流小區(qū)是用彩鋼板圍建而成,直徑為112.8 cm,插入土層深度10 cm,在低洼處設(shè)計(jì)出水口,用塑料管連接出水口與收集桶。2014年共收集徑流14次,根據(jù)降雨量與徑流量計(jì)算徑流系數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

1.5.1ECa數(shù)據(jù)前處理

首先通過建立ECa時(shí)間序列,去除不動(dòng)點(diǎn)及奇異值。其次,將相同地點(diǎn)的重復(fù)值進(jìn)行平均。因各次ECa測量時(shí)土壤溫度不一致,為排除溫度對ECa的干擾,將ECa數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度校正,校正溫度為25℃,具體參考Reedy和Scanlon[19]：

EC25=ECa{0.4779+1.3801e{-T/25.654))

(1)

式中：EC25表示校正溫度為25℃時(shí)的ECa值,T表示實(shí)際溫度(℃)。

1.5.2ECa制圖過程

采用普通克里格方法插值ECa圖,插值單元為0.25 m×0.25 m,采用ArcGIS 9.3軟件進(jìn)行制圖。為了分析ECa圖的時(shí)間穩(wěn)定性,參考Zhu 等[16]的研究方法,采用ECa的相對差異平均值來表征,詳細(xì)計(jì)算過程如下：

(2)

(3)

(4)

1.5.3方差分析

土壤水分以80 cm土體的平均儲(chǔ)水量(mm)表示,而土壤鹽分則是土體的加權(quán)平均值(mS/m)。運(yùn)用SPSS17.0軟件采用偏相關(guān)方法檢驗(yàn)表觀電導(dǎo)率與土壤水分、鹽分間的相關(guān)關(guān)系。采用方差分析對比芨芨草斑塊、斑塊邊緣及草地土壤水分、鹽分及其他土壤性質(zhì)的差異,及土壤水鹽在生長季尺度內(nèi)的變化特征,建立ECa與土壤水分、鹽分之間的多元回歸模型并進(jìn)行檢驗(yàn)與診斷。

2 結(jié)果分析

2.1 降水分布特征

圖2表示2013—2014年度研究區(qū)逐日降雨量,2013年降雨總量為364.09 mm,日降雨量>10 mm的降雨事件主要分布在8—9月,特別指出的是,8月19—23日出現(xiàn)1次連續(xù)強(qiáng)降雨事件,且該段時(shí)期總降雨量達(dá)96.7 mm(8月20日降雨量為45.9 mm),占年降雨量26.56%。2014年降雨量為390.40 mm,日降雨量>10 mm的降雨事件有10次,主要分布在6—8月。芨芨草草原降雨時(shí)期主要為4—10月,且分布不均勻,日降雨量>10 mm的降雨事件主要發(fā)生在6—8月。

圖2 2013—2014年芨芨草草原日降雨量Fig.2 Daily rainfall of A. splendens steppe in 2013 and 2014

2.2 ECa與土壤水鹽的關(guān)系

表1列出了表觀電導(dǎo)率與土壤水分、鹽分間的偏相關(guān)系數(shù)。結(jié)果指出,表觀電導(dǎo)率與土壤水分的相關(guān)關(guān)系顯著(P<0.01),且芨芨草斑塊相關(guān)系數(shù)大于基質(zhì)區(qū)；ECa與土壤鹽分也呈現(xiàn)顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.01),但基質(zhì)區(qū)相關(guān)系數(shù)大于芨芨草斑塊。對芨芨草斑塊來說,ECa與土壤水分的相關(guān)性更顯著,而基質(zhì)區(qū),ECa與土壤鹽分的相關(guān)系數(shù)稍大。總體來說,土壤水分、土壤鹽分與ECa之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系。

表1 ECa與土壤水分、鹽分的偏相關(guān)系數(shù)

**表示在0.01水平上相關(guān)顯著;ECa：土壤表觀電導(dǎo)率,SW：土壤水分,SA：土壤鹽分,ST：土壤溫度

建立以土壤水分(SW)和土壤鹽分(SA)為自變量,ECa為因變量的初始多元線性回歸模型,通過分析標(biāo)準(zhǔn)化殘差與土壤水分、鹽分間的關(guān)系,采用庫克距離法去除少量極端值所產(chǎn)生的杠桿效應(yīng)后,建立逐步回歸法改進(jìn)模型如下：

ECa=3.440×SW+0.220×SA-43.301(P<0.01,R2=0.810)

(5)

改進(jìn)后模型均方差小于初始模型,決定系數(shù)R2增大,說明改進(jìn)后的模型具有較高的可靠度與準(zhǔn)確性。R2=0.810,說明土壤水分與鹽分可解釋ECa變化的81%。

2.3 ECa空間分布格局

圖3給出了2013—2014年生長季的ECa空間分布圖,顏色由紅-黃-綠-藍(lán)表示ECa值逐漸增大,表2列出了ECa分布圖的部分統(tǒng)計(jì)值。在生長季初期,如2013年5月20日,ECa圖大片區(qū)域呈紅(黃)色,ECa平均值為19.78 mS/m,為兩年14次測量中最小值。進(jìn)入生長季(6—9月),ECa圖明顯朝藍(lán)(綠)色變化,ECa分布圖的平均值、最小值和最大值均明顯增大(表2)。不過每次ECa值的高低還與實(shí)際AP7(Antecedent Precipitation during the previous 7 day：測量前7天的降雨量)有關(guān),如2013年5月20日的AP7只有6.3 mm,ECa值最低,到6月10日時(shí)AP7高達(dá)44.2 mm,ECa分布圖明顯變綠(藍(lán))。隨著8月19—23日強(qiáng)降雨事件后,8月21、22、24日的AP7分別達(dá)到67.4、90、96 mm,ECa分布圖呈現(xiàn)非常顯著地變化,其中8月24日的ECa平均值、最小值及最大值是兩年14次測量的最高值,最小值為17.64 mS/m,接近5月20日的平均值。9月5日的AP7雖然只有20.8 mm,但因受到強(qiáng)降雨事件的影響,ECa分布圖與8月24日相比差異很小。

圖4給出了8月21、22、24日、9月5日和8月9日的ECa差值圖,顯著地揭示了雨后ECa分布圖動(dòng)態(tài)變化,降雨1 天(8月21日)樣區(qū)整體ECa值基本上大于雨前,但東部及西南部呈黃色,少數(shù)地區(qū)呈紅色,說明ECa增加幅度不大(<10 mS/m)。降雨2天,樣區(qū)ECa分布差值圖出現(xiàn)了顯著變化,大部分地區(qū)呈綠色。降雨3天,樣區(qū)ECa分布差值圖基本呈綠(藍(lán)色),ECa值顯著增大。2014年ECa空間分布圖變化趨勢也基本符合類似規(guī)律。

另外,相對差異值可以表示時(shí)間穩(wěn)定性,若某點(diǎn)的值大于零,說明該點(diǎn)的ECa值始終大于整個(gè)區(qū)域的平均值,當(dāng)值小于零時(shí),則表示ECa值始終小于整個(gè)區(qū)域的平均值。從ECa相對差異圖(圖5)可以發(fā)現(xiàn),芨芨草斑塊分布區(qū)域均是綠或藍(lán)色區(qū)域,說明芨芨草斑塊分布區(qū)域的ECa值始終大于平均值,而斑塊間地草地的ECa分布區(qū)域是紅色或黃色,ECa值始終小于平均值。因此,ECa在空間上表現(xiàn)出穩(wěn)定的異質(zhì)性現(xiàn)象,且芨芨草斑塊分布格局與ECa相對差異圖具有很好的對應(yīng)關(guān)系。

表2 ECa空間分布圖統(tǒng)計(jì)描述

AP7表示前7天降雨量總和,Antecedent Precipitation during previous 7 days

圖4 2013年8月21、22、24及9月5日與8月9日ECa差值圖(多邊形表示芨芨草斑塊)Fig.4 ECa maps (21, 22, 24 August and 5 September) subtracted from 9 August, with polygons representing the ‘meta’ A. splendens patches

圖5 2013—2014年ECa相對差異圖(多邊形表示芨芨草斑塊)Fig.5 The average relative difference of ECa maps from 2013 to 2014, with polygons representing the ‘meta’ A. splendens patches

2.4 土壤性質(zhì)

對比芨芨草與基質(zhì)區(qū)表層土壤性質(zhì)發(fā)現(xiàn)(表3),芨芨草斑塊表層土壤黏粒含量相對低,粉粒和砂粒含量相對高。同時(shí),芨芨草斑塊表層土壤非飽和導(dǎo)水率顯著高于基質(zhì)區(qū),在高(-5 mm)、中(-20 mm)、低(-60 mm)水頭下均是如此。另外,芨芨草斑塊表層土壤相具有明顯的大孔隙特征,其孔隙度(17.69%)顯著高于基質(zhì)區(qū)的孔隙度(1.04%)。不過芨芨草斑塊表現(xiàn)出較低的產(chǎn)流效率,其徑流系數(shù)顯著低于基質(zhì)區(qū)。因此,芨芨草斑塊因其具有較高的砂粒含量、較大的孔隙度,所以其非飽和導(dǎo)水率顯著高于基質(zhì)區(qū),降雨后水分相對較易下滲進(jìn)入土壤,所以產(chǎn)生徑流量相對于基質(zhì)區(qū)較少,基質(zhì)區(qū)則表現(xiàn)出相對高的產(chǎn)流率。

圖6給出了2013、2014年度生長季基質(zhì)區(qū)與芨芨草斑塊0—80 cm土壤水分與鹽分含量,芨芨草斑塊的土壤水分高于基質(zhì)區(qū)約8.8%—48.2%,尤其是在非降雨期,如2013年8月9日,芨芨草斑塊的土壤水分顯著高于基質(zhì)區(qū)(P<0.05),而隨著強(qiáng)降雨后,它們之間的差異性在縮小,如8月22日與9月5日,芨芨草斑塊土壤水分略高于基質(zhì)區(qū)。而芨芨草斑塊下的土壤鹽分顯著高于基質(zhì)區(qū)(P<0.01),是基質(zhì)區(qū)的2.6—5.7倍,2013年基質(zhì)區(qū)與芨芨草斑塊變化規(guī)律一致,隨著時(shí)間推移土壤鹽分略微增加,且分別基本維持在30—40、165—185 mS/m區(qū)間,而2014年出現(xiàn)了相反的情況,基質(zhì)區(qū)土壤鹽分先增加后減小(20—40 mS/m)、芨芨草斑塊土壤鹽分則先減小后增加(140—165 mS/m)。整體上,土壤鹽分的變化量不大。

表3 芨芨草斑塊和基質(zhì)區(qū)土壤性質(zhì)及徑流系數(shù)對比

Table 3 Particle size composition (USDA), porosity of surface soil (0—0.2 m), unsaturated hydraulic conductivity (mm/h) with 5, 20 and 60 mm suction, runoff coefficient (Rc) forA.splendenspatches and matrix patches

類型粒徑組成Particle size composition/%非飽和導(dǎo)水率Unsaturated hydraulic conductivity/(mm/h)黏粒 Clay粉粒 Silt砂粒 SandK(5)K(20)K(60)隙度Porosity/%徑流系數(shù)Runoff coefficient/%芨芨草斑塊 Patches4.08±0.60 (n=15)57.78±1.05 (n=15)38.14±.044 (n=15)18.42±1.42a(n=25)10.37±1.48a (n=25)6.16±0.92a (n=25)17.69±5.02a (n=15)1.34±0.19b (n=14)基質(zhì)區(qū) Matrix6.69±2.01 (n=15)56.06±1.06(n=15)37.25±3.04 (n=15)13.04±0.36bA (n=25)7.86±1.07a (n=25)2.65±0.58b (n=25)1.04±0.27b (n=15)3.30±0.54a (n=14)

每列不同小寫字母表示在0.05置信水平顯著差異

圖6 2013—2014年芨芨草和基質(zhì)區(qū)土壤水分對比圖Fig.6 Soil water storage for A. splendens patches and matrix patches from 2013 to 2014同一日期不同字母表示在0.05置信水平顯著性差異

圖7 2013—2014年芨芨草和基質(zhì)區(qū)土壤水分對比圖Fig.7 Soil salinity for A. splendens patches and matrix patches from 2013 to 2014同一日期不同字母表示方差分析通過0.05置信水平顯著性檢驗(yàn)

3 討論

本研究結(jié)果指出ECa與土壤水分、土壤鹽分間十分顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.01,表1),且根據(jù)所建立的多元回歸模型(R2=0.81)可知,ECa變化的81%是由土壤水分與鹽分變化所解釋,說明可根據(jù)ECa的變化來反演土壤水分與鹽分的變化,這與目前許多EMI研究結(jié)論一致[15- 19, 21, 29]。因此,根據(jù)ECa時(shí)空動(dòng)態(tài)分析結(jié)果(圖3、圖4),芨芨草斑塊分布區(qū)ECa增加值顯著高于基質(zhì)區(qū),說明水分在芨芨草斑塊入滲速率快,芨芨草斑塊在次降雨后水分的入滲量顯著高于基質(zhì)區(qū),因此植被斑塊能夠影響水分再分配過程。這與Robinson 等[15]采用ECa實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖反演土壤水分的動(dòng)態(tài)變化,從而識別了研究區(qū)的水分聚集區(qū)與消耗區(qū)的研究結(jié)果一致。所以在短時(shí)期內(nèi),當(dāng)土壤鹽分變化小時(shí),土壤水分的變化主導(dǎo)ECa的變化。

次降雨事件前后ECa空間變化圖及差值圖在時(shí)間動(dòng)態(tài)上主要反映了水分的動(dòng)態(tài)變化,而空間分布的差異性則受土壤水鹽的空間格局共同影響。ECa時(shí)間穩(wěn)定性分析結(jié)果(圖5)指出芨芨草斑塊的平均相對差異值均在零以上,說明在任何濕度條件下,芨芨草斑塊附近ECa值總是相對較高,意味著芨芨草斑塊總是含有相對較高的土壤水分及鹽分。結(jié)合土壤性質(zhì)分析結(jié)果(表3),芨芨草斑塊相比基質(zhì)區(qū)來說,土壤含有相對較高的砂粒含量、表層的非飽和導(dǎo)水率及大孔隙率,有助于雨水以優(yōu)勢流的形式下滲至深層土壤[31],這在其他生態(tài)系統(tǒng)中也比較常見[32-33]。在旱期,芨芨草因其較大的冠幅,能有效降低太陽輻射及風(fēng)速,從而降低土壤蒸發(fā),減少水分的散失而保蓄水分[34]。在芨芨草斑塊冠幅及其根系的作用下,其斑塊下土壤性質(zhì)發(fā)生了變化,更有利于水分下滲與保持,使得斑塊下土壤水分顯著高于基質(zhì)區(qū),與其他灌木或樹木的生態(tài)水文機(jī)理類似[35],說明芨芨草斑塊具有聚水蓄水的作用。此外,芨芨草還是一種生態(tài)可塑性很強(qiáng)的深根性植物,根系分布密集[34],據(jù)吳華武等人[36]針對青海湖流域芨芨草水分利用來源研究表示,芨芨草根系吸水深度能敏銳地響應(yīng)土壤水分變化,在濕潤期主要利用表層土壤水,而在干旱期則轉(zhuǎn)至深層土壤水。因此,芨芨草斑塊對水分運(yùn)移的影響及水分利用方式符合干旱地區(qū)植被水分聚集適應(yīng)理論與高效用水策略[37]。

根據(jù)ECa圖的季節(jié)變化與土壤水分、鹽分測分析結(jié)果(圖3、6、7),從旱期到濕期,芨芨草斑塊及基質(zhì)區(qū)土壤水分均顯著增加,ECa圖能敏銳地捕捉到這種變化,芨芨草斑塊的土壤貯水量高于基質(zhì)區(qū)；而從濕期到旱期,ECa圖也能精確地反映出芨芨草斑塊與基質(zhì)區(qū)土壤水分的降低,但芨芨草斑塊的土壤貯水量仍高于基質(zhì)區(qū)(圖6)。另外,芨芨草斑塊土壤鹽分顯著高于基質(zhì)區(qū)(圖7),但隨著濕度條件增加,其芨芨草斑塊土壤鹽分稍增多,而基質(zhì)區(qū)稍減少。土壤水鹽在空間上表現(xiàn)出一種穩(wěn)定的格局,即芨芨草斑塊土壤水鹽總是高于基質(zhì)區(qū),這也從ECa圖的時(shí)間穩(wěn)定性分析結(jié)果中得到了驗(yàn)證(圖5),說明芨芨草斑塊通過影響土壤水力性質(zhì)從而具有明顯的聚集水鹽的功能。芨芨草斑塊的土壤鹽分含量顯著高于基質(zhì)區(qū)(P<0.01),但是在芨芨草斑塊除芨芨草外其他草本物種數(shù)、蓋度及地上生物量又顯著低于基質(zhì)區(qū)[18],這可能說明芨芨草斑塊通過創(chuàng)造一個(gè)高鹽的環(huán)境與其他草本植物競爭。

根系吸水、徑流再分配和地下水位等可能是芨芨草斑塊鹽分聚集主要原因。首先,芨芨草根系主要分布在0—40 cm土壤,水平方向能延伸到冠幅外1—2 m,鹽離子在根系吸收水分的過程中被運(yùn)移至斑塊下。王珺等[38]同樣發(fā)現(xiàn)芨芨草根系區(qū)鹽分含量較高,其認(rèn)為根系吸水是鹽分運(yùn)移聚集的關(guān)鍵因素。但由于芨芨草根系具有拒鹽性,鹽離子不能隨水分進(jìn)入芨芨草根系,周玲玲等[39]通過解剖芨芨草根系的營養(yǎng)器官發(fā)現(xiàn),芨芨草根系外皮層細(xì)胞與環(huán)內(nèi)皮層細(xì)胞非常厚,使得鹽離子難以進(jìn)入中柱,從而使得根系與地上部分免受鹽分脅迫。因此,由根系吸水驅(qū)動(dòng)的鹽離子進(jìn)入芨芨草根系區(qū)而逐漸聚集。其次,徑流的再分配過程也會(huì)對鹽分分布產(chǎn)生影響[11],徑流實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果(表3)指出芨芨草斑塊區(qū)域徑流系數(shù)顯著小區(qū)基質(zhì)區(qū),由于芨芨草斑塊外圍地勢稍低于基質(zhì)區(qū),受微地形影響,降雨后徑流從基質(zhì)區(qū)流向芨芨草斑塊區(qū),特別是在強(qiáng)降雨事件發(fā)生后芨芨草斑塊可能會(huì)受到周圍基質(zhì)區(qū)徑流的補(bǔ)給。最后,淺層地下水分布也可能是鹽分聚集的原因之一[40]。根據(jù)野外實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù),芨芨草地下水位在2.5—2.7 m間波動(dòng),波動(dòng)范圍不大,地下水電導(dǎo)率均值約為94.4 mS/m。而依據(jù)地表水與地下水的鹽水電導(dǎo)率管理分類,純水< 70 mS/m,微含鹽水為70—200 mS/m,中含鹽水為200—1000 mS/m,高含鹽水為1000—2000 mS/m[41- 42],說明芨芨草地下水屬于微含鹽水,但地下水是否是芨芨草的水源之一,目前仍沒有定論[36],需要在未來的研究中進(jìn)一步探討。

4 結(jié)論

本文采用電磁感應(yīng)方法(EMI)建立了芨芨草斑塊格局與土壤水鹽動(dòng)態(tài)變化的聯(lián)系,研究了芨芨草斑塊格局對土壤水分、鹽分動(dòng)態(tài)變化的影響,得到以下結(jié)論：(1)青海湖流域芨芨草斑塊群落土壤表觀電導(dǎo)率(ECa)可用于表征土壤水分和鹽分變化。通過ECa變化的影響因素分析,發(fā)現(xiàn)土壤水分、鹽分與ECa具有顯著相關(guān)關(guān)系；多元回歸模型指出ECa變化的81%可由土壤水分與鹽分的變化來解釋,且土壤水分和鹽分的解釋量具有不可替代性；(2)EMI揭示了次降雨條件下芨芨草斑塊能快速聚集土壤水分。次降雨后芨芨草斑塊ECa增加值明顯高于基質(zhì)區(qū),說明水分在芨芨草斑塊入滲速率高于基質(zhì)區(qū),雨水在垂直方向較易入滲至芨芨草斑塊土壤中；(3)不論干濕條件或不同季節(jié),芨芨草斑塊群落土壤水分及鹽分空間格局表現(xiàn)出時(shí)間穩(wěn)定性,即芨芨草斑塊土壤水鹽含量一直高于基質(zhì)區(qū),說明芨芨草斑塊是水分與鹽分的聚集區(qū)。