灌叢人侵對黃河三角洲濕地土壤粒徑空間異質性特征的影響研究

中圖分類號：S153.6：Q948 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2025）06-0111-10

AbstractGlobal changes and human activities induce great shrub encroachments in coastal wetland ecosystems，altering their structures and functions.Taking the typical shrub-encroached wetland in the Yellow River Delta as a case and based on the GIS platform，we quantified the spatial pattern heterogeneity of soil particle composition （ 0～80cm， ）by lacunarity analysis and analyzed the effects of different shrub encroachment types on soil particles by the cold（hot）spot analysis.The results were as folows.（1） The contents of different size soil particles in shrub-encroached wetland showed as silt gt; sand gt; clay. The content of clay and silt increased with the increase of soil layer depth while that of sand decreased.（2）The lacunarityof clay was higher than that of silt and sand in 0～20 -cm layer，and they were similar in 20～30 -cm layer. But below ，the lacunarity of clay decreased gradually utill lower than that of silt and sand.（3） The hot-spot area of sand in 0～50 -cm layer occupied the largest in shrub patches，while that of clay in 0～40 -cm layer and silt in 0～50 -cm layer （except 1O＼～2O-cm layer）occupied the largest in tidal flat without shrubs.The hot-spot areas of soils in Tamarix chinensis cluster patches and bare land were moderated.These results could provide scientific references for accurate assessment of wetland shrub-encroached efect and wetland protection and res

toration.

KeywordsWetland shrub encroachment； Soil particle size; Spatial heterogeneity；Lacunarity analysis;Cold-hot spot analysis； Yellow River Delta

由于全球氣候變化和人類活動，天然草本生態(tài)系統(tǒng)逐漸被灌木等木本植物侵占，即發(fā)生灌叢化現(xiàn)象[1-2]。當前對干旱和半干旱草原地區(qū)草原灌叢化的研究較多[2-3]，而對濱海濕地灌叢化的研究有限[4-5]。目前已有報道怪柳、紅樹林、桉樹等木本植物入侵海岸帶濕地生態(tài)系統(tǒng)，引起濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的變化。比如，灌叢化改變了植被間隙的資源流動模式，使風和水輸送的各種物質在灌層下累積以及灌木間隙受到的侵蝕增加等，這些過程使得灌叢的“肥島效應”增強[。灌木人侵也會引起生態(tài)系統(tǒng)生產力的復雜變化，例如弗吉尼亞杜松（Juniperusvirginia）對美國西部低海拔草原的侵占已被證明可以提高凈生態(tài)系統(tǒng)生產力，并引起土壤和植物碳氮庫含量和空間格局改變[7]。紅樹林入侵可能會使鹽沼濕地營養(yǎng)物質儲存增加，從而增強其抵御風暴的能力，但同時也會導致原有濱海濕地生物棲息地減少[8] O

粒徑組成是最基本的土壤物理參數(shù)，代表不同粒徑的土壤顆粒在土壤固相中所占的比例[9]它與土壤結構、土地利用、植被覆蓋等密切相關，顯著影響土壤水分和養(yǎng)分特征，進而影響土壤侵蝕過程和生態(tài)恢復過程[10-11]。一般認為，土壤粒徑組成相對穩(wěn)定，在小的尺度范圍變化不大。但是由于土壤內部物理、化學和生物過程的相互作用，以及各種自然和人類活動的相互干擾，土壤粒徑在局地尺度上也可能具有較大變異[12]。灌叢入侵導致植被變化，使土壤資源異質性增加，這是否能在較小的空間尺度上影響土壤粒徑組成的分布尚未知。此外，灌木相比于草本通常具有較深的根系，灌木入侵的影響效應不僅發(fā)生在表層土壤，也發(fā)生在深層土壤中[13]。然而，，當前大多數(shù)研究集中在表層（如 lt;15cm 土層），對于灌叢化的深層影響研究較少。

黃河三角洲擁有中國暖溫帶保存最完整、最廣闊和最年輕的濱海濕地，由黃河泥沙沖淤而成，具有原生性、脆弱性等特征[14]。20 世紀80 年代以來，由于石油工業(yè)的快速發(fā)展和圍填海等人類活動，周期性的海陸交互作用被打斷，近岸灘涂濕地被逐漸隔離。灌木物種怪柳（Tamarixchinen-sis）逐漸在這些濕地上建立種群[15]，改變了原有灘涂的地表狀況，形成獨特的灌叢化濕地景觀，對區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)結構和功能產生影響。

精細尺度上的土壤結構變化可能是生態(tài)效應改變的關鍵因素。為了明確灌叢入侵過程中土壤粒徑組成是否也隨著植被的改變發(fā)生變化，本研究以黃河三角洲40年典型灌叢化濕地樣地為例，分析景觀尺度上灌叢化濕地土壤粒徑組成的空間分布格局和異質性特征，量化不同灌叢化植被類型對土壤粒徑組成分布特征的影響，以期為全球變化背景下中國北方濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)演變效應及濕地生態(tài)保護修復提供理論依據

材料與方法

1.1 研究樣地概況

黃河三角洲位于渤海西南部，年平均氣溫、降水量和蒸發(fā)量分別為 12.1°C.551.6mm 和1962mm ;該地區(qū)海拔較低，平均海拔低于 10m ;土壤類型主要為濱海鹽堿土（質地為粉質壤土）[16]研究樣地位于黃河三角洲勝利油田十三號樁附近（ 118.811^°～118.813^°E ， 38.135^°～38.137^°N ）。1980年代以來，由于黃河改道和防潮海堤的建設，該區(qū)域由原本裸地灘涂逐漸演替到灌叢濕地類型，生長著以檉柳和蘆葦（Phragmitesaustra-lis）、堿蓬（Suaedaglauca）二色補血草（Limoniumbicolor）等為優(yōu)勢種的鹽生植物群落。灌木生長方式為檉柳大斑塊和單一檉柳聚叢，且以蘆葦為主的潮溝洼地穿插其中，鹽堿裸地占有一定的比例。

1.2 采樣設計和實驗室分析

于2020年在灌叢化濕地樣地中劃定 100m× 120m 的典型景觀，包括灌叢斑塊、灌木單株聚叢、裸地和潮溝洼地等主要類型。隨機采樣117個，其中灌叢斑塊21個、潮溝洼地36個、檉柳聚叢38個、裸地24個。GPS確定每個采樣點的地理位置。土壤采樣深度為 80cm ，分8層（0＼～10、

10～2020～3030～40.40～5050～6060～70 70～80cm ）。使用土鉆取樣后將樣本裝袋，并做好樣點編號標記。同時，通過無人機搭載多光譜相機，采集灌叢化區(qū)域多光譜影像數(shù)據（具有藍、綠、紅、紅邊和近紅外5個通道），結合目視解譯，獲取主要的植被類型空間分布信息。

土樣帶回實驗室后自然風干。風干后剔除土樣中的根系和凋落物，研磨后過 2.0mm 篩。取約0.5g 土放入盛有 800mL 水的量杯中，混勻，使用激光粒度分析儀Mastersizer2000測定土壤顆粒的體積分數(shù)，每次重復測量5次，結果取平均值。根據美國農業(yè)部（USAD）土壤質地分級標準，將土壤粒級劃分為黏粒（ lt;2μm ）、粉粒 （2～50μm） 和砂粒（ 50～2000μm） 共3個等級[17]

1.3 數(shù)據統(tǒng)計與空間分析

利用SPSS25.0軟件完成對景觀尺度灌叢化濕地土壤粒級的描述性統(tǒng)計分析。在ArcGIS10.7軟件中利用反距離權重插值方法（IDW）得到各土層黏粒、粉粒、砂粒的空間分布圖?；诟魍翆恿娇臻g分布圖進行孔隙度（Lacunarity）分析，量化景觀尺度灌叢化濕地土壤粒徑的空間異質性。同時進行冷熱點（Cold-Hotspot）分析，將冷熱點分析結果與提取的植被類型疊加進行數(shù)據統(tǒng)計，分析不同植被類型對灌叢化濕地土壤粒徑空間異質性特征的影響。

1.3.1孔隙度分析空間異質性在不同尺度存在差異，孔隙度分析則是一種基于尺度的對景觀或地圖空間異質性的量測，是量化空間異質性的有用指標[18]。測定方法：用一個給定尺寸的滑動盒子對地圖采樣[19]，并計算每個盒子的方差和均值，然后算出對應孔隙度值;改變盒子大小，將此過程重復，即可得到孔隙度曲線。通過繪制孔隙度曲線，量化不同深度土壤粒徑的空間異質性，孔隙度值越高，表明整個景觀的空間分布格局越不均勻。計算公式如下：

式中： Λ（r） 為孔隙度值， S（r） 為盒子的質量，E（S（r））為盒子質量的均值， Var（S（π_r）π） 為盒子質量的方差。本研究中 r 取 1.0～4.5m ，步長為 0.5m 。1.3.2冷熱點分析GIS 平臺提供了基于Getis-Ord Gi^* 指數(shù)的冷熱點分析，識別空間要素的高值區(qū)（熱點區(qū)域）與低值區(qū)（冷點區(qū)域）[20]。ArcGIS10.7冷熱點分析面向矢量數(shù)據，因此用插值得到的土壤粒徑柵格數(shù)據構建漁網，提取粒徑柵格值至漁網網格，再進行冷熱點分析，得到包含冷熱點分析結果和土壤粒徑含量數(shù)值的網格數(shù)據。將植被類型與網格數(shù)據疊加，量化不同灌叢化植被類型的土壤粒徑冷熱點分布特征。Getis -OrdGi^* 指數(shù)的具體計算公式如下：

式中： G^* 為熱（冷）點指數(shù)得分； a_i 為地理空間單元i的屬性值; Q_ij 為權重矩陣; n 為總單元數(shù);a為所有地理空間單元粒徑總量的平均數(shù)。

2 結果與分析

2.1 灌叢化濕地景觀土壤粒徑空間分布特征

由表1看出，灌叢化濕地 0～80cm 土層土壤黏粒含量為 1.68%～22.12% ，粉粒含量為37.69%～90.07% ，砂粒含量為 4.11%～60.44% 0其中黏、粉粒含量隨土層深度的增加而增加，如60～80cm 土層黏粒含量明顯高于上層;砂粒含量隨土層深度的增加而減少，從 0～10cm 到10＼～20cm土層減少最為明顯。標準差和方差在所有土層均表現(xiàn)為砂粒 gt; 粉粒 gt; 黏粒。

變異系數(shù)（CV）是土壤不同粒徑顆粒含量的標準差與均值之比，可以有效反映土壤粒徑的相對變異程度[21]。 CV?0.1 為弱變異， 0.1 黏粒 gt; 粉粒。砂粒和黏粒在所有土層的變異系數(shù)均介于 0.1～1 之間，屬于中等程度變異，粉粒的變異系數(shù)較小，屬于弱變異

土壤粒徑的空間分布能更容易看出黏、粉、砂粒含量隨深度變化的特征和方向性（圖1）。黏粒和粉粒含量具有明顯的隨土層深度增加而增加的趨勢，而砂粒含量隨土層深度增加明顯減少。 0～ 10cm 和 10～20cm 土層變化較大， 20～60cm 土層黏、粉、砂粒的比例相對穩(wěn)定。 60cm 土層以下更趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)出明顯的方向性。

圖1灌叢化濕地土壤黏粒、粉粒和砂粒的空間分布

孔隙度分析結果量化了景觀尺度粒徑分布的空間異質性?？紫抖戎翟酱?，表明整個景觀的分布格局越不均勻，空間異質性越強。分析結果表明，粉粒和砂粒的孔隙度值在所有土層均相近，黏粒在 0～20cm 土層的孔隙度值高于粉粒和砂粒，20～30cm 土層三者接近， 30～80cm 土層黏?？紫抖惹€與粉粒和砂粒的孔隙度曲線相交或位于其之下（圖2）。表明在 0～30cm 土層，黏?？臻g分布異質性強于粉粒和砂粒； 30cm 土層之下，黏?？臻g分布異質性逐漸降低，最終低于粉粒和砂粒。

2.2 不同灌叢化植被類型對土壤粒徑空間特征的影響

冷熱點分析結果表明，黏粒在不同土層呈現(xiàn)出不同的變化，各層變異較大（圖3A）。粉粒在樣地西北部 0～60cm 土層呈現(xiàn)出冷點分布格局，在樣地東部 0～40cm 土層出現(xiàn)熱點分布格局（圖3B）。砂粒的冷熱點分布格局與粉粒呈相反趨勢（圖3C）。

不同植被類型下黏粒冷熱點面積占比如圖4所示。四種植被類型中， 0～40cm 土層，黏粒冷點面積占比呈現(xiàn)出灌叢斑塊 gt; 怪柳聚叢/裸地 gt; 潮溝洼地。 0～40cm 土層潮溝洼地黏粒熱點面積占比最大， 40cm 土層以下不再呈現(xiàn)此規(guī)律。黏粒均值在 0～40cm 土層（ 20～30cm 土層除外）呈現(xiàn)出潮溝洼地 gt; 怪柳聚叢 gt; 灌叢斑塊/裸地， 40cm 土層以下不再呈現(xiàn)此規(guī)律（表2）。

不同植被類型下粉粒冷熱點面積占比如圖5所示。四種植被類型中， 0～60cm 土層灌叢斑塊粉粒冷點面積占比最大，除 10～30cm 土層外，潮溝洼地冷點面積占比最小； 0～50cm 土層（除 10～ 20cm 土層外）表現(xiàn)為潮溝洼地粉粒熱點面積占比最大。從粉粒均值來看， 0～50cm （除 10～20 cm土層外）表現(xiàn)為潮溝洼地 gt; 怪柳聚叢/裸地 gt; 灌叢斑塊， 10～20cm 土層為檉柳聚叢 gt; 潮溝洼地gt;裸地 gt; 灌叢斑塊； 50～60cm 土層表現(xiàn)為潮溝洼地 gt; 灌叢斑塊 gt; 怪柳聚叢 gt; 裸地； 60～80cm 土層表現(xiàn)為灌叢斑塊 gt; 怪柳聚叢 gt; 裸地 gt; 潮溝洼地（表2）。

不同植被類型下砂粒冷熱點面積占比如圖6所示。四種植被類型中， 0～40cm 土層（ 10～20 cm土層除外）潮溝洼地砂粒冷點面積占比最大;0～50cm 土層灌叢斑塊砂粒熱點面積占比最大；

從砂粒均值來看， 0～50cm 土層表現(xiàn)為灌叢斑塊 gt; 怪柳聚叢/裸地 gt; 潮溝洼地， 50～60cm 土層表現(xiàn)為裸地 gt; 怪柳聚叢 gt; 灌叢斑塊 gt; 潮溝洼地， 60～ 80cm 土層表現(xiàn)為潮溝洼地 gt; 裸地 gt; 怪柳聚叢 gt; 灌叢斑塊（表2）。

3 討論

3.1 黃河三角洲土壤粒徑組成的形成背景

黃河三角洲典型灌叢化濕地土壤中粉粒和砂粒總含量在 93%～96% ，占比極大，原因是現(xiàn)代黃河三角洲的泥沙主要來自上游黃土高原，黃土高原由風積形成，特點是粉砂質顆粒居多[23]。本研究結果表明，樣地由表層至底層黏粒和粉粒增多、砂粒減少，中間層存在反復。在海岸帶前沿地帶，波浪和潮流的共同影響使表層沉積物不斷被分選粗化，呈現(xiàn)明顯的空間分布規(guī)律[24]。中間層粒徑的反復變化可能是由于“急砂慢淤”的不同水動力條件造成不同沉積環(huán)境引起的[25]。黃河三角洲現(xiàn)代沉積區(qū)普遍分布著一定厚度的紅色黏層，分布位置約在 60cm 深度以下，推測采樣區(qū) 70～ 80cm 土層土壤粒徑變細可能是因接近于紅黏層[26]。同時，深層土壤粒徑空間分布表現(xiàn)出的方向性也可能是由原黃河入?？趶搅鞣较蚝途嗪＿h近不同、河流和潮汐的復雜作用影響導致的。

3.2 灌叢入侵導致土壤粒徑變化的可能機制

本研究結果表明，樣地內灌叢斑塊在表層土壤表現(xiàn)為黏粉粒含量少，砂粒含量多。相反，以蘆葦為優(yōu)勢種的潮溝洼地黏粉粒含量多，砂粒含量少。我們試圖從灌叢入侵引起的風蝕和水蝕變化、灌草的混合作用以及植物偏好的正反饋幾個方面探討土壤粒徑異質性分布變化的潛在原因。

（1）灌木能夠改變近地 20～40cm 土層的風場條件，風沙流在灌木迎風面受阻被風面降速，灌木的樹冠下層風速低于裸地[27-28]。Gonzales等[29]通過數(shù)值模擬法研究發(fā)現(xiàn)，灌木捕獲風傳粗粒沉積物更多，而草類則選擇性捕獲更多細粒沉積物。黃河三角洲冬春季氣候干旱風量大，檉柳因其多枝半球狀樹冠能更有效地改變近地層風場條件，因此在裸地中做躍移運動的砂粒易被灌叢阻擋從而在灌叢下堆積[30] O

黃河三角洲地處北溫帶季風氣候區(qū)，約 70% 的降水集中在夏季，大量的集中性降水必然會加劇土壤水蝕過程。研究樣地的灌叢斑塊高程略高于其他類型，形成一定的表面坡度，潮溝洼地略低于地面，這種微地形差使得灌叢斑塊周圍水流速度增強，產生更強的侵蝕[31]，而當水流流經潮溝洼地時，低洼地形加之一定的草本植被阻攔，使得水動力作用減弱，更有利于細顆粒物沉降[32]

（2）灌木更適宜生長在粗糙質地的土壤中[33]。檉柳是一種耐旱喜沙埋灌木，常被用于防風固沙[34]。砂粒含量高則土壤孔隙度大，更有利于水分向深層分布，從而促進深根灌木發(fā)展。從這個角度來看，灌叢怪柳在灘涂濕地的入侵對土壤粒度的再分配是一種正向反饋。

（3）Jiao等[35]比較了黃河三角洲不同植被類型下的土壤粒度特征，發(fā)現(xiàn) 0～10cm 土層的檉柳灌叢土壤砂粒含量最高，蘆葦下黏粒和粉粒含量則高于其他植被土壤。這與我們的研究結果相似。本研究中，灌叢化濕地中灌叢斑塊是以怪柳為先鋒種、堿蓬圍繞其周圍后定居形成，斑塊邊緣處由于土壤鹽度的降低，被蘆葦?shù)戎参镎紦６睖贤莸氐貏葺^低，更多地生長了蘆葦、二色補血草等草本植物。造成灌叢斑塊和潮溝洼地粒徑表現(xiàn)呈相反特征的可能原因之一是，斑塊和潮溝洼地內的灌木和草本在風蝕和水蝕過程中粒度攔截作用不同，從而引起灌叢斑塊和潮溝洼地內不同粒徑顆粒沉積含量的不同。

3.3 灌叢入侵導致土壤粒徑改變的效應

有研究表明，灌叢斑塊與濕地面積的關系影響土壤侵蝕，灌叢斑塊面積低于總面積的 10% 時，濕地保持相對穩(wěn)定狀態(tài)；灌叢斑塊面積超過20% 時，濕地的不穩(wěn)定性增加，土壤異質性增強;當濕地主要由灌叢和裸地斑塊組成時就變?yōu)橥寥狼治g頻發(fā)的區(qū)域[36]。黃河三角洲是一個特殊的區(qū)域，復雜的沉積過程是造成黃河三角洲濕地土壤異質性較高的先決條件，氣候和人類活動影響下的濱海濕地灌叢化引起植被景觀的非均質化，多種影響因素相加使得研究樣地的灌叢化濕地土壤粒徑在不同尺度的異質性表現(xiàn)復雜。本研究結果表明，樣地灌叢斑塊內黏粉粒減少，砂粒增多，呈現(xiàn)“沙化”特征。灌叢化導致土壤粒徑分布不均一，尤其對灌叢斑塊之間的裸地類型，已經發(fā)生嚴重的土壤侵蝕，這與事實是相符合的。

然而，灌叢入侵在整個黃河三角洲地區(qū)處于何種水平，灌叢人侵引起的土壤粒徑變化是否會影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的其他功能變化，如碳氮固持的異質性分布等需要后續(xù)進一步探究。

4結論

本研究以黃河三角洲典型灌叢化濕地為例，量化分析了土壤粒徑空間異質性特征，探討不同灌叢化植被類型對土壤粒徑分布的影響差異。主要結論如下：

（1）景觀尺度灌叢化濕地不同粒徑顆粒含量表現(xiàn)為粉粒 gt; 砂粒 gt; 黏粒，土壤表層至底層黏粒和粉粒增多、砂粒減少；變異系數(shù)大小表現(xiàn)為砂粒gt;黏粒 gt; 粉粒。

（2） 0～30cm 土層，景觀尺度灌叢化濕地黏粒的孔隙度即空間異質性高于粉粒和砂粒； 20～ 30cm 土層三者接近； 30cm 土層以下，黏粒的孔隙度逐漸低于粉粒和砂粒；粉粒和砂粒的孔隙度相似。

（3）四種植被類型中， 0～40cm 王層灌叢斑塊黏粒和 0～60cm 土層粉粒冷點面積占比最多，而 0～50cm 土層砂粒熱點面積占比最多， 0～50 cm土層灌叢斑塊土壤粒徑均值總體表現(xiàn)為黏粒和粉粒含量少，砂粒含量多； 0～40cm 土層潮溝洼地黏粒和 0～50cm 土層粉粒（ 10～30cm 土層冷點及 10～20cm 土層熱點除外）冷點面積占比最少熱點最多，而砂粒（ 10～20cm 土層除外）冷點面積占比最多，潮溝洼地上層（ 0～40cm 土層）土壤粒徑均值表現(xiàn)與灌叢斑塊相反，黏粉粒含量多，砂粒含量少；總體上怪柳聚叢和裸地的粒徑冷熱點面積占比和粒徑均值結果接近，數(shù)值常介于灌叢斑塊和潮溝洼地之間。

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