毛乌素沙区沙柳空间异质性及其影响因子研究进展

毛乌素沙区沙柳空间异质性及其影响因子研究进展

空间异质性指的是系统或系统属性在空间上的复杂性和变异性。系统属性可与生态变量（如土壤特性、植被类型等）有关，其空间异质性在生态功能和过程中起着重要作用。在土壤类型相同的区域内,土壤特性在平面和深度上实际并不完全为均质,这种土壤属性在空间上的非均一性,称为土壤特性的空间变异性。有关研究表明,土壤水分具有明显的空间异质性。在不同的空间尺度上,土壤水分受到影响的因子有所不同。在较小尺度上,主要受植被分布、微立地条件等因子的影响。许多学者对森林、草地、沙地等不同生态系统进行了大量的研究,对认识不同群落土壤水分空间分布具有重要的意义。毛乌素沙区生态系统以灌木为主,其中沙柳(Salixpsammophila)是分布最广的优势灌木,常与乌柳(Salixlinearistripularis)组成柳湾林,是毛乌素沙区优良的防风固沙树种,具有很高的经济价值和生态价值。对该地区沙柳的生物学特性、光合水分生理特征以及群落特征等都有过较为详细的研究,而对沙柳土壤水分的空间分布特征研究很少。表层土壤水分的空间格局由不同尺度上的自然作用和过程控制,包括降水、径流、蒸发等,其变化尺度从几厘米到上百米,通过对以上过程的调节,微地貌、植被、土壤性质等环境因子间接控制着土壤水分的空间分布,同时土壤水分的空间分布格局也反映了这些自然过程和作用的空间差异。因此,对沙柳林地表层土壤水分空间异质性进行研究,揭示不同林龄沙柳林地表层土壤水分变异的程度及沙柳土壤水分空间异质性随林龄变化的规律,为该地区的水土保持、荒漠化防治及生态环境恢复提供科学依据。1地表形态及土壤条件研究地位于毛乌素沙地东北部的中科院植物研究所鄂尔多斯沙地草地生态研究站(110°11′E,39°29′N),海拔1295m。年均气温6.0℃,最冷月(1月)平均气温-10℃,最热月(7月)平均气温22℃。年均降水量358.3mm,且2/3以上的降水集中于6～9月。地表形态主要表现为梁地与滩地、沙丘与滩地相间分布。土壤类型主要有梁地上的栗钙土或淡栗钙土,沙地上的各类风沙土,以及滩地上的草甸土、盐碱土与沼泽潜育土;植被类群主要为梁地上的草原与灌丛植被,半固定、固定沙丘及沙地上的沙生灌丛、滩地草甸、盐生和沼泽植被。2学习方法2.1样地设置及取样在实验站周围,按林龄大小确定3块样地,样地A为2年生沙柳林,样地B为3年生沙柳林,样地C为4年生沙柳林,同时选择油蒿样地D作为参照样地。4块样地均位于丘间低地地段,地面平坦。依据地统计学理论及空间格局分析的取样方法,在每块样地内设置一个30m×30m样方,内设规则2m×2m的取样点,在网格的交叉点处取样。样地A、B、C、D内布设样点均为196个。2.2土壤表面土壤水分测定于2006年8月,采用TraseModel6050X1型的TDR土壤水分速测仪测定表层土壤(0～20cm)水分含量。2.3土壤水分空间变异函数理论模型采用经典的统计方法计算各样点的土壤水分特征值,在方差分析基础上,检验各样地间土壤水分平均状况的差异。对获得的土壤水分含量和空间位置数据,采用变异函数分析方法建立变异函数理论模型。在地统计学理论中,空间格局通常作为分离距离间函数描述观测值间的变异性,两样本间分隔距离(h)通过经验半方差分析(亦为变异函数)来测定,同时使用克立格空间局部插值法估计和比较表层土壤水分的空间分布特征。3结果与分析3.1沙柳林地和参样地表层土壤水分变化统计结果表明(表1),不同林龄沙柳表层土壤间水分含量差异明显。4块样地表层土壤水分含量波动范围分别是3.50%～7.70%,4.20%～9.40%,4.80%～14.00%和3.10%～8.60%。4年生的沙柳林地(C)土壤水分平均含量较高,为6.60%;2年生沙柳林地(A)最低,为5.46%;3年生沙柳林地(B)和参照样地(D)介于二者之间,分别为6.30%和3.26%。方差分析表明,不同林龄沙柳地之间表层土壤水分含量差异极显著(p<0.01)。说明在2～4年的沙柳林中,随着林龄的增长,表层土壤水分含量有增加的趋势,这与林地内的植被盖度影响有关。丘间低地营造沙柳林,3～4年内即可形成地上枝叶茂盛、地下根系发达、纵横交错的林网。有关研究还表明,沙柳成林后可降低14个百分点的水分蒸发量,起到保持水土、涵养水源的作用。沙柳成林后,其群落保持着较高的盖度,可减少阳光直射地面、增加群落内湿度、降低温度等,从而降低地面蒸发和植物蒸腾。样地A中,其表层土壤水分含量变异系数为0.09,属于弱变异;样地B、样地C和样地D表层土壤水分含量变异系数分别为0.13,0.15和0.14,皆属于中等变异,其中样地C(4年生沙柳林)最大。这说明在2～4年的沙柳林中,随着林龄的增长,加上林内沙柳个体生长的分异,对水分需求的不一会引起不同位置上土壤水分含量差异增大,以致使表层土壤水分变异系数有所增加。3.2沙柳系内最大空间变异程度的界定利用各样地取样点的土壤水分属性计算出的散点图,分别对4块样地表层土壤水分进行模型拟合,得到各模型最佳拟合结果(表2)及变异函数曲线(图1)。块金值表示区域变量在小尺度上的非连续变异,主要来源于抽样尺度的随机变异和测量误差;基台值表示变量在研究系统中最大的变异程度,可用来衡量空间异质性程度。在3种林龄的沙柳林中,表层土壤水分空间异质性程度具有明显的不同。从表2中可以看出,样地A的块金值和基台值分别是0.14,0.37,样地B为0.20,0.67,样地C为0.18,1.35,参照样地D的块金值和基台值为0.39,1.05。在2～4年的沙柳林中,随着林龄的增长,沙柳样地的块金值和基台值有逐渐增大的趋势,基台值越大,总的空间异质性程度越高。变程是测定因子最大变异的空间距离,在变程之内,空间自相关存在,在变程之外,空间自相关消失。因此,变程的大小表示空间异质性的尺度。样地A、样地B和样地C的变程分别为27.00m,6.25m和4.07m。样地D的变程介于样地A和样地B之间。说明随着林龄的增长,使得基台值增大和变程减少,空间异质性程度增大,土壤水分空间分布趋于离散。3.3沙柳样地表层土壤水分与营养成分关系的探索空间异质性比表示空间异质程度,如果该比值较高,说明由非随机的结构原因形成的变异即空间自相关部分引起的空间异质性程度较高,相反,则由空间随机部分引起的空间异质性程度较高。Cambardella等研究认为:结构比>75%,说明系统具有强烈的空间相关性;比值在25%～75%间,表明系统中等相关;比例<25%,说明系统相关性很弱。样地A、B、C所得结构比分别为0.63,0.70,0.87。在2～4年的沙柳林中,随着林龄的增长,沙柳样地的表层土壤水分由随机因素引起的空间异质性由37%降低到13%,而由空间自相关引起的空间异质性由63%增大到87%;沙柳样地的表层土壤水分由中等程度的空间相关性向强烈的空间相关性转变,表层土壤水分含量的总变异中由随机因素引起的空间变异程度变小,而由空间自相关部分引起的空间异质性程度增大。其空间变异主要是由样地内植物个体生长状况、植物本身的蒸腾耗水以及群落盖度引起的。参照样地D空间结构比为0.57,由空间自相关引起的空间异质性相对较低。3.4沙林不同方向上的变异土壤水分的空间变异通常具有方向性,这主要是受微地形、植物等因子的影响,导致不同的方向上呈现不同的变异规律。从不同样地表层土壤水分含量E0°和N90°两个方向上变异函数的比值(图2)可以看出,各样地的空间异质性具有各向异性结构特点(其各向异性比不等于或不接近1)。其中样地A(2年生沙柳林)表层土壤水分含量在4m范围之内,N90°方向上的变异明显小于E0°方向上的变异,在4～28m之间,N90°方向上的变异大于E0°方向上的变异。样地B(3年生沙柳林)表层土壤水分含量的各向异性比在整体尺度上虽存在较大波动,但总体上,N90°方向上的变异大于E0°方向上的变异。样地C(4年生沙柳林)表层土壤含水量在20m范围之内,E0°和N90°两个方向上的各向异性比在1附近来回波动,说明其具有各向同行的趋势,但在20～28m间,N90°方向上的变异大于E0°方向上的变异,说明其各向异性比的复杂性。而参照样地在总体上,N90°方向上的变异小于E0°方向上的变异。3.5土壤水分的空间变异拟合在变异函数分析的基础上,进行各向异性的分数维计算,结果表明,2年生沙柳林(样地A)与参照样地(样地D)表层土壤水分含量的双对数变异函数的直线拟合均达显著水平。说明样地A和参照样地D的表层土壤水分具有很好的分形特征,其空间分布格局的变异存在尺度依赖,分数维分别为1.836和1.850。而样地B、C中的直线拟合均不显著,说明样地B、C中其表层土壤水分含量的空间梯度分布不明显,其依赖于尺度的空间异质性小,空间分布格局较为复杂。从依据变异函数理论模型进行空间局部插值估计的克立格图可看出,在2～4年生的沙柳林中,2年生沙柳林表层土壤水分含量的斑块面积较大,斑块形状的复杂程度较低,其分数维D=1.836,梯度分布特征较明显(见图3)。3,4年生沙柳林表层土壤水分含量呈现许多小面积斑块分布,分数维较大(分别为1.957,1.999),斑块形状较为复杂,小尺度上的斑块接近于圆或椭圆,其中4年生沙柳林中取值较高的斑块与取值相对较低的斑块镶嵌。参照样地D表层土壤水分含量的空间分布特征与样地A具有一定程度的相似性,斑块形状的复杂程度较低,其分数维为1.850,梯度分布特征明显。4沙林表层土壤水分随林龄的空间异质性变化(1)2～4年生的沙柳林中,随着林龄的增长,林地表层土壤水分含量差异显著。2年生沙柳表层土壤平均水分含量最低,为5.46%;4年生沙柳表层土壤水分含量最大,为6.60%。有关研究表明,沙柳营造3～4年内即可成林,成林后形成成熟的群落结构,具有较大的群落盖度和繁茂树体枝叶分型结构,改变了原有的生态环境,降低了土壤水分的蒸发,从而增加了土壤水分。表层土壤水分含量的样本方差和变异系数关系为:4年生沙柳林(C)>参照油蒿样地(D)>3年生沙柳林(B)>2年生沙柳(A)。其原因在于植物通过借助树种特性、树冠覆盖等途径来影响土壤资源异质性的发展,随着林龄的增长,地被生物多样性的增加,加上林内沙柳个体生长的分异,对水分需求的不一引起不同位置上土壤水分含量差异增大,使得表层土壤水分空间异质程度由弱变异性向中等变异性转变。(2)随着林龄增长,沙柳林表层土壤水分含量具有较高的空间异质性。不同林龄间的变异函数曲线显著不同。对所取样本进行变异函数分析表明,林龄增长使得平均块金值、基台值和平均结构比增大,其增大范围分别为0.14～0.20,0.37～1.35,63%～87%;使变程变小,变化范围为25～4m。4年生沙柳林表层土壤水分基台值明显大于2年生沙柳林。(3)沙柳林表层土壤水分的空间异质性以空间自相关部分为主,随着林龄增长,由占总空间异质性的63%增大到87%,而由随机因素引起的空间变异程度变小。其空间变异程度由中等程度的空间相关性向强烈的