苗纯萍 李雪华 蒋德明 贾美玉 韩旭

(中国科学院沈阳应用生态研究所,沈阳,110016)

科尔沁沙地丘间低地-流动沙丘联合体土壤含水量的空间异质性1)

苗纯萍 李雪华 蒋德明 贾美玉 韩旭

(中国科学院沈阳应用生态研究所,沈阳,110016)

运用半方差分析、单因素方差分析和Duncan多重比较方法，对科尔沁沙地丘间低地-流动沙丘联合体土壤含水量的时空变化进行了分析。结果表明：土壤含水量的季节动态与降水量的变化趋势保持一致，6月份降水量和土壤含水量最高。土壤含水量由高到低的趋势为：过渡带、丘间低地、流动沙丘。流动沙丘和过渡带的土壤含水量随着土壤深度的增加而增加，丘间低地的土壤含水量随着土壤深度的增加而降低。流动沙丘的土壤含水量在较小尺度上具有90%的空间自相关性，过渡带的土壤含水量在较大尺度上具有强烈的空间自相关性。丘间低地表层的土壤含水量在较大尺度上具有中等的空间自相关性。

沙地丘间低地-流动沙丘联合体；土壤含水量；空间自相关性

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.

荒漠化是当今世界面临的最为严峻的环境问题[1]。沙漠化是干旱、半干旱地区气候变化和人为活动等干扰导致的土地退化[2]。中国干旱半干旱区占国土面积的比例为34.6%，其中80%干旱半干旱区面临严重的沙漠化[3]。土地沙漠化已严重影响景观格局，并造成植被和物种多样性的消失[4-6]。

科尔沁沙地是我国北方农牧交错的典型区域，也是近年来沙漠化最为严重的地区[7]。丘间低地-流动沙丘联合体是科尔沁沙地重要的风沙地貌类型。丘间低地-流动沙丘联合体包括流动沙丘、过渡带和丘间低地3个部分[8-9]。流动沙丘的形成是干旱半干旱地区土壤退化的产物[10]。由于流动沙丘土壤贫瘠，沙埋、风蚀和风沙移动严重，一方面造成土壤种子库密度较低，另一方面不利于大多数物种的侵入、补充和存活，因此，植被自然恢复进程相对缓慢[11-13]。过渡带是由流动沙丘沿着主风向推移后造成原来沙丘覆盖的地表裸露而形成，有学者将其称为退沙畔[14]。丘间低地是流动沙丘在强烈的季风作用下，风蚀、风积共同作用而形成的一种单独的地貌单元。多数丘间低地植被发育良好、地下水位接近地表且波动频繁[15-16]，具有重要的储种、保种和种群扩散的作用。

土壤水分状况是沙地生态系统的重要生态因子，决定着沙地土壤的发育、演化和土地产力，制约着沙地植被的形成和发展[7，17]。土壤水分动态和水分的空间异质性是沙地土壤水分研究的重要内容[7]。沙漠化地区土壤持水能力弱，水分蒸发快，土壤含水量是植被恢复最关键的因素[18-19]。土壤水分的分布特征，往往是沙地演替早期阶段先锋植被分布格局的决定性因素。随着植物的定居、生长和植被的演替，土壤水分和养分资源的分布格局发生改变，从而又影响到植被格局。本文拟采用地统计学分析和方差分析方法，对科尔沁沙地流动沙丘、过渡带和丘间低地等沙化地区的土壤含水量的空间异质性进行分析，为丘间低地生态系统功能的维持和流动沙丘、过渡带的植被恢复提供理论依据。

1 研究区概况

研究区域位于科尔沁沙地腹地，内蒙古自治区翁牛特旗乌兰敖都地区(海拔479 m)。该地区属温带大陆性半干旱气候，平均年降水量284.4 mm，其中6—8月的降水占全年的70%以上，年蒸发量是降水量的6～7倍。年平均气温约为6.3 ℃；≥10 ℃的年积温为3 000～3 200 ℃，无霜期140～160 d；全年大气湿度为50%～55%，季节变化明显；年平均风速4.4 m/s，年大风(>16 m/s)时间为21～80 d。土壤类型主要为退化的沙质栗钙土和风沙土。流动沙丘以随机分布的沙米(Agriophyllumsquarrosum)为主要物种，盖度<5%。丘间低地的优势物种有绿珠藜(Chenopodiumacuminatum)、狗尾草(Setariaviridis)、山竹岩黄蓍(Hedysarumfruticosum)，红柳(Salixmicrostachya)、小叶锦鸡儿(Caraganamicrophylia)等。

2 研究方法

2.1 试验设计

2012年4月，分别于流动沙丘、过渡带和丘间低地各设置1个50 m×50 m的样地，每5 m取一个样点，每个样地取样100个。土层分三层(0～10、>10～20、>20～30 cm)测定土壤含水量。测量用时域反射计(TDR)，测量前已将TDR校正为质量含水量。测量时间为2012年4月15日到8月31日，每15 d测定一次，共测量10次。

2.2 数据处理

采用地统计学软件GS+作半方差分析，分析土壤水分的空间变异特征。半方差计算公式为：

其中：γ(h)为空间距离为h时的半方差值，N(h)为被空间距离h划分的对数，xi为初始值，yi为末端值。以γ(h)为纵坐标，空间距离h为横坐标作图，得到半方差图。半方差图的结构可以用3个主要的参数来表示，即块金方差(C0)、基台值(C0+C)和自相关阈值(A)。块金方差(C0)是半方差图在纵轴上的截距，源于小于取样间隔的空间尺度上的变异和随机误差。基台值(C0+C)是半方差随空间距离的增加而不再增加，达到水平时的值；块金方差与基台值之比反映了随机变异在整个空间变异中的作用大小(块金效应)[20]。自相关阈值(A)是半方差达到基台值时的空间距离，在自相关阈值范围内,格局或过程变量之间具有较强的空间自相关性;而超过该阈值,格局或过程变量之间近似相互独立,表现出较弱的空间自相关性和较强的随机性[21]。

采用SAS 9.2软件进行单因素分析和Duncan多重比较，P<0.05视为存在显著差异，利用Microsoft Excel 2010软件完成作图。

3 结果与分析

从4月中旬到8月底，流动沙丘土壤含水量呈先逐渐增加后逐渐下降的趋势(见表1)。其中，6月中旬土壤含水量较高，4月中旬和8月底土壤含水量较低。过渡带和丘间低地的土壤含水量与流动沙丘呈现相似的月动态变化趋势，土壤含水量同样先增加后逐渐降低，且六月中旬的土壤含水量最高。

表1 2012年4—8月流动沙丘、过渡带、丘间低地土壤含水量动态

%

注：表中数值为“平均值±标准误”。

由表2可知，4月的降雨天数为3天，是该时间段内降雨天数最少的月份。6月份的降雨天数最多，为14天，7月份次之，为12天。6月14日的日降水量最高，达到59.2 mm，7月22日的日降水量次之，为51.2 mm。6月中旬降雨天数多，降雨量大，与6月中旬的土壤含水量最高相吻合。

由图1可知，流动沙丘0～10 cm土层的土壤含水量显著低于>10～20、>20～30 cm土层；流动沙丘>20～30 cm土层的土壤含水量高于>10～20 cm土层，但无显著差异。过渡带>20～30 cm土层的土壤含水量显著高于10～20 cm土层，而>10～20 cm土层的土壤含水量又显著高于0～10 cm土层。丘间低地0～10 cm土层的土壤含水量显著高于>10～20、>20～30 cm土层，>10～20 cm土层的土壤含水量略高于>20～30 cm土层，但无显著差异。总之，流动沙丘和过渡带的土壤含水量随着土壤深度的增加而增加，丘间低地的土壤含水量对着土壤深度的增加而降低。

图1 流动沙丘、过渡带和丘间低地的土壤含水量的比较及分层比较

流动沙丘0～10 cm土层的土壤含水量显著低于同层过渡带和丘间低地，而过渡带和丘间低地0～10 cm土层的土壤含水量无显著差异。过渡带>10～20 cm土层的土壤含水量显著高于同层流动沙丘和丘间低地，而流动沙丘和丘间低地>10～20 cm土层的土壤含水量无显著差异；过渡带>20～30 cm土层的土壤含水高于同层流动沙丘和丘间低地，且三者之间差异显著。总之，过渡带的土壤含水量高于丘间低地和流动沙丘。

由表3可知，流动沙丘0～10、>10～20、>20～30 cm土层的土壤含水量的半方差图用指数模型拟合，土壤含水量的块金效应分别为11.617%、9.471%、12.883%，自相关阈值分别为3.96、5.19、4.73 m。流动沙丘的土壤含水量约90%的空间异质性来源于空间自相关性，10%左右来源于随机因素。

过渡带0～10、>10～20、>20～30 cm土层的半方差图都用球状模型拟合，三者的半方差都随着空间尺度的增加而增加。0～10、>10～20、>20～30 cm土层土壤含水量的块金效应分别为14.775%、10.004%、6.691%，自相关阈值分别为33.08、37.13、34.38 m。过渡带土壤含水量的空间异质性主要来源于空间自相关性。

丘间低地0～10 cm土层土壤含水量半方差图用球状模型拟合，其块金方差为0.381，基台值为0.898，块金效应为42.428%，自相关阈值为36.15 m。而>10～20、>20～30 cm土层土壤含水量的半方差图分别用指数模型和球状模型拟合，块金效应依次为2.043%和0.387%，自相关阈值分别为2.98、9.84 m。丘间低地>10～20、>20～30 cm土层土壤含水量的空间异质性主要来源于空间自相关性。

表3 丘间低地-流动沙丘联合体土壤含水量的半方差拟合模型及相关参数

4 结论与讨论

丘间低地过渡带地下水位高，且根系的持水量强，土壤含水量高于流动沙丘。但丘间低地灌丛枝条以及地面落叶等覆盖物截留降雨，使得丘间低地的水分输入减少，土壤含水量低于过渡带。流动沙丘的土壤含水量在较小尺度上具有强烈的空间自相关性，而过渡带的土壤含水量在较大尺度上的空间自相关性强烈，丘间低地表层的土壤含水量在较大尺度上具有中等的空间自相关性。

科尔沁沙地丘间低地流动沙丘联合体4—8月的土壤含水量呈先升高后降低的变化趋势，这与内蒙古浑善达克沙地5—9月份的土壤水分的变化趋势一致[22]。土壤含水量的这种变化趋势对当地降水量的时空变化有很强的依赖性[7]。降水量是土壤水分供给的一个重要来源，降水量多有利于土壤含水量的增加[23]。另外，由于本试验区降水少，且水分蒸发强烈，所以降水对该地区深层土壤水分的影响微弱，对浅层土壤的含水量的影响较为显著，而对深层土壤含水量的作用不明显[24]。

土壤含水量的垂直变化受降水量的大小、沙土的机械组成、植物根系分布和根量等多种因子的综合影响[25]。流动沙丘和过渡带的土壤含水量随着土壤深度的增加而增加。主要原因是流动沙丘土壤结构松散，土壤毛细管作用力弱，沙丘地表存在干沙层，对深层土壤的蒸发有阻碍作用。另外，流动沙丘和过渡带植被较少，受风沙影响蒸发量大，在降水以后土壤表层水分立即蒸发，而深层土壤水分蒸发较小，故随着土壤深度的增加，流动沙丘和过渡带的土壤含水量逐渐增加[26]。丘间低地的土壤含水量随着土壤深度的增加而降低。由于丘间低地植被相对丰富，降水后，植物固定了大量水分；植物的存在也使沙丘流动变缓，促使结皮的形成，减少了表层水分的蒸发；随着丘间低地植被生物量的增加，特别是浅根性植物的增加，根系对自然降水截留能力提高，使深层土壤水分补给不足[27]。因此，随着深度的增加，丘间低地土壤含水量逐渐减少。这与赵从举等[28]的研究结果一致。

科尔沁沙地过渡带的土壤含水量高于丘间低地和流动沙丘。虽然丘间低地和过渡带的地下水位都较高，但由于丘间低地灌丛枝条以及地面落叶等覆盖物截留降水，使丘间低地的水分输入减少，因此，土壤含水量低于过渡带。由于丘间低地地下水位较高，土壤类型主要为草甸土，植被根系周围土壤能够得到地下水的补充，故丘间低地土壤含水量能够保持在较高水平。流动沙丘土壤含水量较低，多数时间土壤含水量处在3%以下，主要是土壤保水能力差，地下水位低，上层土壤得不到地下水的补充，完全依靠降水量的补充，所以土壤含水量低于丘间低地[29]。

左小安等[30]将块金效应划分为三个等级(25%以下、25%～75%、75%以上)，分别表示变量的空间自相关性强烈、中等、较弱。本研究中，流动沙丘和过渡带三层土壤含水量的块金效应均小于25%，说明流动沙丘和过渡带的土壤含水量具有较强的空间自相关性。丘间低地0～10 cm的土壤含水量的块金效应为25%～75%，丘间低地表层土壤含水量的具有中等的空间自相关性；而>10～20和>20～30 cm土壤含水量的块金效应小于25%，深层土壤的空间自相关性强烈。另外，流动沙丘土壤含水量的空间自相关阈值明显小于过渡带，说明一定的降水量对过渡带土壤含水量的补充大于流动沙丘，使得过渡带的土壤含水量的空间变异性存在于更大的尺度上[7]。丘间低地表层的土壤含水量在较大尺度上具有中等的空间自相关性，随机因素引起的空间异质性所占的比重大。而降水量对丘间低地深层的土壤水分的补充少，使其在较小尺度上具有强烈的空间自相关性。

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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)国家自然科学基金项目(41271115)；辽宁省自然科学基金(2013020064)。

苗纯萍，女，1987年12月生，中国科学院沈阳应用生态研究所，现为中国科学院大学博士研究生。E-mail：miaochunping316@163.com。

李雪华，中国科学院沈阳应用生态研究所，副研究员。E-mail：lixuehua@iae.ac.cn。

2014年9月27日。

S152.7

责任编辑：王广建。