王红梅，王仲良，王 堃，陈 欢，刘安乐

(1.宁夏大学农学院，银川 750021;2.中国农业大学动物科技学院，北京 100094)

生态学家过去在对不同匀质系统的生态特征和过程研究时，常避免对它们之间的异质性空间，即生态界面(Ecological boundary)的研究，往往将它忽略或视为生态系统间的边界线［1］。而在景观生态中，生态界面则是异质性景观镶嵌体中固有特征，对邻近生态系统的动态变化和功能发挥都具有重要作用［2］。由于生态界面理论发展远超过其实践应用，因此生态学家亟待需要有不同生态系统间和不同研究尺度下的界面结构和功能研究实例来证实其理论假设［3-10］。而在我国农牧交错带地区存在大量人为农田-草地镶嵌体，使得原有草地景观破碎化，该镶嵌体不仅影响着原有草地生态系统功能发挥，而且其本身也发挥特有的生态功能，不同程度地影响着农牧交错带区域生态环境的变化［11-13］。农田-草地镶嵌体功能的体现往往是生物和非生物因子共同作用结果，其中土壤水分异质性作为非生物土壤因子的重要属性之一，在不同尺度上影响着陆地与大气之间的水分循环以及植物生长，已受到生态学家的关注。土壤水分异质性在较大尺度上受气候和土壤条件地带性分异的影响［14-5］，而在较小空间尺度上则受微地形、人为干扰以及生物地球化学循环等因素的共同作用［16-17］。同时，有研究表明各种植被类型内部的小尺度土壤水分分配以及植物斑块的空间异质性也可能是维持较大尺度的群落生物多样性、初级生产力和稳定性的重要因素［10，18-19］，即不同尺度下土壤水分异质性的影响因素造成了土壤水分格局具有空间依赖性［20］。因此，对于具体研究对象，需要考虑尺度相关的采样范围和采样的粒度才能更好地理解所要研究的空间格局和功能［21］。而针对农牧交错带内部的农田-草地镶嵌体的土壤水分异质性则需要了解其内部农田-草地边界以及相邻农田、草地生态系统土壤水分空间异质性特征才可更好的反映其空间特征，为此，通过对农田-草地镶嵌体内部的农田、草地、农田-草地边界0—20 cm土壤水分进行不同粒度(0.5 m×0.5 m，1 m×1 m，2 m×2 m)的采样试验，测定和分析农田、草地、以及农田-草地边界土壤水分空间异质性特征，以期揭示草地景观破碎化过程中产生的农田-草地镶嵌体内部的土壤水分空间异质性、分布格局以及生态界面特征。

1 实验方法

1.1 样地介绍

研究区位于华北农牧交错带的河北沽源国家草地生态系统野外科学观测研究站。该站地处于内蒙古典型草原东南舌延伸地带，116°14'E，41°37'N，属半干旱大陆季风气候带，除夏季受东南暖湿气流的影响外，较长时间收内蒙古高压寒冷的气候控制，年均温1℃，无霜期85 d，平均年降水量430.7 mm，主要集中在7—9月份，占全年的79%，年蒸发量1735.7 mm，年日照时数2930.9 h，主要的土壤类型为栗钙土;草地植被的主要草种为羊草(Leymus chinensis)、克氏针茅(Stipa krylovii)、冰草(Agropyron cristatum)、猪毛菜(Salsola collina)、狗尾草(Setaria viridis)、鹅绒萎陵菜(Poten tillaanserina)、糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)、星毛萎陵菜(Poten tillaacaulis)和胡枝子(Lespedeza bicolor)等，冰草为建群种。实验选取人工恢复围封草地和玉米地(Zea mays L)的镶嵌区域作为研究样地，玉米地开垦于1995年，面积为7.1 hm2，无灌溉。

1.2 采样方法

横跨农田-草地边界设置3条长120 m的样线(间隔20 m)，在农田-草地边界分别向农田、草地内部分别以0.5 m(0—6 m)、1 m(6—12 m)、2 m(12—30 m)、5 m(30—60 m)间隔依次采样(图1①)，对0—20 cm土层取样，共计取样186个;同时利用嵌套栅格分别在农田-草地镶嵌体的农田、草地、农田-草地边界以0.5 m×0.5 m，1 m×1 m，2 m×2 m不同粒度进行采样。具体方法如下:在农田和草地设置14 m×14 m的样地各1块，分别在其内部采用嵌套网格方法分别布设36个粒度为0.5 m×0.5 m样方、49个粒度为1 m×1 m的样方、49个粒度为2 m×2 m样方;跨越农田-草地界面的采样设置14 m(南北)×40 m(东西)的样地一块，采用嵌套网格方法分别布设120个粒度为0.5 m×0.5 m样方，140个粒度为1 m×1 m样方，140个粒度为2 m×2 m样方。对0—20 cm土层取样，农田采样134个，草地采样134个，农田-草地界面采样400个，共取样668个。农田、草地内部采样地距农田-草地边界距离为70 m(图1②)。

1.3 土壤样品分析项目及方法

为了便于分析比较，并减少其他环境因子的影响，本文选择在雨后至少3—4 d的晴天进行集中采样，取样时间为2011年的8月，在一天内尽量将同一大小样方的土样采集完毕。在样方内部取样时，先除去表层枯枝落叶，然后用直径3 cm的土钻随机选择小样方中点位置的3个点混合取样，剔除明显的植物根段和枯落物等杂质，装入编号的铝盒中，带回实验室。采用烘干法对所有土样的土壤含水量进行测定:将称量后的土壤样品(精确到0.01 g)在105℃的烘箱内烘至12 h，取出后称量，计算土壤水分含量。

1.4 数据分析

计算农田-草地镶嵌体内部的农田、草地、农田-草地边界0—20 cm土层土壤水分的平均值、标准偏差和变异系数，以此来衡量各类型的土壤水分平均状况和总变异程度(利用栅格数据进行分析)。变异系数(CV)的大小可反映特征变量的空间变异度，即CV＜0.1为弱变异，CV在0.1—1.0为中等变异，CV＞1.0为强变异［22］。

根据农田-草地镶嵌体内部的农田、草地、农田-草地边界土壤水分含量和空间位置数据，用变异函数r(h)分析方法建立变异函数理论模型。变异函数的计算公式如下:

图1 农田-草地镶嵌体(农田、农田-草地边界、草地)土壤水分采样图Fig．1 Sketch map of sampling location for soil moisture in the study area农田-草地边界为南北走向，①样线东西跨越农田-草地边界，②栅格采样 о:2 m×2 m，*:1 m×1 m，+:0.5 m×0.5 m，◆:农田-草地边界

式中，r(h)是变异函数，Z为区域化随机变量，Z(xi)和Z(xi+h)分别为变量Z在空间位置xi和xi+h上的取值，N(h)是取样间隔为h时的样本对总数。本文变异函数拟合成球状理论模型、指数模型、线性模型，计算可得到4个重要的参数，即基台值C0+C、块金值C0、结构方差比C/(C0+C)和变程A0。基台值表示样本总变异，块金值表示区域变量在比采样尺度更小尺度上的随机变异，主要来源小于抽样尺度的空间结构变异和测量随机误差，结构方差比即空间异质性大小(MSH Magnitude of spatial heterogeneity)则可用来衡量空间自相关结构因素对变量总变异的影响程度其可作为研究变量空间相关的分类依据，该值大于75%属于强空间自相关，说明变量具有很好的空间结构性，该值在25%—75%属于中等程度的空间自相关，小于25%属于弱空间自相关，说明随机变异是引起空间异质性的主要作用，变程为研究变量存在空间自相关特性的平均最大距离［23］。通过变异函数模型参数，模拟和比较农田-草地镶嵌体内部农田、草地、农田-草地边界土层0—20 cm土壤水分空间分布格局特征。本文数据分别用SPSS 11.0，SIGMAPLOT 10.0和地统计学软件GS+5.1进行处理。

2 结果

2.1 农田-草地镶嵌体土壤水分变异系数

土壤水分含量表现为农田＞农田-草地边界＞草地，且差异显著(P＜0.05)，农田与草地表现为极显著差异(P＜0.001)(表1)，农田向草地过渡过程中在边界处土壤水分变化剧烈且标准偏差(SD)较大，均高于农田、草地的土壤含水量的标准偏差(图2，表2)。农田-草地镶嵌体在采样粒度0.5 m×0.5 m、1 m×1 m和2 m×2 m下，其内部农田土壤水分变异系数分别为0.10、0.18、0.22，草地分别为0.11、0.16、0.22和农田-草地边界分别为0.29、0.26、0.24，均属中等变异，且在3种采样粒度下农田-草地边界土壤水分含量变异系数与农田、草地土壤水分变异系数存在显著差异性(P=0.046，P=0.042)，表现为农田-草地边界＞草地＞农田(表2)。在农田-草地镶嵌体尺度下的农田-草地边界与采样粒度间的土壤含水量变异系数存在显著相关(P=0.047)，而农田、草地土壤含水量变异系数与不同采样粒度间相关性不显著(P=0.097)(图3)，尤其草地相关性最低(P=0.82)。

表1 不同采样粒度农田-草地镶嵌体(农田、农田-草地边界、草地)土壤含水量差异分析Table 1 Analysis of differences for soil moisture of cropland，cropland-grassland boundary and grassland in different sampling grain sizes

2.2 农田-草地镶嵌体土壤水分空间异质性

对农田、草地、农田-草地边界的0—20 cm土层的土壤水分数据进行非参数的K-S正态分布检验，所得数据均符合正态分布，满足地统计学所要求的平稳假设条件，可直接进行地统计学分析。

在采样粒度0.5 m×0.5 m下，农田-草地边界土壤水分符合球状模型，自相关距离为15.44 m，空间异质性大小(结构方差/基台值)为0.814，决定系数r2为0.934，属强空间自相关;草地土壤水分符合指数模型，自相关距离为6.01 m;空间的异质性大小为0.537，r2为0.357，中等空间自相关性;农田土壤水分表现为完全随机的纯金块效应;空间异质性大小表现为农田-草地边界＞草地＞农田(表2)。

在采样粒度1 m×1 m下，农田-草地边界土壤水分符合球状模型，自相关距离为27.24 m，空间异质性大小为0.763，r2为0.991，属强空间自相关性;草地符合球状模型，自相关距离12.74 m，空间异质性大小为0.837，r2为0.839，属强空间自相关性;农田为完全随机的纯金块效应;空间异质性大小表现为草地＞农田-草地边界＞农田(表2)。

图2 农田-草地边界处土壤水分分布图Fig．2 Spatial distribution ofsoilmoistureforcroplandgrassland boundary负值代表农田，正值代表草地

表2 不同采样粒度农田-草地镶嵌体(农田、农田-草地边界、草地)土壤含水量变异函数理论模型及相关统计参数Table 2 Semivariaogram model and statistics parameters for soil moisture of cropland-grassland mosaic in different sampling grain sizes

在采样粒度2 m×2 m下，农田-草地边界0—20 cm的土壤水分符合球状模型，自相关距离19.09 m，空间异质性大小为0.876，r2为0.954，属强空间自相关性;农田符合球状模型，自相关距离27.28 m，空间异质性大小为0.706，r2为0.948，属中等空间自相关性;草地符合球状模型，自相关距离30.99 m，空间的异质性大小为0.650，r2为0.905;空间异质性大小表现为农田-草地边界＞农田＞草地(表2)。在3种采样粒度下，农田、农田-草地界面、草地三者的土壤水分空间异质性存在显著差异(P＜0.05);除农田在0.5 m×0.5 m、1 m×1 m采样粒度下的土壤水分呈纯金块效应，农田-草地边界、草地土壤水分空间异质性大小均随着采样粒度的增加存在差异且略有增加趋势，但与3种采样粒度间不存在显著线性相关性(P＞0.05)(图4)。

图3 不同采样粒度农田-草地镶嵌体(农田、农田-草地边界、草地)土壤水分变异系数Fig．3 Linear regression between CV(Coefficent of variation)for soil moisture of cropland-grassland mosaic and different sampling grain sizes

图4 不同采样粒度农田-草地镶嵌体(农田、农田-草地边界、草地)土壤水分空间异质性变化Fig．4 Linear regression between MSH(Magnitude of spatial heterogeneity)for soil moisture of cropland-grassland mosaic and different sampling grain sizes

2.3 农田-草地镶嵌体土壤水分空间格局

农田-草地边界在3种采样粒度下土壤水分呈明显的斑块状，农田在0.5 m×0.5 m、1 m×1 m农田土壤含水量的破碎化程度较草地高，草地的斑块变化较为稳定(图5)，同时土壤水分含量在农田-农田-草地边界-草地的界面过程中表现为先升高又下降的剧烈变化，说明农田-草地边界上土壤水分的空间分布不同于农田和草地内部土壤水分变化表现为伴有剧烈变化界面效应(图 2)。

3 结论与讨论

3.1 农田-草地镶嵌体的界面过程中的土壤水分空间变异系数

国内外学者对土壤水分的空间变化性特征也进行了大量的研究，但对于影响土壤水分空间变化性的因素一直有争论，其中土壤水分含量对土壤水分空间变化性的影响是一个争论的焦点，不同的学者得出的研究结果不尽相同，有研究表明土壤水分空间变异性随着平均水分含量降低而降低［24］;Owe和左小安等人研究表明土壤含水量空间变异系数(CV)随着平均土壤含水量的增大而降低［25-26］。Hill和Reynold提出一个选择性的假想，认为土壤水分空间变异性的峰值出现在土壤平均水分含量适中情况下，当迅速变干的小面积土壤和湿润面积共存时，土壤水分存在最大的空间变异性［27］。以上研究结果都是针对同一个生态系统同一个尺度下进行，在本研究中，农田-草地镶嵌体的土壤水分表现为农田内部、农田-草地边界、草地内部均为中等程度变异，且农田-草地边界＞草地＞农田，主要是由于农田具有较高的土壤水分含量，因此在同一采样粒度下农田较草地具较低的土壤水分变异系数，

图5 不同采样粒度农田-草地镶嵌体(农田、农田-草地界面、草地)土壤水分空间格局Fig．5 Spatial pattern of soil moisture for cropland-grassland mosaic in different sampling grain sizes横坐标为正值为草地，负值为农田;C:农田;B:农田-草地边界;G:草地

与部分研究具相同结果即土壤含水量越低土壤水分变异系数越高，其原因是在地形，降雨等相同情况下，单一作物的农田地下根系特性、地上部分的茎叶特征避免更多的水分蒸发，从而使得农田的含水量高于草地，从而导致较低的变异系数［28］。草地之所以含水量低是因为草地植物群落基本上是多年生植物且又是在生长季，容易对其周围土壤水分吸收形成土壤资源缺乏区域所致，研究表明多年生草本植物群落较一年生植物往往维持较低的土壤含水量［29-30］。然而农田-草地边界处土壤水分含量介于农田、草地土壤含水量之间，却表现出高于农田、草地的土壤水分变异系数，则不符合土壤水分越高变异系数越小观点，说明农田-草地界面的土壤水分的变异系数有不同于邻近生态系统的特征，不仅存在土壤水分含量这一影响因素还存在其他引起空间变异系数变化的原因，如界面土壤本身特有一些异质性结构、土壤蒸发、土壤入渗特征或地上植被冠层、植物种类组成等特征差异引起的界面效应［31］，仍需要进一步研究确定影响农田-草地镶嵌体尺度下界面特性的因素，该结果验证了Cadenasso等提出的生态界面结构、组成以及发生生态过程往往不同于邻近斑块系统的假设［2］，其原因就土壤水分含量影响而言可能与Hill和Reynold假设相似，即农田土壤湿润和草地土壤干旱这样的过渡共存现象导致了农田-草地界面有了较高的土壤水分变异系数。因此对于农田-草地镶嵌体土壤水分变异系数来说，在同一研究尺度下比较相对异质的农田-草地边界和相对匀质的农田、草地生态系统三者的土壤水分变异系数时往往表现为土壤含水量与土壤水分变异系数呈非线性的关系，表现为农田-草地界面土壤水分变异系数＞草地＞农田。

3.2 不同采样粒度下农田-草地镶嵌体土壤水分空间异质性

土壤水分在任何尺度都存在空间异质性，主要受气候土壤质地、植被、地形［32］、土壤含水量，地下水位及其他气候因子［18］的影响，了解土壤水分的空间异质性对可进一步理解研究区域的水文、生态、地理分布格局过程。而往往土壤水分的时空变化具有非线性与复杂性的特点，则需要了解土壤水分空间异质性的尺度效应，以便更好地理解不同尺度下的水文和生态过程［17］。对于本实验中的农田-草地镶嵌体尺度下的不同采样粒度的农田内部、农田-草地边界、草地内部土壤水分变异系数存在差异，说明了除降雨、土壤质地、地下水位影响外，农田、草地的植物种类(植物种类、根系情况等)对水分利用和吸收的差别是引起土壤水分空间总变异的主要原因。在干旱和半干旱的草地生态系统中土壤特性常常表现为小到单个植物大到整个采样区域的空间异质性尺度差异［33-34］，因为单一植物和植物群落在不同空间尺度上会影响土壤特性空间异质性［35］，农田-草地镶嵌体是草原被人为干扰的产物，农作物的单一化，使得原有草原植被形成的土壤特性的空间格局破坏而形成新农田土壤特性的空间格局，并产生农田-草地镶嵌体不同尺度下土壤特性格局，本研究中反映农田在较小粒度0.5 m×0.5 m、1 m×1 m下呈完全随机分布的纯金块效应，无空间自相关性，无格局存在，说明原有草地植被被农田替代后，并没有在更小尺度上形成异质性格局而呈随机状态，该结果与Guo等研究得出干扰过后生态系统的土壤异质性格局不会产生小于原有生态系统产生异质性结论相似［28］。因此，农田只有在采样粒度2 m×2 m下表现出中等程度的空间自相关性，变程为27.28 m，说明农田单一的植被类型在该尺度下能够影响土壤水分空间异质性;草原部分自始至终都表现为较好的空间异质性，因为其原始植被及原有放牧干扰后恢复影响下的空间异质性在多年生草本及个别单一优势种对土壤资源的作用下形成草地土壤水分相对稳定的空间异质性，草地土壤水分在0.5 m×0.5 m采样粒度下符合指数模型，值为0.537。其它粒度1 m×1 m、2 m×2 m的粒度下符合球状模型，空间异质性值为0.837和0.650，表现较强度空间自相关性;农田-草地界面的土壤水分符合球状模型且在3个采样粒度下都呈强空间自相关性，证明了相邻生态系统之间的异质区域存在有生态界面的假设，且不同采样粒度下的土壤水分空间异质性大小表现为在农田-草地界面＞草地＞农田。农田-草地镶嵌体中的草地土壤水分较农田表现明显的空间异质性结构，其主要原因是两者地上植被的差异，农田主要是1年生禾本科植物，而草地则是多年生草本，Parker等研究表明多年生植物盖度的增加更容易使得土壤水分异质性程度增加，因为多年生植物较1年生植物更容易吸收更多的水分而形成资源耗竭区域从而使得土壤资源异质性结构更加稳定［36］。在本研究中草地表现较稳定的空间异质性结构，农田在较小粒度下表现为完全的随机性符合以上结果的假设。说明在较小尺度上土壤水分异质性主要受是植物群落或个体影响。

农田由于人为开垦，土壤自有空间结构性受植物生长过程以及人为干扰影响而形成较低的空间自相关性，而草地植被本身多年形成了空间自相关性受随机因子影响较小，其主导因子是由结构因子引起较高的空间异质性。农田-草地边界表现出较高的空间自相关性，说明其具有不同于农田、草地的空间异质性程度，在空间异质性方面表现出一定的界面效应，同时从土壤水分空间分布图来看(图3)，土壤水分从农田向草地表现为剧烈变化的过渡类型。Rosenthal等研究表明在干旱地区，降雨造成较大尺度的土壤水分异质性，但是对于较小尺度下的土壤水分异质性主要是受土壤质地，植被盖度等因素造成的，在沙地与沙丘生态界面过程中，在土壤和植被特性方面往往表现出在比邻近系统更为剧烈的变化特征［9］，其可能的原因是界面过程中利于土壤水分和养分的有效吸收的特征决定的。本次研究中，在地形，土壤结构等外界环境相同的情况下，植被类型的差别和人为耕作是造成农田、草地、农田-草地边界0—20 cm土层土壤水分空间异质性差异的主要原因，还需进一步确定其土壤结构、土壤入渗，地上植物种类水分利用特性以及地上植物群落特性等因素对农田-草地镶嵌体的生态界面效应的作用研究。

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