孙飞达,陈文业,袁海峰,窦英杰,

邴丹珲2,3,4,冯　颖2,3,4,吴　婷4,5

(1 四川农业大学 草业科学系,成都 611130;2 甘肃省林业科学研究院,兰州 730020;3 甘肃林研科技工程公司,兰州 730020;4 甘肃敦煌西湖国家级自然保护区管理局,甘肃敦煌 736200;5 甘肃敦煌西湖湿地生态系统国家定位观测研究站,甘肃敦煌 736200)



甘肃敦煌西湖荒漠-湿地生态系统土壤水分空间异质性及其影响因子研究

孙飞达1,陈文业2,3,4*,袁海峰4,5,窦英杰4,5,

邴丹珲2,3,4,冯颖2,3,4,吴婷4,5

(1 四川农业大学 草业科学系,成都 611130;2 甘肃省林业科学研究院,兰州 730020;3 甘肃林研科技工程公司,兰州 730020;4 甘肃敦煌西湖国家级自然保护区管理局,甘肃敦煌 736200;5 甘肃敦煌西湖湿地生态系统国家定位观测研究站,甘肃敦煌 736200)

摘要:土壤水分是内陆荒漠区湿地生态系统中重要的限制因子,为了揭示该区域土壤水分空间分布特征,采用传统统计学和地统计学相结合的方法,对甘肃敦煌西湖国家级自然保护区0～200 cm内各层土壤水分的空间变异性及海拔、土壤质地和植被对其的影响进行了研究,旨在为极干旱区湿地生态系统植被修复和保育提供科学依据。结果表明:(1)本研究所得各变量的变异系数、块金方差、基台值、变程和结构比分别为36.51%～88.65%、0.007～0.098、0.112～0.549、116～453和76.6%～97.6%,各变量均为中等变异,存在高度异质性,具有较强空间自相关。(2)深层(60～200 cm)土壤水分含量较浅层(0～60 cm)变异大,且不同层次土壤水分含量的空间异质性差别也较大,空间变异主要发生在较小尺度上(分维数D在1.902～1.989之间)。(3)海拔是影响该区域深层土壤水分空间变异的主导因子。(4)土壤质地与浅层(0～60 cm)土壤水分含量的相关性大于与深层(60～200 cm)土壤含水量的相关性,它们与海拔相关性表现相反;草本植被盖度与浅层土壤水分含量呈较高的正关联关系,灌木根量与深层土壤水分含量呈较高的负关联关系。

关键词:敦煌西湖;荒漠-湿地生态系统;土壤水分;空间异质性;环境因子影响

空间异质性是指系统或系统属性在空间上的复杂性和变异程度,包括系统属性的空间组成,空间构型和空间相关[1-3]。土壤水分空间异质性是土壤重要属性之一[3-4],水在干旱半干旱地区极具敏感性,是生态系统中最活跃的因素,是反映土壤特性的重要指标[5],对该区域植被恢复与建设以及经济持续发展具有极大的限制性[6]。在不同尺度上研究土壤水分空间异质性,对了解植被与土壤水分的关系具有重要的参考价值[3,7]。土壤水分的空间异质性研究一直是国际上水文学和土壤学研究的热点问题,随着地统计学方法的出现,采用该方法对土壤水分空间变异性的研究逐渐增多[8],国内外很多学者对不同类型生态系统的土壤水分空间异质性做了大量的研究工作[9],如高寒区[10]、荒漠绿洲区[11]、农牧交错带[12]、黄土区[1]、荒漠区[13-14]、喀斯特地貌区[15]等,但整体来看,研究对象的类型并不多,尺度范围也较窄,对不同深度层土壤水分变异性的研究较少[9]。尤其是对荒漠区湿地生态系统土壤水分空间变异性研究则鲜见报道。

甘肃敦煌西湖国家级自然保护区(以下简称敦煌西湖)地处甘肃河西走廊最西端,西接库姆塔格沙漠和罗布泊,南接阿克塞哈萨克族自治县,北连新疆维吾尔自治区。该区域湿地属于沼泽湿地,是内陆干旱地区的典型湿地类型,具有极干旱区湿地生态系统和荒漠生态系统的典型性和代表性,区位优势明显、特殊。土壤水分是该区域植被生长重要的限制因子,调控着植被的组成、分布、结构及其系统稳定性。本研究采用了传统统计学和地统计学相结合的方法,定量研究了敦煌西湖0～200 cm土层不同层次水分的空间异质性,以期进一步深入研究研究区植被与土壤水分的相互关系,旨在了解研究区土壤水分空间分布特征,为极干旱区湿地生态系统植被修复和保育提供科学依据。

1研究区自然条件

敦煌西湖面积为6.6×105hm2,其中湿地面积9.80×104hm2,芦苇沼泽3.43×104hm2,四周均被沙漠和戈壁所隔绝。地理坐标为:92°45′～93°50′E,39°45′～40°36′N,区内海拔820～2 359 m,地势南高北低,中间为冲积平原。地处北半球暖温带干旱气候区,属典型的大陆性气候,年平均气温为9.90 ℃,最低气温-30 ℃,最高气温40 ℃;年均降水量39.90 mm,蒸发量2 486 mm;年均风速2.20 m/s,大风日数15.40 d;年日照时数为3 115.0～3 246.7 h,日照率70%～73%;年总辐射量为641.84 kJ/cm2,干燥度大于16。植物区系归属于泛北极植物区中的亚洲荒漠植物亚区,具有鲜明的温带荒漠性质,敦煌西湖共记录有种子植物23科61属80种。土壤主要为沼泽土,另有部分草甸土分布于河漫滩等地。主要保护对象为湿地生态系统、荒漠生态系统及其野生动植物[16]。

2研究方法

2.1样地布设

从盐池湾开始,向南设置长1.6 km、宽300 m的调查样带,植被包括沼泽、盐沼、草甸、阔叶林荒漠5种植被型组。在样带内,沿样带方向设置3条平行样线,按南北、东西间隔100 m取样,共有450个样点,并以每个样点为中心设置50 m×50 m样地。按照“五点法”在每个样地内设置5根直径50 mm、深度2.2 m的土壤水分测定管。

2.2土壤水分含量测定

土壤含水量采用CNC503B(DR)新型智能中子水分仪测定。按0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140、140～160、160～180、180～200 cm深度分层测定;每个样地每层测定5个样点,取其平均值作为样地该次该层的土壤含水量。最后将算得的土壤水分含量和土壤贮水量值用于空间变异性分析。土壤贮水量的计算公式为:S=0.1hmd,式中:S为土壤储水量(mm)、h为土层厚度(20 cm)、m为质量含水量(%)、d为该土层土壤容重(环刀法,环刀规格:直径50.46 mm×高50 mm,容积100 cm3)[17]。依据该公式分别计算出各层的土壤贮水量,然后累加计算出2 m土层的水分贮量。

2.3植被调查

每个样地采用样方与样线相结合的方法进行植物的种类、密度、盖度、频度和高度等调查[16],在交叉样线处均匀设置6个20 m×20 m样方进行灌(乔)木调查,并设置9个5 m×5 m样方进行草本植物调查。

2.4地下水埋深调查

每个样地用土钻打至地下水水流出,待水位稳定后测量地下水埋深。

2.5根系生物量的调查

采用全挖法。①灌木调查:在样方中选择大小相近、生长旺盛的植株5株,离植株20 cm处垂直向下挖一剖面,把根系分布层分为0～60 cm和60～200 cm 2层;②草本调查:在样方内选择地势平坦、植被相对集中的区域,由上向下按30 cm×50 cm×20 cm挖取土柱,深度以无植株根系为限,直至200 cm深处。剪取各层所有根系,分层装袋,在室内冲洗、晾晒、烘干后称重。

2.6土壤粒径分析

每个样地每层采集5个样点土样充分混合(表层土壤直接取样,深层采用挖剖面和土钻法相结合的方式取样),用四分法取大约1 kg样品,室内风干,对土壤粒径用MS-S激光粒度分析仪(英国马尔文Malvem仪器有限公司)进行分析[18]。

为了便于分析比较,主要考虑不受降水影响,每年的9、10月份是当地降水量相对最少的时期,加之该时期研究区植被生长旺盛,所以在2013年的10月5日至10月25日期间对研究区植被特征与土壤特性调查及土样采集同步进行。在调查的同时,用GPS定位,并记录各样地的经纬度、海拔高度、地貌及土壤类型等生境因子。

2.7分析方法

采用GS+进行地统计学变异函数数据分析。统计分析分两步骤:①对土壤水分等数据用单样本方法进行正态分布检验(SPSS 13.0软件);②变异函数的计算,用于估计半方差的公式为[19-21]:

(1)

式中,r(h)为半方差函数;N(h)是距离等于h时的点对数,Zi是样点Z在位置i的实测值,Z(i+h)是与i距离为h处样点的值。

本研究中球状模型(公式2)和指数模型(公式3)土壤水分等数据符合要求。球状模型的变程等于相关距离a;而指数模型并不表现出有限变程,但实践中变程值近似用3a表示。

(2)

(3)

式中,C0为块金值(nugget),C0+C为基台值,a为相关距离。

分维数D的计算由变异函数和步长h之间的关系确定,即:

2r(h)=h4-2D

(4)

上式取双对数后再对双对数曲线进行线性回归,得到回归直线的斜率k,分维数可用斜率k估算:

D=1/2(4-k)

(5)

分维数D的大小可用于度量生态变量的复杂程度,D值越小,变量的空间依赖性越强,其空间格局相对简单。通过分形维数可分析生态因子在不同尺度上的差异[19-20]。

3结果与分析

3.1土壤水分的空间变异性特征

3.1.1土壤水分状况表1显示,垂直方向上,各样点土壤水分含量均随土层加深而增大,同一样点相邻土层土壤水分含量变化不大,土壤水分含量均值为14.873%,介于6.681%～23.004%之间,2 m土层水分贮量平均值为163.598 mm,介于65.588～248.188 mm之间。一般认为,CV<0.1为弱变异性,0.1≤CV≤1为中等变异性,CV>1为高度变异性[22],土壤水分含量变异系数(CV)介于39.28%～88.65%,随土层加深显逐渐增大趋势,说明研究区各样点土壤剖面各层土壤水分含量的空间变异性在增大。2 m土层水分贮量变异系数(CV)为36.51%(表1),变异系数显示,研究区土壤水分含量和2 m土层水分贮量变异相对较高,均为中等变异。深层(60～200 cm)土壤水分含量的变异较浅层(0～60 cm)土壤水分含量的变异大,说明深层土壤具有较高的土壤水分含量和较大的变异程度,而浅层土壤水分状况较差且变异程度较小。

3.1.2土壤水分空间结构特征根据研究区野外调查数据计算实际变异函数,分别用不同类型的模型进行拟合,得到最佳拟合模型的参数值见表2,结果显示,0～60 cm各土层土壤水分含量、2 m土层贮水量和植被盖度的理论模型符合指数模型,而60～200 cm各土层土壤水分含量的理论模型符合球状模型。

垂直方向上,11层土层土壤水分含量及2 m土层贮水量的块金方差(C0)介于0.007～0.098之间,表明各层土壤水分含量及2 m土层贮水量存在高度的异质性,这种异质性在各要素块金值中也可以看出,各要素的基台值(C0+C)介于0.112～0.549之间。0～60 cm各土层土壤水分含量的块金方差和基台值较60～200 cm土层的低,且各值均差别不大,而60～200 cm各土层土壤水分含量的块金方差和基台值差别均较大,表明60～200 cm各土层土壤水分含量随机部分的空间异质性和总的空间异质性程度较高,且不同层次土壤含水量的空间异质性差别也较大。本研究所得各变量的结构比介于0.766～0.976之间(表2),表明研究区各土层土壤水分含量和2 m土层贮水量具有较强的空间自相关。整体上看,研究区2 m土层贮水量的结构比最小(0.766),说明对于2 m土层贮水量由随机因素引起的空间异质性占总空间异质性的比例比其他变量大[23-25]。

变程是表示植被特征与土壤水分空间异质性的尺度[26-27]。表2显示,研究区各土层土壤水分含量和2 m土层贮水量异质性尺度不同且值均较小,变程介于116～453,2 m土层贮水量与各层土壤水分含量变程(a)比较,相对较大。

D表示变异函数曲线的曲率大小[27]。表2显示,0～60 cm各土层土壤水分含量、2 m土层贮水量的分形维数(D)较小(1.883～1.934),说明空间变异主要发生在较大尺度上,而60～200 cm各土层土壤水分含量的分形维数(D)较大(1.902～1.989),说明空间变异主要发生在较小尺度上,即沿样带相邻点间的土壤水分含量差异很大。

3.2研究区土壤水分空间异质性影响因素分析

3.2.1海拔用GPS测量研究区所有样点的海拔高度,其中最高点海拔为1 050.38 m,最低点海拔为880.43 m。图1显示,随着海拔递增,各土层土壤水分含量和2 m土层贮水量均呈下降趋势,2 m土层贮水量变化趋势较明显。

海拔是影响土壤水分含量分布的环境因子之一,许多研究已表明土壤水分含量与海拔之间具有负的相关关系[18,28-29]。图2显示,浅层土壤水分含量(10～60cm)和深层土壤水分含量(60～200 cm)均与海拔有负的相关关系(P<0.01),随着海拔递增,深层土壤水分含量与海拔的相关性呈递增趋势且更高,而浅层土壤水分含量则变化相反,且海拔与深层(60～200 cm)土壤水分含量的相关性大于浅层(0～60 cm)土壤湿度的相关性。

表1　研究区剖面各层土壤水分含量的统计特征

表2　土壤水分含量变异函数理论模型及参数

图1　土壤水分含量随海拔梯度变化

图2　土壤水分含量与海拔间的相关性特征

3.2.2土壤质地土壤质地影响着土壤水分运移,进而影响着土壤水分异质性程度。表3显示,粘粒和粉粒的变异系数均大于沙粒,且沿着样线,随着海拔增大,沙粒的含量表现出明显递增趋势,而粘粒和粉粒的含量呈现出相反的空间分布特征。土壤质地的空间异质性能够产生水文导度的空间变异,从而导致土壤水分分布的空间异质性[18]。

由表3可知,粉粒和粘粒均与各层土壤水分含量之间呈正相关关系,且粘粒的相关性大于粉粒的相关性;而沙粒与各层土壤水分含量之间呈负相关关系。因为,土壤粒径粗细程度对土壤质地产生着重大影响,粒径均值越小,土壤可塑性和吸湿性越明显,其透水性较差,持水性越好。土壤质地与浅层(0～60 cm)土壤水分含量的相关性大于深层(60～200 cm)土壤的湿度的相关性,这结论与潘颜霞等[18]的研究结果一致。因为浅层土壤中粉粒级以下的颗粒在风蚀过程中被吹失,呈现出随时间推移变粗的特征,调查结果显示,研究区浅层(0～60 cm)土壤的沙粒含量为65%,而深层(60～200 cm)土壤的粉粒和粘粒含量接近80%。

3.2.3植被植被通过遮盖土壤表面影响蒸发率,通过根活性影响土壤导度并促进土壤表面有机物质的增加而影响土壤水分变化,这些因素对于土壤水分含量变化率的影响随着植被种类、密度和盖度变化而变化[18,30]。图3显示,研究区主要植被群落土壤水分含量均相对较低。其中,多枝柽柳沙包群落土壤水分含量最少,均值为6.681%;芦苇沼泽群落土壤水分含量最大,均值为23.004%。各主要植被群落浅层(0～60 cm)土壤同一层土壤水分含量差异相对较少(多枝柽柳群落和芦苇沼泽群落;图3,A),深层(60～200 cm)土壤同一层土壤水分含量差异较大(图3,B)。不同植被类型及其格局分布影响着土壤水分,植被根系垂直和水平分布格局通过蒸腾耗水影响着其根际层的水分,从而影响到各层土壤水分含量异质性[9]。草本植物根系较浅,根系生物量集中分布在40 cm以上土层中,占全部根系生物量的85%以上,对浅层水分影响较大;灌木根系较深,大部分根系分布于60 cm以下土层中,占全部根系生物量的70%以上,改变了土壤质地和有机质含量,影响了水文导度,对深层水分影响较大。表4显示,植被盖度与土壤水分含量显正相关,且草本植被盖度与浅层土壤水分含量显示较高的关联性,是由于较大的植被盖度可以阻挡太阳照射,减少土壤的蒸发,改善了表层的土壤有机质,往往导致较高的土壤水分;植被根量与土壤水分含量显负相关,且灌木根量与深层土壤水分含量显示较高的关联性,是由于植被根系集中分布层的根系对该层土壤水分含量具有显著的影响,尤其在植被生长旺盛季节,植被蒸腾作用增强,根系吸水强烈,通常导致根系主要分布层的土壤水分含量大幅度降低。

表3　土壤粒径与土壤水分含量之间相关性及其空间变异性

a.研究区主要植被浅层土壤水分含量;b.研究区主要植被深层土壤水分含量及其2 m土层贮水量;

植被Vegetation土壤层Soillayer/cm0～6060～200草本Herbs盖度Cover0.67180.3627根重Rootweight-0.5438-0.2567灌木Shrubs盖度Cover0.42670.3833根重Rootweight-0.5120-0.6633

表5　不同土层土壤水分含量、2 m土层

3.2.4地下水埋深调查发现地下水埋深较浅的区域,土壤水分含量较高,否则则反之。表5显示,土壤含水量与地下水埋深之间存在显著的负相关关系,自上而下其关系逐渐增强;2 m土层贮水量与地下水埋深的相关性最强,40～60 cm土壤含水量与地下水埋深的相关性次之,说明研究区土壤水分含量更依赖于地下水,地下水埋深是影响土壤含水量的重要因素。

4 讨论

敦煌西湖国家级自然保护区,四周均被沙漠、戈壁所隔绝,研究区兼有湿地生态系统和荒漠生态系统,导致本研究所得各变量均为中等变异,存在高度的异质性,具有较强的空间自相关,0～200 cm土层各层土壤水分含量及2 m土层贮水量的变异系数、块金方差、基台值、变程和结构比分别介于36.51%～88.65%、0.007～0.098、0.112～0.549、116～453和76.6%～97.6%之间。深层(60～200 cm)土壤水分含量的变异较浅层(0～60 cm)土壤水分含量的变异大,且不同层次土壤水分含量的空间异质性差别也较大,空间变异主要发生在较小尺度上。说明深层土壤较高的土壤湿度和较大的变异程度,而浅层土壤水分状况较差且变异程度较小,这是因为表层较底层土壤蒸发强烈,土壤水分含量较低,且与剖面土壤质地不均匀、植被种类、盖度和多度有关,加之研究区主要是以旱生、超旱生植被为主,通过其发达的根系对深层土壤水分的利用较大,进而导致深层土壤水分变异系数大于浅层。

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(编辑:潘新社)

Spatial Heterogeneity of Soil Moisture and Related Factors in Desert-Wetland Ecosystem Enclosed in Dunhuang Xihu,Gansu,China

SUN Feida1,CHEN Wenye2,3,4*,YUAN Haifeng4,5,DOU Yingjie4,5,BING Danhui2,3,4,FENG Ying2,3,4,WU Ting4,5

(1 Department of Grassland Science,Sichuan Agricultural University,Chengdu 611130,China;2 Gansu Forestry Science and Technology Research Academy,Lanzhou 730020,China;3 Gansu Forestry Science and Technology Engineering Company,Lanzhou 730020,China;4 Administrative Bureau of Dunhuang Xihu National Nature Reserve of Gansu,Dunhuang,Gansu 736200,China;5 National Positioning Observation Station of Xihu Wetland Ecosystem in Dunhuang of Gansu,Dunhuang,Gansu 736200,China)

Abstract:Soil moisture is the dominant limiting factor of desert-wetland ecosystems in the inland.Based on the traditional and geographical statistics methods,we measured soil moisture ranged from 0 to 200 cm depth to find the rules of their spatial distribution characteristics,and surveyed some associated environmental factors such as altitude,soil texture and related vegetation indices in desert-wetland ecosystem at Xihu district,Dunhuang National Nature Reserve of Gansu Province,which may be helpful to vegetation restoration,protection and sustainable management in wetland ecosystem at extreme arid areas.The main results were as follows:(1)the coefficients of variation,Nugget variance,sill,range and spatial dependence were ranged from 36.51% to 88.65%,0.007 to 0.098,0.112 to 0.549,116 to 453 and 76.6% to 97.6%,respectively,and all their variables were at a medium variation level and a high heterogeneity and strong spatial autocorrelation was appeared.(2)The variability of soil moisture in the deep soil profile at 60 to 200 cm was higher than those in the shallow layer at 0 to 60 cm,which kept much more differences at different layers,especially in some small scales.(3)The altitude was a dominant factor that influenced the variation of deep soil moisture trend.(4)The relationships between soil texture and soil moisture in deep soil at 60 to 200 cm were stronger than those of shallow layers at 0 to 60 cm,otherwise,which did not comply with the factor of altitude;there were a great positive correlation between the herbage coverage and the soil moisture in shallow soil layers,but a negative correlation between the root biomass of shrub and the soil moisture in deep soil layers.

Key words:Dunhuang Xihu;ecosystem desert and wetland;soilmoisture;spatial heterogeneity;influence factors

中图分类号:Q948.11

文献标志码:A

作者简介:孙飞达(1978-),男,博士,副教授,主要从事草地资源监测与管理研究。E-mail:sunfd08@163.com*通信作者:陈文业,学士,副研究员,主要从事生态恢复研究。E-mail:gschwy@163.com

基金项目:甘肃省科技重大专项计划(1302FKDA035);甘肃省科技支撑计划-社会发展类项目(1011FKCA136)

收稿日期:2015-10-27;修改稿收到日期:2016-01-10

文章编号:1000-4025(2016)01-0165-09

doi:10.7606/j.issn.1000-4025.2016.01.0165