甘肅敦煌西湖荒漠-濕地生態系統土壤水分空間異質性及其影響因子研究

孫飛達,陳文業,袁海峰,竇英杰,

邴丹琿2,3,4,馮　穎2,3,4,吳　婷4,5

(1 四川農業大學 草業科學系,成都 611130;2 甘肅省林業科學研究院,蘭州 730020;3 甘肅林研科技工程公司,蘭州 730020;4 甘肅敦煌西湖國家級自然保護區管理局,甘肅敦煌 736200;5 甘肅敦煌西湖濕地生態系統國家定位觀測研究站,甘肅敦煌 736200)

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甘肅敦煌西湖荒漠-濕地生態系統土壤水分空間異質性及其影響因子研究

孫飛達1,陳文業2,3,4*,袁海峰4,5,竇英杰4,5,

邴丹琿2,3,4,馮穎2,3,4,吳婷4,5

(1 四川農業大學 草業科學系,成都 611130;2 甘肅省林業科學研究院,蘭州 730020;3 甘肅林研科技工程公司,蘭州 730020;4 甘肅敦煌西湖國家級自然保護區管理局,甘肅敦煌 736200;5 甘肅敦煌西湖濕地生態系統國家定位觀測研究站,甘肅敦煌 736200)

摘要:土壤水分是內陸荒漠區濕地生態系統中重要的限制因子,為了揭示該區域土壤水分空間分布特征,采用傳統統計學和地統計學相結合的方法,對甘肅敦煌西湖國家級自然保護區0～200 cm內各層土壤水分的空間變異性及海拔、土壤質地和植被對其的影響進行了研究,旨在為極干旱區濕地生態系統植被修復和保育提供科學依據。結果表明:(1)本研究所得各變量的變異系數、塊金方差、基臺值、變程和結構比分別為36.51%～88.65%、0.007～0.098、0.112～0.549、116～453和76.6%～97.6%,各變量均為中等變異,存在高度異質性,具有較強空間自相關。(2)深層(60～200 cm)土壤水分含量較淺層(0～60 cm)變異大,且不同層次土壤水分含量的空間異質性差別也較大,空間變異主要發生在較小尺度上(分維數D在1.902～1.989之間)。(3)海拔是影響該區域深層土壤水分空間變異的主導因子。(4)土壤質地與淺層(0～60 cm)土壤水分含量的相關性大于與深層(60～200 cm)土壤含水量的相關性,它們與海拔相關性表現相反;草本植被蓋度與淺層土壤水分含量呈較高的正關聯關系,灌木根量與深層土壤水分含量呈較高的負關聯關系。

關鍵詞:敦煌西湖;荒漠-濕地生態系統;土壤水分;空間異質性;環境因子影響

空間異質性是指系統或系統屬性在空間上的復雜性和變異程度,包括系統屬性的空間組成,空間構型和空間相關[1-3]。土壤水分空間異質性是土壤重要屬性之一[3-4],水在干旱半干旱地區極具敏感性,是生態系統中最活躍的因素,是反映土壤特性的重要指標[5],對該區域植被恢復與建設以及經濟持續發展具有極大的限制性[6]。在不同尺度上研究土壤水分空間異質性,對了解植被與土壤水分的關系具有重要的參考價值[3,7]。土壤水分的空間異質性研究一直是國際上水文學和土壤學研究的熱點問題,隨著地統計學方法的出現,采用該方法對土壤水分空間變異性的研究逐漸增多[8],國內外很多學者對不同類型生態系統的土壤水分空間異質性做了大量的研究工作[9],如高寒區[10]、荒漠綠洲區[11]、農牧交錯帶[12]、黃土區[1]、荒漠區[13-14]、喀斯特地貌區[15]等,但整體來看,研究對象的類型并不多,尺度范圍也較窄,對不同深度層土壤水分變異性的研究較少[9]。尤其是對荒漠區濕地生態系統土壤水分空間變異性研究則鮮見報道。

甘肅敦煌西湖國家級自然保護區(以下簡稱敦煌西湖)地處甘肅河西走廊最西端,西接庫姆塔格沙漠和羅布泊,南接阿克塞哈薩克族自治縣,北連新疆維吾爾自治區。該區域濕地屬于沼澤濕地,是內陸干旱地區的典型濕地類型,具有極干旱區濕地生態系統和荒漠生態系統的典型性和代表性,區位優勢明顯、特殊。土壤水分是該區域植被生長重要的限制因子,調控著植被的組成、分布、結構及其系統穩定性。本研究采用了傳統統計學和地統計學相結合的方法,定量研究了敦煌西湖0～200 cm土層不同層次水分的空間異質性,以期進一步深入研究研究區植被與土壤水分的相互關系,旨在了解研究區土壤水分空間分布特征,為極干旱區濕地生態系統植被修復和保育提供科學依據。

1研究區自然條件

敦煌西湖面積為6.6×105hm2,其中濕地面積9.80×104hm2,蘆葦沼澤3.43×104hm2,四周均被沙漠和戈壁所隔絕。地理坐標為:92°45′～93°50′E,39°45′～40°36′N,區內海拔820～2 359 m,地勢南高北低,中間為沖積平原。地處北半球暖溫帶干旱氣候區,屬典型的大陸性氣候,年平均氣溫為9.90 ℃,最低氣溫-30 ℃,最高氣溫40 ℃;年均降水量39.90 mm,蒸發量2 486 mm;年均風速2.20 m/s,大風日數15.40 d;年日照時數為3 115.0～3 246.7 h,日照率70%～73%;年總輻射量為641.84 kJ/cm2,干燥度大于16。植物區系歸屬于泛北極植物區中的亞洲荒漠植物亞區,具有鮮明的溫帶荒漠性質,敦煌西湖共記錄有種子植物23科61屬80種。土壤主要為沼澤土,另有部分草甸土分布于河漫灘等地。主要保護對象為濕地生態系統、荒漠生態系統及其野生動植物[16]。

2研究方法

2.1樣地布設

從鹽池灣開始,向南設置長1.6 km、寬300 m的調查樣帶,植被包括沼澤、鹽沼、草甸、闊葉林荒漠5種植被型組。在樣帶內,沿樣帶方向設置3條平行樣線,按南北、東西間隔100 m取樣,共有450個樣點,并以每個樣點為中心設置50 m×50 m樣地。按照“五點法”在每個樣地內設置5根直徑50 mm、深度2.2 m的土壤水分測定管。

2.2土壤水分含量測定

土壤含水量采用CNC503B(DR)新型智能中子水分儀測定。按0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140、140～160、160～180、180～200 cm深度分層測定;每個樣地每層測定5個樣點,取其平均值作為樣地該次該層的土壤含水量。最后將算得的土壤水分含量和土壤貯水量值用于空間變異性分析。土壤貯水量的計算公式為:S=0.1hmd,式中:S為土壤儲水量(mm)、h為土層厚度(20 cm)、m為質量含水量(%)、d為該土層土壤容重(環刀法,環刀規格:直徑50.46 mm×高50 mm,容積100 cm3)[17]。依據該公式分別計算出各層的土壤貯水量,然后累加計算出2 m土層的水分貯量。

2.3植被調查

每個樣地采用樣方與樣線相結合的方法進行植物的種類、密度、蓋度、頻度和高度等調查[16],在交叉樣線處均勻設置6個20 m×20 m樣方進行灌(喬)木調查,并設置9個5 m×5 m樣方進行草本植物調查。

2.4地下水埋深調查

每個樣地用土鉆打至地下水水流出,待水位穩定后測量地下水埋深。

2.5根系生物量的調查

采用全挖法。①灌木調查:在樣方中選擇大小相近、生長旺盛的植株5株,離植株20 cm處垂直向下挖一剖面,把根系分布層分為0～60 cm和60～200 cm 2層;②草本調查:在樣方內選擇地勢平坦、植被相對集中的區域,由上向下按30 cm×50 cm×20 cm挖取土柱,深度以無植株根系為限,直至200 cm深處。剪取各層所有根系,分層裝袋,在室內沖洗、晾曬、烘干后稱重。

2.6土壤粒徑分析

每個樣地每層采集5個樣點土樣充分混合(表層土壤直接取樣,深層采用挖剖面和土鉆法相結合的方式取樣),用四分法取大約1 kg樣品,室內風干,對土壤粒徑用MS-S激光粒度分析儀(英國馬爾文Malvem儀器有限公司)進行分析[18]。

為了便于分析比較,主要考慮不受降水影響,每年的9、10月份是當地降水量相對最少的時期,加之該時期研究區植被生長旺盛,所以在2013年的10月5日至10月25日期間對研究區植被特征與土壤特性調查及土樣采集同步進行。在調查的同時,用GPS定位,并記錄各樣地的經緯度、海拔高度、地貌及土壤類型等生境因子。

2.7分析方法

采用GS+進行地統計學變異函數數據分析。統計分析分兩步驟:①對土壤水分等數據用單樣本方法進行正態分布檢驗(SPSS 13.0軟件);②變異函數的計算,用于估計半方差的公式為[19-21]:

(1)

式中,r(h)為半方差函數;N(h)是距離等于h時的點對數,Zi是樣點Z在位置i的實測值,Z(i+h)是與i距離為h處樣點的值。

本研究中球狀模型(公式2)和指數模型(公式3)土壤水分等數據符合要求。球狀模型的變程等于相關距離a;而指數模型并不表現出有限變程,但實踐中變程值近似用3a表示。

(2)

(3)

式中,C0為塊金值(nugget),C0+C為基臺值,a為相關距離。

分維數D的計算由變異函數和步長h之間的關系確定,即:

2r(h)=h4-2D

(4)

上式取雙對數后再對雙對數曲線進行線性回歸,得到回歸直線的斜率k,分維數可用斜率k估算:

D=1/2(4-k)

(5)

分維數D的大小可用于度量生態變量的復雜程度,D值越小,變量的空間依賴性越強,其空間格局相對簡單。通過分形維數可分析生態因子在不同尺度上的差異[19-20]。

3結果與分析

3.1土壤水分的空間變異性特征

3.1.1土壤水分狀況表1顯示,垂直方向上,各樣點土壤水分含量均隨土層加深而增大,同一樣點相鄰土層土壤水分含量變化不大,土壤水分含量均值為14.873%,介于6.681%～23.004%之間,2 m土層水分貯量平均值為163.598 mm,介于65.588～248.188 mm之間。一般認為,CV<0.1為弱變異性,0.1≤CV≤1為中等變異性,CV>1為高度變異性[22],土壤水分含量變異系數(CV)介于39.28%～88.65%,隨土層加深顯逐漸增大趨勢,說明研究區各樣點土壤剖面各層土壤水分含量的空間變異性在增大。2 m土層水分貯量變異系數(CV)為36.51%(表1),變異系數顯示,研究區土壤水分含量和2 m土層水分貯量變異相對較高,均為中等變異。深層(60～200 cm)土壤水分含量的變異較淺層(0～60 cm)土壤水分含量的變異大,說明深層土壤具有較高的土壤水分含量和較大的變異程度,而淺層土壤水分狀況較差且變異程度較小。

3.1.2土壤水分空間結構特征根據研究區野外調查數據計算實際變異函數,分別用不同類型的模型進行擬合,得到最佳擬合模型的參數值見表2,結果顯示,0～60 cm各土層土壤水分含量、2 m土層貯水量和植被蓋度的理論模型符合指數模型,而60～200 cm各土層土壤水分含量的理論模型符合球狀模型。

垂直方向上,11層土層土壤水分含量及2 m土層貯水量的塊金方差(C0)介于0.007～0.098之間,表明各層土壤水分含量及2 m土層貯水量存在高度的異質性,這種異質性在各要素塊金值中也可以看出,各要素的基臺值(C0+C)介于0.112～0.549之間。0～60 cm各土層土壤水分含量的塊金方差和基臺值較60～200 cm土層的低,且各值均差別不大,而60～200 cm各土層土壤水分含量的塊金方差和基臺值差別均較大,表明60～200 cm各土層土壤水分含量隨機部分的空間異質性和總的空間異質性程度較高,且不同層次土壤含水量的空間異質性差別也較大。本研究所得各變量的結構比介于0.766～0.976之間(表2),表明研究區各土層土壤水分含量和2 m土層貯水量具有較強的空間自相關。整體上看,研究區2 m土層貯水量的結構比最小(0.766),說明對于2 m土層貯水量由隨機因素引起的空間異質性占總空間異質性的比例比其他變量大[23-25]。

變程是表示植被特征與土壤水分空間異質性的尺度[26-27]。表2顯示,研究區各土層土壤水分含量和2 m土層貯水量異質性尺度不同且值均較小,變程介于116～453,2 m土層貯水量與各層土壤水分含量變程(a)比較,相對較大。

D表示變異函數曲線的曲率大小[27]。表2顯示,0～60 cm各土層土壤水分含量、2 m土層貯水量的分形維數(D)較小(1.883～1.934),說明空間變異主要發生在較大尺度上,而60～200 cm各土層土壤水分含量的分形維數(D)較大(1.902～1.989),說明空間變異主要發生在較小尺度上,即沿樣帶相鄰點間的土壤水分含量差異很大。

3.2研究區土壤水分空間異質性影響因素分析

3.2.1海拔用GPS測量研究區所有樣點的海拔高度,其中最高點海拔為1 050.38 m,最低點海拔為880.43 m。圖1顯示,隨著海拔遞增,各土層土壤水分含量和2 m土層貯水量均呈下降趨勢,2 m土層貯水量變化趨勢較明顯。

海拔是影響土壤水分含量分布的環境因子之一,許多研究已表明土壤水分含量與海拔之間具有負的相關關系[18,28-29]。圖2顯示,淺層土壤水分含量(10～60cm)和深層土壤水分含量(60～200 cm)均與海拔有負的相關關系(P<0.01),隨著海拔遞增,深層土壤水分含量與海拔的相關性呈遞增趨勢且更高,而淺層土壤水分含量則變化相反,且海拔與深層(60～200 cm)土壤水分含量的相關性大于淺層(0～60 cm)土壤濕度的相關性。

表1　研究區剖面各層土壤水分含量的統計特征

表2　土壤水分含量變異函數理論模型及參數

圖1　土壤水分含量隨海拔梯度變化

圖2　土壤水分含量與海拔間的相關性特征

3.2.2土壤質地土壤質地影響著土壤水分運移,進而影響著土壤水分異質性程度。表3顯示,粘粒和粉粒的變異系數均大于沙粒,且沿著樣線,隨著海拔增大,沙粒的含量表現出明顯遞增趨勢,而粘粒和粉粒的含量呈現出相反的空間分布特征。土壤質地的空間異質性能夠產生水文導度的空間變異,從而導致土壤水分分布的空間異質性[18]。

由表3可知,粉粒和粘粒均與各層土壤水分含量之間呈正相關關系,且粘粒的相關性大于粉粒的相關性;而沙粒與各層土壤水分含量之間呈負相關關系。因為,土壤粒徑粗細程度對土壤質地產生著重大影響,粒徑均值越小,土壤可塑性和吸濕性越明顯,其透水性較差,持水性越好。土壤質地與淺層(0～60 cm)土壤水分含量的相關性大于深層(60～200 cm)土壤的濕度的相關性,這結論與潘顏霞等[18]的研究結果一致。因為淺層土壤中粉粒級以下的顆粒在風蝕過程中被吹失,呈現出隨時間推移變粗的特征,調查結果顯示,研究區淺層(0～60 cm)土壤的沙粒含量為65%,而深層(60～200 cm)土壤的粉粒和粘粒含量接近80%。

3.2.3植被植被通過遮蓋土壤表面影響蒸發率,通過根活性影響土壤導度并促進土壤表面有機物質的增加而影響土壤水分變化,這些因素對于土壤水分含量變化率的影響隨著植被種類、密度和蓋度變化而變化[18,30]。圖3顯示,研究區主要植被群落土壤水分含量均相對較低。其中,多枝檉柳沙包群落土壤水分含量最少,均值為6.681%;蘆葦沼澤群落土壤水分含量最大,均值為23.004%。各主要植被群落淺層(0～60 cm)土壤同一層土壤水分含量差異相對較少(多枝檉柳群落和蘆葦沼澤群落;圖3,A),深層(60～200 cm)土壤同一層土壤水分含量差異較大(圖3,B)。不同植被類型及其格局分布影響著土壤水分,植被根系垂直和水平分布格局通過蒸騰耗水影響著其根際層的水分,從而影響到各層土壤水分含量異質性[9]。草本植物根系較淺,根系生物量集中分布在40 cm以上土層中,占全部根系生物量的85%以上,對淺層水分影響較大;灌木根系較深,大部分根系分布于60 cm以下土層中,占全部根系生物量的70%以上,改變了土壤質地和有機質含量,影響了水文導度,對深層水分影響較大。表4顯示,植被蓋度與土壤水分含量顯正相關,且草本植被蓋度與淺層土壤水分含量顯示較高的關聯性,是由于較大的植被蓋度可以阻擋太陽照射,減少土壤的蒸發,改善了表層的土壤有機質,往往導致較高的土壤水分;植被根量與土壤水分含量顯負相關,且灌木根量與深層土壤水分含量顯示較高的關聯性,是由于植被根系集中分布層的根系對該層土壤水分含量具有顯著的影響,尤其在植被生長旺盛季節,植被蒸騰作用增強,根系吸水強烈,通常導致根系主要分布層的土壤水分含量大幅度降低。

表3　土壤粒徑與土壤水分含量之間相關性及其空間變異性

a.研究區主要植被淺層土壤水分含量;b.研究區主要植被深層土壤水分含量及其2 m土層貯水量;

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

表5　不同土層土壤水分含量、2 m土層

3.2.4地下水埋深調查發現地下水埋深較淺的區域,土壤水分含量較高,否則則反之。表5顯示,土壤含水量與地下水埋深之間存在顯著的負相關關系,自上而下其關系逐漸增強;2 m土層貯水量與地下水埋深的相關性最強,40～60 cm土壤含水量與地下水埋深的相關性次之,說明研究區土壤水分含量更依賴于地下水,地下水埋深是影響土壤含水量的重要因素。

4 討論

敦煌西湖國家級自然保護區,四周均被沙漠、戈壁所隔絕,研究區兼有濕地生態系統和荒漠生態系統,導致本研究所得各變量均為中等變異,存在高度的異質性,具有較強的空間自相關,0～200 cm土層各層土壤水分含量及2 m土層貯水量的變異系數、塊金方差、基臺值、變程和結構比分別介于36.51%～88.65%、0.007～0.098、0.112～0.549、116～453和76.6%～97.6%之間。深層(60～200 cm)土壤水分含量的變異較淺層(0～60 cm)土壤水分含量的變異大,且不同層次土壤水分含量的空間異質性差別也較大,空間變異主要發生在較小尺度上。說明深層土壤較高的土壤濕度和較大的變異程度,而淺層土壤水分狀況較差且變異程度較小,這是因為表層較底層土壤蒸發強烈,土壤水分含量較低,且與剖面土壤質地不均勻、植被種類、蓋度和多度有關,加之研究區主要是以旱生、超旱生植被為主,通過其發達的根系對深層土壤水分的利用較大,進而導致深層土壤水分變異系數大于淺層。

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(編輯: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

中圖分類號:Q948.11

文獻標志碼:A

作者簡介:孫飛達(1978-),男,博士,副教授,主要從事草地資源監測與管理研究。E-mail:sunfd08@163.com*通信作者:陳文業,學士,副研究員,主要從事生態恢復研究。E-mail:gschwy@163.com

基金項目:甘肅省科技重大專項計劃(1302FKDA035);甘肅省科技支撐計劃-社會發展類項目(1011FKCA136)

收稿日期:2015-10-27;修改稿收到日期:2016-01-10

文章編號:1000-4025(2016)01-0165-09

doi:10.7606/j.issn.1000-4025.2016.01.0165