毛烏素沙地南緣沙漠化臨界區(qū)域土壤水分和植被特征的空間分布格局

毛烏素沙地南緣沙漠化臨界區(qū)域土壤水分和植被特征的空間分布格局

植被與土壤的形態(tài)關(guān)系是生態(tài)學的研究的重點。在沙地生態(tài)系統(tǒng),水是許多生態(tài)學過程的主要決定因素,植被與水分之間存在著正反饋,這種作用在很大程度上歸因于植被空間格局的形成。近年來,全球生物多樣性喪失成為日益嚴峻的生態(tài)問題,探尋影響物種豐富度的決定性因素已成為熱點研究領域。毛烏素沙地南緣沙漠化臨界區(qū)域位于大尺度沙地-草地景觀界面定量判定圖的波峰位置,是草地沙漠化的臨界地帶,其沙漠化進程在一定程度上決定了整個沙漠化的發(fā)展速度。對沙漠化臨界區(qū)域進行深入研究,分析土壤水分與植被蓋度、密度和植物種數(shù)的空間分布格局及其相互關(guān)系,對于理解植被的空間變化特征以及和關(guān)鍵生態(tài)因子的相互關(guān)系、指導沙漠化草地的生態(tài)恢復和科學管理具有重要的意義。關(guān)于土壤和植被特征的空間格局及其相互關(guān)系已有大量的研究工作,Reynolds等的研究認為,奇瓦瓦沙漠土壤水分分布相對較淺,很難通過功能型植物根系的深度差別對土壤垂直方向上的水分資源進行分層;Hillerislambers等對半干旱放牧系統(tǒng)的研究認為,半干旱地區(qū)植被斑塊與裸地斑塊交替出現(xiàn)的植被格局僅僅在植被密度和水分滲透之間存在正反饋而且徑流水重新分配的情況下才會形成;Chen等采用地統(tǒng)計學方法對毛烏素沙地東南緣植被的空間異質(zhì)性進行研究,結(jié)果表明,植被蓋度和植物群落物種數(shù)都具有鑲嵌的空間結(jié)構(gòu)和多尺度的空間變異,而以小尺度的空間變異為主;Zuo等在科爾沁沙地的研究指出,土壤有機碳、全氮、電導率、pH值、坡度和含水量等是影響沙丘植物分布的主要因素,沙地先鋒植物的分布與土壤水分含量正相關(guān);陳玉福等對毛烏素沙地的研究認為,不同生境與尺度中土壤的有機碳與全氮含量之間、植物物種數(shù)與植被蓋度之間都具有顯著正相關(guān)。學者們還針對植被特征的不同指標,分別探索物種豐富度、植被密度、蓋度等的影響因素。Shi等對中國東北三江平原濕地遺跡的研究認為,植物物種豐富度同時受土壤水分異質(zhì)性和樣地面積的顯著影響;Zhou等對內(nèi)蒙古草地的研究表明,植物物種豐富度與土壤有機碳、有機氮和碳氮比值的空間異質(zhì)性正相關(guān),土壤空間異質(zhì)性對植物物種豐富度的維持具有積極的作用;Ferreira等對巴西草原的研究指出,依賴于密度的植被特征的空間變異格局與土壤上層4m的植物有效水分的空間變異性非常相似;王蕙等在黑河荒漠綠洲過渡帶的研究認為,植被冠幅、蓋度和表層土壤水分具有顯著負相關(guān),與深層土壤水分具有顯著正相關(guān)。上述研究分別從不同的角度,揭示植被特征和土壤屬性在不同生態(tài)系統(tǒng)類型中的空間格局和相互關(guān)系,對認識空間格局與過程的關(guān)系,理解植被結(jié)構(gòu)及其影響因素,具有重要的推動作用。但是,同時對不同層次的土壤水分進行空間格局的分析,以及植被各種屬性與不同層次土壤水分之間的關(guān)系,目前都有待于進一步研究,對處于沙漠化特殊敏感位置的臨界區(qū)域的這些研究尤其缺乏。土壤水分分布格局往往決定了沙地生態(tài)系統(tǒng)演替早期階段先鋒植物的空間分布,被認為是制約植被狀況的關(guān)鍵因子。因此,本文提出設想,在毛烏素沙地南緣沙漠化臨界區(qū)域,植被屬性的空間分布格局應該深受土壤水分的影響,二者具有相似的空間變異規(guī)律,并具有高度的相關(guān)性。為檢驗該設想,在毛烏素沙地南緣沙漠化臨界區(qū)域開展實驗,以期能深入研究土壤水分與植被特征的空間分布規(guī)律及其之間的內(nèi)在聯(lián)系,為解釋沙漠化的內(nèi)在機理及草地沙漠化的防治提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1陸性氣候條件研究區(qū)地處寧夏鹽池縣四墩子村,地理坐標107°15′—107°18′E,37°45′—37°47′N,處于典型草原向沙地的過渡地帶,屬于中度沙漠化草地。研究區(qū)位于圍欄封育區(qū)內(nèi),人為干擾少,立地條件近似于天然狀況。所在區(qū)域?qū)儆诘湫偷闹袦貛Т箨懶詺夂?年平均氣溫7.7℃,1月平均氣溫-8.9℃,7月平均氣溫22.5℃;年平均降水量250—350mm,主要集中在6—8月;年蒸發(fā)量2136mm;年無霜期162d。土壤類型主要為淡灰鈣土,其次是風沙土和少量第三紀紅巖母質(zhì)經(jīng)侵蝕后形成的紅砂質(zhì)土。主要植物種有:牛枝子(Lespedezapotaninii)、黑沙蒿(Artemisiaordosica)、蒙古冰草(Agropyronmongolicum)、長芒草(Stipabungeana)、賴草(Leymussecalinus)、甘草(Glycyrrhizauralensis)、牛心樸子(Cynanchumkomarovii)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)等。1.2土壤水分的測定于2009年和2010年8月份植物生長最旺盛的時期,在研究區(qū)設置3條300m長的平行樣線,相鄰兩條樣線之間間隔50m,在每條樣線上每隔10m設置1個1m×1m的樣方(圖1),在樣方內(nèi)隨機選取5個點,分0—5cm、5—10cm和10—15cm3個層次,按梅花狀采集土壤樣品,并將同一層次的5個土樣混合,帶回實驗室進行土壤水分的測定。為了避免降雨對土壤水分的影響,采樣時間選在雨后10d進行,并在1d內(nèi)采集完所有土樣。1.3群落特征的空間變異規(guī)律在采集土壤樣品的同時,設置1m×1m的植被樣方,調(diào)查植物群落物種數(shù)、每種植物的高度、多度、頻度和分蓋度,由此換算出樣方內(nèi)的植被密度和植被總蓋度,本文選用植物群落物種數(shù)、植被密度和植被蓋度進行地統(tǒng)計學分析,以揭示沙漠化臨界區(qū)域植被特征的空間變異規(guī)律。1.4土壤含水量土壤水分含量采用烘干法測定。土壤樣品帶回實驗室后,先稱量土壤鮮重,然后放入烘箱,溫度設為105℃,恒溫烘8h后取出,稱量土壤干重,并根據(jù)土壤鮮重和干重計算土壤含水量,計算公式為:土壤含水量=(土壤鮮重-土壤干重)/土壤干重×100%。1.5空間自相關(guān)性分析采用Excel2003進行數(shù)據(jù)的錄入、整理及平均值、標準差和變異系數(shù)等的計算;采用SPSS13.0進行描述性統(tǒng)計分析、K-S檢驗和相關(guān)、偏相關(guān)分析;采用GS+地統(tǒng)計學軟件進行地統(tǒng)計學分析,主要包括以下3個步驟:首先,計算半變異函數(shù),并選擇函數(shù)的最優(yōu)模型。半變異函數(shù)的計算公式式中,ue84aSymbolgA@(h)為半變異函數(shù),h是兩樣點間空間間隔距離,N(h)為間隔距離為h時的樣點對的總數(shù),Z(xi)、Z(xi+1)分別是區(qū)域化變量Z(x)在空間位置xi和xi+1的實測值。半變異函數(shù)有4個重要參數(shù),即塊金值、基臺值、變程和結(jié)構(gòu)方差比(C/Co+C)。一般認為,結(jié)構(gòu)方差比小于0.25、在0.25—0.75之間和大于0.75分別表示弱空間自相關(guān)性、中等程度的空間自相關(guān)性和強空間自相關(guān)性。然后,利用塊段克里格(Blockkriging)法進行空間局部插值估計,并進行交叉證實檢驗。最后,根據(jù)克里格插值結(jié)果,繪制土壤水分和植被特征的空間分布圖。2結(jié)果2.1柯爾莫哥精密度與土壤水分的關(guān)系研究區(qū)土壤水分在0.287%—22.498%之間變化,土壤水分隨土層深度增加而遞增(表1),其中5—10cm和10—15cm兩層土壤水分數(shù)據(jù)具有較好的中心趨向分布;而0—5cm土壤水分的平均值與中數(shù)相差較大。獨立樣本柯爾莫哥洛夫-斯米諾夫(K-S)檢驗顯示,5—10cm和10—15cm土壤水分以及植物群落物種數(shù)、植被蓋度、植被密度的數(shù)據(jù)都符合正態(tài)分布,而0—5cm土壤水分的數(shù)據(jù)為非正態(tài)分布。3個層次土壤的含水量、植被蓋度和植被密度的數(shù)據(jù)偏度都大于0,正態(tài)曲線圖帶有較長的右尾,而植物群落物種數(shù)的偏度小于0,帶有較長的左尾(圖2);5—10cm和10—15cm土壤水分、植物群落物種數(shù)、植被蓋度和植被密度的峰度均為負值,數(shù)據(jù)分布的峰都低于標準正態(tài);而0—5cm土壤水分的峰度為正數(shù),數(shù)據(jù)分布的峰高于標準正態(tài)。3個層次土壤水分以及植物群落物種數(shù)、植被蓋度和植被密度都呈中等程度的變異,且變異系數(shù)隨土壤深度的增加有減小的趨勢,表明土壤水分隨土壤深度的增加趨于均一。2.2土壤水分的主要特征地統(tǒng)計學分析要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布,否則會存在比例效應,導致半變異函數(shù)的波動大,使估計誤差增大。0—5cm土壤水分數(shù)據(jù)經(jīng)K-S檢驗不符合正態(tài)分布,因此需對其進行對數(shù)轉(zhuǎn)換,處理后,符合正態(tài)分布,可以進行地統(tǒng)計學分析。0—5cm和5—10cm土壤水分符合指數(shù)模型,而10—15cm土壤水分、植物群落物種數(shù)、植被蓋度和植被密度都符合球狀模型(圖3)。3個層次土壤水分的決定系數(shù)r2分別為:0.876、0.754和0.666,而植物群落物種數(shù)、植被蓋度和植被密度的決定系數(shù)都較大,分別為0.969、0.909和0.931(表2)。土壤水分的塊金值和基臺值都隨著土壤深度的增加而遞增;0—5cm土壤水分、植物群落物種數(shù)和植被蓋度的結(jié)構(gòu)方差比較大,分別為0.999、0.813和0.771,表現(xiàn)為強空間自相關(guān)性,具有明顯的結(jié)構(gòu)特征,而5—10cm和10—15cm土壤水分、植被密度的結(jié)構(gòu)方差比分別為0.632、0.598和0.646,均為中等程度的空間自相關(guān)性;0—5cm土壤水分的變程最小,為27.5m,接下來分別是植被密度、植物群落物種數(shù)和植被蓋度,分別為214.4m、216.9m和255.7m,而5—10cm和10—15cm土壤水分的變程較大,分別為500.5m和510.9m(表2)。2.3植被密度和土壤水分土壤水分和植被各指標交叉證實檢驗的回歸系數(shù)分別為:0.809(0—5cm土壤水分)、0.911(5—10cm土壤水分)、1.086(10—15cm土壤水分)、0.956(植物群落物種數(shù))、0.990(植被蓋度)和1.064(植被密度),回歸系數(shù)都接近1,表明估計值與真實值都很相近。從圖4可以看出,土壤水分和植被特征都具有明顯的空間分布格局。沿著樣線走向,各層土壤水分均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,其中0—5cm土壤水分變化比較劇烈,牛枝子群落含量最低,然后升高到最大,之后又開始降低,中間有突然的升降變化;而5—10cm和10—15cm土壤水分的變化過程相對緩和,表現(xiàn)為一種漸變類型(圖5);相對于土壤水分,植物群落物種數(shù)具有更加明顯的空間變異性,也表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢,這種變化也有突變的過程(圖5);植被蓋度和植被密度沿著樣線的走向呈減小的趨勢,植被蓋度的變化也比較劇烈,而植被密度的變化較為平緩。在東西方向,各層土壤水分都表現(xiàn)為東端高西端低的趨勢,這種趨勢對于5—10cm土壤水分尤為明顯。2.4立地因子與植被密度的相關(guān)性從表3可以看出,各層土壤水分之間的相關(guān)性都達到極顯著水平(P<0.01);植物群落物種數(shù)與0—5cm土壤水分、植被密度之間都具有顯著正相關(guān)(P<0.05),與植被蓋度之間具有極顯著正相關(guān);植被蓋度與植被密度之間也具有極顯著正相關(guān)。由于各層土壤水分之間、植物群落物種數(shù)與植被蓋度之間,以及植被蓋度與植被密度之間都呈極顯著的正相關(guān),它們之間相互影響,在求一個指標與另一個指標的相關(guān)關(guān)系時,往往因為其他指標的作用,使相關(guān)系數(shù)不能真正反映所求的兩個變量間的線性程度,因此需要進行偏相關(guān)分析,即依次控制其他所有變量,對其中兩個變量的相關(guān)性進行分析,結(jié)果如表4所示。從表4可以看出,植物群落物種數(shù)與植被蓋度的相關(guān)性達到極顯著水平,與0—5cm土壤水分之間具有顯著正相關(guān),與其他各個指標的相關(guān)性不顯著;植被蓋度與植被密度的相關(guān)性也達到極顯著水平,但與各層土壤水分的相關(guān)性都不顯著;植被密度與各層土壤水分的相關(guān)性也都不顯著。3討論3.1土壤水分的界面變化研究區(qū)既是沙漠化臨界區(qū)域,也是一個群落界面,是牛枝子群落與黑沙蒿群落的交錯帶,具有界面特征,游動分割窗峰值圖在第22個樣方附近出現(xiàn)波峰,即為群落界面的位置。在本研究中,植物群落物種數(shù)沿樣線方向的變化最為明顯,在牛枝子群落,植物群落物種數(shù)較少,隨著樣線方向距離的增大,植物群落物種數(shù)逐漸增多,達到最大值后開始下降,最后降到最低。植物群落物種數(shù)的上述變化過程與研究區(qū)的界面過程基本重疊,很明顯,植物群落物種數(shù)的變化可以從界面效應的角度得到解釋。以往的研究一般認為,景觀界面內(nèi)物種多樣性增加,這與本研究的結(jié)果是一致的。研究區(qū)土壤水分在樣線方向總體上也表現(xiàn)為先升高后降低的變化趨勢,這種趨勢雖然沒有植物群落物種數(shù)的明顯,但也反映了一定的界面變化過程。土壤水分是控制草地植被空間結(jié)構(gòu)的主要因素之一,除了土壤水分,土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性,以及火燒、動物采食等干擾活動也是影響植被結(jié)構(gòu)的主要因素。在本研究中,土壤水分的界面變化過程與植物群落物種數(shù)的基本一致,與植被蓋度和密度的變化過程差別較大。植物群落物種數(shù)的空間格局主要體現(xiàn)植被物種的空間分布,而植被蓋度和植被密度主要體現(xiàn)植被的生長狀況,可以看出,植被物種空間分布與土壤水分的空間變異性比較相似,而植被生長狀況可能受土壤養(yǎng)分異質(zhì)性,以及外界干擾的影響較大。已有的研究也表明,該沙漠化臨界區(qū)域土壤養(yǎng)分具有較強的空間異質(zhì)性,因此,植被生長狀況可能與土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性關(guān)系更加密切。對于半干旱的毛烏素沙地,土壤水分無疑是制約植被空間格局的主要因素之一,而植被格局也會影響包括土壤水分在內(nèi)的土壤環(huán)境因子的變化,本研究中土壤水分與植物群落物種數(shù)相似的界面變化過程就是一個例證,這與高陽等對寧夏鹽池沙地的研究得出沙地水分含量決定植被分布格局的結(jié)論相一致;然而土壤水分與植被蓋度和密度的空間格局存在差異,另一方面也是由于沙地生態(tài)系統(tǒng)中土壤因子的變化滯后于植被的變化,植被特征在群落演替過程中的變化更加敏感,從而使植被的某些屬性與土壤水分的空間格局產(chǎn)生分異。3.2植被蓋度與土壤水分的關(guān)系水分是制約干旱、半干旱地區(qū)植物生存和生長發(fā)育的關(guān)鍵因素,對植被狀況和生態(tài)恢復有很大的限制作用,植物對水分的利用主要是通過根系對土壤水分的吸收,因此,土壤水分與植被特征之間具有密切的聯(lián)系。王春紅等對山西河溝流域的研究表明,植物種分布和土壤水分的空間分布關(guān)系密切,而且基本上是正相關(guān),這與本文的結(jié)果一致。在本研究中,植物群落物種數(shù)與0—5cm土壤水分呈顯著正相關(guān),表明0—5cm土壤水分含量的高低與植物群落物種數(shù)的多少密切聯(lián)系,是制約植被物種空間分布的決定性因素。同時,各層土壤水分之間都具有極顯著的正相關(guān),這主要是由于土壤分層是為了研究需要而人為設計的,在自然狀態(tài)下,各層土壤的水分之間通過滲透、蒸散等作用密切聯(lián)系,因此它們之間極顯著正相關(guān);植被蓋度與植物群落物種數(shù)、植被密度之間都具有極顯著的正相關(guān),表明研究區(qū)植被各種屬性之間相互制約、密切聯(lián)系,這與陳玉福等在毛烏素沙地的研究結(jié)果是一致的;但本研究中植物群落物種數(shù)與植被密度之間不具有顯著的相關(guān)性,也說明了某些植被屬性之間存在一定的獨立性,在植物物種聚集分布的地方植被生長狀況不一定好。植被蓋度、密度和各層土壤水分之間都不具有顯著的相關(guān)性,表明沙漠化臨界區(qū)域表層土壤水分并不是植被生長狀況的制約因素,這個結(jié)果與一些相關(guān)的研究結(jié)論不太一致。王蕙等在荒漠綠洲過渡帶的研究認為,植被蓋度與表層土壤水分具有顯著的負相關(guān);賈海坤等對黃甫川流域檸條林地的研究指出,植被通過蒸騰作用消耗土壤中的水分,土壤水分隨著植被蓋度