荒漠草原2种群落灌丛堆土壤水分的空间特征
2017-10-23张义凡刘学东杨新国李学斌
张义凡,陈 林,刘学东,杨新国,李学斌
(1.宁夏大学 西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室,宁夏 银川 750021;2.宁夏大学 西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地,宁夏 银川 750021;3.宁夏大学 西部生态与生物资源开发联合研究中心,宁夏 银川 750021;4.宁夏大学科学技术处,宁夏 银川 750021)
荒漠草原2种群落灌丛堆土壤水分的空间特征
张义凡1,2,3,陈 林1,2,3,刘学东1,2,3,杨新国1,2,3,李学斌4*
(1.宁夏大学 西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室,宁夏 银川 750021;2.宁夏大学 西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地,宁夏 银川 750021;3.宁夏大学 西部生态与生物资源开发联合研究中心,宁夏 银川 750021;4.宁夏大学科学技术处,宁夏 银川 750021)
【目的】为阐明植被群落与土壤水分空间异质性的关系。【方法】以荒漠草原2种灌丛堆为对象,运用地统计学方法研究了不同灌丛堆(白刺、沙蒿)3种生境(冠下、冠缘、空地)及不同土层土壤水分的空间异质性(c.v.)。【结果】结果表明:土壤水分的空间异质性明显,不同群落类型土壤含水量之间的差异表现为不同群落类型之间大于同一群落不同生境大于同一群落同一生境不同土层,其含水量最大差异分别为162.28 %、74.66 %、97.44 %,在空地20~40 cm土层中,沙蒿沙堆土壤含水量达到白刺的2.62倍;在同一群落之间土壤含水量和水分空间异质性表现为空地>冠缘>冠下;在同一群落同生境中随着土层深度的增加,土壤水分含量增加,变化明显,异质性增大。【结论】荒漠草原自然形成的沙堆微地形地貌引起各非生物要素在空间上的重新分配作用,显著影响土壤水分空间异质性特征。
荒漠草原;植被群落;水分;空间异质性
【研究意义】灌丛沙堆是荒漠草原主要的风沙堆积地貌,是风沙流受灌丛植被阻拦堆积而成,能起到固定流沙、稳定绿洲生态系统的作用[1]。灌丛沙堆主要分布在干旱、半干旱地区,土壤水分是干旱地区固沙植被生长发育的限制因子,也是决定沙地生态系统结构和功能的关键因子[2-3]。近年来,随着人工固沙植被的发展,部分人工林下水分条件日趋恶化,致使固沙植物衰退甚至死亡[4],局部地段的沙包每年以3~5 m的速度向绿洲移动[5],对绿洲工农业生产和居民生活形成严重的威胁。所以干旱区灌丛植物对土壤水分的改变的研究有着重要的现实意义[6]。
【前人研究进展】土壤水分是荒漠草原区土地可持续利用的重要指标[7],其空间异质性的存在对土壤侵蚀、溶质迁移和土壤—大气之间相互作用等水文学过程以及土壤形成过程产生较大影响。土壤水分空间异质性一直是国内外专家研究的热点问题[8-9]。【本研究切入点】国内主要通过经典统计学和地统计学,针对单一土壤水分的时空变异特征[10-12]和不同土地利用类型对土壤水分影响[13-14]的研究已有不少,但针对荒漠草原过渡区沙漠化逆转过程中土地利用类型与土壤水分空间关系的研究较为鲜见[15-16],宁夏盐池县荒漠草原区由于过度放牧和干旱的影响,草地沙化严重,对灌丛周围土壤水分空间异质性的研究更少[17-18]。【拟解决的关键问题】本研究探讨不同灌丛堆土壤水分空间异质性,了解灌丛堆对土壤水分更新过程、土壤水分空间异质性的影响。对了解水分对根系的影响以及植物的空间格局等有重要的参考价值,为干旱区固沙植被的人工辅助恢复和管理提供理论依据,也对干旱沙区植被建设和人工植被的生态管理具有重要的生态意义。
1 研究区概况
研究区位于毛乌素沙漠南缘的荒漠草原带。地理位置东经37°05′~38°10′、北纬106°03′~107°37′,平均海拔1600 m。该区域属典型的大陆性季风气候,年降水量208 mm左右,年蒸发量2100 mm。降水主要集中在夏秋季,7-9月降水占全年总降水量的62 %;光照充足,热量适中,年太阳辐射值为586 J/cm2,高于10 ℃的积温2944.9 ℃;年平均气温7 ℃,年降水量287 mm,年平均相对湿度51 %;无霜期为129 d,绝对无霜期为98 d;土壤类型主要是沙化灰钙土,土壤质地多为风沙土和沙壤土,结构松散、肥力贫瘠,pH 8.6~8.9。全年主风向为西风和西北风,年平均风速北部为2.9 m/s,多发生在春季和冬季。研究区域有大量的白刺和沙蒿灌丛沙堆分布,其伴生物种有猪毛菜(Salsolacollina)、猪毛蒿(Artemisiascoparia)、牛枝子(Lespedezabicolor)、山苦荬(Ixeridiumgramineum)、 白草(Pennisetumcentrasiaticum)、刺沙蓬(Salsolaruthenica)、牛心朴子(Cynanchumkomarovii)、蒙古冰草(Agropyroncristatum)。样地植被基本情况如表1 所示,灌丛堆基本情况如表2所示。
2 材料与方法
2.1 试验方法
为确定盐碱地白刺和沙蒿灌丛堆堆周围土壤水分的空间分布,2014年8月中旬实验样地内随机选取3个发育基本一致,面积大小约5 m×5 m左右的白刺、沙蒿沙堆,灌丛堆基本情况如表2所示。在沙堆按照东、南、西、北4个方向用土钻在分别于灌丛堆堆顶(冠下),沙灌丛堆边缘(冠缘)和灌丛堆间(空地)3种不同生境按土层深度0~10、10~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm 6个土层采取土壤,同种生境同土层沙堆4个方向上的土样混合均匀,去除植物残体和石块,装入铝盒带回实验室进行测定。
表1 2种灌丛植被及形态特征Table 1 The morphological characteristics of 2 kinds of bushes
表2 灌丛堆基本情况Table 2 Fundamental state of the brush pile
图1 2种灌丛堆水分水平分布特征及其变化规律Fig.1 The water level distribution and its variation law of 2 kinds of brush pile
2.2 试验方法
用烘干(105 ℃)称重法测定土壤含水量。
2.3 计算方法
土壤含水率是以土壤中所含水分重量占烘干土重的百分数表示。土壤含水率 = ( 烘前重 - 烘后重) /烘后重 × 100 %。
土壤贮水量是指底面积为1 cm2,高为土层深度的土柱内水的高度,它是由土壤体积含水量、土层深度计算而得。E=M体×H,式中,E为土壤贮水量(mm),M体为土壤体积含水量( %),H为土壤厚度(mm)。根据上式累加可计算出一定深度沙土层的土壤贮水量。
2.4 统计分析
采用T-检验比较同一灌丛同一水平梯度(或垂直梯度)土壤含水量差异,采用单因素方差分析比较同一灌丛不同生境、不同水平尺度土壤含水量的空间异质性,显著水平取α=0.05,以上均通过SPSS 22.0软件实现,用Excel2010软件绘图。
3 结果与分析
3.1 灌丛堆土壤含水量水平分布特征及其变化规律
白刺灌丛堆不同生境同一土层深度土壤含水量变化明显(P<0.05)(图1A)。呈浅层冠缘高,深层空地高的趋势。表层(0~10 cm)土壤含水量表现为灌丛堆冠下>冠缘>空地;在浅层(10~20、20~40 cm)冠缘的含水量最高,分别为2.84 %、2.86 %, 深层(40~60、80~100 cm)土层中各生境土壤含水量正好与表层(0~10 cm)结果相反,即冠下<冠缘<空地,且80~100 cm空地含水量较冠下、冠缘有显著增加(P<0.05)。
由图1B可看出,沙蒿灌丛堆不同生境同一土层土壤含水量变化同样显著(P<0.05)。不同生境同一土层含水量总体表现为“内低外高”的趋势,浅层(0~10、10~20 cm)冠缘含水量最大,分别达到5.38 %、4.94 %;随土层深度增加,冠缘和空地土壤含水量增加明显,且空地增加幅度最大,表现出空地>冠缘>冠下,80~100 cm空地较冠下、冠缘含水量之间差异达到显著水平(P<0.05)。由此说明:植被对土壤水分的影响较大,在土壤水分保持过程中起到绝对的积极作用,且不同物种对土壤水分的影响存在差异性,沙蒿相比白刺有更好的保水效果。
3.2 灌丛堆土壤含水量垂直分布特征及其变化规律
白刺灌丛堆同一生境不同土层土壤含水量变化明显(P<0.05)(图2A)。随着土层深度的增加,白刺灌丛堆冠下在0~100 cm的土壤含水量的变化呈现“S”趋势,土壤水分总的变化范围在 2.17 %~2.71 %。冠缘土壤水分先增加后减少,在60~80 cm达到最大值,平均值为 2.65 %;空地的土壤水分变化范围在1.81 %~3.14 %,平均值为 2.56 %,空间异质性较大,且无稳定的变化规律。
沙蒿灌丛堆各生境的含水量相对于白刺灌丛堆较高,且变异幅度相对较小。如图2B所示,整体上沙蒿灌从堆土壤含水量在3种不同生境下均表现为随土层深度的增加而增加,局部土层出现波动性,冠下和冠缘土壤含水量在土壤垂直剖面上表现出一致性,即随土层深度增加呈先减少后稳定再持续增加,呈现出“U”型变化趋势,在20 cm处达到最低值分别为3.82 %和4.94 %,在80~100 cm处达到最大值,分别为6.46 %和6.37 %;空地土壤含水量随土层深度的增加呈波动性变化规律即:在10~20 cm达到最低为4.35 %,20 cm以下随土壤深度的增加含水量持续增加,80~100 cm达到最大值(8.19 %)。 由此说明:在植被根系分布的土层,土壤含水量主要受植被的影响,在无根系或根系活动小的空地土壤水分存在不稳定性。
图2 2种灌丛堆水分垂直分布特征及其变化规律梯度变化Fig.2 The moisture gradient characteristics of vertical distribution and its variation law of two brush pile
3.3 不同群落灌丛堆土壤贮水量分布特征及其变化规律
不同群落类型灌丛堆土壤贮水量也有显著的差异(P<0.05)。不同群落灌丛堆土壤贮水量差异大于同一群落不同生境之间的差异。由图3可知,在冠下、冠缘和灌丛间空地,沙蒿土壤贮水量明显高于白刺;同一生境土壤贮水量呈现为深层贮水量高于浅层,2种群落灌丛堆深层土壤贮水量则表现为空地>冠缘>冠下,且深浅层土壤贮水量之间的差异也表现为空地最大,冠缘次之,冠下最小。由此说明:植被的生存对土壤水分保持起到绝对作用,植被稀少的空地,土壤水分含量波动大,稳定性差,利用率低。
3.4 不同灌丛堆不同生境土壤含水量空间异质性
根据不同灌丛堆不同生境土壤含水量的平均数、标准差和变异系数,以土壤含水量的垂直分层级标准为基础,将土层进行分层(表3)。白刺灌丛堆不同部位的土壤垂直方向的变异性随土层深度的增加逐渐变小,到80~100 cm是突然增大,转为速变层。沙蒿的各土层变异系数相对白刺较高,且随土层深度的变化没有明显的变化规律,在0~20 cm土层中,变异系数远远超过40 %,归为速充层,随土壤深度的加大,变异系数有减小的趋势,但是没有规律型,速变层与活跃层随机出现。
4 讨 论
4.1 2种灌丛堆不同生境与土壤含水量的变化
微环境差异和地表干扰是决定植物分布格局的主要原因,不同的植被分布格局也促进了微环境的形成[19]。根据实测不同生境不同层次的土壤含水量(图1),结合不同微环境特征,对比不同灌丛堆区域环境因子、植被特征及土壤含水量之间的关系,由此可推测,同一灌丛堆微环境中,土壤含水量浅层冠缘高,深层空地高的“内高外低”分布格局,是不同微环境中植被组成及植被形态结构的差异引起的。本研究中,白刺灌丛堆浅层冠缘高,深层空地高,内部表层(0~10 cm)土层的土壤含水量冠下>冠缘>空地,在40 cm以下土层中,基本表现为空地的含水量最高,这与王红梅对雨后草地土壤水分空间异质性受土壤含水量变化的研究结果相似[20],是由于灌丛堆植被的庇荫和根系的吸附作用对土壤水分的变化产生了较大影响,植物对土壤水分的作用主要表现在植物的叶冠能拦截降雨,减少土壤水分的蒸发消耗增强蒸腾损耗;枯枝落叶覆盖地面,可以增加入渗;植物根系也能增加水分的入渗和下渗,从而对土壤水分产生影响;植被盖度可以驱动土壤水分空间变异的形成,但不同种植物对土壤水分的影响程度不同,结合赵岩、周文渊[21]等对毛乌素沙地沙蒿灌木根系分布特征与土壤水分研究,对植物多样性分布格局、干扰因素(地表羊粪量)及植物根系垂直形态特征的空间异质性可知,沙蒿表层内部含水量最低,与白刺形态不同,随着土层深度的增加,灌丛堆的土壤含水量一直表现为空地>冠缘>冠下,主要是与沙蒿群落根系的分布及对生态水文的循环利用密切相关的生存策略所致,沙蒿根系主要分布在0~60 cm,呈“伞”型分布,且侧根对水分的吸收较多,达到总吸水率的60 %。分析表明:植物分布格局和人为干扰是白刺、沙蒿灌丛堆土壤水分空间异质性的首要控制因素。群落中物种组成和形态结构的变化,可直接影响土壤水分养分的周转速率。微环境中的地形因素综合影响着植物群落物种组成,本研究中的不同生境的土层实际也是反映了微环境区域中,地形在整个平面上的起伏程度,其显著影响着灌丛堆土壤水分的空间格局。
图3 不同植被灌丛堆土壤贮水量分布特征及其变化规律Fig.3 The soil pondage of vegetation distribution and its variation law of different brush pile
表3 不同灌丛土壤水分垂直分层Table 3 The vertical layered of soil moisture of different brush
4.2 灌丛堆土壤贮水量与水分空间异质性关系
土壤水分空间异质性在任何研究尺度都有存在,主要受土壤质地、植被分布格局、地形地貌、人为干扰、地下水位及其他气候因子的影响[22-23],研究土壤水分的空间异质性可进一步了解研究区域的水文循环过程。国内外学者针对土壤水分空间异质性的研究较多,不同的研究得出的结果不尽一致,对于土壤水分空间异质性与土壤水分含量的的关系一致存在争议。左小安[24]等人研究表明,土壤水分空间异质性(c.v.)与土壤水分含量呈负相关。Lorens等提出土壤水分空间变异性峰值的出现与土壤平均水分含量有关的假想[25]。以上研究都针对同一研究尺度展开,在本试验中,不同群落类型土壤水分空间异质性显著大于同一群落同一土层不同生境和同一群落同一生境不同土层的异质性(P<0.05)。与有些研究结果相似,同一灌丛同生境下,深层土壤水分空间异质性大于浅层,主要因为深层土壤贮水量大于浅层,从灌丛冠下到冠缘再到空地,深层与浅层土壤贮水量之间的差异越来越大,主要由浅层贮水量变化幅度较大所导致,大部分根系集中分布在浅层土壤。不同微环境地貌特征约束条件下,土壤水分空间异质性是多种环境要素共同作用的结果,但土壤水分空间异质性对不同环境要素的响应程度存在较大差异[26],这种差异性很可能与植被特征、放牧干扰强度及微环境地理位置存在密切相关性。结合灌丛堆的群落类型,分析土壤水分贮水量及变异程度,可明确得出,植被组成及物种的多样性是促成土壤水分空间分布及水分空间异质性的根本原因;在本研究中,水分空间异质性活跃等级随机分布,与土壤贮水量之间没有绝对的相关性,这与王红梅[20]等的而研究结果相似,说明同群落、同等地形条件下土壤水分空间异质性决定于植被形态和根系结构,白刺灌丛堆3种生境下土壤浅层(0~40 cm)贮水量显著低于深层(40~100 cm),这与秦佳琪和黄刚等[27]研究结果一致,白刺典型丛生且枝多密集的植被形态是导致水分空间异质性的关键因素,对降水的截留作用较强,受降雨强度、频率以及土壤结皮等因素的影响较大,使得灌丛下土壤水分含量变化活跃,变异系数增大,导致速变层和活跃层的分布较多;随着放牧强度的增加,土壤水分空间异质性减小甚至消失,从样地实际情况来看,白刺灌丛堆距离围栏口最近,羊只采食、栖息活动频繁,强烈干扰可以加速地表枯落物大量输入土壤系统。因此,地表枯落物在空间上的分布很可能通过影响土壤水分循环间接作用土壤水分的空间分布。通过以上分析可进一步可推测:植被独有的形态特征是形成土壤水分空间异质性最主要的影响因素。
5 结 论
不同微环境地貌特征约束条件下,土壤水分空间异质性是多种环境要素共同作用的结果,但由于植被特征、放牧干扰强度及微环境地理位置的影响,其对不同环境要素的响应程度存在很大差异,植被组成及物种的多样性是促成土壤水分分布格局及水分空间异质性的主导因素。
不同群落类型之间土壤水分的空间异质性明显,但是在各生境各层次的差异表现不同。土壤含水量之间的差异表现为不同群落类型之间大于同一群落不同生境大于同一群落同一生境不同土层。深层少根系分布区域土壤贮水量总体大于浅层土壤贮水量。植物在生态恢复过程中起到绝对性的作用,所以人工辅助恢复过程中应该做到“适地取材”。
不同群落类型灌丛堆土壤水分空间异质性活跃等级随机分布,与土壤贮水量之间没有绝对的相关性,不同群落类型之间土壤贮水量的差异大于同一群落类型不同生境之间的差异,对于不同植被在不同微环境下水分循环、土壤水分保持等方面的生存对策,还需要进一步的研究了解准确的调节机理机制。
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SpatialCharacteristicsofSoilMoistureof2CommunitiesinDesertGrassland
ZHANG Yi-fan1,2,3,CHEN Lin1,2,3,LIU Xue-dong1,2,3,YANG Xin-guo1,2,3,LI Xue-bin4*
(1.Key Laboratory for Restoration and Reconstruction of Degraded Ecosystem in North-Western China of Ministry of Education,Mingxia Yinchuan 750021,China;2.Breeding Base for State Key Laboratory of Land Degradation and Ecological Restoration of North-western China,Mingxia Yinchuan 750021,China; 3.Union Research Center for Ecological and Exploitation of Biological Resources in Western China,Ningxia University,Mingxia Yinchuan 750021,China;4.Science and Technology Department of Ningxia University,Mingxia Yinchuan 750021,China)
【Objective】The present paper was conducted to illustrate the relationship between spatial heterogeneity of vegetation and soil moisture.【Method】Two brush piles were taken as the research object and geography statistics method were adopted to study the different brush pile (Nitrariatangutorum,Artemisiadesertorum) three kinds of habitat (crown,margin,space) and the spatial heterogeneity of soil moisture(c.v.) in different soil layer.【Result】The spatial heterogeneity of soil moisture(c.v.) had a significant difference in different community.The difference of soil moisture content in different community types showed that the difference in different types of community was greater than in the same community in different habitat,which was greater than in the same community in the same habitat but different soil layer.The biggest difference of water content were 162.28 %,74.66 %,97.44 %,in the field 20-40 cm soil layer.The soil moisture of contentArtemisiadesertorumsand was 2.62 times as much asNitrariatangutorum; Soil moisture content and moisture spatial heterogeneity in the same community were characterized by space > margin > crown.In the same community and the same habitat,soil moisture content added with the increase of soil depth,which changed obviously with the increase of heterogeneity.【Conclusion】Sand micro topography made by desert grassland naturally leads to the redistribution effect of various abiotic factors on the space and affects obviously the spatial heterogeneity feature of soil moisture.
Desert grassland;Vegetational type;Moisture;Spatial heterogeneity
1001-4829(2017)4-0836-06
10.16213/j.cnki.scjas.2017.4.021
2016-10-13
国家自然科学基金项目(31460123,41101301,31260 581);教育部科学技术研究项目(413060)
张义凡(1991-),女,硕士研究生,主要从事恢复生态学研究,E-mail: 18209674643@163.com,*为通讯作者:李学斌(1972-),男,博士,副研究员,硕士生导师,主要从事草地生态学、土壤碳循环方面的研究,E-mail:lixuebin@nxu.edu.cn。
S714.8
A
(责任编辑 李 洁)