全 文 ：植物生态学报 2013, 37 (5): 464–473 doi: 10.3724/SP.J.1258.2013.00048
Chinese Journal of Plant Ecology http://www.plant-ecology.com
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收稿日期Received: 2013-01-21 接受日期Accepted: 2013-04-08
* 通讯作者Author for correspondence (E-mail: 13948815709@163.com)
戈壁灌丛堆周边地表土壤颗粒的空间异质特征
王淮亮1 高君亮2 原伟杰3 李玉宝4 高 永1*
1内蒙古农业大学生态环境学院, 呼和浩特 010019; 2中国林业科学研究院沙漠林业实验中心, 内蒙古磴口 015200; 3国际竹藤中心, 北京 100102; 4温
州大学生命与环境科学学院, 浙江温州 325035
摘 要 研究戈壁地区单个灌丛及其下沙堆这一有机整体对周边土壤风蚀的抑制能力, 对加强相关地区的植被类型及其空
间配置格局的防沙效应研究十分重要, 可为荒漠化监测的评价和制定科学的防治措施提供参考。该文利用数字图像处理技术,
获取吉兰泰盐湖北部戈壁上单个白刺(Nitraria tangutorum)灌丛沙堆和沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)灌丛沙堆周边地
表不同土壤风蚀颗粒的百分含量; 并采用经典描述性统计及地统计学方法, 对各类土壤风蚀颗粒百分含量的水平空间异质性
进行分析。结果表明: (1)灌丛基部和下风向是细物质积累区, 以灌丛堆为中心向外, <0.42 mm的细颗粒含量呈减少趋势; 而且
细物质积累的最大值出现在白刺灌丛的迎风侧附近, 沙冬青样地则相反, 出现在灌丛的背风侧附近。在沙源物质有限的戈壁
中, 白刺的防风固沙作用集中体现在灌丛附近, 其水平空间尺度范围不及沙冬青, 这亦是白刺样地粗粒化程度高于沙冬青样
地的原因。(2)白刺和沙冬青灌丛附近地表中粒径>0.84 mm (不可蚀)、0.84–0.42 mm (半可蚀)及<0.42 mm (高度可蚀)颗粒的空
间异质性尺度分别为17.80 m、66.63 m、8.41 m和9.82 m、15.33 m、14.91 m, 均超出了灌丛冠幅覆盖范围, 空间自相关部分
比例C/(C0 + C)在63.40%–99.96%之间, 由此推断灌丛沙堆附近的风沙流特征是造成相应尺度内土壤颗粒空间异质性的主要
因子。(3)高度可蚀颗粒的空间异质性尺度略大于灌丛平均间距(8.77 m包括灌丛半径), 从防止土壤风蚀来看, 这说明研究区
内的建群种灌丛间存在一定程度的相互促进关系, 有利于该区植被的稳定与发展。
关键词 数字图像处理, 灌丛沙堆, 地表粗粒化, 土壤风蚀, 空间异质性
Spatially heterogeneous characteristics of surface soil particles around nebkhas in the Gobi
Desert
WANG Huai-Liang1, GAO Jun-Liang2, YUAN Wei-Jie3, LI Yu-Bao4, and GAO Yong1*
1College of Ecology and Environmental Science, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019, China; 2Experimental Center of Desert Forestry,
Chinese Academy of Forestry, Dengkou, Inner Mongolia 015200, China; 3International Centre for Bamboo and Rattan, Beijing 100102, China; and 4College of
Life and Environmental Science, Wenzhou University, Wenzhou, Zhejiang 325035, China
Abstract
Aims We studied single desert shrubs and their role in sand accumulation to provide references for monitoring
and evaluating soil wind erosion and for scientifically establishing controlling measures. This research is impor-
tant for strengthening sand fixation effects of vegetation.
Methods We obtained percentage composition of soil particles in wind erosion surfaces around single shrubs of
Nitraria tangutorum and Ammopiptanthus mongolicus in the Gobi Desert north of Jilantai salt lake with digital
image processing technology. We analyzed their horizontal spatial heterogeneities by classic descriptive statistics
and geostatistical methods.
Important findings Enrichment of soil fine particles appeared on the base of nebkhas and in the downwind di-
rection. The percentage of soil particles (<0.42 mm) decreased from the center of shrubs to the sample plot. The
maximum value of soil particles enrichment was on the windward side around N. tangutorum and on the leeward
side of A. mongolicus. In the Gobi Desert where sand material is limited, the effect of wind prevention and sand
fixation was concentrated around N. tangutorum, although the spatial scale affected was smaller than with A. mon-
golicus. This explained that the degree of coarse grains in the N. tangutorum sample plot was higher than that of
A. mongolicus. The spatial heterogeneity scales of soil particles (>0.84 mm, 0.42–0.84 mm and <0.42 mm) in
wind erosion surface around N. tangutorum and A. mongolicus were 17.80, 66.63 and 8.41 m and 9.82, 15.33 and
14.91 m, respectively, all of which were beyond the shrub canopy cover. The proportion (C/(C0 + C)) of structured
elements was 63.40% to 99.96%, which indicated that wind-drift sand characteristic around nebkhas was the most
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important factor in the spatial heterogeneity of soil particles of corresponding scale. The spatial heterogeneity
scale of highly erodible soil particles was greater than the average space of nebkhas (8.77 m, which included the
semidiameter of nebkhas). The prevention of soil wind erosion by the relation between nebkhas and species is
beneficial for stabilization and development of vegetation in this area.
Key words digital image processing, nebkhas, soil coarse graining on land surface, soil wind erosion, spatial
heterogeneity

土壤风蚀是危害干旱、半干旱及部分半湿润地
区的主要环境问题。由风蚀造成的草地、农田退化,
不仅使土地生产力下降, 而且还严重破坏当地及周
边地区的生态环境(孙悦超等, 2007)。国内外研究表
明, 风蚀是一个综合的自然地理过程, 它的发生是
土壤自身内在条件和外在风力条件共同作用的结果
(Merrill et al., 1999), 内在条件是土壤自身抗风蚀能
力不足以抵抗风力对土壤产生的剥离和推移作用,
其中土壤粒度组成在很大程度上决定了土壤抗风蚀
性的强弱, 是影响风蚀发生、发展的一个关键因子
(Chepil, 1953)。
随着风沙地貌和沙漠化过程研究的深入, 灌丛
堆作为一种主要的沙漠植被类型(岳兴玲等, 2005),
受到了越来越多的关注。研究表明, 干旱荒漠区天
然植被最显著的特点是低覆盖度, 且大多以斑块
状、条带状、灌丛状格局呈现(胡广录等, 2011), 而
Montana (1992)在Chihuahuan荒漠区和Sala和Aguiar
(1996)在阿根廷Patagonian干草原等地的斑块动态
研究, 认为水力作用是带状斑块动态变化的主要驱
动力, 风力作用是点状斑块动态变化的主要营力。
在植被稀少的干旱地区, 灌木通过改造近地表气流
使风沙流中的沙粒在其植株间和背风侧沉积形成一
种植被覆盖沙丘即灌丛沙堆, 在防风固沙方面发挥
了巨大作用(Qong et al., 2002; 杨婷婷等, 2008; 徐
秀芸等, 2011)。刘金伟等(2009)通过对新疆艾比湖周
边白刺(Nitraria tangutorum)沙堆点格局分析认为,
白刺沙堆的空间分布格局主要以随机分布为主, 在
小尺度范围内表现出一定的均匀分布。戈壁灌丛沙
堆是相对独立的自然防风固沙单元, 在特殊的生态
学过程中形成特殊的生态格局。在灌丛沙堆中, 植
物是其重要组成部分, 灌丛植物与风成沉积物共同
构建了灌丛沙堆这类特殊的风成地貌。目前, 国内
外关于灌丛沙堆的研究主要集中在灌丛沙堆的形成
演变、形态特征、分布特征及其空间格局、表面气
流特征及其风蚀堆积平衡、表面植被的生态生理特
性、表面植被对降水以及地下水的响应、土壤理化
性质以及灌丛沙堆的保育方面(岳兴玲等, 2005; 杜
建会等, 2010; 唐艳等, 2011), 总体来说, 多是从灌
丛沙堆本身规模特征或群落整体盖度入手, 对灌丛
沙堆生态功能开展的相关研究, 而研究戈壁地区低
覆盖度的灌丛和其下沙堆这一有机整体对周边土壤
的防护能力, 对加强相关地区的植被类型及其空间
配置格局的防沙效应研究十分重要。
土壤作为时空变化的连续体, 形态与演化过程
十分复杂, 对其空间变异性作定量描述相对困难。
20世纪70年代, 地统计学被引入到土壤学科, 至今
已被证明是分析土壤特性空间分布特征及其变异规
律的最为有效的方法。通过地统计学分析, 不仅可
以研究测得的样点数据, 还可以根据已有空间数据
的拟合模型, 对研究区内的未测数据进行评估推测
(王政权, 1999)。利用地统计学方法可以分析土壤各
径级颗粒含量的空间变异特征, 能够指示和表征相
应生态过程持续的强度和扩展的范围(张继义等,
2009)。本研究基于数字图像处理技术(MacKinnon &
Chavez, 2002; 王鹿振, 2010; 王淮亮等, 2013), 以
非接触不破坏原地表的方式提取了单个灌丛沙堆附
近表土风蚀颗粒的含量信息, 通过地统计学方法
(王政权, 1999; 张仁铎, 2005; 贾晓红等, 2006; 王
利兵等, 2006; 刘耘华, 2009; 张继义等, 2009), 分
析单个白刺和沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)
灌丛沙堆地表不同抗风蚀能力颗粒的百分含量, 揭
示单个灌丛沙堆周边地表土壤颗粒水平空间分布特
征, 分析戈壁单个灌丛沙堆这一有机整体对其周边
土壤的风蚀防护作用范围, 为进行土壤风蚀的长期
定点监测, 以及为干旱区植被保护与重建工作提供
一定的参考。
1 材料和方法
1.1 研究区概况
研究区位于吉兰泰盐湖北部沙漠带外围, 属于
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图1 1955– 2000年吉兰泰风向玫瑰图(单位: 次·a–1)。
Fig. 1 Wind direction rose map in Jilantai from 1955 to 2000 (unit: times·a–1).


典型大陆性干旱气候, 多风沙、少降水、蒸发强烈,
全年大风(≥17 m·s–1)日数为58天, >6 m·s–1的起沙风
多年平均为272次·a–1, 以东北、西南风最多, 其次是
西北风(图1A), 但10 m·s–1以上的主害风是西风和
西北风, 其次是东北风(图1B), 据《吉兰泰盐化集团
公司志》记载, 1955–2000年当地各月最大风速风向
均为西或西北风。实验区地理坐标为39°47.947′ N,
105°40.081′ E, 海拔1 039 m, 地势平坦, 西北略高
于东南。样地内土壤风蚀现象严重, 地表粗粒化明
显; 植被结构简单, 种类贫乏, 主要为沙冬青、白
刺、猫头刺(Oxytropis aciphylla)、绵刺(Potaninia
mongolica)、画眉草 (Eragrostis pilosa)、沙米
(Agriophyllum squarrosum)等旱生、超旱生类型的荒
漠植被。实验区内沙冬青密度大于白刺, 野外采用
100 m十字样线法调查得出灌丛平均间距约为8.77
m, 平均盖度不足5%。
1.2 试验设计
根据研究区风信状况, 避开起沙、风大而频繁、
且风向不稳定的冬春季节, 于2010年9月14日(前一
周和当日均无起沙风), 分别选择孤立的(周围20 m
范围内无其他大型植物, 以避免其他植株的影响),
冠幅中等、生长健康的单个白刺和沙冬青灌丛沙堆
为研究对象; 考虑地统计学分析的精度要求, 以灌
丛边缘为起点, 在1/2灌丛间距(10 m)范围内, 分别
沿西北(NW)、西南(SW)、东南(SE)和东北(NE)四个
方向每隔1 m设一个测试点, 每个方向10个测试点,
每个灌丛沙堆共计40个测试点(图2), 对灌丛周边地
表不同风蚀土壤颗粒含量进行研究。两灌丛沙堆均


图2 测试点布设示意图。
Fig. 2 Layout diagram of test points.


为半球状, 植株冠层与其下沙堆投影几乎重合, 其
中沙冬青平均株高为70 cm, 灌丛沙堆整体高约1.4
m; 白刺平均株高50 cm, 积沙略多, 灌丛沙堆整体
高约1.3 m。
1.3 测定指标和方法
用Canon Eos5D-MarkII数码相机(分辨率5616 ×
3744 pix)拍摄每个样点地表33 cm × 22 cm范围内的
图像, 然后在室内利用ERDAS IMAGINE 9.0软件,
根据不同颗粒和颗粒边缘之间存在的颜色灰度值
差异, 区分出不同色彩阈值的像元进行图像分类,
然后对分类处理后的栅格图像进行矢量化, 在矢量
化过程中, ERDAS软件会自动统计构成每个分类斑
块的像元个数作为相应的斑块面积, 这样便可以在
矢量化图的属性表中获取每个颗粒各自的面积信
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息数据(王淮亮等, 2013)。
1.4 数据处理
Chepil (1953)将土壤粒度组成按其抗风蚀性的
差异划分成三部分, <0.42 mm的为高度可蚀颗粒;
0.84–0.42 mm的为半可蚀颗粒, >0.84 mm的为不可
蚀颗粒。根据这一标准, 按照公式(1)和表1对图像获
取的每个土壤颗粒大小进行换算:
d = 2 × (S/π)1/2 (1)
式中: d为图像中单个土壤颗粒的直径; S为图像中
单个土壤颗粒的面积。
各径级颗粒的百分含量通过公式(2)计算:
d(X)% = (X)
d∑ 所占像元数
图像总像元数
×100 (2)
式中: d(X)为某一粒级的土壤颗粒;
对3个径级风蚀颗粒的百分含量数据用SAS 9.0
软件进行经典统计特征等分析; 用GS+7.0软件进行
半方差分析, 并用Surfer 8.0软件绘制空间插值图,
以揭示单个白刺和沙冬青灌丛沙堆周边地表风蚀
颗粒的空间分布特征。
2 结果
2.1 土壤颗粒百分含量的描述性统计分析
经典的描述性统计能确定随机变量的总体空
间变异基本情况, 也是进一步进行空间变异性研究
的基础, 可作为地统计学研究的依据和结果的验
证。因此, 首先对白刺和沙冬青灌丛周边3种径级土
壤颗粒的百分含量进行描述性统计分析。从表2中
可以看出, 本研究通过图像处理法提取土壤颗粒的
效果较好, 所提取的两样地土壤颗粒含量总和分别
达到了96.09%和95.52%。
表2中的描述性统计结果表明, 白刺和沙冬青
灌丛周边地表土壤粗粒化严重 , 白刺样地尤甚 ,
>0.84 mm的不可蚀粗颗粒平均含量达到75.23%。3
个径级土壤颗粒的标准偏差均表现为: 粒径>0.84
mm颗粒的标准偏差最大, 其次为粒径<0.42 mm的
颗粒, 粒径为0.84–0.42 mm的颗粒标准差最小。变
异系数(CV)除了白刺灌丛粒径>0.84 mm的颗粒为
弱变异(<10%), 其他的均为中等变异(10% < CV <
100%)。
2.2 灌丛周围颗粒组成的半方差空间变异特征
表2中土壤颗粒的统计值只能反映土壤的总体
特征, 所给出的土壤颗粒变异仅是从数理统计的角
度来描述土壤颗粒的变化, 而不是地学意义上的表
征, 没有反映出土壤颗粒在空间上是怎样变化的。
为了定量描述土壤颗粒的空间分布特征, 进一步采
用地统计方法进行土壤颗粒空间异质性的分析与
探讨。
变异函数(半方差函数)是地统计学中研究空间
变异性的关键函数, 它既能描述区域化变量的结构
性变化, 又能描述其随机性变化(王政权, 1999)。在

表1 土壤颗粒大小转换关系
Table 1 Conversion relationship of soil particle size
颗粒直径
Grain diameter (mm)
等效标准圆面积
Area of equivalent standard circle (mm2)
像元尺寸
Pixel size (mm2·pixel–1)
颗粒图斑的像元数
Number of grain polygon’s pixel
>0.84 >0.553 9 >160
0.42–0.84 0.138 5–0.553 9 41–160
<0.42 <0.138 5
0.003 45
≤40



表2 灌丛周围不同大小土壤颗粒百分含量的描述性统计特征
Table 2 Descriptive statistical characteristics of percentages of different soil particle sizes around the shrubs
类别
Class
颗粒粒径
Grain diameter
(mm)
样本数
Number of samples

平均值
Mean (%)
最小值
Min (%)
最大值
Max (%)
标准偏差
Standard
deviation
变异系数
Coefficient of
variation (%)
>0.84 40 75.23 69.53 82.22 3.397 4.52
0.84–0.42 40 12.93 9.60 17.29 1.854 14.34
白刺灌丛
Nitraria tangutorum
shrub
<0.42 40 7.93 5.33 14.13 2.067 26.07
>0.84 40 65.65 45.52 77.44 7.329 11.16
0.84–0.42 40 18.73 13.12 25.70 3.618 19.31
沙冬青灌丛
Ammopiptanthus mongolicus
shrub
<0.42 40 11.14 5.02 23.85 4.163 37.38
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半方差模型中, 块金值(C0)是变异函数在原点处的
值, 表示由误差及最小取样尺度内的随机因子导致
的随机变异; 拱高(C)表示自相关因素导致的空间
异质性; 基台值(C0 + C)又称平顶值或顶坎值, 是观
测指标的最大变异, C/(C0 + C)表示自相关部分导致
的空间变异在总空间异质性中的贡献比例。根据地
统计学原理, 空间变异随空间距离的加大而增加,
从相对小的C0增加到较大且相对稳定的C0 + C时的
空间距离即称为变程, 也称相关距离(A0), 它是观
测指标最大变异的空间距离, 变程的大小可表示空
间异质性的尺度(刘耘华, 2009)。表3为灌丛周围不
同粒径土壤颗粒百分含量的半方差函数最优拟合
模型及相关参数, 各变异模型拟合决定系数(R2)均
大于0.6, >0.84 mm和<0.42 mm的颗粒含量拟合模
型的R2均大于0.9, 说明各模型具有较高的可靠性。
从表3可知: 白刺灌丛沙堆周边地表土壤中直
径>0.84 mm颗粒的含量的半方差函数模型为高斯
模型(有效变程A0为变程a的 3倍), 有效变程为
17.80 m; 0.84–0.42 mm颗粒含量的半方差函数模型
为指数模型(A0 = 3a), 有效变程为66.63 m; <0.42
mm的颗粒含量半方差函数模型为球状模型(A0 = a),
有效变程为8.41 m。沙冬青灌丛周围>0.84 mm颗粒
的变异函数理论模型为球状模型, 有效变程为9.82
m; 0.84–0.42 mm颗粒的变异函数理论模型为高斯
模型, 有效变程为15.33 m; <0.42 mm颗粒的变异函
数理论模型为指数模型, 有效变程为14.91 m。所以,
不同灌丛、不同粒径颗粒百分含量的异质性尺度不
同, 但均不同程度地超出了灌丛冠幅覆盖范围, 且
都大于灌丛平均间距(8.77 m包括灌丛半径)。
从表3还可以看出, 空间自相关部分比例C/ (C0
+ C)在63.40%–99.96%之间, 具体表现为: <0.42 mm
的高度可蚀颗粒含量的自相关部分空间异质性最
高, 比例均达到了90%以上; 其次是>0.84 mm的不
可蚀颗粒含量, 空间异质性中自相关部分分别占到
了80.07%和87.84%; 0.42–0.84 mm的半可蚀颗粒含
量的自相关空间异质性相对较弱, 比例不足70%。
而各空间异质性中的随机成分比例(即C0/(C0 + C))
都明显小于空间自相关部分, 特别是<0.42 mm的高
度可蚀细颗粒含量, 两灌丛空间异质性中均只有不
足10%的随机因素表现出弱等随机变异(<10%为弱
变异性(王政权, 1999))。
2.3 土壤颗粒含量空间插值分析
为了更直观地反映白刺和沙冬青灌丛沙堆3种
径级土壤颗粒的空间分布格局状态, 在Surfer 8.0软
件下采用普通克里格空间插值法绘制了白刺和沙
冬青灌丛沙堆不同径级土壤颗粒的空间分布等值
线图(图3), 图3中相邻等值线间区域的颜色愈深,
表示对应含量愈少; 反之, 颜色越浅, 表示含量越
高。
图3中, 各径级土壤颗粒含量符合大致以西北-
东南为对称线的空间分布状态。白刺和沙冬青两个
灌丛沙堆地表的颗粒组成共同表现为接近灌丛的
中央部分>0.84 mm的不可蚀粗颗粒少, <0.42 mm的
高度可蚀颗粒多; 且两种颗粒的含量在空间分布上
能够较好地互补。结合对东北(NE)、东南(SE)、西
南(SW)、西北(NW)四个方向上10个样点各级颗粒
含量平均值的多重方差分析结果(表4)可知, 东南方
向上粗粒平均含量最少、细粒平均含量最大; 0.84–


表3 灌丛周围不同大小土壤颗粒百分含量的半方差函数模型及相关参数
Table 3 Semivariogram model and parameters of percentages of different soil particle sizes around the shrubs
类别
Class
颗粒直径
Grain diameter
(mm)
最优模型
Best model
块金值
Nugget
(C0)
基台值
Sill
(C0 + C)
C/(C0 + C)
(%)
有效变程
Effective range
A0 (m)
R2 残差
Residual
error
>0.84 高斯模型
Gaussian model
3.29 27.57 80.07 17.80 0.974 5.92
0.84–0.42 指数模型
Exponential model
2.30 7.61 69.77 66.63 0.615 1.81
白刺灌丛
Nitraria tangutorum
shrub
<0.42 球状模型
Spherical model
0.48 6.03 92.04 8.41 0.914 2.81
>0.84 球状模型
Spherical model
8.30 68.23 87.84 9.82 0.984 54.70
0.84–0.42 高斯模型
Gaussian model
0.02 0.05 63.40 15.33 0.811 2.45 × 10–4
沙冬青灌丛
Ammopiptanthus
mongolicus shrub
<0.42 指数模型
Exponential model
0.01 26.01 99.96 14.91 0.978 8.66
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图3 灌丛周围不同粒径土壤颗粒百分含量的克里格空间插值图。每幅图中心的白色圆点代表灌丛。A, 白刺灌丛。B, 沙冬
青灌丛。
Fig. 3 Kriging interpolation of percentages of different diameter soil particles around the shrubs. White dots in each image center
represent shrubs. A, Nitraria tangutorum shrub. B, Ammopiptanthus mongolicus shrub.


表4 灌丛周边不同方向地表土壤颗粒百分含量的方差分析
Table 4 Variance analysis of the percentage of soil particles on surface in different directions around the shrubs
直径>0.84 mm颗粒的百分含量
Percentage of grain
(diameter >0.84 mm)
直径0.84–0.42 mm颗粒的百分含量
Percentage of grain
(diameter 0.84–0.42 mm)
直径<0.42 mm颗粒的百分含量
Percentage of grain
(diameter <0.42 mm)
类别
Class
采样方位
Sampling position
平均值
Mean (%)
采样方位
Sampling position
平均值
Mean (%)
采样方位
Sampling position
平均值
Mean (%)
西南 SW 76.4a 东南 SE 14.0a 东南 SE 9.3a
东北 NE 75.6a 西北 NW 12.6a 西北 NW 8.2b
西北 NW 75.0ab 东北 NE 12.6a 西南 SW 7.5bc
白刺灌丛
Nitraria tangutorum
shrub
东南 SE 73.9b 西南 SW 12.5a 东北 NE 6.7c
西北 NW 71.3a 西南 SW 21.5a 东南 SE 16.2a
东北 NE 70.2a 东南 SE 21.2a 西南 SW 11.7b
西南 SW 64.0b 东北 NE 16.6b 东北 NE 9.3c
沙冬青灌丛
Ammopiptanthus
mongolicus shrub
东南 SE 57.2c 西北 NW 15.6b 西北 NW 7.2d
方差分析软件为SAS 9.0。字母a、b、c、d分别代表0.05显著水平下Duncan多重检验的分组结果, 相同字母表示无显著差异。
Variance analysis software is the SAS 9.0. The letters a, b, c, and d are the packet results of the Duncan multiple test at 0.05 significant level, and the
same letters mean no significant difference.

0.42 mm的半可蚀颗粒也表现出灌丛沙堆东南方向
平均含量高于西北方向的趋势, 但局部呈现出斑块
状分布状况, 这种现象在白刺样地中较为明显(图
3A2)。
另外, 从图3还可以发现: 除了白刺灌丛沙堆
粗粒化程度明显高于沙冬青灌丛沙堆之外, 两灌丛
周围土壤颗粒分布特征也存在差异, 如: 沿西北-东
南轴线, 白刺灌丛沙堆闭合等值线较窄, 沙冬青灌
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丛沙堆闭合曲线则较宽, 甚至在垂直西北风向的灌
丛两侧形成无差别的细颗粒积累(等值线平行于东
北-西南方向); 而且, 白刺灌丛地表不可蚀颗粒含
量的最低值和极易可蚀颗粒含量的最高值出现在
灌丛迎风侧(图3A3), 但在沙冬青灌丛中, 不可蚀颗
粒含量的最低值和极易可蚀颗粒含量的最高值出
现在灌丛背风侧(图3B3)。
3 讨论
虽然各径级土壤颗粒百分含量的空间差异是
由结构性因素(土壤母质类型、地形、水、热、风等
气候等)和随机性因素(人为因素与土壤微变异等)
共同作用的结果(王政权, 1999), 但根据空间半方差
变异函数分析结果可以推断出, 造成单个灌丛沙堆
这一研究尺度内不同风蚀颗粒含量空间异质性的
主要原因来自空间自相关的结构性因素, 在本研究
中应该是研究区域内松散土壤、风力风向以及白刺
和沙冬青灌丛防风阻沙的综合作用。图3中白刺灌
丛沙堆和沙冬青灌丛沙堆中心细颗粒含量高, 向外
延伸粗粒化变明显, 这与图1中研究区多年平均起
沙风风向对应较好, 可以解释为: 研究区常年干旱
少雨、植被稀少、土壤松散, 起沙风多年平均合成
风向为西北风, 灌丛的存在削弱了风沙流的携沙能
力, 拦截了西北方向吹来的沙粒, 同时也防止了灌
丛沙堆细颗粒遭受风蚀, 逐渐导致灌丛附近, 特别
是西北侧附近和西南方向(背风区域)较大范围内细
颗粒物质的富集, 形成细沙堆(唐艳等, 2008; 屈志
强等, 2008; 乌拉等, 2008; 贾丽娜, 2010); 而距离
灌丛较远的地表, 土壤遭受较强风蚀, 粗粒化相对
严重; 在单个灌丛沙堆区域内的土壤机械组成特征
呈现出东北到西南基本对称的现象。这一点还可以
用高度可蚀颗粒与不可蚀颗粒含量的空间分布插
值图同前人研究单个植物防风固沙效能中近地表
风速流场图特征的相似性(杨婷婷等, 2008; 贾丽娜,
2010)来佐证。
利用地统计学方法对灌丛沙堆附近地表不同
抗风蚀能力土壤颗粒含量的空间异质性进行研究,
还可有效地分析灌丛沙堆这一地貌单元的有效防
护能力范围。马士龙等(2006)、乌拉等(2008)、杨婷
婷等(2008)对乌兰布和沙漠东北部沙漠绿洲过渡带
的单一白刺灌丛堆周围风速进行了观测, 结果表明
白刺灌丛防风效应的防护距离为其高度的6–7倍。
而表3的半方差变异函数分析结果表明, 白刺灌丛
周边地表高度可蚀颗粒的水平空间异质性尺度为
8.41 m, 约为灌丛堆高度的6.47倍, 研究结果与前
人研究结果相符; 沙冬青灌丛堆周边地表高度可蚀
颗粒的水平空间异质性尺度为14.91 m, 约为灌丛
堆高度的10.65倍, 说明沙冬青的水平防护距离大
于白刺灌丛堆, 这应是白刺样地粗粒化程度高于沙
冬青样地的原因(表2)。
以上白刺灌丛和沙冬青灌丛地表不同径级颗
粒的空间分布差异应该是由这两种植物不同的植
物学特征造成的。白刺分枝较多、密集, 且植株相
对贴近地面生长, 表现为紧密结构, 而沙冬青植株
主干比较明显, 基部分枝数量相对较少且比较分
散, 植株表现为透风结构或疏透结构。根据不同疏
透类型防护林的防风原理可推知, 紧密型结构的白
刺灌丛能够在灌丛基部, 特别是上风向拦截较多沙
粒, 虽然防护土壤风蚀范围较窄集中(图3A3), 但随
着被沙埋的白刺不断生长, 逐步形成较大的灌丛沙
堆; 而疏透结构的沙冬青灌丛会在背风侧形成较大
的弱风区, 进而沉积和保护较大范围的细沙颗粒
(图3B3), 但由于基部相对不易形成沙埋, 沙冬青灌
丛堆一般不会发展到很大的规模, 这也是白刺灌丛
沙堆规模常常大于沙冬青灌丛沙堆的原因。本研究
的结果表明, 在戈壁地区这种沙源物质有限的环境
中, 两灌丛均能形成灌丛沙堆, 且白刺灌丛下的积
沙堆略多于沙冬青灌丛, 但防护作用的水平空间尺
度范围不及沙冬青。若想确定白刺与沙冬青灌丛哪
个防风固沙效果更好, 仍需结合灌丛在不同环境中
的生长适应性和群落特征, 以及灌丛沙堆有效作用
范围内的风沙蚀积过程做进一步的实验与评价研
究。
本研究中，直径<0.42 mm的高度可蚀颗粒的百
分含量的空间自相关变异比例最高(90%以上), 其
次是直径>0.84 mm的不可蚀颗粒, 其百分含量的空
间自相关变异比例介于80%–90%之间(表3), 而且
这两类土壤颗粒的百分含量在同一灌丛周边此消
彼长, 空间分布特征呈现出较好的对应互补现象
(图3), 这是因为在灌丛周边的风力作用下, 地表细
小的高度可蚀颗粒的百分含量首先发生变化, 这种
变化导致粗颗粒含量增加或减少; 而大小中等的直
径为0.42–0.84 mm的半可蚀颗粒在研究范围内分布
较为复杂, 斑块状分布明显, 特别是白刺灌丛(图
王淮亮等: 戈壁灌丛堆周边地表土壤颗粒的空间异质特征 471

doi: 10.3724/SP.J.1258.2013.00048
3A2)的半方差函数模型拟合决定系数 (R2)仅为
0.615, 自相关空间异质性也较弱(表3), 说明灌丛堆
对直径为0.42–0.84 mm的半可蚀颗粒的空间分布虽
有一定的影响, 但作用不是非常明显, 白刺分布区
自有的基底空间地质差异使半可蚀颗粒含量具有
66.63 m的较大变程。
本研究也存在一些问题, 值得进一步研究解
决: 首先, 本研究提取土壤颗粒所采用的数字图像
处理法与传统的测定土壤机械组成的方法(筛分法)
一样, 存在一定的误差。筛分法会因土壤筛滞留一
部分土壤颗粒而使各径级颗粒之和小于供测土样;
而本研究的图像处理法, 在区分颗粒主体与其边缘
的颜色灰度值时也会造成一定程度的颗粒面积损
失, 平均信息提取率为95.8%, 今后还应进一步提
高图像处理水平, 使各径级颗粒之和更接近100%。
其次, 因实验基础条件因素的限制和气象数据不易
获取的原因, 加之考虑到当地11月到次年4、5月份
的起沙风大而频繁, 且风向不稳定, 最终只选择了
夏末秋初的9月份进行观测, 以期代表年平均状况。
今后要改善实验基础条件, 对多个样点(灌丛), 以
及多个时间点(不同风季)开展长期、连续的监测研
究, 以获得更加丰富的研究结果。另外, 白刺和沙
冬青灌丛周边不同径级颗粒百分含量的异质性尺
度均不同程度地超出了灌丛冠幅覆盖范围, 且都应
大于灌丛平均间距(灌丛平均间距为8.77 m, 间距包
含灌丛半径), 据此推断, 样地内多数灌丛间必然相
互影响, 或者说存在联合效应, 值得考虑更多因素
进行深入研究, 本文研究单个独立灌丛对其周边土
壤风蚀的影响特点, 正是为不同生长分布格局的灌
丛堆联合效应研究提供铺垫和依据。
本研究也是一次对基于数字图像处理技术的
无破坏、可连续定点观测的非接触式获取风蚀地表
颗粒信息的风蚀监测方法的实际应用, 该测试手段
简便易行。希望本文得出的研究结果能为西北风沙
区防沙治沙实践和生态环境建设提供一些参考。
4 结论
本文用数字图像处理技术, 获取了吉兰泰盐湖
西北部戈壁上单个白刺与沙冬青灌丛周围地表土
壤中粒径>0.84 mm的不可蚀颗粒、0.42–0.84 mm的
半可蚀颗粒及粒径<0.42 mm的高度可蚀颗粒的百
分含量, 并应用经典描述性统计和地统计学分析方
法对不同粒径土壤颗粒含量的空间异质性进行了
分析, 主要结论如下:
(1)白刺灌丛沙堆和沙冬青灌丛沙堆高度可蚀
颗粒的含量由灌丛边缘向外呈减少趋势; 不可蚀颗
粒的含量由灌丛边缘向外呈增加趋势; 半可蚀颗粒
的百分含量整体上表现出由灌丛边缘向外呈略微
减少的趋势, 但局部区域呈现斑块状分布。灌丛基
部和下风向是细物质积累区, 细物质积累的最大值
出现在白刺灌丛的迎风侧附近, 沙冬青样地则相
反, 出现在灌丛的背风侧附近。从土壤细颗粒的积
累来讲, 在沙源物质有限的吉兰泰戈壁环境中, 两
灌丛均能形成灌丛沙堆, 但白刺的“沃岛效应”集中
体现在灌丛附近, 其作用的水平空间尺度范围却不
及沙冬青, 这亦是白刺样地粗粒化程度高于沙冬青
样地的原因。
(2)不同灌丛、不同粒径颗粒百分含量的空间异
质性尺度不同, 但均不同程度地超出了灌丛冠幅覆
盖范围。白刺灌丛不可蚀、半可蚀、高度可蚀颗粒
的半方差函数理论模型分别为高斯模型、指数模
型、球状模型, 对应的空间异质性尺度分别为17.80
m、66.63 m、8.41 m, 沙冬青灌丛不可蚀、半可蚀、
高度可蚀颗粒的半方差函数理论模型分别为球状
模型、高斯模型、指数模型, 对应的空间异质性尺
度分别为9.82 m、15.33 m、14.91 m。在以上相应变
程内, 灌丛沙堆地表独特的风蚀结构性因素是造成
相应尺度内土壤不同风蚀颗粒含量空间异质性的
主要因子。
(3)在本研究的两种样地中, 作为土壤颗粒空间
异质性的直接影响因子, 高度可蚀颗粒含量的空间
异质性尺度略大于灌丛平均间距, 这从防止土壤风
蚀角度来看, 说明研究区内的建群种灌丛间存在一
定程度的相互促进的联合固沙作用, 利于该区植被
的稳定与发展。
基金项目 林业公益性行业科研专项(201204205)、
国家重点基础研究发展计划项目(2009CB825103)
和内蒙古农业大学防沙治沙科研创新团队资助计
划项目(NDTD2010-11)。
致谢 感谢兰泰集团公司的沈贵、李育学先生以及
张晓燕和王震同学在野外采样过程中给予的帮助。
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责任编委: 王政权 责任编辑: 王 葳