全 文 ：科尔沁沙地沙丘迎风坡面干沙层的空间分布*
宗摇 芹1,2 摇 阿拉木萨1**摇 骆永明1 摇 牛存洋2 摇 陈雪峰3 摇 汪海洋3
( 1中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110016; 2中国科学院研究生院, 北京 100049; 3内蒙自治区翁牛特旗林业局, 内蒙
古自治区翁牛特旗 024500)
摘摇 要摇 对科尔沁沙地西部地区流动沙丘和固定沙丘的迎风坡表层干沙层厚度进行观测,分
析了沙丘坡面干沙层的空间分布特点.结果表明:研究区沙丘迎风坡表层干沙层厚度主要在
5 ~ 15 cm,92. 0%的流动沙丘区域和 98. 6%的固定沙丘区域的干沙层厚度分布在此范围内;
固沙植物影响沙丘表层干沙层的厚度变化和空间分布.流动沙丘表层干沙层厚度表现出明显
的空间差异性:迎风坡上部西侧区域干沙层厚度较大,下部东侧区域相对较薄,其平均厚度为
(9郾 58依3郾 95) cm,干沙层厚度在 0 ~ 40 cm范围内变化,变异系数为 41% ,干沙层空间分布的
变异函数表现为球状模型,具有中等的空间相关性;固定沙丘的干沙层厚度表现为明显的均
一性,空间差异性不明显,其平均厚度为(10郾 91 依1郾 70) cm,干沙层厚度变化范围在 0 ~
20 cm,变异系数仅 16% .
关键词摇 流动沙丘摇 固定沙丘摇 干沙层摇 空间格局
文章编号摇 1001-9332(2012)04-0875-06摇 中图分类号摇 P344摇 文献标识码摇 A
Spatial distribution patterns of dry sand layer on windward slope of dunes in Horqin Sand
Land. ZONG Qin1,2, A Lamusa1, LUO Yong鄄ming1, NIU Cun鄄yang2, CHEN Xue鄄feng3, WANG
Hai鄄yang3 ( 1 Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China;
2Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3Wengniute Banner
Forestry Bureau, Wengniute Banner 024500, Inner Mongolia, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2012,
23(4): 875-880.
Abstract: An observation was conducted on the thickness of dry sand layer on the windward slope
of mobile and fixed dunes in west Horqin Sand Land, with the spatial distribution of the dry sand
layer analyzed. Most of the dry sand layer had a thickness of 5-15 cm, and 92. 0% and 98. 6% of
the mobile and fixed dunes had the dry sand layer with this thickness, respectively. Sand鄄fixing
plants affected the thickness and the spatial distribution of the dry sand layer. There was an obvious
spatial difference in the thickness of the dry sand layer on mobile dunes, being much thicker in the
upper west areas while much thinner in the lower east areas. The thickness of the dry sand layer
varied from 0 to 40 cm, with an average of 9. 58依3. 95 cm, and the CV was 41% . The variogram of
the spatial distribution of dry sand layer on mobile dunes was expressed as spherical model, with a
moderate spatial correlation. In contrast, the thickness of dry sand layer on fixed dunes showed ob鄄
vious homogeneity, and had less spatial difference. The thickness of the dry sand layer ranged from
0 to 20 cm, with an average of 10. 91依1. 70 cm, and the CV was only 16% .
Key words: mobile dune; fixed dune; dry sand layer; spatial pattern.
*国家自然科学基金项目(30671723,40971167)资助.
**通讯作者. E鄄mail: alamusa@ tom. com
2011鄄08鄄29 收稿,2012鄄01鄄12 接受.
摇 摇 土壤水分蒸发过程是沙地水文循环的重要环
节,对沙地土壤水分状况和植物生长具有重要意义.
因大气干旱和地表强烈的蒸发作用,沙丘地表形成
了极其干燥的沙层,被称为“干沙层冶 [1-3],该层土壤
含水量较低,厚度一般在 0 ~ 20 cm[4-5] .大量研究已
经证明,沙地干沙层能有效抑制深层土壤水分蒸
发[6-11],对于保持沙丘内的土壤水分具有重要作
用[12],是维持流动沙丘土壤丰富水源库的重要自我
保护措施之一.其特殊的土壤结构在沙丘生态系统
水分交换过程中起到重要作用.
对沙地干沙层的特点和影响因素进行深入研究
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 4 月摇 第 23 卷摇 第 4 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Apr. 2012,23(4): 875-880
的结果表明,干沙层厚度随时间和空间的变化而不
同[13] .干沙层变化受到降水的显著影响[14],同时也
与沙丘地温变化具有相似的周期性. 干沙层形成和
作用机制复杂,以往的研究主要集中在数值模拟和
室内试验,对于自然条件下沙丘表层干沙层的变化
特征和空间分布研究较少.为此,本文探讨了自然条
件下沙丘表层干沙层厚度和空间变化特点,为深入
研究沙丘区土壤水分交换过程提供支持.
1摇 研究区域与研究方法
1郾 1摇 试验地概况
本研究区为位于中国北方的科尔沁沙地西部地
区,行政区划隶属于内蒙古自治区赤峰市翁牛特旗.
该地区属于温带半干旱气候,年均风速 4郾 2 m·s-1,
7 ~ 8 级大风天年均出现 65 ~ 70 d,年均气温
6郾 2 益,年无霜期 140 d;年均降水量 284郾 4 mm,平
均干燥度为 1郾 99,年内降水分布不均匀,6—8 月降
水量占全年降水量的 70%以上,春季(3—5 月)降
水量仅占全年降水量的 10% ,年蒸发潜力 2000 ~
2500 mm.当地沙丘起伏,坨甸相间,为广阔的沙地
景观,主要生境类型为流动和半流动沙丘、固定沙
丘、沙沼地、丘间低地和石质残丘.
试验样地设置在中科院沈阳应用生态研究所乌
兰敖都试验站标准样地(43毅02忆 N, 119毅39忆 E),试
验区域包括流动沙丘、固定沙丘、半固定沙丘和丘间
地.本试验选择其中典型的流动沙丘和固定沙丘作
为研究对象.流动沙丘迎风坡面长 230 m、宽 160 m,
平均坡度 30毅;流动沙丘北侧(上风方向)为一个丘
间地,面积 400 m 伊300 m,植被茂盛,平均盖度达
90%以上,物种数目达到 23 种,其中包括主要的固
沙先锋植物种,如乌丹蒿(Artemisia wudanica)、小黄
柳(Salix gordeivii)、沙蓬(Agriophyllum squarrosum)、
虫实(Corispermum thelegium)等.固定沙丘试验样地
迎风坡长 210 m、宽 60 m,平均坡度与流动沙丘相
近,固沙物种为山竹子(Hedysarum fruticosum),采用
1 m伊1 m草方格固沙方法,每间隔 1 个草方格栽植
1 年生山竹子苗木,形成 2 m伊2 m 密度的山竹子固
沙植被区,试验进行时植物年龄为 4 年,平均冠幅
1郾 2 m伊1郾 0 m,平均盖度达 60% .
1郾 2摇 测定方法
2007 年 7 月 22—26 日,开展表层土壤干沙层
观测试验. 本次试验时间选择在当地有效降雨
(>5 mm降水)后的 15 d进行,有效降低了降水对干
沙层厚度的影响.试验方法如下:在流动沙丘迎风坡
面上设置网格状样线,网格面积 4 m伊4 m,将样线交
叉点设置为取样点,坡面水平方向 51 个样点,纵向
46 个样点,共 2346 个样点.固定沙丘观测中选择沙
丘迎风坡面设置调查样方,沿坡向设置 6 条样带
(从沙丘坡脚到坡顶),样带间隔 4 m,每条样带长度
210 m,样带上每隔 4 m 设置一个调查点,共 210 个
样点,调查点避开植株冠下,设置在植株行间. 采用
自制干沙层取样器于每个样点处测定干沙层厚度,
每点 3 次重复.
1郾 3摇 分析方法
采用 SPSS 11郾 0 和 Excel 2003 软件进行数据分
析,应用 Surfer 8郾 0 软件制图.
利用 ArcGIS将样点数字化,生成用于地统计学
分析的样点分布空间数据库,通过与各点干沙层厚
度数据之间实现联接,形成与样点地理坐标匹配的
属性数据.然后用 ArcGIS 中的 Geostatistical Analyst
模块进行地统计学分析,包括样本数据的统计分析、
异常值的剔除、变异函数的计算、变异函数的结构分
析、理论变异函数模型的最优拟合和检验,并运用克
立格插值方法,根据理论变异函数模型对未测定区
域土壤干沙层状况进行插值计算,生成整个沙丘迎
风坡面的土壤干沙层分布图.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 流动沙丘迎风坡干沙层厚度变化特征
流动沙丘表层干沙层表现出明显的空间差异性
(图 1).干沙层较厚的区域主要分布在沙丘上部和
沙丘中部纵向排列的 3 条带状分布区域内,且从坡
底到坡顶干沙层厚度表现出逐渐增加的趋势,干沙
层厚度较大的区域主要分布在沙丘顶部,干沙层最
厚处达 40 cm(坡顶区域);干沙层较薄的区域主要
图 1摇 研究区流动沙丘表层干沙层空间格局
Fig. 1摇 Spatial pattern of dry sand layer in mobile dunes of the
study area郾
678 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
分布在沙丘中下部和从底部向顶部呈带状的纵向排
列的区域,最薄处为地表无干沙层存在 (坡脚区
域),地表表现为湿润状态;流动沙丘表层多数区域
的干沙层厚度在 10 ~ 20 cm,其平均厚度为(9郾 58依
3郾 95) cm,变异系数(CV)为 41% .沙丘不同坡向干
沙层厚度的空间分布不同,沙丘迎风坡上部西侧区
域干沙层厚度较大,垄状分布明显;下部东侧区域干
沙层相对较薄,且无明显的垄状分布.
摇 摇 通过对流动沙丘干沙层的变异函数分析表明
(图 2),表层干沙层空间分布表现为球状模型,其中
块金值 ( C0 ) = 12郾 39、基台值 ( C0 + C) = 30郾 06、
C0 / (C0+C)= 41郾 2% .块金值表示随机变异的大小,
主要有 2 个来源,即最小取样间隔内自然过程造成
的变异和试验误差,较大的块金值可能与地表的坡
度和结构有关.基台值是半变异函数达到的极限值,
半变异函数值围绕该值上下波动. C0 / (C0 +C)反映
了随机变异占总变异的大小,其值为 41郾 2%表示流
动沙丘表层干沙层具有中等的空间相关性. 流动沙
丘干沙层的变程为 204 m,变程表示具有相似性质
斑块的空间连续性的范围,变程以内的空间变量具
图 2摇 研究区流动沙丘干沙层的各向同性变异函数
Fig. 2摇 Isotropic variogram of dry sand layer in mobile dunes of
the study area郾
图 3摇 研究区固定沙丘表层干沙层空间格局
Fig. 3摇 Spatial pattern of dry sand layer in fixed dunes of the
study area郾
有空间自相关性或空间依赖性,变程以外不存在空
间自相关.
2郾 2摇 固定沙丘干沙层厚度变化特征
研究区固定沙丘干沙层平均厚度为(10郾 91 依
1郾 70) cm,CV 为 16% ,变化范围在 0 ~ 20 cm(图
3).与流动沙丘干沙层厚度分布特点相比,固定沙
丘干沙层厚度分布较均匀,较厚干沙层的区域很少,
大部分区域干沙层厚度在 10 ~ 15 cm,沙丘坡脚和
坡顶区域的干沙层厚度也未表现出明显差异.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 沙丘迎风坡干沙层厚度变化特点
沙丘干沙层厚度变化和空间分布特点受到地理
位置和时间及沙丘坡位的影响. 流动沙丘干沙层厚
度通常在 0 ~ 20 cm[4-5],但受环境因素的影响,其厚
度变化差异较大,如刘新平等[4]、包梅荣等[5]、何志
斌和赵文智[15]的研究结果表明,科尔沁沙地流动沙
丘表层干沙层厚度在 0 ~ 20 cm;李红丽等[16]、秦佳
琪等[17]分别在浑善达克沙地和乌兰布和沙漠的研
究表明,当地沙丘表层干沙层厚度在 0 ~ 10 cm;王
志等[18]在毛乌素沙地的研究发现,沙丘表面干沙层
厚度在 12 ~ 20 cm,且干沙层的厚度变化与所处沙
丘位置、沙面活动程度以及有无植被覆盖等有关;李
品芳和李保国[10]研究发现,8 月毛乌素沙地干沙层
厚度在 0郾 7 ~ 5 cm,且最大干沙层厚度出现在16:00
前后.固定沙丘表层干沙层厚度因环境条件和植被
的差异而不同,张萍和张世军[19]在古尔班通古特沙
漠梭梭固沙地观测的结果表明,3—6 月干沙层厚度
在 0 ~ 30 cm.
本研究根据沙丘表面干沙层厚度的变化,将流
动沙丘和固定沙丘的干沙层分为以下 4 个区域:
逸25 cm区域、15 ~ 25 cm 区域、5 ~ 15 cm 区域、0 ~
5 cm区域(图 4).其中,干沙层厚度逸25 cm 区域主
要分布在流动沙丘的西南角、西北区以及中东一小
部分,从北部 156 m延伸至南部 180 m,约占全部观
测面积的 1郾 5% ;固定沙丘无此厚度干沙层区域存
在.干沙层厚度 15 ~ 25 cm 区域分布在流动沙丘迎
风坡东南方向,从北部 152 m至南部 180 m,西北区
域也有零散分布,约占全部观测面积的 4郾 9% ;固定
沙丘干沙层厚度很少超过 20 cm,超过 15 cm厚度的
干沙层面积仅占全部观测面积的 0郾 9% . 由于流动
沙丘风蚀作用强烈,地表温度变化剧烈,更有利于干
沙层的形成,使干沙层厚度增大;固定沙丘地表植被
覆盖较多,风蚀作用减弱,植被分布较均匀,干沙层
7784 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 宗摇 芹等: 科尔沁沙地沙丘迎风坡面干沙层的空间分布摇 摇 摇 摇 摇
图 4摇 研究区流动沙丘(a)和固定沙丘(b)干沙层空间分布
Fig. 4摇 Spatial distribution of dry sand layer in mobile (a) and
fixed dunes (b) in the study area郾
厚度因此较均匀.干沙层厚度 5 ~ 15 cm区域分布在
流动沙丘迎风坡从北部 144 m 至南部 180 m、从北
部 28 m 至南部 120 m 的范围,占全部观测面积的
92郾 0% ;固定沙丘干沙层厚度几乎完全分布在 5 ~
15 cm,且从南至北分布较均匀,占全部观测面积的
的 98郾 6% .干沙层厚度 0 ~ 5 cm 区域很少出现在流
动沙丘中,主要分布在东北方向,面积 16 m2,占全
部观测面积的 1郾 5% ;该类区域在固定沙丘中的分
布更少,占全部观测面积的 0郾 5% .
研究区沙丘干沙层厚度主要在 5 ~ 15 cm,
92郾 0%的流动沙丘迎风坡区域和 98郾 6%的固定沙
丘迎风坡区域的干沙层厚度在此范围内. 本研究中
科尔沁沙地沙丘迎风坡表面干沙层厚度变化范围略
大于以往对该地干沙层厚度的研究结果[4-5,15],原
因可能主要受环境温度和降水分布的影响,本试验
进行之前,当地大于 5 mm 有效降雨未发生的持续
时间较长,干旱无雨和 7 月较高的气温条件造成了
沙丘表层干沙层的不断增厚.
摇 摇 地表植被状态影响沙丘干沙层的厚度变化和空
间分布特点.本研究通过对比流动沙丘和固定沙丘
干沙层特点发现,二者在干沙层厚度变化程度和空
间分布上存在很大差异,且固定沙丘迎风坡区域
(10郾 91依1郾 70 cm)干沙层平均厚度大于流动沙丘
(9郾 58依3郾 95 cm),此结果与 Li 等[20]在沙坡头地区
固定沙丘区的研究结果相同,产生这种现象的原因
主要在于地表植被的影响,植被的存在降低了沙丘
地表的风蚀程度和地表温度,并促使土壤水分毛细
上升作用增强,因此,固定沙丘的干沙层厚度整体大
于流动沙丘. 流动沙丘表面干沙层厚度变化剧烈,
CV为 41% ,固定沙丘表面干沙层厚度变化较小,CV
为 16% ,由于植物分布的影响,造成固定沙丘表面
小环境的均一性增强,小环境中温度、风速、风蚀等
影响因素更加均一,使固定沙丘干沙层厚度变化程
度降低.
3郾 2摇 沙丘迎风坡干沙层厚度空间变化特点
沙丘干沙层空间分布特征受多方面因素的影
响.沙丘表面微地形变化导致风速的改变,而这种变
化在沙丘动态中起着重要作用[21] .流动沙丘表层干
沙在风的作用下容易随风向移动,所以干沙层分布
呈现不规则状态;固定沙丘由于有植被的保护,在风
的作用下表层干沙不易发生位移. 以往研究多将沙
丘分为上、中、下部区域进行分别取样,从而得出沙
丘不同部位干沙层的特点,一般说来,干沙层丘顶的
厚度高于丘底,阳坡高于阴坡,这与沙丘不同位置的
沙面活动程度有关[13] .王志等[14]研究表明结果,沙
丘顶部的干沙层厚度达 10 cm,沙丘阳坡达到
18 cm,阴坡为 12 cm,主要是因为丘顶有沙柳等植
物覆盖.本研究对流动沙丘采用网格状布设样点,样
点全面覆盖沙丘表面,获得了全面、清晰的沙丘表面
干沙层分布特点,可以更直观地展现干沙层的空间
分布特点.
由图 4 可以看出,流动沙丘干沙层厚度变化明
显,其平均厚度由沙丘迎风坡东北向西南逐渐变厚;
而固定沙丘则相对均一,各个方向上特别突出的较
厚的干沙层区域很少. 流动沙丘干沙层较厚的区域
主要分布于沙丘上部,这与以往的研究结果相同;流
动沙丘干沙层厚度分布不仅受沙丘坡位的影响,还
明显受到坡向的影响. 流动沙丘表面干沙层厚度较
大的区域主要分布在沙丘的西侧区域,沙丘东侧区
域干沙层厚度较薄;固定沙丘干沙层厚度空间变化
较小,沙丘表面干沙层厚度分布较均一.
3郾 3摇 沙丘迎风坡干沙层空间分布对物种入侵过程
的影响
沙丘干沙层格局的形成对固沙先锋物种的入侵
和定居方式产生影响. 植被在流动沙丘上的发展会
遇到 2 个难题[22]:1)极端贫乏的养分条件不足以维
持植物的生长发育;2)不稳定的基质(风蚀)使大部
分植物的繁殖体难以入侵定居[23-24] .种子埋藏深度
将影响其萌发的开始和速度[25-26],而先锋物种的入
侵过程多数是在干沙层较薄的区域开始,以种子繁
殖为主的先锋物种的根系在该区域内有较高的机会
878 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
(降水后)得以生长深入到湿沙层中,使其能够度过
干旱时期而定居于流动沙丘之上.张萍和张世军[19]
在古尔班通古特沙漠的研究表明,由于表层缺乏植
被,风蚀严重,自然生长的幼苗极少,死亡的幼苗的
根系均小于干沙层厚度,只有植物根系生长速度超
过干沙层形成速度,才有希望定居成功. 因此,流动
沙丘干沙层厚度分布不均会造成植被分布不均,干
沙层厚度较薄的区域更有利于先锋植物的入侵定
居.以往研究表明,在流动沙丘干沙层较浅的区域
(0 ~ 5 cm),是后期先锋固沙物种入侵的重点区域,
特别是在干旱少雨的年度,先锋物种很难利用降水
机会入侵、生长,只能利用干沙层较浅的区域入侵流
动沙丘.何兴东等[27]在科尔沁沙地的观察发现,天
然形成的固沙植物在流动沙丘上呈现同心圆的环状
分布,而笔者在现场的实际观察发现,目前流动沙丘
先锋物种的入侵格局多数呈现带状、环状方式,可能
是由于沙丘不同部位沙层含水量及其空间异质性的
有规律变化所致.对于流动沙丘先锋物种的入侵模
式研究,建议今后应该从沙丘表层土壤水分变化特
征、沙丘土壤种子库分布特征、先锋物种种子萌发和
根系生长特征、干沙层形成的动态过程、沙丘表面微
地形变化特征等方面进行深入研究,明确影响固沙
先锋植物入侵和定居的主要影响因子. 对于固定沙
丘而言, 98郾 6% 的区域干沙层厚度分布在 5 ~
15 cm,干沙层厚度总体较厚,因表层又有生物结皮
层(该结皮层能够增加沙丘表层厚度[28-30]),因此不
利于植物种子的萌发[31] .这可能也是固定沙丘植冠
下很少有更新苗产生的重要原因之一.
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作者简介摇 宗摇 芹,女,1987 年生,硕士研究生.主要从事沙
地生态水文过程研究. E鄄mail: 8711193629@ 163. com
责任编辑摇 杨摇 弘
088 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷