全 文 ：第 21卷第 5期
2007年 10月 水土保持学报Journa l of Soil and Wa ter Conserv a tion Vol. 21 No. 5Oct. , 2007
　
丘间低地不同年龄沙柳表层土壤水分与容重的空间变异①
姚月锋 , 蔡体久*
(东北林业大学 林学院 , 哈尔滨 150040)
摘要: 以毛乌素沙地丘间低地不同年龄 ( 2～ 4年 )沙柳为研究对象 ,采用地统计学方法对各年龄沙柳表层 ( 0～ 20
cm )土壤水分与容重空间变异进行研究。结果表明:随着年龄的增长 ,表层土壤水分含量表现出增大的趋势 ,且各
年龄沙柳表层土壤水分含量间表现出一定的差异性 ( P < 0. 05) ;表层土壤容重差异不显著。空间变异分析显示 ,
随着年龄的增长 ,沙柳表层土壤水分与容重具有高度的空间变异性 ,由空间自相关部分引起的空间变异向更强烈
空间相关性转变 ,空间分布格局趋于复杂化 ;但不同年龄沙柳表层土壤水分含量的空间变异与容重的空间变异相
关性不显著 (P > 0. 05)。
关键词: 沙柳 ;　土壤水分 ;　容重 ;　空间变异
中图分类号: S152. 71　　　文献标识码: A　　　文章编号: 1009-2242( 2007) 05-0114-04
Spatial Variability of Top Soil Moisture and Soil Bulk Density
in Three Different Stand Age of Salix psammophila in Inter-Dune Lowland
YAO Yue-feng , CAI Ti-jiu
*
(College of Forestry , Northeast Forestry Universit y , Harbin 150040)
Abstract: Spatial v ariabili ty is one of the most important characters in soil. W e use the principle and methods of
tradi tional statistics and geostatisitcs to study the spatial v ariabili ty of top soil ( 0～ 20 cm) moisture and soil bulk
density in three di fferent stand age of Salix psammophila in inter-dune low land. The result showed that there
show ed increased tendency of top soil moisture w ith the g row th of Sal ix psammophila, i t also had a significant ef-
fect ( p < 0. 05) on top soil moisture in three different stand age of Salix psammophila, but the soi l bulk density of
top soil didnt show ed the significant effect. Semivariog ram analysis demonst rated that the spatial v ariabi lity be-
came higher in top soil moisture and soil bulk density , higher the spatial autocorrelation which caused spatial het-
erogenei ty mainly and more complicated and scat tered according to the grow th of Sal ix psammophila. But there is
not significant dif ferent ( p > 0. 05) betw een the vary function of top soil moisture and soil bulk densi ty in dif ferent
stand age of Sal ix psammophlia.
Key words: Sal ix psammophila; 　 top soil moisture;　 soil bulk density;　 spatial variability
在土壤类型相同的区域内 ,土壤特性在平面和深度上实际并不完全为均质 ,这种土壤属性在空间上的非均
一性 ,称为土壤特性的空间变异性 [1 ]。土壤性质的空间变异包括土壤水分特征及状态参数、物理性质、化学性
质、土壤重金属及其它元素等性质的变异 [2 ]。土壤的水分、容重是重要的土壤物理因子 ,在林地土壤中 ,这些因
子的空间变异与养分一样 ,影响着林木的根系 ,进而影响林分的生长 [3 ]。 土壤水分空间异质性主要指土壤水分
在时空尺度上的变异性 ,其具有高度的异质性 [4 ]。在一定的景观内 ,不同地点和土层的土壤水分特征存在明显
的差异性和多样性 [5 ]。国内外学者从不同尺度和不同影响因子方面对土壤水分空间异质性进行了大量的研
究 [5, 6 ] ,结果表明 ,土壤水分空间变异的研究需要不断地深入加强 ,地统计学方法在研究土壤水分空间变异方面
也需要不断扩展 [7 ]。
沙柳 ( Salix psammophila)是毛乌素沙区优良的防风固沙树种 ,具有很高的经济价值和生态价值 [8 ]。 本文
通过对 3个不同年龄的沙柳群落进行调查研究 ,利用地统计学方法定量测定不同年龄的沙柳区域表层 ( 0～ 20
cm)土壤水分和容重的变异特性 ,探讨土壤水分与容重的空间分布规律 ,对该地区植被恢复与水资源利用的研
究具有启发和借鉴意义。
① 收稿日期: 2007-05-31　* 通讯作者 E- mail: cait j@ 263. net
基金项目:国家自然科学基金项目 ( 30471424)
作者简介:姚月锋 ,男 ,生于 1981年 ,博士研究生。 研究方向:森林水文学与恢复生态学。 E- mail: yuefyao@ yahoo. com. cn
1　研究地区概况
研究地区位于中国科学院植物研究所鄂尔多斯沙地草地生态研究站 ,海拔 1 295 m。年均气温 6. 0℃ ,最冷
月 ( 1月 )平均气温 - 10℃ ,最热月 ( 7月 )平均气温 22℃。年均降水量 358. 3 mm ,且 2 /3以上的降水集中于 6～
9月份。地表形态主要有两类 ,即梁地与滩地分布和沙丘与滩地相间分布。土壤分布表现为东北 -西南向排列
的水平地带性的变化 ,即淡栗钙土和棕钙土 ,草原地带的土壤以风沙土为主 ,地势高处也有黄绵土分布。植被可
划分为 3大植被类群: 梁地草原与灌丛植被 ,半固定、固定沙丘与沙地沙生灌丛 ,滩地草甸、盐生与沼泽植被 [9 ]。
2　研究方法
2. 1　样地设置与空间取样
在实验站周围 ,按年龄大小确定 3块样地 ,沙柳Ⅰ为 2年生 ,沙柳Ⅱ为 3年生 ,沙柳Ⅲ为 4年生。 样地均位
于丘间低地地段 ,地面平坦。依据地统计学理论及空间格局分析的取样方法 [10 ] ,在每块样地内设置一个 30 m×
30 m样方 ,内设规则的 2 m× 2 m方格 ,在样方的平分线和对角线上的各网格交叉点处取样 ,其中中间方格 (空
间位置为 ( 16, 16) )不取。各样地内布设样点均为 51个。
2. 2　土壤水分与容重测定
于 2006年 8月份 ,采用 Trase Model 6050X1型的 TDR土壤水分速测仪 ,测定表层土壤 ( 0～ 20 cm )水分含
量 ,土壤容重采用环刀法测定 [11 ]。
2. 3　数据分析
采用统计学方法计算分析各样地的土壤水分与容重的差异。 根据获得的土壤水分与容重特征值及空间位
置数据 ,计算其变异函数 ,建立变异函数的理论模型。并通过块金值 ( Nugget variance)、基台值 ( Sill)、变程
( Range)、空间结构比等参数定量分析土壤水分与容重的空间变异规律。同时使用克立格空间局部插值法
( Kriging )估计和比较土壤水分与容重的空间分布格局 [3 ]。基本统计分析采用 SPSS13. 0完成 ,变异函数与克立
格空间局部插值法采用 GS+ For Window s 3. 1完成。
表 1　不同年龄沙柳表层土壤水分含量与容重统计特征
样地 因子 平均值 标准差 方差 最小值 最大值 变异系数
(% )
样本数
(n )
沙柳Ⅰ 水分含量 (% ) 5. 480 0. 431 0. 198 4. 500 6. 700 7. 9 51容重 ( g /cm3 ) 1. 535 0. 043 0. 002 1. 420 1. 630 2. 8 51
沙柳Ⅱ 水分含量 (% ) 6. 282 0. 812 0. 659 4. 600 9. 400 12. 9 51容重 ( g /cm3 ) 1. 534 0. 035 0. 001 1. 450 1. 620 2. 3 51
沙柳Ⅲ 水分含量 (% ) 6. 596 1. 152 1. 325 4. 900 11. 60 175 51容重 ( g /cm3 ) 1. 570 0. 030 0. 001 1. 470 1. 620 1. 9 51
3　结果与分析
3. 1　不同年龄沙柳表层土壤水分
　　与容重统计分析
对调查数据进行统计分析 ,结
果表明 (表 1): 沙柳Ⅰ 、沙柳Ⅱ及沙
柳Ⅲ表层土壤水分含量和容重平均
值 分 别 为 5. 480% , 6. 282% ,
6. 596% ; 1. 535 g /cm
3 , 1. 534 g /cm
3 , 1. 570 g /cm
3。在 2～ 4年沙柳林中 ,随着年龄的增长 ,表层土壤水分含量表
现出不断增大的趋势。 对不同年龄沙柳土壤水分含量与容重进行方差分析表明: 在表层土壤水分含量中 ,沙柳
Ⅰ与沙柳Ⅱ、沙柳Ⅲ间差异性显著 (P < 0. 05) ,而沙柳 Ⅱ 与沙柳 Ⅲ 间差异性不显著 (P > 0. 05) ; 在土壤容重
中 ,沙柳Ⅰ 与沙柳Ⅱ间差异性不显著 ,而沙柳Ⅰ 、沙柳Ⅱ与沙柳Ⅲ间存在着一定的差异性。丘间低地营造沙柳
林 , 3～ 4年内即可形成地上枝叶茂盛、地下根系发达、纵横交错的林网 [12 ] ,沙柳成林后 ,其群落保持着较高的盖
度 ,可减少林内、地面水分的蒸散 ,从而防止土壤水分的耗散 ,在一定程度上维持着较多的土壤水分。 在沙柳Ⅲ
中 ,土壤容重较大的原因可能是受到人为取样时的影响 ,从而产生偏差。 对不同年龄沙柳表层土壤水分含量与
容重进行相关性分析表明 ,各年龄沙柳土壤水分与容重间相关性不显著 ( P > 0. 05) ,说明表层土壤水分含量
受土壤容重影响不显著 ,即各年龄沙柳表层土壤水分含量的大小变化趋势与土壤容重的变化相关性不强。
统计平均数、标准差表示的是绝对变异 ,变异系数反映的是相对变异 [3 ]。沙柳Ⅰ 、沙柳Ⅱ及沙柳Ⅲ表层土壤
水分含量和容重变异系数分别为 0. 079, 0. 129, 0. 175和 0. 028, 0. 023, 0. 019。其中 ,在沙柳Ⅰ表层土壤水分含
量中 ,其变异程度为弱变异 [13 ] ,沙柳Ⅱ和沙柳Ⅲ为中等变异 ;而各个年龄沙柳表层土壤容重均为弱变异。 这说
明在 2～ 4年沙柳林中 ,随着年龄增长 ,林木个体生长的差异 ,对水分需求不一引起土壤水分空间分异 ,从而使
其表层土壤水分变异系数有所增加。
3. 2　不同年龄沙柳表层土壤水分与容重变异函数
对各年龄沙柳表层土壤水分和容重的调查数据进行空间变异分析 ,得到各模型最佳拟合结果 (表 2)。
115第 5期 姚月锋等:丘间低地不同年龄沙柳表层土壤水分与容重的空间变异
表 2　不同年龄沙柳表层土壤水分与容重的变异函数理论模型及相关参数
样地 因子 模型 块金值 基台值 变程
( m)
空间结构比
(% )
均定系数 分数维
沙柳Ⅰ 土壤水分 球状 0. 349E- 2 1. 888E- 2 61. 000 81. 5 0. 881 1. 801容重 指数 0. 67E- 3 1. 35E- 3 15. 900 50. 4 0. 682 1. 876
沙柳Ⅱ 土壤水分 球状 0. 249E- 2 1. 378E- 2 6. 730 81. 9 0. 865 1. 904容重 指数 1. 0E- 3 2. 49E- 3 36. 210 59. 8 0. 756 1. 878
沙柳Ⅲ 土壤水分 球状 2. 510E- 2 2. 782E- 2 5. 610 91. 0 0. 451 1. 956容重 指数 0. 56E- 3 2. 62E- 3 183. 000 78. 6 0. 786 1. 939
　　块金值表示随机变异和测量误差引起的空间变异 ,拱高表示自相关引起的空间变异。基台值为块金值与拱
高之和 ,表示变量在研究系统中最大的变异程度 ,可用来衡量空间变异程度 [3 ]。 在沙柳Ⅰ 、沙柳Ⅱ及沙柳Ⅲ表
层 ,土壤水分含量和容重表现出不一样的空间变异程度。 沙柳Ⅰ 、沙柳Ⅱ及沙柳Ⅲ表层土壤水分含量块金值和
基台值分别为: 0. 349E- 2, 1. 888E- 2; 0. 249E- 2, 1. 378E- 2; 2. 510E- 2, 2. 782E- 2。 表层容重块金值和基
台值分别为: 0. 67E- 3, 1. 35E- 3; 1. 0E- 3, 2. 49E- 3; 0. 56E- 3, 2. 62E- 3。在 2～ 4年沙柳林中 ,随着年龄的
增长 ,表层土壤水分含量块金值和基台值出现波动性变化趋势 ,但整体来看 ,总的空间变异程度增强。表层容重
块金值和基台值随着年龄的增长则表现出增加的趋势 ,总的空间变异程度增强。
图 1不同年龄沙柳表层土壤水分空间分布格局 图 2不同年龄沙柳表层土壤容重空间分布格局
空间变异主要由两部
分组成: 随机部分和自相关
部分 [14 ]。空间结构比表示空
间变异程度 ,如果该比值较
高 ,说明由空间自相关部分
引起的空间变异程度较高 ,
相反 ,则由空间随机部分引
起的空间变异程度较高 [16 ]。
有关研究认为 ,空间结构比
> 75%时表明具有强烈的
空间相关性 ;比值在 25% ～
75%之间时属于中等相关 ;
比值 < 25%时属于 弱相
关 [15 ]。 沙柳Ⅰ 、沙柳Ⅱ及沙
柳Ⅲ 表层土壤水分含量和
容重空间结构比分别为
81. 5% , 81. 9% , 91. 0%和
50. 4% , 59. 8% , 78. 6% 。在
2～ 4年沙柳林中 ,随着年龄
的增长 ,表层土壤水分空间
自相关部分引起的空间变
异增强 ,向更强烈的空间相
关性转变。表层土壤容重则
由中等程度的空间相关性
向强烈的空间相关性转变。
在空间自相关范围内 ,分析
土壤水分含量与容重变异
函数间的关系 ,结果表明:
不同年龄沙柳表层土壤水
分含量的空间变异与容重的空间变异相关性不显著 ( p > 0. 05) ,说明不同年龄沙柳表层土壤水分含量的空间
变异不受容重空间变异的影响。 有关研究也表明 ,土壤水分的空间变异除受土壤物理因子相互影响外 ,还受到
气候、地形、植被等因子的影响 [ 16]。
116 水土保持学报 第 21卷
3. 3　不同年龄沙柳表层土壤水分与容重空间分布格局
对不同年龄沙柳表层土壤水分与容重数据进行 K - S正态分布检验表明 ,各年龄沙柳表层土壤水分含量
与容重分布概率不显著 ( p > 0. 05) ,服从正态分布。因此 ,可以采用克立格空间局部插值法对不同年龄沙柳表
层土壤水分与容重进行空间分布格局分析。结果表明 (图 1、图 2): 不同年龄沙柳表层土壤水分与容重的斑块复
杂程度以及斑块等级、形状有所不同。沙柳Ⅰ中表层土壤水分含量的斑块连接性较好 ,斑块面积也较大 ,斑块复
杂程度较低 ,分维数为 1. 801,梯度特征分布较明显。 在沙柳Ⅱ、沙柳Ⅲ中 ,表层土壤水分空间分布斑块连接性
较低 ,并出现许多小面积斑块分布 ,且皆由较高等级的斑块所占据 ,其分维数分别为 1. 904, 1. 956,小尺度上的
斑块接近椭圆或圆形 ,斑块空间分布格局趋于复杂化。在表层土壤容重中 ,不同年龄沙柳中皆表现出相似的空
间分布格局 ,特别是在沙柳Ⅰ与沙柳Ⅱ中 ,表层土壤容重斑块连接性都较好 ,差别不明显 ,斑块面积也较大 ,复
杂程度较低 ,由等级相对较低的斑块组成 ,其分维数也相近 ,分别为 1. 876, 1. 878。在沙柳Ⅲ表层土壤容重空间
分布格局中 ,斑块连接性相对较差 ,并出现独立性大的小斑块 ,但数量相对较少 ;其斑块等级相对较高 ,分维数
为 1. 939,斑块空间分布格局复杂性稍强。说明在 2～ 4年沙柳林中 ,随着林龄的增长 ,由于沙柳个体生长对土
壤水分的消耗 ,以及沙柳成林后对小气候环境的作用 ,使得土壤水分、容重等土壤物理性因子的空间分布格局
趋于复杂化。
4　结　论
( 1)不同年龄沙柳表层土壤水分含量均值大小依次为: 沙柳Ⅲ ( 4年 , 6. 596% )> 沙柳Ⅱ ( 3年 , 6. 282% )>
沙柳Ⅰ ( 2年 , 5. 480% );沙柳Ⅰ 与沙柳Ⅱ 、沙柳Ⅲ表层土壤水分含量间存在着显著差异性 ,说明在 2～ 4年沙柳
林中 ,随着年龄的增长 ,表层土壤水分含量表现出增大的趋势。而随着年龄的增长 ,不同年龄沙柳中表层土壤容
重间差异性不明显 ,在沙柳Ⅲ中容重稍大的原因可能受到人为过牧干扰的影响。沙柳Ⅰ 表层土壤水分含量属于
弱变异 ,沙柳Ⅱ和沙柳Ⅲ为中等变异 ;而各个年龄沙柳表层土壤容重均为弱变异。
( 2)从整体来看 ,随着年龄的增长 ,表层土壤水分含量与容重的块金值和基台值皆表现出增加的趋势 ,总的
空间变异程度增强 ;其中 ,表层土壤水分空间自相关部分引起的空间变异增强 ,并向更强烈的空间相关性转变 ;
而表层土壤容重则由中等程度的空间相关性向强烈的空间相关性转变。在空间自相关范围内 ,不同年龄沙柳表
层土壤水分含量的空间变异与容重的空间变异相关性不显著 (P > 0. 05)。
( 3)不同年龄沙柳表层土壤水分与容重表现出不同的空间分布格局。随着年龄的增长 ,表层土壤水分斑块
连接性较差 ,斑块形状零碎化 ,出现许多小的、近似圆形斑块 ,空间分布格局趋于复杂化 ;而在表层土壤容重中 ,
斑块连接性较好 ,斑块复杂程度性较低 ,只是在沙柳Ⅲ中出现少数独立性大的小斑块。
本文在研究影响土壤水分空间变异时 ,只考虑土壤容重空间变异对土壤水分空间变异的影响 ,对于其他因
子的影响有待于进一步的研究。
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