全 文 ：第 21卷第 1期
2007年 2月 水土保持学报Journa l of Soil and Wa ter Conserv a tion Vol
. 21 No. 1
Feb. , 2007
　
毛乌素沙地不同林龄沙柳表层土壤水分空间异质性①
姚月锋 , 满秀玲*
(东北林业大学 林学院 , 哈尔滨 150040)
摘要: 利用经典统计学与地统计学相结合的方法对毛乌素沙地不同林龄沙柳表层土壤 ( 0～ 20 cm)水分空间异质
性进行研究。结果表明 ,随着林龄的增长 ,表层土壤水分含量有增加的趋势 ,增加幅度为 5. 46% ～ 6. 60% ;不同林
龄沙柳表层土壤之间水分含量差异极显著 ( p < 0. 01 )。 变异函数分析显示 , 2～ 4年的沙柳林中 ,随着林龄的增
长 ,使得基台值和空间结构比增大 ,沙柳表层土壤水分含量具有高度的空间异质性 ,其空间异质性以空间自相关
部分为主 ,从占总空间异质性的 63%增大到 87% ;各向异性分析也表明 ,在空间上不同林龄表层土壤水分具有明
显的各向异性 ;其空间格局有明显的差异 , 2年生沙柳林表层土壤水分含量的分数维较低 , 4年生沙柳林的分数维
最大 ,斑块形状复杂程度增大 ,表层土壤水分空间分布趋于离散。
关键词: 毛乌素沙地 ;　沙柳 ;　土壤水分 ;　空间异质性 ;　变异函数
中图分类号: S152. 7　　　文献标识码: A　　　文章编号: 1009-2242( 2007) 01-0111-05
Spatial Heterogeneity of Top Soil Moisture
in Different Stand Age of Salix psammophila in MU US Sandy Land
YAO Yue-feng , M AN Xiu-ling
*
(College of Forestry , Northeast Forestry University , Harbin 150040)
Abstract: The spatial v ariabili ty of soil moisture is remarkable. Here we used tradi tional sta tistics and semivari-
ance analysis of geostatistics to test for differences in the spatial heterogenei ty of top soil ( 0～ 20 cm ) moisture of
three dif ferent stand age of Sal ix psammophila in the MU US sandy land. The results show ed tha t there is a ten-
dency tow ards increasing of the topsoi l moisture wi th the g row th of Salix psammophila stand age; the increase
range is 5. 46% to 6. 60% . And all the sampling date of dif ferent stand age of Sal ix psammophila had a signifi-
cantly ( p < 0. 01) effect on top soil moisture. Semivariogram analysis demonst rated that there is a high spatial
heterogenei ty in soil moisture. The means of nugget , sill and st ructural ratio (C /C0 + C ) increased w ith the
g row th of Salix psammophila stand age. Spatial heterogenei ty in top soil moisture was mainly caused by spatial
autocorrelation, 63% to 87% with the g row th of Sal ix psammophila stand age. There are high lev els of v ariation
in pat tern in the dif ferent stand age of Sal ix psammophila. The spatial patchiness for top soi l ( 0～ 20 cm) moisture
of 4 years old Sal ix psammophila is the most f ragmented. Because of the increase of spatial heterogeneity, the ten-
dency of top soil moisture is dispersed.
Key words: M U U S sandy land; Sal ix psammophila; top soil moisture;　 spatial heterogenei ty;　 vary function
空间异质性是指系统或系统属性在空间上的复杂性和变异性 ,系统属性可以是生态所涉及的任何变量如
土壤特性、植被类型等 ,其空间异质性对生态功能和过程影响起着重要的作用 [1 ]。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 [2 ]。有关研究表明 ,土壤水分具有明显的空间异质性 [ 3]。在不同的空间尺度上 ,土壤水分受到影响的因子有所
不同。在较小尺度上 ,主要受植被分布、微立地条件等因子的影响。许多学者对森林 [4 ]、草地 [5 ]、沙地 [ 6]等不同生
态系统进行了大量的研究 ,对认识不同群落土壤水分空间分布具有重要的意义。
毛乌素沙区生态系统以灌木为主 ,其中沙柳 ( Sal ix psammophila)是分布最广的优势灌木 ,常与乌柳 ( Salix
l inearistripularis )组成柳湾林 ,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 [7 ]。对该地
区沙柳的生物学特性 [8 ]、光合水分生理特征以及群落特征等都有过较为详细的研究 [9, 10 ] ,而对沙柳土壤水分的
空间分布特征研究很少。表层土壤水分的空间格局由不同尺度上的自然作用和过程控制 ,包括降水、径流、蒸发
等 ,其变化尺度从几厘米到上百米 ,通过对以上过程的调节 ,微地貌、植被、土壤性质等环境因子间接控制着土
① 收稿日期: 2006-11-01　* 通讯作者 E- mail: mannefu@ 163. com
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 ,硕士研究生。 研究方向:水土保持与荒漠化防治。 E- mail: yuefyao@ yahoo. com. cn
壤水分的空间分布 ,同时土壤水分的空间分布格局也反映了这些自然过程和作用的空间差异 [11 ]。因此 ,对沙柳
林地表层土壤水分空间异质性进行研究 ,揭示不同林龄沙柳林地表层土壤水分变异的程度及沙柳土壤水分空
间异质性随林龄变化的规律 ,为该地区的水土保持、荒漠化防治及生态环境恢复提供科学依据。
1　研究地概况
研究地位于毛乌素沙地东北部的中科院植物研究所鄂尔多斯沙地草地生态研究站 ( 110°11′E, 39°29′N ) ,
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。地表形态主要表现为梁地与滩地、沙丘与滩地相间分布。土壤类型主
要有梁地上的栗钙土或淡栗钙土 ,沙地上的各类风沙土 ,以及滩地上的草甸土、盐碱土与沼泽潜育土 ;植被类群
主要为梁地上的草原与灌丛植被 ,半固定、固定沙丘及沙地上的沙生灌丛、滩地草甸、盐生和沼泽植被 [12 ]。
2　研究方法
2. 1　样地设置与空间取样
在实验站周围 ,按林龄大小确定 3块样地 ,样地 A为 2年生沙柳林 ,样地 B为 3年生沙柳林 ,样地 C为 4
年生沙柳林 ,同时选择油蒿样地 D作为参照样地。4块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 [1 ] ,在每块样地内设置一个 30 m× 30 m样方 ,内设规则 2 m× 2 m的取样点 ,在网
格的交叉点处取样。样地 A、 B、 C、D内布设样点均为 196个。
2. 2　表层土壤水分测定
于 2006年 8月 ,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。
2. 3　数据分析
采用经典的统计方法计算各样点的土壤水分特征值 ,在方差分析基础上 ,检验各样地间土壤水分平均状况
的差异。对获得的土壤水分含量和空间位置数据 ,采用变异函数分析方法建立变异函数理论模型。在地统计学
理论中 ,空间格局通常作为分离距离间函数描述观测值间的变异性 ,两样本间分隔距离 (h )通过经验半方差分
析 (亦为变异函数 )来测定 [13 ] , 同时使用克立格空间局部插值法估计和比较表层土壤水分的空间分布特征。
表 1　不同林龄沙柳样地表层土壤水分含量统计特征 %　
样地 平均值 标准差 方差 峰度 偏度 最小值 最大值 变异系数 样本数
A 5. 46 0. 51 0. 26 1. 58 0. 54 3. 50 7. 70 0. 09 196
B 6. 30 0. 81 0. 66 1. 76 0. 62 4. 20 9. 40 0. 13 196
C 6. 60 1. 01 1. 02 0. 42 0. 84 4. 80 14. 00 0. 15 196
D 6. 26 0. 87 0. 76 0. 47 0. 12 3. 10 8. 60 0. 14 196
3　结果与分析
3. 1　表层土壤水分统计分析
统计结果表明 (表 1) ,不同林龄
沙柳表层土壤间水分含量差异明显。 4
块样地表层土壤水分含量波动范围分
别是 3. 50% ～ 7. 70% , 4. 20%～ 9. 40% , 4. 80% ～ 14. 00%和 3. 10%～ 8. 60%。 4年生的沙柳林地 ( C)土壤水分
平均含量较高 ,为 6. 60% ; 2年生沙柳林地 ( A)最低 ,为 5. 46% ; 3年生沙柳林地 ( B)和参照样地 ( D)介于二者之
间 ,分别为 6. 30%和 3. 26% 。方差分析表明 ,不同林龄沙柳地之间表层土壤水分含量差异极显著 (p < 0. 01)。
说明在 2～ 4年的沙柳林中 ,随着林龄的增长 ,表层土壤水分含量有增加的趋势 ,这与林地内的植被盖度影响有
关。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 [14 ]。有关研究还表
明 ,沙柳成林后可降低 14个百分点的水分蒸发量 ,起到保持水土、涵养水源的作用 [ 15]。沙柳成林后 ,其群落保
持着较高的盖度 ,可减少阳光直射地面、增加群落内湿度、降低温度等 ,从而降低地面蒸发和植物蒸腾。
样地 A中 ,其表层土壤水分含量变异系数为 0. 09,属于弱变异 [16 ] ;样地 B、样地 C和样地 D表层土壤水分
含量变异系数分别为 0. 13, 0. 15和 0. 14,皆属于中等变异 ,其中样地 C( 4年生沙柳林 )最大。这说明在 2～ 4年
的沙柳林中 ,随着林龄的增长 ,加上林内沙柳个体生长的分异 ,对水分需求的不一会引起不同位置上土壤水分
含量差异增大 ,以致使表层土壤水分变异系数有所增加。
表 2　不同林龄沙柳样地表层土壤水分含量变异函数的参数
样地 模型 块金值 基台值 变程 空间结构比 均定系数 分数维
A 线性模型 0. 14 0. 37 27. 00 0. 63 0. 96 1. 836
B 球状模型 0. 20 0. 66 6. 25 0. 70 0. 66 1. 957
C 球状模型 0. 18 1. 35 4. 07 0. 87 0. 21 1. 999
D 指数模型 0. 39 1. 05 40. 00 0. 57 0. 90 1. 850
3. 2　表层土壤水分变异函数
利用各样地取样点的土壤水分属性计算
出的散点图 ,分别对 4块样地表层土壤水分
进行模型拟合 ,得到各模型最佳拟合结果 (表
2)及变异函数曲线 (图 1)。
　　块金值表示区域变量在小尺度上的非连续变异 ,主要来源于抽样尺度的随机变异和测量误差 ;基台值表示
变量在研究系统中最大的变异程度 ,可用来衡量空间异质性程度 [ 1]。在 3种林龄的沙柳林中 ,表层土壤水分空
112 水土保持学报 第 21卷
间异质性程度具有明显的不同。从表 2中可以看出 ,样地 A的块金值和基台值分别是 0. 14, 0. 37,样地 B为
0. 20, 0. 67,样地 C为 0. 18, 1. 35,参照样地 D的块金值和基台值为 0. 39, 1. 05。在 2～ 4年的沙柳林中 ,随着林
龄的增长 ,沙柳样地的块金值和基台值有逐渐增大的趋势 ,基台值越大 ,总的空间异质性程度越高。变程是测定
因子最大变异的空间距离 ,在变程之内 ,空间自相关存在 ,在变程之外 ,空间自相关消失。因此 ,变程的大小表示
空间异质性的尺度 [ 4]。样地 A、样地 B和样地 C的变程分别为 27. 00 m , 6. 25 m和 4. 07 m。样地 D的变程介于
样地 A和样地 B之间。 说明随着林龄的增长 ,使得基台值增大和变程减少 ,空间异质性程度增大 ,土壤水分空
间分布趋于离散。
图 1　不同样地表层土壤水分变异函数图
3. 3　表层土壤水分空间异质性比
空间异质性比表示空间异质程度 ,如果该比值较高 ,说明由非随机的结构原因形成的变异即空间自相关部
分引起的空间异质性程度较高 ,相反 ,则由空间随机部分引起的空间异质性程度较高 [1 ]。 Cambardella等研究认
为:结构比> 75% ,说明系统具有强烈的空间相关性 ;比值在 25%～ 75%间 ,表明系统中等相关 ;比例 < 25% ,
说明系统相关性很弱 [17 ]。样地 A、 B、 C所得结构比分别为 0. 63, 0. 70, 0. 87。在 2～ 4年的沙柳林中 ,随着林龄的
增长 ,沙柳样地的表层土壤水分由随机因素引起的空间异质性由 37%降低到 13% ,而由空间自相关引起的空
间异质性由 63%增大到 87% ;沙柳样地的表层土壤水分由中等程度的空间相关性向强烈的空间相关性转变 ,
表层土壤水分含量的总变异中由随机因素引起的空间变异程度变小 ,而由空间自相关部分引起的空间异质性
程度增大。其空间变异主要是由样地内植物个体生长状况、植物本身的蒸腾耗水以及群落盖度引起的。参照样
地 D空间结构比为 0. 57,由空间自相关引起的空间异质性相对较低。
3. 4　表层土壤水分的各向异性
土壤水分的空间变异通常具有方向性 ,这主要是受微地形、植物等因子的影响 ,导致不同的方向上呈现不
同的变异规律 [4 ]。从不同样地表层土壤水分含量 E0°和 N90°两个方向上变异函数的比值 (图 2)可以看出 ,各样
地的空间异质性具有各向异性结构特点 (其各向异性比不等于或不接近 1)。其中样地 A( 2年生沙柳林 )表层土
壤水分含量在 4m范围之内 , N 90°方向上的变异明显小于 E0°方向上的变异 ,在 4～ 28 m之间 , N 90°方向上的
变异大于 E0°方向上的变异。样地 B( 3年生沙柳林 )表层土壤水分含量的各向异性比在整体尺度上虽存在较大
波动 ,但总体上 , N90°方向上的变异大于 E0°方向上的变异。样地 C( 4年生沙柳林 )表层土壤含水量在 20m范
围之内 , E0°和 N90°两个方向上的各向异性比在 1附近来回波动 ,说明其具有各向同行的趋势 ,但在 20～ 28 m
间 , N90°方向上的变异大于 E0°方向上的变异 ,说明其各向异性比的复杂性。而参照样地在总体上 , N90°方向上
的变异小于 E0°方向上的变异。
113第 1期 姚月锋等:毛乌素沙地不同林龄沙柳表层土壤水分空间异质性
图 2　不同样地表层土壤水分各向异向比 K ( 0°/90°)
3. 5　表层土壤水分空间分布格局
在变异函数分析的基础上 ,进行各向异性的分数维计算 ,结果表明 , 2年生沙柳林 (样地 A)与参照样地 (样
地 D)表层土壤水分含量的双对数变异函数的直线拟合均达显著水平。说明样地 A和参照样地 D的表层土壤
水分具有很好的分形特征 ,其空间分布格局的变异存在尺度依赖 ,分数维分别为 1. 836和 1. 850。 而样地 B、 C
中的直线拟合均不显著 ,说明样地 B、 C中其表层土壤水分含量的空间梯度分布不明显 ,其依赖于尺度的空间
异质性小 ,空间分布格局较为复杂。
图 3　不同样地表层土壤水分的空间分布格局
从依据变异函数理论模型进行空间局部插值估计的克立格图可看出 ,在 2～ 4年生的沙柳林中 , 2年生沙
柳林表层土壤水分含量的斑块面积较大 ,斑块形状的复杂程度较低 ,其分数维 D = 1. 836,梯度分布特征较明
显 (见图 3)。 3, 4年生沙柳林表层土壤水分含量呈现许多小面积斑块分布 ,分数维较大 (分别为 1. 957, 1. 999) ,
斑块形状较为复杂 ,小尺度上的斑块接近于圆或椭圆 ,其中 4年生沙柳林中取值较高的斑块与取值相对较低的
斑块镶嵌。参照样地 D表层土壤水分含量的空间分布特征与样地 A具有一定程度的相似性 ,斑块形状的复杂
程度较低 ,其分数维为 1. 850,梯度分布特征明显。
114 水土保持学报 第 21卷
4　结　论
( 1) 2～ 4年生的沙柳林中 ,随着林龄的增长 ,林地表层土壤水分含量差异显著。2年生沙柳表层土壤平均水
分含量最低 ,为 5. 46% ; 4年生沙柳表层土壤水分含量最大 ,为 6. 60% 。 有关研究表明 ,沙柳营造 3～ 4年内即
可成林 [15 ] ,成林后形成成熟的群落结构 ,具有较大的群落盖度和繁茂树体枝叶分型结构 ,改变了原有的生态环
境 ,降低了土壤水分的蒸发 ,从而增加了土壤水分。表层土壤水分含量的样本方差和变异系数关系为: 4年生沙
柳林 ( C)> 参照油蒿样地 ( D)> 3年生沙柳林 ( B)> 2年生沙柳 ( A)。 其原因在于植物通过借助树种特性、树冠
覆盖等途径来影响土壤资源异质性的发展 [18 ] ,随着林龄的增长 ,地被生物多样性的增加 ,加上林内沙柳个体生
长的分异 ,对水分需求的不一引起不同位置上土壤水分含量差异增大 ,使得表层土壤水分空间异质程度由弱变
异性向中等变异性转变。
( 2)随着林龄增长 ,沙柳林表层土壤水分含量具有较高的空间异质性。不同林龄间的变异函数曲线显著不
同。对所取样本进行变异函数分析表明 ,林龄增长使得平均块金值、基台值和平均结构比增大 ,其增大范围分别
为 0. 14～ 0. 20, 0. 37～ 1. 35, 63%～ 87% ;使变程变小 ,变化范围为 25～ 4 m。 4年生沙柳林表层土壤水分基台
值明显大于 2年生沙柳林。
( 3)沙柳林表层土壤水分的空间异质性以空间自相关部分为主 ,随着林龄增长 ,由占总空间异质性的 63%
增大到 87% ,而由随机因素引起的空间变异程度变小。其空间变异程度由中等程度的空间相关性向强烈的空
间相关性转变 ,这表明沙柳表层土壤水分随着林龄的增长 ,其在空间上的分布具有明显变异特征。
( 4)沙柳林表层土壤水分含量具有明显的各向异性。其中 4年生沙柳林表层土壤水分含量的各向异性较为
复杂。 不同林龄沙柳林表层土壤水分含量空间分布格局具有明显的差异。随着林龄的增长 ,分数维变大 ,斑块
形状复杂程度增大 ,空间分布格局明显复杂化。
在不同林龄林分表层土壤水分空间异质性的研究中 ,运用地统计学的理论与方法 ,可以更好地定量得出土
壤水分的变异程度 ,科学地描述表层土壤水分空间异质性随林龄变化的变异规律。
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