全 文 ：第 34卷 第 4期 生 态 科 学 34(4): 131136
2015 年 7 月 Ecological Science Jul. 2015
收稿日期: 2015-01-30; 修订日期: 2015-03-04
基金项目: 自治区科技计划项目资助(201433115); 国家自然科学地区基金项目资助(41171036)
作者简介: 王盼盼(1989—), 女, 硕士研究生, 主要从事干旱区气候与环境方面的研究。E-mail: 1169969229@qq.com
*通信作者: 李艳红(1977—), 女, 博士教授, 主要从事应用气象、干旱区气候与环境方面的研究。E-mail: lyh0704@126.com
王盼盼, 李艳红, 徐莉. 艾比湖湿地典型植物群落下土壤有机质空间变异性研究[J]. 生态科学, 2015, 34(4): 131136.
WANG Panpan, LI Yanhong, XU Li. A study on spatial variability of soil organic matters under typical plant communities in the
wetland of Lake Ebinur [J]. Ecological Science, 2015, 34(4): 131136.
艾比湖湿地典型植物群落下土壤有机质空间变异性
研究
王盼盼 1,2, 李艳红 1,2*, 徐莉 1,2
1. 新疆师范大学地理科学与旅游学院, 乌鲁木齐 830054
2. 新疆维吾尔自治区重点实验室, 新疆干旱区湖泊环境与资源实验室, 乌鲁木齐 830054
【摘要】 以具有特殊气候和成土母质的艾比湖湿地为研究区, 运用传统统计学和地统计学相结合的方法对 4 种典型植
物群落下土壤有机质含量变化进行研究。结果表明: (1)不同季节下 4 种植物群落土壤有机质含量变异系数均为中等变
异; (2)随着土层深度的增加, 碱蓬群落下各层土壤有机质含量在 0—5 cm和 50—60 cm较高, 芦苇群落和盐节木群落各
层土壤有机质含量在 10—20 cm 较高, 梭梭群落下各层土壤有机质在一定区域范围内空间特征性显著, 且植物群落中
土壤有机质含量均具有较强的空间相关性, 5 月芦苇群落的变异程度大于其他植物群落。总体来说, 不同季节芦苇群落
下土壤有机质的空间变异范围均较大, 说明距湖远近对土壤有机质空间具有一定的影响。
关键词：艾比湖湿地; 典型植物群落; 有机质; 空间变异性
doi:10.14108/j.cnki. 1008-8873.2015.04.021 中图分类号：S151.9 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2015)04-131-06
A study on spatial variability of soil organic matters under typical plant
communities in the wetland of Lake Ebinur
WANG Panpan1,2, LI Yanghong1,2*, XU Li1,2
1. College of Geographic Science and Tourism, Xinjiang Normal University, Urumqi 830054, China
2. Key Laboratory of Xinjiang Uygur Autonomous Region; Xinjiang Laboratory of Lake Environment and Resources in Arid
Area, Urumqi 830054, China
Abstract: Selected the wetland in Lake Ebinur with special climate and soil parent material as the studied area in the paper,
we analyzed the variations of soil organic matter content in four typical plant communities by using the traditional statistics and
geo-statistics methods. The results showed that: (1) The differentiate coefficient of local soil organic matter content in the
four plant communities displayed a moderate variation with different seasons. (2) With the increase of the soil depth, the soil
layers with higher content of organic matter in Suaeda salsa community were at the depth of 0-5 cm and 50-60 cm, while
those were at the depth of 10-20 cm in Phragmites community and Halocnemum strobilaceum community. The soil organic
matter content in Haloxylon ammodendron community showed significant spatial characteristics in certain areas and strong
spatial correlation. The variation degree of soil organic matter content in Phragmites community was larger than other plant
communities in May. In general, there was a large spatial variability range of soil organic matter in Phragmites community,
indicating that the distance from the lakeshore had a certain impact on the spatial variability of soil organic matter.
Key words: Ebinur Lake wetland; typical plant communities; organic matter; spatial variability;
132 生 态 科 学 34 卷
1 前言
土壤有机质是形成土壤肥力的基础, 是表征土
壤质量的重要指标, 是土壤养分的载体和来源, 对
土壤的各种物理性质和肥力具有深刻的影响, 已成
为目前土壤学和环境学的研究热点之一[1–5]。土壤有
机质是土壤肥力的重要物质基础, 在维持土壤结
构、保持土壤水分和供应养分等方面具有重要作用,
同时也与全球气候变化密切相关[6]。关于土壤有机
质的研究主要集中在对不同区域草原、黄土高原
丘陵区、不同年限的围栏封育区、不同土地利用
方式下土壤性质以及土壤有机质的空间变异性等
方面[7–12]。新疆艾比湖湿地作为典型的干旱区内陆
湖泊湿地代表, 前人对其的研究多集中在对整个流
域土壤有机质空间变异特征上[9], 对艾比湖流域不
同植物群落下土壤有机质的空间变化特征的研究较
少。因此, 以艾比湖湿地不同植物群落作为研究对象,
根据野外实地调查取样, 结合地统计学方法, 在大尺
度上综合考虑湿地内各个样方内植被特征及土壤有
机质特征, 分析不同植物群落下土壤有机质含量空
间变化特征以及土壤有机质与影响因子之间的关系。
艾比湖湿地有比较特殊的气候和成土母质, 对不同
植物群落土壤有机质含量进行系统分析有重要意义。
为干旱区湿地的恢复和保护提供科学参考依据, 为
干旱区湿地的研究和管理实践提供相关决策依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
艾比湖国家级自然保护区地处亚欧大陆腹地,
远离海洋, 属典型的温带干旱大陆性气候。该区域
常年干旱少雨, 光热充足, 保护区日照时数约 2800
小时。年平均温度为 6—8℃, 月最低均温低于—17℃,
月最高均温高达 28℃,最高极端气温 41.7℃, 最低极
端气温—32.2℃, 年平均降水量为 105.17 mm, 潜在
蒸发量为 1315 mm。艾比湖位于阿拉山口大风主风
道上, 风沙运动较为活跃, 盐尘和浮尘活动频繁。
1.2 研究方法
2012 年 5 月、10 月中旬, 对艾比湖湿地自然保
护区进行野外调查。根据典型植物群落的不同, 在
博河、精河、奎屯河及鸟岛附近个设置 1 个 100 m
100 m 的大样方(图 1)。4 个样方中的典型植物群
图 1 艾比湖采样点示意图
Fig. 1 Sampling points around Lake Ebinur
4 期 王盼盼, 等. 艾比湖湿地典型植物群落下土壤有机质空间变异性研究 133
落分别为芦苇群落、碱蓬群落、梭梭群落及盐节
木群落(表 1)。在 4 个大样方中分别以五点法设置
5 个 10 m×10 m 的小样方, 总计 20 个样方。分别
调查每个样方内植被的种类、数量、高度、胸径、
冠幅, 并记录各样方的海拔、经纬度、地理地貌等
小环境因素。在每个样方内, 选取有代表性的部位
挖取土壤剖面, 分 0—5 cm、10—20 cm、30—40 cm
及 50—60 cm 四层, 自上而下逐层采集土样并放入
密封袋。共采集土壤样品 160 个。土样在实验室
风干, 碾碎后过 60 目筛, 标记后封口, 在阴凉干
燥处贮存备用。有机质测定采用重铬酸钾容量法,
重复 3 次。应用传统统计学与地统计学理论以及
半方差函数理论模型相结合的方法, 分析对比不
同植物群落下的土壤有机质含量的分布特征。所
有的实验数据均通过狄克松(Dixson)法, P=0.01 水
平下的异常值检验 , 并在 DPS、excel 2007 及
GS+9.0 等软件上进行绘图。
2 结果与分析
2.1 不同植物群落下土壤剖面平均有机质含量统
计特征
对不同季节各植物群落下土壤有机质含量进行
统计分析[17], 统计特征列于表 2。结果显示, 5 月份
土壤剖面平均有机质含量从高到低依次为碱蓬群
落>芦苇群落>盐节木群落>梭梭群落; 10 月份土壤
剖面平均有机质含量从高到低依次为芦苇群落>
盐节木群落>碱蓬群落>梭梭群落。不同季节 4 植
物群落下土壤有机质含量变化不同, 其中芦苇群
落下土壤平均有机质含量较高, 这主要是由于该
区域距湖较近 , 地下水位较低 , 因此该地土壤有
机质含量相对较高。通过单因素方差分析可知, 不
同样地之间土壤含水量存在极显著差异(F=8.033,
P=0.0085<0.01), 盐分含量 (F=3.845, P=0.0386<
0.05)也存在显著性差异。变异系数(CV)是描述土
壤特性参数空间变异性程度的指标, 依据 Nielsen
分级标准[14], 当 CV≤10%时为弱变异, 当 10%<
CV<100%时为中等变异, 当 CV≥100%时为强变
异性。从变异程度来看, 5 月, 土壤剖面平均有机
质含量的变异系数从高到低依次为盐节木群落>
芦苇群落>梭梭群落>碱蓬群落; 10 月, 土壤剖面
平均有机质含量的变异系数从高到低依次为碱蓬
群落>梭梭群落>芦苇群落>盐节木群落 , 变异系
数均在 10%到 100%之间, 属于中等变异。说明土
壤有机质变化易受到气候、微地形以及湖面积波
动等结构性因素的影响, 干旱区土壤总体较为贫
瘠, 土壤有机质含量少, 变异性程度较低。
表 1 样地描述
Tab. 1 Description on the sampling points
样地 经纬度 海拔/m 群落描述 距湖远近/km
采样点 1 82°43′33.9″ 44°50′44.1″ 192 碱蓬群落 4.17
采样点 2 82°49′40.7″ 44°49′36.9″ 190 芦苇群落 1.27
采样点 3 83°16′13.3″ 44°49′50.8″ 201 盐节木群落 8.28
采样点 4 83°16′07.6″ 44°41′18.5″ 205 梭梭群落 8.31
表 2 2012 年 5 月、10 月不同植物群落下平均有机质含量统计特征(%)
Tab. 2 Feature of the average content of organic matters in different plant communities in May and October, 2012
植物群落 月份 平均值 标准差 变异系数 峰度 偏度 最小值 最大值
5 月 2.0896 0.2818 13.4800 –0.0440 0.1684 1.5516 2.7324
碱蓬群落
10 月 0.2154 0.1530 71.0400 3.8580 0.0423 0.0327 0.7632
5 月 0.0005 0.0002 37.3500 –0.6143 –0.1125 0.0004 0.0008
梭梭群落
10 月 0.0979 0.0649 66.2800 0.8455 0.9113 0.0278 0.2697
5 月 1.6722 0.6756 40.4000 –2.3378 –0.1475 0.3806 2.5372
芦苇群落
10 月 0.3758 0.1864 49.6100 1.1510 –0.3175 0.0402 1.8193
5 月 0.9456 0.4632 48.9800 0.2263 –0.0600 0.0008 0.7904
盐节木群落
10 月 0.2256 0.1006 44.6100 –2.4273 –0.0360 0.0383 0.6020
134 生 态 科 学 34 卷
2.2 土壤剖面各层有机质变化特征
由图 2 可知, 2012 年 5 月各植物群落下土壤有
机质含量为高低表现: 碱蓬群落>芦苇群落>盐节木
群落>梭梭群落。2012 年 10 月各植物群落下土壤有
机质含量为高低表现: 芦苇群落>盐节木群落>碱蓬
群落>梭梭群落。通过对比分析发现, 不同季节各植
物群落下土壤有机质含量变化较为显著。其中 5 月各
植物群落下土壤有机质含量明显高于 10 月各植物群
落下土壤有机质含量, 而且变化最为显著的是碱蓬
群落和盐节木群落。综合来看, 不同季节芦苇群落下
土壤有机质含量相对较高。4 种植物群落下各层土壤
有机质含量也存在差异, 而且各层土壤有机质含量
在 4 种植物群落下表现出不同的变化趋势, 碱蓬群落
下各层土壤有机质含量在 0—5 cm 和 50—60 cm 较高,
芦苇群落和盐节木群落各层土壤有机质含量在 10—
20 cm 较高, 梭梭群落下各层土壤有机质含量差异较
小。而且, 5 月各层土壤有机质含量变化较为显著, 10
月各植物群落下各层土壤有机质含量变化较小。
2.3 土壤有机质的空间变异性分析
根据半方差函数理论及计算模型得出不同植被
群落下土壤有机质变异函数模型及相关参数(表 3、
图 3 及图 4)。可以看出, 除了 5 月盐节木群落下土
壤有机质属于球状模型和 10 月梭梭群落下土壤有
机质属于指数模型外, 其他支取群落下土壤剖面平
均有机质含量的半方差理论模型均符合高斯模型。
表 3 中 C0 为块金值; C0+C1 为基台值; C0/(C0+C1)可
以表明土壤性质空间相关性的程度高低。如果
C0/(C0+C1)小于 25%, 表现为强空间相关性; 25%—
75%之间的空间相关性中等; 大于 75%, 空间相关
性很弱; 若比值接近于 1, 说明在整个尺度上具有恒
定的变异[15–19]。4 种植被群落下, 除了 5 月梭梭群落
下土壤剖面平均有机质含量的 C0/(C0+C1)值大于
25%外, 其余土壤剖面平均有机质含量的 C0/(C0+C1)
值均小于 25%, 可见, 不同植物群落下土壤剖面平
均有机质含量均表现为较强的空间自相关性。通过
对结构方差和块方差与基台值的比值分析可知, 研
究区不同植物群落下土壤有机质的空间差异主要属
于结构性差异, 由当地小气候、土壤类型等结构性
因素引起, 并且在不同植物群落下结构性差异在总
变异中所占比值不同, 5 月芦苇群落土壤剖面平均有
机质含量的块金常数和基台值明显高于其他植物群
落, 表明前者的总变异程度大于后者。从自相关距
看, 变程反应区域化变量空间相关范围的大小, 与
观测尺度以及取样尺度上影响土壤水盐的各种生态
过程的相互作用有关。5 月, 芦苇群落和梭梭群落下
土壤有机质含量的相关距离明显高于其他植被群
图 2 典型植物群落下各层土壤有机质含量季节变化特征
Fig. 2 Feature of variability of seasonal soil organic matters of different layers under typical plant communities
表 3 土壤有机质的半方差模型及其参数
Tab. 3 Semivariance model and its parameter of soil organic matters
类型 月份 理论模型 C0 C0+C1 C0/(C0+C1) a/m R2 残差 RSS
5 月 高斯模型 0.000140 0.0042 0.03333 72.05 0.999 1.21E-09 碱蓬群落
10 月 高斯模型 0.000001 0.0029 0.00034 71.53 0.985 5.49E-08
5 月 May 高斯模型 0.000000 0.0000 0.30864 182.56 0.998 9.75E-21 梭梭群落
10 月 指数模型 0.000000 0.0001 0.00110 91.50 0.939 7.24E-11
5 月 高斯模型 0.000100 0.1542 0.00065 190.35 0.999 1.10E-06 芦苇群落
10 月 高斯模型 0.000010 0.2000 0.00050 192.26 0.998 1.11E-07
5 月 球状模型 0.000159 0.0014 0.10981 43.10 0.485 8.67E-08 盐节木群落
10 月 高斯模型 0.000001 0.0007 0.00137 109.81 0.999 3.54E-10
4 期 王盼盼, 等. 艾比湖湿地典型植物群落下土壤有机质空间变异性研究 135
图 3 2012 年 5 月不同植物群落下土壤有机质的半方差函数
Fig. 3 Semi-variance function of different soil organic matters under different plant communities in May, 2012
图 4 2012 年 10 月不同植物群落下土壤有机质的半方差函数
Fig. 4 Semi-variance function of different soil organic matters under different plant communities in October, 2012
落, 说明这两种植被群落土壤有机质的空间变异范
围较大; 10 月, 芦苇群落和盐节木群落下土壤有机
质含量的相关性距离明显高于其他植被群落, 说明
这两种植被群落土壤有机质的空间变异范围较大;
综合来看, 不同季节芦苇群落下土壤有机质的空间
变异范围均较大。
3 结论
(1) 各植物群落距湖距离由近到远依次为芦苇
群落<碱蓬群落<盐节木群落<梭梭群落。不同季节 4
种植物群落土壤有机质含量变异系数均为中等。不
同植物群落各层土壤有机质含量存在差异, 5 月各植
物群落土壤有机质含量明显高于 10 月各植物群落
土壤有机质含量, 而且碱蓬群落和盐节木群落的变
化最为显著, 这可能因为研究区干旱、高温的气候
条件下, 好气微生物比较活跃, 增加了有机质的矿
化分解量, 不利于有机质的累积。
(2) 从空间结构性分析来看, 不同植物群落下
土壤有机质含量在一定的区域范围内具有空间结构
特征, 且各群落下土壤有机质具有较强的空间自相
关性。说明随机性因素对土壤水盐含水量空间分布
的贡献较小, 其变异主要受气候、土壤母质、地形
136 生 态 科 学 34 卷
等结构性因素引起, 5 月芦苇群落的总变异程度大于
其他植物群落。
(3) 通过研究表明, 植物本身对土壤有机质含
量具有一定的影响。随着土层深度的增加, 微生物
数量减少, 分解速率降低, 有机质向下迁移量减少,
有机碳质量分别呈下降趋势。微生物在土壤不同层
次表现的特异性致使土壤有机质含量呈现出不均匀
的垂直分布规律。因此, 土壤有机质变化会影响植
物群落的空间分布格局, 与此同时, 植物群落的变
化在一定程度上能够改善土壤有机质含量, 提高土
壤肥力。
参考文献
[1] 金海龙, 白祥, 满中龙, 等. 新疆艾比湖湿地自然保护区
土壤空间异质性研究[J]. 干旱区资源与环境, 2010, 24(2):
150–157.
[2] 贾树海, 周德, 韩璐, 等. 辽宁瓦房店市北部五乡镇 25
年来土壤养分时空变化研究[J]. 土壤通报, 2009, 40(1):
60–65.
[3] 杨劲松, 姚荣江. 黄河三角洲地区土壤水盐空间变异特
征研究[J]. 地理科学, 2007, 27(3): 348–353.
[4] 张忠华, 胡刚, 祝介东, 等. 喀斯特森林土壤养分的空间
异质性及其对树种分布的影响[J]. 植物生态学报, 2011,
35(10): 1038–10490
[5] 李静, 孙虎, 邢东兴, 等. 西北干旱半干旱区湿地特征与
保护[J]. 中国沙漠, 2003, 23(6): 670–674.
[6] 肖盛云, 董云社, 齐玉春, 等. 草地生态系统土壤有机碳
库对人为干扰和全球变化的响应研究进展[J]. 地球科学
进展, 2009, 24(10): 1138–1148.
[7] 吴文斌 , 杨鹏 , 唐华俊 , 等 . 土地利用对土壤性质影
响的区域差异研究 [J]. 中国农业科学 , 2007, 40(8):
1697–1702.
[8] 候扶江, 任继周. 甘肃马鹿冬季放牧践踏作用及其对
土壤理化性质影响的评价[J]. 生态学报, 2003, 23(3):
486–495.
[9] 邱莉萍, 张兴昌, 程积民, 等. 不同封育年限草地土壤有
机质组分及其碳库管理指数[J]. 植物营养与肥料学报,
2011, 17(5): 1166–1171.
[10] 韩 丹, 程先富, 谢金红, 等. 大别山区江子河流域土壤
有机质的空间变异及其影响因素[J]. 土壤学报, 2012,
49(2): 403–408.
[11] 乌云娜, 雒文涛, 霍光伟, 等. 微生境尺度上放牧退化草
原群落特征与土壤有机质的空间分异性[J]. 中国沙漠,
2012, 32(4): 972–979.
[12] 信忠保, 余新晓, 张满良, 等. 黄土高原丘陵沟壑不同
土地利用的土壤养分特征[J]. 干旱区研究, 2012, 29(3):
379–384.
[13] 张辉国, 王合玲. 艾比湖流域土壤有机质垂直空间变异
特征[J]. 水土保持研究, 2013, 20(5): 77–85.
[14] Nielsen, D R, Bouma, J. Soil Spatial Variablity[M].
Wageningen: PUDOC, 1985: 2–30.
[15] 郭旭东, 傅伯杰, 陈利顶, 等. 河北省遵义化平原养分的
时空变异特征: 变异函数与 Kringing 插值分析[J]. 地理
学报, 2000, 55(5): 555–566.
[16] 李根, 毛峰. 我国水土流失型非点源污染负荷及其经济
损失评估[J]. 中国水土保持, 2008 (2): 9–11.
[17] 地统计学及其在生态学中的应用[M]. 北京: 科学出版
社, 1999: 162–192.