全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 31 卷 第 10 期摇 摇 2011 年 5 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
大熊猫取食竹笋期间的昼夜活动节律和强度 张晋东,Vanessa HULL,黄金燕,等 (2655)………………………
高枝假木贼的胎生萌发特性及其生态适应 韩建欣,魏摇 岩,严摇 成,等 (2662)…………………………………
准噶尔盆地典型地段植物群落及其与环境因子的关系 赵从举,康慕谊,雷加强 (2669)………………………
喀斯特山地典型植被恢复过程中表土孢粉与植被的关系 郝秀东,欧阳绪红,谢世友,等 (2678)………………
青藏高原高寒草甸土壤 CO2排放对模拟氮沉降的早期响应 朱天鸿,程淑兰,方华军,等 (2687)………………
毛乌素沙地南缘沙漠化临界区域土壤水分和植被空间格局 邱开阳,谢应忠,许冬梅,等 (2697)………………
雪灾后粤北山地常绿阔叶林优势树种幼苗更新动态 区余端,苏志尧,解丹丹,等 (2708)………………………
四川盆地四种柏木林分类型的水文效应 龚固堂,陈俊华,黎燕琼,等 (2716)……………………………………
平茬对半干旱黄土丘陵区柠条林地土壤水分的影响 李耀林,郭忠升 (2727)……………………………………
连栽杉木林林下植被生物量动态格局 杨摇 超,田大伦,胡曰利,等 (2737)………………………………………
近 48a华北区太阳辐射量时空格局的变化特征 杨建莹,刘摇 勤,严昌荣,等 (2748)……………………………
中型景观尺度下杨树人工林林分特征对树干病害发生的影响———以河南省清丰县为例
王摇 静,崔令军,梁摇 军,等 (2757)
………………………
……………………………………………………………………………
耕作措施对冬小麦田杂草生物多样性及产量的影响 田欣欣,薄存瑶,李摇 丽,等 (2768)………………………
官山保护区白颈长尾雉栖息地适宜性评价 陈俊豪,黄晓凤,鲁长虎,等 (2776)…………………………………
花椒园节肢动物群落特征与气象因子的关系 高摇 鑫,张晓明,杨摇 洁,等 (2788)………………………………
沙漠前沿不同植被恢复模式的生态服务功能差异 周志强,黎摇 明,侯建国,等 (2797)…………………………
大豆出苗期和苗期对盐胁迫的响应及耐盐指标评价 张海波,崔继哲,曹甜甜,等 (2805)………………………
不同耐盐植物根际土壤盐分的动态变化 董利苹,曹摇 靖,李先婷,等 (2813)……………………………………
短期 NaCl胁迫对不同小麦品种幼苗 K+吸收和 Na+、K+积累的影响 王晓冬,王摇 成,马智宏,等 (2822)……
套袋微域环境对富士苹果果皮结构的影响 郝燕燕,赵旗峰,刘群龙,等 (2831)…………………………………
畜禽粪便施用对稻麦轮作土壤质量的影响 李江涛, 钟晓兰,赵其国 (2837)……………………………………
土霉素胁迫下拟南芥基因组 DNA甲基化的 MSAP分析 杜亚琼,王子成,李摇 霞 (2846)………………………
甲藻孢囊在长山群岛海域表层沉积物中的分布 邵魁双,巩摇 宁,杨摇 青,等 (2854)……………………………
湖南省城市群生态网络构建与优化 尹海伟, 孔繁花,祈摇 毅,等 (2863)………………………………………
基于多智能体与元胞自动机的上海城市扩展动态模拟 全摇 泉, 田光进,沙默泉 (2875)………………………
城市道路绿化带“微峡谷效应冶及其对非机动车道污染物浓度的影响 李摇 萍,王摇 松,王亚英,等 (2888)…
专论与综述
北冰洋微型浮游生物分布及其多样性 郭超颖,王桂忠,张摇 芳,等 (2897)………………………………………
种子微生物生态学研究进展 邹媛媛,刘摇 洋,王建华,等 (2906)………………………………………………
条件价值评估的有效性与可靠性改善———理论、方法与应用 蔡志坚,杜丽永,蒋摇 瞻 (2915)…………………
问题讨论
中国生态学期刊现状分析 刘天星,孔红梅,段摇 靖 (2924)………………………………………………………
研究简报
四季竹耐盐能力的季节性差异 顾大形,郭子武,李迎春,等 (2932)………………………………………………
新疆乌恰泉华地震前后泉水细菌群落的变化 杨红梅,欧提库尔·玛合木提,曾摇 军,等 (2940)………………
两种猎物对南方小花蝽种群增长的影响及其对二斑叶螨的控害潜能 黄增玉,黄林茂,黄寿山 (2947)………
学术信息与动态
全球变化下的国际水文学研究进展:特点与启示 ———2011 年欧洲地球科学联合会会员大会述评
卫摇 伟,陈利顶 (2953)
……………
…………………………………………………………………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*302*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*34*
室室室室室室室室室室室室室室
2011鄄05
封面图说: 藏酋猴(Macaca thibetana)属猴科(Cercopithecidae )猕猴属(Macaca)又名四川短尾猴、大青猴,为我国特有灵长类之
一,被列为国家二级保护野生动物;近年来,由于人类活动加剧,栖息环境恶化,导致藏酋猴种群数量和分布日趋缩
小;本照片摄于四川卧龙国家级自然保护区(拍摄时间:2010 年 3 月)。
彩图提供: 中国科学院生态环境研究中心张晋东博士摇 E鄄mail:zhangjd224@ 163. com
生 态 学 报 2011,31(10):2697—2707
Acta Ecologica Sinica
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基金项目:国家自然科学基金项目(30860200, 30960268);国家 973 计划前期研究专项资助(2010CB434805);宁夏高校项目“宁夏东部沙化草地
景观生态安全评价体系研究冶
收稿日期:2010鄄09鄄26; 摇 摇 修订日期:2011鄄03鄄24
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: xieyz@ nxu. edu. cn
毛乌素沙地南缘沙漠化临界区域
土壤水分和植被空间格局
邱开阳1, 谢应忠1,2,*, 许冬梅1,2, 时项锋1,2, 齐拓野3, 刘丽丹1,2, 王东清1
(1. 宁夏大学 西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地;
2. 宁夏大学 草业科学研究所; 3. 宁夏大学 农学院, 银川摇 750021)
摘要:应用地统计学和经典统计学方法,对毛乌素沙地南缘沙漠化临界区域土壤水分和植被特征的空间分布格局及其相互关系
进行研究,结果表明: 0—5 cm和 5—10 cm土壤水分符合指数模型,10—15 cm土壤水分和植物群落物种数、植被盖度、植被密
度都符合球状模型;0—5 cm土壤水分、植物群落物种数和植被盖度都具有强空间自相关性,5—10 cm、10—15 cm 土壤水分和
植被密度都具有中等程度的空间自相关性;从牛枝子群落到黑沙蒿群落,各层土壤水分与植物群落物种数之间具有相似的空间
格局,都呈先升高后降低的变化趋势,而植被盖度和植被密度呈逐渐减小的变化趋势;0—5 cm 土壤水分与植物群落物种数之
间具有显著的正相关,是制约植被物种空间分布的关键因素。
关键词:沙漠化临界区域;土壤水分;植被;空间异质性;景观界面;毛乌素沙地
Spatial pattern of soil moisture and vegetation attributes along the critical area of
desertification in Southern Mu Us Sandy Land
QIU Kaiyang1, XIE Yingzhong1,2,*, XU Dongmei1,2, SHI Xiangfeng1,2, QI Tuoye3, LIU Lidan1,2, WANG
Dongqing1 摇
1 Breeding Base of State Key Laboratory for Preventing Land Degradation and Ecological Restoration, Ningxia University
2 Institute of Grassland Sciences, Ningxia University
3 School of Agriculture, Ningxia University, Yinchuan 750021, China
Abstract: The critical area of desertification in Southern Edge of Mu Us Sandy Land is a clear example of a grassland
undergoing the process of desertification. Accordingly, studying this process at this site will be important in revealing the
underlying mechanisms of grassland desertification in general. We employed several statistical and geostatistical methods to
quantify spatial pattern of soil moisture, plant species richness, vegetation coverage, plant density, and moisture / vegetation
correlations. Soil moisture was measured at 0 5, 5 10, and 10 15 cm depths. Soil moisture varied moderately at all
three depths, and the same as vegetation attributes. Coefficients of variation ranged from 0. 33 to 0. 89, decreasing with soil
depth. Semivariograms of soil moisture at 0 5 and 5 10 cm were best described by an exponential model, whereas those
of species richness, vegetation coverage, plant density and soil moisture at 10 15 cm were best described by a spherical
model. Values of nugget and sill increased with soil depth, as did random and total variation. Soil moisture at 0 5 cm,
species richness, and vegetation coverage exhibited strong spatial autocorrelation, with 99. 9, 81. 3, and 77. 1% of total
variation found within autocorrelation distances of 27. 5, 216. 9, and 255. 7 m, respectively. Plant density and soil moisture
at 5 10 and 10 15 cm were less spatially auto鄄correlated, with 64. 6, 63. 2, and 59. 8% of total variation found within
autocorrelation distances of 214. 4, 500. 5, and 510. 9 m, respectively. Ecological processes affecting soil moisture at 0 5
cm exerted their effects at finer spatial scales, whereas those affecting species richness, vegetation coverage and plant
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density operated at somewhat broader spatial scales. Ecological processes affecting soil moisture at 5 10 cm and 10 15
cm did so over still broader scales. Spatial pattern of soil moisture at all depths and plant species richness exhibited strong
spatial regularity, generally increasing and then decreasing along the transect. In contrast, vegetation coverage and plant
density decreased gradually along the transect. Soil moisture at 0 5 cm was strongly and positively correlated with plant
species richness, indicating that surface moisture may be a predominant factor for determining the distribution of plant
species in the critical area of desertification. Vegetation coverage was significantly, positively correlated with both plant
density and richness, exhibiting an intimate association among vegetation characteristics. However, neither vegetation
coverage nor plant density were significantly correlated with soil moisture at any depth, suggesting that soil moisture at
surface layers was not a crucial factor for vegetation growing in this area. This study is the basis for further study on the
mechanisms of desertification and the relationship between vegetation and soil properties. Furthermore, results of this study
have great scientific and practical significance for prevention and mitigation of desertification.
Key Words: transitional area; desertification; soil moisture; vegetation attributes; spatial heterogeneity; landscape
boundary; Mu Us Sandy Land
植被与土壤的分布格局和两者之间的相互关系是生态学研究的重点领域[1]。 在沙地生态系统,水是许
多生态学过程的主要决定因素[2],植被与水分之间存在着正反馈,这种作用在很大程度上归因于植被空间格
局的形成[3鄄4]。 近年来,全球生物多样性丧失成为日益严峻的生态问题,探寻影响物种丰富度的决定性因素
已成为热点研究领域[5]。 毛乌素沙地南缘沙漠化临界区域位于大尺度沙地鄄草地景观界面定量判定图的波峰
位置,是草地沙漠化的临界地带,其沙漠化进程在一定程度上决定了整个沙漠化的发展速度。 对沙漠化临界
区域进行深入研究,分析土壤水分与植被盖度、密度和植物种数的空间分布格局及其相互关系,对于理解植被
的空间变化特征以及和关键生态因子的相互关系、指导沙漠化草地的生态恢复和科学管理具有重要的意义。
关于土壤和植被特征的空间格局及其相互关系已有大量的研究工作,Reynolds 等[2]的研究认为,奇瓦瓦
沙漠土壤水分分布相对较浅,很难通过功能型植物根系的深度差别对土壤垂直方向上的水分资源进行分层;
Hillerislambers等[4]对半干旱放牧系统的研究认为,半干旱地区植被斑块与裸地斑块交替出现的植被格局仅
仅在植被密度和水分渗透之间存在正反馈而且径流水重新分配的情况下才会形成;Chen 等[6]采用地统计学
方法对毛乌素沙地东南缘植被的空间异质性进行研究,结果表明,植被盖度和植物群落物种数都具有镶嵌的
空间结构和多尺度的空间变异,而以小尺度的空间变异为主;Zuo 等[7]在科尔沁沙地的研究指出,土壤有机
碳、全氮、电导率、pH值、坡度和含水量等是影响沙丘植物分布的主要因素,沙地先锋植物的分布与土壤水分
含量正相关;陈玉福等[1]对毛乌素沙地的研究认为,不同生境与尺度中土壤的有机碳与全氮含量之间、植物
物种数与植被盖度之间都具有显著正相关。
学者们还针对植被特征的不同指标,分别探索物种丰富度、植被密度、盖度等的影响因素。 Shi 等[8]对中
国东北三江平原湿地遗迹的研究认为,植物物种丰富度同时受土壤水分异质性和样地面积的显著影响;Zhou
等[9]对内蒙古草地的研究表明,植物物种丰富度与土壤有机碳、有机氮和碳氮比值的空间异质性正相关,土
壤空间异质性对植物物种丰富度的维持具有积极的作用;Ferreira 等[10]对巴西草原的研究指出,依赖于密度
的植被特征的空间变异格局与土壤上层 4 m的植物有效水分的空间变异性非常相似;王蕙等[11]在黑河荒漠
绿洲过渡带的研究认为,植被冠幅、盖度和表层土壤水分具有显著负相关,与深层土壤水分具有显著正相关。
上述研究分别从不同的角度,揭示植被特征和土壤属性在不同生态系统类型中的空间格局和相互关系,
对认识空间格局与过程的关系,理解植被结构及其影响因素,具有重要的推动作用。 但是,同时对不同层次的
土壤水分进行空间格局的分析,以及植被各种属性与不同层次土壤水分之间的关系,目前都有待于进一步研
究,对处于沙漠化特殊敏感位置的临界区域的这些研究尤其缺乏。
土壤水分分布格局往往决定了沙地生态系统演替早期阶段先锋植物的空间分布,被认为是制约植被状况
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的关键因子[7]。 因此,本文提出设想,在毛乌素沙地南缘沙漠化临界区域,植被属性的空间分布格局应该深
受土壤水分的影响,二者具有相似的空间变异规律,并具有高度的相关性。 为检验该设想,在毛乌素沙地南缘
沙漠化临界区域开展实验,以期能深入研究土壤水分与植被特征的空间分布规律及其之间的内在联系,为解
释沙漠化的内在机理及草地沙漠化的防治提供理论依据。
1摇 材料与方法
1. 1摇 研究区概况
研究区地处宁夏盐池县四墩子村,地理坐标 107毅15忆—107毅18忆E,37毅45忆—37毅47忆N,处于典型草原向沙地
的过渡地带,属于中度沙漠化草地。 研究区位于围栏封育区内,人为干扰少,立地条件近似于天然状况。 所在
区域属于典型的中温带大陆性气候,年平均气温 7. 7 益,1 月平均气温-8. 9 益,7 月平均气温 22. 5 益;年平均
降水量 250—350 mm,主要集中在 6—8 月;年蒸发量 2136 mm;年无霜期 162 d。 土壤类型主要为淡灰钙土,
其次是风沙土和少量第三纪红岩母质经侵蚀后形成的红砂质土。 主要植物种有:牛枝子 ( Lespedeza
potaninii)、黑沙蒿 ( Artemisia ordosica) 、蒙古冰草 ( Agropyron mongolicum)、长芒草 ( Stipa bungeana)、赖草
(Leymus secalinus)、甘草(Glycyrrhiza uralensis)、牛心朴子(Cynanchum komarovii)、猪毛蒿(Artemisia scoparia)、
二裂委陵菜(Potentilla bifurca)等。
东西间距 Distance from west to east/m
南北
间距
Dist
ance
from
sout
h to n
orth/
m
290.50
145.50
0.50
图 1摇 研究区采样点示意图
摇 Fig. 1 摇 Schematic diagram of sampling points in the research
area摇
1. 2摇 土壤样品采集
于 2009 年和 2010 年 8 月份植物生长最旺盛的时
期,在研究区设置 3 条 300 m 长的平行样线,相邻两条
样线之间间隔 50 m,在每条样线上每隔 10 m设置 1 个
1 m伊1 m的样方(图 1),在样方内随机选取 5 个点,分
0—5 cm、5—10 cm和 10—15 cm 3 个层次,按梅花状采
集土壤样品,并将同一层次的 5 个土样混合,带回实验
室进行土壤水分的测定。 为了避免降雨对土壤水分的
影响,采样时间选在雨后 10 d 进行,并在 1d 内采集完
所有土样。
1. 3摇 植被调查
在采集土壤样品的同时,设置 1 m伊1 m 的植被样
方,调查植物群落物种数、每种植物的高度、多度、频度
和分盖度,由此换算出样方内的植被密度和植被总盖
度,本文选用植物群落物种数、植被密度和植被盖度进
行地统计学分析,以揭示沙漠化临界区域植被特征的空
间变异规律。
1. 4摇 土壤水分测定
土壤水分含量采用烘干法测定。 土壤样品带回实
验室后,先称量土壤鲜重,然后放入烘箱,温度设为 105 益,恒温烘 8h后取出,称量土壤干重,并根据土壤鲜重
和干重计算土壤含水量,计算公式为:土壤含水量=(土壤鲜重-土壤干重) /土壤干重伊100% 。
1. 5摇 数据分析
采用 Excel 2003 进行数据的录入、整理及平均值、标准差和变异系数等的计算;采用 SPSS13. 0 进行描述
性统计分析、K鄄S 检验和相关、偏相关分析;采用 GS+地统计学软件进行地统计学分析,主要包括以下 3 个
步骤:
首先,计算半变异函数,并选择函数的最优模型。 半变异函数的计算公式
9962摇 10 期 摇 摇 摇 邱开阳摇 等:毛乌素沙地南缘沙漠化临界区域土壤水分和植被空间格局 摇
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g(h) = 12N(h)移
N
i = 1
[Z(xi) - Z(xi +1)] 2
式中,g(h)为半变异函数,h是两样点间空间间隔距离,N(h)为间隔距离为 h时的样点对的总数,Z(xi)、
Z(xi + 1)分别是区域化变量 Z(x)在空间位置 xi和 xi + 1的实测值[12]。 半变异函数有 4 个重要参数,即块金值、
基台值、变程和结构方差比(C / Co+C)。 一般认为,结构方差比小于 0. 25、在 0. 25—0. 75 之间和大于 0. 75 分
别表示弱空间自相关性、中等程度的空间自相关性和强空间自相关性[13]。
然后,利用块段克里格(Block kriging)法进行空间局部插值估计,并进行交叉证实检验。 最后,根据克里
格插值结果,绘制土壤水分和植被特征的空间分布图。
2摇 结果
2. 1摇 土壤水分与植被基本统计分析
研究区土壤水分在 0. 287%—22. 498%之间变化,土壤水分随土层深度增加而递增(表 1),其中 5—10
cm和 10—15 cm两层土壤水分数据具有较好的中心趋向分布;而 0—5 cm 土壤水分的平均值与中数相差较
大。 独立样本柯尔莫哥洛夫鄄斯米诺夫(K鄄S)检验显示,5—10 cm 和 10—15 cm 土壤水分以及植物群落物种
数、植被盖度、植被密度的数据都符合正态分布,而 0—5 cm土壤水分的数据为非正态分布。
表 1摇 土壤水分与植被特征描述性统计和 K鄄S检验
Table 1摇 Descriptive statistics and K鄄S test of soil moisture and vegetation attributes
指标
Index
土壤层
SL / cm
平均值
Mean
中数
Median
最大值
Max
最小值
Min
标准差
SD
变异系数
CV
偏度
Skewness
峰度
Kurtosis
K鄄S值
K鄄S value
摇 0—5 2. 787 1. 827 9. 456 0. 329 2. 481 0. 890 1. 101 0. 085 0. 003
土壤水分 SM / % 摇 5—10 5. 924 5. 440 15. 477 0. 287 3. 768 0. 636 0. 601 -0. 517 0. 259
10—15 8. 318 7. 689 22. 498 0. 355 4. 996 0. 601 0. 484 -0. 425 0. 584
植被盖度 Coverage / % 33. 489 32. 500 75 3 16. 712 0. 499 0. 259 -0. 634 0. 627
植被密度 Density / (株 / m2) 33 33 83 3 18. 823 0. 578 0. 484 -0. 254 0. 478
植物群落物种数 NPS /种 9 9 14 3 3. 004 0. 332 -0. 176 -1. 00 0. 123
摇 摇 SL: Soil layer; SD: Standard deviation; CV: Coefficient of variation; SM: Soil moisture; NPS: Number of plant species
3 个层次土壤的含水量、植被盖度和植被密度的数据偏度都大于 0,正态曲线图带有较长的右尾,而植物
群落物种数的偏度小于 0,带有较长的左尾(图 2);5—10 cm 和 10—15 cm 土壤水分、植物群落物种数、植被
盖度和植被密度的峰度均为负值,数据分布的峰都低于标准正态;而 0—5 cm土壤水分的峰度为正数,数据分
布的峰高于标准正态。
3 个层次土壤水分以及植物群落物种数、植被盖度和植被密度都呈中等程度的变异,且变异系数随土壤
深度的增加有减小的趋势,表明土壤水分随土壤深度的增加趋于均一。
2. 2摇 土壤水分与植被空间变异
地统计学分析要求数据符合正态分布,否则会存在比例效应,导致半变异函数的波动大,使估计误差增
大。 0—5 cm土壤水分数据经 K鄄S检验不符合正态分布,因此需对其进行对数转换,处理后,符合正态分布,
可以进行地统计学分析。
0—5 cm和 5—10 cm土壤水分符合指数模型,而 10—15 cm土壤水分、植物群落物种数、植被盖度和植被
密度都符合球状模型(图 3)。 3 个层次土壤水分的决定系数 r2分别为: 0. 876、0. 754 和 0. 666,而植物群落物
种数、植被盖度和植被密度的决定系数都较大,分别为 0. 969、0. 909 和 0. 931(表 2)。
土壤水分的块金值和基台值都随着土壤深度的增加而递增;0—5 cm 土壤水分、植物群落物种数和植被
盖度的结构方差比较大,分别为 0. 999、0. 813 和 0. 771,表现为强空间自相关性,具有明显的结构特征,而 5—
10 cm和 10—15 cm土壤水分、植被密度的结构方差比分别为 0. 632、0. 598 和 0. 646,均为中等程度的空间自
相关性;0—5 cm土壤水分的变程最小,为 27. 5 m,接下来分别是植被密度、植物群落物种数和植被盖度,分别
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频数
Freq
uenc
y
土壤水分与植被特征 Soil moisture and vegetation atributes
-0.500 0 0.500 1.000 0
25
20
15
10
5
0
12
10
8
6
4
2
0
12
10
8
6
4
2
0
20
15
10
5
0
10.000 20.000 0 5.00010.00015.00020.00025.000
2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 0 20.00 40.00 60.00 80.00 0 20.00 40.00 60.00 80.00100.00
20
15
10
5
0
12
10
8
6
4
2
0
0—5cm土层 5—10cm土层 10—15cm土层
植物群落物种数 植被盖度 植被密度
图 2摇 土壤水分与植被特征频数分布和正态曲线图
Fig. 2摇 Frequency distribution and normal curve of soil moisture and vegetation attributes
为 214. 4 m、216. 9 m和 255. 7 m,而 5—10 cm和 10—15 cm土壤水分的变程较大,分别为 500. 5 m和 510. 9 m
(表 2)。
表 2摇 土壤水分与植被特征半变异函数理论模型及相关参数
Table 2摇 Parameters of theoretical semi鄄variance models for soil moisture and vegetation attributes
指标
Index
土壤层
SL / cm
模型
Model
块金值
Nugget(Co)
基台值
Sill(Co+C)
变程
Ao / m
结构方差比
C / (Co+C)
决定系数
r2
摇 0—5 指数 0. 0001 0. 1662 27. 5000 0. 999 0. 876
土壤水分 SM / % 摇 5—10 指数 10. 1600 27. 6300 500. 5000 0. 632 0. 754
10—15 球状 16. 3000 40. 5000 510. 9000 0. 598 0. 666
植物群落物种数 NPS /种 球状 2. 3800 12. 7500 216. 9000 0. 813 0. 969
植被盖度 Coverage / % 球状 92. 7000 404. 8000 255. 7000 0. 771 0. 909
植被密度 Density / (株 / m2) 球状 158. 000 446. 200 214. 4000 0. 646 0. 931
摇 摇 SL:Soil layer; SM: Soil moisture; NPS: Number of plant species
2. 3摇 土壤水分与植被的空间分布格局
土壤水分和植被各指标交叉证实检验的回归系数分别为: 0. 809(0—5 cm 土壤水分)、0. 911(5—10 cm
土壤水分)、1. 086(10—15 cm土壤水分)、0. 956(植物群落物种数)、0. 990(植被盖度)和 1. 064(植被密度),
回归系数都接近 1,表明估计值与真实值都很相近。
从图 4 可以看出,土壤水分和植被特征都具有明显的空间分布格局。 沿着样线走向,各层土壤水分均呈
现先升高后降低的趋势,其中 0—5 cm土壤水分变化比较剧烈,牛枝子群落含量最低,然后升高到最大,之后
又开始降低,中间有突然的升降变化;而 5—10 cm和 10—15 cm 土壤水分的变化过程相对缓和,表现为一种
渐变类型(图 5);相对于土壤水分,植物群落物种数具有更加明显的空间变异性,也表现为先升高后降低的趋
势,这种变化也有突变的过程(图 5);植被盖度和植被密度沿着样线的走向呈减小的趋势,植被盖度的变化也
比较剧烈,而植被密度的变化较为平缓。 在东西方向,各层土壤水分都表现为东端高西端低的趋势,这种趋势
对于 5—10 cm土壤水分尤为明显。
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E
0.179
0.134
0.089
0.045
0
14.0
10.5
7.0
3.5
0
18.4
13.8
9.2
4.6
0
424
318
212
106
0
38.9
29.2
19.5
9.7
0
472
354
236
118
0
空间距离 Spatial distance/m
半变
异函
数 Se
mi-v
arian
ce
0 61.35 122.71 184.06 245.41
0 61.35 122.71 184.06 245.41 0 61.35 122.71 184.06 245.41 0 61.35 122.71 184.06 245.41
0 61.35 122.71 184.06 245.41 0 61.35 122.71 184.06 245.41
0—5cm土层
植被群落物种数 植被盖度 植被密度
5—10cm土层 10—15cm土层
图 3摇 土壤水分与植被特征半变异函数图
Fig. 3摇 Semi鄄variograms of soil moisture and vegetation attributes
2. 4摇 土壤水分与植被的相互关系
从表 3 可以看出,各层土壤水分之间的相关性都达到极显著水平(P<0. 01);植物群落物种数与 0—5 cm
土壤水分、植被密度之间都具有显著正相关(P<0. 05),与植被盖度之间具有极显著正相关;植被盖度与植被
密度之间也具有极显著正相关。
由于各层土壤水分之间、植物群落物种数与植被盖度之间,以及植被盖度与植被密度之间都呈极显著的
正相关,它们之间相互影响,在求一个指标与另一个指标的相关关系时,往往因为其他指标的作用,使相关系
数不能真正反映所求的两个变量间的线性程度,因此需要进行偏相关分析,即依次控制其他所有变量,对其中
两个变量的相关性进行分析,结果如表 4 所示。
表 3摇 土壤水分与植被特征的 Spearman忆s秩相关系数(双尾 t检验概率)
Table 3摇 Spearman忆s rank correlation coefficients (probability of two鄄tailed t test) of soil moisture and vegetation attributes
土壤水分 SM
5—10 cm 10—15 cm
植物种数 /种
NPS
植被盖度
C / %
植被密度
D / (株 / m2)
土壤水分 摇 0—5 cm 0. 825(0. 000)** 0. 613(0. 000)** 0. 264(0. 014)* 0. 086(0. 418) -0. 036(0. 738)
SM 摇 5—10 cm 0. 765(0. 000)** 0. 179(0. 099) 0. 052(0. 625) 0. 030(0. 778)
10—15 cm 0. 210(0. 052) 0. 120(0. 261) 0. 093(0. 386)
植物种数 NPS 0. 419(0. 000)** 0. 240(0. 026)*
植被盖度 C 0. 689(0. 000)**
摇 摇 C: Coverage; D: Density; N: Number of all plants; SM: Soil moisture; NPS: Number of plant species; C: Coverage; D: Density; N: Number of all
plants; *P<0. 05; **P<0. 01
从表 4 可以看出,植物群落物种数与植被盖度的相关性达到极显著水平,与 0—5 cm 土壤水分之间具有
显著正相关,与其他各个指标的相关性不显著;植被盖度与植被密度的相关性也达到极显著水平,但与各层土
壤水分的相关性都不显著;植被密度与各层土壤水分的相关性也都不显著。
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东西距离 Distance from west to east /m
291
218
146
73
1
291
218
146
73
1
291
218
146
73
1
291
218
146
73
1
291
218
146
73
1南北
距离
Dist
ance
from
sout
h to n
orth/
m
5—10cm水分/%>0.796>0.656>0.517>0.377>0.238>0.099>-0.041>-0.180>-0.320
>12.29>11.36>10.42>9.48>8.55>7.61>6.67>5.73>4.80
>8.62>7.92>7.23>6.54>5.84>5.15>4.46>3.76>3.07
密度/(株/m2)>56>51>46>41>36>31>27>22>17
>12>11>10>9>9>8>7>6>5
10—15cm水分/%
盖度/% >52>47>43>38>34>29>24>20>15
291
218
146
73
1 1 1011 101
1 101
1 101 1 101
0—5cm土层
10—15cm土层 植物群落物种数
植被密度植被盖度
5—10cm土层
1 101
lg(0—5cm水分)/%)
物种数/种
图 4摇 土壤水分与植被特征的分布格局
Fig. 4摇 Spatial pattern of soil moisture and vegetation attributes
表 4摇 土壤水分与植被特征的偏相关分析
Table 4摇 Partial correlation analysis between soil moisture and vegetation attributes
植被盖度
C / %
植被密度
D / (株 / m2)
土壤水分 SM / %
0—5 cm 5—10 cm 10—15 cm
植物种数 NPS /种 0. 322(0. 003)** -0. 037(0. 739) 0. 254(0. 021)* -0. 132(0. 236) 0. 158(0. 156)
植被盖度 C / % 0. 611(0. 000)** 0. 193(0. 082) -0. 131(0. 240) 0. 029(0. 798)
植被密度 D / (株 / m2) -0. 172(0. 122) 0. 080(0. 476) 0. 034(0. 765)
摇 摇 SM: Soil moisture; NPS: Number of plant species; **P<0. 01
3摇 讨论
3. 1摇 土壤水分与植被的界面变化过程
研究区既是沙漠化临界区域,也是一个群落界面,是牛枝子群落与黑沙蒿群落的交错带,具有界面特征,
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14.0
3.0
1
101
0.976
-0.483
22.50
0.40
75
3
291 291218 146 73
11
101
101
1
291218
146
73
1
291218 146 73
11
101
83
3
218 146 73 1
291218 146 73
11
101
291218 146 73
11
101
15.48
0.29
>56>51>46>41>36>31>27>22>17
>52>47>43>38>34>29>24>20>15
>12.29>11.36>10.42>9.48>8.55>7.61>6.67>5.73>4.80
>12>11>10>9>9>8>7>6>5
物种数
东西
距离
Dist
ance
from
west
to ea
st/m
5—10cm水分/%
10—15cm水分/%
盖度/%
>0.796>0.656>0.517>0.377>0.238>0.099>-0.041>-0.180>-0.320
>8.62>7.92>7.23>6.54>5.84>5.15>4.46>3.76>3.07





0—5cm土层
植物群落物种数
植被密度植被盖度
lg(0—5cm水分)/%)
密度/(株/m2)
南北距离 Distance from south to north/m
土
壤水
分与
植被
特征
Soil
mois
ture a
nd ve
getat
ion a
ttribu
tes
5—10cm土壤水分
10—15cm土壤水分
图 5摇 土壤水分与植被特征空间分布
Fig. 5摇 Spatial distribution of soil moisture and vegetation attributes
游动分割窗峰值图在第 22 个样方附近出现波峰,即为群落界面的位置[14]。 在本研究中,植物群落物种数沿
样线方向的变化最为明显,在牛枝子群落,植物群落物种数较少,随着样线方向距离的增大,植物群落物种数
逐渐增多,达到最大值后开始下降,最后降到最低。 植物群落物种数的上述变化过程与研究区的界面过程基
本重叠,很明显,植物群落物种数的变化可以从界面效应的角度得到解释。 以往的研究一般认为,景观界面内
物种多样性增加[15鄄17],这与本研究的结果是一致的。
研究区土壤水分在样线方向总体上也表现为先升高后降低的变化趋势,这种趋势虽然没有植物群落物种
数的明显,但也反映了一定的界面变化过程。 土壤水分是控制草地植被空间结构的主要因素之一,除了土壤
水分,土壤养分的空间异质性,以及火烧、动物采食等干扰活动也是影响植被结构的主要因素[18]。 在本研究
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中,土壤水分的界面变化过程与植物群落物种数的基本一致,与植被盖度和密度的变化过程差别较大。 植物
群落物种数的空间格局主要体现植被物种的空间分布,而植被盖度和植被密度主要体现植被的生长状况,可
以看出,植被物种空间分布与土壤水分的空间变异性比较相似,而植被生长状况可能受土壤养分异质性,以及
外界干扰的影响较大。 已有的研究也表明,该沙漠化临界区域土壤养分具有较强的空间异质性[19],因此,植
被生长状况可能与土壤养分的空间异质性关系更加密切。
对于半干旱的毛乌素沙地,土壤水分无疑是制约植被空间格局的主要因素之一,而植被格局也会影响包
括土壤水分在内的土壤环境因子的变化[20],本研究中土壤水分与植物群落物种数相似的界面变化过程就是
一个例证,这与高阳等[21]对宁夏盐池沙地的研究得出沙地水分含量决定植被分布格局的结论相一致;然而土
壤水分与植被盖度和密度的空间格局存在差异,另一方面也是由于沙地生态系统中土壤因子的变化滞后于植
被的变化[22],植被特征在群落演替过程中的变化更加敏感,从而使植被的某些属性与土壤水分的空间格局产
生分异。
3. 2摇 土壤水分、植被特征之间的关系探讨
水分是制约干旱、半干旱地区植物生存和生长发育的关键因素,对植被状况和生态恢复有很大的限制作
用[23],植物对水分的利用主要是通过根系对土壤水分的吸收,因此,土壤水分与植被特征之间具有密切的联
系。 王春红等[24]对山西河沟流域的研究表明,植物种分布和土壤水分的空间分布关系密切,而且基本上是正
相关,这与本文的结果一致。 在本研究中,植物群落物种数与 0—5 cm 土壤水分呈显著正相关,表明 0—5 cm
土壤水分含量的高低与植物群落物种数的多少密切联系,是制约植被物种空间分布的决定性因素。 同时,各
层土壤水分之间都具有极显著的正相关,这主要是由于土壤分层是为了研究需要而人为设计的,在自然状态
下,各层土壤的水分之间通过渗透、蒸散等作用密切联系,因此它们之间极显著正相关;植被盖度与植物群落
物种数、植被密度之间都具有极显著的正相关,表明研究区植被各种属性之间相互制约、密切联系,这与陈玉
福等[1]在毛乌素沙地的研究结果是一致的;但本研究中植物群落物种数与植被密度之间不具有显著的相关
性,也说明了某些植被属性之间存在一定的独立性,在植物物种聚集分布的地方植被生长状况不一定好。
植被盖度、密度和各层土壤水分之间都不具有显著的相关性,表明沙漠化临界区域表层土壤水分并不是
植被生长状况的制约因素,这个结果与一些相关的研究结论不太一致。 王蕙等[11]在荒漠绿洲过渡带的研究
认为,植被盖度与表层土壤水分具有显著的负相关;贾海坤等[25]对黄甫川流域柠条林地的研究指出,植被通
过蒸腾作用消耗土壤中的水分,土壤水分随着植被盖度的增加而递减;付华等[26]的研究认为,当飞播种植的
白沙蒿植被密度超过 1. 25 株 / m2时,土壤水分随着植被密度的增加而递减。 这些研究认为植被盖度、密度与
土壤水分存在负面关系,它们的结果与本文的差别主要是由立地条件和植被类型的不同引起的,这些研究的
植被为木本植物,木本植物对土壤水分的需求量必然远远大于草本植物,而本文研究区主要为草本植物,植被
与土壤水分的关系自然会不同于林地;研究区属于天然草地,与人工草地也会有所差别。
另外,植被盖度与土壤水分之间的关系还和土壤导水、持水特性,以及坡度、坡向等立地条件有关,不同的
坡度和坡向,植被覆盖度与土壤水分之间的关系也会发生改变[27],本文研究区的地形属于缓坡丘陵,在样带
走向和东西方向上地势都有一定的起伏,这些起伏地点的植被盖度与水分之间的关系可能对整个研究区植被
盖度与土壤水分之间的关系产生影响,使整体的关系不具有显著的相关性。
4摇 结论
本文在提出设想的前提下开展实验研究,结果表明,初始的设想部分成立,即土壤水分空间分布沿沙漠化
临界区域的变化规律与植物群落物种数基本一致,但与植被盖度、密度的差别较大;只有植物群落物种数与
0—5 cm土壤水分之间存在显著的正相关,植被盖度、密度与各层土壤水分之间都没有显著的相关性。 表层
土壤水分的富集有利于植物群落物种数的增加,进而有利于植被的进展演替。 大风的吹蚀作用往往被认为是
沙漠化发展的动力因素,毛乌素沙地南缘的大风季节主要集中在 4 月和 9 月,而降水主要集中在 6—8 月,因
此,在干旱的大风季节对沙漠化临界区域进行适当的雨水补给将有利于抑制毛乌素沙地南缘沙漠化的发展,
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从而促进沙化草地的恢复与重建。
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ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 31,No. 10 May,2011(Semimonthly)
CONTENTS
Circadian activity pattern of giant pandas during the bamboo growing season
ZHANG Jindong, Vanessa HULL,HUANG Jinyan, et al (2655)
……………………………………………………………
……………………………………………………………………
The vivipary characteristic of Anabasis elatior and its ecological adaptation HAN Jianxin, WEI Yan, YAN Cheng, et al (2662)……
Relationships between plant community characteristics and environmental factors in the typical profiles from Dzungaria Basin
ZHAO Congju, KANG Muyi, LEI Jiaqiang (2669)
………
…………………………………………………………………………………
The relationship between pollen assemblage in topsoil and vegetation in karst mountain during different restoration period of typical
vegetation community HAO Xiudong, OUYANG Xuhong,XIE Shiyou,et al (2678)………………………………………………
Early responses of soil CO2 emission to simulating atmospheric nitrogen deposition in an alpine meadow on the Qinghai Tibetan Plateau
ZHU Tianhong, CHENG Shulan, FANG Huajun, et al (2687)……………………………………………………………………
Spatial pattern of soil moisture and vegetation attributes along the critical area of desertification in Southern Mu Us Sandy Land
QIU Kaiyang, XIE Yingzhong, XU Dongmei, et al (2697)
……
…………………………………………………………………………
Dynamics ofdominant tree seedlings in montane evergreen broadleaved forest following a snow disaster in North Guangdong
OU Yuduan, SU Zhiyao, XIE Dandan, et al (2708)
…………
………………………………………………………………………………
A comparative analysis of the hydrological effects of the four cypress stand types in Sichuan Basin
GONG Gutang, CHEN Junhua, LI Yanqiong, et al (2716)
……………………………………
…………………………………………………………………………
Effect of cutting management on soil moisture in semi鄄arid Loess Hilly region LI Yaolin, GUO Zhongsheng (2727)…………………
Dynamics of understory vegetation biomass in successive rotations of Chinese fir (Cunninghamia lanceolata) plantations
YANG Chao,TIAN Dalun,HU Yueli,et al (2737)
……………
…………………………………………………………………………………
Spatial and temporal variation of solar radiation in recent 48 years in North China
YANG Jianying, LIU Qin,YAN Changrong, et al (2748)
……………………………………………………
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Impact of stand features of short鄄rotation poplar plantations on canker disease incidence at a mesoscale landscape: a case study
in Qingfeng County, Henan Province, China WANG Jing,CUI Lingjun,LIANG Jun,et al (2757)………………………………
Effects of different soil tillage systems on weed biodiversity and wheat yield in winter wheat (Triticum aestivum L. ) field
TIAN Xinxin, BO Cunyao, LI Li, et al (2768)
……………
……………………………………………………………………………………
Habitat suitability evaluation of Elliot忆s pheasant (Syrmaticus ellioti) in Guanshan Nature Reserve
CHEN Junhao, HUANG Xiaofeng, LU Changhu,et al (2776)
……………………………………
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Relationships between arthropod community characteristic and meteorological factors in Zanthoxylum bungeanum gardens
GAO Xin, ZHANG Xiaoming, YANG Jie, et al (2788)
……………
……………………………………………………………………………
The differences of ecosystem services between vegetation restoration modelsat desert front
ZHOU Zhiqiang, LI Ming, HOU Jianguo, et al (2797)
……………………………………………
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Response to salt stresses and assessment of salt tolerability of soybean varieties in emergence and seedling stages
ZHANG Haibo, CUI Jizhe, CAO Tiantian, et al (2805)
……………………
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Dynamic change of salt contents in rhizosphere soil of salt鄄tolerant plants DONG Liping, CAO Jing,LI Xianting, et al (2813)………
Effect of short鄄term salt stress on the absorption of K+ and accumulation of Na+,K+ in seedlings of different wheat varieties
WANG Xiaodong, WANG Cheng, MA Zhihong, et al (2822)
…………
………………………………………………………………………
Effects of the micro鄄environment inside fruit bags on the structure of fruit peel in ‘Fuji爷 apple
HAO Yanyan, ZHAO Qifeng, LIU Qunlong, et al (2831)
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Enhancement of soil quality in a rice鄄wheat rotation after long鄄term application of poultry litter and livestock manure
LI Jiangtao, ZHONG Xiaolan, ZHAO Qiguo (2837)
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MSAP analysis of DNA methylation in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) under Oxytetracycline Stress
DU Yaqiong, WANG Zicheng, LI Xia (2846)
………………………………
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Distribution of dinoflagellate cysts in surface sediments from Changshan Archipelagoin the North Yellow Sea
SHAO Kuishuang, GONG Ning,YANG Qing, et al (2854)
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Developing and optimizing ecological networks in urban agglomeration of Hunan Province, China
YIN Haiwei, KONG Fanhua, QI Yi, et al (2863)
……………………………………
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Dynamic simulation of Shanghai urban expansion based on multi鄄agent system and cellular automata models
QUAN Quan, TIAN Guangjin,SHA Moquan (2875)
…………………………
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“Micro鄄canyon effect冶 of city road green belt and its effect on the pollutant concentration above roads for non鄄motorized vehicles
LI Ping, WANG Song, WANG Yaying,et al (2888)
……
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Review and Monograph
The abundance and diversity of nanoplankton in Arcitic Ocean GUO Chaoying,WANG Guizhong,ZHANG Fang,et al (2897)………
Advances in plant seed鄄associated microbial ecology ZOU Yuanyuan,LIU Yang,WANG Jianhua,et al (2906)………………………
Improving validity and reliability of contingent valuation method through reducing biases and errors: theory, method and applic鄄
ation CAI Zhijian, DU Liyong, JIANG Zhan (2915)………………………………………………………………………………
Discussion
The analysis of Chinese ecological academic journals LIU Tianxing, KONG Hongmei, DUAN Jing (2924)……………………………
Scientific Note
Seasonal variations in salt tolerance of Oligostachyum lubricum GU Daxing, GUO Ziwu, LI Yingchun, et al (2932)…………………
Variation of a spring bacterial community from Wuqia Sinter in Xinjiang during the pre鄄 and post鄄earthquake period
YANG Hongmei,OTKUR ·Mahmut,ZENG Jun,et al (2940)
…………………
………………………………………………………………………
Comparison of the effect of two prey species on the population growth of Orius similis Zheng and the implications for the control
of Tetranychus urticae Koch HUANG Zengyu, HUANG Linmao, HUANG Shoushan (2947)……………………………………
2009 年度生物学科总被引频次和影响因子前 10 名期刊绎
(源于 2010 年版 CSTPCD数据库)
排序
Order
期刊
Journal
总被引频次
Total citation
排序
Order
期刊
Journal
影响因子
Impact factor
1 生态学报 11764
2 应用生态学报 9430
3 植物生态学报 4384
4 西北植物学报 4177
5 生态学杂志 4048
6 植物生理学通讯 3362
7
JOURNAL OF INTEGRATIVE
PLANT BIOLOGY
3327
8 MOLECULAR PLANT 1788
9 水生生物学报 1773
10 遗传学报 1667
1 生态学报 1. 812
2 植物生态学报 1. 771
3 应用生态学报 1. 733
4 生物多样性 1. 553
5 生态学杂志 1. 396
6 西北植物学报 0. 986
7 兽类学报 0. 894
8 CELL RESEARCH 0. 873
9 植物学报 0. 841
10 植物研究 0. 809
摇 绎《生态学报》 2009 年在核心版的 1964 种科技期刊排序中总被引频次 11764 次,全国排名第 1; 影响因
子 1郾 812,全国排名第 14;第 1—9 届连续 9 年入围中国百种杰出学术期刊; 中国精品科技期刊
摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 31 卷摇 第 10 期摇 (2011 年 5 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
摇
(Semimonthly,Started in 1981)
摇
Vol郾 31摇 No郾 10摇 2011
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