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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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基于生物多样性保护的兴安落叶松与白桦最佳混交比例要要要以阿尔山林区为例
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中国能源消费碳排放的时空特征 舒娱琴 渊源怨缘园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
黄土丘陵沟壑区坡面尺度土壤水分空间变异及影响因子 姚雪玲袁傅伯杰袁吕一河 渊源怨远员冤噎噎噎噎噎噎噎噎
新疆艾比湖流域土壤有机质的空间分布特征及其影响因素 王合玲袁张辉国袁秦摇 璐袁等 渊源怨远怨冤噎噎噎噎噎噎
雅鲁藏布江山南宽谷风沙化土地土壤养分和粒度特征 李海东袁沈渭寿袁邹长新袁等 渊源怨愿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎
一株溶藻细菌对海洋原甲藻的溶藻效应 史荣君袁黄洪辉袁齐占会袁等 渊源怨怨猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
砷形态对黑藻和竹叶眼子菜有机酸含量的影响 钟正燕袁王宏镔袁王海娟袁等 渊缘园园圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
七项河流附着硅藻指数在东江的适用性评估 邓培雁袁雷远达袁刘摇 威袁等 渊缘园员源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
杭州湾滨海湿地不同植被类型沉积物磷形态变化特征 梁摇 威袁邵学新袁吴摇 明袁等 渊缘园圆缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
剪形臂尾轮虫形态的时空变化及其与生态因子间的关系 葛雅丽袁席贻龙袁马摇 杰袁等 渊缘园猿源冤噎噎噎噎噎噎噎
太湖流域河流水质状况对景观背景的响应 周摇 文袁刘茂松袁徐摇 驰袁等 渊缘园源猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
荒漠植物白刺属 源 个物种的生殖分配比较 李清河袁辛智鸣袁高婷婷袁等 渊缘园缘源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
臭氧浓度升高对香樟叶片光合色素及抗过氧化的影响及其氮素响应 牛俊峰袁张巍巍袁李摇 丽袁等 渊缘园远圆冤噎噎
不同密度下凤仙花重要形态性状与花朵数的关系 田旭平袁常摇 洁袁李娟娟袁等 渊缘园苑员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
五种高速公路边坡绿化植物的生理特性及抗旱性综合评价 谭雪红袁高艳鹏袁郭小平袁等 渊缘园苑远冤噎噎噎噎噎噎
散孔材与环孔材树种枝干尧叶水力学特性的比较研究 左力翔袁李俊辉袁李秧秧袁等 渊缘园愿苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎
北京城区行道树国槐叶面尘分布及重金属污染特征 戴斯迪袁马克明袁宝摇 乐 渊缘园怨缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
南亚热带米老排人工林碳贮量及其分配特征 刘摇 恩袁 刘世荣 渊缘员园猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
植物生活史型定量划分及其权重配置方法要要要以四棱豆生活史型划分为例 赵则海 渊缘员员园冤噎噎噎噎噎噎噎
半干旱区湿地鄄干草原交错带边界判定及其变化 王摇 晓袁张克斌袁杨晓晖袁等 渊缘员圆员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
氮肥运筹对晚播冬小麦氮素和干物质积累与转运的影响 吴光磊袁郭立月袁崔正勇袁等 渊缘员圆愿冤噎噎噎噎噎噎噎
氮肥形态对冬小麦根际土壤氮素生理群活性及无机氮含量的影响 熊淑萍袁车芳芳袁马新明袁等 渊缘员猿愿冤噎噎噎
基于数字相机的冬小麦物候和碳交换监测 周摇 磊袁何洪林袁孙晓敏袁等 渊缘员源远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
黄土高原半湿润区气候变化对冬小麦生长发育及产量的影响 姚玉璧袁王润元袁杨金虎袁等 渊缘员缘源冤噎噎噎噎噎
基于土地破坏的矿区生态风险评价院理论与方法 常摇 青袁邱摇 瑶袁谢苗苗袁等 渊缘员远源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于生态位的山地农村居民点适宜度评价 秦天天袁齐摇 伟袁李云强袁等 渊缘员苑缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
氯虫苯甲酰胺对黑肩绿盲蝽实验种群的影响 杨摇 洪袁王摇 召袁金道超 渊缘员愿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎远 种植物次生物质对斜纹夜蛾解毒酶活性的影响 王瑞龙袁孙玉林袁梁笑婷袁等 渊缘员怨员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
云南元江芒果园桔小实蝇成虫日活动规律及空间分布格局 叶文丰袁李摇 林袁孙来亮袁等 渊缘员怨怨冤噎噎噎噎噎噎
重庆市蝴蝶多样性环境健康指示作用和环境监测评价体系构建 邓合黎袁马摇 琦袁李爱民 渊缘圆园愿冤噎噎噎噎噎
专论与综述
生态系统服务竞争与协同研究进展 李摇 鹏袁姜鲁光袁封志明袁等 渊缘圆员怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
中国沿海无柄蔓足类研究进展 严摇 涛袁黎祖福袁胡煜峰袁等 渊缘圆猿园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
冰雪灾害对森林的影响 郭淑红袁薛摇 立 渊缘圆源圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同干扰因素对森林和湿地温室气体通量影响的研究进展 杨摇 平袁仝摇 川 渊缘圆缘源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
采石场废弃地的生态重建研究进展 杨振意袁薛摇 立袁许建新 渊缘圆远源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
研究简报
基于地统计学和 悦云陨样地的浙江省森林碳空间分布研究 张摇 峰袁杜摇 群袁葛宏立袁等 渊缘圆苑缘冤噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢猿源源鄢扎澡鄢孕鄢 预 苑园郾 园园鄢员缘员园鄢猿远鄢圆园员圆鄄园愿
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封面图说院 秋色藏野驴群要要要秋天已经降临在海拔 源圆园园 多米的黄河源区袁红色的西伯利亚蓼渊生于盐碱荒地或砂质含盐碱土
壤冤铺满大地袁间有的高原苔草也泛出了金黄袁行走在上面的藏野驴们顾不上欣赏这美丽的秋色袁只是抓紧时间在严
冬到来之前取食袁添肥增膘以求渡过青藏高原即将到来的漫长冬天遥
彩图提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援 糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援 糟燥皂
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第 32 卷第 16 期
2012 年 8 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 16
Aug. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学基金项目(31060061);国家自然科学基金重点项目(41130531);教育部社科青年基金项目(12XJJC910001);新疆大学
绿洲生态重点实验室项目(XJDX0206鄄2010鄄05)
收稿日期:2011鄄12鄄30; 摇 摇 修订日期:2012鄄05鄄08
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: ler@ xju. edu. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201112261973
王合玲, 张辉国,秦璐,马辉英,吕光辉.新疆艾比湖流域土壤有机质的空间分布特征及其影响因素.生态学报,2012,32(16):4969鄄4980.
Wang H L, Zhang H G, Qin L, Ma H Y, L俟 G H. The characteristics of the spatial distribution of soil organic matter and factors influencing it in Ebinur
Lake Basin of Xinjiang Autonomous Region, China. Acta Ecologica Sinica,2012,32(16):4969鄄4980.
新疆艾比湖流域土壤有机质的空间
分布特征及其影响因素
王合玲1,2,3, 张辉国4,秦摇 璐1,2,马辉英1,2,吕光辉1,2,*
(1. 新疆大学资源与环境科学学院,乌鲁木齐摇 830046;2. 新疆大学绿洲生态教育部重点实验室,乌鲁木齐摇 830046;
3. 新疆财经大学应用数学学院,乌鲁木齐摇 830012;4. 新疆大学数学与系统科学学院,乌鲁木齐摇 830046)
摘要:根据新疆艾比湖流域土壤有机质(SOM)数据,分析了土壤质地、植被群落类型和土壤剖面深度 3 个因素对 SOM含量的影
响,进一步研究了流域内有机质在不同土壤深度的空间分布特征及其沿土壤剖面深度垂直分布的空间异质性。 结果表明:植被
群落类型显著影响 SOM含量,而土壤质地和深度对有机质总体分布水平影响不显著;随土壤深度变化有机质分布呈现不同的
空间变异特征,流域内 0—80 cm土壤有机质高含量区域与低含量区域斑块化分布呈现孔穴特征,但在 80—120 cm土壤有机质
含量变化较为连续,呈现流域东、西两端高而中间低的分布特征;有机质沿土壤深度垂直分布模式在流域内表现出分异特征,流
域中部 SOM随土壤深度增加而降低,SOM含量从 0—20 cm浅层土壤的 2. 85 g / kg降至 100—120 cm深层土壤的 1. 51 g / kg;但
在流域东部和西部 SOM随土壤深度增加呈升高趋势,流域西部 SOM含量从 0—20 cm土壤的 1. 80 g / kg大幅增加至 100—120
cm土壤的 6. 61 g / kg,流域东部 SOM含量则从 0—20 cm土壤的 1. 04 g / kg逐步增至 100—120 cm土壤的 2. 86g / kg。 艾比湖流
域有机质在浅层和深层土壤不同的空间分布特征与干旱区绿洲生态景观斑块化分异特征和植被根际沉积特点密切相关,流域
内土壤剖面成土演化的空间异质性对有机质沿土壤深度垂直分布的空间变异性有显著制约。
关键词:艾比湖流域;土壤有机质;空间变异;经验正交函数分解;克里金插值;半方差函数
The characteristics of the spatial distribution of soil organic matter and factors
influencing it in Ebinur Lake Basin of Xinjiang Autonomous Region, China
WANG Heling1,2,3, ZHANG Huiguo4, QIN Lu1,2, MA Huiying1,2, L譈 Guanghui1,2,*
1 Institute of Resources and Environmental Science, Xinjiang University, Urumqi 830046, China
2 Xinjiang Key Laboratory of Oasis Ecology, Ministry of Education, Xinjiang University, Urumqi 830046, China
3 School of Applied Mathematics, Xinjiang University of Finance and Economics, Urumqi 830012, China
4 School of Mathematics and System Science, Xinjiang University, Urumqi 830046, China
Abstract: Based on soil organic matter (SOM) data from the Ebinur Lake Basin in the Xinjiang Uygur Autonomous Region
of western China and three鄄way ANOVA we analyzed whether SOM content was significantly influenced by three factors: the
soil type, the vegetation type and the soil depth. A semi鄄variogram and Ordinary Kriging (OK) models were then used to
study the spatial variability of the SOM at different soil depths. Finally, the vertical spatial variations of the SOM were
investigated using the empirical orthogonal function (EOF) decomposition.
Ebinur Lake is a rift lake in northwest China near the border with Kazakhstan. Vegetation types vary from low
hygrophyte salt鄄tolerant shrubs to tall drought鄄tolerant Populus euphratica forests and grow on clay, loam, and sand soils.
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The results of ANOVA show the vegetation type significantly affects the SOM content, but the soil type and soil depth
have not influenced SOM content in a statistically significant manner. The results of the semi鄄variogram and Ordinary
Kriging analysis show spatial variability of SOM content exhibits different characteristics with changes in soil depth; also the
high鄄 and low鄄SOM content regions display a patchy pattern in the 0—80cm soil layer in the Ebinur Lake Basin. However,
the SOM content changes are relatively continuous in the 80—120cm soil layer, and the SOM content is higher in the
eastern and western parts of the region than in the central region of the Ebinur Lake Basin. The spatial variation patterns
satisfy the hole model in the 0—80cm soil layer, while the exponent model is fitted well in the 80—120cm soil layer in the
semi鄄variogram. Also, the results of the EOF analysis illustrate the vertical spatial distribution of SOM shows different
characteristics with the soil depth across the Ebinur Lake Basin. Specifically, the SOM content decreases as the soil depth
increases in the central part of the Basin. In that area, SOM content drops gradually from 2. 85g / kg in the 0—20cm soil
layer to 1. 51g / kg in the 100—120cm soil layer. However, the SOM content displays an increasing trend with increasing
soil depth in the eastern and western regions of the Ebinur Lake Basin. Specifically, the SOM content increased
substantially from 1. 80g / kg in the 0—20cm soil layer to as much as 6. 61g / kg in the 100—120cm soil layer in the western
region, and the SOM content increased gradually from 1. 04g / kg in the 0—20cm soil layer to 2. 86g / kg in the 100—120cm
soil layer in the eastern region of the Basin.
In the Ebinur Lake Basin, the patterns of spatial variation in the SOM are extremely significantly different between the
shallow soil layers when compared to the deeper soil layers, and this characteristic is strongly relevant to the patches of the
arid oasis ecological landscape and the features of the vegetation rhizodeposition. Also, the spatial heterogeneity during
evolution of the soil profiles in the Basin suggests a significant restraining effect on vertical spatial variability of the SOM
with soil depth. Our results provide a scientific basis for rational land use, vegetation protection and the ecological
restoration policy鄄making process in the Ebinur Lake Basin.
Key Words: Ebinur Lake Basin; soil organic matter ( SOM); spatial variability; empirical orthogonal function analysis
(EOF); Kriging; semi鄄variogram
土壤有机质(SOM)作为土壤的重要组成成分,是表征土壤肥力和土壤质量的重要因子,SOM在生态系统
及碳循环中扮演重要角色,是陆地生态系统中碳循环的重要源与汇[1鄄2]。 SOM 的变化在土地荒漠化、草场退
化和区域生态环境恶化等广受关注的环境问题中起着关键作用[3鄄5]。 研究 SOM分布特征、影响因素和响应机
制对于估算土壤碳库和土壤碳汇潜力以及研究土壤生态系统演替规律均具有重要意义。 SOM 与诸多土壤因
子的空间分布特征在国内外被广泛研究,如 SOM 与土壤 pH 值[6鄄7]、SOM 与土壤全氮和盐分等[8鄄10]。 不同的
土壤环境下,如农田、草场、林地和荒漠等土壤有机质的空间分布特征也被深入研究[11鄄16]。 此外,Yang 等[17]
和 Wang等[18]分析了不同尺度条件下土壤有机质的空间分布特征。 但是,上述研究主要集中于土壤有机质
和土壤理化因子在水平方向上的空间变异状况,而对于土壤有机质分布的影响因素及其在不同土壤剖面深度
(即垂直方向)的空间变异性研究较少。 SOM沿土壤剖面深度分布(即垂直分布)是有机质长期积累的结果,
与土壤剖面发育过程密切相关[19鄄22],系统研究土壤剖面深度 SOM空间分布变异特征,不仅有助于精确评价陆
地生态系统土壤碳储量和碳循环模型,还对土壤质量评价、土壤侵蚀防治和植被根际沉积等研究具有重要
意义。
地处欧亚大陆腹地、新疆境内的艾比湖流域是新疆天山北坡生态防护体系中重要的防沙、治尘和湿地保护
功能区。 由于气候变化和人类活动等因素影响,该区域目前土地沙化、盐漠化严重,土壤肥力衰退,导致此封闭
性流域生态环境脆弱,成为典型的干旱区生态环境退化区。 土壤有机质在流域内的空间分布模式与该地区的生
态系统发育和演化特征密切关联,因而在流域尺度上探索土壤有机质沿水平和垂直两个维度的空间分布特征及
其影响因素,将有利于提高对典型干旱区封闭性流域土壤侵蚀与退化过程中土壤生态系统演替的认识,同时也
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为艾比湖流域土壤资源的合理利用和可持续发展以及生态保护和植被恢复提供理论基础和决策依据。
1摇 材料与研究方法
1. 1摇 研究区域概况
新疆艾比湖流域位于 43毅38忆—45毅52忆 N, 79毅53忆—85毅02忆 E,地处欧亚大陆腹地、天山西段北麓、准噶尔盆
地西南部,其北、西、南三面被高山阻隔,此封闭性流域地跨博尔塔拉蒙古自治州的博乐市、温泉县和精河县,
塔城地区的乌苏和托里县南部,伊犁州直属的奎屯市和克拉玛依的独山子区,面积 50621 km2,湖盆为准噶尔
盆地最低洼地,湖面海拔在 190 m左右,湖滨地带由山前洪积鄄冲积鄄湖积平原组成(图 1)。 干旱少雨、蒸发量
大、日照充足,属北温带大陆性干旱气候。 特殊的地理位置、地形地貌特征和气候条件,使其形成了石漠、砾
漠、沙漠、土漠、盐漠、沼泽和盐湖等多种荒漠地类,植被也依次形成旱生、超旱生、沙生、盐生、水生等多种类
型,主要植物类型有梭梭(Haloxylon ammodendron)、胡杨 (Populus euphratica)、柽柳(Tamarix ramosissima)和
芦苇(Phragmites australis)等[23]。 艾比湖流域以农牧业为主,长期的水土流失和其它各种人为破坏,直接威胁
该流域农牧业的可持续发展。
图 1摇 艾比湖及其流域内主要河流和行政市、区、县
Fig. 1摇 The main rivers and administrative cities, districts, and counties in Ebinur Lake basin
图 2摇 艾比湖流域采样点及相应植被群落类型和土壤质地类型和采样土壤有机质对数变换值的正态 Q鄄Q图.
Fig. 2摇 The sampling points and corresponding vegetation types and soil types in Ebinur Lake basin and The normal Q鄄Q plot of log(SOM)
1. 2摇 土壤样品采集与测定
为了系统研究艾比湖流域内土壤有机质空间分布特征及其与流域内土壤质地类型、植被群落类型和土壤
深度等重要影响因素的关系,综合考虑艾比湖流域 4 类典型土壤质地(砂土、壤土、黏壤土及黏土)和 6 种典
型植被群落(胡杨群落、梭梭群落、柽柳群落、盐生灌木林、草甸及荒原)(图 2),2009 年在艾比湖流域布设 49
1794摇 16 期 摇 摇 摇 王合玲等:新疆艾比湖流域土壤有机质的空间分布特征及其影响因素 摇
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个土壤剖面发育完整、层次清晰和无入侵体的采样点(图 2)。 每个样点土壤剖面按自下而上分层次采样以确
保不同深度土壤样品无相互混杂污染,采样总深度为 120 cm,每 20 cm土壤作为一个取样层,且每层土壤样品
不少于 2. 5 kg。 另外,为了降低人为因素的影响,所布设样点距离公路及铁路均超过 300 m且尽量避开耕地。
土壤样品经风干、研磨和过 100 目筛(0. 15 mm孔径)后备用,利用重铬酸钾鄄硫酸溶液直接加热消解法测定土
壤有机质含量。 不同土壤环境条件下,49 个采样点 SOM平均含量见表 1。
表 1摇 不同植被群落、土壤类型和土壤深度条件下 SOM平均含量 / (g / kg)
Table 1摇 The average SOM content under three factors: the vegetation type, the soil type and the soil depth at the sampling points
土壤类型
Soil type
植被群落类型 vegetation type
土壤深度
soil
depth / cm
胡杨群落
Populus
euphratica
梭梭群落
Haloxylon
ammodendron
柽柳群落
Tamarix
ramosissima
盐生灌木林
halophytic
shrub
草甸
Meadow
荒原
Wasteland
含量平均
Average
content
砂土 摇 0—20 1. 52 5. 11 1. 84 2. 36
Sand soil 摇 20—40 0. 59 3. 13 1. 42 3. 87
摇 40—60 1. 02 4. 12 1. 45 4. 71 2. 80
摇 60—80 1. 18 1. 39 1. 01 5. 56
摇 80—100 1. 21 1. 47 0. 78 7. 83
100—120 1. 35 0. 85 0. 84 11. 45
壤土 摇 0—20 1. 35 1. 21 1. 44 1. 13 1. 52 1. 46
loam soil 摇 20—40 0. 76 1. 12 1. 78 1. 29 1. 52 1. 07
摇 40—60 0. 67 1. 28 2. 03 2. 21 2. 69 0. 82 1. 79
摇 60—80 0. 51 1. 79 1. 52 2. 33 5. 81 1. 07
摇 80—100 0. 36 2. 09 1. 58 0. 34 8. 25 1. 79
100—120 0. 34 2. 33 2. 20 0. 51 5. 42 1. 86
黏壤土 摇 0—20 5. 67 3. 62 0. 85
Clay loam 摇 20—40 1. 78 2. 27 1. 18
摇 40—60 1. 24 2. 92 1. 02 2. 23
摇 60—80 0. 25 2. 19 2. 03
摇 80—100 0. 11 1. 82 2. 88
100—120 0. 34 2. 19 6. 26
黏土 摇 0—20 4. 30 1. 60 4. 77 1. 27 2. 01 1. 01
Clay 摇 20—40 3. 14 1. 77 3. 14 1. 22 1. 87 0. 34
摇 40—60 2. 50 1. 76 3. 12 1. 61 2. 68 2. 41 2. 04
摇 60—80 1. 65 1. 49 2. 01 1. 35 2. 57 3. 20
摇 80—100 1. 38 1. 56 1. 43 1. 32 2. 41 3. 37
100—120 0. 62 1. 91 1. 48 1. 50 3. 68 2. 36
平均含量 1. 69 1. 99 2. 51 1. 38 2. 72 2. 47 2. 07
摇 摇 “ 冶表示无采样点符合对应的环境因子条件
1. 3摇 数据处理与分析方法
首先着重分析艾比湖流域土壤有机质的总体分布特点以及主要影响因素,采用三因素方差分析模型分析
了艾比湖流域内土壤质地、植被群落和土壤深度对有机质分布总体平均水平的影响,再使用多重比较统计检
验方法详细分析在每个因素的各个水平上 SOM分布差异的显著性。 然后,以探索土壤有机质在流域空间内
分布的空间异质性为研究重点,利用半方差模型和变异函数图研究流域内有机质在不同深度土壤中分布的空
间变异特征,再进一步使用克里金插值预测模型生成全流域内各土壤深度有机质空间分布图,以此探索土壤
有机质空间分布特点和变化模式。 最后,运用经验正交函数分解方法[24鄄26]分析了有机质在土壤剖面不同深
度垂直分布变异特征。
样本数据服从正态分布是上述分析方法得到精确、有效结论的前提条件,图 2 中的正态 Q鄄Q 图显示本文
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所测定的有机质数据作对数变换后服从正态分布,因而本文采用土壤有机质含量的对数变换数据。 数据统计
分析和计算使用 R软件(http: / / www. r鄄project. org / )完成,地图由 ArcView GIS 3. 3 和 Surfer 9 绘制。
2摇 结果与分析
2. 1摇 主要因素对艾比湖流域土壤有机质分布的影响
运用三因素方差分析模型分析了土壤有机质对数变换数据,方差分析结果见表 2,3 个影响因素分别为:
植被群落类型(1.胡杨群落、2.梭梭群落、3.柽柳群落、4.盐生灌木林、5.草甸及 6.荒原)、土壤质地类型(1.砂
土、2.壤土、3.黏壤土及 4.黏土)和土壤深度 (0—120 cm 土壤按照 20 cm 等间隔分为 6 个土壤深度水平)。
分析结果显示植被群落类型对土壤有机质含量影响最为显著,土壤类型的影响次之,而不同土壤深度内有机
质的总体平均水平没有显著差异。
表 2摇 土壤有机质与土壤层、群落类型、土壤类型三因素方差分析结果
Table 2摇 The results of three鄄way ANOVA with three factors: soil depth, vegetation type and soil type
方差来源
Source
离差平方和
Sum Sq.
自由度
df
方差
Mean Sq. F P
植被类型 Vegetation type 18. 089 5 3. 618 5. 08 0. 0002*
土壤类型 Soil type 4. 167 3 1. 389 1. 95 0. 1221
土壤深度 Soil depth 1. 732 5 0. 346 0. 49 0. 7866
组内 Error 192. 465 270 0. 713
总计 Total 214. 618 283
摇 摇 *表示 P值小于 0. 05,即统计显著
为深入分析有机质含量在每个影响因素不同水平上的分布差异,进一步对 6 种植被群落、4 类土壤质地
和 6 个土壤深度水平对应的土壤有机质含量实施多重比较统计分析,结果见图 3。
图 3摇 土壤有机质对数变换值分别在植被群落类型、土壤类型和土壤深度影响因素下的多重比较(圆圈为均值,水平线段为 95%置信区间
长度)
Fig. 3摇 The multiple comparisons of log(SOM) with the factors of the vegetation type, the soil type and the soil depth, respectively ( the
circle is mean, and the short line represents the length of 95% confidence interval)
图 3 显示不同植被群落类型的土壤有机质分布存在显著差异,草甸有机质含量为 2. 72 g / kg,显著高于胡
杨群落(1. 69 g / kg)和盐生灌木林(1. 38 g / kg),而梭梭群落(1. 99 g / kg)、柽柳群落(2. 51 g / kg)和荒原(2. 47
g / kg)三类土壤的有机质含量居中。 此外,各植被类型土壤有机质含量的方差普遍较小,因而每类植被群落土
壤的有机质含量波动相对较小,这与其它研究结论一致[5,12,27鄄28]。
4 种土壤类型的有机质含量平均值排序为:砂土(2. 80 g / kg)>黏壤土(2. 23 g / kg)>黏土(2. 03 g / kg)>壤
土(1. 79 g / kg),但是不同土壤类型间 SOM含量差异并不显著。 此外,依据置信区间长度可知有机质含量在
不同质地土壤中分布模式却有较大差异,黏土的有机质含量变化范围很小,黏壤土的有机质含量分布则极其
分散。
图 3 显示 0—120 cm不同土壤深度有机质含量无显著差异,浅层土壤有机质含量总体均值略高于深层土
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壤,这是由于植被恢复对土壤有机质的提高效益随深度增加而明显减小, 土壤有机质有一定表聚性, 草地和
灌木林植被下更为显著[4]。 但是不同深度土壤内有机质含量的方差都很大,可见在不同采样点处的相同土
壤深度 SOM含量差异很大,土壤有机质在流域空间内的分布不均衡。
2. 2摇 土壤有机质分布的空间变异特征
运用半方差函数模型分析了 6 个不同土壤深度水平的 SOM 空间变异特征,得到各向同性时半方差函数
模型拟合结果(表 3)和相应的变异函数图(图 4)。
表 3摇 6 个土壤深度水平 SOM含量的对数变换半方差模型拟合结果
Table 3摇 The results of fitted semi鄄variogram model for log(SOM) at the six levels of soil depth
土壤深度 / cm
Soil depth
模型
Model
块金值
Nugget
基台值
Sill
块金值 /基台值 / %
Nugget / sill
变程 / km
Range
残差平方和
SSE
摇 0—20 孔穴 0. 4401 0. 9005 48. 87 11. 3949 0. 0536
摇 20—40 孔穴 0. 3950 0. 7999 49. 38 12. 0406 0. 0399
摇 40—60 孔穴 0. 3685 0. 6175 59. 68 11. 0709 0. 0311
摇 60—80 孔穴 0. 4137 0. 5623 73. 57 10. 0922 0. 0186
摇 80—100 指数 0. 4721 2. 1456 22. 00 33. 2666 0. 0127
100—120 指数 0. 4164 0. 9250 45. 02 47. 7540 0. 0093
由表 3 中的半方差模型拟合的残差平方和数据以及图 4 的变异函数图可知,6 个理论模型拟合效果较
好。 块金值通常表示由随机误差和小于采样尺度引起的空间异质性,基台值表示系统总体变异,块金值与基
台值的比值表示随机部分引起的空间变异在系统总异质性中的比例,它通常被作为系统变量空间相依程度的
测度[9],比率<25%表明系统空间相依程度强烈,比率>75%则表明系统空间相依性较弱,而比率介于二者间
时说明系统适度空间相依。 另外,变程表征了系统空间相依的尺度阈值。
图 4摇 不同深度土壤有机质对数变换值的变异函数图
Fig. 4摇 The semi鄄variogram for log(SOM) of the six levels of soil depth
表层 0—20 cm土壤有机质分布空间相关程度适中(图 4),随着土壤深度增加至 60—80 cm 空间相依程
度表现出逐步减弱的趋势,变程也比较稳定(图 4)。 然而 80—120 cm 土壤有机质分布空间相关程度骤然加
剧,同时变程变大,说明在此深度土壤中有机质分布在更大尺度范围内具有空间相关性(图 4)。 此外,用于拟
合 0—80 cm土壤有机质变异函数的最佳理论模型均为孔穴模型,图 4 直观显示了孔穴状经验变异函数散点
图和相应的波状理论半方差模型,但是随着土壤深度增加拟合模型的波动幅度逐渐减小,即空间变异的孔穴
效应逐步减弱。 直到 80—100 cm土壤,理论变异函数变化为指数模型,不再表现出波动特征,这与图 4 中的
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经验变异函数散点图特征一致。
2. 3摇 土壤有机质空间分布图
通过普通克里金插值预测得到 6 个土壤深度水平的有机质含量空间分布如图 5 所示。 由图 5 发现艾比
湖流域土壤有机质分布总体呈现东西两端高,中部低的特征。
图 5摇 普通克里金插值预测 SOM对数变换值在 6 个土壤深度水平的空间分布图
Fig. 5摇 Spatial distribution maps of log(SOM) for the six levels of soil depth from OK
图 5 显示 0—80 cm土壤有机质空间分布一致呈现高低相间的孔穴特征,艾比湖区以及精河县与乌苏市
交界中部区域有机质含量都比较高,在乌苏北部土壤有机质含量都比较低。 众多河流汇集于艾比湖区,水分
充足,梭梭群落、柽柳群落和芦苇草甸群落发育良好,土壤质地主要为黏土富含有机质[29鄄30]。 精河县与乌苏
市交界中部区域为托托河以及古尔图河河谷地带,分布着大片梭梭林[31],土壤主要为黏壤土富含有机质。 但
是,从艾比湖东北部沿精河县与托里县交界至乌苏市向北部沙漠化严重,植被稀少,土壤有机质含量较低。 图
5 显示 20—120 cm土壤在流域西端的温泉县和博乐市西部有机质含量较高。 由于变异函数发生改变,处于
较深的 80—120 cm土壤有机质空间分布模式与较浅的 0—80 cm有较大差异。 因艾比湖流域生态环境、景观
和植被群落斑块分异特征[23,29鄄31]对土壤有机质分布的影响而呈现出的孔穴效应随着土壤深度增加而减弱,在
80—100 cm较深土壤层表现出土壤有机质含量“东西高中部低冶的空间分布特征。
艾比湖流域内靠近水源及流域中上游地带,是优势度高的绿洲农业和城镇景观,而在远离水源或流域中
下游地带则是高度破碎化的天然植被景观[32鄄33]。 艾比湖流域的山地、谷地和盆地地貌特征、水系发育状况以
及典型干旱区气候条件决定了土壤质地类型和植被群落类型呈现斑块化地域分异特征[23,29鄄31]。 上述艾比湖
流域生态环境和生态景观破碎化、斑块化地域分异特征在土壤有机质分布空间变异模式上就体现为孔穴
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效应。
此外,从植被根际沉积角度分析,干旱区荒漠中的大多数植物根系主要分布在 0—60 cm,而植被根长密
度随着土壤深度而降低[34],胡杨作为艾比湖流域主要深根类植被,其根系主要分布在 60—90 cm 的土壤层,
因此流域内植被根系和土壤之间的水、盐和养分等物质交换主要发生在 0—90 cm土壤层[35鄄37]。 土壤有机质
沿土壤深度垂直分布特征与土壤剖面的发育过程密切相关。 浅层土壤剖面接受地表植被枯落物, 并存在大
量植物细根,有机质来源丰富,直接受到地表生态景观、植被群落类型和土壤类型的影响,而在长期土壤剖面
发育中不断沉积和不断成土的过程导致深层土壤有机质分布呈现出与浅层土壤不同的空间变异特征。 新疆
艾比湖流域生态环境、生态景观的区域空间分异规律、干旱区流域内植被根际沉积特点以及土壤剖面成土演
化过程的空间异质性主导了艾比湖流域土壤有机质分布空间变异在 0—80 cm较浅土壤呈现出孔穴效应以及
在 80—120 cm较深土壤具有不同模式的空间变异特征。 艾比湖流域土壤有机质在 0—80 cm 和 80—120 cm
土壤深度分布空间变异模式显著不同的特征是土壤剖面发育过程中不断沉积、 不断成土的结果, 表明土壤
剖面成土演化过程的空间异质性对于有机质在不同土壤深度的空间分布变异特征具有显著制约。
2. 4摇 土壤有机质垂直分布特征
经验正交函数分解 (EOF) 被广泛用于气象科学来分解数据的时空特征场[38鄄40]。 本节将利用 EOF 方法
分析艾比湖流域土壤沿垂直方向在不同土壤深度有机质分布差异特征,用以揭示土壤剖面有机质空间分布依
深度变异结构。 假设艾比湖流域在第 i个土壤深度水平、空间点 j处的土壤有机质含量为 X ij ( i=1, 2, …, N;
j=1, 2, …, P), 每个空间点 j处,所有 N个土壤深度水平 SOM平均为: 軈X j =移Ni = 1X ij , j=1, 2,…, P。 那么
各土壤深度 SOM距平矩阵记为 D = (dij) N伊P ,这里 dij = X ij - 軈X j ( i = 1, 2, …, N; j = 1, 2, …, P)。 将上述
SOM距平差异矩阵 D分解为 K个所谓 EOF分量,即 dij =移 Pk = 1 likskj ,( i=1, 2, …, N; j=1, 2, …, P),用以
表征土壤深度差异空间特征函数向量 Sk = ( sk1, sk2,…, skP) T和土壤深度变化函数向量 Lk = ( l1k, l2k,…,
lNk) T,其中 Sk体现了 SOM沿土壤深度垂直分布的空间差异特征,而 Lk刻画了 SOM 在不同土壤深度的变异强
度。 EOF方法以降维方式力图寻找尽可能少的 EOF分量以表示差异矩阵 D中尽可能多的空间结构信息[26]。
表 4 列出了前 4 个 SOM垂直分布空间差异特征向量的方差分析结果, 前 2 个特征向量的累计方差贡献
率达到 90. 01% ,即解释了超过 90%的土壤有机质垂直分布差异,因此这两个空间特征向量可以充分地揭示
艾比湖流域 6 个土壤深度水平上有机质垂直分布差异的主要特征。
表 4摇 EOF展开前 4 个特征向量的方差贡献及累积方差贡献率
Table 4摇 First four eigenvectors of EOF in their proportion of variance and cumulative Proportion
主要分量
Principle component
标准差
Standard deviation
方差贡献率 / %
Proportion of Variance
累计贡献率 / %
Cumulative Proportion
特征向量 1 8. 2103 75. 68 75. 68
特征向量 2 3. 5729 14. 33 90. 01
特征向量 3 2. 3043 5. 96 95. 97
特征向量 4 1. 4744 2. 44 98. 41
第一个特征向量解释了土壤有机质垂直分布差异的 75. 68% ,是不同深度土壤有机质垂直分布差异的主
要特征,其空间分布见图 6(a),(a忆) 为对应的变异强度向量。 正等值线分布于流域东西两端,而负等值线分
布在流域中部,此外,0—40 cm土壤有机质变异强度取较大负值而 80—120 cm土壤有机质变异强度为较大正
值。 综上所述,艾比湖流域有机质垂直分布差异特征为:(i) 土壤有机质含量在较浅土壤(0—40 cm)低于深
层土壤(80—120 cm)的区域位于流域东西两端,其中东端包括温泉县及其与博乐市交界地带,西端包括奎屯
市和克拉玛依市辖区(独山子市);(ii) 有机质分布水平在浅层土壤高于深层土壤的区域集中在流域中部,包
括艾比湖区以及精河县与乌苏市交界中部区域,此为托托河与古尔图河河谷地带。 ( iii) 土壤层间变化强度
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几乎成线性趋势且数值较大,这意味着土壤有机质含量从土壤表层到深层几乎呈线性趋势递增(流域东西两
端)或递减(流域中部),且变动幅度比较大。
图 6 (b) 中的第二个特征向量解释了 14. 33%的土壤有机质垂直分布差异,根据图 6 (b忆) 内不同土壤深
度有机质变化强度水平可见 40—80 cm土壤的变化强度较大,而其余取值水平较低。 由此可知,在第一特征
向量基础上,第二特征向量重点表现中等深度土壤有机质垂直分布变异特征。 40—80 cm 土壤有机质变化特
征主要集中在流域东、西两端,其中的主要特征为温泉县东部的土壤有机质分布水平高于温泉县西部以及温
泉县与博乐市交界区域。 艾比湖流域海拔高度由东、西两端向中部逐步降低,直至艾比湖区成为最低汇水中
心,此外,流域东、中、西三个区域生态景观、植被类型和区域气候条件都呈现出空间异质性,上述因素与土壤
剖面成土演化密切关联,从而导致了不同土壤深度的有机质分布空间变异。
图 6摇 艾比湖流域 SOM垂直分布差异第一特征向量(a)和第二特征向量(b)以及相应两个变化系数向量 (a忆) 和 (b忆)
Fig. 6摇 (a) and (b) are for the first two eigenvectors of the matrix with SOM difference between the six levels of soil depth in Ebinur Lake
basin, respectively; (a忆) and (b忆) are for the corresponding coefficients of the soil depth
依据 EOF分析结果,分别计算艾比湖流域东部、中部和西部土壤有机质含量平均水平随土壤深度变化趋
势 (图 7)。 与 EOF分析结果一致,流域东部和西部地区土壤有机质含量水平随土壤深度增加而升高,且西部
地区土壤有机质增加程度较大,流域西部 SOM 含量从 0—20 cm 的 1. 80 g / kg 大幅增加至 100—120 cm 的
6郾 61 g / kg,东部 SOM含量则从 0—20 cm的 1. 04 g / kg逐步增至 100—120 cm 的 2. 86 g / kg;而流域中部区域
变化趋势正好相反,流域中部 0—20 cm SOM含量较高(2. 85 g / kg),随土壤深度增加而逐渐降低至 100—120
cm的 1. 51 g / kg。
有机质沿土壤深度垂直分布主要由有机质的积累与分解损失两个过程决定,此交互过程受控于地表生态
景观类型、植被群落类型、土壤类型、植被根际沉积、土壤剖面沉积发育和气候条件等诸多复杂因素。 艾比湖
流域土壤有机质沿土壤深度垂直分布空间变异显著不同的特征表明土壤剖面成土演化过程的空间异质性对
于有机质在不同土壤深度的空间分布变异特征具有显著制约。
3摇 结论
(1)艾比湖流域不同植被群落类型对土壤有机质总体分布水平影响显著,草甸有机质含量最高,盐生灌
木林土壤有机质含量最低;有机质总体分布水平在不同土壤类型和土壤深度不存在显著差异,但各土壤深度
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摇 图 7摇 艾比湖流域东部、中部和西部 SOM沿土壤深度垂直分
布特征
Fig. 7摇 Vertical distribution of SOM in the western region,
central region and east region of Ebinur Lake basin
有机质分布水平方差都很大,因而有机质在整个流域空间
内沿土壤深度分布不均衡。
(2)艾比湖流域 80 cm以上浅层土壤有机质分布空间
变异模式呈现出孔穴效应,为中等空间相关程度,变程较
小;而在 80—120 cm较深土壤层有机质具有与浅层土壤不
同的指数模式空间变异特征,具有较强空间相关性,并且
变程较大。 新疆艾比湖流域生态环境和生态景观破碎化、
斑块化地域分异特征、干旱区流域内植被根际沉积特点以
及土壤剖面成土演化过程的空间异质性主导了艾比湖流
域有机质在浅层和深层土壤呈现出不同模式的空间分异
特征。
(3)艾比湖流域有机质沿土壤深度垂直分布空间变异
特征表现为:流域东部和西部地区有机质含量水平随土壤
深度增加而升高,流域中部区域有机质含量随土壤深度加
深而降低。 流域内 SOM 沿土壤深度垂直分布分异的具体
特征:流域中部 SOM含量从 0—20 cm浅层土壤的 2. 85 g /
kg降至 100—120 cm 较深土壤的 1郾 51 g / kg;而流域西部
SOM含量从 0—20 cm较浅土壤的 1. 80 g / kg大幅增加至 100—120 cm较深土壤的 6郾 61 g / kg,东部 SOM含量
则从 0—20 cm浅层土壤的 1. 04 g / kg逐步增至 100—120 cm深层土壤的 2. 86 g / kg。 艾比湖流域土壤有机质
沿土壤深度垂直分布空间变异显著不同的特征表明土壤剖面成土演化过程的空间异质性对于有机质在不同
土壤深度的空间分布变异特征具有显著制约。
上述艾比湖流域土壤有机质的空间分布特征为流域内土壤资源的合理利用以及因地制宜地实施生态保
护和植被恢复提供了决策依据。
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