全 文 ：书西北植物学报!
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文章编号$
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收稿日期$
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&修改稿收到日期$
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基金项目$甘肃省科技重大专项计划"
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#&甘肃省科技支撑计划
)
社会发展类项目"
#"##1254#%$
#
作者简介$孙飞达"
#+(6
#!男!博士!副教授!主要从事草地资源监测与管理研究
7)89.:
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通信作者$陈文业!学士!副研究员!主要从事生态恢复研究
7)89.:
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#$%,>?8
甘肃敦煌西湖荒漠
$
湿地生态系统土壤
水分空间异质性及其影响因子研究
孙飞达#!陈文业!!%!*"!袁海峰*!&!窦英杰*!&!
邴丹珲!!%!*!冯
!
颖!!%!*!吴
!
婷*!&
"
#
四川农业大学 草业科学系!成都
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甘肃省林业科学研究院!兰州
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甘肃林研科技工程公司!兰州
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&
*
甘肃敦煌西湖国家级自然保护区管理局!甘肃敦煌
(%$!""
&
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甘肃敦煌西湖湿地生态系统国家定位观测研究站!甘肃敦煌
(%$!""
#
摘
!
要$土壤水分是内陆荒漠区湿地生态系统中重要的限制因子!为了揭示该区域土壤水分空间分布特征!采用传
统统计学和地统计学相结合的方法!对甘肃敦煌西湖国家级自然保护区
"
"
!"">8
内各层土壤水分的空间变异性
及海拔(土壤质地和植被对其的影响进行了研究!旨在为极干旱区湿地生态系统植被修复和保育提供科学依据
结果表明$"
#
#本研究所得各变量的变异系数(块金方差(基台值(变程和结构比分别为
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和
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"
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!各变量均为中等变异!存在高度异质性!具有较强空间自相关
"
!
#深层"
$"
"
!"">8
#土壤水分含量较浅层"
"
$">8
#变异大!且不同层次土壤水分含量的空间异质性差别也较
大!空间变异主要发生在较小尺度上"分维数
!
在
#,+"!
"
#,+6+
之间#"
%
#海拔是影响该区域深层土壤水分空间
变异的主导因子"
*
#土壤质地与浅层"
"
$">8
#土壤水分含量的相关性大于与深层"
$"
"
!"">8
#土壤含水量的
相关性!它们与海拔相关性表现相反&草本植被盖度与浅层土壤水分含量呈较高的正关联关系!灌木根量与深层土
壤水分含量呈较高的负关联关系
关键词$敦煌西湖&荒漠
)
湿地生态系统&土壤水分&空间异质性&环境因子影响
中图分类号$
E+*6,##
文献标志码$
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空间异质性是指系统或系统属性在空间上的复
杂性和变异程度!包括系统属性的空间组成!空间构
型和空间相关)#)%*土壤水分空间异质性是土壤重
要属性之一)%)**!水在干旱半干旱地区极具敏感性!
是生态系统中最活跃的因素!是反映土壤特性的重
要指标)&*!对该区域植被恢复与建设以及经济持续
发展具有极大的限制性)$*在不同尺度上研究土壤
水分空间异质性!对了解植被与土壤水分的关系具
有重要的参考价值)%!(*土壤水分的空间异质性研
究一直是国际上水文学和土壤学研究的热点问题!
随着地统计学方法的出现!采用该方法对土壤水分
空间变异性的研究逐渐增多)6*!国内外很多学者对
不同类型生态系统的土壤水分空间异质性做了大量
的研究工作)+*!如高寒区)#"*(荒漠绿洲区)##*(农牧交
错带)#!*(黄土区)#*(荒漠区)#%)#**(喀斯特地貌区)#&*
等!但整体来看!研究对象的类型并不多!尺度范围
也较窄!对不同深度层土壤水分变异性的研究较
少)+*尤其是对荒漠区湿地生态系统土壤水分空间
变异性研究则鲜见报道
甘肃敦煌西湖国家级自然保护区"以下简称敦
煌西湖#地处甘肃河西走廊最西端!西接库姆塔格沙
漠和罗布泊!南接阿克塞哈萨克族自治县!北连新疆
维吾尔族自治区该区域湿地属于沼泽湿地!是内
陆干旱地区的典型湿地类型!具有极干旱区湿地生
态系统和荒漠生态系统的典型性和代表性!区位优
势明显(特殊土壤水分是该区域植被生长重要的
限制因子!调控着植被的组成(分布(结构及其系统
稳定性本研究采用了传统统计学和地统计学相结
合的方法!定量研究了敦煌西湖
"
"
!"">8
土层不
同层次水分的空间异质性!以期进一步深入研究研
究区植被与土壤水分的相互关系!旨在了解研究区
土壤水分空间分布特征!为极干旱区湿地生态系统
植被修复和保育提供科学依据
#
!
研究区自然条件
敦煌西湖面积为
$,$^ #"
&
A8
!
!其中湿地面积
+,6"^ #"
*
A8
!
!芦苇沼泽
%,*%^ #"
*
A8
!
!四周均被
沙漠和戈壁所隔绝地理坐标为$
+!_*&`
"
+%_&"`7
!
%+_*&`
"
*"_%$`H
!区内海拔
6!"
"
!%&+8
!地势南
高北低!中间为冲积平原地处北半球暖温带干旱
气候区!属典型的大陆性气候!年平均气温为
+,+"
a
!最低气温
%"a
!最高气温
*"a
&年均降水量
%+,+"88
!蒸发量
!*6$88
&年均风速
!,!"8
%
/
!
大风日数
#&,*"=
&年日照时数为
%##&,"
"
%!*$,(
A
!日照率
("D
"
(%D
&年总辐射量为
$*#,6*
]b
%
>8
!
!干燥度大于
#$
植物区系归属于泛北极植
物区中的亚洲荒漠植物亚区!具有鲜明的温带荒漠
性质!敦煌西湖共记录有种子植物
!%
科
$#
属
6"
种土壤主要为沼泽土!另有部分草甸土分布于河
漫滩等地主要保护对象为湿地生态系统(荒漠生
态系统及其野生动植物)#$*
!
!
研究方法
C,D
!
样地布设
从盐池湾开始!向南设置长
#,$]8
(宽
%""8
的调查样带!植被包括沼泽(盐沼(草甸(阔叶林荒漠
$$#
西
!
北
!
植
!
物
!
学
!
报
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
%$
卷
&种植被型组在样带内!沿样带方向设置
%
条平
行样线!按南北(东西间隔
#""8
取样!共有
*&"
个
样点!并以每个样点为中心设置
&"8 &^"8
样地
按照+五点法,在每个样地内设置
&
根直径
&"88
(
深度
!,!8
的土壤水分测定管
C,C
!
土壤水分含量测定
土壤含水量采用
5H5&"%N
"
3V
#新型智能中子
水分仪测定按
"
"
#"
(
#"
"
!"
(
!"
"
*"
(
*"
"
$"
(
$"
"
6"
(
6"
"
#""
(
#""
"
#!"
(
#!"
"
#*"
(
#*"
"
#$"
(
#$"
"
#6"
(
#6"
"
!"">8
深度分层测定&每个样地每层
测定
&
个样点!取其平均值作为样地该次该层的土
壤含水量最后将算得的土壤水分含量和土壤贮水
量值用于空间变异性分析土壤贮水量的计算公式
为$
"c"#$%&
!式中$
"
为土壤储水量"
88
#(
$
为
土层厚度"
!">8
#(
%
为质量含水量"
D
#(
&
为该土
层土壤容重"环刀法!环刀规格$直径
&",*$88^
高
&"88
!容积
#"">8
%
#
)
#(
*
依据该公式分别计算
出各层的土壤贮水量!然后累加计算出
!8
土层的
水分贮量
C,E
!
植被调查
每个样地采用样方与样线相结合的方法进行植
物的种类(密度(盖度(频度和高度等调查)#$*!在交
叉样线处均匀设置
$
个
!"8^!"8
样方进行灌
"乔#木调查!并设置
+
个
&8^&8
样方进行草本
植物调查
C,F
!
地下水埋深调查
每个样地用土钻打至地下水水流出!待水位稳
定后测量地下水埋深
C,G
!
根系生物量的调查
采用全挖法
#
灌木调查$在样方中选择大小
相近(生长旺盛的植株
&
株!离植株
!">8
处垂直向
下挖一剖面!把根系分布层分为
"
"
$">8
和
$"
"
!"">8!
层&
$
草本调查$在样方内选择地势平坦(
植被相对集中的区域!由上向下按
%">8 &^">8^
!">8
挖取土柱!深度以无植株根系为限!直至
!""
>8
深处剪取各层所有根系!分层装袋!在室内冲
洗(晾晒(烘干后称重
C,H
!
土壤粒径分析
每个样地每层采集
&
个样点土样充分混合"表
层土壤直接取样!深层采用挖剖面和土钻法相结合
的方式取样#!用四分法取大约
#]
@
样品!室内风
干!对土壤粒径用
dF)F
激光粒度分析仪"英国马尔
文
d9:UI8
仪器有限公司#进行分析)#6*
为了便于分析比较!主要考虑不受降水影响!每
年的
+
(
#"
月份是当地降水量相对最少的时期!加之
该时期研究区植被生长旺盛!所以在
!"#%
年的
#"
月
&
日至
#"
月
!&
日期间对研究区植被特征与土壤
特性调查及土样采集同步进行在调查的同时!用
PZF
定位!并记录各样地的经纬度(海拔高度(地貌
及土壤类型等生境因子
C,I
!
分析方法
采用
PF
e 进行地统计学变异函数数据分析
统计分析分两步骤$
#
对土壤水分等数据用单样本
方法进行正态分布检验"
FZFF#%,"
软件#&
$
变异
函数的计算!用于估计半方差的公式为)#+)!#*$

"
$
#
c
#
!(
"
$
#
#
)
*c#
)
+
*
+"
*e$
#
*
!
"
#
#
式中!

"
$
#为半方差函数&
(
"
$
#是距离等于
$
时的
点对数!
+
*
是样点
+
在位置
*
的实测值!
+"
*e$
#
是与
*
距离为
$
处样点的值
本研究中球状模型"公式
!
#和指数模型"公式
%
#土壤水分等数据符合要求球状模型的变程等于
相关距离
,
&而指数模型并不表现出有限变程!但实
践中变程值近似用
%,
表示

"
$
#
c
"
!!!!!!!
$c"
-
"
e-
)
%$
!,

$
!
!,
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*
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$
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e-
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e-
"
#.
$
,
#
!!!
A
$

(
) "
"
%
#
式中!
-
"
为块金值"
0;
@@
IT
#!
-
"
e-
为基台值!
,
为
相关距离
分维数
!
的计算由变异函数和步长
$
之间的
关系确定!即$
!
"
$
#
c$
*!!
"
*
#
上式取双对数后再对双对数曲线进行线性回归!得
到回归直线的斜率
/
!分维数可用斜率
/
估算$
!c#
%
!
"
*/
# "
&
#
分维数
!
的大小可用于度量生态变量的复杂
程度!
!
值越小!变量的空间依赖性越强!其空间格
局相对简单通过分形维数可分析生态因子在不同
尺度上的差异)#+)!"*
%
!
结果与分析
E,D
!
土壤水分的空间变异性特征
E,D,D
!
土壤水分状况
!
表
#
显示!垂直方向上!各
样点土壤水分含量均随土层加深而增大!同一样点
相邻土层土壤水分含量变化不大!土壤水分含量均
($#
#
期
!!!!!!!
孙飞达!等$甘肃敦煌西湖荒漠
)
湿地生态系统土壤水分空间异质性及其影响因子研究
值为
#*,6(%D
!介于
$,$6#D
"
!%,""*D
之间!
8
土层水分贮量平均值为
#$%,&+688
!介于
$&,&66
"
!*6,#6688
之间一般认为!
-0
$
",#
为弱变
异性!
",#
*
-0
*
#
为中等变异性!
-0
&
#
为高度变
异性)!!*!土壤水分含量变异系数"
-0
#介于
%+,!6D
"
66,$&D
!随土层加深显逐渐增大趋势!说明研究
区各样点土壤剖面各层土壤水分含量的空间变异性
在增大
! 8
土层水分贮量变异系数"
-0
#为
%$,&#D
"表
#
#!变异系数显示!研究区土壤水分含
量和
!8
土层水分贮量变异相对较高!均为中等变
异深层"
$"
"
!"">8
#土壤水分含量的变异较浅层
"
"
$">8
#土壤水分含量的变异大!说明深层土壤
具有较高的土壤水分含量和较大的变异程度!而浅
层土壤水分状况较差且变异程度较小
E,D,C
!
土壤水分空间结构特征
!
根据研究区野外
调查数据计算实际变异函数!分别用不同类型的模
型进行拟合!得到最佳拟合模型的参数值见表
!
!结
果显示!
"
"
$">8
各土层土壤水分含量(
!8
土层
贮水量和植被盖度的理论模型符合指数模型!而
$"
"
!"">8
各土层土壤水分含量的理论模型符合球
状模型
垂直方向上!
##
层土层土壤水分含量及
!8
土
层贮水量的块金方差"
-
"
#介于
",""(
"
","+6
之间!
表明各层土壤水分含量及
!8
土层贮水量存在高
度的异质性!这种异质性在各要素块金值中也可以
看出!各要素的基台值"
-
"
e-
#介于
",##!
"
",&*+
之间
"
"
$">8
各土层土壤水分含量的块金方差
和基台值较
$"
"
!"">8
土层的低!且各值均差别不
大!而
$"
"
!"">8
各土层土壤水分含量的块金方差
和基台值差别均较大!表明
$"
"
!"">8
各土层土壤
水分含量随机部分的空间异质性和总的空间异质性
程度较高!且不同层次土壤含水量的空间异质性差
别也较大本研究所得各变量的结构比介于
",($$
"
",+($
之间"表
!
#!表明研究区各土层土壤水分含
量和
!8
土层贮水量具有较强的空间自相关整
体上看!研究区
!8
土层贮水量的结构比最小
"
,($$
#!说明对于
!8
土层贮水量由随机因素引
起的空间异质性占总空间异质性的比例比其他变量
大)!%)!&*
变程是表示植被特征与土壤水分空间异质性的
尺度)!$)!(*表
!
显示!研究区各土层土壤水分含量
和
!8
土层贮水量异质性尺度不同且值均较小!变
程介于
##$
"
*&%
!
8
土层贮水量与各层土壤水分
含量变程"
,
#比较!相对较大
!
表示变异函数曲线的曲率大小)!(*表
!
显
示!
"
"
$">8
各土层土壤水分含量(
!8
土层贮水
量的分形维数"
!
#较小"
#,66%
"
#,+%*
#!说明空间
变异主要发生在较大尺度上!而
$"
"
!"">8
各土层
土壤水分含量的分形维数 "
!
#较大 "
#,+"!
"
#,+6+
#!说明空间变异主要发生在较小尺度上!即沿
样带相邻点间的土壤水分含量差异很大
E,C
!
研究区土壤水分空间异质性影响因素分析
E,C,D
!
海拔
!
用
PZF
测量研究区所有样点的海拔
高度!其中最高点海拔为
#"&",%68
!最低点海拔
为
66",*%8
图
#
显示!随着海拔递增!各土层土
壤水分含量和
!8
土层贮水量均呈下降趋势!
8
土层贮水量变化趋势较明显
海拔是影响土壤水分含量分布的环境因子之
表
D
!
研究区剖面各层土壤水分含量的统计特征
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项目
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土壤层
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C
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平均值
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标准差
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变异系数
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D
最大值
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偏态系数
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峰态系数
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土壤水分含量
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D
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学
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卷
一!许多研究已表明土壤水分含量与海拔之间具有
负的相关关系)#6!6)!+*图
!
显示!浅层土壤水分含
量"
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"
$">8
#和深层土壤水分含量"
$"
"
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#
均与海拔有负的相关关系"
1
$
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#!随着海拔递
增!深层土壤水分含量与海拔的相关性呈递增趋势
且更高!而浅层土壤水分含量则变化相反!且海拔与
深层"
$"
"
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#土壤水分含量的相关性大于浅层
"
"
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#土壤湿度的相关性
表
C
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土壤水分含量变异函数理论模型及参数
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项目
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拱高
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指数模型
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图
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土壤水分含量随海拔梯度变化
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土壤水分含量与海拔间的相关性特征
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期
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孙飞达!等$甘肃敦煌西湖荒漠
)
湿地生态系统土壤水分空间异质性及其影响因子研究
E,C,C
!
土壤质地
!
土壤质地影响着土壤水分运移!
进而影响着土壤水分异质性程度表
%
显示!粘粒
和粉粒的变异系数均大于沙粒!且沿着样线!随着海
拔增大!沙粒的含量表现出明显递增趋势!而粘粒和
粉粒的含量呈现出相反的空间分布特征土壤质地
的空间异质性能够产生水文导度的空间变异!从而
导致土壤水分分布的空间异质性)#6*
由表
%
可知!粉粒和粘粒均与各层土壤水分含
量之间呈正相关关系!且粘粒的相关性大于粉粒的
相关性&而沙粒与各层土壤水分含量之间呈负相关
关系因为!土壤粒径粗细程度对土壤质地产生着
重大影响!粒径均值越小!土壤可塑性和吸湿性越明
显!其透水性较差!持水性越好土壤质地与浅层"
"
$">8
#土壤水分含量的相关性大于深层"
$"
"
!""
>8
#土壤的湿度的相关性!这结论与潘颜霞等)#6*的
研究结果一致因为浅层土壤中粉粒级以下的颗粒
在风蚀过程中被吹失!呈现出随时间推移变粗的特
征!调查结果显示!研究区浅层"
"
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#土壤的沙
粒含量为
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!而深层"
$"
"
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#土壤的粉粒和
粘粒含量接近
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!
植被
!
植被通过遮盖土壤表面影响蒸发率!
通过根活性影响土壤导度并促进土壤表面有机物质
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!
土壤粒径与土壤水分含量之间相关性及其空间变异性
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沙粒
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粉粒
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粘粒
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研究区主要植被浅层土壤水分含量&
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研究区主要植被深层土壤水分含量及其
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土层贮水量&
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多枝柽柳群落&
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胀果甘草群落&
5,
胡杨群落&
3,
疏叶骆驼刺群落&
7,
芦苇群落&
1,
多枝柽柳沙包群落&
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苏枸杞群落&
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芦苇沼泽
图
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!
研究区主要植被群落土壤含水量特征
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不同土层土壤水分含量(
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土壤层
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土层贮水量
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88
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的增加而影响土壤水分变化!这些因素对于土壤水
分含量变化率的影响随着植被种类(密度和盖度变
化而变化)#6!%"*图
%
显示!研究区主要植被群落土
壤水分含量均相对较低其中!多枝柽柳沙包群落
土壤水分含量最少!均值为
$,$6#D
&芦苇沼泽群落
土壤水分含量最大!均值为
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各主要植被
群落浅层"
"
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#土壤同一层土壤水分含量差异
相对较少"多枝柽柳群落和芦苇沼泽群落&图
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!
4
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深层"
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"
!"">8
#土壤同一层土壤水分含量差异较
大"图
%
!
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#不同植被类型及其格局分布影响着土
壤水分!植被根系垂直和水平分布格局通过蒸腾耗
水影响着其根际层的水分!从而影响到各层土壤水
分含量异质性)+*草本植物根系较浅!根系生物量
集中分布在
*">8
以上土层中!占全部根系生物量
的
6&D
以上!对浅层水分影响较大&灌木根系较深!
大部分根系分布于
$">8
以下土层中!占全部根系
生物量的
("D
以上!改变了土壤质地和有机质含
量!影响了水文导度!对深层水分影响较大表
*
显
示!植被盖度与土壤水分含量显正相关!且草本植被
盖度与浅层土壤水分含量显示较高的关联性!是由
于较大的植被盖度可以阻挡太阳照射!减少土壤的
蒸发!改善了表层的土壤有机质!往往导致较高的土
壤水分&植被根量与土壤水分含量显负相关!且灌木
根量与深层土壤水分含量显示较高的关联性!是由
于植被根系集中分布层的根系对该层土壤水分含量
具有显著的影响!尤其在植被生长旺盛季节!植被蒸
腾作用增强!根系吸水强烈!通常导致根系主要分布
层的土壤水分含量大幅度降低
E,C,F
!
地下水埋深
!
调查发现地下水埋深较浅的
区域!土壤水分含量较高!否则则反之表
&
显示!
土壤含水量与地下水埋深之间存在显著的负相关关
系!自上而下其关系逐渐增强&
!8
土层贮水量与地
下水埋深的相关性最强!
*"
"
$">8
土壤含水量与
地下水埋深的相关性次之!说明研究区土壤水分含
量更依赖于地下水!地下水埋深是影响土壤含水量
的重要因素
*
!
讨
!
论
敦煌西湖国家级自然保护区!四周均被沙漠(戈
壁所隔绝!研究区兼有湿地生态系统和荒漠生态系
统!导致本研究所得各变量均为中等变异!存在高度
的异质性!具有较强的空间自相关!
"
"
!"">8
土层
各层土壤水分含量及
!8
土层贮水量的变异系数(
块金方差(基台值(变程和结构比分别介于
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之间深层"
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#土壤
水分含量的变异较浅层"
"
$">8
#土壤水分含量的
变异大!且不同层次土壤水分含量的空间异质性差
别也较大!空间变异主要发生在较小尺度上说明
深层土壤较高的土壤湿度和较大的变异程度!而浅
层土壤水分状况较差且变异程度较小!这是因为表
层较底层土壤蒸发强烈!土壤水分含量较低!且与剖
面土壤质地不均匀(植被种类(盖度和多度有关!加
之研究区主要是以旱生(超旱生植被为主!通过其发
达的根系对深层土壤水分的利用较大!进而导致深
层土壤水分变异系数大于浅层
研究区地处极端干旱区!年均降水量不足
*"
88
!地下水埋深影响着土壤水分!决定了土壤水分
含量的局限性!海拔直接影响地下水埋深情况!进而
影响着土壤水分!海拔与深层"
$"
"
!"">8
#土壤水
分含量的相关性大于浅层"
"
$">8
#土壤含水量的
#(#
#
期
!!!!!!!
孙飞达!等$甘肃敦煌西湖荒漠
)
湿地生态系统土壤水分空间异质性及其影响因子研究
相关性!因为深层土壤水分含量主要依赖于地下水
位埋深情况!越接近土壤表层!诸如风力和太阳辐射
等因子降低了土壤水分对海拔依赖性!因此海拔是
影响该区域土壤水分含量空间变异的一个主要环境
因子土壤质地与浅层"
"
$">8
#土壤水分含量的
相关性大于深层"
$"
"
!"">8
#土壤水分含量的相关
性!与海拔相反地下水埋深情况决定了土壤水分
含量的局限性!从而决定了植被根系分布的类型和
深度!进而决定了植被类型!研究区主要植被群落土
壤水分含量均相对较低!草本植被盖度与浅层土壤
水分含量显示较高的正关联性!灌木根量与深层土
壤水分含量显示较高的负关联性!同时植物在诸多
尺度上对土壤水分含量动态方面产生极其重要的反
馈作用
参考文献!
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晋西黄土区土壤水分空间异质性
的地统计学分析)
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