毛烏素沙地南緣沙漠化臨界區(qū)域土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性研究

毛烏素沙地南緣沙漠化臨界區(qū)域土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性研究

空間異質(zhì)性是生態(tài)系統(tǒng)的主要特征，也是生成空間模型的主要原因，與生態(tài)系統(tǒng)的功能和過程密切相關(guān)。在草原群落生態(tài)演替過程中,土壤屬性的空間異質(zhì)性是植被空間分布差異的主要原因。生物或非生物因子空間異質(zhì)性的研究,對(duì)于描述生態(tài)因子的空間自相關(guān)性、繪制生態(tài)因子分布圖以及設(shè)計(jì)抽樣方案等,都具有重要意義。毛烏素沙地是我國(guó)的12大沙區(qū)之一,是典型的生態(tài)過渡帶,具有獨(dú)特的生態(tài)地理景觀。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)毛烏素沙地南緣的土壤特性已進(jìn)行了一定的研究,唐艷等對(duì)灌叢沙丘土壤水分與粒度特征進(jìn)行研究,指出植被決定沙丘土壤水分的動(dòng)態(tài)變化;劉建忠等認(rèn)為表層土壤經(jīng)免耕處理后肥力下降;許冬梅分別對(duì)毛烏素沙地南緣生態(tài)過渡帶土壤微生物特征、土壤酶活性以及植被和土壤的理化性質(zhì)進(jìn)行研究。關(guān)于土壤養(yǎng)分的時(shí)空異質(zhì)性國(guó)內(nèi)外也有大量的研究工作,特別是土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性的尺度問題,已進(jìn)行了深入的量化研究,對(duì)土壤養(yǎng)分空間特征及其預(yù)測(cè)和影響因素也有較多的分析,取得了一定的成果。但總體上國(guó)內(nèi)的研究相對(duì)薄弱,且以往關(guān)于土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性的研究主要集中在農(nóng)田、綠洲、高寒草甸、黃土丘陵[12,20,21,12,20,21],以及濕地、喀斯特山區(qū)和典型草原等生態(tài)系統(tǒng),而對(duì)沙化草地生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分空間變異的研究則很少報(bào)道;另外,國(guó)內(nèi)已有的研究主要是在大尺度上進(jìn)行,而小尺度上的深入研究則相對(duì)較少;對(duì)于沙化臨界區(qū)域土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性也還沒有專門的探討。因此,本文以毛烏素沙地南緣沙漠化臨界區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,在小尺度范圍內(nèi)研究土壤養(yǎng)分的空間變異規(guī)律及其影響因素,以揭示土壤養(yǎng)分在沙化草地小尺度區(qū)域的空間格局,為深入研究沙漠化臨界區(qū)域、進(jìn)一步揭示土地沙漠化機(jī)理和加強(qiáng)沙化臨界區(qū)域的生態(tài)管理提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1土壤主要植物種類及沙漠化臨界區(qū)域研究區(qū)位于寧夏鹽池縣四墩子村,107°15′3″—107°18′40″E,37°45′12″—37°47′20″N,屬于典型的中溫帶大陸性氣候,年平均氣溫7.7℃,1月份平均氣溫-8.9℃,7月份平均氣溫22.5℃,≥0℃積溫為3430.3℃,≥10℃積溫為2949.9℃。年平均降水量250—350mm,大部分集中在6—8月份;年蒸發(fā)量2136mm;年無霜期162d。土壤類型主要為淡灰鈣土。主要植物種有:蒙古冰草(Agropyronmongolicum)、牛枝子(Lespedezapotaninii)、黑沙蒿(Artemisiaordosica)、長(zhǎng)芒草(Stipabungeana)、賴草(Leymussecalinus)、甘草(Glycyrrhizauralensis)、牛心樸子(Cynanchumkomarovii)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)等。研究區(qū)位于毛烏素沙地南緣,處于典型草原向沙地的過渡地帶,許冬梅于2007年對(duì)毛烏素沙地南緣沙地-典型草原景觀界面進(jìn)行了定量判定,結(jié)果顯示,沙地-典型草原景觀界面存在4個(gè)沙化臨界區(qū)域,本文選取其中一個(gè)臨界區(qū)域作為研究對(duì)象。該研究區(qū)域雖然只是4個(gè)沙漠化臨界區(qū)域中的一個(gè),但由于景觀界面本身就是一個(gè)動(dòng)態(tài)的實(shí)體,各沙漠化臨界區(qū)域雖然處在不同的位置,但本質(zhì)是一致的,所揭示的沙漠化演變規(guī)律也趨于一致。因此,對(duì)該臨界區(qū)域界面過程的探討,能夠較好地反映毛烏素沙地南緣沙漠化臨界區(qū)域的整體水平。本研究是在沙地-典型草原景觀界面大尺度研究的基礎(chǔ)上開展的小尺度研究,其研究區(qū)和研究結(jié)果都只能代表小尺度上的狀況,反映沙漠化臨界區(qū)域尺度范圍內(nèi)的屬性特征。1.2牛枝子和黑沙蒿群落交互作用于2009年8月植物生長(zhǎng)最旺盛時(shí)期,選取典型草原-沙地景觀界面其中的一個(gè)沙化臨界區(qū)域,采用樣線法采樣。由于研究區(qū)同時(shí)是一個(gè)群落交錯(cuò)帶,植被由牛枝子群落逐漸過渡到黑沙蒿群落。因此,在研究區(qū)自牛枝子群落內(nèi)部開始,至黑沙蒿群落內(nèi)部,設(shè)置3條300m長(zhǎng)的平行樣線,相鄰兩條樣線之間間隔50m,在每條樣線上每隔10m設(shè)置一個(gè)1m×1m的樣方(圖1)。在每個(gè)樣方內(nèi)按照梅花狀取樣,每個(gè)點(diǎn)分別采集0—5cm和5—10cm的土樣,將同一層次的5個(gè)樣混合,用于土壤理化性質(zhì)分析。1.3分析土壤全氮采用凱氏定氮法;速效鉀采用醋酸氨浸提,火焰光度法;速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法。1.4空間變異特征采用Excel2003進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入、整理和初步分析;采用SPSS13.0進(jìn)行土壤養(yǎng)分的描述性統(tǒng)計(jì)分析、正態(tài)分布檢驗(yàn)等;采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件GS+(version5.1)進(jìn)行土壤養(yǎng)分空間變異特征和空間分布格局的插值分析。描述性統(tǒng)計(jì)通過平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)(CV)等反映土壤養(yǎng)分的平均水平和總變異程度。一般認(rèn)為,CV<0.1為弱變異,CV在0.1—1.0之間為中等變異,CV>1.0為強(qiáng)變異。正態(tài)分布檢驗(yàn)采用一個(gè)樣本柯爾莫哥洛夫-斯米諾夫檢驗(yàn)(OnesampleKolmogorov-SmirnovTest),區(qū)域化變量一般要求符合正態(tài)分布才能進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。空間變異特征采用半變異函數(shù)γ(h)建立理論模型,半變異函數(shù)計(jì)算公式如下:式中,γ(h)為半變異函數(shù),h是兩樣點(diǎn)間空間間隔距離,N(h)為間隔距離為h時(shí)的樣點(diǎn)對(duì)的總數(shù),Z(xi)、Z(xi+1)分別是區(qū)域化變量Z(x)在空間位置xi和xi+1的實(shí)測(cè)值。半變異函數(shù)有4個(gè)重要的參數(shù),分別為基臺(tái)值、塊金方差、結(jié)構(gòu)方差比和變程。結(jié)構(gòu)方差比(C/Co+C)小于25%表示弱空間自相關(guān);該值在25%—75%之間表示中等程度的空間自相關(guān);該值大于75%表示強(qiáng)空間自相關(guān)。使用塊段克里格(blockkriging)對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行局部插值估計(jì),進(jìn)行交叉證實(shí)檢驗(yàn),繪制研究區(qū)土壤養(yǎng)分的空間格局分布圖,同時(shí)輸出各自的標(biāo)準(zhǔn)差分布圖,可以判斷克里格插值的結(jié)果是否可靠,標(biāo)準(zhǔn)差的值越小,說明克里格插值的結(jié)果越可靠。2結(jié)果與討論2.1土壤3種養(yǎng)分的含量和形態(tài)研究區(qū)土壤全氮、速效鉀和速效磷的變異系數(shù)在0.363—0.454之間,都屬于中等變異程度,其中土壤全氮的變異系數(shù)最小,為0.363,而土壤速效鉀的變異系數(shù)最大,為0.454(表1)。另外,3種土壤養(yǎng)分各自的平均值與中數(shù)之間都比較接近,表明它們都呈現(xiàn)較好的中心趨向分布;而K-S檢驗(yàn)結(jié)果顯示,土壤3種養(yǎng)分的顯著性值Sig.均大于0.05,不能拒絕關(guān)于數(shù)據(jù)分布的原始假設(shè),因此它們的數(shù)據(jù)都符合正態(tài)分布,可以直接進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。偏度是度量數(shù)據(jù)分布對(duì)稱性的一個(gè)指標(biāo),該值等于0時(shí)數(shù)據(jù)完全對(duì)稱分布;該值大于0時(shí)數(shù)據(jù)左偏;該值小于0時(shí)數(shù)據(jù)右偏。土壤3種養(yǎng)分的偏度都大于0,數(shù)據(jù)分布都向左偏,都帶有一個(gè)較長(zhǎng)的右尾(圖2)。峰度是度量數(shù)據(jù)正態(tài)分布峰高的指標(biāo),該值等于0為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布;該值大于0時(shí)數(shù)據(jù)分布比標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的峰高;該值小于0時(shí)數(shù)據(jù)分布比標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的峰低。土壤全氮、速效鉀和速效磷的峰度均大于0,表明3者的數(shù)據(jù)分布都比標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的峰高(圖2)。2.2土壤特性與生態(tài)學(xué)過程在研究區(qū)域內(nèi),土壤速效鉀的半變異函數(shù)擬合為球狀模型,決定系數(shù)r2為0.943(表2,圖3),模型配合的理論曲線的精度較高,結(jié)構(gòu)方差比為0.882,表明土壤速效鉀具有強(qiáng)空間自相關(guān)性;土壤全氮和速效磷的半變異函數(shù)均擬合為指數(shù)模型,決定系數(shù)r2分別為0.552和0.944,雖然全氮的決定系數(shù)較速效鉀和速效磷低,但還是可以接受的。土壤全氮和速效磷的結(jié)構(gòu)方差比分別為0.501和0.514,均屬于中等程度的空間自相關(guān)性。變程是空間自相關(guān)范圍的度量,在變程之內(nèi)區(qū)域化變量空間自相關(guān),在變程之外則不具有空間自相關(guān)。研究區(qū)速效磷的變程最小,為143m,全氮和速效鉀的變程均為510.9m,是速效磷變程的3倍以上(表2)。殘差平方和(Rss)是衡量擬合模型優(yōu)劣的另一個(gè)參數(shù),Rss越小,說明實(shí)際觀測(cè)值與回歸線越靠近,擬合的曲線與實(shí)際配合得越好。研究區(qū)3種土壤養(yǎng)分的Rss均較小(表2),說明所獲得的模型能較好地反映實(shí)際的水平。研究空間變化有利于認(rèn)識(shí)各種生態(tài)學(xué)過程的控制作用。土壤養(yǎng)分的空間分布格局與生態(tài)學(xué)過程之間存在密切的聯(lián)系,土壤養(yǎng)分的高低可能反映單個(gè)植株乃至整個(gè)景觀植被類型的分布。通常生態(tài)學(xué)過程包括干擾傳播、水文及小氣候動(dòng)態(tài)、景觀演替等,有生物方面的,也有非生物方面的,它們共同導(dǎo)致了土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性,其中生物過程包括生物的吸收利用與植被的土壤養(yǎng)分效應(yīng),非生物過程包括雨水的沖刷、淋移等。格局與過程之間的關(guān)系可以表述為過程產(chǎn)生格局,格局反作用于過程。半變異函數(shù)是研究土壤空間異質(zhì)性格局與過程的有力工具。王軍等在研究中指出,半變異函數(shù)能把土壤養(yǎng)分異質(zhì)性和生態(tài)學(xué)過程有效地聯(lián)系起來。土壤特性的空間變異包括系統(tǒng)變異和隨機(jī)變異,其中系統(tǒng)變異是由結(jié)構(gòu)性因素引起的,而隨機(jī)變異是由隨機(jī)性因素引起的。結(jié)構(gòu)性因素包括地形、氣候、土壤類型、地下水位和成土母質(zhì)等非人為的因素,而隨機(jī)性因素包括人為干擾、實(shí)驗(yàn)誤差以及小于取樣尺度上空間變量的自相關(guān)結(jié)構(gòu)等因素。研究區(qū)土壤速效鉀表現(xiàn)為強(qiáng)空間自相關(guān)性,表明結(jié)構(gòu)性因素在其空間總變異中發(fā)揮主導(dǎo)作用,速效鉀在空間分布上具有明顯的結(jié)構(gòu)特征;土壤全氮和速效磷表現(xiàn)為中等程度的空間自相關(guān)性,表明結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素在全氮和速效磷的空間分布中共同發(fā)揮作用。土壤養(yǎng)分空間自相關(guān)程度的差異表明,決定速效鉀與全氮和速效磷的空間過程不同:鉀易于從植物的軀體組織中淋溶,而速效磷含量則取決于有機(jī)態(tài)磷的礦化和植物及微生物的吸收之間的平衡,全氮的含量主要受生物循環(huán)過程的影響。土壤養(yǎng)分變程的差異表明,影響全氮和速效鉀的生態(tài)學(xué)過程在較大的尺度上發(fā)揮作用,而影響土壤速效磷的生態(tài)學(xué)過程則在較小尺度上有效。研究區(qū)草地實(shí)施封育,人為干擾較少,所以這些生態(tài)學(xué)過程更多的是自然因素,如種群動(dòng)態(tài)、群落演替、養(yǎng)分循環(huán)、種子的傳播等。土壤屬性空間自相關(guān)距離的改變可能是群落演替的驅(qū)動(dòng)力,因此對(duì)變程的研究有重要的生態(tài)學(xué)意義。2.3群落界面特征結(jié)果研究區(qū)3種土壤養(yǎng)分交叉證實(shí)檢驗(yàn)的回歸系數(shù)分別為:0.395(全氮)、1.075(速效鉀)和0.961(速效磷),除全氮外,速效鉀和速效磷的回歸系數(shù)都趨近于1,表明估計(jì)值與真實(shí)值較接近。由圖4可以看出,3種土壤養(yǎng)分呈現(xiàn)明顯的空間分布規(guī)律,全氮含量表現(xiàn)為牛枝子群落較高,沿著牛枝子-黑沙蒿群落交錯(cuò)帶,含量逐漸減少,黑沙蒿群落含量最低;速效鉀和速效磷均表現(xiàn)為牛枝子群落和黑沙蒿群落含量較高而牛枝子-黑沙蒿群落界面含量較低。對(duì)于全氮和速效磷,同時(shí)表現(xiàn)出含量西高東低的趨勢(shì),這種趨勢(shì)在速效磷中尤為明顯,而速效鉀則呈現(xiàn)東西對(duì)稱的分布格局。同時(shí),土壤全氮、速效鉀和速效磷的上述變化均表現(xiàn)為一種漸變的過程,是一種過渡類型(圖5)。從圖4還可以看出,3種土壤養(yǎng)分的標(biāo)準(zhǔn)差也呈現(xiàn)明顯的空間規(guī)律性,總體上標(biāo)準(zhǔn)差都較小,表明克里格插值比較可靠;3種養(yǎng)分3條樣線上的標(biāo)準(zhǔn)差都最小,這主要受采樣方法的影響,由于采用的是樣線法采樣,因此3條樣線上的插值結(jié)果必定與其真實(shí)值最接近,標(biāo)準(zhǔn)差最小。另外,全氮的標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)出南北兩端較大而中間較小的規(guī)律性,而速效鉀和速效磷的標(biāo)準(zhǔn)差則表現(xiàn)為東西邊界較小,向中間逐漸增大,然后又逐漸減小的格局(圖5)。土壤養(yǎng)分的上述分布格局與研究區(qū)的群落界面有關(guān)。時(shí)項(xiàng)鋒等于2009年對(duì)該研究區(qū)域的研究結(jié)果表明,該區(qū)域也是一個(gè)群落過渡帶,從南到北表現(xiàn)為牛枝子群落向黑沙蒿群落的過渡地帶,具有界面特征。游動(dòng)分割窗峰值圖在研究區(qū)第22個(gè)樣方附近出現(xiàn)波峰,即為界面的位置,該位置是牛枝子+蒙古冰草+雜類草群落向黑沙蒿群落過渡的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在本研究中速效鉀和速效磷含量表現(xiàn)為先降低后升高的趨勢(shì),與上述界面過程基本重疊,即在靠近界面的位置速效鉀和速效磷含量逐漸降低,而在進(jìn)入相鄰兩側(cè)群落的過程中含量逐漸升高,這種變化趨勢(shì)與群落界面過程密切相關(guān)。土壤全氮含量的空間分布格局與研究區(qū)植被的變化有關(guān)。研究區(qū)剛開始為牛枝子群落,主要以牛枝子、蒙古冰草、長(zhǎng)芒草等多年生草本植物為主;中間為牛枝子-黑沙蒿群落界面,以牛枝子、黑沙蒿、長(zhǎng)芒草、豬毛蒿等植物為主;最后為黑沙蒿群落,植被以黑沙蒿為主,伴生一定量的1年生草本植物,植被組成簡(jiǎn)單。因此土壤全氮表現(xiàn)出以上趨勢(shì)。綜上,土壤養(yǎng)分的空間分布格局與界面過程密切相關(guān),而格局與過程是相互影響的,土壤養(yǎng)分的空間格局必將反作用于界面過程,促進(jìn)或抑制植物的演替,加強(qiáng)或削弱沙漠化過程。除了植被和群落界面的影響,土壤養(yǎng)分的上述空間特征還可能和下列因素有關(guān):(1)土壤類型,研究區(qū)主要土壤類型為淡灰鈣土,其次是風(fēng)沙土和第三紀(jì)紅巖母質(zhì)經(jīng)侵蝕后形成的紅砂質(zhì)土,風(fēng)沙土和紅砂質(zhì)土在第20個(gè)樣方附近開始出現(xiàn),而不同的土壤類型會(huì)使土壤養(yǎng)分產(chǎn)生巨大的差異;(2)微地形差異,研究區(qū)地形屬于緩坡丘陵,從牛枝子群落到黑沙蒿群落,地勢(shì)呈現(xiàn)一定的起伏,而地形特征與土壤水分和養(yǎng)分的運(yùn)移密切相關(guān);(3)凋落物種類差別,由于研究區(qū)植被組成沿群落交錯(cuò)帶方向存在很大的變化,植被組成不同必然導(dǎo)致凋落物的差異,凋落物的不同也使土壤養(yǎng)分發(fā)生變化;(4)土壤動(dòng)物的活動(dòng),研究區(qū)從牛枝子群落到黑沙蒿群落,土壤動(dòng)物類群數(shù)和個(gè)體數(shù)都逐漸減少,土壤動(dòng)物的變化導(dǎo)致其活動(dòng)的強(qiáng)度和作用發(fā)生差異,也對(duì)土壤養(yǎng)分的差異產(chǎn)生影響;(5)放牧干擾,雖然研究區(qū)處于圍欄封育區(qū)內(nèi),但土壤采樣時(shí)仍然發(fā)現(xiàn)有未完全分解的羊糞,說明圍欄封育的年限還不長(zhǎng),而土壤改良是一個(gè)長(zhǎng)期的過程,在牛枝子群落,分布著蒙古冰草等優(yōu)質(zhì)牧草,到牛枝子-黑沙蒿群落界面,逐漸出現(xiàn)黑沙蒿和老瓜頭等動(dòng)物不喜食的植物,動(dòng)物在采食的同時(shí)也留下了糞便,因此放牧也在一定程度上影響土壤養(yǎng)分的空間變異。另外,土壤養(yǎng)分的上述空間分布還可能和“沃島”效應(yīng)有關(guān)。JunranLi等對(duì)兩種沙漠化草地群落土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性進(jìn)行研究,認(rèn)為風(fēng)的作用使得那些植被覆蓋降低的草地上與草本生長(zhǎng)相關(guān)的“沃島”消失,而與灌木生長(zhǎng)相關(guān)的“沃島”得到加強(qiáng),而且,由風(fēng)蝕作用引起的土壤養(yǎng)分空間格局的變化能夠持續(xù)并且加強(qiáng)與灌木生長(zhǎng)相關(guān)的“沃島”效應(yīng),這種作用導(dǎo)致了干旱草地沙漠化的進(jìn)一步發(fā)展;DavidA.Dick等在研究土壤和草本植物群落的空間異質(zhì)性時(shí)指出,特定物種的生長(zhǎng)習(xí)性產(chǎn)生的密集斑塊形成了相應(yīng)的“沃島”,使得土壤養(yǎng)分在此得到聚集;Schlesinger等對(duì)沙漠生態(tài)系統(tǒng)的研究得出相似的結(jié)論,即沙漠灌木在它們的地下形成了高濃度的肥料斑塊。在多風(fēng)地區(qū),“沃島”效應(yīng)還可能與大風(fēng)的作用結(jié)合,共同促進(jìn)沙漠化發(fā)展。董雯等對(duì)毛烏素沙地的形成與治理進(jìn)行研究,認(rèn)為較強(qiáng)的風(fēng)動(dòng)力條件是毛烏素沙地形成的重要因素,和騰格里沙漠、塔克拉瑪干沙漠、科爾