荒漠綠洲過渡帶柳灌叢沙堆形態(tài)特征研究

荒漠綠洲過渡帶柳灌叢沙堆形態(tài)特征研究

灌木沙堆是沙子流到灌木邊緣的一種地形類型。沙子物質(zhì)形成于灌木及其周邊地區(qū)。在我國,灌叢沙堆主要分布于農(nóng)牧交錯帶、荒漠草原、典型草原及沙漠邊緣帶,類型有錦雞兒(Caraganamicrophylla)、檉柳(Tamarixramosissima)、白刺(NitrariaL.)、蒿類(Artemisiafrigid)等。灌叢沙堆是土壤風蝕和土地退化的標志,也是沙漠化的一種表現(xiàn)形式,在阻擋流沙入侵綠洲、干旱區(qū)生物多樣性保護等方面有重要意義。20世紀90年代以來,國內(nèi)外學者對灌叢沙堆進行了系統(tǒng)的研究。在形成演化和形態(tài)參數(shù)方面,AndrewD.等研究表明灌叢沙堆走向與干季主風向保持一致,其形成是沙物質(zhì)經(jīng)過搬運重新分配的結果[1,2,3,4,5,9,10,11,3];Tengberg&Faso在突尼斯分析了灌叢沙堆形態(tài)參數(shù)間的關系和變化規(guī)律,提出了形態(tài)發(fā)育的趨勢;哈斯指出了小葉錦雞兒灌叢沙堆的發(fā)育模式和演化階段;夏訓誠等在塔克拉瑪干沙漠及羅布泊地區(qū)測定了檉柳沙包的年齡。在生態(tài)意義方面,Sterk等&Whitford等研究了灌叢沙堆沃島效應的反饋機制;Magdy等對西奈山北部干旱退化草場的研究表明灌叢沙堆對植物多樣性保護具有重要意義。檉柳灌叢沙堆是荒漠綠洲過渡帶重要的群落類型,是阻止、延緩沙漠入侵綠洲的最后防線。近年來,黑河下游水資源短缺使檉柳灌叢沙堆產(chǎn)生了衰退,影響綠洲的生存。但是,關于檉柳灌叢沙堆的研究在國內(nèi)外尚未見報道。因此,本文以黑河下游的金塔縣和額濟納旗為研究區(qū),針對荒漠綠洲過渡帶的戈壁和沙漠兩種生境下的檉柳灌叢沙堆,研究在生態(tài)梯度下檉柳灌叢沙堆的形態(tài)特征、形態(tài)參數(shù)間的關系、空間分布格局及空間異質(zhì)性,為荒漠綠洲過渡帶的建設及管理提供科學依據(jù),也為灌叢沙堆的進一步研究提供基礎數(shù)據(jù)。1研究領域的總結和研究方法1.1土壤條件及地帶性土壤研究區(qū)位于內(nèi)蒙古額濟納旗八道橋外(42°02′～42°25′N;101°26′～101°11′E)以及甘肅省金塔縣生地灣和大莊子(40°25′N;98°57′～99°07′E)的荒漠綠洲過渡帶。額濟納屬極強大陸性氣候。多年平均氣溫8.7℃,最低氣溫-37.6℃,最高氣溫43.1℃;額濟納綠洲外圍荒漠區(qū)年降水量25～50mm,年蒸發(fā)量4200mm;盛行西北風,平均風速2.9～5m·s-1,年均大風日數(shù)(>17m·s-1)70d左右;地下水埋深在2.18～3.11m之間。金塔綠洲屬典型溫帶大陸性氣候。多年平均氣溫8℃,最低氣溫-29℃,最高氣溫38.6℃;年均降雨量59.9mm,年蒸發(fā)量2538.6mm;以西北風為主,平均風速3.0m·s-1,大風日數(shù)32d。地下水埋深在正義峽輸水干渠中游段小于2～3m。地帶性土壤均為灰棕漠土、沙壤土及沙土。典型植被有梭梭(Haloxylonammodendron)、沙棗(Elaeagnusangustifolia)和檉柳等。1.2樣地選擇和選擇在野外踏查的基礎上,距戈壁和沙漠邊緣200m以外的樣帶內(nèi),分別選擇一塊能代表檉柳灌叢沙堆種群特征的樣地,其面積為100m×100m。在2006年8～9月中旬,調(diào)查樣地內(nèi)所有檉柳灌叢沙堆的坐標位置、高度、長短軸、沙堆走向以及每個沙堆植被的幅度、高度、蓋冠等。1.3空間異質(zhì)性特征用Spss13.0和OriginPro7.0軟件進行描述統(tǒng)計分析和回歸分析,再將服從正態(tài)分布的原始數(shù)據(jù)作為區(qū)域化變量,用GS+軟件進行地統(tǒng)計分析,建立變異函數(shù)的半方差(Semivariance)理論模型來研究其空間異質(zhì)性特征。半方差函數(shù)的計算公式為:R(h)=12N(h)∑i=1n[z(xi)?z(xi+h)]2,i=1,2,?,hR(h)=12Ν(h)∑i=1n[z(xi)-z(xi+h)]2,i=1,2,?,h(1)式中,z(xi)和z(xi+h)分別為區(qū)域化隨機變量z在空間位置xi和xi+h上的取值,N(h)是抽樣間隔等于h時的點對數(shù),R(h)為變異函數(shù)值(又稱為半方差)。分形維數(shù)的計算公式為:D=(4?m)2D=(4-m)2(2)式中,m為雙對數(shù)半方差圖的斜率,D為分形維數(shù)。2結果分析2.1沙堆高度、體積和蓋度檉柳灌叢沙堆是一個凸起的近圓形或橢圓形沙包,丘頂渾圓,坡度較緩。大部分沙堆為獨立型,在沙漠生境通常沿風向形成沙堆鏈(額濟納NE83°15′,金塔NE53°13′)。植被蓋度較高,在0.30～0.47之間。在戈壁生境沙堆高度、體積和植被冠幅的均值均小于沙漠生境,最大均值均在額濟納沙漠生境,分別為4.47m、1133.5m3和534.5m2;植被高度和蓋度的均值在戈壁生境均大于沙漠生境,最大值均在額濟納戈壁生境,分別為2.27m和0.47。此外,沙堆高度、體積、植被冠幅、高度和蓋度等最小均值都在金塔戈壁生境,分別為1.21m、3.38m3、42.3m2、1.43m和0.30(表1)。2.2最大沙堆體積和冠幅沙堆長、短軸間為顯著線性關系(R2>0.814),即長度與寬度協(xié)調(diào)增長和變化(圖1)。沙堆高度隨著面積的增加達到最大值,而后逐漸減小,回歸曲線為拋物線。但在不同的生境和地點回歸曲線的峰值各不相同。在額濟納戈壁生境峰值為2.85m,沙漠生境8.5m;金塔戈壁生境峰值為1.27m,沙漠生境為3.45m(圖2)。沙堆體積隨植被冠幅的增加而增加,R2在0.787～0.882之間,具有顯著線性關系(圖3)。在戈壁生境,隨植被冠幅的增加,高度達到峰值(額濟納為7.48m,金塔2.45m)后逐漸減小,回歸曲線為拋物線;在沙漠生境,植被高度和冠幅呈線性關系,R2為0.725、0.685。此外,額濟納的植被高度明顯大于金塔(圖4)。2.3沙丘生境下沙丘屬拓展生長狀,形態(tài)特征見表1在荒漠綠洲過渡帶,檉柳灌叢沙堆在綠洲邊緣的戈壁生境相互分隔呈斑塊狀,而在沙漠生境呈沙丘鏈狀,且分布都呈聚集狀大斑塊,格局較明顯。其次,沙堆密度在戈壁生境(1.67堆·100m-2)明顯大于在沙漠生境(0.78堆·100m-2),體積則相反(圖5)。2.4沙堆空間異質(zhì)性空間變化變異函數(shù)是地統(tǒng)計學所特有的,是區(qū)域化變量在分割距離上樣本空間變異的量度。在研究中,塊金值(C0)的變化在額濟納小于金塔,基臺值(C0+C)額濟納大于金塔(表2),表明檉柳灌叢沙堆的空間異質(zhì)性由非隨機的結構原因形成的變異為主,且額濟納高于金塔。此外,在金塔沙漠生境沙堆高度的Co與Co+C相等,結構比為0,半方差圖為純塊金方差圖,說明在此生境中沙堆高度呈隨機分布。C/(Co+C)值均大于60%,說明隨機變異均小于結構性變異,格局具有較強的空間自相關性。但是,在金塔沙漠生境C/(Co+C)值的范圍在0.00～0.963之間,即由隨機因素引起的空間異質(zhì)性的變化在3.7%～100%之間,表明在此生境檉柳灌叢沙堆的空間異質(zhì)性存在由隨機的原因形成變異為主的可能性。對最能代表檉柳灌叢沙堆特性的沙堆體積和植被冠幅兩個指標進行雙對數(shù)半方差分析。結果表明:雙對數(shù)半方差值隨樣點間距離的增加反映了不同的空間異質(zhì)性(圖6,圖7)。圖6a、c和圖7a的半方差值隨間距的增加曲線先波浪式增加后減小,出現(xiàn)的一系列拐點,反映了空間相關規(guī)律發(fā)生顯著變化;圖6b、d和圖7b、c波浪式增加,即分形維數(shù)D值在增大,空間相關性也逐漸增大;圖7d波浪式減小,空間異質(zhì)性逐漸增大。雙對數(shù)半方差圖的斜率m在沙漠生境均大于戈壁生境(圖6、圖7),其空間異質(zhì)性在沙漠生境高于戈壁生境。在金塔沙漠生境斜率最陡,反映了空間異質(zhì)性最高;而在額濟納戈壁生境最平緩,其空間異質(zhì)性最低。此外,植被冠幅的m值除在金塔沙漠生境和戈壁的沙堆體積均為負數(shù)外(圖6c、圖7d),其它生境下的m值均為正數(shù)且值差異不大。3柳減少沙堆空間異質(zhì)性的研究(1)檉柳灌叢沙堆是荒漠帶靠地下水維系的景觀類型,在額濟納和金塔觀測點的數(shù)據(jù)表明,灌叢沙堆高度介于1.05～8.5m(平均1.76m),長度0.7～46.5m(平均5.74m),寬度0.5～20.5m(平均3.48m)。Nickling&Wolfe在非洲馬里的觀測表明沙堆高度在0.35～0.72m(平均0.57m),長度1.5～17.9m(平均5.45m),寬度0.9～12.5m(平均3.45m),其形態(tài)參數(shù)值均比荒漠綠洲過渡帶的小。在美國新墨西哥州中南部,灌叢沙堆高度在0.2～4.3m之間,長度和寬度最大值均可達到40m;此外,在我國內(nèi)蒙古河套地區(qū)灌叢沙堆最高可達3m(平均為1.3m),長度和寬度最大值均可達30m(平均10m),這兩個研究區(qū)的灌叢沙堆比荒漠綠洲過渡帶的高度小,面積大。因此,與以往的研究相比,在我國極端荒漠區(qū)綠洲過渡帶灌叢沙堆具有高度較大的特殊性。(2)Tengberg&Faso的研究指出當灌叢沙堆遭受強烈侵蝕時,隨沙堆面積增加,高度逐漸變低,整個沙堆逐漸趨向消亡。在我國極端干旱區(qū)荒漠綠洲過渡帶,沙堆面積和高度的回歸曲線呈拋物線(圖2),表明檉柳灌叢沙堆處于消退時期。從研究區(qū)現(xiàn)狀看,在額濟納存在檉柳植株大量死亡、沙堆風蝕現(xiàn)象。沙堆體積和植被冠幅具有顯著線性相關(圖3),與Musick等&Trujillo等提出的灌叢是灌叢沙堆形態(tài)塑造的重要影響因素的結論相一致。此外,無論是戈壁還是沙漠生境,所有參數(shù)指標值在額濟納均大于金塔,表明檉柳灌叢沙堆更適合在自然條件嚴酷的額濟納生存。灌叢沙堆是一種主要由風力作用形成的風積地貌類型。在額濟納風速大,風積強度大,產(chǎn)生較豐富的沙源供檉柳灌叢深埋。因此,檉柳灌叢沙堆的適應機理應歸于高強度的風積產(chǎn)生較深的沙埋對檉柳灌叢生長的促進作用及灌叢與沙堆間的反饋效應。(3)地統(tǒng)計學的變異函數(shù)能很好的描述景觀格局。研究表明,在金塔戈壁生境植被高度、蓋度和沙漠生境沙堆高度的變程A0>100m,空間自相關性在研究尺度范圍內(nèi)(100m)消失(表2)。這將表明了樣地面積太小,樣方間的數(shù)據(jù)差異很大,這種差異足以掩蓋由空間位置的不同帶來的差異,結果不能真實的反映檉柳灌叢沙堆空間異質(zhì)性。因此,在將來對檉柳灌叢沙堆空間異質(zhì)性的研究中應將樣地面積擴大到更大的尺度范圍。此外,Cambardella等研究認為:C/(Co+C)值>75%、75%～25%、<25%分別表明變量的空間自相關性較強、中等、較弱。所以,在額濟納戈壁生境檉柳灌叢沙堆空間相關性較強,沙漠生境和金塔戈壁生境其空間相關性屬于中等程度(表2)。此外,在小尺度的研究范圍內(nèi),雙對數(shù)半方差圖存在一系列拐點,反映了空間相關性在拐點前后發(fā)生顯著變化。分形維數(shù)D越小于2,m值越大,空間相關性越大。在研究中,金塔沙漠生境斜率最陡(圖6),空間異質(zhì)性最強,反映了空間異質(zhì)性發(fā)生了以放牧干擾為主的變異。此外,雙對數(shù)半方差的斜率m出現(xiàn)負數(shù)(圖6,7),空間異質(zhì)性發(fā)生大的變異