貴州喀斯特山區人工草地-農田景觀土壤溫度界面季節性變化

郝 俊,陳 超,王建立,楊 豐

貴州大學動物科學學院, 貴陽 550025

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貴州喀斯特山區人工草地-農田景觀土壤溫度界面季節性變化

貴州大學動物科學學院, 貴陽 550025

景觀界面是生態交錯區的重要組成部分,在生態系統的結構、過程和功能中發揮了重要的作用。以貴州喀斯特山區人工草地-農田景觀界面為研究對象,對界面表層土壤(0—20 cm)溫度進行季節性監測；采用移動窗口法、野外測定和室內統計相結合,對以土壤溫度為參數的界面寬度的大小進行了判定；對研究區3個功能區土壤溫度進行比較分析。結果表明：貴州人工草地-農田景觀界面四季表層土壤的平均溫度分別為9.8,26.5,15.4℃和4.8℃；人工草地-農田景觀春、夏、秋、冬四季土壤溫度界面寬度隨土壤溫度的變化而變化,表現為由寬變窄的變化規律,分別為37,32,27 m和24 m,土壤溫度界面在人工草地系統的影響域變化與總界面寬度保持一致。研究區四季農田功能區系統、人工草地-農田復合功能區系統和人工草地功能區系統的平均土壤溫度為14.0,14.1℃和13.9℃,春季、夏季和冬季研究區3個功能區的土壤溫度均呈極顯著差異,秋季農田功能區系統與人工草地-農田復合功能區系統的土壤溫度差異不顯著,二者與草地功能區系統差異極顯著。建議對研究區采用12—18 m的寬度進行草田間作,為豐富界面理論及“退耕還草”工程提供理論參考和實踐措施。

土壤溫度；界面寬度；人工草地-農田界面；季節變化

景觀界面是指兩個或兩個以上相鄰生態系統之間的過渡帶,或存在于生物體和非生物環境之間的界面,是普遍存在于生態系統與空間尺度上的異質性過渡區域[1]。景觀界面來源于Clements提出的生態交錯帶概念,隨著研究的不斷深入,SCOPE對Ecotone概念重新進行了定義,即“相鄰兩個群落之間的交錯區,它具有由特定的時間和空間尺度及相鄰生態系統相互作用程度所確定的一系列特征”,從而突出了生態系統之間的相互聯系和相互作用[2]。在一定程度上,景觀界面成為了生態過渡區(Ecological transition zone)與生態交錯帶的同義詞[3]。景觀界面作為一個特殊區域,具有支配性特征,同時也是一個有著特定性質、結構和功能的獨立的系統,使得其對本區域的小氣候變化和人類干擾極端敏感,是研究農牧交錯帶生態位的關鍵區域。

界面影響域也稱為邊界效應的寬度、邊界效應的強度,是指某種變化穿透到棲息地內的距離,界面影響域的確定是研究界面各種生態效應的基礎[4]。目前,關于生態界面影響域的研究主要集中于北方,一般針對一維數值,采用線性模型模擬、數值變量分析法、移動窗口法或分段線性回歸和非線性回歸法等方法進行分析判定。界面判定大多數采用生物因子和非生物因子兩類指標,生物因子如主要物種組成、密度、蓋度、生物量,優勢種生長率、消亡率等,非生物因子包括地形、光照、風速、溫度、水分等[5]。水熱條件是植被生長發育過程中的重要影響因子,土壤溫度不僅對環境小氣候及植物產量起著重要作用[6],而且影響土壤中各種化學反應、土壤有機質和氮素累積,從而影響植物的生長、種子的萌發、農作物的產量,是相鄰生態系統在生態梯度上影響指標的關鍵因子[7]。以前景觀界面的研究往往以土壤水分為指標判定界面影響域,然而從土壤溫度角度出發的研究較少[8- 9],且界面研究中土壤溫度的測定時間一般為夏季,在其他季節未曾有研究者做過土壤溫度測定的工作,缺乏界面土壤溫度在不同季節的變化情況。

貴州喀斯特山區是世界上發育最完全的喀斯特連續地帶,由于其體系復雜,生態系統變異敏感度高,環境容量低,災害承受閾值低等特征,使得喀斯特成為我國四大生態環境脆弱區之一[10]。土壤溫度的季節性變化對研究喀斯特山區生態交錯帶的土壤活性及生態小氣候監測具有重要意義。研究表層土壤溫度的季節性變化有助于揭示土壤溫度對貴州喀斯特地區的生態環境和生產力的影響[11]。本研究以貴州人工草地-農田景觀界面為研究對象,以春、夏、秋、冬四季土壤溫度為參數,分析研究區土壤溫度在空間和時間上的變化特征,采用移動窗口法判定研究區人工草地-農田土壤溫度景觀界面影響域位置和寬度的季節動態變化,并對研究區不同功能區的土壤溫度進行比較分析,為不同生態系統間物質運移研究和區域退耕還草、草田間作提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于貴州省貴陽市花溪區麥坪鄉(26°20′N, 106°34′E,海拔1050 m),地勢北高南低,大多為平緩耕地,屬亞熱帶季風溫潤氣候,水熱同季但偶爾發生伏旱[12]。貴陽市氣候冬暖夏涼,四季分明,2月下旬進入春季,5月中旬到9月上旬為夏季,9月中旬開始入秋,11月上旬之后為冬季[13]。氣溫變化小,年均溫為14.9℃,7月平均氣溫23.3 ℃,1月平均氣溫4.7℃,年極端最低氣溫-4.0℃,年積溫5400℃。年均降雨量1102 mm,蒸發量738 mm,集中降雨量為6—8月,占全年雨量的70%,是貴州一年四季干濕最適中的區域。土壤類型為黃壤。

研究區人工草地建植于2008年,優勢種為白三葉(Trifoliumrepens)和黑麥草(Loliumperenne),伴生種為鴨茅(Dactylisglomerata),植被蓋度約80%,利用方式為圍欄放牧,放牧強度約為每公頃7個羊單位。研究區農田一般采用玉米(Zeamays)和油菜(Blassikakapestris)輪作,蓋度約為65%,玉米于每年4月播種,9月收獲,產量約8250 kg/hm2；油菜于每年10月播種,翌年4月收獲,產量約為2400 kg/hm2。農田土壤耕層深度約為15—20 cm。草地與農田交界呈直線,邊界為南北走向,長度約為500 m[14]。

1.2 試驗設計與取樣方法

以人工草地-農田交界處為“0”點,垂直于界面分別向草地和農田50 m設置3條樣線,每條樣線間隔10 m。在每條樣線上采用等距離(1 m)測定土壤溫度,具體如圖1所示,共計300個測量點。采用土壤溫度測定儀(TZS- 10,浙江托普儀器有限公司),測量時將測定儀探頭插入表層土壤約10 cm處,2組人員(每組6人)分別同時在人工草地區和農田區沿樣線測定四季土壤(0—20 cm)各測量點溫度,并記錄數據,測量每條樣線的時間大概需要10 min。選取連續3d無降雨的晴朗天氣(測量當天的氣溫接近往年當季節的平均溫度)進行數據采集,測定時間分別為2013年7月21日,10月13日,12月21日和2014年3月16日09:00。

圖1 樣點布設示意圖Fig.1 Sketch map of sample site

1.3 數據處理

以土壤溫度為參數,取平方歐氏距離和(squared eudidean distance, SED)為相異系數,采用移動窗口法(moving split-window technique, MSWT)判定人工草地-農田土壤溫度界面寬度。設置窗體平均分割為兩個半窗體a和b,計算a和b之間的相異系數,然后將窗體向右移動一個取樣點,再計算半窗體間的相異系數,直到右半窗端點達到最后一個取樣點為止。計算公式為：

根據界面寬度劃分功能區系統,以不同功能區系統間的土壤溫度和不同季節各功能區的土壤溫度為參數作方差分析,比較不同功能區間及相同功能區不同季節間土壤溫度的變異。

數據采用Excel 2007和SPSS 11.0軟件處理,采用SigmaPlot 10.0軟件作圖；運用方差分析對比分析貴州人工草地-農田界面不同功能區土壤溫度的變化。

2 結果與分析

2.1 貴州人工草地-農田界面土壤溫度的季節變化

研究區人工草地-農田交錯區季節間的土壤溫度空間變化見圖2。由圖2可以看出,研究區界面四季的土壤(0—20 cm)平均溫度分別為9.8,26.5,15.4℃和4.8℃,呈現出“低-高-低”的變化趨勢。人工草地生態系統和農田生態系統四季土壤溫度變幅分別為20.6℃和22.7℃,表現為差異顯著(P<0.05)。

圖2 研究區人工草地-農田土壤溫度空間變化Fig.2 Spatial change of soil temperature of cultivated pasture-farmland boundary in studied area

2.2 貴州人工草地-農田界面土壤溫度影響域的季節性變化

移動窗口法對定量判定界面的位置和寬度提供了一個特別有效和客觀的方法[17]。本研究以土壤溫度為參數,依次計算窗口為2、4、…、28、30時的兩個半窗口間的相異系數,然后將變異系數沿取樣點坐標軸作圖(圖3),當曲線的變化趨勢趨于平滑時可以較好地反映研究界面的影響域。

由圖3可以看出,在春季界面中,當窗口寬度大于18時,能夠清晰的看出主峰位置,但在人工草地系統依舊存在一個小峰,繼續增加窗口寬度該小峰逐漸變小；當窗口移動至24到30時曲線趨向基本平滑,此時可以判定研究區界面春季土壤溫度影響寬度為人工草地25 m,農田12 m,總界面寬度為37 m；同理,夏季、秋季、冬季研究區人工草地-農田界面土壤溫度影響域總寬度分別為32、27 m和24 m；研究區界面寬度從春季到冬季呈現出逐漸變窄的變化。研究區圖像的峰寬跨度和峰值均較小,該界面屬漸變類型。由此可以分別確定人工草地功能區系統、人工草地-農田復合功能區系統和農田功能區系統的范圍。

2.3 貴州人工草地-農田界面不同功能區土壤溫度的比較

由表1可知,在春季和冬季,研究區土壤溫度均為人工草地功能區系統>人工草地-農田復合功能區系統>農田功能區系統,夏季和秋季研究區的土壤溫度變化為農田功能區系統>人工草地-農田復合功能區系統>人工草地功能區系統。其中,春季、夏季和冬季研究區3個功能區系統的土壤溫度均呈極顯著差異,秋季研究區農田功能系統與人工草地-農田復合功能區系統的土壤溫度差異不顯著,但二者與人工草地功能區系統的土壤溫度差異極顯著。

研究區農田功能區系統、人工草地-農田復合功能區系統和人工草地功能區系統的土壤溫度高低順序依次為夏季>秋季>春季>冬季。3個功能區系統的土壤溫度變化隨季節更替而改變,均呈極顯著差異(P<0.05)。研究區3個功能區系統的土壤溫度由春季到夏季的變化最大,變幅約為16.7℃；從夏季到秋季的土壤溫度變幅約為11.1℃,略小于前者；土壤溫度在冬季到春季的變化較為緩和,變化幅度僅為5.0℃。農田功能區系統四季土壤溫度變化的差異最大,人工草地功能區系統四季土壤溫度的變化的差異最小,而人工草地-農田復合區系統的土壤溫度變化的差異介于二者之間。春、夏、秋、冬研究區3個功能區系統的土壤溫度變化與月平均氣溫和月平均降水量的變化趨勢相同。根據貴州省地方監測數據顯示：2013年7月,10月,12月和2014年3月的月平均氣溫分別為12.0、24.5、16.5℃和7.5℃；月均降水量分別為34、179、93 mm和21 mm。

表1 研究區土壤溫度的變異比較

表中不同字母代表5%水平下差異顯著,大寫字母為相同季節不同功能區之間比較；小寫字母為不同季節相同功能區之間比較

3 討論

3.1 貴州人工草地-農田土壤溫度的空間變化

由圖2可知,在人工草地-農田復合功能區系統,土壤溫度的變化幅度大,而在人工草地功能區與農田功能區系統內土壤溫度的變化起伏較平緩。3個功能區系統的土壤溫度出現差異可能是由于以下幾個原因：(1)微生物群落不同,農田功能區系統由于長期耕作導致其土壤中的微生物群落發生變化,土壤表層中的真菌、放線菌等微生物的數量高于草地生態系統[18],微生物活動釋放出的熱量有助于土壤溫度的提高；(2)植被覆蓋度不同,人工草地功能區、人工草地-農田復合功能區和農田功能區的蓋度分別為80%,70%和65%,研究區的植被覆蓋度對土壤呼吸速率有一定影響[19],付芝紅[20]等人指出不同地表覆蓋類型的土壤呼吸速率和土壤溫度呈指數相關關系,且李濤[21]等人的研究表明不同覆蓋類型的土壤呼吸速率在變化上也存在差異。不同功能區系統的土壤溫度差異也可能影響土壤水分和植被密度,從而形成功能區小氣候；(3)土壤水分含量不同,在人工草地開墾為農田后,其土壤持水力降低而導致農田功能區系統的土壤平均含水量低于草地功能區系統,而土壤含水量具有明顯調節溫度的作用[22],所以農田土壤溫度的變化比草地功能區系統劇烈。研究區土壤質量含水量在一年四季表現為“高-低-高”的變化趨勢,春季、夏季和秋季、冬季分別為土壤水分的貯存期、消耗期、恢復期[23]。與此次研究結果比較,在土壤水分貯存期和恢復期,即土壤含水量較多的條件下,隨著土壤質量含水量的增加,土壤溫度降低,土壤地表植被覆蓋的影響不明顯,則人工草地功能區系統的土壤溫度相對較高,該結果與王兆偉等的研究結果一致[24]。在土壤水分消耗期,袁淑杰[25]等人指出晝夜溫差大,草地功能區土壤地表植被的遮陰效應明顯降低,導致該功能區的土壤溫度相對農田功能區系統和復合人工草地-農田功能區系統較低。

3.2 貴州人工草地-農田土壤溫度界面影響域變化

研究區人工草地-農田界面土壤溫度的變化比在鄰近草地或農田內的變化大,這說明在人工草地-農田界面的土壤溫度變化和鄰近農田或草地內部的變化是不同的。在Cadenasso等人的研究中對于生態界面效應的相關描述分為3種：正效應、負效應和過渡型[26],王紅梅[27]等認為發生突然的正、負效應變化可能是鄰近斑塊作用的結果。本研究中的土壤溫度在界面的變化為過渡型。

人工草地功能區系統與農田功能區系統和人工草地-農田功能區系統的土壤溫度相比較穩定,土壤溫度在界面影響域變化較為劇烈,該結果與韓曉等人的研究結果一致[28],說明土壤溫度的變化受氣溫的季節變化及降雨量的影響；研究區人工草地-農田景觀土壤溫度界面寬度在不同季節存在差異,春、夏、秋、冬四季溫度界面總寬度分別為37,32,27,24 m,變化規律為由寬逐漸變窄,說明貴州人工草地-農田景觀土壤溫度界面寬度隨著季節變化而發生動態變化。綜合一年四季來看,研究區溫度界面總寬度在農田25 m至人工草地15 m之間,該結果與Kapos[29]在美國太平洋西北林地的研究結果有差異,這可能與氣候類型,地形及土壤顆粒等因素有關。

3.3 界面影響域的判定

在秋、冬兩季曲線的主峰在人工草地-農田景觀交界處“0”點附近,春、夏兩季曲線的主峰位置在人工草地位置上,由此不能準確判定研究區土壤溫度界面位置是否與景觀界面重合,仍需要進一步研究。目前界面寬度的研究集中于單季節、單因素判定,例如采用植被數量指標判斷不同景觀界面寬度時,在農田功能區系統無法測得相對準確的數據,為達到提高農作物產量的目的,農田中的一些雜草等在人為干預或田間管理時被移除,將導致植物多樣性無法準確統計和計算[30]。林長存[31]等人指出,通過地面小氣候(如溫度、水分、風速等)雖然可以確定界面寬度,但受到的干擾比較強烈,經常會出現雙峰現象,難以得到平滑曲線。而在單一季節判定景觀界面寬度可能受到環境因素影響,具有一定局限性,Pockman[32]等的研究表明在半干旱地區的雨季和旱季,草原-灌叢生態系統內各功能區之間土壤水分的分布有很大差異,因此其水分影響域在雨季和旱季也可能存在明顯的區別。

本研究在春夏秋冬四個季節分別對貴州人工草地-農田土壤溫度界面進行寬度判定,界面寬度的動態判定分析與一般界面判定相比能夠反映并解釋界面寬度變化的原因和機制,從而確定人工草地-農田土壤溫度界面的準確范圍。在界面研究中,界面寬度判定同樣受多種因素的影響及制約,考慮進行雙因素或多因素耦合判定界面寬度,使生態界面寬度的判定更為精確,以期豐富界面理論。

4 結論

貴州人工草地-農田土壤溫度界面寬度隨土壤溫度的變化而變化,春季到冬季表現為由寬變窄的變化規律,界面總寬度在24—37 m之間,土壤溫度界面在人工草地系統的影響域變化與總界面寬度保持一致。

基于人工草地生態系統和農田生態系統之間存在人工草地-農田復合功能區,建議今后景觀界面在進行退耕還草過程中采用“草田間作”措施,采用12—18 m(農田退耕)草地,12—18 m農田(半幅界面寬度)條狀間作,可達到利用草地和農田土壤的溫度和含水量進行優勢互補的目的。

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Seasonal variation of the edge influence of soil temperature on cultivated grassland-cropland boundaries in Karst areas of Guizhou Province

CollegeofAnimalScience,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China

The landscape boundary is a transition zone between two or more adjacent ecosystems, or an interface that exists between an organism and abiotic environment; it is also extremely sensitive to climate change and human interference, and plays an essential role in the structure, processes, and functions of ecosystems. Soil temperature affects vegetation growth, and plays an important role in environmental microclimates and plant production, and affects various chemical reactions of soil organic matter and nitrogen accumulation; therefore, it affects plant growth, seed germination, and crop output. Cultivated grassland-cropland boundaries (Maiping County, Guiyang) in Karst areas of Guizhou Province were analyzed, and the surface soil temperature (0—20 cm) of the interface was monitored seasonally. Moving-split window technology (MSWT) was used to compute the variables in adjacent samples along transect data, which was a simple and reliable method for determining the boundary, and MSWT could be used for any type of variable reaction. The width of the cultivated grassland-cropland boundary was determined based on soil temperature by combining the field measurement, indoor statistics, and MSWT in this study. The soil temperature of three functional areas in the study area was compared and analyzed. The results showed that the average annual soil temperature of the cultivated grassland-cropland boundary in Guizhou was 9.8, 26.5, 15.4, and 4.8℃ for spring, summer, autumn, and winter, respectively. The width variation of the soil temperature boundary in cultivated grassland-cropland varied with seasonal shifts and soil temperature, from wide to narrow: 37, 32, 27, and 24 m in spring, summer, autumn, and winter, respectively. This also indicated that the soil temperature-interface width in cultivated grassland systems varied consistently with the total width of the cultivated grassland-cropland boundary, which was categorized as a gradual changing boundary type. The average soil temperature of the cropland functional area, cultivated grassland-cropland compound functional area, and the grassland functional area was 14.0, 14.1, and 13.9℃, respectively, and the soil temperature of the three functional areas was significantly different in spring, summer, and winter; and the soil temperature in the grassland functional area system and cultivated grassland-cropland compound functional area were not significantly different in autumn, and the soil temperature in the farmland functional area system and cultivated grassland-cropland compound functional area were significantly different to the grassland functional area system. Based on these results, regarding the policy of “returning cropland to grassland”, an optimal width of 12—18 m could be set for grassland-cropland intercropping in the studied area, and this study provides reference values for the sustainable development of southern grassland animal husbandry, and theoretical references and practical measures for enriching the boundary theory and the project of “returning cropland to grassland”.

soil temperature; boundary width; cultivated grassland-cropland boundary; seasonal variation

國家自然科學基金項目(31560670，31101751)；貴州省科技廳項目(黔科合NY字[2012]3011號)

2016- 04- 20; 網絡出版日期:2017- 02- 22

10.5846/stxb201604200744

*通訊作者Corresponding author.E-mail: gzgyxgc3855218@163.com