古爾班通古特沙漠東南部不同類型沙丘土壤水分與地形-植被因子關系

孫琰蕙, 張定海, 吳賢忠, 張艷靈

(1.甘肅農業大學 理學院數量生物研究所, 蘭州 730070; 2.蘭州城市學院 城市環境學院, 蘭州 730070)

沙漠生態系統是干旱、半干旱生態系統的主要類型[1],其在維持干旱半干旱生態系統穩定性和提高生態系統服務功能方面具有重要作用[2]。土壤水分是沙漠生態系統植被格局和過程的驅動力,控制著植物的生長、植被演替和景觀分布等主要過程。研究土壤水分在沙漠生態系統中的分布特征和影響因素有助于在沙區水文過程和生態過程之間建立定量聯系[3]。然而,受氣候、地形和植被分布等生物和非生物因素的影響,土壤水分的分布特征和影響因素非常復雜。已有的研究表明,地形和植被是立地尺度上影響土壤水分的主要因素,地形是氣候、植被等影響因子的主要載體[4],植被是土壤水分在沙漠生態系統中的集中體現。因此,全面分析不同沙區土壤水分的分布特征及其與地形—植被因子的關系,是深入掌握沙區土壤水分分布特征的前提,也是未來在不同區域開展防風固沙工程和沙區植被建設與管理的保障。

土壤水分的空間異質性及其影響因素已在空間和時間上得到廣泛研究[5]。目前,針對地形—植被因子對沙區生態系統土壤水分的影響研究,主要是基于地理信息系統(GIS)和地統計學原理等方法對區域土壤水分狀況進行全面的評估。Qiu等[6]確定了半干旱溝壑流域土壤水分(0—75 cm)的空間變異性,發現土壤水分的分布可分為3種類型:減少型、波動型和增加型。Yang等[7]還描述了淺層和深層土壤水分的空間變化,研究表明坡位和坡向對深層土壤水分影響較淺層土壤水分的更大。Jia等[8]調查了中國西北地區土壤水分的空間格局及其時間穩定性,發現土壤水分在4種植被類型下呈現出不同的趨勢。然而,在立地尺度上有關不同類型沙丘以及沙丘不同微地貌類型上地形—植被因子對土壤水分影響的研究較少。本研究采用樣帶—網格數據,對古爾班通古特沙漠3種不同類型沙丘(固定、半固定和流動沙丘)4種微地貌類型上(迎風坡、背風坡、丘頂和丘底)不同深度(表層0—40 cm、中層40—200 cm和深層200—300 cm)的土壤水分特征和地形—植被因子對土壤水分的影響進行研究,以期在立地尺度下探討地形—植被因子對土壤水分的影響規律。

1 研究區概況

研究區位于古爾班通古特沙漠東南部地區,介于44°11′—46°20′N,84°31′—90°00′E,海拔1 200～1 400 m,占地面積約4 880 km2[9]。該地區年平均氣溫5～5.7℃,極端最高氣溫 40℃以上,極端最低氣溫小于-40℃,年均降雨量小于150 mm,年均蒸發量大于1 950 mm,固定和半固定沙丘占整個沙漠面積的96%[10]。總植被蓋度在 15%～50%,植被主要由灌木和半灌木、小半喬木和各種草本植物組成。優勢灌木和半灌木主要由梭梭 (Haloxylonammodendron) 、白梭梭(Haloxylonpersicum) 、沙拐棗(Calligonummongolicum)、蛇麻黃(Ephedradistachya)以及沙蒿 (Artemisiadesertorum)等組成[11]。

2 材料與方法

2.1 試驗設計

對古爾班通古特沙漠東南部不同類型沙丘和固沙植被全面考察后選定了3塊調查樣地(圖1),固定沙丘樣地位于沙漠南緣北沙窩附近( 44°22′24″N,87°55′12″E),深入沙漠約 5 km,樣地大小為40 m×140 m;半固定沙丘樣地位于沙漠南部腹地額爾齊斯河流域沙漠管理處附近( 44°33′34″N,88°16′35″E),深入沙漠腹地約100 km,樣地大小為180 m;流動沙丘樣地位于沙漠南部彩南油田附近( 44°56′49″N,88°32′28″E),深入沙漠腹地 300 km,樣地大小為40 m×140 m。

注：1～37表示列;A—J表示行。

將3塊樣地均劃分成4 m×4 m的小樣方,為了涵蓋不同類型沙丘的4種微地貌類型,3塊樣地大小不同。其中,流動及固定沙丘樣地劃分為10行(A-J)37列(1～37)共370個小樣方,半固定沙丘劃分為10行45列共450個小樣方。選擇樣地中的3行(C,E和I行)中的樣方作為土壤水分采樣點,在沙丘微地形起伏較大的地方加密采樣,每個樣地共計71個水分采樣點。利用土鉆法測量0—300 cm的重量含水量,土壤水分共分為18層,分別為:0—5,5—15,15—25,25—35,35—50,50 cm以下每隔20 cm采樣1次。選擇其中的1行(E行),利用50×50 cm的草本樣方調查了E行中每個小樣方(4 m×4 m)中的草本蓋度、草本多度、凋落物。同時,利用標記牌標記樣地內每株灌木,測定了其株高和冠幅(東西和南北方向)以及所在樣方的灌木蓋度和多度。進一步,利用實時動態定位的測量方法(RTK)對樣地中每株灌木和每個樣方的4個頂點進行定位測量,得到其經緯度和海拔[12]。利用樣方定位點的數據,計算每個小樣方對應的地形因子,主要包括坡度、坡向和高差。

2.2 數據分析

2.2.1 土壤水分的劃分 以往的研究表明,研究區草本植物主要利用0—40 cm的土壤水分,固沙灌木80%的根系分布在40—200 cm的土層深度范圍內,10%左右的固沙灌木根系分布在200—300 cm的土層范圍內[13]。因此,本研究將3個樣地中的土壤水分均劃分為3層,即表層0—40 cm、中層40—200 cm和深層200—300 cm。

2.2.2 地形-植被因子的選取 地形因子是氣候和植被等影響因子的載體,同時也是影響土壤水分空間變異的主要因子。在立地尺度上,土壤水分空間格局受到多種因素的綜合影響,土壤水分與坡度、坡向和海拔等單一地形因子之間的關系呈現復雜多樣的格局[14]。本研究中的地形因子主要涉及土壤水分采樣點所在樣方的坡度、坡向和高差,其計算方法依據數字高程模型計算[15]。同時,在立地尺度上,不考慮降水、地表徑流和土壤理化性質等因素對土壤水分影響的前提下,物種的組成和結構是影響土壤水分的重要因素。因此,本研究將植被因子分為灌木和草本因子兩類。其中,灌木主要包括灌木的蓋度、多度和生物量,草本主要包括草本的蓋度、多度和凋落物。

2.2.3 冗余分析 冗余分析(redundancy analysis, RDA)是一種主成分分析與回歸分析結合的排序方法,也是多變量回歸分析的拓展[16]。從概念上講,RDA是解釋變量矩陣與響應變量矩陣之間多元多重線性回歸的擬合值矩陣的主成分分析[17],其目的是尋找能最大程度解釋響應變量矩陣變差的一系列的解釋變量的線性組合。

3 結果與分析

3.1 土壤水分隨深度的變化

從整體上來看(圖2),3種不同類型沙丘上土壤水分的大小順序為:固定沙丘>半固定沙丘>流動沙丘,土壤水分的波動程度在表層(0—40 cm)最大,隨著深度的增加其的波動程度逐漸減小。同時,3種不同類型沙丘上土壤水分均在180 cm附近達到最大,固定、半固定和流動沙丘上土壤水分分別在140,80,120 cm后波動程度逐漸減小。

圖2 不同類型沙丘土壤水分隨深度變化

3.2 不同類型沙丘不同深度土壤水分的分布

為了確定不同類型沙丘不同深度土壤水分的分布規律,利用單因素方差分析和多重比較對其顯著性進行了分析。由圖3可見,不同類型沙丘表層、中層和深層土壤水分大部分為相對集中的單峰分布且兩兩之間有顯著的差異,固定和半固定沙丘上不同深度的土壤水分均呈現兩頭小的單峰分布,流動沙丘上不同深度的土壤水分呈現一頭小一頭大的單峰分布。這說明固定和半固定沙丘上土壤水分出現極高和極低的概率較大,土壤水分的分布差異大。流動沙丘上土壤水分出現較低的概率較小,土壤水分的分布相對較為穩定。

注：不同小寫字母表示不同深度土壤水分差異顯著。

3.3 不同類型沙丘4種微地貌類型上不同深度土壤水分的分布

圖4—6為3種不同類型沙丘4種微地貌類型上不同深度土壤水分的分布,由圖4可以看出,固定沙丘背風坡、丘底和迎風坡3種微地貌類型上不同深度的土壤水分分布大致呈相對比較集中的單峰分布,其上土壤水分出現極高和極低的概率較小。丘頂不同深度土壤水分大致呈比較分散的單峰分布,其上土壤水分分布極不均勻,土壤水分出現極高和極低的概率較大。進一步,對表層土壤水分而言,4種微地貌類型上土壤水分的大小順序為:丘底(1.5±0.24)>背風坡(1.35±0.21)>迎風坡(1.1±0.2)>丘頂(1.07±0.4),丘底與背風坡之間無顯著差異,但與迎風坡/丘頂之間有顯著差異。對中層土壤水分而言,4種微地貌類型上土壤水分的大小順序為:丘底(2.24±0.27)>丘頂(1.61±0.78)>背風坡(1.59±0.21)>迎風坡(1.5±0.15),丘底與丘頂、背風坡和迎風坡之間有顯著差異。對深層土壤水分而言,4種微地貌類型上土壤水分的大小順序為:丘底(2.43±0.34)>迎風坡(1.99±0.13)>背風坡(1.73±0.18)>丘頂(1.56±0.55),丘底與丘頂、背風坡和迎風坡之間有顯著差異。

注：不同小寫字母表示不同微地貌類型土壤水分差異顯著。

圖5為半固定沙丘4種微地貌類型上不同深度土壤水分的分布,由圖5可以看出,半固定沙丘迎風坡不同深度的土壤水分呈相對比較集中的單峰分布,迎風坡表層土壤水分呈現兩頭小的單峰分布,中層和深層土壤水分呈現一頭小一頭大的單峰分布。這說明迎風坡表層土壤水分出現極高和極低的概率較大,土壤水分的分布差異大;中層和深層土壤水分出現較低的概率較小,土壤水分的分布相對較為穩定。進一步,對表層土壤水分而言,4種微地貌類型上土壤水分的大小順序為:丘頂(1.21±0.46)>背風坡(1.13±0.15)>丘底(1.09±0.13)>迎風坡(0.85±0.08)。對中層土壤水分而言,4種微地貌類型上土壤水分的大小順序為:丘底(1.06±0.14)>背風坡(0.94±0.14)>迎風坡(0.89±0.07)>丘頂(0.70±0.17)。對深層土壤水分而言,4種微地貌類型上土壤水分的大小順序為:背風坡(1.04±0.20)>丘底(1.03±0.14)>迎風坡(0.98±0.99)>丘頂(0.83±0.38)。半固定沙丘4種微地貌類型上不同深度土壤水分無顯著差異。

注：不同小寫字母表示不同微地貌類型土壤水分差異顯著。

圖6為流動沙丘4種微地貌類型上不同深度土壤水分的分布,由圖6可以看出,流動沙丘背風坡、丘底和迎風坡3種微地貌類型上不同深度的土壤水分分布大致呈相對比較集中的一頭小一頭大的單峰分布,其上土壤水分出現較低的概率較小,土壤水分的分布相對較為穩定。進一步,對表層土壤水分而言,4種微地貌類型上土壤水分的大小順序為:丘頂(0.94±1.60)>迎風坡(0.61±0.12)>丘底(0.50±0.18)>背風坡(0.24±0.06),丘頂與背風坡、丘底和迎風坡之間有顯著差異。對中層土壤水分而言,4種微地貌類型上土壤水分的大小順序為:丘頂(1.34±1.62)>迎風坡(0.95±0.17)>背風坡(0.84±0.19)>丘底(0.75±0.31)。對深層土壤水分而言,4種微地貌類型上土壤水分的大小順序為:迎風坡(0.99±0.2)>背風坡(0.82±0.19)>丘頂(0.75±1.5)>丘底(0.62±0.22)。流動沙丘4種微地貌類型上中層、深層土壤水分無顯著差異。

注：不同小寫字母表示不同微地貌類型土壤水分差異顯著。

3.4 土壤水分與地形-植被因子RDA分析

對研究樣地土壤水分(被解釋變量)和地形—植被因子(解釋變量)進行RDA分析。RDA排序圖詳細描述了不同深度土壤水分與地形—植被因子之間的關系。結果表明:對固定沙丘而言,第1,第2排序軸特征值分別為0.46,0.06;第1,第2排序軸之間的相關系數分別為0.62(>0.5),0.56(>0.5)。由此可知,固定沙丘上不同深度的土壤水分與地形—植被因子的RDA排序結果是可信的。排序軸與因子之間的線性結合程度較好地反映了土壤水分和地形—植被因子之間的相關關系,前2個排序軸累計解釋70.27%的土壤水變化信息。對半固定沙丘而言,第1,第2排序軸特征值分別為0.49,0.04;第1,第2排序軸之間的相關系數分別為0.71(>0.5)和0.68(>0.5)。由此可知,半固定沙丘上不同深度的土壤水分與地形—植被因子的RDA排序結果是可信的。排序軸與因子之間的線性結合程度較好地反映了土壤水分和地形—植被因子之間的相關關系。前2個排序軸累計解釋71.93%的土壤水變化信息。對流動沙丘而言,第1,第2排序軸特征值分別為0.40,0.05,第1,第2排序軸之間的相關系數分別為0.54(>0.5),0.52(>0.5)。由此可知,流動沙丘上不同深度土壤水分和地形—植被因子的RDA排序結果是可信的。排序軸與地形—植被因子之間的線性相關程度較好地反映了土壤水分和地形—植被變量之間的關系;前2個排序軸累計解釋66.11%的土壤水變化信息。

圖7為3種類型沙丘上土壤水分與地形—植被因子的RDA排序結果,地形—植被因子的長度表示其對土壤水分的影響程度的大小。土壤水分與地形—植被因子之間夾角的大小表示它們之間相關性的大小,夾角越小,其相關性越高[18]。

注：**表示在p<0.05水平上該變量對土壤水分含量有顯著影響,實心箭頭表示自變量,空心箭頭表示因變量。

從圖7A可見,固定沙丘上對土壤水分影響顯著的地形—植被因子有高差、灌木多度。對表層土壤水分而言,草本蓋度、草本多度對其有正相關關系,凋落物、高差、灌木蓋度、灌木多度、坡度對其有負相關關系;對中層土壤水分而言,生物量、坡向、草本多度、草本蓋度對其有正相關關系,坡度、灌木多度、灌木蓋度、高差、凋落物對其有負相關關系;對深層土壤水分而言,生物量、坡向對其有正相關關系,坡度、灌木多度、灌木蓋度、高差、凋落物對其有負相關關系。

從圖7B可見,半固定沙丘上對土壤水分影響顯著的地形—植被因子有坡度、坡向、灌木蓋度。對表層土壤水分而言,草本多度、凋落物、草本蓋度對其有正相關關系,高差、生物量、坡度、灌木蓋度、灌木多度、坡向對其有負相關關系;對中層土壤水分而言,坡向、灌木多度、凋落物、草本多度對其有正相關關系,灌木蓋度、坡度、生物量、高差、草本蓋度對其有負相關關系;對深層土壤水分而言,凋落物、灌木多度、草本多度對其有正相關關系,灌木蓋度、坡度、生物量、高差對其有負相關關系。

從圖7C可見,流動沙丘上對土壤水分影響顯著的地形—植被因子有坡向。對表層土壤水分而言,草本多度、灌木蓋度對其有正相關關系,草本蓋度、高差、坡度、凋落物、生物量對其有負相關關系;對中層土壤水分而言,灌木多度、草本蓋度、高差、坡度對其有正相關關系,生物量、凋落物、灌木蓋度、坡向、草本多度對其有負相關關系;對深層土壤水分而言,灌木多度、草本蓋度、高差、坡度、生物量、凋落物對其有正相關關系,灌木蓋度、坡向、草本多度對其有負相關關系。

4 討 論

4.1 不同深度土壤水分的變化特征

古爾班通古特沙漠3種不同類型沙丘上土壤水分的波動程度在表層0—40 cm最大,隨著深度的增加土壤水分的波動程度逐漸減小,(半)固定沙丘上土壤水分的波動程度顯著高于流動沙丘。這一結論與趙從舉等[19]的研究結論一致,主要原因是由于古爾班通古特沙漠雖然大部分沙丘處于固定和半固定狀態,但其的穩定性很差。因土壤發育微弱,在剖面1 cm以下砂物質處于松散狀態,有利于降水入滲,使得其波動程度較大[20]。中層和深層土壤水分主要受降水強度、固沙植物根系的分布和根系對水分的利用等因素影響,與地表的蒸發聯系較弱,波動程度較小。

研究區不同類型沙丘上的土壤水分固定沙丘>半固定沙丘>流動沙丘。一方面是由于冬季古爾班通古特沙漠存在一定量的降水,并在地表形成了穩定的積雪。春季到來以后,積雪融化,部分的水分補給給砂土層,且形成懸濕沙層,其厚度可達50—60 cm。固定沙丘相對于半固定和流動沙丘植被蓋度較大、土壤細顆粒含量高、土壤質地緊密并有一定蓋度的生物土壤結皮發育,使得表層土壤的阻水能力增加,減少了土壤水的蒸發[21]。因此,研究區不同類型沙丘上的土壤水分固定沙丘>半固定沙丘>流動沙丘。

4.2 不同類型沙丘不同微地貌類型土壤水分的分布特征

土壤水分在沙丘不同微地貌類型上的分布規律不同。本研究表明,所有類型沙丘不同深度的土壤水分有顯著的差異,這一結論與金可等[22]對古爾班通古特沙漠水文研究結論相一致。造成這種現象的原因是土壤水分對降水入滲補給的直接效應與沙丘不同微地貌類型表層土壤水分的差異與其的滲透性和下墊面差異有關,而土壤水分對降水入滲補給再分配的間接效應與沙丘不同微地貌類型中層、深層土壤水分差異與沿地形坡度方向的匯流和壤中流有關。本研究也表明,固定沙丘上丘底與背風坡之間無顯著差異,但與迎風坡/丘頂之間有顯著差異;所有類型沙丘上丘底土壤水分最高,丘頂最低,且背風坡、丘底和迎風坡3種微地貌類型上不同深度的土壤水分分布大致呈相對比較集中的單峰分布,其上土壤水分出現極高和極低的概率較小。這與植被分布的不同與局部地形的差異有關。白梭梭和梭梭種群是古爾班通古特沙漠固定沙丘的主要植物種群。沙漠坡底處和荒漠灌木—梭梭根區土壤水分高。降雨轉化為土壤水分形成空間差異是梭梭樹干徑流在根部的匯聚作用、坡面匯流和壤中流、沙丘不同微地貌類型滲透性不同的主要原因,且沙漠土壤質地較粗,不同微地貌類型土壤水分差異明顯,細沙與極細沙含量最高的是迎風坡,壟間地和背風坡黏土和粉砂多,壟頂則主要以中沙、粗沙和極細沙為主。風沙土粒度分布受沙丘地形影響顯著,土壤粒徑由小到大的順序依次為壟間地、迎風坡、背風坡和壟頂。因此,固定沙丘丘底土壤水分最高。對所有類型沙丘而言,丘頂土壤水分和其波動程度均高于丘底,在今后植物固沙和生態恢復過程中,首先應當在丘頂的合理位置設置沙障,防止沙埋、沙蝕等風沙危害。其次,若采用草方格進行固沙,丘頂處扎設的草方格和栽植的固沙植物的密度可較背風坡和丘頂處的更加密集一些,這樣可以進一步提高生態恢復的速率。

4.3 土壤水分與地形-植被因子之間的關系

沙丘地表的植被類型和覆蓋度差異是影響沙區土壤水分的重要因素。本研究表明流動沙丘不同深度的土壤水分受地形—植被因子的影響較半固定沙丘和固定沙丘弱。影響固定沙丘上土壤水分的地形—植被因子主要有高差和灌木多度;影響半固定沙丘上土壤水分的地形—植被因子主要有坡度、坡向和灌木蓋度;影響流動沙丘上土壤水分的地形—植被因子主要有坡向。大部分地形—植被因子與半固定和流動沙丘上不同深度的土壤水分均有負相關關系。這一結論與周宏飛等[23]對于沙坡頭人工固沙植被土壤水分空間異質性的研究結論基本一致。這是因為流動沙丘植被較固定和半固定沙丘稀疏,沙區風沙活動對流動沙丘的影響較強。因此,影響流動沙丘上土壤水分的地形—植被因子主要為坡向。

本文研究也表明,固定沙丘表層土壤水分主要受草本蓋度、草本多度的影響,而深層土壤水分主要受坡向、生物量的影響。這一結論與馬風云等[24]對于沙坡頭人工固沙植被土壤水分空間異質性的研究結論基本一致。這是因為根系淺的草本植物主要對表層附近土壤水分影響大,而根系較深的灌木對深層土壤水分影響大。固定沙丘上對土壤水分影響顯著的地形—植被因子主要有高差和灌木多度。因此,固定沙丘上固沙灌木的數量應維持在一定的生態水文閾值內,這樣才能保持其生態系統的健康[25]。同時,草本植物的蓋度和多度對固定沙丘上表層、中層的土壤水分均有正向關系。因此,在固沙植被生態系統的保護過程中,應該加強草本植物的保護,防止放牧等不適宜的人類活動對生態系統的破壞。對研究區的(半)固定沙丘而言,大部分地形—植被因子對土壤水分均有負向相關關系。因此,如果(半)固定沙丘對人類正常的生產活動有較大的影響,應該采取科學合理的固沙措施促使其固化。如果半固定和流動沙丘沒有影響生產活動,可以保護其原有的地貌類型,這也間接上保護了沙漠中的水分,有利于沙區水循環的科學管理。

5 結 論

(1) 所有類型沙丘上0—300 cm的土壤水分的波動程度隨深度的增加逐漸減小,表層土壤水分的波動程度大于中層和深層,同時,所有類型沙丘上土壤水分均在180 cm附近達到最大。

(2) 所有類型沙丘不同深度的土壤水分有顯著的差異,且背風坡、丘底和迎風坡3種微地貌類型上不同深度的土壤水分分布大致呈相對比較集中的單峰分布,其上土壤水分出現極高和極低的概率較小。固定沙丘丘底土壤水分最高,丘頂最低,具體而言,4種微地貌類型下,固定沙丘表層土壤水分的順序為:丘底(1.5±0.24)>背風坡(1.35±0.21)>迎風坡(1.1±0.2)>丘頂(1.07±0.42);中層土壤水分的順序為:丘底(2.24±0.27)>丘頂(1.61±0.78)>背風坡(1.59±0.21)>迎風坡(1.5±0.15);深層土壤水分的順序為:丘底(2.43±0.34)>迎風坡(1.99±0.13)>背風坡(1.73±0.18)>丘頂(1.56±0.55)。

(3) 地形—植被因子對研究區絕大多數(半)固定沙丘的土壤水分呈負相關關系,對(半)固定沙丘不同深度土壤水分影響較流動沙丘更為明顯,地形植被因子可以解釋(半)固定沙丘土壤水分71.93%,70.27%的信息。影響固定沙丘土壤水分的主要地形—植被因子有高差、灌木多度,影響半固定沙丘土壤水分的主要地形—植被因子有坡度、坡向、灌木蓋度,影響流動沙丘土壤水分的主要地形—植被因子有坡向。

研究結果對研究區固沙植被生態系統的保護利用和建立科學合理的防風固沙措施提供了科學的依據,對未來該地區固沙植被的建立具有一定的指導意義。建議在防止固定沙丘活化的基礎上,綜合考慮沙丘類型、沙丘不同微地貌類型土壤水分的差異以及土壤水分與地形—植被因子的關系因地制宜地開展固沙植被建設。同時結合不同類型沙丘上不同微地貌類型的生態水文過程進一步探索科學合理的固沙模式。