王家強，韓 路,2，柳維揚，彭 杰，牛建龍，王曉文

(1.塔里木大學(xué) 植物科學(xué)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300; 2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團 塔里木盆地物資源保護與利用重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300)

塔里木盆地荒漠-綠洲過渡帶是荒漠綠洲生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對維持綠洲的穩(wěn)定起到關(guān)鍵作用[1]，而過渡帶土壤水分含量與植被特征之間的相互關(guān)系是研究荒漠-綠洲過渡帶植被空間格局的重要科學(xué)問題[2-4]，主要原因在于土壤水分在干旱地區(qū)荒漠生態(tài)系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位[5]，土壤水分含量的高低決定了過渡帶的植被種類及群落構(gòu)成，因此，掌握植被特征隨土壤水分的變化規(guī)律，能為干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)的理論依據(jù)。

在干旱區(qū)，由于土壤水分是生態(tài)結(jié)構(gòu)組成的限制因子，土壤水分的多少決定了植被群落的構(gòu)成，而植被群落又影響生態(tài)系統(tǒng)的平衡，因此，土壤水分對植被空間格局有非常重要的作用，從而對生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定產(chǎn)生影響[6]。近年來國家對生態(tài)環(huán)境建設(shè)日益關(guān)注，生態(tài)環(huán)境因子變化規(guī)律的研究也日益增多[7-9]。有研究表明，土壤水分-植被關(guān)系是干旱地區(qū)生態(tài)恢復(fù)與重建科學(xué)問題的核心[10-12]，淺層地下水和氣態(tài)水只有轉(zhuǎn)化為土壤水分時，才能被植物吸收利用[13]，故土壤水分含量是干旱半干旱區(qū)植被空間格局和系統(tǒng)過程的主要驅(qū)動力[14]，土壤水文過程控制著植物的生長、植被的演替和景觀的分異等主要的生態(tài)過程[15]；土壤水文過程的改變也驅(qū)動了人工植被的演替，植被在組成、結(jié)構(gòu)和空間分布格局等方面的變化也是對水分過程的長期適應(yīng)結(jié)果[16]；因此，干旱區(qū)土壤水分與植被空間格局的關(guān)系是什么樣的，在一定的土壤濕度條件下發(fā)育什么樣的植被特征，以及影響植被特征的是哪個層次的土壤水分，回答這些問題是干旱區(qū)生態(tài)修復(fù)與重建的基礎(chǔ)和重要的實踐前提。

本研究選擇典型的干旱區(qū)塔里木河中游流域作為樣區(qū)，定點采集土壤樣品，并調(diào)查植被特征，分析了干旱區(qū)荒漠綠洲過渡帶土壤水分與植被空間格局的關(guān)系，為進一步了解土壤水分與植被的相互作用過程，并為干旱區(qū)生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)的理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆維吾爾自治區(qū)輪臺縣輪南鎮(zhèn)公益林保護區(qū)位于塔里木盆地北緣，為了避免地形起伏對植被指數(shù)的影響[11]，選擇了位于84°11′-84°15′30″E，41°8′20″-41°10′10″N之間，面積89.9 km2，平均海拔917 m左右的平原區(qū)域；研究區(qū)屬于溫帶大陸性干旱沙漠氣候，四季分明，年平均氣溫10.9℃，晝夜溫差較大，年平均日較差14.6℃，≥10℃的積溫4 125.3℃，降水稀少，年平均降水量僅65.5 mm左右，蒸發(fā)量則高達2 024 mm左右，無霜期180～224 d，平原區(qū)的綠洲主要依靠山區(qū)融水灌溉；土壤類型主要為林灌草甸土，其次是風(fēng)沙土；主要植物種類為：胡楊(Populuseuphratica)、灰葉胡楊(Populusprninosa)、檉柳(Tamarixchinensis)、鈴鐺刺(Halimodendronhalodendron)、黑果枸杞(Lyciumruthenicum)、甘草(Glycyrrhizauralensis)、蘆葦(Phragmitescommunis)等。

1.2 土壤樣品采集

于2014年8月植物生長旺盛時期，在研究區(qū)設(shè)置2條4.8 km長的平行樣線，樣線間相隔0.6 km，每條樣線上，隔0.24 km設(shè)置一個30 m×30 m的樣方，共43樣方。在樣方內(nèi)隨機選取5個點，分0～20、20～40、40～60、60～80 cm和80～100 cm 5個層次，按梅花狀采樣法，采集土壤樣品，將同一層次的5個土樣混合。

1.3 植被調(diào)查

在30 m×30 m的樣方里，調(diào)查植被密度、植被群落物種數(shù)，胡楊、灰葉胡楊的數(shù)量、幼苗數(shù)量、郁閉度、灌木數(shù)量、灌木密度；同時設(shè)置1 m×1 m的植被樣方調(diào)查草本密度。

1.4 土壤水分測定

土壤含水量采用烘干法測定[17]。

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

1.5.1 地統(tǒng)計學(xué)數(shù)據(jù)分析方法 半方差函數(shù)是用來描述區(qū)域化變量結(jié)構(gòu)性和隨機性并存這一空間特征而提出的,其中塊金系數(shù)、基臺值、變程作為半方差函數(shù)的重要參數(shù),用來表示區(qū)域化變量在一定尺度上的空間變異和相關(guān)程度[18]；假設(shè)隨機函數(shù)均值穩(wěn)定,方差存在且有限，該值僅與間距h有關(guān),則半方差函數(shù)γ(h)可定義為隨機函數(shù)Z(x)增量方差的一半[19]:

(1)

式中，r(h)為半方差函數(shù)；h為分隔2樣點的矢量，稱為步長；N(h)是間距為h的樣本對的數(shù)目；Z(xi)和Z(Xi+h)分別為區(qū)域變量Z(x)在位置xi和xi+h處的測定值。

1.5.2 變異系數(shù)的計算方法 土壤特性與植被特征參數(shù)的空間變異性程度可以用變異系數(shù)CV來表示。

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分與植被特征空間變異性分析

研究區(qū)土壤水分0.16%～39.74%，土壤水分含量隨土層深度的增加有增高的趨勢，0～100 cm土層土壤水分的數(shù)據(jù)均具有較好的中心趨向分布，即中間高兩邊低的趨勢；獨立樣本K-S檢驗顯示,5組土壤含水量數(shù)據(jù)都符合正態(tài)分布。根據(jù)變異系數(shù)對土壤含水量的變異性進行歸類，得出五層土壤水分的空間變異性均屬于中等變異性。

表1 土壤水分與植被特征描述性統(tǒng)計

由表1可以看出，胡楊幼苗個數(shù)、植被密度、灌木個數(shù)、灌木密度、草本密度的峰度值和偏度值均>1，表現(xiàn)出左偏的現(xiàn)象，其樣本在一定程度上可能偏離了正態(tài)分布。由于變異系數(shù)的計算要求樣本數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，否則有可能存在比例效應(yīng)[21-22]。因此，采用單個樣本的K-S檢驗做正態(tài)分布檢驗[23]，結(jié)果顯示樣本的相伴概率P分別為0.00、0.11、0.01、0.00、0.04,可以認為植被密度樣本服從正態(tài)分布，其余4組樣本均偏離了正態(tài)分布。故將胡楊幼苗個數(shù)、灌木個數(shù)、灌木密度、草本密度的樣本做對數(shù)變換后，進行單個樣本的K-S檢驗，結(jié)果相伴概率P分別為0.08、0.20、1.36、0.51,表明經(jīng)過對數(shù)變換后，4組樣本均服從正態(tài)分布。

根據(jù)變異系數(shù)對植被特征的變異性進行歸類，得出胡楊個數(shù)、郁閉度、幼苗個數(shù)、植被群落物種數(shù)和灌木個數(shù)屬于中等變異性，而植被密度、灌木密度和草本密度屬于強變異性。因此，表明土壤水分對植被特征的影響較大，尤其是對植被密度、灌木密度和草本密度的影響更為敏感。

2.2 土壤水分與植被特征空間變異分析

進行半方差函數(shù)分析時，通常認為塊金值代表隨機變異量，基臺值代表變量空間變異的結(jié)構(gòu)性方差[24]。由表2可知，土壤含水量和植被特征的塊金值均>零，表明土壤及植被樣本存在采樣誤差、短距離變異、隨機和固有變異引起的正基底效應(yīng)[25]。在荒漠綠洲過渡帶上以20 cm為1層，將0～100 cm土層劃分為5層，各層土壤含水量存在高度的異質(zhì)性，且隨著距河岸距離的增加而增大，塊金值(C0)3.2～53.6，基臺值(C0+C)77～205。C.A.Cambardella等[26]運用參數(shù)比值的大小判定系統(tǒng)內(nèi)變量的空間相關(guān)性程度，指出當(dāng)C/(C0+C)比值<25%時，為弱空間相關(guān)性,比值25%～75%為中等空間相關(guān)性,>75%時，為強空間相關(guān)性。本研究表明，荒漠河岸林土壤含水量20～40 cm、草本密度及植被密度的結(jié)構(gòu)方差比C/(C0+C)處于25%～75% (表2)，說明過渡帶20～40 cm土壤濕度、草本密度及植被密度在研究區(qū)尺度上具有中等空間自相關(guān)，而其余指標0～20、40～60、60～80、80～100 cm土壤濕度、灌木個數(shù)、灌木密度、幼苗個數(shù)、胡楊個數(shù)、郁閉度和植被群落物種數(shù)的結(jié)構(gòu)方差比C/(C0+C)均>75%。在研究區(qū)尺度上表現(xiàn)出強空間自相關(guān)；說明土壤水分和植被特征的空間變異性主要是結(jié)構(gòu)性因素作用的結(jié)果。

圖1 土壤水分頻數(shù)分布和正態(tài)曲線

指標土壤層次/cm理論模型塊金值變程基臺值塊金值/基臺值決定系數(shù)殘差土壤含水量/%0～20指數(shù)模型42.3012330.00179.800.770.317639.0020～40指數(shù)模型53.6012330.00205.300.740.2512324.0040～60指數(shù)模型9.40297.00107.300.910.0524810.0060～80指數(shù)模型3.20159.0077.000.960.025549.0080～100指數(shù)模型4.50261.0086.800.950.163422.00草本密度(對數(shù))高斯模型0.321300.770.680.520.430.31灌木個數(shù)(對數(shù))球狀模型0.10289.000.610.840.140.36灌木密度(對數(shù))指數(shù)模型0.442659.001.520.710.411.52胡楊幼苗個數(shù)(對數(shù))指數(shù)模型0.11234.000.500.770.050.17胡楊個數(shù)/個指數(shù)模型365.00588.00969.000.620.111121401.00郁閉度/%指數(shù)模型0.0001249.000.041.000.0781.38E-3植被密度/(株·m-2)球狀模型175.71177.0409.900.570.4296785.00植被群落物種數(shù)/種球狀模型4.251129.0021.540.800.51359.00

結(jié)構(gòu)性因素包括土壤、植被等屬性特征自然形成過程中的最直接因素[27]。土壤含水量和植被特征在空間自相關(guān)性方面存在差異，因此，在一定程度上反映了不同層次土壤含水量和植被特征空間變異性的差異。由圖3、圖4可以看出，40～100 cm土層土壤含水量的變程要遠遠小于0～10、10～20 cm的土層，說明在40～100 cm土層的變程上，由于其自然因素如大氣降水、土壤質(zhì)地、植被密度、枯枝落葉覆蓋、植被類型等的影響，其空間變異性也隨土壤深度的增加而變小，且趨于一致；相反，由于土壤水分含量的變化，又會影響地面上生長的植被，造成植被特征的差異；從而使荒漠河岸林土壤上的植被特征基本表現(xiàn)為很強的空間自相關(guān)性。

圖2 土壤水分頻數(shù)分布和正態(tài)曲線

圖3 土壤水分半方差

圖4 植被特征半方差

由圖5可知，土壤水分和植被特征均具有明顯的空間分布格局即呈M型分布。沿樣線的走向，即東西方向，各層土壤含水量均呈先升高后降低的趨勢，而且隨著土層深度的增加，土壤水分的變化趨于平緩。其中0～20 cm土壤水分含量變化相對其他層次比較劇烈，圖斑較為破碎，中間有較密的升降變化；20～40 cm和40～60 cm土壤水分的變化過程相對0～20 cm土層來說相對緩和一些；中間的升降變化較少，而60～80 cm和80～100 cm土層更為平緩，表現(xiàn)為一種漸變類型。胡楊個數(shù)、郁閉度、灌木個數(shù)、灌木密度、草本密度、植被密度、植被蓋度、植物群落物種數(shù)均明顯的空間變異性，也呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，這種變化也有突變的過程；胡楊幼苗變化較為平緩，沒有明顯趨勢。

由表3可以看出，樣區(qū)的胡楊個數(shù)與郁閉度、植被群落物種數(shù)、草本密度及80～100 cm的土壤含水量呈極顯著正相關(guān)，而與植被密度呈顯著相關(guān)；郁閉度與胡楊個數(shù)、植物群落物種數(shù)、草本密度、80～100 cm的土壤含水量呈極顯著相關(guān)，而與植被密度、0～20 cm土壤含水量呈顯著相關(guān)；胡楊幼苗與任何因素都沒有顯著的相關(guān)性；植被密度和植物群落物種數(shù)、草本密度呈極顯著相關(guān)，與胡楊個數(shù)、郁閉度、灌木個數(shù)呈顯著相關(guān)；植物群落物種數(shù)與胡楊個數(shù)、郁閉度、灌木個數(shù)、灌木密度、草本密度、80～100 cm的土壤含水量呈極顯著相關(guān)，與0～20 cm土壤含水量呈顯著相關(guān)；灌木個數(shù)和植物群落物種數(shù)、灌木密度呈極顯著相關(guān)，與植被密度呈顯著相關(guān)；灌木密度和植物群落物種數(shù)、灌木個數(shù)呈極顯著相關(guān)，與20～40、40～60 cm土壤含水量呈顯著相關(guān)；草本密度和胡楊個數(shù)、郁閉度、植被密度、植物群落物種數(shù)呈極顯著相關(guān)；各層土壤含水量之間相關(guān)性均達到極顯著水平。由于80～100 cm土壤水分對胡楊個數(shù)、郁閉度、植物群落物種數(shù)有極顯著相關(guān)性，而且與其他層次的土壤水分的相關(guān)性也達到極顯著水平，其他層次的土壤水平又與灌木數(shù)量、灌木密度，草本密度有一定的相關(guān)性，因此，荒漠河岸林植被空間特征由80～100 cm的土壤含水量決定。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本研究選擇典型的干旱區(qū)塔里木河中游流域作為樣區(qū)，定點采集土壤樣品，并調(diào)查植被特征，分析了干旱區(qū)荒漠綠洲過渡帶土壤水分與植被空間格局的關(guān)系。1)土壤水分和植被特征均具有明顯的空間分布格局即呈M型分布。即東西方向，各層土壤含水量均呈先升高后降低，而且隨著土層深度的增加，土壤水分的變化趨于平緩。2)植被特征：胡楊個數(shù)、郁閉度、灌木個數(shù)、灌木密度、草本密度、植被密度、植被蓋度、植物群落物種數(shù)均具明顯的空間變異性，也呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，這種變化也有突變的過程；而胡楊幼苗的變化較為平緩，沒有明顯趨勢。3)0～20 cm土壤水分與郁閉度、植物群落物種數(shù)存在顯著正相關(guān)，表層土壤水分的增加有利于植物群落物種數(shù)的增加，也影響到郁閉度的大?。欢捎?0～100 cm土壤水分對胡楊個數(shù)、郁閉度、植物群落物種數(shù)有極顯著相關(guān)性，而且與其他層次的土壤水分的相關(guān)性也達到極顯著水平，其他層次的土壤水分又與灌木數(shù)量、灌木密度有一定的相關(guān)性，故荒漠河岸林植被空間特征由80～100 cm的土壤含水量決定。

表3 土壤水分與植被特征的pearson相關(guān)系數(shù)

注：*表示P<0.05時，相關(guān)性顯著；**表示P<0.01時，相關(guān)性極顯著。

淺層地下水埋深往往被認為是決定荒漠綠洲過渡帶植被空間格局的關(guān)鍵因素，塔里木河的汛期主要集中在7-9月，是淺層地下水補給的主要時期，因此，保護塔里木河流域生態(tài)環(huán)境，增加塔里木河水量，改善荒漠綠洲過渡帶淺層地下水補給狀況，提高淺層地下水水位將有利于塔里木河流域的植被恢復(fù)，從而促進荒漠綠洲過渡帶生態(tài)環(huán)境的重建。

3.2 討論

土壤水分是干旱區(qū)植被生存及生長發(fā)育的關(guān)鍵限制因子，同時土壤水分對修復(fù)受損的生態(tài)系統(tǒng)起到非常重要的作用[28]，植被通過根系吸收土壤水分是植物對土壤水分吸收和利用的主要途徑。因此,土壤水分與植被特征之間有很密切的關(guān)系。馬曉東[29]等對塔里木河下游流域的研究表明土壤水分與植被的時空分布具有同步性，植被特征指數(shù)與80～280 cm土壤含水率呈顯著正相關(guān)；這與本研究的結(jié)論基本一致。在本研究中，雖然表層土壤水分與植被群落物種數(shù)呈顯著相關(guān)，但表層土壤水分的多少主要對草本植物的生長起作用，對流域的建群樹種胡楊的特征來說，相關(guān)性并不顯著；而80～100 cm的土壤水分對胡楊個數(shù)、郁閉度、植物群落物種數(shù)都呈極顯著正相關(guān)；表明80 cm以下的土壤水分含量才是制約干旱區(qū)荒漠河岸林植被空間分布的決定性因素。灌木密度與20～40 cm和40～60 cm土層的土壤含水量呈顯著相關(guān)，表明20～60 cm土層的土壤含水量對灌木的生存與生長起關(guān)鍵作用。胡楊個數(shù)、郁閉度、植物群落物種數(shù)、灌木密度和各層土壤水分之間都具有顯著的相關(guān)性，表明荒漠綠洲過渡帶土壤水分是植被生長發(fā)育的主要制約因素，此結(jié)果與部分相關(guān)研究結(jié)論不太一致。王蕙[1]等在黑河中游荒漠綠洲過渡帶的研究表明，植被蓋度、冠幅與0～20、20～40 cm的土壤濕度存在顯著負相關(guān)，與120～140、140～160 cm的土壤濕度呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)。

陳文業(yè)[30]等在內(nèi)陸荒漠濕地系統(tǒng)的研究認為，植物群落物種多樣性指數(shù)相對較小，土壤水分含量相對較低；喬( 灌) 木物種多樣性依賴于深層土壤水分含量，而草本物種多樣性更多地依賴于淺層土壤水分含量；深層土壤水分含量和0～2 m土層貯水量是影響研究區(qū)植被特征的主要因子；朱林峰[31]等在寧夏鹽池荒漠生態(tài)系統(tǒng)的研究認為，在流動沙地和固定沙地上，油蒿種群植被特征與土壤水分顯著負相關(guān)；張晨成[32]等在水蝕風(fēng)蝕交錯區(qū)的研究認為土壤水分在垂直方向上的變異受植被特征的影響，溝道影響較??；劉海威[33]等在黃土丘陵區(qū)的研究認為，隨著自然群落的演替和發(fā)育，枯枝落葉或腐殖質(zhì)增多，改良了表面土壤，蓄水能力加強，表層水分得到恢復(fù)，而深層土壤中，隨著群落演替，植物大部分是深根系，通過吸收更深層的水分來維持生長，深層土壤水分逐漸消耗，造成土壤干燥化程度加深。這些研究認為植物群落物種數(shù)、植被密度與土壤表層水分存在負面關(guān)系，與本研究在主要的植被類型和立地條件方面有很大差異，這些研究的植被類型主要為草本植物，草本植物主要消耗的是表層土壤水分，而本研究主要的植被類型為木本植物，且建群樹種為喬木和灌木，因此，土壤水分與植被類型的關(guān)系也會不同于草地與濕地，研究區(qū)屬于極端干旱區(qū)的荒漠綠洲過渡帶，與其他立地類型及氣候條件也有很大差別。另外，植被類型、郁閉度、植物群落物種數(shù)等植被特征與土壤水分的關(guān)系還與土壤質(zhì)地、持水特性、坡度、坡向等立地條件有關(guān)，本研究區(qū)地形屬于平原，地勢起伏不大，樣帶的立地條件基本一致，而土壤質(zhì)地主要是沙土與壤土，在同一條樣帶上土壤屬性特征的差異可能會對植被特征與水分之間的關(guān)系產(chǎn)生很大影響，使得整體的關(guān)系存在顯著的相關(guān)性，但相關(guān)系數(shù)的值表現(xiàn)得又不是很高。

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