取样尺度对荒漠草原土壤水分空间异质性的影响

张 宇，黄 琛，赵萌莉

(内蒙古农业大学生态环境学院，内蒙古 呼和浩特 010018)

土壤水分是直接影响植物生长和土壤性质的一个重要参数。土地利用和植被覆盖情况与土壤水分状况有着密切关系。由于在不同时空尺度上影响因子存在差异，所以土壤水分具有高度时空异质性[1]。其异质性受到不同尺度的降水、径流、蒸腾和蒸发、地表植被、地质地形和其它自然因素以及人为因素的干扰和控制。这种不同程度的空间异质性对群落结构以及整个生态系统都有重要影响[2]。目前，国内外关于土壤水分的研究热点主要集中于不同生态系统土壤水分的时空变化[3-4]及土壤水分循环与植被变化的研究[5]。近年来，基于GIS技术各种空间内插技术使得土壤空间变异性研究更加深入和多样[6]。虽有对荒漠草原植被变化与土壤水分空间异质性的相关研究[7]，但对荒漠草原不同样地尺度上土壤水分空间异质性的研究尚未见报道。

本研究分析不同取样尺度对荒漠草原土壤水分空间异质性状况的影响，旨在了解不同取样尺度与土壤水分空间异质性的关系，为荒漠草原土壤水分空间异质性相关研究取样尺度的选择与生态因子合理有效的控制提供科学依据。

1 试验设计与方法

1.1样地自然条件与植被概况 研究区域位于内蒙古四子王旗农牧科学院实验基地(111°53′46″ E、41°47′17″ N)，海拔1 440～1 460 m，地处乌兰花镇北部的葛根塔拉草原腹地，属典型中温带大陆性气候，春季干旱少雨，夏季炎热，最高月平均温度为7月21.5～23.5 ℃；年均降水量约为280 mm，5-8月的降水量占全年降水量的70%左右，蒸发量是降水量的7～10倍，湿润度0.15～0.30，无霜期90～120 d。研究样地为短花针茅(Stipabreviflora)+无芒隐子草(Cleistogenessongorica)+冷蒿(Artemisiafrigida)荒漠草原，植被稀疏，草层低矮，平均高度8 cm，盖度为18%～20%。试验地土壤为淡栗钙土，土层厚度约为1 m，距地表50-60 cm处多出现白色钙积层。土壤pH值为8.0，全氮含量0.13%，有机碳含量1.3%，土壤微生物主要有放线菌，好气性细菌和霉菌等。

样地植被以冷蒿、短花针茅、无芒隐子草为建群种，伴生阿氏旋花(Convolvulusammanni)、狭叶锦鸡儿(Caraganastenophylla)、羊草(Leymuschinesis)、细叶韭(Alliumtenuissimum)等。

1.2试验设计 本试验所选取的样地设置于该试验基地围封9年的草地。围栏区域面积为4.4 hm2，样地整体地形较为平坦，植被条件一致。野外取样时间选择在该地区降水较为集中的8月下旬。试验于降雨后第3天进行，在研究区域内采用网格法设置土壤水分测定样点位置，用大尺度网格套小尺度网格方式进行设置。样地尺度从较小尺度到较大尺度依次为1.5 m×1 m(I)、3 m×2 m(II)、6 m×4 m(III)、12 m×8 m(IV)、24 m×16 m(V)，各3次重复。在5种不同尺度样地的各个重复内，分别按照0.075 m×0.1 m、0.15 m×0.2 m、0.3 m×0.4 m、0.6 m×0.8 m、1.2 m×1.6 m的间隔将各样地平均划分成200个小样方，使用TDR-300水分速测仪，按照蛇形顺序在每个小样方中心位置测定0-12 cm深度土壤的含水量。

1.3数据处理 本试验使用SPSS 9.0，Excel 2010及GS+ 9.0软件对所测得水分数据进行经典统计分析与地统计分析，并绘制克里格空间分布图进行空间异质性分析。使用经典统计学方法，对实测数据进行统计，用偏度、峰度、中数、平均值以及变异系数等统计值来表示样本的变异程度，差异显著水平在不做说明的情况下为P<0.05。变异系数反映的是相对变异，平均值、标准差反映的是绝对变异。使用GS+9.0地统计学软件对不同尺度大小样地0-12 cm土层土壤水分进行模型拟合，分别采用指数模型(Exponential Model)、球状模型(Spherical Model)、线性有基台值模型(Linear to Sill Model)与高斯模型(Gaussian Model)对不同样地尺度水分数据进行拟合，根据不同尺度网格内水分测定的取样间距h值，计算土壤水分半方差r(h)，然后进行模型拟合，并根据拟合数据选择最佳拟合模型。在土壤水分变异函数模型与结构分析基础上，采用克立格法对未采样区进行最优化内插并绘制土壤水分空间分布图。

2 结果与分析

2.1土壤水分特征 在不考虑空间位置及取样间距情况下，样地土壤水分均存在异质性现象。对不同尺度样地土壤水分均值进行差异显著性检验，结果表明，各研究尺度样地之间土壤水分均存在显著差异(P<0.05)(表1)。

表1 不同取样尺度土壤水分统计特征值Table 1 The statistical characteristic values of soil moisture under different sampling scales

2.2土壤水分数据频数直方图 利用半方差函数进行空间异质性分析的一个必要条件就是其变量必须满足正态分布。非正态分布的变量数据会导致变异函数产生比例效应，降低函数的描述精度[8-9]。分析数据的平均值和方差或标准差之间的相关关系是判断比例效应是否存在的方法之一。比例效应会导致变异函数发生畸变，最直观的表现为块金值和基台值偏高，增大变异函数描述误差，所以在利用半方差函数进行空间异质性分析时，应消除比例效应。消除比例效应的最直接方法是对原始数据进行转换，将数据的分布类型转换为正态分布。

频数分布图是检验数据是否服从正态分布的一个常用方法。通过对频数分布图的研究发现5个样地土壤含水量频数分布直方图左右基本对称(图1)，呈正态分布，满足平稳假设，可以对土壤含水量的数据直接用于进一步的半方差分析。

2.3土壤水分的空间结构 以变异函数r(h)为Y轴，抽样间隔距离h为X轴，绘制空间变异函数曲线图(半方差函数图)，研究不同取样尺度下土壤水分性质空间变异函数理论模型及有关参数(表2)。结果显示，各取样尺度下土壤水分变异函数均符合指数模型，在小尺度范围内有一定的变异函数值，且随着取样距离的增大，变异函数值不断增加并最终趋于平稳(图2)。

图1 土壤含水量频数分布直方图Fig.1 Frequency distribution map of soil moisture

块金值(C0)也叫块金方差，反映的是测量误差以及最小抽样尺度以下变量的变异性。理论上当两个采样点距离为0时，半变异函数值应为0，但由于空间变异性及测量误差的存在，当两采样点距离非常小时，它们的半变异函数值不为0。从各样地块金值C0来看，样地I和样地II的块金值较小，样地 IV的块金值最大，为0.442。较大的块金值表明在较小尺度上有着不可忽视的生态学过程，这种过程有可能由空间结构变异或者实验误差引起，需要缩小取样尺度进行深入研究[10]。

当采样点距离h增大时，空间变异程度随着空间距离的增加而增大，半方差函数r(h)从初始的块金值(C0)达到一个相对稳定的常数时，该常数值称为基台值(C0+C)。基台值表示变量的最大变异程度。当半方差函数值超过基台值时，即函数值不随采样点间隔距离的变化而改变时，空间相关性不存在。样地III在研究系统中的最大变异程度为1.106，其次是样地IV，其最大变异程度为1.075；样地I和样地II的最大变异程度较小，分别为0.631和0.633；样地V在研究中的最大变异程度为0.980。

图2 不同取样尺度下土壤水分半方差函数图Fig.2 Semi-variogram of soil moisture under different sampling scales

当半方差函数的取值由初始的块金值达到基台值时，采样点的间隔距离称为变程(A)。变程表示了在某种观测尺度下研究变量空间自相关变异的尺度范围，其大小受观测尺度的限定。在变程范围内，样点间的距离越小，其空间相关性越大。空间自相关在变程之内存在，在变程之外空间自相关消失。空间自相关范围最大的是样地IV，其次为样地V。样地I、样地II和样地III空间自相关范围相近，分别为0.126、0.300和0.897(表2)。

结构比C/(C0+C)表示系统结构部分的空间异质性占系统总空间异质性的比值。如果该比值<25%，说明系统具有较弱的空间自相关性；如果该比值在25%～75%，表明系统具有中等程度的空间自相关性；若该比值>75%，则说明系统具有强烈的空间自相关性[11]。样地II结构比最大，达到0.975；样地I和样地V的结构比相近，分别为0.899和0.896；样地III结构比为0.691，样地IV的结构比最小，为0.589。

由此可知，四子王旗荒漠草原土壤水分在不同取样尺度存在着空间异质性；随机因素引起的空间异质性样地IV较大，样地I和样地II较小；最大空间变异程度样地III最大，样地I和样地II较小；样地II结构比最大，结构比样地IV最小；空间自相关范围样地IV最大，样地I最小。

在不同取样尺度下，随机因素引起的空间异质性表现为样地IV>样地III>样地V>样地I>样地II；空间最大变异程度表现为样地III>样地IV>样地V>样地II>样地I，与各样地水分异质性系数CV大小顺序基本一致；样地III和样地IV具有中等程度的空间自相关性，样地I、样地II、样地V具有强烈的空间自相关性；空间自相关范围大小为样地IV>样地V>样地III>样地II>样地I。

2.4土壤水分的空间插值分析 为了更加准确直观地描述土壤水分的空间分布，使用GS+9.0软件中采样克里格插值法绘制不同取样尺度下0-12 cm土壤水分的空间分布图(图3)，发现样地IV和样地V土壤水分呈完整的斑块状分布，且分布较为均匀，有明显的空间趋势，水分变化梯度缓和，可以较好地反映样地植物丛下、丛间及整个样地的水分空间异质性状况。样地微地形与植被因子对样地I、样地II和样地III水分分布格局的影响较为显著。样地I土壤水分分布格局完全细化、碎化，没有明显梯度，水分分布的随机性比较大，能够反映出样地水分分布的随机性，但对样地整体水分分布格局反映不明显，应增大取样尺度以消除影响。样地II、样地III水分空间分布呈较大且不完整斑块或碎块状分布，空间分布上对随机性的反映较好，同时也较好反映出丛下、丛间水分状况，但取样尺度尚不能完整地反映样地土壤水分异质性状况。

3 讨论

空间的等级特性与结构性是一个生态系统的重要特性，生态系统的各种功能也依托于这种空间等级特性与结构性。尺度问题是生态学研究的重要基础[12]。研究空间格局尺度问题可以更好地分析生态过程中的一些问题。生态学中很多研究领域都涉及到尺度的问题，如景观结构、景观动态、生物多样性和动物生态学等。但不同研究领域在尺度应用上存在较大差异[13]。目前对生态学中尺度问题的研究主要集中在单尺度研究和尺度上推研究[14]，但是对多尺度分析、尺度效应和尺度选择问题的研究尚不多见。地统计学是研究特定空间格局所对应尺度下空间异质性的一个重要方法。当试验、观测、模拟或分析的时空尺度发生变化时会导致系统变量也发生变化，这种尺度效应在自然界和人类社会中普遍存在[15]。

表2 不同尺度土壤水分变异函数理论模型和相关参数Table 2 Semi-variance functional analysis of soil moisture

图3 不同取样尺度下土壤水分空间分布图Fig.3 The 2-d spatial pattern map of soil moisture under different sampling scales

本研究以尺度分析与尺度选择为出发点对荒漠草原水分空间异质性进行探讨。虽然草原土壤水分的结构特征与草原生态系统植物种群格局不一定是完全对应的，但二者的变化趋势是一致的[16]。前人研究指出样地的设置存在一定的尺度效应(Scale Effect)[17]。样地尺度设置过大，样地变量的差异性消失；样地尺度设置过小，则不能反映群落整体的空间异质性和样地所包含的全部信息[18]。研究发现，四子王旗荒漠草原土壤水分变异系数随取样面积的增加呈先增大，后略减小至趋于平稳的趋势。由于试验样地内的植被类型与地貌并未发生明显变化，所以由此可推断，不同尺度样地内的微地形条件、土层厚度变化与灌木丛导致的水分富集效应可能是引起这种变化的主要原因。Heather等[19]的研究也指出，草原土壤厚度不同与地面凹凸所造成的土壤斑块也可能是影响草原土壤异质性的因子。而随着试验取样尺度的不断增大，样地微地形、土层厚度和灌木丛的水分富集效应的控制作用被弱化，所以土壤水分异质性系数趋于平稳。这与柳领君等[20]对青藏高原东缘高寒草地、沙地的土壤水分空间异质性研究的结果一致。所以，对土壤水分空间异质性研究时，样地尺度的选择具有十分重要的意义。

4 结论

研究样地取样尺度的大小影响荒漠草原土壤水分异质性。四子王旗荒漠草原土壤水分空间异质性随着取样尺度呈先增大，后略减小至趋于平稳。本试验发现，对四子王旗荒漠草原土壤水分异质性研究取样适宜尺度在(4～6)m×(8～12)m之间。该试验样地内土壤水分空间异质性的影响因子主要是样地微地形条件与灌木丛引起的水分富集效应。试验样地设置在地形条件一致、植被均匀的草地，可以减少地形与植被因子对水分异质性规律的影响，更好地分析荒漠草原土壤水分异质性状况。

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