华北农牧交错带农田-草地景观镶嵌体土壤水分空间异质性

为揭示草地景观破碎化过程中产生的农田-草地镶嵌体内部土壤水分空间异质性、分布格局以及生态界面特征,本研究利用经典统计与地统计学方法对华北农牧交错带农田-草地镶嵌体不同采样粒度(0.5 m×0.5 m,1 m×1 m,2 m×2 m)土壤水分空间异质性进行分析。结果表明:农田-草地镶嵌体内部土壤水分含量差异显著表现为农田>农田-草地边界>草地 (P < 0.05);土壤水分变异系数(CV Coefficent of variation)差异显著表现为农田-草地边界>草地>农田(P < 0.05),均属中等程度变异。在农田-草地镶嵌体尺度下,农田-草地边界土壤水分在3个采样粒度下均拟合为球状模型,空间异质性大小(MSH Magnitude of spatial heterogeneity)分别为0.814、0.763和0.883,变程为15.44、27.24和19.09 m,属强空间自相关;草地土壤水分空间异质性在3个采样粒度下拟合呈指数和球状模型,空间异质性大小分别为0.537、0.837和0.650,变程分别为6.009、12.74和30.99 m,属中到强空间自相关;农田土壤水分在采样粒度2 m×2 m下拟合成球状模型,空间异质性大小为0.706,变程27.28m,属中等空间自相关,而在较小采样粒度下均为纯金块效应(Nugget)呈完全随机分布,即不同采样粒度(0.5 m×0.5 m,1 m×1 m,2 m×2 m)的农田、农田-草地边界、草地的土壤水分空间异质性大小存在显著差异且表现为农田-草地边界>草地>农田(P < 0.05),同时每种类型不同采样粒度间的空间异质性大小存在差异但无线性关系(P > 0.05);农田-草地镶嵌体内部的农田-草地边界土壤水分分布格局异质程度高,呈明显斑块状,而农田内部土壤水分较草地更加破碎匀质化,同时土壤水分在农田-草地边界处表现为伴有突然升高随即降低剧烈变化的界面效应。     

北方农牧交错带沽源农田-草地界面土壤水热空间特征

农田-草地景观界面是我国北方农牧交错带景观组成部分,研究该界面生态特征的格局和过程是完善北方农牧交错带研究的热点领域.首次采用地统计学方法中的半变异函数、克里格插值估计、空间分布图等方法研究北方农牧交错带河北沽源地区的农田-草地界面(CGB)土壤水热的空间异质性和界面空间效应.结果表明:根据不同尺度下的土壤水热空间异质性各参数的变化趋势确定较为合理的采样粒度为 0.5m×0.5m;农田-草地界面0～20cm土层土壤含水量为中等变异,土壤温度为弱变异,不同采样粒度空间结构特征定量研究得到土壤水分变程范围(A_0)为2.93～15.4m,且为中到强度的异质性程度(MSH),土壤温度变程为3.75～20.99m,表现为强空间异质性;验证在农田-草地边界向两侧的一定范围内土壤水热存在过渡型界面效应,且具不同的生态梯度.该研究结果是认识农田-草地界面和进一步开展该界面功能研究的基础,对深入研究北方农牧交错带农田-草地界面非生物水热界面具有重要意义.     

长白山阔叶红松林表层土壤水分空间异质性的地统计学分析

采用时域反射仪对长白山原始阔叶红松林3块50 m×50 m样地表层土壤（0～7.5 cm）水分进行测定,应用地统计学的理论与方法对表层土壤水分的空间异质性进行分析.结果表明：研究区3块样地表层土壤水分变异系数分别为24.32%（样地1）、24.11%（样地2）和23.60%（样地3）,均属于中等变异性;该区表层土壤水分的理论变异模型为球状模型,具有高度的空间异质性,其空间异质性以空间自相关部分为主;表层土壤水分的结构比分别为57.9%（样地1,属中等相关性）、83.3%和90.0%（样地2和3,属强烈的空间相关性）;研究区表层土壤水分的变程在5.5～13.1 m,与贝叶斯方法估计的变程相差不大;通过克立格插值估计,研究区表层土壤水分含量的平均值分别为49.3%（样地1）、52.8%（样地2）和42.6%（样地3）.     

华北农牧交错带农田-草地界面土壤水分影响域分析

在华北农牧交错区,选择线状边界的农田与草地典型区进行调查与土壤水分测定,采用移动窗口法,对农田-草地景观界面表层（0～20 cm）土壤水分影响域进行研究.结果表明：界面水分的影响域为草地6 m到农田4 m,总宽度10 m,属急变型界面;将农田-草地景观界面划分为3个功能区：农田功能区、草地功能区和农田-草地复合功能区.其中农田-草地复合功能区的土壤含水量变化剧烈,而草地功能区与农田功能区内土壤水分基本呈线性分布;草地生态系统土壤平均含水量比农田高约1 g·g^-1,这主要是由于草地开垦为农田后风蚀等作用而引起的土壤毛管持水力下降所致.作为植被覆盖不同的两个生态系统,不同的植物蒸腾和地表蒸发,可使不同功能区的土壤含水量产生明显差异,从而使土壤水势发生变化,使水分跨生态系统运移成为可能.     

黄土丘陵区林草景观界面雨后土壤水分空间变异规律

对黄土丘陵区刺槐林-草地景观界面上雨后土壤表层(0～10 cm)和亚表层(10～20 cm)水分的空间变异规律进行了研究.经典统计学分析表明,草地两层的土壤含水量分别高于林地;林草界面两层的土壤含水量均为弱变异程度,并具有明显的生态梯度.移动窗口法分析表明,林草界面对土壤表层和亚表层的水分影响范围为边界两侧4 m、3 m,影响域分别为8 m、6m.地统计学分析表明,草地两层土壤含水量空间分布均表现为纯块金效应,林地两层均可拟合成线性模型,而林草界面两层均可拟合成球状模型;林草界面土壤表层、亚表层水分空间依赖性和空间自相关较强,其空间结构异质性明显高于林地和草地.克立格制图描述的林草界面土壤水分的空间分布格局为从边界处向两侧的一定距离范围内,土壤含水量呈条带状分布,而在较远的距离,水分的空间分布呈现出几个明显的斑块状.     

黄土高原水蚀风蚀交错区植被地上生物量及其影响因素

采用野外调查的方法,于2009年9月下旬测定了六道沟小流域不同土地利用方式下的地上生物量以及土壤水分含量和养分含量,研究了水蚀风蚀交错区典型小流域植被地上生物量水平及其影响因素.结果表明:六道沟小流域主要植被地上干生物量在177～2207g·m-2;其中,玉米、谷子、弃耕地、人工草地、天然草地和灌木地的地上干生物量分别为2097～2207、518～775、248～578、280～545、177～396和372～680 g·m-2.农田平均土壤含水量(0～100 cm土层)最高,达14.2%,灌木地最低,为10.9%;弃耕地土壤水分含量的变异系数最大,为26.7%,说明弃耕地土壤水分有很强的空间异质性.土壤平均储水量大小顺序为:农田>人工草地>弃耕地>天然草地>灌木地,苜蓿地和柠条地出现土壤干化现象.植被地上干生物量与0～100 cm土层土壤储水量存在显著正相关关系(r=0.639,P<0.05),地上鲜生物量与植被的株高呈极显著正相关,较高植被的地上生物量可以间接控制水蚀风蚀交错区土壤侵蚀.植被地上生物量与土壤水分、养分具有很高的相关性,但与海拔、坡度、坡向、容重等的相关性不显著.     

祁连山青海云杉林群落结构的空间异质性

以动态监测样地(340 m×300 m)的网格(5 m×5 m)为基本单元,选择5个群落结构属性变量,采用分形几何学和地统计学方法对祁连山大野口流域青海云杉林群落结构的空间异质性进行研究.结果表明: 青海云杉林5个结构属性的变异程度大小依次为:密度＞平均冠幅＞显著度＞盖度＞平均树高,变异系数为43.7%～79.6%.Moran I系数表明,各个结构属性均有不同程度的空间自相关性,自相关大小顺序为:密度＞平均树高＞盖度＞平均冠幅＞显著度,变化范围为-0.047～0.382.指数理论变异函数模型能很好地拟合不同结构属性的空间变异,变程为24.6～68.1 m,各属性变量的结构比除盖度表现为中等空间相关,其他指标均为强烈空间相关,各属性指标分维数接近2,空间依赖性较小.植被密度和盖度空间分布呈带状结构和斑块结构叠加的特点,其他指标呈较强的斑块状空间结构,密度和盖度对平均冠幅、显著度和平均树高有一定的空间依赖性.青海云杉林群落结构空间异质性适宜的采样间隔和采样面积分别为10 m和0.5 hm².     

宁夏东部荒漠草原灌丛引入过程中土壤有机碳变化及其空间格局预测

以宁夏荒漠草原封育草地、放牧地为对照,对不同年限(3、12、22年)和间距(2、8、40 m)柠条地开展灌丛引入对土壤有机碳(SOC)的影响研究,并模拟预测该地区人工灌丛引入过程中0～40 cm土层SOC空间特征及格局.结果表明: SOC含量随着柠条灌丛引入年限增加和间距的减小而呈增加趋势,各年限和间距柠条灌丛地SOC均值分别比放牧地高42.7%和32.8%,且均与封育草地无显著差异,但SOC的增加趋势在灌丛引入22年出现降低,降幅为27.0%.SOC空间异质性表明,研究区内人工灌丛引入后0～40 cm土层SOC含量为0.21～26.04 g·kg^-1,均值为3.75 g·kg^-1,变异系数为90.9%～114.7%;0～5、15～40 cm土层符合高斯模型,5～15 cm土层符合球状模型;0～5、5～15 cm土层变程均小于15～40 cm土层,三者分别为3.11、3.00和10.10 km.0～5、5～15 cm土层SOC的块金系数C₀/(C₀+C)为0.2%～16.3%,具有强烈的空间相关性;15～40 cm土层的块金系数为36.9%,为中等程度相关.人工灌丛引入过程中加速了退化荒漠草地0～40 cm土层SOC的累积与固定,同时加剧了土壤表层SOC空间异质性、破碎化,且与封育14年荒漠草地SOC含量无显著差异,其空间异质性、破碎化程度随土层深度增加均呈减弱趋势.     

祁连山浅山区不同植被类型土壤水分时间异质性

资源供给的时间异质性与环境异质性对植被群落动态甚至景观格局的形成有着同等重要的意义.干旱区山地生态系统植被通常具有明显的空间自组织特征,土壤水分时间异质性可能在这种自组织格局的形成和稳定过程中扮演了重要角色.以祁连山排露沟小流域林草复合景观为例,通过连续监测林线附近草地、灌丛及林地对应的土壤水分状况,比较不同植被类型降水截留以及植物根系提水作用对土壤水分的影响,发现在生长季内典型月时间尺度上草地、灌丛及林地之间土壤水分时间异质性(变异系数CV)具有显著差异(5cm深度,F2,27 =11.25,P <0.01;20cm深度,F 2,27 =5.51,P<0.01),草地与灌丛5cm深度土壤水分时间异质性(CV=0.65、0.61)明显高于林地(0.52),灌丛与林地20cm深度土壤水分时间异质性(CV=0.84、0.84)明显高于草地(0.72).灌丛5cm深度土壤水分具有较高的时间异质性是因为其较高的冠层截留率,而草地表层5cm深度具有相对较高的时间异质性是因为强烈的土壤蒸发;20cm深度土壤水分时间异质性差异则主要由植被截留差异所致.不同植被类型5cm深度土壤水分时间异质性均明显低于20cm深度(P<0.01),土壤湿度变异系数最大值并不一定发生在表层.     

宁夏东部风沙区沙化草地土壤水分和植被的空间特征

土壤水分作为土壤-植被-大气连续体的关键因子,对沙化草地的演化过程具有重要作用。为探讨宁夏东部风沙区沙化草地土壤水分、物种丰富度指数及植被盖度的空间变异及其相互关系,以哈巴湖自然保护区沙化草地为对象,采用样线法自潜在沙化草地至重度沙化草地进行植被调查和土壤取样,通过经典统计学和地统计学分析,得出以下结果：0—100 m各土层土壤水分含量、植被盖度和物种丰富度指数的分布范围分别为0.82%—28.22%、41.00%—93.00%和0.82—2.80,变异系数范围为0.20—0.48,均属于中等变异。各土层土壤水分和物种丰富度指数表现为中等的空间自相关性,植被盖度则表现为强烈的空间自相关性。Kriging插值结果表明,0—100 cm各土层土壤水分和植被盖度的空间插值图呈条带状和斑块状的梯度变化,物种丰富度呈斑块分布,自潜在沙化草地至重度沙化草地,表现为逐渐降低的趋势。相关分析表明,植被盖度与0—40 cm各土层土壤水分呈显著正相关,与40—100 cm各土层土壤水分呈极显著正相关。宁夏东部风沙区沙化草地土壤水分含量总体较低,由于结构因素和随机因素的共同作用,随草地沙化程度的加重,表现为...     

Temporal heterogeneity of soil moisture under different vegetation types in Qilian Mountain, China

Field observations were conducted near the forest boundary in Qilian Mountain to test the differences in temporal variability of soil moisture between grassland, shrubland and forest habitats, and to examine the contributions of canopy rainfall interception and plant uptake to any observed differences. It was found that considerable differences of the temporal heterogeneity of soil moisture do exist between the three habitats. The coefficient of variance (CV) in soil moisture content at 5 cm depth was significantly higher in grassland and shrubland than in forest, while that at 20 cm was significantly higher in shrubland and forest than in grassland. High canopy rainfall interception of shrubs and intense soil moisture evaporation in grassland should be responsible for the higher temporal variability of soil moisture content at 5 cm depth in the two habitats, respectively, while the differences at 20 cm depths are most likely only due to the differences in canopy rainfall interception. Water uptakes provide little contribution to the differences in CVs of soil moisture at both 5 cm and 20 cm depths. It was also found that the CV at depth of 20 cm is significantly higher than that at depth of 5 cm, suggesting that the most active depth of soil moisture does not necessarily happen on the surface.     

Temporal heterogeneity of soil moisture under different vegetation types in Qilian Mountain, China

Field observations were conducted near the forest boundary in Qilian Mountain to test the differences in temporal variability of soil moisture between grassland, shrubland and forest habitats, and to examine the contributions of canopy rainfall interception and plant uptake to any observed differences. It was found that considerable differences of the temporal heterogeneity of soil moisture do exist between the three habitats. The coefficient of variance (CV) in soil moisture content at 5 cm depth was significantly higher in grassland and shrubland than in forest, while that at 20 cm was significantly higher in shrubland and forest than in grassland. High canopy rainfall interception of shrubs and intense soil moisture evaporation in grassland should be responsible for the higher temporal variability of soil moisture content at 5 cm depth in the two habitats, respectively, while the differences at 20 cm depths are most likely only due to the differences in canopy rainfall interception. Water uptakes provide little contribution to the differences in CVs of soil moisture at both 5 cm and 20 cm depths. It was also found that the CV at depth of 20 cm is significantly higher than that at depth of 5 cm, suggesting that the most active depth of soil moisture does not necessarily happen on the surface.     

黄土丘陵区小流域尺度土壤有机碳密度及储量

通过对上黄小流域不同土地利用方式下114个样点的采样分析,结合地统计学原理对小流域不同土层土壤有机碳密度的空间变异程度进行研究。研究表明,除表层土壤有机碳密度的空间变异程度较弱外,其余两层均属于中等强度变异。并呈现东部天然草地分布区与中部带状灌丛林地分布区空间变异程度较强的分布特点。不同土层深度和土地利用方式下土壤有机碳密度存在明显差异,土壤有机碳含量随着土层深度的增加而逐渐减小,有机碳密度则表现为10-30cm最高,30-60cm其次,0-10cm最低。不同土地利用方式下,有机碳密度表现为:天然草地 > 果园 > 灌丛林地 > 河滩、河台地 > 撂荒地 > 人工草地 > 耕地。以土地利用方式为基本单元,对上黄小流域土壤有机碳储量进行估算。结果表明,上黄小流域土壤有机碳总储量为46527.12t,其中,灌丛林地(22052.81t)和天然草地(14573.14t)的储量最高,占总储量的78.72%。     

毛乌素沙地南缘沙漠化临界区域土壤水分和植被空间格局

应用地统计学和经典统计学方法,对毛乌素沙地南缘沙漠化临界区域土壤水分和植被特征的空间分布格局及其相互关系进行研究,结果表明: 0-5 cm和5-10 cm土壤水分符合指数模型,10-15 cm土壤水分和植物群落物种数、植被盖度、植被密度都符合球状模型;0-5 cm土壤水分、植物群落物种数和植被盖度都具有强空间自相关性,5-10 cm、10-15 cm土壤水分和植被密度都具有中等程度的空间自相关性;从牛枝子群落到黑沙蒿群落,各层土壤水分与植物群落物种数之间具有相似的空间格局,都呈先升高后降低的变化趋势,而植被盖度和植被密度呈逐渐减小的变化趋势;0-5 cm土壤水分与植物群落物种数之间具有显著的正相关,是制约植被物种空间分布的关键因素。     

小尺度农田土壤有机质的空间变异性

采用10m×10m高密度网格设计,在面积为10.24hm²农田内取耕层土壤样本1 024个,测定土壤有机质(SOM)含量。分析该取样尺度下土壤耕层(O～20 cm)有机质空间变异性,运用地统计学方法量化土壤有机质的空间变异特征。研究结果表明10.24hm²取样区内,土壤有机质空间分布呈弱变异性,CV为1.84%,但整体含量偏低,SOM≤1.04%。剔除趋势的土壤有机质变异函数具有较小的块金值0.000 05、块金基台比0.135和较大的变程145.5 m,Kriging插值的估计标准差仅为0.009 43%,表明该取样尺度下取样区土壤有机质空间分布的结构性变异比例高,土壤有机质具有高度空间相关性和较大空间相关范围。     

黄土丘陵区不同土地利用类型土壤水分变化特征

土壤水分是制约黄土丘陵区生态建设和土地可持续利用的关键因子,认识不同土地利用类型的土壤水分状况对该地区植被恢复和土地资源的有效利用具有重要的理论和实际意义.本研究采用EC-5土壤水分传感器,对黄土高原园则沟流域坡耕地、梯田、枣园和草地生长季内(5—10月)0~160 cm土壤剖面含水量进行连续监测,探讨这4种典型土地利用类型的土壤水分变化特征.结果表明:在降水常态年和干旱年,不同土地利用方式土壤水分的季节变化、蓄水特征及垂直分布均存在差异.在2015年干旱年,梯田表现出良好的蓄水保墒效果,0~60 cm土层生长季平均土壤含水量分别比坡耕地、枣园和草地高2.6%、4.2%、1.8%(P<0.05),0~160 cm土层储水量分别比坡耕地、枣园和草地高43.90、32.08、18.69 mm.在2014年常态年,枣园0~60 cm土层生长季平均土壤含水量分别比坡耕地、梯田和草地低2.9%、3.8%、4.5%(P<0.05);在干旱年,0~160 cm土层有效水储量仅占土壤总储水量的35.0%.不同土地利用方式下均是表层(0~20 cm)与中层(20~100 cm)土壤水分的灰色关联度较大,且土壤水分变化态势的相似程度表现为梯田>草地>坡耕地>枣园.对于试验区内的坡耕地,可考虑改造为梯田,以提高雨水资源的有效利用、促进生态农业建设;而针对黄土丘陵区旱作枣园土壤缺水严重的现象,需采取适当水分管理措施以降低枣树自身耗水和其他无效耗水,实现枣园可持续发展.