荒漠绿洲过渡带泡刺灌丛沙堆空间格局

荒漠绿洲过渡带泡刺灌丛沙堆空间格局

1泡刺认识:过渡带泡刺认识了下湿时代土地沙堆形态特征沙漠中的绿色地带是沙漠生态系统在自然气候条件下形成的一个稳定的系统，可以作为沙漠生态系统的一个重要方面发挥着重要作用。在绿洲化和荒漠化化两个地理过程中，过渡区形成了灌木沙坝和沙漠植物共存的景观。受气候变化和人类活动的影响，灌木沙坝的形成和发展可以作为土地退化和荒漠化的象征。随着沙漠化和荒漠化的研究深入，灌木砂坝的研究在国内外引起了广泛的关注。对灌木砂坝的形态、沉积物、生态和动力学发展进行了系统研究。泡泡刺灌丛沙堆对于防止流沙入侵绿洲、保持绿洲稳定性有着很大的生态作用.近年来,随着地下水位的下降,泡泡刺灌丛沙堆群落开始衰退,影响了绿洲的稳定性.为此,研究荒漠绿洲过渡带泡泡刺灌丛沙堆具有重要意义.目前,有关泡泡刺的研究主要集中在种群的生态特性、生态位、光合呼吸、土壤水分、灌丛生物量模拟、空间格局及群落消长等方面,对泡泡刺灌丛沙堆形态特征及空间格局异质性的研究尚未见报道.为此,本文在对荒漠绿洲过渡带泡泡刺灌丛沙堆形态参数回归分析的基础上,讨论了泡泡刺灌丛沙堆的形成和发育阶段,揭示了泡泡刺灌丛沙堆形态参数间的量化关系及空间异质性,旨在为荒漠绿洲过渡带的生态恢复和重建提供理论依据.2研究领域和方法2.1苏集河北边地区55e年气温特征研究区位于甘肃省金塔县西北部绿洲边缘生地湾(40°25′N,98°57′E)和大庄子(40°25′N,99°07′E),以及临泽县北部绿洲边缘(39°21′—39°24′N,100°07′—100°08′E)的荒漠绿洲过渡带.金塔绿洲属典型极干旱荒漠性气候,年均气温8℃,年最低气温-29℃,最高气温386℃;年均降水量59.9mm,蒸发量2538.6mm;风向以西北风为主,平均风速3.0m·s-1,最大可达25m·s-1,年均大风日数32d,沙尘暴日数27d.地下水埋深为4～7m.临泽县北部绿洲边缘属干旱荒漠气候,年均气温7.6℃,最低气温-27.3℃,最高气温达39.1℃;年均降水量117.1mm,蒸发量2390mm;风向以西北风为主,年均风速为3.2m·s-1,最大风速21m·s-1,大风日数15d.戈壁地下水埋深为13～14m,沙漠中地下水埋深为4.3～4.6m.地带性土壤均为灰棕漠土、沙壤土及沙土.绿洲典型植被有梭梭(Haloxylonammodendron)、泡泡刺(Nitrariasphaerocarpa)、沙枣(Elaeagnusangustifolia)和柽柳(Tamarixramosissima)等.2.2沙堆沙堆的坐标位置和参数的确定在野外踏查的基础上,分别在金塔和临泽的绿洲与戈壁过渡带和绿洲与沙漠过渡带边缘200m以外的样带内,各选择一块能代表泡泡刺灌丛沙堆种群特征的样地,面积为100m×100m.在2006年8中旬至9月中旬,调查样地内所有泡泡刺灌丛沙堆的坐标位置、沙堆高度、沙堆长短轴、沙堆走向及每个沙堆上植被的冠幅、高度和盖冠等.沙堆坐标位置的确定方法首先是用GPS定位,再以样地一个角为原点,其x,y坐标定为(0,0),然后测定样地内每个沙堆的相对坐标值(图1);沙堆长、短轴的测量用十字交叉法;沙堆高度为长、短轴4个点高度的平均值;用罗盘仪测定长轴的方位角即为沙堆走向;植被盖度用插针法估计;植被高度和冠幅的测定方法与沙堆的相同.2.3空间异质性检验c0原始数据采用SPSS13.0进行统计分析,将服从正态分布的原始数据作为区域化变量,用GS+软件进行地统计分析,建立变异函数的半方差(Semivariance)理论模型来研究其空间异质性特征;用OriginPro7.0软件回归分析.变异函数的主要参数包括:块金值(C0)、基台值(C0+C)、变程(A0)、分数维(D)、结构比[C0/(C0+C)]和确定系数(R2)等.其中:C0+C表示变量在研究系统中最大的变异程度,包括空间结构方差C和块金方差C0;C表示非随机的结构原因形成的变异;C0反映的是随机部分的空间异质性;A0表示研究变量在空间上自相关的范围;C0/(C0+C)反映了块金方差占总空间异质性变异的大小.半方差函数的算式:r(h)=12N(h)∑i=1n[z(xi)−z(xi+h)]2i=1,2,3,⋯N(h)(1)r(h)=12Ν(h)∑i=1n[z(xi)-z(xi+h)]2i=1,2,3,⋯Ν(h)(1)式中:z(xi)和z(xi+h)分别为区域化随机变量z在空间位置xi和xi+h上的取值;N(h)是抽样间隔等于h时的点对数;r(h)为变异函数值(或称半方差).分形维数的算式:D=(4-m)/2(2)式中,m为双对数半方差图的斜率.D是一个无量纲,可以对不同变量的D值进行比较,确定空间异质性程度.a) 金塔戈壁Jinta’sGobi;b)金塔沙漠Jinta’sdesert;c)临泽戈壁Linze’sGobi;d)临泽沙漠Linze’sdesert.下同Thesamebelow.3结果与分析3.1沙堆的风蚀现象泡泡刺灌丛沙堆是近圆形或椭圆形凸起的独立型沙包,丘顶浑圆,坡度较缓,植被盖度在0.11～0.31之间.此外,在金塔沙堆有明显的风蚀现象,沙堆迎风坡遭受侵蚀而导致露根后退,土层疏松,坡度较陡,植被生长差;背风坡坡度较缓,植被生长较好.在临泽,沙堆坡度较缓,植被生长较好.由表1可以看出,戈壁的沙堆高度、体积和植被冠幅平均值均小于沙漠.其中,金塔沙漠的平均值最大,金塔戈壁最小.在临泽,沙漠植被高度和盖度的平均值均大于戈壁;而在金塔,戈壁均大于沙漠.3.2泡沫刺灌木沙坝形态参数关系3.2.1沙堆高度的变化由图2可以看出,沙堆长、短轴间为显著线性关系(R2>0.860),沙堆长度(<10.5m)与宽度(<8.7m)协调增长和变化.曲线斜率和截距均为正值,表明当长轴为0时,短轴已具有一定的长度,即短轴先于长轴而存在.此外,沙漠长、短轴的值大于戈壁,最大值在金塔沙漠,表明沙漠丰富的沙源是灌丛沙堆形成的前提条件,金塔较大的风积作用促进了泡泡刺灌丛沙堆的良好发育.在一定的范围内,沙堆高度(<2.5m)随面积(<87m2)的增加而增加,具有线性关系(R2>0.812).但不同的地点和生境曲线斜率和截距各不相同.其中,金塔沙漠曲线截距最大为0.908,斜率最小为0.004;金塔戈壁截距最小为0.286,斜率最大为0.009.但在临泽,其曲线斜率和截距的变化位于金塔戈壁和沙漠之间.3.2.2被冠幅与盖度的线性关系由图3可以看出,R2在0.835～0.944之间,曲线的斜率为正值而截距为负值,沙堆体积(<217.46m3)随植被冠幅(<205.73m2)的增加而增加,呈显著线性关系,反映了泡泡刺灌丛沙堆的“沃岛效应”的反馈机制.由图4可以看出,植被高度(<1.97)和盖度(<0.86)为线性关系,R2在0.783～0.869之间,曲线斜率为正值,截距也为正值(金塔沙漠除外).此外,临泽植被盖度和高度大于金塔,且最大值为临泽沙漠,表明降雨可能对泡泡刺的生长起到重要的促进作用.3.3金塔计算模型由图1可以看出,在荒漠绿洲过渡带,沙堆呈明显的带状分布.沙堆相互分隔成斑块状,格局较明显.由于风蚀,丘间地表层土壤的较细颗粒被搬运,残余粗砂和砾石.天然植被以泡泡刺为主,零星伴有沙拐枣(Calligonummongolicum)、红砂(Reaumuriasoongorica)和碱蓬(Suaedaglauca)等簇生状荒漠植被.在金塔,戈壁和沙漠沙堆密度的最大值分别为0.96和0.36堆·100m-2,体积的最大值分别为每堆36.44和217.46m3;在临泽,戈壁和沙漠沙堆密度的最大值分别为0.57和0.50堆·100m-2,体积的最大值分别为每堆89.73和104.9m3(图1).表明戈壁沙堆密度大于沙漠,体积则相反.此外,在金塔,戈壁沙堆密度最大,沙漠最小,而沙堆体积则相反,说明沙源的丰富程度是灌丛沙堆体积发育的重要因素.3.4沙堆形态参数的空间异质性由表2可以看出,除植被高度、盖度之外,临泽的其它参数块金值(C0)都大于金塔,总体上在0.001～0.776之间.基台值(C0+C)变化的规律性不强,但C0+C和C0的差值较大,表明泡泡刺灌丛沙堆的空间异质性由结构原因形成的变异为主.沙堆高度、体积以及植被盖度的变异程度是临泽大于金塔,而植被高度和盖度的变异程度则相反.泡泡刺灌丛沙堆的变程(A0)在0.42～310.92m之间,说明在不同的地点、生境和外界干扰强度下,泡泡刺灌丛沙堆的生态过程和格局明显不同.除临泽沙漠的沙堆高度和植被冠幅外,其它地点和生境各形态参数的C/(C0+C)值均大于60%,说明随机变异均小于结构性变异,格局具有较强的空间自相关性.分维数D值揭示出空间异质性(即结构复杂性)的变化特征.在临泽,戈壁的D值在1.77～1.978之间,均值最小;而沙漠中D值在1.973～1.996之间,均值最大.金塔的D值位于临泽的戈壁和沙漠之间.从空间异质性角度来说,D值越<2,m(双对数半方差图的斜率)值越大,直线越陡,不同样地间差异越显著,格局的空间的异质性越强.由此表明,在临泽,戈壁泡泡刺灌丛沙堆空间异质性最高,沙漠中最小;而金塔的空间异质性位于临泽的戈壁和沙漠之间.4讨论4.1沙堆沙堆的发育阶段土壤资源的空间斑块性决定了泡泡刺灌丛沙堆以斑块状格局的形式存在,土壤养分的异质性决定了其空间格局的异质性.此外,格局的形成发育除受降水的影响外,还与地表径流有关,以致沿易形成地表径流的丘间低地呈明显的带状分布.Tengberg和Faso指出,灌丛沙堆在初始成长阶段,沙源供应充分,高和长宽成正比增长,水平尺度与高度相关性明显,与本研究区泡泡刺灌丛沙堆形成发育基本一致.研究表明,短轴先于长轴而存在(图2),即在沙堆的初始形成阶段,沙堆沿风向推移,走向垂直于合成风向,与Thomas等关于成长阶段灌丛沙堆走向沿合成风向的结论不一致.沙堆体积和植被冠幅曲线的截距为负值(图4),即沙堆先于泡泡刺灌丛存在.然而,植被高度和盖度曲线的截距为正值(图5),表明地表在泡泡刺灌丛生长之前已有一定盖度的植被,从而说明泡泡刺属于后来的生态入侵种.此外,沙漠丰富的沙源与高强度风积使得金塔沙漠的泡泡刺灌丛沙堆体积、高度和植被冠幅最大(表1).因此,泡泡刺灌丛沙堆的形成发育阶段概括为:1)初始阶段,由其他植被的阻挡产生的风积作用而形成较小体积的沙堆,为泡泡刺灌丛的入侵提供了适宜的生境;2)形成阶段,泡泡刺灌丛入侵形成灌丛沙堆.但由于灌丛较小、风蚀强烈,灌丛沙堆的走向与合成风向不一致;3)成长阶段,泡泡刺灌丛阻挡作用明显,在一定范围内,沙堆长短轴、面积和高度协调增长,沙堆走向与合成风向保持一致.此外,在“沃岛效应”的作用下,泡泡刺灌丛和沙堆在一定范围内成正比增长,植被高度和盖度成线性关系.所以,泡泡刺灌丛沙堆的适应机理应归于丰富的沙源、高强度的风积产生较深的沙埋对泡泡刺灌丛生长的促进作用及灌丛与沙堆间的反馈效应.4.2空间异质性与空间格局变异函数是揭示变异现象中较为简单有效的数量方法.Cambardella等研究认为,C/(C0+C)值>75%、75%～25%、<25%分别表明变量的空间自相关性较强、中等、较弱.因此,由表2可以看出,在金塔和临泽的戈壁,泡泡刺灌丛沙堆空间相关性较强;在金塔沙漠,其空间相关性属于中等程度;而在临泽沙漠,C/(C0+C)值的范围在0.00～0.953之间,即由随机因素引起的空间异质性在4.7%～100%之间,表明在此生境中泡泡刺灌丛沙堆的空间异质性存在随机原因形成变异为主的可能性.在临泽戈壁,沙堆高度和植被高度的变程(A0)>100m,空间自相关性在研究的尺度范围内消失.此外,在临泽沙漠,沙堆高度和植被冠幅的C0与C0+C相等,结构比C/(C0+C)为0,变异函数出现纯块金效应,预示着泡泡刺灌丛沙堆在研究尺度上具有恒定的变异.所以在这个尺度(样地面积)上计算的空间异质性参数不能真实地反映整个荒漠绿洲过渡带的泡泡刺灌丛沙堆空间格局.因此,在进一步研究荒漠绿洲过渡带泡泡刺灌丛沙堆形态特征与空间格局的关系时,需将样地面积扩大到更大的尺度上.何志斌等的研究表明,当样地面积小于200m×200m时,所获取的数据不能真实反映泡泡刺种群的空间异质性.这仅是利用植被盖度来研究采样尺度对泡泡刺灌丛沙堆空间异质性的影响,是否具有普遍意义还需要进一步研究.当样地面积的大小超过一定尺度时,尺度效应将随着样地面积的加大而逐渐减小,各个参数变化稳定,空间异质性将与样地大小的变化无关.因此,在大中尺度上研究泡泡刺灌丛沙堆空间格局,应根据调查内容来确定样地面积的大小.5泡刺下u3000金塔-临泽-金塔-沙堆的时空分布格局和形成发育的阶段性.1)泡泡刺灌丛沙堆是近圆形或椭圆形凸起的独立型沙包,在金塔有