腾格里沙漠东南缘3种沙丘4种微地貌上土壤水分与地形⁃植被因子之间的关系

Relationship between soil moisture and topography-vegetation factors on three types of sand dunes and four types of micro-geomorphology in the southeastern margin of Tengger Desert in northern China

摘要

目的 针对腾格里沙漠东南缘固定、半固定和流动沙丘4种微地貌类型（背风坡、迎风坡、丘顶和丘底）0~300 cm的土壤水分与对应的地形-植被因子之间的关系进行综合分析，可对今后该地区植物固沙措施的建立和固沙植被的保护提供科学指导。 方法 采用多重比较、Pearson相关分析和结构方程对3种沙丘类型4种微地貌上不同深度（表层0~40 cm、中层40~200 cm和深层200~300 cm）的土壤水分特征和地形-植被变量间的关系开展研究。 结果 不同类型沙丘0~300 cm平均土壤水分流动沙丘>半固定沙丘>固定沙丘；与半固定和流动沙丘相比，固定沙丘表层、中层和深层之间土壤水分在不同微地貌类型之间没有显著的差异。半固定和流动沙丘迎风坡和丘底的土壤水分高于背风坡和丘顶。 结论 地形因子中坡度和高差对土壤水分具有显著的负效应，植被因子在固定和流动沙丘上对土壤水分的影响不显著。

Abstract

Objective The study aimed to comprehensively analyze the relationship between soil moisture in depth of 0~300 cm and the corresponding topography-vegetation factors on four types of micro-geomorphology （i.e.leeward slope，windward slope，and the top and bottom of sand dunes） of fixed，semi-fixed and mobile sand dunes in the southeastern margin of Tengger Desert，China，providing scientific guidance for the establishment of sand fixation measures and the protection of recovered vegetation in this area in the future. Method The relationship between soil moisture characteristics and topography-vegetation variables at different depths （i.e.0-40 cm in the surface layer，40~200 cm in the middle layer，and 200~300 cm in the deep layer） on four micro-geomorphology of three types of sand dunes was investigated by using multiple comparisons，Pearson correlation analysis and structural equations model. Result The average soil moisture of different types of sand dunes at the depth of 0~300 cm ranged in the order as follows： mobile sand dunes > semi-fixed sand dunes > fixed sand dunes.Compared with semi-fixed and mobile dunes，the soil moisture on fixed dunes at the surface，middle and deep layers did not significantly differ among different types of micro-geomorphology.For semi-fixed and mobile sand dunes，the soil moisture on windward slope and at bottom of dunes were higher than that on the leeward slope and top of the dunes. Conclusion Among topographical factors，slope and height difference have significantly negative effects on soil moisture，while vegetation factors have no significant effect on soil moisture in fixed and mobile sand dunes.

Graphical abstract

关键词

土壤水分 / 地形因子 / 植被因子 / 结构方程模型（SEM） / 腾格里沙漠

Key words

soil moisture / topography factor / vegetation factor / structural equation models（SEM） / the Tengger Desert

水文学和生态系统之间的关系是生态水文学研究的一个重要方面^［1-3］。理解土壤水分的分布与其对应的植被-地形变量之间的互馈互调机理有助于在水文和生态过程之间建立定量关系。土壤水分通过控制植物生长、繁殖、竞争和演替过程中所需的水分和养分等资源直接影响植物群落的建立和演替，因此，土壤水分是水文循环的重要组成部分^［4］。特别是在干旱半干旱生态系统中，土壤水分是植物生长和繁殖最主要的水分来源，是植物生长主要的限制因子，其状态和分布直接影响着植物分布和植物的组成结构^［5］。然而，受沙区不同的地形、植被和气候等非生物和生物因素的影响，影响土壤水分的状态和分布的因素十分复杂，呈现高度的非线性性。已有的研究表明，植物作为土壤水分重返大气的管道，控制着降水到土壤水分的运移，通过植物冠层的拦截、蒸散和直接穿透冠层等过程对土壤水分进行调节。同时，植物的类型和结构以及群落的组成也会引起土壤水分的时空变化。另一方面，干旱半干旱沙区复杂的地形，特别是立地尺度上沙丘的微地貌是沙区气候和植被等影响土壤水分的生物因素（植物的多度、盖度、生物量等）和非生物因素（坡度、坡向和高差等）的重要载体，不同微地貌类型上沙区土壤水分会呈现高度的异质性和非线性特征。因此，全面分析沙区土壤水分的分布状况以及土壤水分与其对应的地形和植被变量之间的关系是掌握沙区土壤水分分布规律的前提，也是今后在立地尺度上开展不同类型沙丘上固沙植被建设和植被保护的重要依据。

土壤水分在空间上会呈现较高的异质性，这种异质性是由许多复杂且相互作用的过程引起的^［6］。在立地尺度上，地形（坡度、坡向和高差等）、植被（盖度、多度、生物量等）等许多因子都会影响土壤水分的空间异质性^［7］。由于不同地形上太阳辐射强度和植被分布的不同，从而会间接影响土壤水分的含量和分布。目前，干旱半干旱地区土壤水分的空间异质性研究表明，土壤水分含量及其空间分布受坡向、坡度和微地形特征的影响，其影响程度也随着土壤深度的不同而不同^［8-10］。例如，由于坡向影响日照和地表温度，不同坡向上土壤水分的差异很大。一般而言，北坡上的土壤水分高于南坡^［9-10］。同时，由于坡度影响着土壤水分的入渗、径流的形成和径流的速度等，土壤水分会随着坡度的增加而降低^［9-11］。进一步，土壤水分与高差也呈反比例关系，即土壤水分随着高差的增加而降低^［9-10］。进一步，不同植被类型上土壤养分和土壤物理条件具有较大的差异，它会对土壤水分也产生较大的影响^［12］。已有的研究已经表明，植被增强了土壤微生境的水分和保温能力^［13-14］。沙漠生态系统是我国干旱半干旱生态系统最重要的组成部分，其上土壤水分也受到其上植被和微地貌的强烈影响。然而，在立地尺度上，有关不同类型沙丘不同微地貌上土壤水分与植被-地形因子之间的关系研究鲜有报道。本研究利用网格化采样获得的土壤水分、植被和地形数据，对我国第四大沙漠腾格里沙漠东南缘沙坡头地区固定、半固定和流动沙丘不同微地貌类型（背风坡、迎风坡、丘底和丘顶）上土壤水分和地形-植被因子之间的关系开展研究，以期在立地尺度上确定土壤水分与地形-植被因子之间的关系，为今后该地区固沙植被建设和管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于腾格里沙漠东南部的宁夏中卫沙坡头地区（N 37°30′~40°10′，E 102°20′~105°55′），平均海拔介于1 200~1 400 m之间。年均降雨量为176 mm，约80%的降雨发生在6月至9月之间。该地区单次降雨量小，强度低，约64%的单次降雨事件的降水强度均小于0.5 mm/h。研究区地下水埋深达50~80 m，降水是该地区固沙植被唯一可靠的水源。年平均气温约为10.0 ℃，7月平均最高气温24.7^{℃，1月平均最低气温为-6.1 ℃，年均蒸发量约为2 000 mm。该地区土壤主要由细砂组成，可分为原生灰钙土和风成沙土。研究区内有大量的大而密集的格状沙丘链及新月形沙丘链，固沙植被主要分布在固定和半固定沙丘上。主要的固沙灌木包括油蒿（Artemisia ordosica）、柠条（Caragana korshinskii）、小叶锦鸡儿（Caragana microphylla）、沙拐枣（Calligonum arborescens）和沙木蓼（Atraphaxis bracteata）等，植被盖度约为15%~45%之间［13］。}

1.2 试验设计

2019年7月在研究区分别设置一块位于固定、半固定和流动沙丘上的试验样地。由于样地须包含背风坡、迎风坡、丘顶和丘底4种微地貌类型，将固定沙丘样地的大小设置40 m×180 m，半固定和流动沙丘样地大小设置为40 m×180 m。，固定沙丘样地位于距离中国科学院沙坡头沙漠试验研究站3 km处的红卫地区（N 37^°27΄00΄΄，E 104^°46΄01΄΄），半固定沙丘样地位于距离红卫地区2 km 处的长流水地区（N 37^°27΄26΄΄，E 104^°46΄12΄΄），流动沙丘样地位于沙坡头站附近的流动沙丘上（N 37^°29΄28΄΄，E 105^°00΄44΄΄）。流动沙丘样地如图1所示，先将整块样地分为4 m ×4 m的小样方，共计10行（记为A~J行）37列（记为1~37列）。在第C行、F行和I行平行的对应位置分别设置土壤水分采样点，利用土钻法在105 ℃下烘干24 h测量0~300 cm深度的土壤水分，每行共设置24个采样点，每块样地共计72个土壤水分采样点。将0~300 cm深度的土壤水分分为18层，50 cm以上每隔10 cm采样1次，50 cm以下每隔20 cm采样1次。同时，对第E行中每个4 m×4 m小样方中采用50 m×50 cm的草本样方框调查草本盖度、多度和凋落物。进一步，利用记号牌对样地中每一株灌木进行标记，利用钢卷尺测定其株高和冠幅。其中，冠幅的测量分东西和南北2个方向进行。同时，利用全站定位仪RTK对小样方的定点和每株灌木的位置进行定位。同时，利用1 m×1 m小样方调查了样地中每个样方的灌木盖度、多度。最后，利用RTK得到的每个样方定点的坐标数据，利用数字高程模型计算得到每个样方的地形因子（包括坡度、坡向和高差，其中坡向规定为正东方向为0度，顺时针旋转），具体计算方法见文献^［13］。

1.3 数据分析

1.3.1 土壤水分的划分

以往的研究表明，表层土壤水分通常受降水的入渗或蒸散发的影响较大，是草本植物和浅根系固沙灌木的主要水源。深层土壤水分则起着土壤水库的作用，在降水较多的年份，深层土壤水分可以通过降水的入渗得到补充，在降水较少的年份，深层土壤水分也可为植物生长提供必要的水分。研究区草本植物大部分根系主要分布在0~40 cm，约80%左右固沙灌木根系分布在40~200 cm的土层范围，大约10%的灌木的根系在200~300 cm的土层范围内^［15-16］。因此，本研究将土壤水分划分为3层，0~40 cm的表层、40~200 cm的中层和和200~300 cm深层。

1.3.2 结构方程模型

结构方程模型（structural equation modeling，SEM）允许对一个和多个连续或离散的自变量与一个和多个连续或离散的因变量之间的因果关系进行检验的模型方法^［13］。也称为因果建模、因果分析、联立方程建模和协方差结构分析等。其中，路径分析或验证性因素分析是结构方程模型的特殊情形。本研究将植被变量（包括灌木的盖度、多度和生物量）综合为植被因子，地形变量（包括坡度、坡向和高差）综合为地形因子，将表层、中层和深层土壤水分综合为土壤水分因子，利用结构方程模型研究3个潜变量（土壤水分、植被因子和地形因子）之间的关系。

2 结果与分析

2.1 土壤水分随深度的变化特征

图2表示固定、半固定和流动沙丘上土壤水分随深度的变化规律。结果表明，不同类型沙丘上平均土壤水分的大小顺序为流动沙丘上最高，半固定沙丘上次之，固定沙丘上的土壤水分最低。同时，随着深度的增加，3种沙丘上的土壤水分波动程度从表层到深层逐渐减少，最后逐渐趋于稳定。进一步，土壤水分在半固定和流动沙丘上的波动程度明显的高于固定沙丘上土壤水分的波动。

2.2 不同类型沙丘不同微地貌上土壤水分的分布特征

对3种不同类型沙丘4种微地貌类型上不同深度的土壤水分，利用多重比较中的LSD法（Fisher's least significant difference）进行方差检验，结果如图3所示。固定沙丘不同微地貌类型上的表层（图3-A）、中层（图3-B）和深层（图3-C）土壤水分在不同微地貌类型之间没有显著的差异。整体而言，半固定（图3-D~F）和流动沙丘（图3-G~L）不同微地貌类型上表层、中层和深层土壤水分在不同微地貌类型之间有显著的差异，且迎风坡和丘底的土壤水分高于背风坡和丘顶上的土壤水分。对半固定沙丘而言，表层土壤水分（图3-D）在4种微地貌类型上的土壤水分的大小顺序为：丘底>迎风坡>背风坡和丘顶。其中，背风坡与丘顶之间无显著差异，丘底与迎风坡、丘底与背风坡（包括丘顶）以及迎风坡与背风坡（包括丘顶）之间有显著差异；对中层土壤水分（图3-E），4种微地貌类型上的土壤水分的大小顺序为：丘底>迎风坡>丘顶>背风坡。其中，迎风坡与丘底之间、背风坡与丘顶之间均无显著差异，迎风坡与背风坡（包括丘顶）以及丘底与背风坡（包括丘顶）之间有显著差异；深层土壤水分在不同微地貌类型之间均没有显著差异（图3-F）。对流动沙丘而言，表层土壤水分（图3-G）在4种微地貌类型上的大小顺序为：丘底>迎风坡>丘顶>背风坡，其中，除迎风坡与丘底、背风坡与丘顶之间无显著差异，其他微地貌类型之间的土壤水分均有显著差异；对中层土壤水分（图3-H），4种微地貌类型上的土壤水分的大小顺序为：丘底>迎风坡>丘顶>背风坡。其中，迎风坡与丘底、背风坡与丘顶之间均无显著差异，迎风坡与背风坡（包括丘顶）、丘底与背风坡（包括丘顶）之间有显著差异；对深层土壤水分（图3-L），不同微地貌类型上的土壤水分的大小顺序为：丘底>迎风坡>背风坡>丘顶。其中，迎风坡与丘底（包括背风坡）之间无显著差异，背风坡与丘顶之间无显著差异，丘顶与丘底、迎风坡之间存在显著差异。

2.3 不同类型沙丘不同深度土壤水分与地形-植被因子的相关分析

将因变量土壤水分和自变量地形-植被因子进行相关分析，表1为不同深度土壤水分与地形-植被因子之间的Pearson相关系数。由表1可知，对固定沙丘而言，对其上不同深度土壤水分影响显著的地形-植被因子包括坡向、坡度、高差和灌木多度。其中，高差和灌木多度对表层土壤水分有显著的负相关关系；坡向对中层土壤水分有正相关关系，坡度和高差对中层土壤水分有负相关关系；坡向对深层土壤水分也具有正相关关系，高差对深层土壤水分有正相关关系。对半固定沙丘而言，对其上土壤水分影响显著的地形⁃植被因子包括坡向、坡度、高差和凋落物。其中，坡度和高差对表层土壤水分有正相关关系，坡向对表层土壤水分有负相关关系；坡度和高差对中层土壤水分有负相关关系，坡向和凋落物的含量对中层土壤水分有正相关关系；坡度、高差和灌木多度对深层土壤水分均呈现负相关关系。对流动沙丘而言，对其上土壤水分影响显著的地形⁃植被因子有坡度、高差和灌木多度。其中，灌木多度对表层土壤水分有正相关关系，坡度表层土壤水分有负相关关系；坡度、高差和灌木多度对流动沙丘中层和深层土壤水分均对其有负相关关系。

2.4 不同类型沙丘上地形-植被因子对土壤水分的路径效应

为了进一步验证不同类型沙丘地形⁃植被因子对土壤水分的路径效应，假定地形因子会直接或者间接的通过植被因子影响土壤水分。将土壤水分作为因变量，综合得到的地形和植被因子潜变量为自变量，利用结构方程模型（SEM）对其路径效应进行分析，结果如图4所示。由χ²检验可知，3个结构方程模型均显著（P<0.01）。进一步，SEM结果表明，3种类型沙丘上，地形因子（主要是坡度和高差）对土壤水分均具有显著的负效应，植被因子在固定和流动沙丘上对土壤水分的影响均不显著，但其对半固定沙丘上的土壤水分具有显著的负效应。具体而言，固定沙丘上地形因子坡度、坡向、高差对土壤水分产生了极显著的负效应，路径系数为-0.40（P<0.001），其中，地形因子中对土壤水分影响最为显著的是坡度、高差。灌木和草本因子对土壤水分的影响并不显著。半固定沙丘上地形因子坡度、坡向、高差也对土壤水分产生极显著的负效应，路径系数为-0.98（P<0.001）；灌木盖度、多度、生物量对土壤水分也有极显著的负效应，路径系数为-0.54（P<0.001）；草本盖度、草本多度、凋落物对土壤水分产生也显著的负效应，路径系数为-0.30（P<0.05）。流动沙丘上地形因子坡度、坡向、高差对土壤水分也产生极显著的负效应，标准路径系数为-0.97（P<0.001），而灌木因子、草本因子对土壤水分的影响并不显著。

3 讨论

3.1 土壤水分随深度的变化特征

研究区3种类型沙丘（固定、半固定和流动沙丘）在0~300 cm剖面上的平均土壤水分的大小顺序为流动沙丘上最高，半固定沙丘上次之，固定沙丘上最低。一方面是因为降水是该地区土壤水分最主要的来源，同时，流动沙丘上土壤中的细沙粒含量高达80%以上，远高于半固定沙丘上约为60%和固定沙丘上约为50%的细沙粒含量。由此导致流动沙丘和半固定沙丘上的降水入渗量远高于固定沙丘。另一方面，固定和半固定沙丘上植被盖度相对较高，同时其上还会形成不同生长发育阶段的生物土壤结皮，这些都不利于降水入渗到土壤之中，再加上固定和半固定沙丘上土壤水分的蒸散发消耗，均会导致其上土壤水分较流动水沙丘低。同时，随着深度的增加，3种沙丘上的土壤水分波动程度从表层到深层逐渐减少，最后逐渐趋于稳定且土壤水分在半固定和流动沙丘上的波动程度明显的高于固定沙丘上土壤水分的波动^［19］。这是因为表层土壤水分较深层土壤水分受降水的入渗或蒸散发的影响较大，表层土壤水分也是固定和半固定沙丘上草本植物和浅根系固沙灌木的主要水源。深层土壤水分主要为深根系的固沙植被提供土壤水分，在沙区起着土壤水库的作用。另一方面，固定沙丘上的固沙植被经过长时间的演替，其上植被和土壤水分之间已经形成了较好的互馈互调机制，由此导致其上土壤水分的波动较小。

3.2 不同类型沙丘4种微地貌上的土壤水分分布特征

利用多重比较法对不同微地貌类型上的土壤水分之间进行方差分析表明，表层、中层和深层土壤水分在固定沙丘4种微地貌类型上没有显著的差异。这是因为固定沙丘所在地的植被类型为天然固沙植被，其固沙植被经过长时间的演替和进化，已经形成了稳定的固沙植被群落生态系统。其上土壤水分通过成熟的土壤系统到达植物根系，被根系吸收，同时土壤水分也通过植物的根茎到达叶片，再蒸发到大气之中，已经形成了稳定的可将土壤水分最大化利用的互馈互调系统。同时，半固定和流动沙丘4种微地貌类型上表层、中层和深层土壤水分之间有显著的差异，说明半固定和流动沙丘还未形成土壤水分和植被之间稳定的生态系统，今后我们应该继续加强半固定沙丘上固沙植被的管理，继续开展植物固沙研究，以期能够通过科学合理的植物固沙措施在流动沙丘上建立固沙植被，最终使其演替为与固定沙丘一样的稳定的固沙植被生态系统。进一步，本研究表明半固定和流动沙丘上迎风坡和丘底的土壤水分显著的高于背风坡和丘顶上的土壤水分。这与王锐等人关于腾格里沙漠不同地形下土壤水分空间变化动态研究中的相关研究结论相一致^［20］。一方面半固定和流动沙丘上疏松的沙土有利于降水从地势较高的迎风坡、背风坡和丘顶上向地势较低的丘底入渗。另一方面，由于半固定和流动沙丘表面的干沙会通过风沙活动从丘顶移动至背风坡，由此导致背风坡和丘顶0~300 cm深度的土壤水分低于丘底和迎风坡。同时，半固定沙丘不同微地貌类型上的植被分布不同，其上不同微地貌上生物土壤结皮的类型和成土层的厚度具有显著的差异。沙丘表面的生物土壤结皮可有效提高土壤水分和土壤的持水力^［21］。沙丘表面成土层越厚和生物土壤结皮发育越好的地方，其土壤的持水性越好。在半固定沙丘上，丘底的结皮层和成土层的厚度最厚，会形成发育良好的藓类结皮，迎风坡上的结皮层和成土层的厚度次之，主要以藓类和藻类混生结皮为主。背风坡和丘顶上仅能形成少量的斑块状的藻类结皮。总之，对半固定上固沙植被进行科学的管理和在流动沙丘上建立固沙植被是今后沙区防风固沙的主要任务。针对丘顶和背风坡上因为沙丘流动使土壤水分低和固沙植被难以成活的状况，在今后的防风固沙中，可以通过研究不同沙区不同季节风沙活动的主风向，在迎风坡上设置沙障并建立密集的草方格等固沙措施，在背风坡和丘顶处设置相对稀松的草方格等措施，以此来提高固沙效率和防治固定半固定沙丘退化为流动沙丘。

3.3 基于结构方程模型的土壤水分与地形-植被因子之间的关系

利用结构方程模型（SEM）对3种类型沙丘上土壤水分与地形因子（包括坡度、坡向和高差）和植被因子（包括灌木的盖度、多度、生物量以及草本的盖度、多度和凋落物）路径分析表明，三种类型沙丘上，地形因子中坡度和高差对土壤水分均具有显著负效应。造成土壤水分随着坡度和高差递减这一现象的原因是多方面的，一方面，沙漠中的植被大部分生长在丘底，同时高差大的地方不容易聚集雨水，而且阳光照射时间长，蒸发比较强烈^［10］。另一方面，研究区的土壤水分主要来自降水，由于水分的入渗作用，使得高差小的地方土壤水分较高^［21-22］。同时，本研究还表明，土壤水分随着坡度的增加而减少，这是因为坡度愈大，降雨过程中的雨水随地表径流损失愈大，进而使得入渗补给到土壤中的水分愈少。这与邱德勋和赵晓光等人有关坡度对前程土壤水分影响的研究结论相一致^［23-25］ 。同时，植被因子在固定和流动沙丘上对土壤水分的影响均不显著，但其对半固定沙丘上的土壤水分具有显著的负效应。一方面是因为固定沙丘上固沙植被的盖度达43.46%，其上已经形成了与土壤水分相协调的稳定的固沙植被生态系统。流动沙丘上固沙植被的盖度仅有2%左右，其对土壤水分的影响有限。然而，半固定沙丘上固沙植被的盖度可达33.13%，其表面还有大量的裸地，仅丘底和迎风坡上形成了大量生物土壤结皮，固沙植被还以木本植物为主，未形成类似固定沙丘上以草本植物为优势，木本植物为辅的固沙植被群落，由此导致木本植物对半固定沙丘上的土壤水分有较大的影响。

4 结论

1） 不同类型沙丘上0~300 cm深度范围内的平均土壤水分的大小顺序为：流动沙丘上最高，半固定沙丘上次之，固定沙丘上的土壤水分最低。随着深度的增加，3种沙丘上的土壤水分波动程度从表层到深层逐渐减少，最后逐渐趋于稳定。土壤水分在半固定和流动沙丘上的波动程度明显的高于固定沙丘上土壤水分的波动。

2） 表层、中层和深层土壤水分在固定沙丘4种微地貌类型上没有显著的差异，半固定和流动沙丘4种微地貌类型上表层、中层和深层土壤水分之间有显著的差异，还未形成土壤水分和植被之间稳定的生态系统，半固定和流动沙丘上迎风坡和丘底的土壤水分显著的高于背风坡和丘顶上的土壤水分。

3） 3种类型沙丘上，地形因子中坡度和高差对土壤水分均具有显著负效应，植被因子在固定和流动沙丘上对土壤水分的影响均不显著。

通过确定不同沙区不同季节风沙活动的主风向，以迎风坡上设置沙障并建立密集的草方格等固沙措施为主，背风坡和丘顶处设置相对稀松的草方格等措施，以此来提高固沙效率和防治固定半固定沙丘退化为流动沙丘。

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基金资助

甘肃省科技创新人才计划⁃“西部之光”人才计划项目(22JR9KA032)

甘肃省自然科学基金项目(21JR7RA831)

国家自然基金项目(41661022)