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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第25卷 第3期自 然 资 源 学 报Vol125 No13 2010年3月JOURNAL OF NATURAL RESOURCESMar ., 2010 收稿日期: 2009- 05- 06;修订日期: 2009- 12- 14。 基金项目:国家重点基础研究发展规划资助项目(2005CB422005)。 第一作者简介:杨兆平(1980- ) , 男,博士生,主要从事生态系统生态学和景观生态研究。E2mail: yangzp04
2、 1631com 3 通信作者简介:欧阳华(1958- ) ,博士,研究员。E2mail: ohuaigsnrr1ac1cn 五道梁高寒草原土壤水分和植被盖度空间 异质性的地统计分析 杨兆平 1, 2 ,欧阳华 13 ,徐兴良 1 ,杨文斌 1, 2 (1. 中国科学院 地理科学与资源研究所,北京100101; 2.中国科学院 研究生院,北京100049) 摘要:青藏高原高寒草原区,由于长期冻融和地下冰的存在形成了独特的生态水文结构,土壤 水分是控制高寒草原生态过程的关键因子。利用地统计学对多年冻土区高寒草原土壤表层含 水量和植被盖度的空间变异性进行研究,结果表明,高寒草原生态系统浅层剖面 (
3、0 50 cm)土 壤水分和植被盖度均符合正态分布,土壤含水量沿垂直方向逐渐增大,介于19. 43%25. 37% 之间,变异系数介于23. 77%40. 92%;植被盖度具有强变异性,变异系数为47. 99%。050 cm 土壤含水量具有高度的空间异质性,其中91. 1%的空间异质性是由空间自相关部分引起的,主要 体现在10190 m的中尺度上;植被盖度在研究尺度上具有中等程度的空间自相关,植被盖度随 机部分的空间变异性占总空间变异性的比例为34. 2%,主要体现在 a (2) r(h) = C0 + C ( 1- e - h a) (3) 式中, C0为块金值, C0+C为基台值, a为变
4、程。 一般用决定系数R 2 判断模型拟合的好坏,决定系数是回归平方和占总平方和的比值, F为检验决定系数的统计量,计算公式 28 F = R 2 / ( 1- R 2 ) (N - K) / (K -1 ) (4) 式中,K为回归模型中自变量的个数,若计算的F值大于显著性水平(0. 05或0. 01)与自由 度f的临界值Ff时,R 2 是有意义的。 2 结果与分析 2. 1 土壤水分和植被盖度统计特征 对青藏高原多年冻土区高寒草原生态系统土壤水分进行空间变异分析时,先用经典统 计方法进行分析(表 1) 。研究区域内,土壤水分含量平均值剖面方向上具有逐渐增高的趋 势,最低的是05 cm层,平均土
5、壤水分含量为19. 43% ,最高的是4050 cm层,为 25. 37%。 剖面各层土壤水分中值、 均值均很接近,这表明土壤水分的中心趋向分布并不被 异常值所决定。标准差范围介于5. 927. 95之间,土壤水分的绝对变异性在垂直剖面上依 次降低。峰度值均小于3,呈“ 低峰态 ” 分布。变异系数(Cv)反映的是相对变异,即随机变 量的离散程度。一般认为,Cv10%为弱变异性; 10% Cv 30%为中等变异性;Cv 30%为强变异性 29 。土壤水分变异系数 05cm土层最大,为40. 92 %; 040cm各层逐 渐降低,到4050cm又略有升高,为30. 14%。05 cm、510 cm
6、、4050 cm土壤水分具 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 3期杨兆平等:五道梁高寒草原土壤水分和植被盖度空间异质性的地统计分析429 有强变异性,中间各层土壤水分变异系数不高,属于中等变异。植被盖度的标准差和变异系 数均很大,分别为13. 93和47. 99% ,说明植被盖度的高度异质性。采用单样本KS检验(取 显著水平= 0. 05) ,结果表明研究区土壤水分资料符合正态分布。由于各层土壤水分的 分布是连续的,因此,表1所给出的统计值仅是从统计的角度描述了土
7、壤水分的变化,只能 在一定程度上反映总体的特征,要反映土壤水分在空间上的变化特性,必须进行空间变异结 构方面的分析与探讨。 表1 土壤水分和植被盖度的统计特征 Table 1 Description statistics of soilmoisture and vegetation coverage 土壤层 /cm 平均值 / (% v/v) 标准差 / (% v/v) 变异系数 /% 最小值 / (% v/v) 最大值 / (% v/v) 中值 / (% v/v) 偏态 系数 峰态 系数 分布 类型 KS检验 0519. 437. 9540. 929. 3038. 6017. 600. 92
8、0. 11N0. 14 51020. 986. 8132. 4910. 5037. 7019. 700. 78- 0. 39N0. 08 102024. 426. 3726. 0814. 1036. 7024. 600. 13- 0. 97N0. 88 203024. 976. 3525. 4313. 3037. 9024. 200. 02- 1. 12N0. 34 304024. 925. 9223. 7713. 3035. 8026. 35- 0. 29- 0. 94N0. 24 405025. 377. 6530. 1413. 2054. 0024. 900. 932. 01N0. 68
9、 植被盖度 /% 29. 0313. 9347. 998. 0065. 0028. 000. 29- 0. 64N0. 35 2. 2 土壤水分与植被的空间变异 表2是剖面土壤水分和植被盖度变异函数理论模型得出的相应参数及分维数。理论变 异函数是从球状模型式 (2) 和指数模型式 (3) 得出,它们对于实验变异函数拟合较 好,决定系数大于0. 8,F检验为极显著水平(表2) ,说明理论变异函数模型很好地反映 了土壤水分和植被盖度的空间结构特性。 表2 土壤水分和植被盖度变异函数理论模型相关参数及分维数 Table 2 Semivariogram models of soilmoisture a
10、nd vegetation coverage, corresponding parameters and fractal dimensions 项目 土壤层 /cm 理论模型 块金值 C0 基台值 C0+C 变程a/m 空间自相关 C /C0+C 决定系数 R2 F 土壤湿度05球状0. 1178. 9190. 50. 9990. 946122. 630 510球状0. 181. 2111. 40. 9990. 948127. 615 1020球状3. 361. 0494. 60. 9460. 95133. 000 2030球状0. 164. 4898. 10. 9980. 949130. 2
11、55 3040球状0. 152. 98900. 9980. 944118. 000 4050球状9. 8110. 6131. 80. 9110. 971234. 379 植被盖度指数74. 3217. 460. 30. 6580. 81430. 634 注:F(1, 6)0. 05=5. 987,F(1, 6)0. 01=13. 75。 块金值(C0)表示随机部分的空间异质性,由实验误差和小于实验取样尺度引起的变 异,较大的块金方差表明较小尺度上的某种过程不容忽视 31。剖面土壤水分块金值变化 于0. 19. 8之间,植被盖度的块金值较大,为74. 3。1020 cm、4050 cm层土壤水分
12、和 植被盖度存在明显的块金效应,可以采取减小取样间隔的方法来增加其空间结构信息。导 致1020 cm层土壤水分存在块金效应的主要原因是植被状况的差异,调查地下生物量的 过程中发现多年冻土区高寒草原生态系统地下生物量主要分布在010 cm土层, 1020 cm层根系分布迅速减少,使得小于取样尺度的内部变异增强;另一个原因就是植被盖度差 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 430 自 然 资 源 学 报25卷 异引起植被在小尺度内的强烈变异,这点可从植被盖度统计特征中得
13、到很好的说明,植被盖 度的标准差和变异系数分别为13. 93和47. 99% ,绝对变异和相对变异均很大。4050 cm 层土壤水分块金效应明显,主要和土壤厚度、 土壤母质等土壤物理性质的差异有关,土壤深 层砾石含量增加,小尺度变异性增强;另一个重要原因就是冻土活动层深层土融化对水分空 间分布的影响,水分会随着冻土融化过程逐渐向活动层底部迁移,形成了多年冻土区水分 分布的不均匀。尽管所选研究区地势相对平坦,但仍存在局部微地形之间的差异,加之土壤 厚度、 母质和含水量之间的不同使得植被盖度在小尺度内变异强烈,具有明显的块金效应。 基台值(C+C0)又称为平顶值或顶坎值,基台值越大表示总的空间异质
14、性程度越高, 是半变异函数达到的极限值,在这个值附近半变异函数值不再单调递增,而是围绕这一值 上下摆动,且该值是半方差函数随间距增加到一定程度后出现的平稳值 30 。050 cm范 围内土壤水分基台值在52. 98178. 9之间,植被盖度基台值较高,为217. 4。05 cm、5 10 cm层土壤水分基台值较大反映变异程度较高,主要和地表土壤、 微地形和植被盖度间的 差异有关。基台值反映的4050 cm层土壤水分和植被盖度变异程度较高,进一步印证了 通过块金值得到的结果。 Cambardella等 31运用参数比值的大小判定系统内变量的空间相关性程度 ,指出当 C / (C0+C)值为75%
15、时,分别表明变量的空间相关性为较弱、 中等、 较 强。本研究表明,青藏高原多年冻土区高寒草原各层土壤湿度的C / (C0+C)均大于75%,植 被盖度的C / (C0+C)值为65. 8%,小于75%,表明在研究尺度上土壤水分具有较强的空间自 相关,而植被盖度在研究尺度上具有中等程度的空间自相关。总的说来,青藏高原多年冻土区 高寒草原表层土壤水分和植被盖度具有较好的空间结构性。1020 cm、4050 cm层土壤水 分总空间异质性中分别约有5. 4%和8. 9%由随机因素引起,主要存在于10 m的尺度内,而 由空间自相关部分引起的空间异质性占总空间异质性大于91. 1% ,存在于10190 m
16、范围 内。各层土壤水分随机部分的空间变异性占总空间变异性的比例较小,这说明土壤水分不存 在更小尺度的空间格局,也即小尺度上的土壤过程可以忽视。植被盖度随机部分的空间变异 性占总空间变异性的比例为34. 2%,主要体现在10 m的尺度内。建议在今后的研究中,增 加采样密度,同时考虑土壤性质的差异,进一步提高植被盖度空间格局结果的完整性。 2. 3 土壤水分和植被盖度空间异质性的尺度效应 变程是测定土壤水分与植被特征最大变异的空间距离,在变程之内,空间自相关存在, 在变程之外,空间自相关消失 30。因此 ,变程的大小表示空间异质性的尺度。在本研究中, 不同土层土壤湿度异质性尺度不同,变程大约在90190 m范围内,说明影响土壤水分的生 态过程在不同的尺度上起作用。05 cm土壤水分变程最大为190. 5 m, 4050 cm土壤水 分变程次之为131. 8 m,植被盖度的变程为60. 3 m
