干旱和半干旱地区的流动沙地是一种地表裸露疏松的生态系统，植被覆盖度低，风沙活动强烈，降水稀少，蒸发强烈^[1-2]。土壤水分被认为是控制沙漠化的约束因素^[3-4]，是气候、植被、地形及土壤等自然条件的综合反映，其时空分异性在大尺度上受气象和水文状况影响，局部地貌特征对土壤水分分异规律的影响也不可小觑^[5]。国内外学者就土壤水分时空动态及其运动机理^[6]，降水、植被类型和生物结皮对土壤水分的影响等内容进行了大量研究^[7-9]。土壤水分在季节性积雪、地形地貌、植被盖度等因素的影响下显现出明显的时空分异性，表现为在较小尺度上水分随坡度变幅明显^[10-11]。前人关于乌兰布和沙漠和毛乌素沙地的研究^[12-13]表明：沙丘上土壤含水量呈现出由丘间地向丘顶逐渐减小的趋势。在同样的地貌部位，决定土壤含水量的主导因素则变为植被类型及其盖度，灌木类植物的保水能力更强^[14]。植被长势较好的固定沙丘，由于生物结皮的存在，导致水分难以下渗而集中在表层，深层土壤含水量偏低，随沙地植被生长时间的增加，沙地水分逐渐降低，但当植被的生长时间超过40年时，沙地浅层保水能力显著提升^[15-16]。

近年来，宁夏河东沙地特别是白芨滩地区防沙治沙工作取得了重大成果，但是缺乏对固沙植被建设以来土壤—植被相互作用的深入研究，尤其是随着固沙植被的生长，土壤水分在植被—土壤系统演替中的机理还不明确；对于该地区土壤水分的研究也仅是短期观测，缺乏长期定位监测与系统分析研究。本研究在该地区过去研究的基础上，进一步在野外定位观测土壤水分动态变化及其格局，揭示宁夏白芨滩防沙治沙区浅层土壤水分的空间变异特征，同时也可为该区域沙漠化治理生态效益评估提供基础数据和科学依据。

1.   材料与方法

1.1   研究区概况

如图1所示：宁夏河东沙地白芨滩自然保护区的大泉沙漠化治理区位于灵武市以南 40 km，N37°54′~38°22′，E106°23′~106°48′，海拔 1 150~1 650 m。属中温带干旱区，大陆性气候特征显著，全年太阳总辐射量为 6 056.20 MJ/m²，全年日照时间为 3 004.80 h，平均气温为 8.8 ℃，年平均降雨量为 198.9 mm，年内分配不均，多集中在 7、8 月，蒸发量大，年平均蒸发量为 1 928.4 mm。白芨滩位于毛乌素沙地南缘，鄂尔多斯台地西南缘，分布着干旱沙地、荒漠和流动沙丘等属荒漠类型的生态系统。白芨滩沙丘类型以流动沙丘为主，呈新月形沙丘链状分布，占 83%；半固定沙丘多呈椭圆形，占10%；流动浮沙土集中分布在流动沙丘的丘间平地，约占 5%；淡灰钙土集中分布在北部流动沙丘间的丘间平地，约占 2%。植被以沙生植被为主，如沙蒿(Artemisia desertorum )、沙米(Agriophyllum squarrosum)、苦豆子(Sophora alopecuroidesL.)、柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii Kom.)和沙柳(Salix psammophila)等，植被盖度为 2%~20%^[17-18]，该沙区主要固沙植物种为柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii Kom.)和花棒(Hedysarum scoparium Fisch.)等灌木植物。

图  1  研究区位置图和地形图

Figure  1.  Location map and topographic map of the study area

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1.2   研究方法

2014年4月，在宁夏灵武白芨滩大泉林场防沙治沙区，选择已采用草方格和植物措施进行固定的沙丘(固沙时间为2008年)，用测线圈定100 m×100 m的范围作为样地，N38°0′18″, E106°24′15″。样地中包括迎风坡、丘间地和背风坡等地形，在其中布设 11 条样带，均匀设置10 m×10 m的样方 120个，取约0~30 cm的浅层风沙土。从2014年4月28日开始，分别在4月底、6月底、8月底和9月底测定121个样点的土壤含水量。其中表层10 cm深处的土壤含水量采用烘干法测定，30 cm深处的土壤含水量采用TDR300便携式土壤水分速测仪测定。前者是重量含水量，后者是体积含水量。

1.3   数据处理

采用SPSS 20.0对试验数据进行描述性统计，利用GS+10.0地统计学分析软件分析土壤含水量空间异质性，建立半方差函数模型，并进行克里格插值。块金值(C₀)与基台值(C₀+C)的比值即块金系数可表示系统变量空间相关程度，块金系数< 25 %表明空间相关性很强，块金系数在25%~50%之间说明变量有明显的空间自相关，50%~75%说明具有中等空间相关性，块金系数 > 75%表明空间相关性很弱^[19]。

2.   结果与分析

2.1   土壤含水量均值及变异系数

从2014年对白芨滩治沙区土壤含水量的观测发现：受降雨、蒸发、植物生长及微地形的影响，白芨滩防沙区表层以及30 cm深处的土壤含水量具有较明显的季节变化趋势(表1、2)，而且表层与30 cm深处的土壤含水量均表现出明显的空间分布特征(图2、3)。从表1可见：4月底、6月底和8月底土壤含水量较低，而9月底土壤含水量较高。30 cm的土壤含水量表现出4月底、6月底小于8月底、9月底。该研究区土壤含水量主要受降水和蒸发影响，因此季节变化较为明显，8月和9月降水较4月和6月多，该地区土壤水分主要来源于降水。变异系数CV的大小反映了土壤含水量的空间变异性大小，一般认为CV<0.01为弱变异性，0.01<CV<1为中等变异性，CV>1为强变异性^[20]。从表1中可以看出，10 cm和30 cm的土壤含水量变异系数均在0.01~1之间，属中等变异。

表  1  土壤含水量(白芨滩)描述性统计结果

Table  1.  Descriptive statistical results on soil moisture content (Baijitan)

测定日期 detection date	深度/cm depth	(平均值±标准差)/% average ± standard deviation	最小值/% minimum	最大值/% maximum	极差/% range	变异系数/% coefficient of variation	分布类型 distribution type
2014−04−30	10	3.22±1.42	0.99	4.38	3.39	0.44	正态分布 normal distribution
	30	15.4±1.41	10.00	17.40	7.40	0.09	正态分布 normal distribution
2014−06−30	10	2.15±1.55	0.38	4.82	4.44	0.72	正态分布 normal distribution
	30	10.9±0.42	8.20	13.50	5.30	0.04	正态分布 normal distribution
2014−08−30	10	3.41±0.87	1.06	4.02	2.96	0.26	正态分布 normal distribution
	30	16.4±0.707	13.00	18.40	5.40	0.04	正态分布 normal distribution
2014−09−30	10	7.47±0.56	2.09	10.16	8.07	0.07	正态分布 normal distribution
	30	20.35±2.05	10.20	23.80	13.60	0.10	正态分布 normal distribution

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表  2  土壤含水量变异函数模型

Table  2.  Variation function models of soil moisture content

测定日期 detection date	深度/cm depth	理论模型 theoretical model	块金值/C0 nugget	基台值/C0+C sill	变程/m variable range	块金系数/%(块金值/基台值) coefficient of nugget (nugget/ sill)	决定系数/(r2) coefficient of determination	残差/RSS residual
2014−04−30	10	球状模型 spherical model	0.016 00	0.516 000	17.00	3.10	0.61	1.850E-03
	30	指数模型 index model	0.238 00	2.664 000	19.20	8.94	0.56	0.08
2014−06−30	10	球状模型 spherical model	0.001 00	0.584 000	16.40	0.17	0.29	6.690E-03
	30	指数模型 index model	0.064 00	0.626 000	24.60	10.22	0.53	0.01
2014−08−30	10	指数模型 index model	0.019 00	0.343 000	16.50	5.54	0.41	1.210E-03
	30	指数模型 index model	0.109 00	1.090 000	14.10	10.00	0.08	0.04
2014−09−30	10	球状模型 spherical model	0.046 00	1.190 000	14.90	0.96	0.09	0.03
	30	指数模型 index model	0.203 00	2.800 000	20.40	0.93	0.58	0.18

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图  2  土壤含水量(10 cm)分布半方差图

Figure  2.  Semi-variance of soil moisture content (10 cm) distribution

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图  3  土壤含水量(30 cm)分布半方差图

Figure  3.  Semi-variance of soil moisture content (30 cm) distribution

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本研究所选取的沙丘类型为固定沙丘，表层土壤含水量表现出明显的空间分异特征。李森等^[21]对腾格里沙漠东南缘固定沙丘表层土壤水分时空分异的研究表明：固定沙丘表层含水量时空分异之所以表现明显有两方面原因：降水的分布格局和植物蒸腾及土壤表面蒸散耗水。研究结果中10 cm和30 cm处4月底、6月底土壤含水量均值小于8月底和9月底，表明4月底和6月底是土壤水分损耗期，8月底和9月底是土壤水分积累期。朱海等^[22]在古尔班通古特沙漠南缘对固定沙丘土壤水分的研究认为3—5月是土壤水分补给期，6—10月是土壤水分耗损期。这一研究结果与白芨滩呈相反趋势，白芨滩年内降雨集中在7、8月，4、6月耗水源主要是植物生长和土壤表层蒸散，而古尔班通古特沙漠土壤含水量补给方式为春季冰雪融水和降雨，5月以后，温度回升，蒸发加剧，再加上大量短命植物生长耗水，土壤水分损失严重。对于乌兰布和流动沙地的研究得出，其水分含量主要随降雨量变化^[2]。本研究发现：除9月底以外其他时间段10 cm处的变异系数均大于30 cm处，土壤含水量的变异系数有随土层深度增加而减小的趋势，由于降水和蒸发的影响浅层土壤水分的变异性较大^[5]。

2.2   土壤含水量空间分布特征

利用GS+10.0地统计学软件做出的结果(表2和图2、3)表明：4、6、9月的土壤水分(10 cm)变异函数分别为球状模型，8月(10 cm)为指数模型；30 cm的土壤水分变异函数均为指数模型。由表2可知：不同时间的表层土壤含水量及30 cm深处的块金系数均小于25%，土壤含水量均表现出强烈的空间自相关。

从表2和图2可见：在研究区内10 cm的土壤含水量空间自相关范围在各月较接近，说明不同季节土壤水分的生态过程变化不明显，原因是该地区土壤水分主要受到降雨、蒸发的影响，比植物耗水更大。变程是指变异函数达到基台值所对应的距离，它反映的是属性因子空间自相关范围的大小^[18]。由表2可知：30 cm的土壤水分空间自相关范围在14.1~24.6 m之间，不同季节30 cm深处的土壤含水量变程范围明显不同，4、6和9月变程均大于10 cm深处的变程，表明30 cm深处在4、6和9月的土壤含水等空间变异程度低于10 cm深处的变程。其中8月最小，6月最大，变程逐渐减小，自相关范围的减小表明土壤含水量分布的均一性减弱，即8月30 cm深处的土壤含水量受降雨影响变化最明显。

分析空间局部插值估计进行克里格插值制图可以精确了解变量的空间分布格局。由图4可知：4月底表层土壤含水量整体较低，分布相对较均匀。6月底研究区土壤含水量较其他月都低，整体分布相对较均匀，该时期无降水补充，蒸发强烈，对表层土壤含水量影响非常大，土壤含水量较低。8月底土壤含水量较6月增加，空间分布表现为从北向南降低，其中西北角土壤含水量最高，此处地形较低，为丘间地，容易集水。9月底研究区内土壤表层含水量较其他时期都高，分布较均匀。该区域降水集中于8、9月，该时期植被生长较茂盛，可以减少土壤表层蒸发。不同时期表层土壤含水量的空间异质性明显不同，这表明不同季节的空气温度、降雨、地形以及植被生长情况都会影响表层土壤含水量的空间分布特征。

图  4  不同季节表层(10 cm)土壤含水量空间分布图

Figure  4.  Spatial distribution of soil moisture content in surface layer (10 cm) in different seasons

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由图5可见：不同季节30 cm的土壤含水量空间分布特征，显示该深度土壤含水量的空间变异受地形、季节影响明显，特别是4月底和6月底的土壤含水量空间分布图相似。30 cm深处的土壤含水量随季节发生变化，其空间分布主要受地形影响，丘间地等低洼地土壤含水量较高，与表层土壤含水量空间分布特征完全不同。

图  5  不同季节土壤含水量(30 cm)空间分布图

Figure  5.  Spatial distribution of soil moisture content (30 cm) in different seasons

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3.   讨论

土壤含水量受众多因素影响，包括降水、蒸发、土壤质地、地形等。通常在干旱区浅层土壤含水量受降水和蒸发影响更明显。研究表明：0~60 cm是土壤水分受降水影响的活跃层^[2]。我们详细研究了白芨滩防沙治沙区浅层土壤不同深度水分在不同季节的空间变化特征，对该地区生态恢复有重要的理论指导意义。不同季节表层(10 cm)土壤水分空间分布特征明显不同。本研究区属于沙区，降水是土壤水分的主要来源，因此土壤含水量的变化与降水的时空分布密切相关，降水的季节性分布导致土壤水分的季节性变化。研究发现：降水时沙地含水量高于平均值，降水后含水量迅速下降，但降水只对0~40 cm的土壤含水量影响显著^{[2, 5, 23-24]}。降水时，水分既要克服蒸发消耗又要克服表土层的吸附截留，才能下渗到植物根系层，有效地补充该层土壤水分^[25]。除了降水，气象因素中还包括土壤温度和风况，都对沙地水分含量产生影响^[16]。其次，地形也是影响土壤含水量空间分布异质性的一个重要因素，研究得出该区域30 cm深处的土壤含水量空间分布特征受地形影响明显。另外，植被也对土壤水分空间分异影响比较明显。对毛乌素沙地与科尔沁沙地土壤水分的研究表明：地貌部位、植被类型及覆盖度是影响沙地土壤含水量的重要因素^{[14, 26-28]}。与盐池县同期结果对比^[20]，表层土壤含水量的空间变化趋势完全相反，白芨滩的空间分布特征表现出的异质性较小，分布相对均匀，30 cm处的土壤含水量两地都主要受地形影响。造成两地表层土壤含水量的空间分布差异的主要原因是降水量不同，两个研究区植被类型和覆盖度不同，选取样地地形不同。

本研究中表层土壤含水量为质量分数，30 cm深处土壤含水量为体积分数，因此，本研究中没有分析垂直分布规律，仅是探讨浅层土壤含水量空间分布特征，在后续工作中急需深入开展关于土壤含水量深层垂直分布规律的研究。此外，本研究属小尺度空间分布研究，土壤含水量的空间异质性在较小尺度上，主要受到植被状况、土壤特性和微地形等因素的影响^[3]。有关土壤水分空间变异的研究较多，而且各区域不同尺度研究结果也存在一定差异。最理想的采样是非常大的采样幅度、非常小的采样间距以及采样体积^[29]。因此，对本区域还需进一步开展不同尺度的空间变异特征研究。

4.   结论

(1)研究区10 cm土壤含水量和30 cm土壤含水量的变异程度中等，不同季节的土壤含水量表现出强烈的空间自相关，而且10~30 cm含水量的分布格局均受降水影响。10 cm和30 cm的土壤含水量8、9月相对较多，9月含水量是所有研究时期中最高的。

(2)研究区不同时期表层(10 cm)土壤含水量空间分布明显不同，30 cm深处的土壤含水量随季节发生变化，而且其空间分布特征受地形、季节影响明显。在丘间低地，不同深度的土壤含水量均表现出增加趋势。