古尔班通古特沙漠南缘固定沙丘上土壤水分与地形-植被因子的关系.pdf

第3 7卷第4期2 0 2 3年8月水土保持学报J o u r n a l o fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 7N o.4A u g.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 1-2 2 资助项目:甘肃省科技计划项目(2 1 J R 7 R A 8 3 1);国家自然科学基金项目(4 1 6 6 1 0 2 2)第一作者:张艳灵(1 9 9 8),女,在读硕士研究生,主要从事生态水文模型研究。E-m a i l:z y l 2 6 9 2 1 8 4 3 2 41 6 3.c o m 通信作者:张定海(1 9 8 1),男,博士,副教授,主要从事生态水文模型、空间统计和经济统计研究。E-m a i l:z h a n g d h g s a u.e d u.c n古尔班通古特沙漠南缘固定沙丘上土壤水分与地形-植被因子的关系张艳灵1,张定海1,宁 婷1,张志山2,单立山3,陈国鹏3,张正中3(1.甘肃农业大学理学院数量生物研究所,兰州7 3 0 0 7 0;2.中国科学院西北生态环境资源研究院,沙坡头沙漠研究试验站,兰州7 3 0 0 0 0;3.甘肃农业大学林学院,兰州7 3 0 0 7 0)摘要:土壤水分是干旱和半干旱生态系统格局和过程的主要驱动力,地形-植被因子是小尺度上影响土壤水分的主要因子。以古尔班通古特沙漠南缘北沙窝附近固定沙丘上不同深度的土壤水分(表层0-4 0c m、中层4 0-2 0 0c m、深层2 0 0-3 0 0c m和整体0-3 0 0c m)作为研究对象,利用广义线性模型(G LM)、广义加性模型(GAM)和随机森林(R F)模型研究了土壤水分与地形-植被因子之间的关系和变化规律。结果表明:(1)不同深度的土壤水分均呈现一致的单峰分布,不同深度土壤水分的大小顺序为深层中层表层,且两两之间具有显著差异。(2)G LM和G AM模型得到的影响不同深度土壤水分的植被和地形因子完全相同,R F模型的精度优于G LM和G AM模型。(3)地形因子海拔、坡度、高差和植被因子灌木多度与其影响的不同深度的土壤水分呈负相关关系,地形因子坡向(规定正东方向为0,顺时针旋转)和植被因子生物量与其影响的土壤水分呈正相关关系。植被因子草本盖度与表层土壤水分呈正相关关系,与中层土壤水分呈负相关关系。研究结果可为研究区制定相应的防风固沙措施以及建立科学合理的植物固沙模式提供理论参考。关键词:土壤水分;影响因子;广义线性模型;广义加性模型;随机森林模型;古尔班通古特沙漠中图分类号:S 1 5 2.7 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9-2 2 4 2(2 0 2 3)0 4-0 2 5 8-0 9D O I:1 0.1 3 8 7 0/j.c n k i.s t b c x b.2 0 2 3.0 4.0 3 2R e l a t i o n s h i pB e t w e e nS o i lM o i s t u r ea n dT o p o g r a p h y-v e g e t a t i o nF a c t o r so nF i x e dD u n e s i nt h eS o u t h e r nM a r g i no f t h eG u r b a n t u n g g u tD e s e r tZ HANGY a n l i n g1,Z HANGD i n g h a i1,N I NGT i n g1,Z HANGZ h i s h a n2,S HANL i s h a n3,CHE NG u o p e n g3,Z HANGZ h e n g z h o n g3(1.C e n t e r f o rQ u a n t i t a t i v eB i o l o g y,C o l l e g eo fS c i e n c e,G a n s uA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y,L a n z h o u7 3 0 0 7 0;2.S h a p o t o uD e s e r tR e s e a r c hS t a t i o n,N o r t h w e s t I n s t i t u t eo fE c o l o g i c a lE n v i r o n m e n ta n dR e s o u r c e s,C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s,L a n z h o u7 3 0 0 0 0;3.C o l l e g eo fF o r e s t r y,G a n s uA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y,L a n z h o u7 3 0 0 7 0)A b s t r a c t:S o i lm o i s t u r e i s t h em a i nd r i v i n g f o r c e f o r t h e p a t t e r n s a n dp r o c e s s e s i n a r i d a n d s e m i-a r i d e c o s y s t e m,a n dt o p o g r a p h y-v e g e t a t i o nf a c t o r sa r e t h em a i n f a c t o r s a f f e c t i n gs o i lm o i s t u r eo nt h e s m a l l-s c a l e.S o i lm o i s t u r ea td i f f e r e n td e p t h s(0-4 0c mi ns u r f a c e l a y e r,4 0-2 0 0c mi nm i d d l e l a y e r,2 0 0-3 0 0c mi nd e e p l a y e r a n d0-3 0 0c mi nw h o l e)o n f i x e ds a n dd u n e sn e a r t h en o r t h e r ns a n dd u n e i n t h e s o u t h e r ne d g eo f t h eG u r b a n t u n g g u tD e s e r tw a su s e da sas t u d yo b j e c t t o i n v e s t i g a t e t h e r e l a t i o n s h i pa n dv a r i a t i o np a t t e r n sb e t w e e ns o i lm o i s t u r ea n dt o p o g r a p h y-v e g e t a t i o n f a c t o r su s i n gg e n e r a l i z e d l i n e a rm o d e l(G LM),g e n e r a l i z e da d d i t i v em o d e l(GAM)a n dr a n d o mf o r e s t(R F)m o d e l s.T h er e s u l t ss h o w e dt h a t:(1)S o i lm o i s t u r ea td i f f e r e n td e p t h ss h o w e dac o n s i s t e n t s i n g l e-p e a k e dd i s t r i b u t i o n,a n dt h em a g n i t u d eo f s o i lm o i s t u r ea td i f f e r e n td e p t h sw a s i nt h eo r d e ro f:d e e p m i d d l e s u r f a c e,a n dt h e r ew e r es i g n i f i c a n td i f f e r e n c e sb e t w e e nt h et w o.(2)T h ev e g e t a t i o na n dt e r r a i nf a c t o r sa f f e c t i n gs o i lm o i s t u r ea td i f f e r e n td e p t h so b t a i n e db yG L Ma n dG AM m o d e l sw e r e i d e n t i c a l,a n dt h ea c c u r a c yo f t h eR Fm o d e lw a sb e t t e r t h a nt h a to fG LMa n dGAM m o d e l s.(3)T o p o g r a p h i cf a c t o r se l e v a t i o n,s l o p e,h e i g h td i f f e r e n c ea n dv e g e t a t i o nf a c t o r ss h r u bm u l t i p l i c i t yw e r en e g a t i v e l yc o r r e l a t e dw i t hs o i lm o i s t u r ea td i f f e r e n td e p t h su n d e r t h e i r i n f l u e n c e,w h i l e t o p o g r a p h i c f a c t o r s s l o p ed i r e c t i o n(s p e c i f i e da s0d u e e a s t,r o t a t e dc l o c k w i s e)a n dv e g e t a t i o n f a c t o rb i o m a s sw e r ep o s i t i v e l yc o r r e l a t e dw i t ht h e s o i lm o i s t u r et h e ya f f e c t e d.T h ev e g e t a t i o n f a c t o rh e r b a c e o u s c o v e rw a sp o s i t i v e l yc o r r e l a t e dw i t hs u r f a c e s o i lm o i s t u r e a n dn e g a t i v e l yc o r r e l a t e dw i t hm e s o c o s ms o i lm o i s t u r e.T h e r e s u l t so f t h es t u d yc a np r o v i d e t h e o r e t i c a l r e f e r e n c ef o r t h e f o r m u l a t i o no f c o r r e s p o n d i n gw i n da n ds a n dc o n t r o lm e a s u r e sa n dt h ee s t a b l i s h m e n to f s c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l ev e g e t a t i o ns a n df i x a t i o nm o d e l i nt h es t u d ya r e a.K e y w o r d s:s o i lm o i s t u r e;i n f l u e n c ef a c t o r;g e n e r a l i z e dl i n e a rm o d e l;g e n e r a l i z e da d d i t i v e m o d e l;r a n d o mf o r e s tm o d e l;G u r b a n t u n g g u tD e s e r t 中国是世界上荒漠化土地面积最多的国家之一1,沙漠生态系统是干旱、半干旱生态系统的主要类型。土壤水分是沙漠生态系统植被的格局和过程的驱动力,对其分布特征和影响因素的研究对遏制荒漠化和建立沙区水文过程和生态过程之间的定量联系具有重要意义2-4。然而,受气候、地形和植被分布等生物和非生物因素的影响,土壤水分的分布特征和影响因素非常复杂。已有研究5表明,地形因子和植被因子是小尺度上影响土壤水分的主要因子,地形因子是气候、植被等影响因子的主要载体,植被因子是土壤水分在沙漠生态系统中的集中体现。因此,全面分析不同沙区土壤水分的分布特征及其与地形和植被因子之间的关系,是深入系统掌握沙区土壤水分分布特征和规律的前提,也是未来在开展防风固沙工程和沙区植被建设与管理的保障6。在干旱和半干旱地区,不同尺度上控制和影响土壤水分的主要因素有降水、土壤类型、地形和植被因素等。降水是干旱半干旱地区土壤水分的主要来源7。不同土壤质地对土壤水分的涵养能力存在差异,例如,结构疏松、保水力差、下渗快的风沙土可使深层土壤水分得到表层土壤水分的补给,质地比较稳定、物理稳定性变化小的灰钙土阻止深层土壤水分的补给8。不同的植被覆盖度和植被类型通过影响土壤水分的入渗和蒸散发等进而影响土壤水分的分布。但是,由于这些众多因素的相互作用和多重作用,很难确定它们的相对重要性9。土壤水分在空间上具有高度的变异性,并以非线性的方式影响生态水文过程,导致土壤水分及其影响因素具有显著的尺度效应1 0。在大尺度上,主要采用回归和地统计分析研究土壤水分和地形环境因素之间关系1 1。然而,当涉及大量变量时,这些方法可能不适合。在这种情况下,作为基本线性变换的推广,可以采用主成分分析(P C A),线 性 典 型 相 关 分 析(C O R)和 冗 余 分 析(R D A)等方法进行分析。虽然这些线性方法可能会成功,但土壤水分与影响其变化的变量之间的单调相关的基本假设尚未得到验证1 2。在小尺度上,主要采用地统计学方法确定土壤水分的空间变异和空间相关性1 3。已有研究1 4表明,地形(坡向、坡度、坡位等)、植被(盖度、物种等)等因素都对土壤水分的空间变异性有显著的影响。本研究采用样带-网格数据,运用广义线性、广义加性模型和随机森林法,对古尔班通古特沙漠固定沙丘上不同深度(表层0-4 0c m、中层4 0-2 0 0c m、深层2 0 0-3 0 0c m和整体0-3 0 0c m)土壤水分与地形-植被因子之间的关系开展研究,以期在小尺度上探讨地形-植被因子对土壤水分的影响特征和规律。研究结果可对该地区今后植物固沙和生态系统的修复提供重要的科学依据。1 研究区概况古尔班通古特沙漠是我国第二大沙漠1 5,位于4 4 1 5 0 0 -4 6 5 0 0 0 N,8 4 5 0 0 0 -9 1 2 0 0 0 E,是我国最大的固定和半固定沙漠1 6,面积约4.8 8万k m2,平均海拔3 0 06 0 0m,年平均气温6.6 C1 7。其气候类型属于典型的温带大陆性干旱气候1 8,年降水量8 01 6 0mm,年蒸发量为20 0 028 0 0mm,降水多集中在冬季和春季1 9,冬天积雪可达1 03 0c m,几乎没有地表径流。沙漠边缘地下水深度在5m以上,而沙漠腹地地下水深度在1 6m以下。沙漠内植物种类较丰富,可达百余种,优势灌木和半灌木主要有梭梭(H a l o x y l o na mm o d e n d r o n)、白梭梭(W h i t es h u t t l e)、胡杨(P o p u l u se u p h r a t i c a)、琵琶柴(P i p af i r e w o o d)、红柳(R a e d ar u b r a)、白刺(T h o r n u ma l-b u m)、油蒿(A r t e m i s i ao r d o s i c a)等2 0。2 材料与方法2.1 试验设计试验于2 0 1 9年8月,在对古尔班通古特沙漠南缘北沙窝附近(8 7 5 5 1 2 E,4 4 2 2 2 4 N)的沙丘类型和固沙植被全面考察后选取1块有代表性的固定沙丘样地(图1),样地大小为4 0m1 4 0m,将样地划分为4m4m的小样方,共有1 0行(A J行)3 7列(13 7列)共计3 7 0个小样方。选取样地中的3行(C、E、I行)中的样方作为土壤水分采样点,在沙丘不同微地貌(迎风坡、背风坡、丘顶和丘底)起伏较大的地方加密采样,共计7 2个土壤水分采样点。土壤水952第4期 张艳灵等:古尔班通古特沙漠南缘固定沙丘上土壤水分与地形-植被因子的关系分的测定使用土钻取样烘干(1 0 5)称重法,取样方式采用点 式取样法,取 样深度共有1 8层,分别 为0-5,5-1 5,1 5-2 5,2 5-3 5,3 5-5 0c m,在5 0c m以下每隔2 0c m采样1次,土壤水分均为土壤质量含水量。利用5 0c m5 0c m的草本小样方调查E行中每个小样方(4m4m)中的草本盖度、草本多度、凋落物以及生物量。同时,为研究固沙植被的空间格局,利用标记牌标记样地内每株灌木,测定其株高和冠幅(东西和南北方向)以及所在样方的灌木盖度和多度。利用G P S-R T K定位仪对样地中每株灌木和每个样方的4个顶点进行定位测 量,得到其 海拔2 1。结合样方定位点的数据,利用数字高程模型计算每个小样方对应的地形因子,主要包括坡度、坡向(规定正东方向为0,顺时针旋转)和高差(样方顶点的高程之差)6,具体计算方法见文献6。图1 样地的划分与采样点示意2.2 研究方法2.2.1 土壤水分的划分和数据标准化 已有研究2 2表明,研究区草本植物主要利用0-4 0c m的土壤水分,固沙灌木8 0%的根系分布在4 0-2 0 0c m的土层深度范围内,1 0%的固沙灌木根系分布在2 0 0-3 0 0c m的土层范围内。因此,本研究将土壤水分划分为表层0-4 0c m、中层4 0-2 0 0c m、深层2 0 0-3 0 0c m和整体0-3 0 0c m4部分。其中,整体0-3 0 0c m作为整个样地土壤水分的参照2 3。同时,考虑到模型中不同指标的取值范围和量纲不一致,采用离差标准化法将所有指标进行标准化,公式为:Xi=xi-m i nxim a xxi-m i nxiYj=yj-m i nyjm a xyj-m i nyji=1,2,1 0;j=1,2,3,4(1)式中:xi为地形因子和植被因子;yj为不同深度土壤水分;Xi,Yj0,1,无量纲。2.2.2 广义线性模型 广义线性模型(g e n e r a l i z e dl i n e a rm o d e l,G LM)是线性模型的数学扩展,其相对于经典线性回归模型的优点是,其变量可以是连续或分类变量,允许数据存在非线性性,公式为:g()=0+1(x1)+2(x2)+,+i(xi)+(2)式中:g()为连接估计平均值与响应变量分布的链接函数;0为截距;i为待估的回归系数;xi为预测值;为误差,服从高斯分布。2.2.3 广义加性模型 广义加性模型(g e n e r a l i z e da d d i t i v em o d e l,GAM)是G LM的半参数扩展,它结合响应和预测变量之间的线性和非线性关系,指定平滑函数来拟合数据的非线性响应曲线。GAM响应曲线的形状并不是预先定义的,因此与基于参数响应曲线的G LM相比,GAM响应曲线的建模更接近数据,公式为:g()=0+s1(x1)+s2(x2)+,+si(xi)+(3)式中:g()为估计平均值连接到响应变量分布的链接函数;0为截距;si为要估计的平滑函数;xi为预测值;为误差,服从高斯分布。2.2.4 随机森林 随机森林(r a n d o mf o r e s t,R F)通过生成大量回归树集合,形成“森林”。然后通过从观测数据中随机选择1个训练数据集来构建每棵决策树,其优点是采用集成算法,精度往往比大多数单个算法好。同时,由于2个随机性的引入,随机森林算法不会有过拟合现象,还可以输出自变量重要性的度量。本研究中,最大树的数量设置为20 0 0棵,采用1 0折交叉验证检验模型的性能,同时基于I n c M S E方法给出影响土壤水分的变量的重要性2 4。3 结果与分析3.1 不同深度土壤水分及相关影响因素的描述性统计由图2可知,不同深度的土壤水分的总体分布较为一致,呈单峰分布。不同深度土壤水分的大小顺序为深层(2 0 0-3 0 0c m)中层(4 0-2 0 0c m)表层(0-4 0c m)。不同水分主要集中在(取上下4分位数),深层1.5 8 4%,2.2 3 2%、中 层 1.3 3 3%,2.1 2 4%、表 层0.9 4 6%,1.5 5 7%、整体1.4 2 7%,1.9 3 9%。单因素方差分析和多重比较结果表明,表层、中层和深层土壤水分两两之间均具有显著的差异,中层与整体(0-3 0 0c m)土壤水分之间无显著性差异。由土壤水分的相关因素的描述性统计结果(表1)可知,最大值和最小值反映变量的波动大小,中位数反映数据的集中趋势,变异系数刻画变量分辨信息的能力(即变量的区分度),变异系数越大,表明该指标的信息分辨能力就越强,反之则越弱。除海拔,土壤水分的影响因素信息分辨能力均较强。3.2 地形-植被因子对不同深度土壤水分的影响将土壤水分作为被解释变量,样方所在的海拔、坡度、坡向和高差作为地形因子解释变量,灌木的盖062水土保持学报 第3 7卷度、灌木多度、草本的盖度、草本多度、草本的生物量以及凋落物作为植被因子解释变量,分别利用G LM、GAM和R F建立模型并检验各个因子的显著性。图2 不同深度土壤水分的描述性统计表1 影响土壤水分的地形-植被因素的描述性统计变量最小值最大值中位数变异系数海拔3 9 4.3 2 64 0 0.1 2 73 9 6.4 0 90.0 0 4坡度0.5 0 92 1.2 8 35.4 8 70.7 5 3坡向2 2.4 3 03 5 4.8 5 21 1 2.3 6 00.7 0 4高差0.2 6 45.8 0 82.6 2 60.6 5 2灌木盖度01 0 0.0 0 01 4.5 9 51.0 8 6灌木多度01.9 3 80.3 1 30.9 2 8草本盖度3.0 0 08 4.0 0 01 7.0 0 00.7 6 8草本多度4.0 0 07 3 6.0 0 07 4.0 0 01.1 2 2生物量2.2 0 01 6 4.7 2 02 2.0 4 00.8 6 3凋落物01 0 0 6.2 4 04 2.4 4 01.6 0 4 由表2和表3可知,G LM模型得到对表层、中层、深层和整体土壤水分有显著影响的地形因子主要为海拔,同时,地形因子坡度对表层土壤水分有显著的影响,植被因子草本盖度和生物量对中层土壤水分有显著的影响,地形因子高差对深层土壤水分有显著的影响;GAM模型得到对表层、中层、深层和整体土壤水分有显著影响的地形因子主要为海拔和高差,同时,地形因子坡度对表层土壤水分有显著的影响,植被因子草本盖度和生物量对中层土壤水分有显著的影响。值得注意的是,由于G LM模型本身的特点,所有因子在G LM模型中均与土壤水分表现为线性相关关系,但在GAM模型中,大部分因子对土壤水分仍然呈现线性相关关系(估计的自由度e d f约等于1)。其中,海拔和高差对表层、中层和整体土壤水分均呈现出一定的非线性影响的特征(估计的自由度e d f 1)。表4为R F模型得到变量的相对重要性,表中列出相对重要度排名前4名的变量。由表4可知,大部分地形因子的重要性常常高于植被因子。其中,地形因子海拔、高差对不同深度的土壤水分均具有较高的重要性,地形因子坡度对表层土壤水分具有较高的重要性。与G LM和GAM模型不同的是,在R F模型中坡向对中层和深层土壤水分具有较高的重要性。同时,植被因子的草本多度对表层土壤水分具有较高的重要性,植被因子的生物量仅对中层土壤水分具有较高的重要性,植被因子的灌木多度仅对中层土壤水分具有较高的重要性。表2 基于广义线性模型的影响不同深度土壤水分的变量的显著性检验变量0-4 0c m估计值p4 0-2 0 0c m估计值p2 0 0-3 0 0c m估计值p0-3 0 0c m估计值p海拔-0.2 4 80.0 1 1*-0.2 9 90.0 0 6*-0.1 9 00.0 1 0*-0.4 2 10*坡度-0.2 0 30.0 2 7*0.0 8 70.4 0 00.0 0 50.9 4 00.0 1 80.8 5 5坡向-0.1 0 50.2 0 30.1 0 60.2 5 00.0 1 10.8 6 2-0.0 3 40.7 0 9高差-0.0 0 80.9 3 4-0.0 0 10.9 9 6-0.2 9 00*-0.2 6 30.0 2 1*灌木盖度0.1 1 10.1 0 60.0 0 60.9 3 00.0 9 30.0 6 40.0 8 30.2 5 5灌木多度-0.0 4 90.6 4 90.0 1 10.9 2 9-0.1 1 10.1 6 3-0.0 4 10.7 3 0草本盖度-0.2 2 40.0 9 1-0.4 1 50.0 0 5*-0.1 0 60.2 7 0-0.2 2 30.1 2 3草本多度0.1 8 10.2 2 600.9 9 9-0.0 4 90.6 5 4-0.1 8 10.2 8 4生物量0.2 1 70.1 5 50.6 4 90*0.1 1 10.3 1 00.3 3 70.0 4 6*凋落物-0.0 9 20.3 1 3-0.0 9 40.3 3 8-0.0 1 30.8 5 7-0.0 6 00.5 6 0注:*表示p0.0 5;*表示p0.0 1;*表示p0.0 0 1。下同。表3 基于广义加性模型的影响不同深度土壤水分的变量的显著性检验变量0-4 0c me d fp4 0-2 0 0c me d fp2 0 0-3 0 0c me d fp0-3 0 0c me d fp海拔2.4 5 50*1.9 5 60*1.7 0 70.0 1 9*1.9 2 80*坡度1.0 0 00.0 0 1*1.7 5 70.2 5 21.0 0 00.5 4 61.0 0 00.1 0 1坡向1.9 2 70.2 4 31.5 4 70.5 4 11.0 0 00.9 3 51.0 0 00.5 3 8高差3.8 6 00.0 0 1*1.9 3 80.0 2 8*2.4 1 50*1.9 5 80*灌木盖度1.0 0 00.3 6 21.0 0 00.3 3 81.3 4 20.3 8 51.0 0 00.9 1 8灌木多度1.4 1 00.7 4 81.7 6 90.2 4 31.8 9 90.3 2 01.7 4 10.3 2 0草本盖度1.0 0 00.1 6 21.0 0 00.0 0 3*1.1 9 00.2 3 91.7 8 30.1 1 6草本多度1.5 3 80.3 7 81.0 0 00.4 3 11.0 0 00.5 1 51.0 0 00.2 8 5生物量1.0 0 00.0 9 81.0 0 00.0 0 1*1.0 0 00.4 9 61.0 0 00.2 3 1凋落物1.8 7 40.2 4 31.0 0 00.4 3 11.0 0 00.8 2 21.0 0 00.7 3 0162第4期 张艳灵等:古尔班通古特沙漠南缘固定沙丘上土壤水分与地形-植被因子的关系表4 基于随机森林模型的影响不同深度土壤水分的变量的重要度排名0-4 0c m变量重要性/%4 0-2 0 0c m变量重要性/%2 0 0-3 0 0c m变量重要性/%0-3 0 0c m变量重要性/%1海拔2 8.5 5 0海拔5.7 8 4高差3 1.0 2 9海拔2 8.9 6 72坡度1 0.2 6 8高差5.3 5 7海拔2 4.0 8 7高差1 7.6 0 03高差1 0.1 4 9坡向4.8 7 2灌木多度1 1.2 6 8灌木多度9.9 0 54草本多度5.4 8 8生物量4.6 9 7坡向9.8 5 2生物量6.2 0 5 采用决定系数(R2)和均方根误差(RM S E)对3个模型进行评价,RM S E尽量小的情况下R2越大模型越好。其中,R2的值越接近1,说明模型对观测值的拟合程度越好。由表5可知,不同深度上模型的RM S E从小到大的顺序为R FGAMGAMG LM,且R F模型的决策系数均达到0.9 2以上。由此可以看出,基于机器学习算法的R F模型最优,其次是具有非线性拟合能力的GAM模型,模型精度最小的是G LM模型。表5 G LM、G AM和R F模型的精度土壤深度R2G LMGAMR FRMS EG LMGAMR F表层0.4 1 10.7 0 20.9 2 90.1 0 00.0 7 10.0 5 1中层0.4 1 30.5 6 80.9 2 50.1 1 60.0 9 70.0 6 3深层0.6 5 80.7 3 30.9 4 00.0 7 90.0 6 50.0 4 2整体0.5 9 50.7 4 60.9 3 20.1 1 60.0 9 20.0 6 53.3 地形-植被因子对不同深度土壤水分影响的趋势分析为确定不同深度土壤水分随地形-植被因子的变化趋势,基于G LM、GAM和R F3种模型利用各自的响应曲线确定其变化趋势。从基于G LM模型(图3)和GAM模型(图4)的响应曲线图可以看出,整体而言,不同地形-植被因子对土壤水分的响应曲线均表现一致的增减趋势。具体而言,地形因子海拔、高差、坡度与其影响的不同深度的土壤水分呈负相关关系,生物量与其影响的土壤水分呈正相关关系。随着植被因子草本盖度的增加,中层土壤水分逐渐减少。值得注意的是,一些因子在G LM中表现为线性趋势而在GAM中表现出明显的非线性变化的趋势。例如,海拔、高差在GAM模型中对其影响的土壤水分的影响呈现出明显的非线性变化趋势。从基于R F的响应曲线图(图5)可以看出,地形-植被因子对土壤水分的影响呈现出显著的非线性的变化趋势,随着地形因子海拔、坡度、高差和植被因子灌木多度的增加,不同深度的土壤水分均逐渐减少;随着地形因子坡向和植被因子生物量的增加,不同深度的土壤水分均逐渐增加;随着植被因子草本盖度的增加,表层土壤水分逐渐增加。4 讨 论4.1 不同深度土壤水分的分布特征古尔班通古特沙漠南缘固定沙丘上不同深度的土壤水分总体分布较为一致,均呈单峰分布。不同深度质量含水量的大小顺序为深层(2 0 0-3 0 0c m)中层(4 0-2 0 0c m)表层(0-4 0c m),这与李军2 5在小尺度下得到的土壤水分随土层深度增加呈显著升高趋势的结论相一致。这一方面是因为沙丘表层土壤水分的蒸发较深层强;另一方面,研究区广泛分布的生物土壤结皮和固沙植被在一定程度上可以阻止深层土壤水分的蒸发。同时,方差分析表明,表层、中层和深层土壤水分两两之间均具有显著的差异,这与朱海等2对古尔班通古特沙漠南缘固定沙丘土壤水分不同时间和不同深度土壤水分的变化规律相一致。4.2 地形-植被因子对不同深度土壤水分影响分析由于本研究主要研究小尺度上地形-植被因子对土壤水分的影响。因此,研究中没有考虑太阳辐射、降水、经纬度等大尺度上对土壤水分有显著影响的因子。针对试验得到的4个地形因子(海拔、坡度、坡向和高差)和6个植被因子(灌木的盖度、多度、草本的 盖 度、多 度、生 物 量 和 凋 落 物),本 研 究 利 用G LM、GAM和R F模型确定影响研究区固定沙丘上不同深度土壤水分的地形和植被因子,并确定土壤水分随不同因子的变化趋势。土壤水分在沙丘不同微地貌类型上(丘顶、丘底、迎风坡和背风坡)的分布规律不同。本研究表明,对研究区固定沙丘上不同深度的土壤水分产生重要影响首先是地形因子。其中,海拔、高差(两点之间的高程之差,与海拔有直接的关系)具有重要的影响,且总体上土壤水分随着海拔、高差的增加逐渐减少。造成土壤水分随着海拔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,同时海拔高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;另一方面,古尔班通古特沙漠的土壤水分有很大部分来自融雪降水,由于水分的入渗作用,使得海拔低的地方土壤水分含量高2 6。同时,本研究还表明,坡度与其影响的不同深度的土壤水分呈负相关关系,这是因为坡度与接触到的太阳辐射的角度有关,这与邱德勋等2 7、赵晓光等2 8有关坡度对前程土壤水分影响的研究结论相一致。262水土保持学报 第3 7卷图3 基于G LM模型的地形植被-因子对不同深度土壤水分影响的响应曲线362第4期 张艳灵等:古尔班通古特沙漠南缘固定沙丘上土壤水分与地形-植被因子的关系图4 基于G AM模型的地形-植被因子对不同深度土壤水分影响的响应曲线462水土保持学报 第3 7卷图5 基于R F模型的地形-植被因子对不同深度土壤水分影响的响应曲线 造成土壤水分随着坡向的增加而逐渐增加的主要原因在于随着坡向的增加,坡向从阳坡转化为阴坡,大部分沙漠植物主要集中在阴坡,形成聚集的斑块化分布,阴坡较低的蒸发和固沙植物的汇流作用使得其上的土壤水分含量较高。在植被因子中,草本植物的生物量对中层土壤水分具有正向的重要的影响。较高的草本植物的生物量通过减少表层土壤水分的蒸发,进而对土壤中层土壤水分具有正向的影响。同时,灌木的多度对深层土壤水分具有负向的重要影响。这 一 结 论 与S i n g h等2 9在印度沙漠的研究和马风云等3 0对于沙坡头人工固沙植被土壤水分空间异质性的研究结论相一致。这是因为草本植物根系浅,主要对表层和中层的土壤水分影响大,灌木根系较深,对深层土壤水分影响大。土壤水分和灌木多度的负向关系决定固定沙丘上固沙灌木的数量应维持在一定的生态水文阈值内,这样才能保持其生态系统的健康运行3 1。同时,草本盖度与表层土壤水分呈正相关关系,与中层土壤水分呈负相关关系。因此,在固沙植被生态系统的保护过程中,应该加强草本植物的保护,防止放牧等不适宜的人类活动对生态系统的破坏。5 结 论(1)不同深度的土壤水分总体分布较为一致,均呈单峰分布。不同深度土壤水分的大小顺序为深562第4期 张艳灵等:古尔班通古特沙漠南缘固定沙丘上土壤水分与地形-植被因子的关系层中层表层,且两两之间具有显著差异。(2)G LM和GAM模型得到的影响不同深度土壤水分的植被和地形因子基本相同,但与R F模型得到的因子有一定的区别,R F模型的决定系数R2和均方根误差RM S E均优于G LM和GAM模型。(3)地形因子海拔、坡度、高差和植被因子灌木多度与其影响的不同深度的土壤水分呈负相关关系,地形因子坡向和植被因子生物量与其影响的土壤水分呈正相关关系。植被因子草本盖度与表层土壤水分呈正相关关系,与中层土壤水分呈负相关关系。研究结果对研究区固沙植被生态系统的保护利用和建立科学合理的防风固沙措施提供科学的依据,对未来该地区固沙植被的建立具有一定的指导意义。建议在防止固定沙丘活化的基础上,综合土壤水分与地形-植被因子之间的关系因地制宜地开展固沙植被建设。参考文献:1 胡静霞,杨新兵.我国土地荒漠化和沙化发展动态及其成因分析J.中国水土保持,2 0 1 7(7):5 5-5 9,6