鄧恩桉林地土壤pH空間變異分析

譚 艷，吳承禎，①，洪 偉，陳建忠，肖應(yīng)忠，陳 燦

（1.福建省高校森林生態(tài)系統(tǒng)過程與經(jīng)營重點實驗室福建農(nóng)林大學(xué)桉樹研究中心，福建 福州 350002；2.福建省建陽市林業(yè)局，福建 建陽 354200）

近年來，作為重要的速生豐產(chǎn)林樹種之一，桉樹（Eucalyptus spp.）的生產(chǎn)和種植越來越受到各級政府和學(xué)者的重視。鄧恩桉（Eucalyptus dunnii Maiden）是一種抗寒、速生性桉樹種類，其主要用途是作為紙漿原料［1］，目前已成為中國南方地區(qū)工業(yè)原料林基地的主要造林樹種。鄧恩桉為外來引種樹種，耐寒性強，目前對該種的引種繁育、栽培技術(shù)及耐寒能力等方面已有大量的研究報道［1-6］，且有學(xué)者探討了其林地土壤養(yǎng)分與土壤酶活性之間的關(guān)系［7］。鄧恩桉要求在土層深厚、水肥條件較好的立地條件下種植，否則生長速率會受到一定影響，因而，土壤條件決定了鄧恩桉的生長質(zhì)量，土壤養(yǎng)分狀況也成為鄧恩桉種植和培養(yǎng)過程中營養(yǎng)調(diào)控的重要依據(jù)。土壤pH能影響土壤養(yǎng)分有效性的發(fā)揮，是土壤的重要屬性之一。因此，研究鄧恩桉林地土壤pH的空間分布特征，對于鄧恩桉的栽培管理及其種植地土壤生產(chǎn)力的提高具有重要意義。

目前，地統(tǒng)計學(xué)方法已被證明是研究土壤養(yǎng)分和其他屬性空間變異規(guī)律的最佳方法之一［8］。該方法可同時考慮到樣本值的大小和樣本的空間位置及樣本的間距，彌補了經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)方法忽略空間方位的缺憾。近年來，地統(tǒng)計學(xué)方法的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，從土壤到地質(zhì)、礦業(yè)，從景觀生態(tài)格局到生態(tài)學(xué)，從地下水水文過程到水資源等［9］，但應(yīng)用地統(tǒng)計學(xué)方法研究林地土壤養(yǎng)分與土壤pH的相關(guān)報道較少，而關(guān)于鄧恩桉林地土壤pH的空間變異分析研究尚未見報道。

作者以福建省建陽市7年生鄧恩桉林地為研究對象，測定了林地不同土層（0～20、20～40和40～60 cm）土壤的 pH，運用 ArcGIS9.2軟件的Geostatistic Analyst模塊對土壤pH的空間變異特征及其分布格局進行了分析，以期掌握鄧恩桉林地土壤pH的空間變異規(guī)律，為鄧恩桉種植管理及林地長期生產(chǎn)力的維護奠定研究基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

建陽市地處福建省北部、武夷山南麓，地理坐標(biāo)為東經(jīng)117°31′～118°38′、北緯27°06′～27°43′，總面積3378.2 km2，丘陵山地面積占總面積的90.4％；土壤類型為紅壤和黃壤，土層深厚肥沃。該地區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)性氣候，光熱資源豐富；冬短夏長、氣候宜人，靜風(fēng)多、溫差大，雨季集中；年平均氣溫18℃，年平均無霜期282 d，年平均降雨量1700～2400 mm，年均日照時數(shù)1802 h，適宜動植物生長繁衍。

建陽市2004年開始先后引種鄧恩桉3000 hm2。本研究對象為建陽市潭城街道城關(guān)村7年生鄧恩桉林地，林地土壤為紅壤，造林面積6.6 hm2，種植密度為1665株·hm-2，株距和行距分別為2和3 m；鄧恩桉的平均胸徑11.9 cm、平均樹高13.1 m。林地前茬為馬尾松毛蟲（Dendrolimus punctatus Walker）重度危害樹木枯死1 a后進行采伐的采伐跡地，屬陽坡地、坡向為全坡，但立地質(zhì)量較差，土層較厚，坡度在25°以下。

1.2 土壤樣品采集與處理及pH測定方法

于2011年4月中旬在研究區(qū)內(nèi)劃出南北向長660 m、東西向長90 m的采樣區(qū)，按照30 m等距劃分網(wǎng)格，在網(wǎng)格的4個頂點各采集1個土樣，理論上應(yīng)有采樣點92個，但是受地形和鄧恩桉分布狀況的影響，共設(shè)采樣點65個（詳見圖1），基本涵蓋了7年生鄧恩桉的主要栽植區(qū)域。65個采樣點的土壤均按0～20、20～40和40～60 cm分3層采集，共采集土壤樣品195個，自然風(fēng)干。

參照文獻［10］采用電位法測定土壤pH，測定時土和水的質(zhì)量比為1∶2.5，每個土樣重復(fù)測定3次，結(jié)果取平均值。

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

分別對鄧恩桉林地各層土壤的pH數(shù)據(jù)進行描述性統(tǒng)計分析，統(tǒng)計特征值包括平均值、中位值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、偏度、峰度等。通過ArcGIS9.2軟件的地統(tǒng)計分析模塊Geostatistic Analyst對鄧恩桉林地各層土壤pH進行半方差函數(shù)理論模型相關(guān)參數(shù)和誤差的檢驗分析，從而選出最優(yōu)半方差函數(shù)理論模型。在此基礎(chǔ)上，通過ArcGIS9.2地統(tǒng)計軟件的普通克里格（Kriging）法對鄧恩桉林地各層土壤pH進行空間局部插值分析和插值標(biāo)準(zhǔn)差分析，并以插值標(biāo)準(zhǔn)差分析評價空間插值效果。

圖1 鄧恩桉林地土樣采樣點分布圖Fig.1 Distribution diagram of soil sam p le p lots in Eucalyptus dunnii Maiden forest

2 結(jié)果和分析

2.1 鄧恩桉林地土壤pH的描述性統(tǒng)計分析

對7年生鄧恩桉林地各層土壤pH的描述性統(tǒng)計分析結(jié)果見表1。由表1可見：0～20 cm土層pH最小值為pH3.31，最大值為pH3.93；20～40 cm土層pH最小值為pH3.30，最大值為pH3.86；40～60 cm土層pH最小值為pH3.33，最大值為pH3.90。鄧恩桉林地3層土壤pH的變幅較小，均小于0.62，其平均值自上而下逐漸增大。分別對0～20和20～40 cm土層的pH以及20～40和40～60 cm土層的pH進行配對樣本t檢驗，檢驗結(jié)果表明：雙尾顯著性水平均為0.000，表明該鄧恩桉林地0～20與20～40 cm土層的pH以及20～40和40～60 cm土層的pH均存在顯著性差異。

表1 7年生鄧恩桉林地不同土層土壤pH描述性統(tǒng)計分析結(jié)果Table1 Analysis results of descriptive statistics of pH in different soil layers of seven-year-old forest of Eucalyptus dunnii Maiden

鄧恩桉林地0～20、20～40和40～60 cm土層的土壤pH變異系數(shù)分別為3.90％、3.93％和4.05％，變異幅度很小，說明該林地3層土壤的pH均屬于弱變異［11］，并呈現(xiàn)隨土層加深自上而下逐漸增大的趨勢。對該鄧恩桉林地3層土壤的pH分別進行非參數(shù)單樣本K-S檢驗，結(jié)果表明：0～20、20～40和40～60 cm土層土壤pH的P值分別為0.909、0.523和0.710，各土層土壤pH均服從正態(tài)分布，滿足地統(tǒng)計學(xué)分析要求。

2.2 鄧恩桉林地土壤pH的半方差分析

利用ArcGIS9.2軟件的Geostatistic Analyst模塊獲得7年生鄧恩桉林地各層土壤pH的空間變異半方差函數(shù)理論模型的相關(guān)參數(shù)和誤差檢驗值（表2），并對4種半方差函數(shù)的理論模型（圓狀模型 Circular model、球狀模型Sphericalmodel、指數(shù)模型Exponential model和高斯模型Gaussian model）在0階、1階、2階、3階趨勢效應(yīng)下預(yù)測誤差的各指標(biāo)進行比較，篩選出最優(yōu)半方差函數(shù)模型，最終分析確定該鄧恩桉林地0～20、20～40和40～60 cm土層土壤pH空間變異的最優(yōu)模型分別為0階高斯模型、1階指數(shù)模型和1階球狀模型（表2）。

半方差函數(shù)模型具有4個重要的參數(shù)，即塊金值（C0）、變程、基臺值（C0+C）和偏基臺值。其中，塊金值與基臺值的比值稱為塊金效應(yīng)，用以表明土壤屬性的空間變異特征；根據(jù)該比值大小可將相關(guān)土壤屬性劃分為強空間相關(guān)、中等空間相關(guān)和弱空間相關(guān)3個等級［12］。供試的7年生鄧恩桉林地0～20、20～40和40～60 cm土層土壤pH的塊金效應(yīng)分別為0.3896、0.4303、0.6043（表3），均位于0.25～0.75之間，說明該7年生鄧恩桉林地土壤pH的空間相關(guān)性中等。

表2 7年生鄧恩桉林地不同土層土壤pH的最優(yōu)半方差模型預(yù)測誤差Table2 Prediction errors of the best sem ivariogram model of pH in different soil layers of seven-year-old forest of Eucalyptus dunnii Maiden

表3 7年生鄧恩桉林地不同土層土壤pH最優(yōu)半方差模型參數(shù)Table3 Parameters of the best sem ivariogram model of pH in different soil layers of seven-year-old forest of Eucalyptus dunnii Maiden

長軸變程和短軸變程分別是相關(guān)性消失最慢和最快方向的變程，經(jīng)計算，該7年生鄧恩桉林地不同土層土壤pH的長軸變程為145.684～167.809 m，短軸變程為55.7835～85.1553 m，也即不同土層土壤pH空間相關(guān)性消失的范圍在55～168 m，而本研究的采樣距離為30 m，因此，該采樣尺度在變程以內(nèi)，符合采樣距離要求。長軸變程與短軸變程的比值稱為各向異性比（Anisotropic ratio），其值接近或等于1時，空間異質(zhì)性為各向同性，反之為各向異性。由表3可見：該7年生鄧恩桉林地不同土層土壤pH的各向異性比均大于1，所以呈現(xiàn)明顯的各向異性，符合空間插值的要求。

2.3 鄧恩桉林地土壤pH的普通克里格插值及其標(biāo)準(zhǔn)差分析

由于該鄧恩桉林地各層土壤pH數(shù)據(jù)經(jīng)驗證均符合正態(tài)分布，因此采用普通克里格法對7年生鄧恩桉林地不同土層土壤pH進行了最優(yōu)插值分析，并繪制不同土層土壤pH的空間分布圖，結(jié)果見圖2。由圖2可見：該鄧恩桉林地不同土層土壤pH等值線整體上既體現(xiàn)相似性，又體現(xiàn)出一定的差異性。不同土層土壤pH分布均呈現(xiàn)出帶狀分布，且?guī)罘植嫉娘@著度隨土壤深度的增加而增強。不同土層土壤pH的空間變異格局均呈現(xiàn)由西向東遞減的趨勢；0～20、20～40和40～60 cm土層土壤pH分布格局相似，說明各層土壤pH之間的空間相關(guān)性極強。0～20 cm土層土壤pH最高值集中在西南方向的斑塊區(qū)域，并向東北方向和東面逐漸減小，最小值出現(xiàn)在東北方向（圖2-a）；20～40和40～60 cm土層土壤pH最高值均出現(xiàn)在西南側(cè)和西北側(cè)，并向東面呈波浪帶狀遞減，且變化比較均勻，最低值均出現(xiàn)在東北方向（圖2-b，c）。該林地20～40與40～60 cm土層間土壤pH的分布格局相似度高于0～20與20～40 cm土層之間的相似度。

進一步分析該鄧恩桉林地不同土層土壤pH經(jīng)普通克里格插值分析之后產(chǎn)生的插值標(biāo)準(zhǔn)差的空間分布，結(jié)果見圖3。由圖3可見：該林地0～20、20～40和40～60 cm土層土壤pH插值標(biāo)準(zhǔn)差的變化范圍分別為0.1071～0.1767、0.0957～0.1243、0.1079～0.1282，pH插值標(biāo)準(zhǔn)差較小，表明各土層土壤pH插值結(jié)果較好。由圖3還可見：該鄧恩桉林地不同土層土壤pH的插值標(biāo)準(zhǔn)差均呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，大體上以南部和中部為中心，向東北方向逐漸擴散增大，在東北部達到最大值。0～20 cm土層土壤pH插值標(biāo)準(zhǔn)差的空間分布以低值帶為中心向四周增大（圖3-a）；20～40 cm土層土壤pH插值標(biāo)準(zhǔn)差的空間分布出現(xiàn)許多低值小斑塊，插值標(biāo)準(zhǔn)差圍繞低值小斑塊向四周增大，并將小斑塊連在一起，形成1個與采樣點布局相似的網(wǎng)格（圖3-b）。該林地20～40與40～60 cm土層間土壤pH插值標(biāo)準(zhǔn)差分布圖相似度較高（圖3-b，c）。

圖2 7年生鄧恩桉林地不同土層土壤pH空間分布圖Fig.2 Spatial distribution maps of pH in different soil layers of seven-year-old forest of Eucalyptus dunnii Maiden

圖3 7年生鄧恩桉林地不同土層土壤pH插值標(biāo)準(zhǔn)差空間分布圖Fig.3 Spatial distribution maps of interpolation standard deviation of pH in different soil layers of seven-year-old forest of Eucalyptus dunnii Maiden

3 結(jié)論和討論

經(jīng)統(tǒng)計分析，供試7年生鄧恩桉林地0～20、20～40和40～60 cm土層土壤pH均值分別為pH3.57、pH3.62和pH3.67，變化幅度分別為pH3.31～pH3.93、pH3.30～pH3.86和pH3.33～pH3.90，變異系數(shù)分別為3.90％、3.93％和4.05％，說明隨土層深度的增加土壤的酸性減弱，pH的空間變異增強。經(jīng)K-S檢驗，研究區(qū)域內(nèi)的土壤pH服從正態(tài)分布。陳朝陽［12］的研究結(jié)果顯示：建陽市植煙區(qū)土壤pH的變幅為pH3.96～pH7.0，且土壤有酸化的趨勢；而鄧恩桉林地的土壤pH小于植煙區(qū)的土壤pH，說明鄧恩桉林區(qū)土壤酸化程度比植煙區(qū)更嚴重。導(dǎo)致鄧恩桉林地土壤酸化嚴重的因素可能有4個：一為酸雨的影響，建陽市為福建省內(nèi)受酸雨影響最為嚴重的城市之一，酸雨的酸度小于pH4.5［13］；二為人工施肥的影響，研究區(qū)土壤在造林前與造林過程中經(jīng)過多次施肥；三為種植鄧恩桉的影響，有研究表明桉樹的種植會使土壤pH降低［14］；四為造林地前茬的影響，該鄧恩桉林地造林前茬為馬尾松（Pinus massoniana Lamb.）林，馬尾松生長過程中從土壤中吸收大量營養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致土壤酸化，若馬尾松死后枝體歸還土壤，將使土壤酸化狀況得到一定的緩解，但若將馬尾松從林地中大量移走，相當(dāng)于將土壤中的鹽基離子移走，馬尾松被移走的越多，土壤酸化效應(yīng)越明顯［15］。供試的鄧恩桉林地為馬尾松受蟲害后1 a被人工采伐的林地，因馬尾松被采伐使大量鹽基離子無法歸還土壤，因此無法使土壤酸化狀況得到緩解。由于鄧恩桉林地的土壤pH較低，因此在輪作種植抗酸性弱或?qū)ν寥缐A性要求較高的植物時，應(yīng)注意對林地土壤pH的改良。

地統(tǒng)計學(xué)分析結(jié)果表明：鄧恩桉林地0～20、20～40和40～60 cm土層的土壤pH塊金效應(yīng)值分別為0.3896、0.4303和0.6043，均具有中等的空間相關(guān)性，這可能與林地土壤類型和經(jīng)營措施等因素有關(guān)。通?？臻g相關(guān)性越大，表明土壤屬性主要由結(jié)構(gòu)因素決定，如成土母質(zhì)、地形、土壤類型等；反之則表明土壤屬性主要由隨機因素決定，如施肥等人為干擾活動。鄧恩桉林地土壤pH的空間相關(guān)性處于中等水平，說明該林地的土壤屬性是由結(jié)構(gòu)因素和隨機因素共同決定的。鄧恩桉林地土壤塊金效應(yīng)值自上而下逐漸變大，土壤pH的空間相關(guān)性越來越強，說明隨土層深度的增加，土壤pH受隨機因素的影響不斷減小，而受結(jié)構(gòu)因素的影響不斷增大。具體而言，在該鄧恩桉林地范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)因素主要是地形等，隨機因素主要是施肥管理，即鄧恩桉林地各層土壤pH受土壤類型、成土母質(zhì)、地形和人工施肥等因素的綜合影響，且自上而下受人為干擾的影響越來越小。

經(jīng)過對7年生鄧恩桉林地3層土壤pH的0、1、2、3階的4個半方差函數(shù)模型的預(yù)測誤差進行比較，獲得的不同層次最優(yōu)半方差函數(shù)模型分別為：0～20 cm土層土壤pH適用0階高斯模型；20～40 cm土層土壤pH適用1階指數(shù)模型；40～60 cm土層土壤pH適用1階球狀模型。對7年生鄧恩桉林地土壤pH進行普通克里格插值分析并繪制空間分布圖，結(jié)果表明：0～20、20～40和40～60 cm土層的土壤pH均由西向東遞減，最高值出現(xiàn)在西南部；而林地土壤pH的插值標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)由南部和中部向周圍及東北部逐漸增大的分布規(guī)律。趙汝東等［16］認為：離采樣點越近，插值標(biāo)準(zhǔn)差越小，反之則插值標(biāo)準(zhǔn)差越大越不可信。因此，在采樣點周圍的插值標(biāo)準(zhǔn)差較小，離采樣點較遠的位置插值標(biāo)準(zhǔn)差較大。本研究中，鄧恩桉林地各層土壤pH插值標(biāo)準(zhǔn)差的空間分布圖的表征規(guī)律與趙汝東等［16］的研究結(jié)果相一致。另外，插值標(biāo)準(zhǔn)差大小還與采樣點的數(shù)量及采樣點的設(shè)置有關(guān)，受地形影響在北部設(shè)置的采樣點較少，越往南部采樣點越多，因此中南部位置的插值標(biāo)準(zhǔn)差較小，精度較高。有關(guān)采樣點數(shù)量與采樣點設(shè)置對鄧恩桉林地土壤pH插值的影響及其機制還有待于進一步研究。

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