廣西森林土壤主要養(yǎng)分的空間異質(zhì)性

王淑彬，徐慧芳，，宋同清 ，黃國勤，彭晚霞，杜 虎

(1．江西農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生理生態(tài)與遺傳育種江西省/教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330045;2．中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410125;

3．中國科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站，環(huán)江 547100)

森林土壤是一個(gè)無比巨大的碳匯，也是一個(gè)天然的肥料庫，能有效地協(xié)調(diào)植物生長所需的水肥氣熱等條件，是影響植物生存最為重要的因素之一［1］。土壤是一個(gè)復(fù)雜的自然綜合體，內(nèi)部性質(zhì)存在著強(qiáng)烈的空間異質(zhì)性，即使在幾厘米的空間距離上其性質(zhì)也存在強(qiáng)烈變異［2］。因此，土壤屬性較大尺度的變化，對(duì)森林格局具有決定性作用［3］。土壤養(yǎng)分的空間分布特征為精確農(nóng)業(yè)及生態(tài)建模提供依據(jù)，幾乎所有的分布式水文模型［4］、氣候變化模型［5］都需要土壤養(yǎng)分的空間信息。土壤肥力是土壤最重要的生態(tài)功能之一，其空間布局與組成結(jié)構(gòu)直接影響著土壤生產(chǎn)力的高低、生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的途徑與方向。在脆弱生境中，土壤N、P、K的空間分布特征與灌叢植被的分布區(qū)域具有高度相關(guān)性［6-7］。因此，開展森林土壤養(yǎng)分空間變異的研究對(duì)探索森植物群落結(jié)構(gòu)及其生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)具有指導(dǎo)意義［8-9］。

廣西壯族自治區(qū)位于我國西南部，森林資源非常豐富，是中國南方重要林區(qū)之一。屬于低緯度地區(qū)，地處中、南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，林種分布地域差異明顯，以北回歸線為界，南部為具有熱帶特點(diǎn)的森林，北部為亞熱帶常綠闊葉林。近年來，森林面積有了大幅度的增長，通過引入國外樹種，森林類型更加豐富，但缺乏廣西區(qū)森林土壤養(yǎng)分空間分布規(guī)律的科學(xué)認(rèn)識(shí)，優(yōu)勢林種選擇的不合理導(dǎo)致森林質(zhì)量下降、土壤資源浪費(fèi)，限制了廣西林業(yè)的發(fā)展。地統(tǒng)計(jì)學(xué)是在傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的空間分析方法，不僅能夠有效地揭示屬性變量在空間上的分布、變異和相關(guān)特征，而且可以將空間格局與生態(tài)過程聯(lián)系起來，有效解釋空間格局對(duì)生態(tài)過程與功能的影響［10-12］。國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)研究了不同尺度上土壤屬性的空間變異特征［13-16］，喀斯特峰叢洼地森林土壤水分、有機(jī)質(zhì)、礦物質(zhì)、養(yǎng)分的研究也不少［17-21］，但關(guān)于區(qū)域尺度森林土壤肥力空間變異的報(bào)道甚少。本文以廣西區(qū)森林主要土壤養(yǎng)分為研究對(duì)象，用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的空間特征和空間比較定量化方法，分析廣西區(qū)森林土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性和分布格局，初步探討了其生態(tài)學(xué)過程和機(jī)制，為提高廣西區(qū)脆弱生態(tài)系統(tǒng)土壤肥力、促進(jìn)該區(qū)域植被迅速恢復(fù)與生態(tài)重建提供理論依據(jù)和參考。

1 研究地區(qū)概況與研究方法

1．1 自然概況

廣西壯族自治區(qū)位于我國西南部，東經(jīng)104°26'—112°04'之間，北緯 20°54'—26°24'之間，屬熱帶、亞熱帶地區(qū)，氣候溫暖，日照充足，降水豐富，年降水量范圍為1080—2760 mm，降水季節(jié)分布不均，有明顯的干濕季，4—9月為雨季，總降水量可達(dá)到全年降水量的70%以上，10月至次年3月是干季。廣西地勢西北較高，由西北向東南傾斜。河流廣布，流向多與地質(zhì)構(gòu)造一致，四周多被山地、高原環(huán)繞，呈盆地狀。盆地邊緣多缺口，桂東北、桂東、桂南沿江一帶有大片谷地。廣西區(qū)內(nèi)土壤類型多樣，有18個(gè)土類，34個(gè)亞類，109個(gè)土屬，327個(gè)土種，主要有磚紅壤、赤紅壤、紅壤、石灰?guī)r土、黃壤、黃棕壤、紫色土、水稻土等［22］。

廣西地處亞熱帶熱帶地區(qū)，溫度從南到北由于緯度的升高而降低，直接影響著森林植被的分布，呈現(xiàn)規(guī)律性的更替顯現(xiàn)。廣西南部以北熱帶季節(jié)性雨林為主;中部與南部分別以棒科植物的常綠闊葉林和殼斗科植物為代表的常綠葉林。廣西區(qū)森林劃分為7個(gè)片區(qū)，天然林以常綠闊葉林為主，亞熱帶落葉闊葉林、亞熱帶針葉闊葉混交林、亞熱帶針葉林分布面積也較大。其中，亞熱帶針葉闊葉混交林僅在百色地區(qū)有分布。集中連片的天然闊葉林分布在九萬大山、大瑤山、海洋山、西大明山、貓兒山、富川西嶺、大明山、花坪林區(qū)、姑婆山等。廣西的人工林以松、杉、桉等用材林和油桐、油茶、八角、肉桂、栲膠等經(jīng)濟(jì)林為主。樣地的森林種類在各個(gè)地區(qū)屬于代表性林種，其中桉樹主要分布在桂東南地區(qū)，石山林主要分布于桂西北，杉木主要樣地主要分布在桂東北地區(qū)，松類樣地主要分布在桂南。

1．2 土樣采集方法與分析

在廣西區(qū)境內(nèi)設(shè)立共115個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)有3個(gè)重復(fù)樣地(20 m×50 m)，共345個(gè)樣地，其中每個(gè)樣地之間直線距離＞100m，每個(gè)樣地圍成10個(gè)10m×10 m的小樣方，在每個(gè)樣地1、3、8小樣方用土鉆取樣法，去除表面枯枝落葉，取表層0—10 cm土壤，混合后土壤代表該樣點(diǎn)土樣，并詳細(xì)記錄該樣點(diǎn)的植被類型、巖石裸露率等環(huán)境信息，坡度、坡向、土層厚度等地理信息，GPS定位，記錄樣地四點(diǎn)經(jīng)緯度及海拔。

土壤樣品指標(biāo)室內(nèi)分析主要包括全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)、堿解氮(AN)、速效磷(AP)、速效鉀(AK)。其中TN采用半微量開氏法測定;TP采用NaOH熔融鉬銻抗顯色紫外分光光度法測定;TK采用NaOH熔融原子吸收法測定;AN采用堿解擴(kuò)散法測定;AP采用0．05 mol/L NaHCO3提取鉬銻抗顯色紫外分光光度法測定;AK采用NH4Ac浸提原子吸收法測定。

1．3 數(shù)據(jù)處理

所用統(tǒng)計(jì)計(jì)算及模型的擬合在SPSS和專業(yè)地統(tǒng)計(jì)軟件GS+中完成。地統(tǒng)計(jì)學(xué)有關(guān)方法及原理限于篇幅不作詳細(xì)介紹，具體參見文獻(xiàn)［23-25］。

2 結(jié)果與分析

2．1 經(jīng)典統(tǒng)計(jì)描述

文中數(shù)據(jù)采用樣本均值加減3倍標(biāo)準(zhǔn)差識(shí)別特異值，在此區(qū)間外的數(shù)據(jù)均定為特異值，分別用正常的最大和最小值代替［26］，后續(xù)計(jì)算均采用處理后的原始數(shù)據(jù)。由廣西森林土壤養(yǎng)分含量的統(tǒng)計(jì)特征(表1)可看出，TN、TP、TK的變化范圍分別為0．27—6．85、0．1—1．46、0．41—30．75 g/kg，AN、AP、AK 分別為 34．67—561．19、0．93—78．76、7．23—417 mg/kg。不同土壤養(yǎng)分變異幅度不同，除AP外變異系數(shù)均介于10%—75%，呈中等變異，這可能與養(yǎng)分元素在土壤中的化學(xué)行為及肥料施用狀況、林間管理措施等有關(guān)。速效成分受隨機(jī)因素影響較大，所以變異程度較大，土壤全量變異系數(shù)較小，說明其在土壤中含量較穩(wěn)定。土壤各養(yǎng)分的偏態(tài)數(shù)(Skewness)均大于零，表明均呈正偏態(tài)分布，其中TK的偏度最小，AP的偏度最大。與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布相比，峰值系數(shù)(Kurtosis)大于3時(shí)樣本數(shù)據(jù)為高狹峰，低于3時(shí)為低闊峰。除AP外，其他養(yǎng)分均為低闊峰，TP最接近正態(tài)分布，其他養(yǎng)分均不服從正態(tài)分布，進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后均符合正態(tài)分布。描述性統(tǒng)計(jì)分析能夠反映樣本全體的基本信息，而不能定量地刻畫土壤養(yǎng)分的隨機(jī)性、結(jié)構(gòu)性、獨(dú)立性和相關(guān)性［27］。因此，需要采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析土壤養(yǎng)分的空間變異特征。

表1 廣西區(qū)森林土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計(jì)特征Table 1 Descriptive statistics ofmain soil nutrients in Guangxi forests

2．2 空間變異特征

由圖1可知，廣西森林土壤AN試驗(yàn)半變異函數(shù)的最佳擬合模型為球狀模型，其他養(yǎng)分均為指數(shù)模型，R2除TK 外在0．653—0．941之間，RSS除 TK 外均較小，說明各變量最佳模型擬合度較高，能很好地反映各土壤養(yǎng)分的空間結(jié)構(gòu)特征，各半變異函數(shù)模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。TN、AN的變程相近且均較大，分別為 5．304°和 5．667°，TK 變程最小，為 0．186°，TP、AP、AK 的變程介于其間。TN、TP、AP 的塊金值/基臺(tái)值較大，介于28%—49．9%之間，為中等程度的空間自相關(guān)。TK、AN、AK的塊金值/基臺(tái)值相對(duì)較小，分別為 10．4%、23．7%、21．8%，都小于25%，表現(xiàn)為強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性。各土壤養(yǎng)分的變異系數(shù)與塊金值/基臺(tái)值并不對(duì)應(yīng)，AN變異程度雖然較大，但塊金值/基臺(tái)值較小，說明人類的隨機(jī)干擾對(duì)AN空間變異的貢獻(xiàn)較小，土壤氮素的空間異質(zhì)性主要來源于結(jié)構(gòu)因素。除AN、AK外各土壤養(yǎng)分的半變異函數(shù)曲線在超過一定滯后距后不再增加，而是圍繞基臺(tái)值呈周期性上下波動(dòng)的特征，即孔穴效應(yīng)［25，28］，這種現(xiàn)象主要是由區(qū)域化變量周期性變化引起的，說明研究區(qū)土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性具有周期性變化的特征。

表2 土壤養(yǎng)分全向半變異函數(shù)理論模型及其結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 The best-fitted sem ivartiogram model of soil nutrients and the structure parameters

圖1 廣西森林土壤養(yǎng)分半變異函數(shù)圖Fig．1 Isotropic sem ivariogram of forest soil nutrients in Guangxi

2．3 空間分布特征

土壤養(yǎng)分的空間分布格局受海拔、人為干擾、植被、地形等人為與自然因子的綜合影響，不同因子的主導(dǎo)作用導(dǎo)致不同養(yǎng)分的空間格局。廣西森林土壤TN含量比較豐富，高于0．5 g/kg，空間變異規(guī)律明顯，呈北部地區(qū)含量較高、向南部和西北部逐漸降低的空間格局。TN含量高的森林土壤集中在西北部地區(qū)的河池、柳州、桂林、百色、賀州和崇左，森林類型主要為石山灌木及松杉類。AN的空間分布格局與TN極為相似(圖2)。

圖2 廣西森林土壤養(yǎng)分K riging等值線圖Fig．2 K riging contouring maps of forest soil nutrients in Guangxi

廣西森林土壤TP含量并不豐富，尤其廣西南部森林土壤TP極為貧乏;有兩個(gè)高峰區(qū)——桂柳和河池地區(qū)，含量大于1 g/kg，由這兩個(gè)區(qū)向四周逐漸減少，在廣西西南部百色與崇左出現(xiàn)了次高含量區(qū)域。AP的空間變異比較復(fù)雜，分布格局并沒有明顯規(guī)律，AP高值區(qū)分布在廣西區(qū)東北部與西南部邊緣，中等值集中在廣西西北、東北、西南3個(gè)邊角及位于南寧與百色交接處，含量最低的區(qū)域分布在柳州與梧州，這可能與河流的分布有關(guān)。

廣西森林土壤TK的空間分布比較均勻、平衡，高值分布在東南邊緣地區(qū)，次高值主要分布在東南部和東北部，中等值TK含量(10—15、5—10 g/kg)，占總面積的86．2%，說明廣西區(qū)森林土壤TK含量并不豐富。AK的空間變異格局比較有規(guī)律，總體的分布格局是北高南低，高值區(qū)主要分布在廣西東北部，次高值主要分布在東北部、西北部及中北部邊緣地區(qū)，中等值主要分布在廣西中部和北部大片區(qū)域，低含量區(qū)域主要分布在廣西南部。

3 結(jié)論和討論

3．1 廣西森林土壤養(yǎng)分的總體特征

廣西森林分為7個(gè)片區(qū)，不同片區(qū)養(yǎng)分含量狀況不同，變異程度也不相同。總體而言，北部森林養(yǎng)分含量高于南部森林片區(qū)(數(shù)據(jù)未顯示)，其中廣西南部ⅠA2a、ⅡA1a兩個(gè)片區(qū)各種養(yǎng)分含量均很低，造成片區(qū)養(yǎng)分不平衡的原因有多種，這可能與森林類型有關(guān)。南部片區(qū)森林類型主要為桉樹林，桉樹是廣西區(qū)主要人工經(jīng)濟(jì)林樹種，生長快，養(yǎng)分消耗大，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分急劇流失，北部森林以石山灌木、松、杉類為主，生長速率較慢，養(yǎng)分循環(huán)也較好，受人為干擾小，土壤養(yǎng)分含量維持較高水平。土壤養(yǎng)分差異除受森林類型影響外，還與地形、氣候、土壤類型有密切關(guān)系。

廣西區(qū)森林土壤養(yǎng)分基本屬于中等變異，速效養(yǎng)分變異程度大于全量養(yǎng)分，其中AP、AK變異程度最大。進(jìn)一步的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)廣西森林土壤養(yǎng)分除TK外擬合效果均很好，變程大小為AK＞AN＞TN＞TP＞AP＞TK，TN、TP、AP 的塊金值/基臺(tái)值較大，表現(xiàn)為中等程度的空間自相關(guān)，說明在當(dāng)前觀測尺度上，隨機(jī)因素對(duì)這些養(yǎng)分影響較大，與林間管理施肥、砍伐及實(shí)驗(yàn)誤差有關(guān)。TK、AN、AK表現(xiàn)為強(qiáng)烈的空間自相關(guān)。說明隨機(jī)擾動(dòng)對(duì)這些養(yǎng)分的影響相對(duì)較小，主要受研究區(qū)結(jié)構(gòu)性影響。

3．2 廣西森林土壤的空間變異和格局

廣西區(qū)森林土壤養(yǎng)分均表現(xiàn)出高度的空間異質(zhì)性，不同養(yǎng)分的空間變異特征和分布格局不同。廣西區(qū)森林土壤AN和TN含量水平都很高，表明廣西區(qū)氮素含量比較豐富。TN和AN空間變異特征相似度很高，呈廣西北部地區(qū)含量比較豐富、向南部和西北部地區(qū)逐漸降低的空間格局。TN含量與有機(jī)質(zhì)含量具有很強(qiáng)的相關(guān)性，有機(jī)質(zhì)也是TN的主要來源，廣西北部主要是石山林和松類，表層枯枝落葉量多，經(jīng)過長期的腐殖化作用，富集了大量的腐殖質(zhì)，有機(jī)質(zhì)含量豐富，而且廣西北部較南部寒冷，更加有利于氮素的積累［29-30］;南方主要為桉樹人工林，枯枝落葉比較少，有機(jī)質(zhì)含量低，同時(shí)桉樹的快速生長急劇地消耗土壤養(yǎng)分，從而影響了土壤氮素的含量［31］。廣西區(qū)氮素在植被類型、土壤類型、地形、土壤母質(zhì)、氣候及人類活動(dòng)等因素綜合作用下形成了獨(dú)特的空間格局。

廣西森林土壤磷庫含量較小，TP的空間變異趨勢是從桂柳和河池兩個(gè)含量最高區(qū)向四周逐漸降低的趨勢，AP的空間變異比較復(fù)雜，規(guī)律不明顯。氣候的因素對(duì)土壤TP含量影響很大，在熱帶、亞熱帶地區(qū)氣候高溫多雨加快了土壤分化速度與磷元素的淋溶［32-33］。Miller等［34］認(rèn)為在熱帶季風(fēng)區(qū)隨著降水量的增加TP降低，相反，溫度低降水較少的地區(qū)TP含量比較高，與本研究結(jié)論一致，廣西北部氣溫較南部較低，降水較少，且北部喀斯特地貌廣布，地下河較多，降水快速滲透到地下河，地表水蓄積量少，不能充分參加與TP的理化反應(yīng)。AP含量最低區(qū)主要分布在柳州與梧州兩個(gè)區(qū)域，這與河流的分布有關(guān)，這兩個(gè)區(qū)域均位于柳江流經(jīng)區(qū)域，河流匯聚細(xì)小河流，加速了速效磷的流失。不同土壤類型對(duì)AP的含量也有重要影響，不同地球化學(xué)類型上土壤有效磷密度的差異，反映了土壤中的物理、化學(xué)過程對(duì)土壤有效磷含量的控制［35-36］。AP空間格局分布復(fù)雜，與隨機(jī)因素有直接關(guān)系，不同林地的施肥管理措施不同，長期使用磷肥會(huì)提高土壤中AP的含量。

廣西森林土壤K含量并不豐富，TK和AK均屬中等水平，TK東南部含量稍高，AK呈北高南低。土壤TK、AK的變異性和其它養(yǎng)分一樣都受結(jié)構(gòu)性因素(土壤母質(zhì)、氣候、土壤類型、地形等)和隨機(jī)因素如不同的管理施肥措施等共同作用的結(jié)果。研究區(qū)AK與TK空間變異有一定的差異，說明兩者分別有自身形成的主導(dǎo)因素，土壤中新鮮植物殘?bào)w、根系、微生物中也含有一定量的鉀，但并不組成穩(wěn)定的含鉀有機(jī)物，因而對(duì)植物的有效性高。有機(jī)體一旦死亡，其所含鉀可被水淋洗或浸提出，也是土壤速效鉀的組成部分、補(bǔ)充液態(tài)鉀和交換性鉀的重要來源。由TK、AK空間格局可反映出廣西區(qū)鉀素總體成中等水平，在農(nóng)業(yè)活動(dòng)中要針對(duì)鉀素的含量格局，科學(xué)地使用鉀肥來提高速效鉀的含量。

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