貴州喀斯特暖性草叢土壤物理因子空間異質(zhì)性分析

趙麗麗，王普昶，張錦華，宋高翔，李晨瓊，陳燕萍

(1.貴州大學動物科學學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省草業(yè)研究所，貴州 貴陽 550006)

我國西南喀斯特地區(qū)是特殊地質(zhì)背景制約的脆弱生態(tài)帶，與黃土高原、荒漠、寒漠地區(qū)并列為我國四大生態(tài)脆弱區(qū)。喀斯特土壤具有強烈的空間異質(zhì)性，土地利用方式、地貌部位和微地貌形態(tài)是影響土壤理化性質(zhì)的重要因素[1]。貴州喀斯特暖性草叢作為西南喀斯特草地的重要組成部分，與其他脆弱草原區(qū)一樣，持續(xù)惡化的趨勢不僅制約著草原畜牧業(yè)發(fā)展，更為嚴重的是，草地生態(tài)系統(tǒng)的退化加劇了水土流失和石漠化的蔓延，直接威脅到國家生態(tài)安全[2]。

土壤空間異質(zhì)性是土壤的重要屬性之一[3-8]。土壤的水分、容重和孔隙度是重要的土壤物理因子。在草地土壤中這些因子的空間變化影響著草地植被的根系進而影響草地植被的生長[1,9]。研究這些因子的空間異質(zhì)性，對深入了解草地植被的結構，變異規(guī)律和生長具有十分重要的意義。對土壤空間異質(zhì)性的研究始于20世紀70年代，當時主要側重于定性的描述；80年代成為土壤研究的熱點，并逐漸從定性描述向定量研究轉變；90年代地統(tǒng)計學的發(fā)展對土壤空間異質(zhì)性的研究起了極大的促進作用；從此空間異質(zhì)性的研究被應用到多個學科領域[3]。經(jīng)典統(tǒng)計學由于其基本假設的限制，在研究空間異質(zhì)性方面具有較多缺陷，而地統(tǒng)計學(geostatistics)則為空間異質(zhì)性分析提供了非常重要的理論工具。研究空間異質(zhì)性的地統(tǒng)計學方法可以解決3個基本問題：1)具有重要生物學意義區(qū)域化變量的變化范圍；2)空間因素占總變異的比例；3)特定的空間格局所對應的尺度。因而，通過對土壤屬性和植被屬性空間異質(zhì)性的研究，可以探索空間上的結構性對生態(tài)系統(tǒng)功能和過程的影響[7-11]。為此，本研究采用地統(tǒng)計學的理論和方法，定量研究草地土壤上層(0～5和15～20 cm)的水分、容重和孔隙度的空間異質(zhì)性，為深入研究土壤空間異質(zhì)性與草地植被格局關系和防治草原水土流失提供重要的參考。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)概況 研究區(qū)位于黔中腹地龍里縣，境內(nèi)丘陵、低山、中山與河谷槽地南北相間排列，呈波狀起伏。樣地選擇在貴州龍里縣哪嗙鄉(xiāng)谷冰村，地處26°34′26″ N和107°02′11″ E，海拔1 490 m，屬于中亞熱帶濕潤季風氣候，年均氣溫14 ℃，年均降水量1 100 mm，年度間降水量和熱量變幅不大。該區(qū)地帶性植被為亞熱帶暖性草叢草地，建群種為白健稈(Eulaliakunth)、野古草(Arundinellahirta)、十字苔草(Carexcruciata)、藎草(Arthraxonhispidus)、朝天罐(Osbeckiaopipara)等。

1.2研究方法

1.2.1空間取樣設計和分析 取樣點在面積為50 m×50 m的區(qū)域內(nèi)，標定x軸和y軸，按最小距離1 m的間隔隨機取樣30個(圖1)，在每一個樣點處挖一個臨時剖面，在0～5 cm(代表表層土壤特征)和15～20 cm(代表草本植物根系主要分布區(qū))處用環(huán)刀取樣，同時取土樣作土壤含水量分析。容重和孔隙度的測量采用環(huán)刀法，土壤含水量采用烘干法。

圖1 樣地土壤取樣位置圖

1.2.2數(shù)據(jù)分析 半方差分析:利用半方差函數(shù)分析土壤物理因子的空間異質(zhì)性，不同空間位置草地土壤的水分、容重和孔隙度具有較大的差別，但是這些差別與樣點的空間位置有關。土壤樣品分0～5和15～20 cm層次計算每一因子的變異函數(shù)，繪制變異函數(shù)曲線圖，然后建立變異函數(shù)的理論模型。試驗數(shù)據(jù)采用地統(tǒng)計學軟件GS+進行計算，其中半方差函數(shù)的計算公式采用下式：

式中,γ(h)為取樣范圍內(nèi)間距為h的所有點的方差；Z(xi)為點xi的值；Z(xi+h)為xi與間距為h的點的值；N(h)為相距h的所有點對的數(shù)目。γ(h)是取樣距離h的函數(shù)，以γ(h)為縱軸、h為橫軸繪制出的γ(h)隨h增加的變化曲線，為半方差圖。

分形分析:將半方差圖取雙對數(shù)坐標就得到雙對數(shù)半方差圖，變量的分維(D)可用下面的公式來估計：

D=2-m/2。

式中，m為雙對數(shù)半方差圖的斜率，可通過對數(shù)距點的直線擬合來得到。分維是衡量一個變量的空間依賴性程度的指數(shù)，也反映了變量的小尺度變異和大尺度變異的相對重要性，D值大，說明小尺度上的變異顯著；D值小，說明大尺度上的變異顯著。

2 結果與分析

2.1基本統(tǒng)計描述 土壤含水量在0～5 cm土層為14.946%，15～20 cm土層為13.723%，而0～5 cm土層土壤水分變異小于5～20 cm土層(表1)。可以看出，0～5和15～20 cm土層的土壤含水量偏態(tài)系數(shù)均大于0，因此其頻率分布屬于正偏。0～5和15～20 cm土層的土壤含水量的峰值系數(shù)均小于3，因此其頻率分布屬于低闊峰(表1)。

土壤容重在0～5 cm土層的平均值小于15～20 cm土層，其變異系數(shù)卻大于15～20 cm土層。其土壤容重偏態(tài)系數(shù)值均大于0，為正偏，峰值系數(shù)值均小于3，因此其頻率分布屬于低闊峰(表1)。土壤孔隙度上、下層的變化趨勢和容重相反，0～5 cm土層的平均值為52.103，大于15～20 cm土層的孔隙度(48.388)，其變異系數(shù)和土壤容重變異系數(shù)也相反，是0～5 cm土層變異系數(shù)小于15～20 cm土層。偏態(tài)系數(shù)值0～5和15～20 cm土層小于0，因此其頻率分布屬于負偏。峰值系數(shù)值和土壤含水量、容重一致，0～5和15～20 cm土層的土壤孔隙度的峰值系數(shù)均小于3，因此其頻率分布也屬于低闊峰(表1)。

表1 土壤物理性質(zhì)統(tǒng)計分析

2.2土壤物理因子的空間結構特征分析 半方差函數(shù)中的變程(A0)是描述空間異質(zhì)性尺度的有效參數(shù)[11]。變程的確定可以為以后研究選樣尺度提供理論依據(jù)。從空間異質(zhì)性的組成分析，塊金值(C0)表示隨機部分的空間異質(zhì)性，拱高(C)表示系統(tǒng)變異的空間異質(zhì)性，拱高與基臺值(C0+C)之比反映自相關部分的空間異質(zhì)性占總空間異質(zhì)性的程度[7-12]。0～5 cm土層土壤含水量結構性方差占樣本方差的85.9%，說明85.9%的空間異質(zhì)性由隨機因素引起，主要存在于1 m小尺度內(nèi)，而由空間自相關部分引起的空間異質(zhì)性占14.1%，在14.22 m內(nèi)(圖2a)；15～20 cm土層的C/(C0+C)值為0.484，即空間異質(zhì)性的隨機因素為48.4%，說明自相關因素是引起其異質(zhì)性的主要因素，在30.63 m內(nèi)。有效變程0～5 cm土層小于15～20 cm土層(圖2b)。

圖2 空間分布半方差圖

表2 土壤物理因子空間分布的半方差統(tǒng)計參數(shù)

土壤容重半方差表明(表2)，0～5 cm土層土壤容重半方差函數(shù)表現(xiàn)為球面模型(圖2c)，結構方差占樣本方差的81.1%，說明81.1%的空間異質(zhì)性由隨機因素引起的；土壤容重在15～20 cm土層的C/(C0+C)值為0.465，說明其空間異質(zhì)性的存在主要是由空間自相關引起的，其范圍存在于12.87 m內(nèi)(圖2d)。從半方差分析結果得知(表2)，0～5 cm土層土壤孔隙度的半方差圖(圖2e)和容重的非常一致，在變程10.54 m內(nèi)有顯著的自相關性，結構性方差占樣本方差的61.5%。土壤孔隙度在15～20 cm土層的C/(C0+C)值為0.471，說明空間異質(zhì)性的存在主要是由空間自相關引起的，其范圍是存在于30.635 m內(nèi)(圖2f)。

2.3土壤物理因子的分形分析 表3是喀斯特暖性草叢草地土壤含水量、容重和孔隙度空間分布的分形分析結果。結果顯示，喀斯特暖性草叢草地土壤含水量、容重和孔隙度的分維數(shù)都較大(大于或接近1.8)。其中，又以土壤容重(0～5 cm)和土壤孔隙度(0～5 cm)的分維數(shù)相對較高，土壤含水量的分維數(shù)相對較小。

表3 土壤物理因子空間分布的分形分析

3 討論與結論

喀斯特地區(qū)作為脆弱生態(tài)區(qū)，土壤存在較強的時空變異性，標準差表示的是絕對變異，變異系數(shù)反映的是相對變異[2-3]。本研究發(fā)現(xiàn)土壤含水量、容重、孔隙度在0～5 cm土層變異性均大于15～20 cm土層，說明表層受到外界影響更強烈些。半方差函數(shù)是地統(tǒng)計學所特有的，是區(qū)域化變量在分割距離上樣本空間變異的量度，空間異質(zhì)性是尺度的函數(shù)。本研究結果表明，貴州暖性草叢草地土壤物理性質(zhì)具有高度的空間異質(zhì)性。在一定的空間范圍內(nèi)土壤水分、容重和孔隙度具有明顯的空間自相關現(xiàn)象。這些因子的空間異質(zhì)性尺度在0～5 cm土層中為4～15 m，在15～20 cm土層中為12～30 m。上層的土壤空間異質(zhì)性小于下層。土壤物理性質(zhì)隨機部分的空間異質(zhì)性相對較大，存在于1～14 m以下的小尺度中；下層的土壤物理性質(zhì)的空間異質(zhì)性主要是由空間自相關引起的，主要存在于1～30 m的中尺度范圍內(nèi)。這表明土壤水分、容重、毛管持水量和孔隙度在空間分布上具有明顯的結構特征。

作為衡量一個變量的空間依賴性程度的指數(shù)，分維能夠反映變量在小尺度和大尺度上變異的相對重要性。其大小可以用來說明是小尺度上的變異還是大尺度上的變異控制景觀格局[13-14]。在本研究中，各個變量的分維都較大，這說明更小的尺度上生態(tài)學過程在各個變量要素的空間格局的形成中起控制作用。需要指出的是由于空間異質(zhì)性的尺度變化特征，僅僅一個分維值往往不能給復雜的斑塊結構一個全面的描述，所以需要根據(jù)其變化特點進行分段分析，得到幾個不同尺度范圍內(nèi)的分維，能夠反映空間異質(zhì)性的等級斑塊結構，可以對不同尺度上的空間異質(zhì)性進行比較，比單一的分維值更能反映空間異質(zhì)性的變化全貌。

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