基于灰色關聯(lián)分析松嫩平原耕作草甸區(qū)大型土壤

摘要：運用灰色關聯(lián)分析探討黑龍江松嫩平原耕作草甸區(qū)大型土壤動物與土壤因子的關系。結(jié)果表明，含水量、地溫對土壤動物的影響最大，土壤pH值的影響次之；全磷含量對大型土壤動物多樣性指數(shù)影響最大；含水量、緯度是松嫩平原耕作草甸區(qū)大型土壤動物空間分布的限制性因子。

關鍵詞：灰色關聯(lián)分析；大型土壤動物；土壤因子；松嫩平原；耕作草甸區(qū)

中圖分類號： S154.5文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0519-03

大型土壤動物（體長>2 mm）個體大，種類繁多，數(shù)量巨大，是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的消費者和分解者，通過其自身生存、活動和攝食行為參與土壤有機質(zhì)的分解和礦化[1-2]，促進土壤腐殖質(zhì)的形成[3]，調(diào)節(jié)土壤酶和微生物活性[4]，改善土壤結(jié)構和質(zhì)量[5]，調(diào)控地表植物群落的結(jié)構和功能[6-7]。此外，大型土壤動物對環(huán)境變化敏感，常作為反映環(huán)境變化的指示生物[8-10]，在土壤生態(tài)系統(tǒng)能量流動和物質(zhì)循環(huán)中起重要的作用。目前，中外學者廣泛關注大型土壤動物，對其研究主要集中在動物區(qū)系組成、數(shù)量變化、多樣性、評價指標以及大型土壤動物與環(huán)境因素的相互關系等[11-13]，其中揭示土壤動物與環(huán)境因子相互關系的傳統(tǒng)統(tǒng)計方法主要有相關分析、回歸分析和主成分分析等。傳統(tǒng)的統(tǒng)計分析方法存在需要的數(shù)據(jù)量大、樣本須服從典型概率分布等弊端，而土壤動物與環(huán)境因子間又具有很強的模糊性和灰色性，樣本不具備服從典型概率分布的條件?；疑到y(tǒng)理論中的關聯(lián)度分析法克服了傳統(tǒng)統(tǒng)計分析方法的缺陷，對樣本數(shù)據(jù)量大小要求不高，樣本也不需要服從典型的概率分布，用其分析事物之間的相互關系更具有廣泛性和科學性。本研究以松嫩平原黑龍江省部分耕作草甸區(qū)大型土壤動物為研究對象，用灰色關聯(lián)分析法揭示耕作草甸區(qū)大型土壤動物與土壤因子的關系，為松嫩平原耕作草甸區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)利用提供科學依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省西南部，屬于松嫩平原，位置范圍45°50′～49°29′ N、125°14′46“～126°48′50” E，是我國重要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)基地，農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式主要以種植業(yè)和畜牧業(yè)為主，玉米為研究區(qū)的代表性農(nóng)作物。該區(qū)域為溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年降水量350～500 mm，無霜期120～160 d。

1.2取樣和鑒定

2009年5月、8月、10月，在研究區(qū)內(nèi)沿北北西-南南東方向，按1°緯度差分別在黑龍江省嫩江縣、依安縣、海倫市、綏化市、哈爾濱市呼蘭區(qū)境內(nèi)依次選取5個有代表性草甸黑土耕作區(qū)，對玉米田大型土壤動物群落進行調(diào)查研究。每個耕作區(qū)設4個采樣點，每個采樣點用自制的20 cm×20 cm×5 cm 大型土壤動物采集器，按0～5、5～10、10～15、15～20 cm 分4層取樣，就地手揀分離大型土壤動物，保存于75%乙醇塑料瓶中帶回實驗室，參照文獻[14]鑒定到科，某些種類只鑒定到目或綱[15]。

1.3土壤理化性質(zhì)分析

每個調(diào)查樣地隨機選取4點，每點縱向取0～10 cm層土樣約1 kg，均勻混合，帶回實驗室自然風干，并注意經(jīng)常翻動；去除石塊、植物根系、枯枝落葉等雜質(zhì)，用土壤粉碎機粉碎；0.25 mm 網(wǎng)篩過篩，裝瓶備用。分別采用烘干稱量法、電位法、重鉻酸鉀-硫酸消化法、半微量凱氏定氮法、火焰光度法、SMT法分析土壤含水量、pH值、有機質(zhì)含量、全氮含量、速效鉀含量、全磷含量等理化指標；土壤溫度用地溫測定儀測定。

1.4特征序列和因子序列的建立

選擇大型土壤動物主要指標個體總量（y1）、類群總量（y2）、稀有類群個體數(shù)量（y3）、稀有類群數(shù)量（y4）、群落多樣性指數(shù)（y5）、大型土壤動物優(yōu)勢類群和常見類群中的線蚓科（Enchytraeidae，y6）、尖眼覃蚊科（Sciaidae，y7）、線蟲綱（Nematoda，y8）、蟻科（Formicidae，y9）、隱翅甲科（Staphylinidae，y10）作為母數(shù)列（y）；選擇環(huán)境因子pH值（x1）、全氮含量（x2）、有機質(zhì)含量（x3）、含水量（x4）、全磷含量（x5）、速效鉀（x6）、地溫因子（x7）為子數(shù)列（x），建立特征序列和因子序列。

1.5數(shù)據(jù)處理

土壤動物與土壤因子的關系采用灰色關聯(lián)的方法[16]分析，公式為：

式中：Δ（min）、Δ（max）分別為所比較的數(shù)列各個時刻絕對差中的最小值和最大值；ρ為分辨系數(shù)，ρ∈[0，1]，取值多在 01～0.5 之間，本試驗取值0.5。原始數(shù)據(jù)無量綱化初始值，分別計算灰色關聯(lián)系數(shù)（rij）、灰色絕對關聯(lián)度（εij）、灰色相對關聯(lián)度（γij）以及綜合關聯(lián)度（ρ）。灰色絕對關聯(lián)度計算公式為：

式中：|Ssj|=|∑n-1k=2x10（k）+12x12（k）|；|tsj|=|∑n-1k=2y10（k）+12y10（k）|。

灰色相對關聯(lián)度計算公式為：

式中：|Ssj|=|∑n-1k=2x10′（k）+12x10′（k）|；|tsj|=|∑n-1k=2y10′（k）+12y10′（k）|。

灰色綜合關聯(lián)度計算公式為：

ρ=θεoi+（1-θ）γoi。

式中：εoi為灰色絕對關聯(lián)度；γoi為灰色相對關聯(lián)度；θ∈[0，1]，試驗取值0.5。

2結(jié)果與分析

2.1采樣地土壤的理化性狀

由表1可見，松嫩平原耕作草甸區(qū)土壤均為偏酸性，5個采樣地的全氮含量、有機質(zhì)含量、含水量、速效鉀含量、全磷含量、低溫分別在0.17%～0.40%、2.71%～6.47%、30.28%～35.26%、4.27～5.26 mg/kg、0.16～0.24 g/kg、215～26.7 ℃，其中嫩江縣土壤的全氮含量、有機質(zhì)含量、全磷含量相對最低，海倫市土壤的全氮含量、有機質(zhì)含量、速效鉀含量、全磷含量相對最高，綏化市土壤的含水量相對最高，呼蘭區(qū)土壤的地溫相對最高，依安縣土壤的含水量、地溫相對最低。

2.2土壤動物群落與土壤因子的關聯(lián)系數(shù)灰色關聯(lián)度越大，子序列對母序列的影響越大。因此，含水量和地溫對土壤動物群落的影響較大，群落稀有類群數(shù)量與環(huán)境因子關系最為密切，而尖眼覃蚊科、線蚓科、群落多樣性指數(shù)、隱翅甲科密切程度相對較低。

2.3土壤動物群落的其他關聯(lián)排序

3 結(jié)論與討論

土壤動物對環(huán)境變化敏感，群落組成和結(jié)構年度變化相對穩(wěn)定，一年中群落結(jié)構呈規(guī)律性季節(jié)變化。土壤動物類群表2大型土壤動物與環(huán)境因子間的灰色關聯(lián)系數(shù)

大型動物因子土壤環(huán)境與大型動物因子的關聯(lián)系數(shù)（rij）pH值（x1）全氮含量

或群落組成在不同土壤生態(tài)系統(tǒng)中存在差異，能夠反映環(huán)境的細微變化，如土壤濕度、溫度、通氣性、團粒結(jié)構、空隙數(shù)量、透水性和含水量等物理性變化以及pH值、鈉含量、錳含量、氮含量、鉀含量、碳含量、鈣含量、碳氮比率、有機質(zhì)含量等化學性變化。當某些環(huán)境因素變化超出閾值時，會影響到某些土壤動物的繁衍和生存，甚至導致其死亡。土壤動物的生態(tài)學特征與土壤環(huán)境因子的狀態(tài)密切相關，土壤動物對土壤環(huán)境因子變化具有重要的指示作用。因此，土壤動物的量化指標可作為土壤環(huán)境因子變化的重要指標。

張一等對長白山紅松闊葉混交林土壤水分含量、土壤溫度對土壤動物活動規(guī)律的影響進行研究，結(jié)果表明，土壤溫度和濕度是土壤動物分布的主要限制因子，土壤動物的種類和數(shù)量與土壤溫度和濕度的變化呈正相關[17]。孫儒泳認為，土壤pH值是土壤動物分布的限制因素，多數(shù)土壤動物適宜在微酸性和近中性的土壤中生存[18]。張雪萍探討了東部山地、農(nóng)田灌溉區(qū)、東北羊草草原土壤動物與環(huán)境的關系，結(jié)果表明，在中性至堿性環(huán)境中，土壤動物密度與土壤pH值呈反相關關系[19]。本研究結(jié)果表明，含水量、地溫和pH值對黑龍江省松嫩平原耕作草甸區(qū)大型土壤動物的9個特征影響最大，與張一等的結(jié)論[17-19]一致。

本研究區(qū)為黑龍江省西部地區(qū)，處于由半濕潤向半干旱區(qū)的過渡地帶，年降水量在350～500 mm之間，降水量偏少，因此，含水量是大型土壤動物空間分布規(guī)律的限制性因子。另外，取樣是按照不同緯度進行的，緯度是影響溫度的決定性因素，也決定地溫的分布，而溫度是大型土壤動物空間分布的另一個限制性因子，因此緯度因素也是大型土壤動物空間分布的一個重要限制因子。

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