青藏高原高寒草地土壤鐵的空間異質(zhì)性

高麗楠　張宏

摘要：應(yīng)用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)和地統(tǒng)計學(xué)相集合的方法，研究青藏高原東緣典型的高寒草甸、高寒沼澤樣地中小尺度下土壤活性鐵的空間變異特征。結(jié)果表明，研究區(qū)土壤活性鐵變異系數(shù)隨著樣地尺度的增加而增大，變異系數(shù)為142%～48.8%，均屬中等程度變異。半方差分析結(jié)果，高寒草甸3個尺度的樣地從小到大M1、M2、M3的最佳擬合模型依次為高斯、指數(shù)、球狀模型；高寒沼澤S1、S2、S3依次為指數(shù)、球狀、指數(shù)模型。高寒草甸和高寒沼澤的土壤活性鐵的空間變異性的塊金值/基臺值比值[C0/（C0+C1）]均介于50%～68%，具有中等強度的空間相關(guān)性，結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素共同對變異起作用。克里金插值圖顯示高寒草甸土壤活性鐵明顯呈帶狀和斑塊狀分布，空間連續(xù)性較好，南部活性鐵含量明顯高于北部；高寒沼澤土壤活性鐵呈現(xiàn)斑狀分布，插值圖比較破碎。在相同尺度下高寒沼澤群落土壤活性鐵的分形維數(shù)值要小于高寒草甸群落，高寒沼澤群落土壤活性鐵呈現(xiàn)更強的空間異質(zhì)性。

關(guān)鍵詞：土壤活性鐵；地統(tǒng)計學(xué)；空間變異

中圖分類號： S153.6+1文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）15-0239-04

地殼和土壤中鐵元素的豐度僅次于氧、硅、鋁，不僅影響土壤結(jié)構(gòu)，還可直接以化學(xué)途徑或間接通過微生物/生物途徑干預(yù)大量元素循環(huán)，從而影響土壤功能[1]。特別是對濕地土壤的氧化還原環(huán)境來說，土壤鐵的變化具有非常重要的指示性意義[2]。同時，鐵可以直接影響植物的生長發(fā)育，土壤對植物營養(yǎng)元素的供給情況可以通過土壤中鐵的含量及分布來反映[3]。其中，活性鐵是在一定條件下能夠被活化的氧化鐵，在調(diào)節(jié)Fe3+和 Fe2+含量上具有重要作用，是土壤對植物供鐵的重要指標(biāo)[1]。所以在植物營養(yǎng)學(xué)和環(huán)境化學(xué)等領(lǐng)域中，土壤活性鐵均起著重要的作用。

青藏高原是地球上最高的高原，平均海拔在4 000 m以上，地域廣闊，面積為2 572.4×103 km2，占我國陸地總面積的26.8%[4]，被譽為地球的“第三極”。青藏高原具有高海拔、強太陽輻射、空氣稀薄、低氣溫等地理氣候特征，使得高原植被和土壤對全球變化極為敏感，因此，被認(rèn)為是研究全球變化的“敏感區(qū)”。青藏高原土壤元素的自然含量及其特征的研究，是該區(qū)開發(fā)和規(guī)劃中必不可少的資料，對于了解該區(qū)的環(huán)境地球化學(xué)與元素化學(xué)地理上具有重要意義。土壤環(huán)境的重要屬性之一是土壤鐵的空間異質(zhì)性[5]。土壤鐵的空間異質(zhì)性的研究具有相當(dāng)重要的意義，不僅可以理解土壤的形成過程、結(jié)構(gòu)和功能，而且可以了解植物和土壤之間的關(guān)系，如土壤的更新過程，植物的空間分布格局，對土壤養(yǎng)分和水分變化對根系產(chǎn)生的影響也具有非常重要意義。自20世紀(jì)90年代以來，土壤鐵的空間異質(zhì)性成為生態(tài)學(xué)研究的重點問題，相關(guān)學(xué)者開始關(guān)注土壤鐵含量的空間異質(zhì)性特征[6-7]。本研究在中小尺度下通過高密度網(wǎng)格嵌套采樣，從不同群落類型、樣地大小、采樣密度等角度探討土壤活性鐵的空間異質(zhì)性變化，揭示青藏高原東緣高寒地區(qū)不同草地類型土壤活性鐵的空間分布及其變異特征，有助于認(rèn)識該地區(qū)土壤活性鐵在不同空間范圍上的變異特征，最終為大尺度的土壤活性鐵的分布、估算模型模擬和真實信息獲取提供實踐基礎(chǔ)，對評價青藏高原在全球環(huán)境變化下生物地球化學(xué)循環(huán)的響應(yīng)有重要的意義。

1材料與方法

1.1試驗地概況

研究區(qū)位于青藏高原東南邊緣的四川省阿壩藏族羌族自治州紅原縣（101°51′～103°23′E，31°51′～33°19′N），平均海拔3 600 m。該區(qū)氣候為大陸性高原氣候，年均氣溫0.6～11 ℃，最暖為7月，平均溫度為10.8 ℃，最冷為1月，平均溫度為-10.6 ℃；區(qū)內(nèi)年均雨量781.75 mm，降水主要集中在5—9月；日照時間長，太陽輻射強，太陽輻射年總量為 6 194 MJ/m2。

1.2樣品采集與分析

本研究在紅原縣龍日種畜場的草場設(shè)置樣地，分別選取淺丘山地草甸（102°22.91′E，32°27.21′N，海拔3 563 m）、丘間低地沼澤（102°22.10′E，32°26.73′N，海拔3 560 m）2塊樣地。前者以矮生嵩草（Kobresia humilis）、翻白委陵菜（Potentilla discolor）、鵝絨委陵菜（Potentilla anserine）、乳白香青（Anaphalis lactea）、米口袋（Gueldenstaedtia verna）、火絨草（Leontopodium lentopodioides）、剪股穎（Agrostis matsumurae）等為群落優(yōu)勢種；后者以烏拉草（Carex meyeriana）、金蓮花（Trollius chinensis）、小白花地榆（Sanguiorba parviflora）等為群落優(yōu)勢種。同時草場處于圍欄禁牧的時期。

在植被生長盛期的2015年7月中旬，分別對高寒草甸樣地和高寒沼澤樣地進行土壤取樣。在2塊樣地內(nèi)，均采用大樣地套小樣地方法設(shè)置10 m×5 m 、5 m×2.5 m、2 m×1 m樣地尺度。在3種樣地尺度下分別按0.5 m×0.5 m、0.25 m×0.25 m、0.1 m×0.1 m面積劃分成200個小樣方，用網(wǎng)格法布設(shè)土壤活性鐵采樣樣點。采用蛇形順序在各樣地內(nèi)取樣，取樣深度均為0～20 cm，將編號裝入布袋的土樣帶回實驗室，經(jīng)風(fēng)干、研磨、過篩，制備裝瓶備用。

土壤活性鐵的測定采用原子吸收光度計法測定。土壤中活性氧化物采用酸性草酸-草酸銨溶液提取，在不損壞土壤礦質(zhì)部分時，使氫氧化鐵等凝膠進入提取液。然后用鹽酸羥胺為還原劑，將三價鐵還原為二價鐵，二價鐵與鄰啡啰林反應(yīng)生成橙紅色的絡(luò)合物進行比色。利用UVWIN5紫外-可見光分光光度計進行測量。

1.3數(shù)據(jù)分析

采用地統(tǒng)計學(xué)方法進行分析。地統(tǒng)計學(xué)中，區(qū)域化變量在一定尺度上的相關(guān)程度和空間變異可以通過半方差函數(shù)的塊金值、基臺值等參數(shù)來反映。相關(guān)統(tǒng)計學(xué)的方法和原理可見參考文獻[8]。描述性統(tǒng)計利用SPSS 12.0 完成，變異函數(shù)計算和理論模型的擬合均利用ArcGIS 10.1完成。endprint

2結(jié)果與分析

2.1土壤活性鐵經(jīng)典統(tǒng)計

從表1 可以看出，研究區(qū)高寒草甸土壤活性鐵含量為704～779 g/kg，高寒沼澤土壤活性鐵含量為13.08～15.71 g/kg，2種群落下土壤活性鐵含量差異明顯。隨機變量離散程度的大小通過變異系數(shù)（CV）來表示，即土壤活性鐵空間變異性的大小。CV<10%，表現(xiàn)空間上為弱變異性；10%100%，說明空間上屬于強變異性[9]。在不同植被覆蓋、不同采樣尺度下，土壤活性鐵變異系數(shù)在14.2%～48.8%，均屬中等變異，且變異系數(shù)隨樣地尺度的增加而增大。進行地統(tǒng)計分析的前提是檢驗數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布，因原始數(shù)據(jù)存在正偏態(tài)效應(yīng)，所以對數(shù)據(jù)進行自然對數(shù)轉(zhuǎn)換，其結(jié)果符合正態(tài)分布要求，滿足地統(tǒng)計學(xué)分析要求。

2.2不同采樣尺度下土壤活性鐵的空間結(jié)構(gòu)特征

半方差函數(shù)參數(shù)既能反映出分析對象空間相關(guān)的類型又能說明空間分布的結(jié)構(gòu)，同時能夠量化空間相關(guān)的范圍，其中，塊金值（C0） 反映隨機性變異，受到試驗誤差和采樣尺度及系統(tǒng)屬性本身變異特征所控制；偏基臺值（C1） 反映由結(jié)構(gòu)性因素（地形、氣候等）引起的變異；基臺值（C0+C1） 表示系統(tǒng)內(nèi)部總的變異，包括隨機性變異和結(jié)構(gòu)性變異，值的大小表示總變異程度的高低，基臺值則表示系統(tǒng)總的空間異質(zhì)性，其值越大則空間異質(zhì)性越高[10]。隨機因素引起的變異與總變異的關(guān)系通過塊基比[C0 /（C0+C1）]能夠得到反映，當(dāng)塊基比較高時，表明引起空間變異的主要作用為隨機部分；當(dāng)比值較低時，則表明引起空間變異的主導(dǎo)因素為空間自相關(guān)部分[11-12]。在高寒草甸樣地，采樣尺度土壤活性鐵含量半方差函數(shù)最佳擬合模型M1符合高斯模型，M2符合指數(shù)模型，而M3符合球狀模型。從表2 可以看出，塊金值、基臺值和塊基比均隨采樣尺度增大先減小后增大，M1、M2、M3樣地的塊基比分別為63%、32%、35%。對于高寒草甸來說，M1樣地土壤活性鐵結(jié)構(gòu)性因子影響占的比重小，為37%，而隨機性因子的影響則較大；M2、M3樣地的結(jié)構(gòu)性因子影響分別占68%、65%，以結(jié)構(gòu)性因子的影響為主。高寒草甸采樣尺度M1表現(xiàn)出各向同性，而M2、M3表現(xiàn)出各向異性，各向異性比均為6.51。

在高寒沼澤S2樣地，土壤活性鐵半方差函數(shù)最佳擬合模型符合球狀模型，S1、S3符合指數(shù)模型。塊金值、基臺值和塊基比均隨著采樣尺度的增大而增大，S1、S2、S3樣地的塊基比分別為17%、50%、68%。高寒沼澤樣地采樣尺度S1、S2均表現(xiàn)出各向異性，各向異性比分別為2.06、2.32，但采樣尺度S3表現(xiàn)出各向同性。高寒沼澤S1樣地土壤活性鐵呈現(xiàn)較好的空間相關(guān)性，結(jié)構(gòu)性因子影響的空間異質(zhì)性明顯高于S1、S2樣地尺度。高寒沼澤土壤活性鐵隨機部分的空間異質(zhì)性隨樣地尺度的增大而逐漸升高，逐漸掩蓋小尺度的結(jié)構(gòu)特征。

C0 /（C0+C1）<25%，表明變量空間相關(guān)性較強；C0 /（C0+C1） 介于25%～75%，則說明變量具有中等的空間相關(guān)性；C0 /（C0+C1）>75%，則表明變量的空間相關(guān)性很弱[13]。本研究區(qū)內(nèi)的高寒沼澤和高寒草甸土壤活性鐵在不同采樣尺度下塊基比值均較大，幾乎在25%和75%范圍之間，則表示中等強度的空間變異性，其空間變異是由隨機性因素和結(jié)構(gòu)性因素共同作用。僅有高寒沼澤樣地S1的塊基比值小于25%，主要是由結(jié)構(gòu)性因素（地形、氣候等）引起的，且空間相關(guān)性較為強烈。

2.3不同采樣尺度下土壤活性鐵的分形維數(shù)

通過半方差函數(shù)的雙對數(shù)曲線的斜率可以求得分形維數(shù)，其代表空間異質(zhì)性程度，如果空間異質(zhì)性程度越強，則分形維數(shù)的數(shù)值越小，反之則增大，當(dāng)分形維數(shù)值趨于2 時，表明區(qū)域化變量基本上是空間不相關(guān)的，若等于2，可以說整個樣本是空間獨立的[14]。從表2 可以看出，高寒草甸群落下土壤活性鐵的分形維數(shù)值較高，3個樣地均大于1.9，其中高寒草甸群落采樣尺度M1的分形維數(shù)值最大，達到2。隨著采樣尺度的增大，土壤活性鐵的分形維數(shù)值在高寒草甸群落下表現(xiàn)為減小趨勢， 而在高寒沼澤的群落下表現(xiàn)為逐漸增大的變化趨勢；在相同尺度下土壤活性鐵的分形維數(shù)值，高寒沼澤群落均小于高寒草甸群落，說明高寒沼澤群落土壤活性鐵比高寒草甸群落具有更強的空間異質(zhì)性。

2.4 不同尺度下土壤活性鐵的空間插值

利用ArcGIS 軟件中的地統(tǒng)計模塊對不同采樣尺度土壤活性鐵分布的Kriging 插值結(jié)果見圖1、圖2。高寒草甸樣地M1的土壤活性鐵呈現(xiàn)斑狀和帶狀分布，高值區(qū)主要分布在南部，低值區(qū)主要分布在北部，具有較好的空間連續(xù)性，緩和的梯度變化。樣地M2的土壤活性鐵分布呈現(xiàn)出條帶狀的梯度變化，均一性非常好，其中低值區(qū)與樣地內(nèi)的裸露斑塊的位置和延伸方向一致，高值區(qū)主要分布在南部；樣地 M3尺度下土壤活性鐵呈現(xiàn)出帶狀和斑塊狀鑲嵌的分布，且具有明顯的由北部向南部逐漸增大的趨勢，空間散布較均勻（圖1）。高寒沼澤樣地S1尺度下土壤活性鐵呈現(xiàn)比較分散的斑狀分布，說明其具有不太好的空間連續(xù)性以及較高的破碎化程度，在小尺度上形成強烈的變異；土壤活性鐵在樣地S2中呈現(xiàn)出弧狀和斑狀分布，分布總體呈現(xiàn)從西北向東南逐漸減少的趨勢，高值區(qū)主要分布在西北部，低值區(qū)主要分布在東南部；S3樣地的土壤活性鐵分布完全細(xì)化且梯度不明顯，反映較高的隨機性，但有明顯的聚鐵中心（圖2）。高寒沼澤群落土壤活性鐵空間分布空間連續(xù)性不好，隨機性較大，具有顯著的聚鐵中心，這也說明其變異函數(shù)各向異性比相對較低。

3討論

本研究區(qū)內(nèi)高寒草甸表層土壤活性鐵含量為7.04～779 g/kg，高寒沼澤土壤活性鐵含量為13.08～15.71 g/kg，2 種群落下土壤活性鐵含量差異明顯，高寒沼澤土壤活性鐵的平均含量高于高寒草甸，土壤活性鐵的含量和分布與研究區(qū)的群落結(jié)構(gòu)、植被蓋度、微地貌、土壤含水量、土壤pH值和土壤有機質(zhì)有一定關(guān)系。高寒沼澤群落具有土壤含水量高、冠層相對濕度大、溫度低等特征，抑制了土壤微生物的活動，降低了有機質(zhì)分解的速度，土壤有機質(zhì)明顯高于高寒草甸[15]，有機質(zhì)與土壤活性鐵含量呈正相關(guān)關(guān)系[16]。同時，高寒沼澤群落的土壤含水量高，增強了土壤還原性，土壤氧化還原電位下降到一定水平后，鐵活性增強[17]。因此，高寒沼澤樣地土壤活性鐵含量高于高寒草甸。

本研究區(qū)內(nèi)高寒草甸土壤活性鐵屬于中等強度的空間變異性，其空間變異是由隨機性因素和結(jié)構(gòu)性因素共同作用引起的。但是高寒草甸群落土壤活性鐵在不同取樣尺度下均呈現(xiàn)一定的結(jié)構(gòu)性，5 m×2.5 m、10 m×5 m樣地總體來看塊基比較小，最大僅為35%，表現(xiàn)為強烈的空間自相關(guān)性或中等強度的空間自相關(guān)性，說明主要由地形、氣候等結(jié)構(gòu)性因素對高寒草甸土壤活性鐵空間變異起主導(dǎo)作用，而隨機性因素對其影響相對較小[18]。隨著采樣尺度的增大半方差函數(shù)的變程呈增大趨勢，而塊金值、基臺值和塊基比均隨采樣尺度增大先減小后增大，M1表現(xiàn)出各向同性，而M2、M3表現(xiàn)出各向異性，在M2中土壤活性鐵的方向變異與樣地內(nèi)裸露斑塊的出現(xiàn)，斑塊大小和分布方向基本一致。高寒草甸M1樣地的土壤活性鐵的分形維數(shù)為2，在空間自相關(guān)距離范圍內(nèi)同質(zhì)性較強，同質(zhì)性明顯[19]，趨于均質(zhì)，這與前面的半方差函數(shù)分析結(jié)果一致。隨樣點間距增大，樣地M2、M3表現(xiàn)出一定的空間自相關(guān)?？梢?，高寒草甸的樣地尺度不能設(shè)置太小，否則不能表現(xiàn)出土壤活性鐵的空間變異特征。另外，土壤水分和養(yǎng)分的運移與地形變化密切相關(guān)，地勢低洼處，土壤水分和養(yǎng)分資源顯著聚集[20]。高寒草甸地勢有一定的起伏，屬于北高南低，土壤含水量南部區(qū)域可能較高，土壤還原性增強，故土壤活性鐵的含量高值都出現(xiàn)在研究區(qū)的南部，而且呈現(xiàn)由北向南增加的趨勢，印證了隨著采樣尺度的增大，隨機因素逐漸減弱，地形起伏等結(jié)構(gòu)因素逐漸加強。

高寒沼澤群落土壤活性鐵具有中等強度的空間變異性，表明由隨機性因素和結(jié)構(gòu)性因素共同引起的空間變異。但是高寒沼澤S2、S3樣地土壤活性鐵的塊基比值均較大，分別為50%、68%，表明在該樣地區(qū)域內(nèi)土壤活性鐵的空間變異主要是由微域內(nèi)變異和人為活動等隨機性因素引起，而結(jié)構(gòu)性因素對其影響相對較小。在相同尺度下的土壤活性鐵的分形維數(shù)值，高寒沼澤均小于高寒草甸群落，說明高寒沼澤土壤活性鐵呈現(xiàn)出更強的空間異質(zhì)性。土壤水分含量較高的沼澤草甸，在某種程度上加劇了水分脅迫，養(yǎng)分資源的空間異質(zhì)性降低，促使物種競爭逐漸增大，同時高原的溫度低以及水熱條件的不一致[21]，由于極端環(huán)境限制了其他種的存活和侵入，促使物種豐富度和均勻度較低，因而使群落多樣性較低[22]。高寒沼澤物種多樣性的降低通常會釋放出更加多樣化的生態(tài)位空間，存留物種會具有更廣的適應(yīng)性，也就是說物種多樣性低的群落種間性狀差異將更大[23]，其中植物根際環(huán)境以及元素吸收的顯著差異促使不同種植被下土壤活性鐵空間分布差異顯著[24]，土壤活性鐵的空間異質(zhì)性增強。另外，高寒沼澤樣地分布著大量的點狀草丘，面積不大，呈橢圓形或圓形，散布在沼澤水分多變化的地段，地表有薄層常年積水，在沼澤邊緣最多，是由烏拉草、木里薹草等形成的。水位從丘間洼地到丘上逐漸降低甚至消失，土壤含水量的降低促使通氣性逐漸增強，土壤由還原環(huán)境逐漸變?yōu)檠趸h(huán)境，丘上的土壤活性鐵含量低于丘間洼地，這是點狀草丘促使土壤活性鐵產(chǎn)生水平分異的一個主要原因[25]。所以，高寒沼澤微地貌的起伏對土壤活性鐵的空間分布產(chǎn)生了顯著的影響。另外，高寒沼澤的S1樣地的土壤活性鐵在小尺度空間上具有強烈的自相關(guān)性，受到了系統(tǒng)本身變異影響，主要由結(jié)構(gòu)性的因素引起，這是由沼澤特有的點狀草丘的微地貌表現(xiàn)出來的分布差異。但是半方差函數(shù)的塊金值、塊基比、基臺值均隨著采樣尺度的增大而增大，逐漸掩蓋小尺度的結(jié)構(gòu)特征，而變?yōu)橹饕呻S機性因素引起，雖然高寒沼澤處于圍欄禁牧期，但曾經(jīng)人為放牧以及放牧的強度會顯著影響土壤活性鐵含量的變化，管理粗放，其插值圖也相對零碎。

綜上所述，高寒沼澤群落土壤活性鐵含量明顯高于高寒草甸群落，同采樣尺度下土壤活性鐵變異系數(shù)變化范圍為14.2%～488%，均屬中等變異，且變異系數(shù)隨樣地尺度的增加而增大。本研究區(qū)內(nèi)的高寒沼澤和高寒草甸土壤活性鐵在不同采樣尺度下塊基比值均較大，介于25%和75%之間，屬于中等強度的空間變異性，其空間變異是由隨機性因素和結(jié)構(gòu)性因素共同作用引起的。另外，高寒沼澤群落土壤活性鐵比高寒草甸群落具有更強的空間異質(zhì)性。高寒草甸的空間變異，隨著采樣尺度的增大，地形起伏等結(jié)構(gòu)性因素的影響逐漸加強，而植被分布、人為活動等隨機因素的影響逐漸減弱；但高寒沼澤正好相反。

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