南方典型毛竹經(jīng)營(yíng)區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異特征1)
——以福建省南平市順昌縣毛竹林經(jīng)營(yíng)區(qū)為例

賴壯杰 劉健 余坤勇 俞欣妍 陳樟昊

(福建農(nóng)林大學(xué)，福州，350002)

土壤是植物生長(zhǎng)繁育的基質(zhì)，土壤養(yǎng)分是土壤重要屬性之一[1]。在不同成土因素的綜合影響下土壤理化性質(zhì)存在明顯的空間異質(zhì)性[2]。土壤隨空間位置發(fā)生變異的規(guī)律是土地管理和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)的重要依據(jù)。土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性是土壤屬性空間異質(zhì)性的重要方面，直接調(diào)控植被的分布和植物群落的組成[3-4]。因此，研究土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性對(duì)分析土壤養(yǎng)分與植物空間分布的關(guān)系具有重要意義_bookmark5。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)于土壤特性空間變異性規(guī)律的研究最早可追溯到20世紀(jì)50年代[5]。近年來，土壤空間異質(zhì)性成為土壤科學(xué)研究的重要內(nèi)容，對(duì)土壤屬性空間異質(zhì)性研究開始由定性描述轉(zhuǎn)向定量。Webster et al.[6]將地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論成功與土壤的空間分布相結(jié)合,推動(dòng)了土壤領(lǐng)域的研究進(jìn)展。早期主要應(yīng)用于土壤中氮、磷、鉀等土壤養(yǎng)分的相關(guān)性研究，近年來國(guó)內(nèi)許多學(xué)者從多角度、多尺度對(duì)土壤養(yǎng)分空間變異進(jìn)行了大量研究[7-10]。由于土壤養(yǎng)分分布的空間異質(zhì)性受不同地形、不同母質(zhì)、多種植被類型等結(jié)構(gòu)性因素和采樣、測(cè)量誤差等隨機(jī)因素的影響，且土壤受人為強(qiáng)烈干擾，不同地域的土壤性質(zhì)存在著差異性[11]。

竹類資源是我國(guó)森林資源重要的組成部分[12]。毛竹(Phyllostachysheterocyclacv．Pubescens)是我國(guó)面積最大，分布最廣的筍材兩用竹種，在我國(guó)林業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位[13-14]。當(dāng)前，毛竹科學(xué)經(jīng)營(yíng)水平普遍較低，毛竹的生產(chǎn)效率和質(zhì)量不高的狀況仍很普遍，提高毛竹的產(chǎn)量與經(jīng)營(yíng)水平就成為了當(dāng)務(wù)之急[15]。順昌縣是我國(guó)的毛竹之鄉(xiāng)，現(xiàn)有竹林面積30 000 hm2，占有林地面積21.2%，農(nóng)村戶均竹林0.91 hm2，人均0.18 hm2，毛竹為該縣的優(yōu)勢(shì)資源[16-17]。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，竹農(nóng)經(jīng)營(yíng)竹林使用大量的化學(xué)肥料，造成不合理的施肥和浪費(fèi)，導(dǎo)致竹林生態(tài)系統(tǒng)失衡，甚至退化[18-20]。為了科學(xué)經(jīng)營(yíng)竹林，合理利用土地，明確土壤養(yǎng)分在空間上的變異及分布[21]。以順昌縣典型毛竹經(jīng)營(yíng)區(qū)為對(duì)象，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS的空間分布技術(shù)等相關(guān)方法，分析研究區(qū)域毛竹林土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性，以期為竹林的有效經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省南平市順昌縣西北部(117°30′～118°14′E，26°39′～29°12′N)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均降水量1 752 mm，年平均日照時(shí)間1 700 h，年平均氣溫為16.3 ℃，極端溫度最高為37 ℃，最低為-4 ℃。研究區(qū)森林資源豐富，森林覆蓋率為75.6%，林業(yè)用地占土地總面積的78.8%，主要優(yōu)勢(shì)樹種有杉木(Cunninghamialanceolata)、毛竹等，土壤類型為紅壤和黃壤。

2 研究方法

2.1 土壤樣本的采集與處理

在順昌縣大干鎮(zhèn)開展數(shù)據(jù)采集工作，根據(jù)毛竹林的分布，采用分散布點(diǎn)與定點(diǎn)集中測(cè)量相結(jié)合的方法，選取59個(gè)點(diǎn)為采樣點(diǎn)，每個(gè)樣地用2臺(tái)GPS進(jìn)行定位，要求顯示的坐標(biāo)誤差小于10 m。樣地毛竹長(zhǎng)勢(shì)良好、葉量充足、葉片健康，每個(gè)采樣點(diǎn)分三層取土，即：0～20、>20～40、>40～60 cm土壤層，每層取1個(gè)環(huán)刀進(jìn)行理化性質(zhì)的測(cè)定。

將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行風(fēng)干、研磨以及過篩(2.00、1.00、0.25 mm)。土壤全氮數(shù)據(jù)采用VARIO MAX碳氮元素分析儀進(jìn)行測(cè)定。水解氮采用擴(kuò)散法、速效鉀采用乙酸銨火焰光度計(jì)法、有效磷采用雙酸浸提法、有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法[22]。

2.2 數(shù)據(jù)分析

地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析：本文主要運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的半方差函數(shù)理論。半方差分析是運(yùn)用半方差函數(shù)，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行空間相關(guān)分析，理論模型主要包括高斯指數(shù)和球面模型，包括通常選擇使用測(cè)量數(shù)據(jù)估計(jì)實(shí)驗(yàn)變異函數(shù)。半方差變異函數(shù)(λ(h))的每個(gè)樣點(diǎn)計(jì)算使用方程如下：

式中:h表示步長(zhǎng)，也稱為樣本距；λ(h)表示樣本距為h的土壤變量半方差變異函數(shù)；Z(xi)和Z(xi+h)分別表示變量Z在空間位置xi與xi+h上的取值；N(h)表示樣本距離為h時(shí)的樣點(diǎn)對(duì)數(shù)。

在這項(xiàng)研究中，高斯模型(G)、指數(shù)模型(E)和球面模型(S)被用來探索土壤分布的空間連續(xù)性和各種土壤元素含量的分布結(jié)結(jié)構(gòu)，其最佳模式是根據(jù)最大的決定系數(shù)(R2)和最小的殘差平方和(RSS)[23-24]。土壤性質(zhì)的空間變異采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的半方差函數(shù)擬合，塊金值、基臺(tái)值、塊基比、有效變程的參數(shù)對(duì)擬合范圍內(nèi)的未知點(diǎn)進(jìn)行估值。

克里格插值:克里格法是在結(jié)構(gòu)分析和變異函數(shù)的理論基礎(chǔ)上，對(duì)空間局部進(jìn)行插值或進(jìn)行無偏估計(jì)的方法，可根據(jù)擬合的模型結(jié)構(gòu)和已知空間坐標(biāo)的原始數(shù)據(jù)對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)的未知點(diǎn)進(jìn)行最優(yōu)無偏估值。本文主要采用普通克里格方法，克里格插值是以地統(tǒng)計(jì)學(xué)為基礎(chǔ)，以觀測(cè)值對(duì)位置點(diǎn)進(jìn)行估算，將得到的變量放入空間分布中表現(xiàn)出來。其本質(zhì)是進(jìn)行局部估計(jì)的加權(quán)平均值，即已知的數(shù)據(jù)點(diǎn)估測(cè)未知的分布于圖上的點(diǎn)，表達(dá)式如下：

式中:Z(x0)為位置點(diǎn)x0的估算值，Z(xi)為x0點(diǎn)附近的若干觀測(cè)值，λi為第i個(gè)樣本點(diǎn)的權(quán)重，n為樣本的個(gè)數(shù)。

全局趨勢(shì)分析：全局趨勢(shì)分析主要是反映物體在空間區(qū)域的總體變化趨勢(shì)，從宏觀層面揭示研究區(qū)的總體規(guī)律，并忽略局部的變異。本研究的林地土壤化學(xué)指標(biāo)空間分布趨勢(shì)，將通過全局趨勢(shì)分析進(jìn)行說明。趨勢(shì)分析主要是運(yùn)用GIS軟件的趨勢(shì)面分析功能，將研究區(qū)內(nèi)抽樣得到的樣點(diǎn)屬性值作為依據(jù)，擬合一個(gè)數(shù)學(xué)曲面，用該曲面反映研究區(qū)抽樣點(diǎn)屬性值，以及整體研究區(qū)某一屬性值的空間分布情況。為了使模擬的短程隨機(jī)變異更精確，使全局趨勢(shì)對(duì)局部半方差變異分析過程中產(chǎn)生的影響減少，各土壤養(yǎng)分趨勢(shì)分析可采用趨勢(shì)面分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 毛竹林地土壤養(yǎng)分統(tǒng)計(jì)分析

從表1可知，土壤pH值的變動(dòng)范圍是4.09～5.57，速效鉀、有效磷、水解氮等速效養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變動(dòng)范圍分別為28.35～186.38、0.71～4.90、21.81～276.77 mg/kg；有機(jī)質(zhì)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變動(dòng)范圍分別是4.37～105.19 g/kg、0.05%～0.48%。變異系數(shù)的大小能夠反映土壤特性空間變異性強(qiáng)弱，一般變異系數(shù)小于10%時(shí)被認(rèn)為變異性弱，變異系數(shù)在10%～100%范圍內(nèi)被認(rèn)為是中等變異，當(dāng)變異系數(shù)大于100%時(shí)，被認(rèn)為具有強(qiáng)烈的變異性[25]。變異程度按照強(qiáng)到弱的排序?yàn)椋核獾?、速效鉀、全氮、有效磷、有機(jī)質(zhì)，其中速效鉀(42.48%)、有效磷(36.61%)、水解氮(53.56%)、有機(jī)質(zhì)(54.35%)、全氮(42.28%)均屬于中等變異，pH值(6.49%)屬于變異性弱，說明研究區(qū)土壤pH值相對(duì)穩(wěn)定。

表1 毛竹林林地土壤養(yǎng)分指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征值

3.2 半方差函數(shù)擬合

由表2可知，土壤全氮、有效磷、水解氮的決定系數(shù)分別為0.950、0.921、0.888，均大于0.8，表明具有很好的半方差結(jié)構(gòu)，說明理論模型能夠較好的反映其空間分布特征；有機(jī)質(zhì)的決定系數(shù)為0.620，有較好的半方差結(jié)構(gòu)，擬合程度中等；速效鉀與pH值的決定系數(shù)較小，分別為0.412、0.433，擬合程度相對(duì)較差，表明速效鉀與pH的空間自相關(guān)性不太明顯。

由表2可知，pH值的有效變程為1 220 m，水解氮的有效變程為920 m，全氮、有機(jī)質(zhì)、速效鉀的有效變程較小，分別為640、390、430 m，表明全氮、有機(jī)質(zhì)、速效鉀等指標(biāo)的自相關(guān)距離較小，而有效磷指標(biāo)的有效變程達(dá)到了8 720 m，表明其指標(biāo)具有很大的自相關(guān)距離，空間連續(xù)性很強(qiáng)。

各養(yǎng)分與pH值的基臺(tái)值均為正值，是由實(shí)驗(yàn)誤差與采樣失誤導(dǎo)致的基底效應(yīng)所致。塊基比為基底效應(yīng)，表示樣本間的變異特征，隨機(jī)因素會(huì)引起塊基比值的變化，比值越大表明樣本之間的變異越多。通過塊基比的大小可以看出，隨機(jī)因素由多至少的排序?yàn)椋河行Я?、全氮、速效鉀、水解氮、pH、有機(jī)質(zhì)。因此，說明土壤有效磷的分布包含更多的隨機(jī)因素，有機(jī)質(zhì)的分布則隨機(jī)因素最少。同時(shí)，空間相關(guān)性的強(qiáng)弱也可以由塊基比反映，塊基比的數(shù)值越小，代表空間相關(guān)性越強(qiáng)。一般認(rèn)為塊基比值小于25%，變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；塊基比值在25%～75%，變量具有中等空間相關(guān)性；塊基比值大于75%，變量的空間相關(guān)性較弱[26]。由此可知，有機(jī)質(zhì)、全氮、pH、水解氮、速效鉀的塊基比值均小于25%，表明各因素具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)關(guān)系，有效磷的塊基比數(shù)值為30.42%，介于25%～75%，其空間分布為中等相關(guān)關(guān)系。

表2 土壤速效養(yǎng)分空間變異的理論模型與相應(yīng)參數(shù)

注：E表示指數(shù)模型，S表示球狀模型，G表示高斯模型。

3.3 土壤養(yǎng)分的空間分布趨勢(shì)

由圖1可知，土壤速效鉀養(yǎng)分在東至西方向較為平滑，自西向東略有下降趨勢(shì)，研究區(qū)采樣數(shù)據(jù)在南北方向具有明顯的“倒U型”趨勢(shì)，中部方向速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于研究區(qū)南北方向；土壤有效磷養(yǎng)分在西南至東北方向具有明顯的“U型”趨勢(shì)，中部有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于西南、東北方位，有效磷自西北至東南方向，質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，西南至中部有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升趨勢(shì)明顯，研究區(qū)中部至東南方向趨于穩(wěn)定，略有下降；水解氮自西向東總體趨勢(shì)為上升趨勢(shì)，研究區(qū)西部至中部上升趨勢(shì)明顯，中部至東部總體趨勢(shì)穩(wěn)定，略有下降，南北方向水解氮分布具有明顯的“U型”趨勢(shì)，中部水解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯低于研究區(qū)北部與南部；有機(jī)質(zhì)在東西方向的分布與水解氮相似，都是自西向東總體趨勢(shì)為上升趨勢(shì)，研究區(qū)西部至中部上升趨勢(shì)明顯，中部至東部總體趨勢(shì)穩(wěn)定，略有下降，而南北方向則與水解氮相反，呈“倒U型”，中部有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于研究區(qū)北部與南部；全氮在東西方向的分布與有機(jī)質(zhì)變化規(guī)律相似，自西向東總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，自西向東呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)。pH在研究區(qū)西部至東部較為平穩(wěn)，西部至研究區(qū)中部有略微下降，中部至研究區(qū)東部具有微弱的上升趨勢(shì)，pH在南北方向具有明顯的“U型”趨勢(shì)，中部土壤偏酸性，北部與南部的土壤酸堿度較為適宜。

每根豎線代表一個(gè)樣點(diǎn)的屬性值，平面坐標(biāo)表示樣點(diǎn)的投影；Z軸表示土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及pH的數(shù)值；速效鉀、水解氮、有機(jī)質(zhì)、全氮以及pH的X軸正向表示正東方向，Y軸正向表示正北方向；有效磷X軸正向表示東北方向，Y軸正向表示西北方向。

圖1研究區(qū)內(nèi)各土壤養(yǎng)分指標(biāo)的自然分布狀況

3.4 毛竹林地土壤養(yǎng)分空間插值分析

由表3可知，標(biāo)準(zhǔn)平均值均較小，趨近于0；均方根預(yù)測(cè)誤差與平均標(biāo)準(zhǔn)誤差較為接近，只有水解氮例外；標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測(cè)誤差趨近于1，即各養(yǎng)分與pH的指標(biāo)插值精度較高，可以用于土壤養(yǎng)分空間分布的預(yù)測(cè)。

表3 插值精度驗(yàn)證參數(shù)

由圖2可知，速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)在研究區(qū)內(nèi)分布較為平均，西部高于東部，中部高于兩側(cè)；水解氮東部顏色深于西部，中部顏色深于四周，表明研究區(qū)中部土壤水解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)于四周，且研究區(qū)東部土壤水解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于西部；有效磷在研究區(qū)內(nèi)東北部極其缺乏，南部土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)多于其他地方，其次是西部有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于北部；有機(jī)質(zhì)含量在研究區(qū)內(nèi)分布較集中，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，研究區(qū)中部的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于四周，中部偏東地區(qū)有機(jī)質(zhì)豐富；土壤中全氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)東部高于西部，南部高于北部，中部偏南地區(qū)土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高；pH值四周顏色較深，中部顏色最淺，北部顏色深于南部，表示研究區(qū)中部土壤酸性強(qiáng)與四周，北部土壤酸堿度較適宜毛竹林的種植?？梢?，克里格插值得到的土壤養(yǎng)分分布圖結(jié)果與土壤養(yǎng)分空間趨勢(shì)圖基本吻合。

圖2 毛竹林土壤養(yǎng)分含量空間分布

4 結(jié)論與討論

在研究區(qū)域內(nèi)，除pH值屬于弱變異性外，速效鉀、有效磷、水解氮、有機(jī)質(zhì)、全氮均屬于中等變異，說明研究區(qū)土壤pH值相對(duì)穩(wěn)定。對(duì)于采樣點(diǎn)的設(shè)置，土壤養(yǎng)分的自相關(guān)距離具有指導(dǎo)意義，可采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)在自相關(guān)距離以內(nèi)的采樣點(diǎn)進(jìn)行分析[27]，因?yàn)橥寥鲤B(yǎng)分的空間自相關(guān)范圍的測(cè)度受其變程的影響，所以在土壤養(yǎng)分取樣設(shè)計(jì)時(shí)，其變程具有一定的指導(dǎo)作用[28]。通過研究分析，6種土壤養(yǎng)分的空間相關(guān)范圍較大(390～8 720 m)，速效鉀的變程最小(430 m)，有效磷指標(biāo)的有效變程最大，有效變程達(dá)到了8 720 m。全氮、有機(jī)質(zhì)、速效鉀有效變程較小(430～640 m)，說明影響土壤全氮、有機(jī)質(zhì)、速效鉀的生態(tài)過程基本在相同的尺度上起作用。

通過克里格插值圖交叉檢驗(yàn)可見，水解氮、有機(jī)質(zhì)、pH值及全氮的含量東邊高于西邊，速效鉀則是西邊高于東邊，而速效鉀中部高于兩邊，西邊也相對(duì)高于東邊。從研究區(qū)總體看，土壤的pH值為(4.82±0.31)，土壤呈酸性，pH值的變異系數(shù)為6.49%屬于弱變異性，pH在研究區(qū)西部至東部較為平穩(wěn)，西部至研究區(qū)中部有略微下降，中部至研究區(qū)東部具有微弱的上升趨勢(shì)，pH在南北方向具有明顯的“U型”趨勢(shì)，中部土壤偏酸性，北部與南部的土壤酸堿度較為適宜。土壤中速效鉀、水解氮、全氮與有機(jī)質(zhì)的含量充分，可以滿足毛竹生長(zhǎng)對(duì)養(yǎng)分的需求，但有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為(2.37±0.87)mg/kg，質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于正常范圍，這是由于調(diào)查區(qū)位于中國(guó)南部，大部分土壤為黃壤與紅壤，土壤中普遍缺少磷元素，此調(diào)查結(jié)果與林振清[29]在建甌市的調(diào)查結(jié)果相近，與郭曉敏[30]研究的結(jié)果相似。但在毛竹生長(zhǎng)過程中，雖然對(duì)磷元素的需求量沒有氮元素高，但磷元素的缺乏也將嚴(yán)重影響毛竹林分的生長(zhǎng)[31]。研究區(qū)中部土壤水解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)于四周，且研究區(qū)東部土壤水解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于西部；有效磷在研究區(qū)內(nèi)東北部極其缺乏，南部土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于其他地方，其次是西部有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于北部；在研究區(qū)內(nèi)，有機(jī)質(zhì)分布較集中且質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，研究區(qū)中部的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于四周，中部偏東地區(qū)有機(jī)質(zhì)豐富；土壤中全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)東部高于西部，南部高于北部，中部偏南地區(qū)土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高。因此，了解不同土壤養(yǎng)分之間的影響因素及其空間聯(lián)系，對(duì)指導(dǎo)毛竹林經(jīng)營(yíng)措施，實(shí)現(xiàn)毛竹高產(chǎn)具有重要作用。

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