二龍山油松林土壤養(yǎng)分含量的小尺度空間異質(zhì)性研究

石 峰

（山西省林木育種研究中心，山西太原030031）

空間異質(zhì)性是指在自然生態(tài)系統(tǒng)的空間布局上表現(xiàn)出具有不均勻性和復(fù)雜性的生態(tài)學(xué)過(guò)程和格局的一種自然現(xiàn)象，對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，空間異質(zhì)性是一種基本特征，影響其變化的主要因素是時(shí)間因素和空間因素[1-4]。作為森林來(lái)說(shuō)，最核心的組成部分就是土壤，因?yàn)檎麄€(gè)森林的根基就是土壤，森林生態(tài)的生長(zhǎng)發(fā)育離不開(kāi)森林土壤的支撐[5]。從空間角度來(lái)說(shuō)，森林中的動(dòng)植物、氣候和土壤這些生態(tài)因素呈現(xiàn)出鑲嵌性并且非常復(fù)雜[6-7]。因此，在對(duì)森林生態(tài)的空間異質(zhì)性進(jìn)行研究時(shí)就必須先對(duì)土壤養(yǎng)分的分布情況進(jìn)行研究，因?yàn)樗巧鷳B(tài)異質(zhì)性的重要構(gòu)成部分[8]。由于森林生態(tài)系統(tǒng)龐大而復(fù)雜的體量，如果要對(duì)森林生態(tài)格局和發(fā)展進(jìn)行全面研究非常困難，通常通過(guò)小尺度空間異質(zhì)性對(duì)特定樣本進(jìn)行研究，進(jìn)而推廣到全局生態(tài)，這是一種基礎(chǔ)樣本推演法[9]。

本試驗(yàn)以二龍山天然次生油松純林下土壤為研究對(duì)象，通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法對(duì)小尺度空間范圍內(nèi)土壤中的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、有效磷、有效鉀含量的異質(zhì)性進(jìn)行研究，分析該區(qū)域土壤養(yǎng)分空間分布格局形成的原因，并且為相關(guān)的研究提供一定的借鑒。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)樣本地地理坐標(biāo)為經(jīng)度 38°36′～39°02′，緯度 111°46′～112°54′，位于國(guó)家自然保護(hù)區(qū)二龍山境內(nèi)，地形上呈現(xiàn)西南向東北走向的山脈，屬于黃土丘陵的東部區(qū)域，坐落于呂梁山脈北段位置。從巖石類型來(lái)看，該區(qū)域主要為花崗巖，另外以少量石灰?guī)r作為次要巖石類型存在；從土壤類型來(lái)看，從山腳到山頂依次表現(xiàn)為山腳以灰褐土為主，山腰以棕壤為主，山頂以亞高山草甸土為主；從植被角度來(lái)看，其分布表現(xiàn)為山腳至山腰為農(nóng)墾帶、灌草，山腰主要分布為針闊混交林，從山腰到山頂主要分布油松林及亞高山草甸。

研究區(qū)氣候表現(xiàn)為溫帶濕潤(rùn)性氣候，年度溫度極值為-36.6～34.2℃，平均溫度為4.3℃；年度降雨量為252.9～711.0mm，年度平均降水量為453.9mm，降雨期主要集中在6，7，8，9月，占全年降水量的70%；無(wú)霜期為130～170 d。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

在樣本地區(qū)域相同海拔處（2 438.3 m），選取3塊坡度和坡向均相同的區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)樣地，樣本地面積為30 m×30 m，樣地1有一條淺溝貫穿其中。

2.2 土壤取樣

本研究所采取的取樣設(shè)計(jì)原則為中小支撐、多樣點(diǎn)，其理論依據(jù)為相關(guān)統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)理論[10]。對(duì)樣本地進(jìn)行區(qū)域劃分，每個(gè)樣本地劃分為100個(gè)小區(qū)間，每個(gè)小區(qū)間面積為9 m2，每個(gè)小區(qū)間作為一個(gè)取樣點(diǎn)。

采取土鉆法對(duì)樣本土壤進(jìn)行取樣，土鉆內(nèi)徑為7.0 cm，首先清掃表層，然后通過(guò)土鉆取10 cm土芯，最后將所取土壤密封保存在低溫環(huán)境中。土壤取樣的時(shí)間一般選擇為雨后天晴的第3～4天，目的是排除其他干擾因素作用[11]。

2.3 測(cè)定指標(biāo)及方法[12]

硝態(tài)氮測(cè)定采用酚二磺酸比色法；銨態(tài)氮測(cè)定采用2 mol/L KCl浸提-靛酚藍(lán)比色法；有效磷測(cè)定采用0.5 mol/L的NaHCO3提取法；有效鉀測(cè)定采用NH4AC溶液浸提法。

2.4 數(shù)據(jù)分析

2.4.1 經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析 對(duì)硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、有效磷、有效鉀含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)主要表現(xiàn)為平均值、方差以及變異系數(shù)，分析工具采用軟件SPSS18.0。

塊金值（Nugget），函數(shù)參數(shù)之一，用Co表示，也叫塊金方差，反映的是最小抽樣尺度以下變量的變異性及測(cè)量誤差。理論上當(dāng)采樣點(diǎn)的距離為0時(shí)，半變異函數(shù)值應(yīng)為0，但由于存在測(cè)量誤差和空間變異，使得2個(gè)采樣點(diǎn)非常接近時(shí)，它們的半變異函數(shù)值不為0，即存在塊金值。

2.4.2 變異函數(shù)模型分析 變異函數(shù)的計(jì)算公式如下。

其中，γ（h）表示變異函數(shù)，M表示隨機(jī)變量，M（xi）表示M在xi上的取值，M（xi＋h）表示M在xi＋h上的取值，N（h）表示樣本總數(shù)。

通過(guò)公式對(duì)協(xié)同變異函數(shù)進(jìn)行描述和表達(dá)。

其中，γk′k（h）表示交叉變異函數(shù)，Z表示協(xié)同變量，Zk′（xi），Zk（xj）表示xi，xj處變量觀測(cè)值，Zk′（xi＋h），Zk（xj＋h）表示xi＋h，xj＋h處變量觀測(cè)值，N（h）表示樣本總數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤硝態(tài)氮含量的空間變異性

3.1.1 土壤硝態(tài)氮含量的描述性統(tǒng)計(jì)分析 由表1可知，樣地2的硝態(tài)氮含量最高，為14.82 mg/kg，樣地1硝態(tài)氮含量最低，為13.01 mg/kg。從變異系數(shù)看，樣地1的變異系數(shù)為105.01%，表現(xiàn)為強(qiáng)變異，樣地2和樣地3的變異系數(shù)分別為74.89%，62.06%，表現(xiàn)為中等變異。

表1 土壤硝態(tài)氮含量描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

3.1.2 土壤硝態(tài)氮含量的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 由表2可知，硝態(tài)氮空間變異趨勢(shì)呈現(xiàn)球狀模型，樣地1，2，3 的半方差基臺(tái)值分別為 2.903，1.651，1.804?？梢缘贸?，硝態(tài)氮異質(zhì)性上樣地1最高。

表2 土壤硝態(tài)氮含量的變異函數(shù)理論參數(shù)

3.2 土壤銨態(tài)氮含量的空間變異性

3.2.1 土壤銨態(tài)氮含量的描述性統(tǒng)計(jì)分析 由表3可知，樣地2的銨態(tài)氮含量最高，為12.41 mg/kg，樣地1的銨態(tài)氮含量最低，為10.98 mg/kg。

從變異系數(shù)看，樣地1最高，為109.84%，表明銨態(tài)氮含量樣地1表現(xiàn)為強(qiáng)變異，樣地2和樣地3的變異系數(shù)分別為82.86%，78.12%，均表現(xiàn)為中等變異。

表3 土壤銨態(tài)氮含量描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

3.2.2 土壤銨態(tài)氮含量的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 從表4可以看出，銨態(tài)氮空間變異趨勢(shì)呈現(xiàn)線性模型，樣地1，2，3的半方差基臺(tái)值分別為89.696，81.184，79.958?？梢缘贸?，銨態(tài)氮異質(zhì)性上樣地1最高。

表4 土壤銨態(tài)氮含量的變異函數(shù)理論參數(shù)

3.3 土壤有效磷含量的空間變異性

3.3.1 土壤有效磷含量的描述性統(tǒng)計(jì)分析 由表5可知，樣地2的有效磷含量最高，為3.454 mg/kg，樣地1的有效磷含量最低，為2.378 mg/kg。

從變異系數(shù)看，樣地1有效磷含量的變異系數(shù)為90.24%，表現(xiàn)為強(qiáng)變異，樣地2和樣地3的變異系數(shù)分別為28.43%，24.38%，表現(xiàn)為弱變異。

表5 土壤有效磷含量描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

3.3.2 土壤有效磷含量的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 由表6可知，有效磷空間變異趨勢(shì)呈現(xiàn)球狀模型。樣地1，2，3 的半方差基臺(tái)值分別為 1.159，0.624，0.698，表明有效磷異質(zhì)性上樣地1最高。

表6 土壤有效磷含量的變異函數(shù)理論參數(shù)

3.4 土壤有效鉀的空間變異性

3.4.1 土壤有效鉀含量的描述性統(tǒng)計(jì)分析 由表7可知，樣地2的有效鉀含量最高，為131.64 mg/kg，樣地1的有效鉀含量最低，為126.92 mg/kg。有效鉀變異系數(shù)樣地1為91.33%，表現(xiàn)為強(qiáng)變異，樣地2和樣地3的變異系數(shù)分別為22.14%和20.94%，表現(xiàn)為弱變異。

表7 土壤有效鉀含量描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

3.4.2 土壤有效鉀含量的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 由表8可知，有效鉀空間變異趨勢(shì)呈現(xiàn)無(wú)基臺(tái)值線性模型，基臺(tái)值不存在，故空間結(jié)構(gòu)也不明確。

表8 土壤有效鉀含量的變異函數(shù)理論參數(shù)

4 結(jié)論與討論

森林土壤氮含量在生態(tài)空間維度上的異質(zhì)性現(xiàn)象導(dǎo)致的因素有很多種，例如，地形因素、植被因素等。這些因素的共同作用和影響使得土壤氮含量在生態(tài)系統(tǒng)中空間分布上發(fā)生異質(zhì)性[13-20]。從形式上說(shuō)，硝態(tài)氮屬于速效氮，與銨態(tài)氮相同，但是由于硝態(tài)氮、銨態(tài)氮在結(jié)構(gòu)特性上有所區(qū)別，因此，導(dǎo)致不同的地域和植物環(huán)境對(duì)氮元素的需求有所不同。

本研究結(jié)果表明，硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的分布在樣地1中表現(xiàn)出極大值和極小值分布的特點(diǎn)現(xiàn)象，相比較于樣地2，3，樣地1具有更強(qiáng)的變異系數(shù)，分析其原因初步判定為樣地1與樣地2，3在地形坡度上有所區(qū)別，樣地2，3的地形相對(duì)平坦，而樣地1被淺溝貫穿，研究區(qū)降雨量主要分布在夏季，此時(shí)是全年雨水量最大的時(shí)期，研究區(qū)植被分布主要是草本植被，缺乏固氮能力強(qiáng)的灌木和喬木類型的植被，這樣就直接導(dǎo)致了在淺溝上游區(qū)域土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量呈現(xiàn)出流失現(xiàn)象，相反在淺溝下游溝底區(qū)域產(chǎn)生大量的氮元素沉積積累，因此，形成了極大值和極小值的分布。選擇相同海拔和氣候的地區(qū)進(jìn)行3塊樣本地的設(shè)置，但是仍然不能完全排除這些因素的影響，直觀體現(xiàn)就是微地形對(duì)氮元素分布的影響作用。

二龍山油松林土壤氮元素空間異質(zhì)性研究中，樣地1屬于強(qiáng)變異，樣地2，3屬于中等變異。銨態(tài)氮半方差基臺(tái)值比硝態(tài)氮高，說(shuō)明就異質(zhì)性程度而言銨態(tài)氮表現(xiàn)更高。就氮含量的基臺(tái)值表現(xiàn)而言，在3塊樣本地中均表現(xiàn)出銨態(tài)氮高于硝態(tài)氮，因此可以說(shuō)明，在空間異質(zhì)性表現(xiàn)上銨態(tài)氮較硝態(tài)氮更高；結(jié)構(gòu)性因素是氮元素的空間結(jié)構(gòu)變異的主要原因，不過(guò)硝態(tài)氮相比較于銨態(tài)氮受到隨機(jī)因素影響的程度要小。因此，2種類型的氮含量分布無(wú)明顯差別的原因很可能是由于微地形影響所致，深層原因還需要進(jìn)一步研究，可能是氣候因素影響，也可能是雨水因素或者溫度因素等。

硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、有效磷和有效鉀含量在樣地1中均最低，這也與樣地1中的溝壑存在有關(guān)，由于溝壑的存在，降雨時(shí)地表徑流會(huì)明顯高于其他2塊樣地，土壤侵蝕度程度也因此高于其他2塊樣地。

土壤有效鉀的變異趨勢(shì)在3塊樣地中均表現(xiàn)為無(wú)基臺(tái)值線性模型，無(wú)法確定其空間結(jié)構(gòu)，這可能與樣地的人為干擾有關(guān)，需要進(jìn)一步研究。