大慶地區(qū)不同土地利用下土壤空間異質(zhì)性研究

徐海軍 ，姚 琴，孫宇峰，王曉飛 ，王文杰

（1．東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150040；2．黑龍江省科學(xué)院大慶分院，黑龍江 大慶 163319；3．大慶油田礦區(qū)事業(yè)服務(wù)部園林綠化公司，黑龍江 大慶 163711）

土地利用是人類目的性管理土壤的活動(dòng)行為，其中植被和人為干擾對(duì)土壤理化性質(zhì)的變化產(chǎn)生重要影響［1-2］。植被與土壤之間是一種相互依賴和相互制約的關(guān)系［3-4］。土壤能持續(xù)全面地為植物生長(zhǎng)提供養(yǎng)分，而植物通過(guò)根系的伸展、養(yǎng)分吸收、凋落物的積累、庇蔭、種間對(duì)資源和空間的競(jìng)爭(zhēng)以及其它形式來(lái)影響土壤的結(jié)構(gòu)和功能［5-6］。然而，人工能量輸入、翻耕、放牧、踩踏等隨機(jī)性因子在土地利用過(guò)程中對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分循環(huán)也有著深刻的影響。在空間尺度上，分析不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性變化，了解土壤結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)恢復(fù)有指導(dǎo)意義。

大慶地區(qū)位于松嫩平原中西部，既是松嫩平原重要的糧食產(chǎn)區(qū)之一，也是蘇打鹽堿地集中分布區(qū)之一，土壤板結(jié)、肥力下降等現(xiàn)象嚴(yán)重制約了該地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。近些年，有關(guān)土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性的研究成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)［7-8］，如植被類型對(duì)土壤養(yǎng)分的影響［9］，不同森林植被類型覆蓋下土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)特征變化［10-11］，植物群落組成及群落中植物個(gè)體分布格局對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和元素的異質(zhì)化等［12］。目前，有研究表明：灌木林相較于喬木林和灌草叢，其土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性最大［13］；胡忠良等［14］研究發(fā)現(xiàn)土壤各養(yǎng)分庫(kù)在喬木林中表現(xiàn)為最高，在灌草叢中表現(xiàn)為最低；還有許多研究表明不同森林植被覆蓋對(duì)土壤養(yǎng)分的空間分布有較大影響［15-16］。可見，由植被結(jié)構(gòu)和分布對(duì)土壤養(yǎng)分因子的空間變異影響較大，在森林生態(tài)系統(tǒng)中，植被對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)空間變異研究較多，而對(duì)于松嫩平原鹽堿地區(qū)土壤空間變異，植被類型與土壤理化性質(zhì)空間異質(zhì)性變化關(guān)系等相關(guān)研究較少。在小尺度范圍內(nèi)，本文通過(guò)對(duì)人工林地、草甸地、農(nóng)田地三類土地利用方式下土壤理化性質(zhì)異質(zhì)性分析，以期了解不同土地利用方式下土壤性質(zhì)變異性，分析異質(zhì)性變化趨勢(shì)和影響因子，為大慶地區(qū)土地綜合利用提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)樣地位于大慶市星火牧場(chǎng)轄區(qū)，西距杜蒙縣20 km，東與林甸縣花園鄉(xiāng)毗鄰，北與林甸縣紅旗鎮(zhèn)搭界?？偯娣e17 467 hm2，其中，耕地2 933 hm2，草原10 667 hm2，林地2 333 hm2，以牧業(yè)為主，農(nóng)、牧、工業(yè)結(jié)合發(fā)展。

該區(qū)屬典型溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷，春秋風(fēng)多，雨熱同季，年降水量427 mm；年均溫4.2℃，極端溫度最高39.8℃，最低-39.2℃；全年無(wú)霜期較短，大約140 d左右，年日照時(shí)數(shù)2 726 h。

1.2 樣地設(shè)置

選擇楊樹林、草甸、農(nóng)田三類植被型樣地（表1），楊樹林地選擇15年以上的人工近熟林，草甸地為多年開放性草甸，農(nóng)田地為永久性輪作耕地，在三類樣地內(nèi)設(shè)置50 m×50 m固定樣地，經(jīng)5 m×5 m網(wǎng)格化后隨機(jī)選擇5個(gè)樣方采集土樣。

1.3 樣地調(diào)查及采樣方法

采用10 m×10 m樣方調(diào)查喬木層植被，2 m×2 m樣方調(diào)查灌草層植被；喬木層調(diào)查郁閉度、密度、株高、胸徑等指標(biāo)［17］，灌草層調(diào)查植物種類、優(yōu)勢(shì)種、蓋度等指標(biāo)（表1）。

土樣采集利用“S”型多點(diǎn)采樣法，收集0～25 cm土層的混合樣，帶回實(shí)驗(yàn)室待測(cè)；另外，用土壤環(huán)刀（100 cm3）采集土樣測(cè)定容重，每個(gè)樣方3次重復(fù)。

1.4 測(cè)試方法

土壤含水率用烘干法；土壤容重、孔隙度用環(huán)刀法測(cè)量；土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定；堿解氮用堿解擴(kuò)散法；有效磷用鉬銻抗比色法；速效鉀用醋酸銨浸提-火焰光度法；土壤 pH值：稱取5 g土樣，加入25 mL去離子水，充分混勻，用酸度計(jì)（Sartorius 120 PB-10）測(cè)定［18］。

1.5 數(shù)據(jù)處理

土壤理化性質(zhì)描述性統(tǒng)計(jì)、單因素方差分析（one-way ANOVA）、變異系數(shù)（CV）借助SPSS 16.0完成；利用ArcGis 10.0地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析模塊對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，然后進(jìn)行半變異函數(shù)計(jì)算［19］、理論模型的擬合、最優(yōu)擬合檢驗(yàn)，最后，進(jìn)行普通克里格插值［20-21］。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樣地土壤理化性質(zhì)變異分析

三類樣地土壤pH值介于7.79～8.18之間，變異系數(shù)在1.31%～4.08%之間，具有微弱變異性，pH值由高到低順序依次為農(nóng)田、楊樹林、草甸；淺層土壤溫度和土壤容重也呈現(xiàn)微弱的變異性，其變異系數(shù)波動(dòng)區(qū)間分別為4.88%～8.56%、6.4%～10.05%，農(nóng)田地淺層土壤溫度稍低于楊樹林地和草甸地，后兩者差異不顯著，容重由大到小順序依次為楊樹林、草甸、農(nóng)田，草甸地和農(nóng)田地容重差異不顯著（表2）。

土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)和土壤含水率在三類植被類型下均呈現(xiàn)為中度變異性，其變異系數(shù)波動(dòng)區(qū)間為12.16%～45.12%，其中，N、P、K在楊樹林條件下變異波動(dòng)較另兩類樣地稍大，有機(jī)質(zhì)在草甸地和農(nóng)田地的變異性較楊樹林地稍大。3種植被類型下，農(nóng)田土壤堿解氮、有效磷、pH值顯著（P＜0.05）最高，草甸地土壤速效鉀、有機(jī)質(zhì)、含水率含量顯著（P＜0.05）最高。

2.2 不同樣地土壤理化性質(zhì)空間異質(zhì)性特征

三類樣地的土壤理化性質(zhì)數(shù)據(jù)正態(tài)性分布較好（表3），除了楊樹林地的有效磷，草甸地土壤堿解氮、含水率、pH值，農(nóng)田地土壤含水率數(shù)據(jù)呈現(xiàn)偏態(tài)分布外，其它指標(biāo)數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)近正態(tài)分布。對(duì)上述偏態(tài)分布數(shù)據(jù)進(jìn)行自然對(duì)數(shù)（log）轉(zhuǎn)化后，呈現(xiàn)出近正態(tài)分布，符合地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

表3 土壤理化性質(zhì)正態(tài)分布檢驗(yàn)結(jié)果

對(duì)變異函數(shù)進(jìn)行模型擬合，交叉驗(yàn)證結(jié)果顯示（表4）：在三類樣地條件下，球面模型對(duì)大多數(shù)土壤理化性質(zhì)指標(biāo)空間異質(zhì)性有較好的擬合效果。

三類樣地中，土壤堿解氮在楊樹林和草甸地的塊金系數(shù)均大于75%，具有較弱的空間自相關(guān)性，楊樹林地塊金值高于草甸地，農(nóng)田地土壤堿解氮塊金值為0，表明較小的空間尺度上農(nóng)田土壤堿解氮趨于均質(zhì)性，變程楊樹林＞農(nóng)田＞草甸；土壤有效磷在草甸和農(nóng)田的塊金系數(shù)均高于75%，具有較弱的空間自相關(guān)性，楊樹林塊金系數(shù)為45.33%，具有中等空間自相關(guān)性，塊金值農(nóng)田高于楊樹林和草甸，變程農(nóng)田＞楊樹林＞草甸；土壤速效鉀在楊樹林和草甸的塊金系數(shù)介于25%～75%之間，具有中等的空間自相關(guān)性，而農(nóng)田地土壤速效鉀塊金系數(shù)大于75%，具有較弱的空間自相關(guān)性，塊金值草甸遠(yuǎn)高于楊樹林和草甸，變程為草甸＞楊樹林＞農(nóng)田；土壤有機(jī)質(zhì)在楊樹林塊金系數(shù)達(dá)100%，表明其空間變化完全受隨機(jī)性因子影響，農(nóng)田的塊金系數(shù)大于75%，表明具有弱的空間自相關(guān)性，而草甸地土壤有機(jī)質(zhì)塊金系數(shù)為67.22%，具有中等空間自相關(guān)性，塊金值草甸最高，楊樹林最低，變程為楊樹林＞草甸＞農(nóng)田；pH值在三類植被類型土壤中的變異性表現(xiàn)為中等空間自相關(guān)性，變程楊樹林＞草甸＞農(nóng)田。

表4 不同樣地類型土壤理化性質(zhì)半變異函數(shù)理論模型及相關(guān)統(tǒng)計(jì)參數(shù)

在三類樣地中，土壤表層溫度的塊金系數(shù)變化很大，楊樹林的塊金系數(shù)為9.05%，具有較強(qiáng)的空間自相關(guān)性，草甸為36.99%，具有中等空間自相關(guān)性，而農(nóng)田的塊金值為0，表明表層溫度的變化幾乎不受隨機(jī)性因子的影響，且趨于均質(zhì)性，變程為楊樹林＞草甸＞農(nóng)田；土壤含水率在楊樹林的塊金系數(shù)大于75%，具有弱的空間自相關(guān)性，而草甸和農(nóng)田塊金系數(shù)介于25%～75%之間，具有中等的空間自相關(guān)性，塊金值草甸遠(yuǎn)小于楊樹林和農(nóng)田，變程為楊樹林＞草甸＞農(nóng)田；土壤容重塊金系數(shù)三類樣地均介于25%～75%之間，具有中等空間自相關(guān)性，塊金值草甸遠(yuǎn)高于楊樹林和農(nóng)田，變程為草甸＞楊樹林＞農(nóng)田。

2.3 不同樣地土壤理化性質(zhì)空間分布特征

通過(guò)Kriging插值可知（圖1），三類樣地土壤水分、溫度、容重等物理性質(zhì)空間異質(zhì)性相對(duì)較強(qiáng)，堿解氮、有效磷、速效鉀、pH值等化學(xué)性質(zhì)的空間變異性相對(duì)較弱，甚至趨于同質(zhì)性。總體上，三類樣地土壤化學(xué)性質(zhì)的克里格插值圖呈現(xiàn)片狀或條帶狀分布，且層次不清晰；溫度、容重等物理性質(zhì)的空間異質(zhì)性插值圖呈現(xiàn)斑塊狀分布，且層次清晰。

圖1 不同樣地類型下土壤理化性質(zhì)克里格插值圖

從三類樣地土壤理化性質(zhì)異質(zhì)性變化趨勢(shì)看，農(nóng)田地、草甸地、楊樹林地土壤中有效磷、速效鉀的異質(zhì)性依次趨于增強(qiáng)（表4，圖1）；pH值表現(xiàn)為農(nóng)田地、楊樹林地、草甸地的異質(zhì)性分布依次減弱；土壤表層溫度、容重表現(xiàn)為楊樹林和草甸向農(nóng)田依次呈減弱趨勢(shì)；水分表現(xiàn)為草甸土異質(zhì)性較強(qiáng)，而農(nóng)田和楊樹林趨于均質(zhì)性。

3 討論

3.1 不同土地利用對(duì)土壤養(yǎng)分補(bǔ)充的影響

在大慶地區(qū)，楊樹林、草甸、農(nóng)田三類土地利用格局已呈常態(tài)，隨著人類生產(chǎn)，這三類植被類型土壤呈現(xiàn)出明顯的板結(jié)、肥力下降趨勢(shì)［22-23］。在人類目的性生產(chǎn)過(guò)程中，樣地各自植被群落特征及生命活動(dòng)影響土壤化學(xué)性質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)狀況發(fā)生變化［24］，而凋落物歸還量及分解速率是決定土壤養(yǎng)分含量狀況和養(yǎng)分循環(huán)的主要因素［25］。三類試驗(yàn)樣地中，草甸地植被茂盛、物種豐富，雖呈斑塊分布，但蓋度仍可高達(dá)73%（表1），每年刈割地上部分，使得生物返還量銳減，但土層中仍保有大量的植物根系［26］，因此，三類樣地中草甸地有機(jī)質(zhì)含量顯著高于另兩類樣地（P＜0.05）；楊樹林地喬木層植被主要由15～20年的小葉楊（Populus simonii）組成，結(jié)構(gòu)單一，林下雖生長(zhǎng)著多種矮小植物，但地被稀疏，淺土層中有機(jī)質(zhì)的補(bǔ)充量有限，土壤有機(jī)質(zhì)的返還主要依靠枯落物的分解，由于牲畜踩踏和人為干擾促使土壤緊實(shí)度增加，這可能直接影響土壤動(dòng)物和微生物的活動(dòng)，從而致使凋落物的分解似乎較慢，有機(jī)質(zhì)含量偏低。相對(duì)于楊樹林地和草甸地而言，農(nóng)田地土壤受人為耕作和施肥的影響最大，根據(jù)現(xiàn)有的耕作方式，地上生物量幾乎全部移走，返還量幾乎為零。土壤有機(jī)質(zhì)是形成土壤結(jié)構(gòu)和肥力的重要因子，直接影響著土壤持水能力、水穩(wěn)性團(tuán)聚體、抗侵蝕能力以及容重等物理特性［27］，有效增加土壤有機(jī)質(zhì)可以為土壤微生物、土壤動(dòng)物提供大量的碳源和充足的養(yǎng)料，加快腐殖質(zhì)化和礦化的進(jìn)程，從而促進(jìn)土壤化學(xué)性質(zhì)恢復(fù)和礦質(zhì)養(yǎng)分的補(bǔ)充，從三類土地利用方式來(lái)看，草甸地土壤養(yǎng)分循環(huán)方面及養(yǎng)分狀況要好于楊樹林和農(nóng)田地。

3.2 不同土地利用方式土壤空間異質(zhì)性變化

三類樣地堿解氮空間自相關(guān)性微弱，受隨機(jī)性因子影響較大，尤其是農(nóng)田地堿解氮分布趨于均質(zhì)性，這表明人類活動(dòng)、放牧等隨機(jī)性因子對(duì)土壤肥力影響較嚴(yán)重，在農(nóng)田地的耕作過(guò)程中，土壤翻動(dòng)、人工施肥等因素影響使得土壤氮素分布空間異質(zhì)性減弱。在有效磷和速效鉀方面，楊樹林和草甸地的空間異質(zhì)性呈中等自相關(guān)性，而農(nóng)田地卻呈現(xiàn)微弱的自相關(guān)性，這與人為目的性生產(chǎn)有著密切關(guān)系［28］，農(nóng)田是以農(nóng)作物收獲為目的的生產(chǎn)用地，受人為耕作、采收等隨機(jī)性因子影響更為嚴(yán)重，而草甸和楊樹林人為干擾相對(duì)較輕，再加上這兩類樣地還存在大量植物枯落物及地被物的返還，所以草甸地和楊樹林地的空間異質(zhì)性退化相對(duì)較緩慢［29］。草甸地有機(jī)質(zhì)空間異質(zhì)性變化既受土壤自身結(jié)構(gòu)的影響又受外界隨機(jī)因子影響，而楊樹林地和農(nóng)田地塊金值與基臺(tái)值十分接近，意味著楊樹林地和農(nóng)田地土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異完全受外界隨機(jī)因子影響，這可能與這兩類樣地植被結(jié)構(gòu)單一，回歸土壤中的有機(jī)物或凋落物的量較少有關(guān)；土壤pH值方面，農(nóng)田地顯著高于草甸和楊樹林（表2），且其變異系數(shù)相對(duì)較低，而塊金系數(shù)農(nóng)田為25.29%，草甸和楊樹林分別為73.77%和65.47%，遠(yuǎn)低于后兩者，這表明隨機(jī)性因子對(duì)三類樣地土壤pH值空間異質(zhì)性影響趨于下降，隨機(jī)性因子的影響可能會(huì)使土壤pH值變化加劇。表層土壤溫度在楊樹林地具有較強(qiáng)的空間自相關(guān)性，草甸具有中等空間自相關(guān)性，而農(nóng)田無(wú)空間自相關(guān)性，可見，從楊樹林到農(nóng)田地，表層土壤溫度隨植被組成的變化有著明顯的空間異質(zhì)性變化；土壤含水率異質(zhì)性表現(xiàn)為草甸地土壤含水率受人為干擾較輕，楊樹林地和農(nóng)田地受人為干擾較嚴(yán)重；而容重則表現(xiàn)為楊樹林地和農(nóng)田地受隨機(jī)性因子的影響小于草甸地，這可能與草甸地常年經(jīng)受放牧踐踏有關(guān)。

4 結(jié)論

三類土地利用方式下，土壤化學(xué)性質(zhì)變異性較物理性質(zhì)明顯；變異函數(shù)結(jié)構(gòu)分析可知，三類樣地土壤理化指標(biāo)空間異質(zhì)性變化受隨機(jī)性因子影響嚴(yán)重；空間異質(zhì)性分布：楊樹林、草甸到農(nóng)田地其土壤空間異質(zhì)性依次呈現(xiàn)下降趨勢(shì)?？梢?，隨著人為干擾強(qiáng)度增加，土壤理化性質(zhì)空間異質(zhì)性下降，這在土地修復(fù)或種植利用過(guò)程中，可能會(huì)嚴(yán)重影響土壤結(jié)構(gòu)發(fā)育和養(yǎng)分循環(huán)。