錫林郭勒草原土壤速效氮空間變異分析

常帥，于紅博，張巧鳳，馬梓策，劉月璇，李想

（內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010022）

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，它的形成受物理、化學(xué)和生物等因素的共同影響，在空間上具有高度變異特征［1］。土壤養(yǎng)分變異特征研究是實(shí)現(xiàn)土地精準(zhǔn)管理的基礎(chǔ)，對(duì)于土壤肥力的科學(xué)利用具有指導(dǎo)意義［2］。近年來(lái)，對(duì)土壤養(yǎng)分的空間變異問(wèn)題的研究隨著地理信息系統(tǒng)的發(fā)展越來(lái)越廣泛，研究?jī)?nèi)容也呈現(xiàn)多樣化。利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)并結(jié)合GIS（geographic information system，地理信息系統(tǒng)）技術(shù)研究土壤性質(zhì)空間變異已成為目前土壤學(xué)研究的熱點(diǎn)之一［3］。目前對(duì)土壤空間變異的研究主要集中在不同區(qū)域尺度，不同研究?jī)?nèi)容，不同土地利用方式等3 個(gè)方面。針對(duì)不同研究區(qū)尺度的探究中，例如孫梨萍等［4］、楊艷麗等［5］、王軍等［6］分別對(duì)縣域農(nóng)田土壤養(yǎng)分、區(qū)域尺度土壤養(yǎng)分及其黃土高原小流域土壤養(yǎng)分的空間分布進(jìn)行了研究，因研究區(qū)域不同，研究結(jié)果亦不相同。從研究?jī)?nèi)容上看主要集中于土壤養(yǎng)分、土壤重金屬、土壤微量元素、土壤物理性質(zhì)等方面，如譚海燕等［7］對(duì)昆明滇池片區(qū)耕地土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、磷、鉀、緩效鉀、有效硼、鋅、錳、銅、鉬及其土壤pH 等11 種土壤化學(xué)特征進(jìn)行了空間分布變化研究，結(jié)果表明除有效硼處于缺乏外，其余元素均具有中等或者較高含量的分布特征；席小康等［8］對(duì)錫林河流域的土壤有機(jī)碳進(jìn)行空間變異研究，表明不同土層深度，空間變異程度有所不同；龐夙等［9］、陳海生等［10］分別對(duì)土壤速效氮、磷、鉀 3 種養(yǎng)分的空間變異性進(jìn)行了分析；臧亮等［11］對(duì)黃燁市土壤中 As、Cu、Cd、Cr、Pb、Hg、Zn、Ni 等 8 種重金屬空間分布特征及其污染情況進(jìn)行了討論分析。除此之外，陳星星等［12］、劉述強(qiáng)等［13］分別采用同種方法對(duì)土壤鹽分、土壤水分進(jìn)行了空間變異分析。從不同土地利用方式看，主要從耕地［7］、山地［14］、草地［15］、林地［16］、農(nóng)用地［17?18］及建設(shè)用地［19］等幾種土地利用類型方面展開(kāi)了研究。這些關(guān)于對(duì)土壤空間變異及其分布特征的研究大部分采用了地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS 相結(jié)合的方法。地統(tǒng)計(jì)學(xué)具有較強(qiáng)的空間分析能力，GIS 具有較實(shí)用的空間數(shù)據(jù)管理功能，二者相結(jié)合可以充分地發(fā)揮空間優(yōu)勢(shì)，為土壤空間分布研究提供了良好的技術(shù)支持，因此被普遍應(yīng)用于空間變異研究［18，20?21］。

錫林郭勒草原是我國(guó)北方草原生態(tài)系統(tǒng)的一道綠色屏障。近年來(lái)，由于自然因素和人為因素的影響，出現(xiàn)草地沙化，植物多樣性銳減等問(wèn)題，使得草原恢復(fù)和建設(shè)綠色生態(tài)顯得尤為重要。土壤是植被生存的重要載體，氮、磷、鉀是土壤養(yǎng)分的重要指標(biāo)，速效養(yǎng)分是土壤養(yǎng)分的重要表征方式。研究土壤速效養(yǎng)分的空間變異性可以準(zhǔn)確估量土壤養(yǎng)分的變異特征及其豐缺程度。研究表明，土壤速效氮（available nitrogen，AN）對(duì)于固氮植物的利用和吸收起直接作用，氮元素過(guò)多會(huì)引起土壤污染，氮元素過(guò)少不利于植物生長(zhǎng)和根系發(fā)育［22］。近年來(lái)關(guān)于土壤速效氮的空間分布也有不少研究，黃仕輝等［22］，唐杰等［23］，袁知洋等［24］，張振明等［25］分別對(duì)不同區(qū)域，不同土地利用方式作用下的土壤速效氮空間變異性進(jìn)行了一系列分析研究，但是未形成統(tǒng)一的定論，關(guān)于我國(guó)北方天然草地土壤速效氮空間分布特征的研究也少有報(bào)道，速效氮對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的影響需要進(jìn)一步探究。因此，準(zhǔn)確了解土壤AN 的空間變異問(wèn)題，不僅有利于土地生產(chǎn)力的提高，也有助于植被恢復(fù)和生長(zhǎng)。基于此，本研究以錫林郭勒草原為研究區(qū)，分別從水平變異和垂直變異兩個(gè)方面探究土壤AN 空間變異及其影響因子，以期對(duì)草原生態(tài)環(huán)境保護(hù)和物種多樣性的研究提供參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

錫林郭勒盟位于內(nèi)蒙古中部地區(qū)，是東部半濕潤(rùn)草甸草原區(qū)向西北干旱荒漠草原區(qū)的過(guò)渡帶。地理位置介于 E 111°59′?120°00′，N 42°32′?46°41′。下轄 2 市，9 旗，1 縣，1 管理區(qū)，地域面積廣闊，土地面積 20.2 萬(wàn) km2，擁有豐富的自然資源。

該區(qū)屬于中溫帶大陸性干旱半干旱氣候，其氣候特征為冬季寒冷而漫長(zhǎng)，夏季溫暖而短暫。年平均氣溫0～3 ℃左右，年平均降水量約350 mm ，主要集中于7?9 月［26］。其基本符合大陸性氣候的典型特征。植被主要以草地為主，約占植被總面積的85% 以上，從東至西呈水平地帶性分布，依次為草甸草原［貝加爾針茅（Stipa baicalensis）和線葉菊（Filifolium sibiricum）］、典型草原［羊草（Leymus chinensis）、大針茅（Stipa grandis）、克氏針茅（Stipa krylovii）以及冷蒿（Artemisia frigida）］和荒漠草原［小針茅（Stipa klemenzii）］［27］。錫林郭勒盟土壤受降水、氣溫、植被和地形等的影響呈顯著的地帶性分布，土壤類型主要包括栗鈣土和風(fēng)沙土，從東南到西北依次為黑鈣土帶、暗栗鈣土亞帶、淡栗鈣土亞帶，呈有規(guī)律的更替［8］。

1.2 樣品采集與測(cè)定

2019 年7 月在錫林郭勒草原進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集工作，如圖1 所示，樣帶從東至西進(jìn)行布設(shè)，囊括草甸草原、典型草原和荒漠草原3 個(gè)不同草原植被類型，共計(jì)30 個(gè)樣地，覆蓋了東烏珠穆沁旗，錫林浩特市，阿巴嘎旗，蘇尼特左旗，二連浩特市和蘇尼特右旗等6 個(gè)行政地區(qū)。每個(gè)樣地重復(fù)3 個(gè)采樣點(diǎn)，取其平均值以避免試驗(yàn)的偶然性。每個(gè)樣點(diǎn)均采集6 層，分別為0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm。采用土鉆和挖剖面相結(jié)合的方式采集土樣，將所采集的土樣裝在密封袋中，并把每個(gè)樣地所取同層土樣混合，最后得到180 個(gè)試驗(yàn)樣品，待自然風(fēng)干后去除大的石塊和植物草根，過(guò)1.00 和0.15 mm 的篩，留存?zhèn)溆谩?/p>

圖1 錫林郭勒盟位置、海拔及樣地分布Fig.1 Location，altitude and plot distribution of Xilingol

依據(jù)鮑士旦［28］主編的《土壤農(nóng)化分析》中K2Cr2O7容量?外加熱法、堿解擴(kuò)散法、NaHCO3浸提?鉬銻抗比色法、NH4OAc 浸提?火焰光度計(jì)法分別測(cè)量土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀的含量。

1.3 研究方法

1.3.1 半變異函數(shù) 半變異函數(shù)是地統(tǒng)計(jì)學(xué)中特有的函數(shù)模型，也被稱為半方差函數(shù)，半方差函數(shù)有3 個(gè)重要參數(shù)，分別為塊金值（C0）、基臺(tái)值（C0+C）和變程（R）。其中塊金值反映試驗(yàn)數(shù)據(jù)由于人為活動(dòng)、試驗(yàn)誤差和計(jì)算誤差等隨機(jī)因素引起的差異。結(jié)構(gòu)方差（C）表示土壤AN 含量受自身結(jié)構(gòu)因素影響而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性差異?；_(tái)值（C0+C）反映區(qū)域內(nèi)所有因素所產(chǎn)生的最大差異，即系統(tǒng)內(nèi)的整個(gè)變異量。變程（R）表示半變異函數(shù)在有限步長(zhǎng)的情況下達(dá)到基臺(tái)值的步長(zhǎng)范圍，當(dāng)超過(guò)最大變程后，空間結(jié)構(gòu)變化將不受影響。一般情況下，采用塊基系數(shù)C0/（C0+C）來(lái)判定隨機(jī)因素引起的空間變異占總變異因素的多少，借此來(lái)反映空間分布相關(guān)性的大?。?9］。塊基系數(shù)＞75%說(shuō)明區(qū)域內(nèi)具有弱變異性，空間相關(guān)性也較弱，即受隨機(jī)因素影響大，塊基系數(shù)＜25%說(shuō)明區(qū)域系統(tǒng)內(nèi)空間分布變異性主要由結(jié)構(gòu)性因素引起，具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性。塊基比介于二者之間則說(shuō)明具有中等空間相關(guān)性，主要受隨機(jī)因素和結(jié)構(gòu)因素的共同作用。

半變異函數(shù)主要有4 個(gè)擬合模型，分別為高斯模型（gaussian）、指數(shù)模型（exponential）、球面模型（spherical）和線性模型（linear），最優(yōu)模型的選取以殘差（residual sum of squares，RSS）最小，決定系數(shù)（R2）最大為原則。半變異函數(shù)通過(guò)對(duì)有限區(qū)域內(nèi)實(shí)測(cè)值的估計(jì)來(lái)預(yù)測(cè)一定區(qū)域內(nèi)的函數(shù)值，區(qū)域化變量Z（x）在點(diǎn)x和x+h處的值差的方差的一半稱為區(qū)域化變量Z（x）的半方差函數(shù)，記為γ（h），2γ（h）則被稱為變異函數(shù)。半方差函數(shù)如公式（1）所示：

式中：γ（h）表示半方差函數(shù)值，h為兩樣本之間的間距，即步長(zhǎng)，N（h）表示間距為h的樣本點(diǎn)個(gè)數(shù)，Z（xi），Z（xi+h）分別為在i和i+h處的土壤 AN 的實(shí)際測(cè)量值［30］。

1.3.2 克里格插值法 克里格插值法也被稱為克里金插值法，是依靠測(cè)量誤差模型實(shí)現(xiàn)精確或平滑插值的一種插值方法。一般情況下是以變異函數(shù)的理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)的，通過(guò)根據(jù)未知樣點(diǎn)有限鄰域內(nèi)的若干已知點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)區(qū)域內(nèi)未知點(diǎn)數(shù)值的無(wú)偏最優(yōu)預(yù)測(cè)，從而得到空間全局分布特征。主要有普通克里格插值和協(xié)同克里格插值兩種預(yù)測(cè)插值方法，兩種方法本質(zhì)相同，協(xié)同克里格插值考慮除已知點(diǎn)數(shù)值外還考慮其他相關(guān)因素，從而進(jìn)行空間預(yù)測(cè)。普通克里格法是空間插值中最簡(jiǎn)單的一種方法，僅以區(qū)域內(nèi)已知點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)鄰近有限區(qū)域內(nèi)未知點(diǎn)的數(shù)值，由于本研究在采樣時(shí)未考慮氣溫、降水和海拔等自然因素對(duì)土壤的影響程度，故而采用普通克里格法來(lái)預(yù)測(cè)研究區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分含量的分布特征。普通克里格法表達(dá)式如公式（2）所示［31］：

式中：Z（X）表示預(yù)測(cè)值，λi為克里格權(quán)重值，n表示在有限范圍內(nèi)已知點(diǎn)的個(gè)數(shù)，Z（Xi）表示各實(shí)測(cè)點(diǎn)的數(shù)值。

1.3.3 垂直遞減率 垂直遞減率是為了錯(cuò)層體現(xiàn)土壤的垂直變化規(guī)律，垂直變化梯度的大小可以說(shuō)明土壤AN 含量的變化趨勢(shì)。值越大，說(shuō)明兩相鄰?fù)翆娱g變化較大，反之亦然。垂直遞減率（V）計(jì)算方法如公式（3）所示：

式中：Vm表示土壤中上一土層深度的AN 含量，Vn表示土壤中與之相鄰的下一土層深度的AN 含量。為更好說(shuō)明土壤垂直變化規(guī)律，從表層開(kāi)始向下，每20 cm 劃為一層，計(jì)算以10 cm 為基準(zhǔn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS Statistic 22.0 軟件進(jìn)行土壤AN 傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，包括土壤AN 的描述性分析，正態(tài)檢驗(yàn)（K?S 檢驗(yàn)）以及Pearson 相關(guān)性檢驗(yàn)。采用GS+9.0 進(jìn)行半方差變異分析和空間自相關(guān)分析，通過(guò)其獲取的最優(yōu)模型和相關(guān)參數(shù)在ArcGIS 10.6 中進(jìn)行普通克里格插值，得到分層AN 空間分布圖。AN 垂直特征分析在Excel 2016 中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 分層土壤AN 含量特征描述性分析

對(duì)土壤AN 的基礎(chǔ)特征研究，可以表明研究區(qū)AN 含量的一般化水平，初步掌握土壤AN 含量的差異性分異。由表1 可知，分層土壤AN 的平均含量隨著土層深度的增加而依次呈遞減狀態(tài)。其中變動(dòng)幅度最大的是0～5 cm，變動(dòng)范圍為 25.06～177.52 mg·kg?1，變幅最小的是 40～50 cm，幅度為 16.66～92.40 mg·kg?1，其余變幅均在二者之間。變幅大小按土層深度排列由大到小依次為0～5 cm＞5～10 cm＞10～20 cm＞30～40 cm＞0～50 cm＞20～30 cm＞40～50 cm，可見(jiàn)變幅差異較為明顯。

標(biāo)準(zhǔn)差的大小可以反映數(shù)據(jù)的離散程度，標(biāo)準(zhǔn)差的變動(dòng)趨勢(shì)和AN 平均含量的變動(dòng)趨勢(shì)相一致，0～5 cm 土層AN 值離散程度最大，分布相對(duì)分散，40～50 cm 離散程度最小，分布相對(duì)集中。離散程度由表層至深層依次呈有規(guī)律遞減的變化趨勢(shì)（表1）。

變異系數(shù)大小可以表達(dá)土壤AN 的空間變異程度［22］。分層土壤的變異性在38.35%～49.97%，根據(jù)變異系數(shù)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（變異系數(shù)＞100 具有強(qiáng)變異性，變異系數(shù)介于10～100 之間具有中等變異性，變異系數(shù)＜10 具有弱變異性）可知，各土層AN 變異性均屬中等變異。垂直方向上，在0～30 cm，隨土層深度增加，土壤AN 含量變異系數(shù)逐漸減少，在20～30 cm 處于最低值，隨后又增加再減少。

2.2 分層土壤AN 空間結(jié)構(gòu)分析

為了清晰有效地分析各分層土壤AN 的分布狀況，經(jīng)單樣本K?S 正態(tài)檢驗(yàn)后（表1），發(fā)現(xiàn)5～10 cm 和20～30 cm，不屬于正態(tài)分布（P＜0.05），經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化后滿足正態(tài)分布的要求，其余均屬于正態(tài)分布（P＞0.05），因此各層皆可進(jìn)行半方差變異分析。

表1 分層土壤速效氮含量描述性統(tǒng)計(jì)分析Table 1 Descriptive statistical analysis of AN content in layered soil

由表 2 可知，0～30 cm 各分層和 0～50 cm 均為高斯模型，30～40 cm 為球面模型，40～50 cm 為指數(shù)模型，且除這兩層的擬合度R2較小外，其余土層R2均在0.81 以上。這可能是由于底層土壤養(yǎng)分變異較小，擬合度較低。各土層之間塊金值變化幅度較小，說(shuō)明試驗(yàn)誤差或者人為取樣尺度較為均勻。其中塊基系數(shù)在2.11%～19.74%，均＜25%說(shuō)明錫林郭勒草原土壤AN 具有高度的空間自相關(guān)性，其空間分布變異主要受結(jié)構(gòu)因素的影響，受隨機(jī)因素影響較弱。變程反映在空間上自相關(guān)的距離范圍大小，變程越大，說(shuō)明其空間自相關(guān)性越小。由表2 可知，錫林郭勒草原各土層AN 的變程范圍在7.0217～24.0270 m，在0～30 cm 內(nèi)隨著深度的增加，變程不斷增大，說(shuō)明其空間相關(guān)性逐漸減弱，在30～40 cm 出現(xiàn)拐點(diǎn)，隨后變程增加較為明顯，說(shuō)明錫林郭勒草原土壤AN 含量在30 cm 以下深度，變異趨勢(shì)趨于均一。

2.3 分層土壤AN 空間變化分析

2.3.1 分層土壤AN 含量水平變化特征分析 通過(guò)研究土壤AN 含量的空間變異，可以充分了解土壤AN 含量在水平方向上的變化和分布特征。根據(jù)其最優(yōu)模型，通過(guò)普通克里格插值可以得到分層土壤AN 的水平分布（圖 2）。按照全國(guó)第二次土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［32］，將 AN 分為 6 個(gè)等級(jí)（＞150 mg·kg?1為第一級(jí)，含量越少，級(jí)別越大。）不論哪一土層深度，土壤AN 含量呈現(xiàn)明顯的東西向分異，即從東至西含量逐漸減少，呈條帶狀分布，與錫林郭勒草原的草原分布類型相一致。

圖2 分層土壤AN 含量空間分布Fig.2 Spatial distribution of AN content in layered soil

表層（0～5 cm）的分類等級(jí)最多，涵蓋整個(gè)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，從20 cm 土層開(kāi)始，隨著深度的增加，涵蓋的級(jí)別明顯減少，土壤AN 含量?jī)H存在于4、5 級(jí)之間，表明土壤AN 含量隨著土層深度的增加，逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，這一穩(wěn)定狀態(tài)并不是一成不變，而是從高值區(qū)域向低值區(qū)域平緩過(guò)渡，且處于4～5 級(jí)過(guò)渡階段。由0～50 cm 土壤AN 均值水平分布圖可知，錫林郭勒草原土壤AN 總體含量處于3～5 級(jí)之間，屬于中下等水平，即研究區(qū)土壤AN 處于缺乏狀態(tài)。

2.3.2 分層土壤AN 含量垂直變化分析 研究不同土層養(yǎng)分含量的垂直遞減率變化，有利于更好地分析土壤養(yǎng)分含量的變化特征，以用來(lái)預(yù)測(cè)土壤養(yǎng)分的變化趨勢(shì)［33］。對(duì)于不同的草原類型，AN 含量有著相似的變化趨勢(shì)（表3）。在0～30 cm 土層，垂直變化梯度均表現(xiàn)為草甸草原＞典型草原＞荒漠草原；在20～50 cm 土層垂直變化梯度表現(xiàn)為典型草原＞草甸草原＞荒漠草原，但是典型草原和草甸草原相差不大。

表3 分層土壤AN 含量垂直變化梯度Table 3 Vertical gradient of AN content in layered soil（%）

對(duì)于同一草原類型來(lái)說(shuō)，在垂直方向上，呈現(xiàn)不規(guī)則的波動(dòng)趨勢(shì)，草甸草原和典型草原中10～30 cm 垂直變化梯度最大，30～50 cm 次之，而荒漠草原在30～50 cm 垂直遞減率達(dá)到最大值；草甸草原在20～40 cm 變動(dòng)幅度最小，典型草原和荒漠草原均在0～20 cm 表現(xiàn)最小?；哪菰?～20 cm 和20～40 cm 均出現(xiàn)了負(fù)值，說(shuō)明該土層下層AN 含量較上層豐富，這可能與土壤特性有關(guān)。

2.4 土壤AN 含量影響因素分析

2.4.1 各分層土壤AN 相關(guān)性分析 對(duì)土壤各層養(yǎng)分的相關(guān)性分析，利于解釋土壤各層養(yǎng)分之間的作用關(guān)系。由表4 可知，各層土壤AN 含量之間存在極顯著的相關(guān)性關(guān)系（P＜0.01），空間相關(guān)性強(qiáng)。全剖面0～50 cm均值與各層土壤AN 之間的相關(guān)性程度均介于0.852～0.976，說(shuō)明可以用土壤0～50 cm 來(lái)反映錫林郭勒草原土壤AN 的總體特征。在0～30 cm 之間各土層相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.8 以上，30 cm 以下土壤AN 含量相關(guān)性逐漸降低，說(shuō)明垂直方向上各層土壤之間相互影響，隨著深度的增加，空間相關(guān)性逐漸減弱，并趨于均一化，各層土壤AN 之間相互作用明顯，互相影響，互相制約。這與之前對(duì)AN 空間分布的研究結(jié)果相一致，即在30 cm 處出現(xiàn)拐點(diǎn)。

表4 不同土層土壤AN 含量Pearson 相關(guān)性檢驗(yàn)Table 4 Pearson correlation test of AN content in different soil layers

2.4.2 土壤AN 與土壤化學(xué)特征相關(guān)性分析 為了進(jìn)一步說(shuō)明土壤AN 含量變化與土壤化學(xué)性質(zhì)之間的相互作用程度，本研究選擇有機(jī)質(zhì)（soil organic matter，SOM）、pH、速效磷（available phosphorus，AP）、速效鉀（available potassium，AK）4 種要素來(lái)探討與土壤AN 的相關(guān)關(guān)系。由圖3 可知，有機(jī)質(zhì)與同土層AN 之間存在極顯著（P＜0.01）正相關(guān)，線性方程為Y=2.2903X+29.546，（Y為土壤AN 含量，X為土壤有機(jī)質(zhì)含量），擬合度為0.9044，擬合較好，說(shuō)明研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)是土壤AN 的一個(gè)促進(jìn)因子，土壤AN 含量受有機(jī)質(zhì)含量的影響。這主要是因?yàn)橥寥乐刑嫉h(huán)作用的結(jié)果，二者之間相互影響，土壤表層腐殖質(zhì)促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加，加速了土壤生態(tài)系統(tǒng)中的碳氮循環(huán)，進(jìn)而利于土壤中氮素的累積與氮有機(jī)物的分解。

土壤pH 是調(diào)節(jié)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，pH 通過(guò)影響微生物的活性來(lái)間接制約土壤養(yǎng)分的形成與轉(zhuǎn)化［34］。由圖3 可得，研究區(qū)土壤pH 呈弱堿性，且土壤AN 與pH 之間存在極顯著的負(fù)相關(guān)性（P＜0.01），pH 含量越高，土壤AN 含量越低，說(shuō)明氮素的累積在一定程度上受到了pH 的制約。這可能由于過(guò)高的土壤堿度會(huì)影響土壤中微生物的活性，進(jìn)而限制了土壤AN 的含量。

氮、磷、鉀是土壤養(yǎng)分的3 大主要營(yíng)養(yǎng)元素，了解土壤速效養(yǎng)分之間的相互作用關(guān)系，更有利于對(duì)土壤的精準(zhǔn)管理和評(píng)價(jià)。由圖3 可知，AN 分別與AK、AP 呈線性關(guān)系，擬合度R2分別為0.0434 和0.5303。經(jīng)雙變量Pearson檢驗(yàn)，其中 AK 和 AN 之間無(wú)顯著相關(guān)性（P＞0.05），AP 與土壤 AN 表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），說(shuō)明在錫林郭勒草原土壤AN 的含量與AP 之間相互作用，相互促進(jìn)，而不受土壤AK 的影響。

圖3 土壤0~50 cm AN 含量與土壤化學(xué)性質(zhì)的函數(shù)關(guān)系Fig.3 The functional relationship between soil 0-50 cm AN content and soil chemical properties

3 討論

土壤氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育的主要營(yíng)養(yǎng)成分之一，對(duì)于草地生態(tài)系統(tǒng)生物量發(fā)展，生態(tài)功能與空間結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)具有重要作用［35］。因此對(duì)錫林郭勒草原不同草原類型土壤AN 含量的空間分布格局做了進(jìn)一步的研究，在水平方向上，研究區(qū)各層AN 含量均由草甸草原?典型草原?荒漠草原呈從大到小的趨勢(shì)過(guò)渡。說(shuō)明在草地生態(tài)系統(tǒng)中，地表不同生物量影響著AN 含量的多少。在朱立博等［36］對(duì)呼倫貝爾草原不同植被類型與土壤養(yǎng)分的研究中發(fā)現(xiàn)，地表生物量水平與土壤養(yǎng)分之間具有相互關(guān)聯(lián)性，地表生物量的多少，反映了土壤養(yǎng)分的豐缺程度。在垂直方向上，土壤AN 由表層向下有規(guī)律遞減，均呈中等變異程度，這是因?yàn)樵诓莸厣鷳B(tài)系統(tǒng)中，主要植被類型為草類植物，而草類植物根系分布較淺，對(duì)于土壤氮素的吸收和轉(zhuǎn)化能力隨著土層深度的增加，而逐漸減弱，因此導(dǎo)致土壤AN 含量出現(xiàn)如此明顯的差異化特征。在分析3 種不同草原類型不同土層范圍內(nèi)AN 含量垂直分布特征時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于草甸草原和典型草原在10～30 cm 土層土壤AN 含量變化明顯，對(duì)于荒漠草原類型來(lái)說(shuō)，相比于其他土層，土壤AN 含量在30～50 cm 特征變化最大，不同草原類型土壤AN 含量特征變化不同，有可能是因?yàn)椴菰寥李愋偷牟煌蛘卟菰匀坏乩硪蛩氐挠绊?，該?wèn)題需要做進(jìn)一步研究，以期摸清土壤AN 在不同土層深度的作用程度，為草原的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

土壤是一個(gè)復(fù)雜的自然綜合體，在其形成過(guò)程中受到諸多因素的影響，例如結(jié)構(gòu)性因素（土壤粒徑、土壤含水量、土壤母質(zhì)、土壤類型等），氣候因素（氣溫、降水、地表溫度、氣候類型等），化學(xué)因素（有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀及其微量元素等），地形因素（海拔、坡度、坡向、下墊面曲率、地貌類型等），人為因素（土地利用方式、放牧形式等）等。本研究的研究區(qū)采樣點(diǎn)只涉及了錫林郭勒草原北部的一些天然草地，未對(duì)南部農(nóng)牧交錯(cuò)帶進(jìn)行研究，因此在空間變異分析中得到土壤AN 含量主要受自身結(jié)構(gòu)性因素的影響。本研究?jī)H探討了土壤常見(jiàn)的化學(xué)因素與土壤AN 之間的相互作用關(guān)系，結(jié)果表明有機(jī)質(zhì)與AN 之間具有極顯著正相關(guān)性，說(shuō)明有機(jī)質(zhì)的累積可以促進(jìn)土壤AN 含量的增加。在祝鑫海等［37］的研究中提到氮素和有機(jī)質(zhì)有關(guān)，有機(jī)質(zhì)的礦化可以釋放出速效氮，吳美玲等［38］的研究結(jié)果亦有此觀點(diǎn)。土壤AP 和AN 之間同樣具有極顯著正相關(guān)關(guān)系，這是因?yàn)榈啬茉鲞M(jìn)植物根系的生長(zhǎng)，在植物根系生長(zhǎng)的過(guò)程中會(huì)分泌出一些分子有機(jī)酸物質(zhì)，這些物質(zhì)在一定程度上促進(jìn)了土壤磷素的活化作用，因而促進(jìn)了磷素從無(wú)機(jī)態(tài)向有機(jī)態(tài)的轉(zhuǎn)化，提高了土壤AP 的含量［39］。研究區(qū)土壤pH 呈弱堿性并與AN 具有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。說(shuō)明在本研究區(qū)土壤pH 是制約AN 豐缺的一個(gè)關(guān)鍵性因子，相關(guān)研究表明pH 過(guò)低或過(guò)高都會(huì)對(duì)土壤微生物活性及地表群落結(jié)構(gòu)特征產(chǎn)生間接性影響，從而影響土壤氮素的礦化分解和累積速率［40］，因此合理調(diào)控土壤pH 的大小，不僅可以提高土壤養(yǎng)分的含量，還能促進(jìn)草原生態(tài)系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定發(fā)展。

由于對(duì)研究區(qū)土壤其他因素?cái)?shù)據(jù)的缺乏，導(dǎo)致未能探明土壤AN 與其他眾多影響因素之間的相互作用關(guān)系。在對(duì)研究區(qū)AN 含量的空間插值過(guò)程中，由于采樣時(shí)只從大尺度上考慮了草原類型的影響，而未考慮一些主導(dǎo)自然因素（氣溫，降水，海拔）對(duì)土壤AN 的影響程度，可能會(huì)影響插值精度的準(zhǔn)確性。在以后的野外采樣過(guò)程中，要結(jié)合地形，地貌等條件，合理采樣和設(shè)置樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。這些都將是今后對(duì)錫林郭勒草原土壤AN 分布特征及影響因素分析的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，從而全面揭示不同草原類型土壤AN 空間變異的影響因素。

4 結(jié)論

1）錫林郭勒草原土壤AN 存在顯著的空間分異規(guī)律。水平方向上，各土層深度土壤AN 含量從東至西逐漸減少，呈條帶狀分布；垂直方向上，各層土壤AN 含量之間具有極顯著（P＜0.01）正相關(guān)關(guān)系，隨著土層深度的增加，土壤AN 含量逐層遞減，漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)?？傮w上各層土壤AN 含量均具有中等程度變異，空間上存在強(qiáng)相關(guān)性，其空間變異主要受結(jié)構(gòu)性因素的影響。

2）研究區(qū)土壤AN 總體含量屬于中下等水平，處于缺乏狀態(tài)。不同草原類型的AN 含量有著相似的變化趨勢(shì)。在0～30 cm 土層范圍，垂直變化梯度均表現(xiàn)為草甸草原＞典型草原＞荒漠草原；在20～50 cm 土層垂直變化梯度為典型草原＞草甸草原＞荒漠草原，但是典型草原和草甸草原相差不明顯。

3）土壤AN 與速效鉀無(wú)明顯相關(guān)性，與土壤有機(jī)質(zhì)和速效磷呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與土壤pH 值具有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。