關(guān)帝山不同植被恢復(fù)類型土壤碳氮的空間變異性

武江星，嚴(yán)俊霞，李洪建

（山西大學(xué) 黃土高原研究所，太原030006）

空間異質(zhì)性是指生態(tài)學(xué)過程和格局在空間分布上的差異性和復(fù)雜性。近年來，空間異質(zhì)性問題受到生態(tài)學(xué)家們的廣泛關(guān)注。土壤空間異質(zhì)性受隨機(jī)性因素（取樣、測量誤差）和結(jié)構(gòu)性因素（地形、母質(zhì)、植被類型等）的共同影響，是異質(zhì)性研究的一個(gè)重要領(lǐng)域，國內(nèi)外已有大量研究報(bào)道［1－2］。土壤碳氮含量是反映土壤肥力的重要指標(biāo)，揭示土壤碳氮含量的空間變異規(guī)律是實(shí)現(xiàn)土壤可持續(xù)利用和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的前提。近年來，許多研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量在不同尺度上都存在明顯的空間異質(zhì)性，屬于中等變異，并具有明顯的空間自相關(guān)性。二者的空間分布格局基本一致，空間變異主要由結(jié)構(gòu)性因素引起的［3－5］。也有部分學(xué)者對影響土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量空間分布格局的因子進(jìn)行了分析，指出土壤類型、地形、地貌、植被類型及人為活動(dòng)等因素對空間變異的影響［6－8］。

黃土高原地區(qū)地處半干旱半濕潤氣候帶，自然植被破壞嚴(yán)重，土壤貧瘠且結(jié)構(gòu)疏松，水土流失嚴(yán)重，是我國主要的生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)之一，也是國家以退耕還林還草為核心的生態(tài)恢復(fù)建設(shè)工程的重點(diǎn)實(shí)施區(qū)域。對黃土高原的退耕地進(jìn)行植被恢復(fù)和重建，對提高土地生產(chǎn)力、減緩水土流失、改善生態(tài)環(huán)境有著重要的實(shí)踐意義。迄今為止，不同植被恢復(fù)類型土壤全碳和全氮含量差異的研究已經(jīng)有很多［9－14］，而對不同植被恢復(fù)類型空間變異性特征的研究鮮有報(bào)道。本文采用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析和地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法，以退耕后人工種植的華北落葉松林和自然演替而成的針闊混交林為研究對象，探討不同植被恢復(fù)類型土壤全碳和全氮的空間分布特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系，以期為黃土高原地區(qū)退耕地的植被恢復(fù)與重建提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在山西省龐泉溝國家自然保護(hù)區(qū)內(nèi)進(jìn)行。區(qū)內(nèi)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫3～4℃，年均降水量830.8mm，多集中在7月、8月，無霜期100～130d，保護(hù)區(qū)自然概況詳見文獻(xiàn)［15］。試驗(yàn)地位于龐泉溝自然保護(hù)區(qū)試驗(yàn)區(qū)的八道溝口，本研究選取農(nóng)田棄耕后人工種植的華北落葉松林（LYS）和天然次生的針闊混交林（ZKHJ）2種植被類型，各樣地的植被、土壤、地形情況等詳見文獻(xiàn)［15—16］。

1.2 研究方法

在華北落葉松人工林、針闊混交林地中分別選取面積為20m×20m，20m×16m的區(qū)域作為供試區(qū)域，在樣地內(nèi)均采用分級網(wǎng)格嵌套法布置測定點(diǎn)，2個(gè)樣地分別布設(shè)108個(gè)和102個(gè)取樣點(diǎn)，取樣點(diǎn)的詳細(xì)設(shè)計(jì)見文獻(xiàn)［15—16］。

用LI－6400的土壤溫度探針測定5cm（T5）、10cm（T10）和15cm（T15）深度的土壤溫度值。0—10cm深度的土壤含水量（Ws）采用烘干法測定。用土鉆取0—10cm深度的土壤裝入封口袋內(nèi)，所取土樣部分用于測定土壤水分（105℃烘干），部分自然風(fēng)干，過2mm土壤篩，使用vario MACRO cube元素分析儀（德國）測定土壤全氮（N）和全碳（C）。碳氮比（C/N）＝C/N。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)

1.3.1 經(jīng)典統(tǒng)計(jì) 采用單樣本柯爾莫哥洛夫—斯米洛夫 （One－sample Kolomogorov－Semirnov，K－S）檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布，檢驗(yàn)時(shí)取顯著性水平α＝0.05。采用Pearson相關(guān)分析法分析環(huán)境因子與土壤全碳、全氮的相關(guān)關(guān)系。采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)分析兩個(gè)樣地土壤全碳、土壤全氮均值是否存在顯著差異。上述分析均利用SPSS 17.0軟件進(jìn)行。

采用以下公式確定土壤樣本容量：

式中：n——合理的樣本容量；T——與顯著性水平相對應(yīng)的t分布的雙側(cè)分位數(shù)；CV——樣本變異系數(shù)；k——試驗(yàn)允許的誤差［17］。

1.3.2 地統(tǒng)計(jì)分析 用 GS＋9.0（Gamma Design Software，Inc.）進(jìn)行半方差函數(shù)模型擬合和參數(shù)計(jì)算。利用Surfer 8.0（Golden Software，Inc.）進(jìn)行克里金（Kriging）插值，繪制各指標(biāo)空間分布的等值線圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析

2.1.1 常規(guī)統(tǒng)計(jì)分析 傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析表明，ZKHJ土壤全碳、全氮含量都比LYS的高，分別為2.27%，0.17%和1.27%和0.10%（表1）。獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)表明，2種植被類型土壤全碳和全氮的均值差異顯著。除ZKHJ土壤C/N比屬于弱變異外，2種植被類型土壤全碳和全氮及其環(huán)境因子的空間變異均屬于中等變異（10%≤CV≤100%）。ZKHJ土壤全碳、全氮和土壤水分的空間變異系數(shù)都大于LYS的，分別為37.07%，30.01%，22.56%和19.85%，22.31%，13.34%；2種植被類型5，10，15cm深度的土壤溫度的空間變異系數(shù)相差不大，為11%～16%。對數(shù)據(jù)進(jìn)行K－S檢驗(yàn)結(jié)果表明，除LYS樣地的T15，C，N和C/N比對數(shù)轉(zhuǎn)換后符合正態(tài)分布（PK－S＜0.05）外，其他指標(biāo)均符合正態(tài)分布（PK－S＞0.05），數(shù)據(jù)滿足平穩(wěn)假設(shè)，不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換就可以進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

2.1.2 簡單相關(guān)分析 簡單相關(guān)分析表明，ZKHJ和LYS土壤全碳和全氮的相關(guān)系數(shù)分別為0.79，0.98，相關(guān)性達(dá)到了極顯著水平（p＝0.00）。ZKHJ和LYS土壤全碳和全氮含量與Ws存在極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系（p＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.61，0.59，0.31，0.21。ZKHJ土壤全碳和全氮與T5，T10和T15存在顯著的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系（p＜0.01）；除LYS土壤全氮與T5存在極顯著的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系外（p＜0.01），其土壤全碳和全氮與3種不同深度的溫度都相關(guān)不顯著（p＞0.05）（表2）。表明土壤水分對2種植被類型的土壤全碳和全氮空間分布的影響要遠(yuǎn)大于土壤溫度的影響。

2.2 空間變異特征分析

2.2.1 半方差函數(shù)分析 利用LYS土壤全碳和全氮的測定數(shù)據(jù)，ZKHJ土壤全碳和全氮?jiǎng)t利用對數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行半方差函數(shù)分析。結(jié)果表明（表3），ZKHJ土壤全碳和全氮的理論模型為線性模型，而LYS土壤全碳和全氮的理論模型分別為指數(shù)和球形模型，表明ZKHJ土壤全碳和全氮含量呈隨機(jī)分布，而LYS的則呈聚集分布。2種植被類型土壤全碳和全氮的塊金值/基臺(tái)值都≤25%，表明他們具有較強(qiáng)的空間自相關(guān)性，隨機(jī)因素引起的異質(zhì)性較小，空間異質(zhì)性的變化主要由結(jié)構(gòu)因素如氣候、地形和土壤成土母質(zhì)等自然因素引起的。ZKHJ土壤全碳和全氮的變程都為17.35m，大于 LYS的（9.06m，7.80 m），表明影響2種植被類型土壤全碳和全氮空間分布的生態(tài)過程尺度不同。

表1 土壤全碳和全氮及其影響因子的描述統(tǒng)計(jì)分析

表2 土壤全碳、全氮與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)

表3 土壤全碳、全氮的變異函數(shù)模型及其參數(shù)

2.2.2 空間分布格局 基于Kriging插值法得到2個(gè)研究樣地土壤性質(zhì)各指標(biāo)的空間分布格局（圖1）。與ZKHJ相比，LYS土壤水分、土壤全碳和全氮含量的變異范圍較小、空間分布模式簡單。同一種植被類型，土壤全碳和全氮含量的分布模式極為相似，表明二者的空間關(guān)聯(lián)性較好。LYS土壤全碳和全氮呈條帶狀分布，低值區(qū)位于測定區(qū)域的南部，高值區(qū)位于測定區(qū)域的西北角；ZKHJ土壤全碳和全氮呈斑塊狀分布，南部區(qū)域低、北部區(qū)域高。

2.3 合理采樣數(shù)目的確定

在同一置信水平和估計(jì)精度下，ZKHJ需要的必要采樣數(shù)量比LYS的多，在95%置信水平90%的估計(jì)精度下，ZKHJ和LYS土壤全碳和全氮的必要采樣數(shù)量分別為53，33，15，19（表4）。在同一置信水平下，合理采樣數(shù)目隨著估計(jì)精度的降低而大幅度減少。

3 討 論

植被能夠改善土壤肥力，不同植被類型土壤養(yǎng)分含量不同［10－11，18］。農(nóng)田退耕還林還草后，每年都有大量的枯枝落葉進(jìn)入土壤，經(jīng)微生物分解后形成腐殖質(zhì)，使得土壤有機(jī)碳增加，并將大氣中的氮素固定到土壤中，使土壤肥力不斷提高。本研究中，針闊混交林土壤全碳和全氮含量比落葉松人工林的分別高1.00%和0.07%，天然恢復(fù)的針闊混交林更有利于土壤碳氮積累。華北落葉松林屬于針葉林，群落結(jié)構(gòu)簡單，植被類型單一，林下無草本植物或灌木，凋落物少且不易分解，因此土壤碳氮含量低。而自然恢復(fù)的針闊葉混交林群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜，植被類型多樣（林種以云杉＋華北落葉松＋樺樹為主，林下植物有披針苔草、中亞苔草等），根系生物量大，大量凋落物和根系腐爛物為土壤提供了充足的養(yǎng)分，土壤碳氮含量高，這與前人研究結(jié)果相一致［9，11］。如王凱博等［9］研究表明，天然灌木林和天然草地土壤養(yǎng)分含量明顯高于人工植被類型；并且人工灌木林土壤養(yǎng)分含量高于人工喬木林。馬玉紅等［11］指出在黃土高原丘陵溝壑區(qū)，天然恢復(fù)植被較人工植被有機(jī)碳氮積累速度快，潛力大。

圖1 土壤溫度、土壤水分、土壤全碳和土壤全氮空間分布

表4 不同置信水平與估計(jì)精度下必要采樣數(shù)量

土壤理化性質(zhì)的空間變異性是植被、地形、氣候、土壤母質(zhì)、外界干擾及其他隨機(jī)性因素共同作用的結(jié)果［2，19－20］。有報(bào)道指出隨溫度的增加和降水的降低，土壤有機(jī)碳和全氮蓄積量呈減少趨勢［7］。本研究中，2種植被恢復(fù)類型土壤全碳和全氮含量與Ws存在極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系，可能是因?yàn)橥寥篮扛叩臉狱c(diǎn)，地上植被和根系生物量也較多，枯落物和根系分解速率較快，有利于土壤碳氮的積累。針闊混交林土壤全碳和全氮與T5，T10和T15存在顯著的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，原因可能是土壤溫度高的地方，也是地上枯落物分解快、土壤有機(jī)質(zhì)礦化和氮礦化速率快的地方，因此積累的有機(jī)質(zhì)和氮較少，這與前人的研究結(jié)論相吻合［2，19］。劉偉等［2］報(bào)道了黃土高原草地0—40 cm土壤有機(jī)碳含量與土壤含水量呈顯著正相關(guān)，與年均溫呈極顯著負(fù)相關(guān)。張娜等［19］研究表明天童常綠闊葉林土壤全碳和全氮的空間異質(zhì)性與海拔呈正相關(guān)，高海拔溝谷樣方的土壤全碳含量最高，可能是高海拔溝谷樣方土壤易積水，形成厭氧環(huán)境，且平均氣溫略低于低海拔地區(qū)，土壤有機(jī)碳分解速率減慢，有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累。雖然土壤溫度和土壤水分可在一定程度上解釋2種植被類型土壤全碳和全氮含量的空間變異，但還有一部分空間變異未被解釋，表明還有其他因子影響土壤性質(zhì)各指標(biāo)的空間變異，如根系生物量、凋落物量、林窗、微地形以及空間因子等均會(huì)不同程度地影響土壤性質(zhì)，有待進(jìn)一步研究。

本研究中，針闊混交林在17.35m范圍內(nèi)土壤全碳和全氮具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性，結(jié)構(gòu)性因子分別引起了79%和75%的空間變異；而落葉松人工林土壤全碳和全氮分別在9.06m和7.80m范圍內(nèi)具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性，結(jié)構(gòu)性因子分別引起了99.8%和94%的空間變異，表明2個(gè)樣地土壤全碳和全氮的空間變異主要受地形、土壤母質(zhì)、氣候等自然因素的影響。張亞茹等［3］研究表明鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林在17.4m和46.20m小尺度范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)性因子分別能解釋土壤有機(jī)碳和全氮含量空間變異93.6%和53.7%。張娜等［19］指出天童常綠闊葉林土壤全碳和全氮在81.6m范圍內(nèi)具有中等程度的空間自相關(guān)，是結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同作用的結(jié)果。本研究中，落葉松人工林土壤全碳和全氮的空間自相關(guān)性比針闊混交林高，空間變異程度比針闊混交林低，空間格局分布也表現(xiàn)為更為連續(xù)的空間分布特征，反映了該樣地土壤全碳和全氮具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，其原因可能是針闊混交林內(nèi)植被類型分布不均勻引起的，這一結(jié)果與張娜等［19］的研究結(jié)果相一致。

4 結(jié) 論

（1）2種植被恢復(fù)方式的土壤全碳和全氮含量的均值存在顯著的差異，ZKHJ土壤全碳和全氮含量比LYS的分別高1%和0.07%；ZKHJ土壤全碳和全氮的空間變異系數(shù)比LYS的分別高17.22%和7.70%。

（2）土壤水分對2種植被類型土壤全碳和全氮空間分布的影響大于土壤溫度的影響。

（3）2種植被類型土壤全碳和全氮都具有較強(qiáng)的空間自相關(guān)性，隨機(jī)因素引起的異質(zhì)性較小，空間異質(zhì)性的變化主要由結(jié)構(gòu)因素引起的。2種植被類型土壤全碳和全氮含量的變程不同，表明影響2種植被類型土壤全碳和全氮空間分布的生態(tài)過程尺度不同。

（4）在同一置信水平和估計(jì)精度下，ZKHJ需要的必要采樣數(shù)量大于LYS的取樣數(shù)量。

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