新疆伊犁地區(qū)草地土壤容重空間格局分析

周李磊，朱華忠，鐘華平，楊華，索菲婭，邵小明，周星杰

(1.重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院三峽庫區(qū)地表過程與環(huán)境遙感重慶市重點(diǎn)實驗室，重慶 400047；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所

資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實驗室，北京 100101；3.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點(diǎn)實驗室，

北京 100101；4.新疆大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；5.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083)

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新疆伊犁地區(qū)草地土壤容重空間格局分析

周李磊1,2，朱華忠2，鐘華平3*，楊華1，索菲婭4，邵小明5，周星杰3

(1.重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院三峽庫區(qū)地表過程與環(huán)境遙感重慶市重點(diǎn)實驗室，重慶 400047；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所

資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實驗室，北京 100101；3.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點(diǎn)實驗室，

北京 100101；4.新疆大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；5.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083)

摘要：以新疆伊犁地區(qū)146個草地樣地表層土壤容重調(diào)查測定數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合遙感及氣象數(shù)據(jù)，進(jìn)行草地土壤容重與海拔、年均氣溫、年均降雨、≥10℃年積溫、濕潤度和NDVI間的相關(guān)及回歸分析，構(gòu)建土壤容重綜合評價模型，借助ArcGIS平臺加權(quán)疊加計算出伊犁地區(qū)草地土壤容重的空間分布格局。結(jié)果表明，伊犁地區(qū)草地土壤容重與海拔、年均氣溫、年均降雨、≥10℃年積溫、濕潤度和NDVI間顯著相關(guān)(P<0.01)；綜合評價結(jié)果與實測值之間的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.6025，均方根誤差(RMSE)為0.1479 g/cm3，總體偏差為14.39%，平均預(yù)測精度達(dá)85.61%?？臻g格局上，土壤容重在河谷地帶較高，隨著海拔遞增呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢；伊犁河谷兩側(cè)的溫帶荒漠類草地土壤容重最大，約為1.3340 g/cm3，南部天山北坡的高寒草甸類草地最小，約為0.7310 g/cm3。綜合評價結(jié)果較好地反映了新疆伊犁地區(qū)的土壤容重空間分布情況，與土壤類型和草地類型的分布基本吻合，可以為草地退化安全評估提供參考。

關(guān)鍵詞：土壤容重；回歸分析；空間格局；草地；新疆伊犁

土壤和草地是草地生態(tài)系統(tǒng)中兩個重要的組成部分[1-2]，兩者間相互作用相互影響，從宏觀上看，土壤類型分布規(guī)律與草地類型分布規(guī)律相互協(xié)同，不同生物氣候帶下形成不同的土壤類型，相應(yīng)的不同土壤類型上，形成不同的植被類型[3]；從微觀上看，植被通過根系與土壤進(jìn)行著各種物質(zhì)代謝進(jìn)而影響土壤的理化性質(zhì)，反過來土壤通過調(diào)節(jié)分配水、熱、氣、肥為植物的生長源源不斷地提供所需營養(yǎng)物質(zhì)[4]。近年來由于受到社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與全球氣候變化的影響，加上人類活動的干擾，天然草地面積減少、質(zhì)量下降，草地退化不斷擴(kuò)展，草地退化最直接的表現(xiàn)是植被退化和土壤退化[5]，其中，土壤退化是草地退化的核心問題[6]。土壤容重是土壤的基本物理屬性，是指自然狀態(tài)下單位容積體(包括土粒和空隙)的質(zhì)量或重量[7-8]，對土壤的透氣性、入滲性能、持水性能、溶質(zhì)遷移特征以及土壤抗侵蝕能力有著重要影響[9-10]。作為土壤理化特性指標(biāo)，土壤容重在指示土壤質(zhì)量退化的同時，對草地退化具有敏感性，可以作為草地退化的數(shù)量指標(biāo)[11-12]。研究表明，草地退化程度對土壤容重有顯著的影響[2]，土壤容重隨著草地退化程度的加劇而增大[5,12-14]。但目前草地土壤容重的研究多停留在地面調(diào)查數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)統(tǒng)計分析上[15-17]，區(qū)域性的草地土壤容重空間格局變化分析相對較少。隨著地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)的發(fā)展，空間格局分析已廣泛運(yùn)用到地理生態(tài)學(xué)研究中[18-22]，而運(yùn)用在區(qū)域尺度上土壤容重的空間格局分析既是一個嘗試也是一個創(chuàng)新。

基于此，本文以伊犁草地土壤容重調(diào)查采樣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合遙感數(shù)據(jù)、氣候數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)，以新疆伊犁地區(qū)為研究對象，運(yùn)用地理統(tǒng)計方法，構(gòu)建土壤容重與地理要素的相關(guān)模型，借助GIS平臺對新疆伊犁地區(qū)草地土壤容重空間分布進(jìn)行插值計算，以期獲取伊犁地區(qū)草地土壤容重的空間格局?jǐn)?shù)據(jù)，為草地生態(tài)安全評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

伊犁地區(qū)(42°14′16″ -44°53′30″ N，80°09′42″ -84°56′50″ E)位于歐亞大陸天山北坡西部山區(qū)的伊犁河谷，東、南、北三面高山環(huán)繞，地勢東高西低，東窄西寬，呈喇叭型向西敞開，使來自西部的濕潤水汽和巴爾喀什湖的暖流沿伊犁河長驅(qū)直入谷地深處[23-24]，形成了溫帶大陸性半干旱氣候區(qū)。“山谷-盆地-河谷平原”的獨(dú)特地形地貌使得伊犁降水充沛，境內(nèi)有伊犁河、喀什河和特克斯河3條主要河流，年均降水量為200~800 mm，年均氣溫為2.9~9.1℃，年均日照時數(shù)為2700~3000 h[25]，是新疆最濕潤的地區(qū)。伊犁地區(qū)自然條件優(yōu)越，農(nóng)、牧業(yè)發(fā)展優(yōu)勢明顯，農(nóng)畜產(chǎn)品豐富，是新疆的糧倉和全國著名的牧場。天然草地面積約為371萬hm2，占新疆草地資源的6.38%，其產(chǎn)草量以及載畜能力均處于全疆最好水平[26-27]。

1.2數(shù)據(jù)來源及處理

1.2.1草地土壤容重數(shù)據(jù)綜合考慮伊犁地區(qū)草地類型的分布特點(diǎn)、草地利用方式、利用強(qiáng)度等方面，在全區(qū)范圍內(nèi)設(shè)置了146個草地樣地(圖1)，于2013年7-9月對全部樣地進(jìn)行實地GPS定位，同時記錄經(jīng)緯度坐標(biāo)、海拔和利用方式，并對實地定位的草地樣地進(jìn)行樣方調(diào)查與采樣。依據(jù)代表性原則，選擇代表整個樣地植被、地形及土壤等特征的地段，設(shè)置3個樣方，在完成草地樣方調(diào)查的基礎(chǔ)上，清理樣方土壤表面的植物殘留物和雜質(zhì)，將取樣后的環(huán)刀(規(guī)格100 cm3)，做好樣方標(biāo)記，帶回室內(nèi)105℃烘干至恒重，稱重；取3個重復(fù)。

1.2.2遙感數(shù)據(jù)研究區(qū)內(nèi)MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)，主要是指歸一化植被指數(shù)(NDVI)，數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局(http://ladsweb.nascom.nasa.gov)的成品數(shù)據(jù)產(chǎn)品(MOD13Q1)，數(shù)據(jù)采集的時間為2013年8月11日，用MRT拼接轉(zhuǎn)投影，空間分辨率1 km。

1.2.3氣候數(shù)據(jù)包括1957-2012年伊犁地區(qū)多年平均的年均氣溫、年均降雨量、≥10℃年積溫、濕潤度(伊萬諾夫濕潤度[28])，根據(jù)氣象站點(diǎn)實測數(shù)據(jù)，運(yùn)用ANUSPLIN專業(yè)氣象插值軟件，空間插值得到，空間分辨率1 km。

1.2.4其他數(shù)據(jù)數(shù)字高程模型(DEM)從國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(www.geodata.cn)下載，空間分辨率30 m；伊犁地區(qū)草地類型數(shù)據(jù)為20世紀(jì)80年代全國草地調(diào)查1∶100萬草地類型圖矢量數(shù)據(jù)。

1.3分析方法

1.3.1生態(tài)要素的選取從影響土壤容重的氣候、地形和植被因素考慮，選取年均氣溫、年均降雨量、≥10℃年積溫、濕潤度、海拔和NDVI這6個生態(tài)要素，來評價草地表層土壤容重的空間分布情況。

1.3.2數(shù)據(jù)分析將土壤容重數(shù)據(jù)按照樣地編號，將能被3整除的取出，共48個樣地數(shù)據(jù)作為檢驗數(shù)據(jù)，剩下的98個樣地數(shù)據(jù)作為分析統(tǒng)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；刪除明顯異常點(diǎn)，最終得到46個檢驗數(shù)據(jù)和96個分析數(shù)據(jù)，共計142個有效數(shù)據(jù)；利用SPSS 20統(tǒng)計分析工具，對新疆伊犁地區(qū)142個樣地調(diào)查的表層土壤容重數(shù)據(jù)進(jìn)行K-S檢驗(P<0.05)；根據(jù)樣地調(diào)查數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度，加載到ArcGIS中，經(jīng)過投影轉(zhuǎn)換，得到與NDVI數(shù)據(jù)和氣候數(shù)據(jù)(年均氣溫、年均降雨量、≥10℃年積溫、濕潤度)坐標(biāo)投影相匹配的采樣點(diǎn)空間數(shù)據(jù)，分別提取采樣點(diǎn)所對應(yīng)的生態(tài)要素的數(shù)據(jù)；利用Excel 2013和OriginLab進(jìn)行土壤容重與各生態(tài)要素間的相關(guān)分析、回歸分析及制圖，建立回歸方程，探討土壤容重與各生態(tài)要素間的相互關(guān)系。

1.3.3土壤容重綜合評價模型確定各要素對土壤容重的權(quán)重，構(gòu)建了多元數(shù)據(jù)的土壤容重綜合評價模型：

(1)

式中，P表示土壤容重，i為生態(tài)要素，Wi表示某種生態(tài)要素對土壤容重的影響權(quán)重，Yi表示某種生態(tài)要素與土壤容重的回歸方程。

1.3.4綜合評價結(jié)果精度評價方法用實測的檢驗數(shù)據(jù)與最終綜合評價結(jié)果的預(yù)測值進(jìn)行對比檢驗。綜合評價結(jié)果精度通過均方根誤差(RMSE)、偏離度(E)和實測值與綜合評價結(jié)果間的線性回歸模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2來檢驗[29]。

(2)

(3)

2結(jié)果與分析

2.1草地植被表層土壤容重統(tǒng)計分析

2.1.1樣方數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差分析根據(jù)新疆伊犁地區(qū)草地樣方調(diào)查數(shù)據(jù)，按照草地類型和利用方式將伊犁地區(qū)草地表層的土壤容重分組歸類后，計算各組數(shù)據(jù)間的標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果如表1所示，各組的標(biāo)準(zhǔn)差都比較小，最大0.24 g/cm3，最小0.08 g/cm3。標(biāo)準(zhǔn)差都比較小，說明數(shù)據(jù)間差異比較小，數(shù)據(jù)比較整齊。

表1　伊犁地區(qū)主要草地類型土壤容重統(tǒng)計分析

2.1.2不同草地類型的土壤容重新疆伊犁地區(qū)草地土壤容重平均值為1.01 g/cm3(表1)；在新疆伊犁主要7種草地類型中，溫性荒漠類草地的土壤容重最大，為1.36 g/cm3，其次是溫性荒漠草原類，為1.29 g/cm3，土壤容重最小的是高寒草甸類，為0.72 g/cm3。不同草地類型的土壤容重由大到小依次為溫性荒漠類>溫性荒漠草原類>溫性草甸草原類>低地草甸類>溫性草原類>溫性山地草甸類>高寒草甸類。

2.1.3不同草地利用方式的土壤容重伊犁地區(qū)草地利用方式主要是放牧場和打草場，由表1可知,放牧場土壤容重平均值約為1.05 g/cm3，打草場土壤容重約為0.94 g/cm3。同種草地類型，利用方式不同，其土壤容重也不同，用于放牧的溫性山地草甸類土壤容重為0.88 g/cm3，而用于打草場的山地草甸類土壤容重為0.80 g/cm3；用于放牧的溫性草原類土壤容重1.09 g/cm3，而用于打草場的溫性草原類土壤容重0.98 g/cm3。放牧場的土壤容重大于打草場，造成這種差異的原因可能與放牧?xí)r的踐踏有關(guān)[30-31]。

2.2草地植被土壤容重與各生態(tài)要素相關(guān)及回歸分析

分別建立土壤容重與各生態(tài)要素間的二項式回歸方程(圖2)，草地土壤容重與海拔、年均氣溫、年均降雨、≥10℃年積溫、濕潤度和NDVI均呈極顯著相關(guān)(P<0.01)，其中，與年均氣溫、≥10℃年積溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系；與海拔、年降水量、濕潤度、NDVI呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤容重與≥10℃年積溫、年均氣溫和海拔的擬合效果較好，復(fù)相關(guān)系數(shù)都達(dá)到0.6以上，其中，土壤容重與≥10℃年積溫的擬合效果最好，R2=0.6508；而土壤容重與年均降雨的擬合效果較差，R2=0.2525，這與使用的降雨基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的質(zhì)量有關(guān)。

圖2　不同要素與土壤容重的回歸分析Fig.2　Regression analysis of the soil bulk density with different factors　a：海拔與土壤容重關(guān)系 Relationship between soil bulk density and altitude；b：年均氣溫與土壤容重關(guān)系 Relationship between soil bulk density and average annual temperature；c：年均降雨與土壤容重的關(guān)系 Relationship between soil bulk density and average annual rainfall；d：濕潤度與土壤容重關(guān)系 Relationship between soil bulk density and humidity index；e：≥10℃年積溫與土壤容重關(guān)系 Relationship between soil bulk density and ≥10℃annual accumulated temperature；f：NDVI與土壤容重關(guān)系 Relationship between soil bulk density and NDVI index.

2.3草地土壤容重綜合評價

2.3.1單要素驅(qū)動下土壤容重的計算根據(jù)各生態(tài)要素與土壤容重的回歸方程，在ArcGIS中重新插值計算出伊犁地區(qū)表層土壤容重的空間分布(圖3)。

從單因子插值計算的草地表層土壤容重的空間分布形態(tài)來看，海拔(圖3a)、年均氣溫(圖3b)、≥10℃年積溫(圖3d)、濕潤度(圖3e)等要素的草地土壤容重插值結(jié)果效果較好，與實地調(diào)查的情況較為吻合，插值結(jié)果的空間形態(tài)相似，土壤容重最大值均出現(xiàn)在中部河谷地帶，最小值出現(xiàn)在南部和東北部的高山地區(qū)；而年降水量(圖3d)和NDVI(圖3f)要素草地土壤容重插值的結(jié)果與其他4個要素的插值結(jié)果在形態(tài)上有較大區(qū)別。降雨作為土壤形成的重要?dú)夂蛞蛩兀洳逯到Y(jié)果(圖3d)并不是很好，最大的土壤容重值出現(xiàn)在伊犁地區(qū)的東部，且插值結(jié)果的最大值較其他幾個要素插值結(jié)果中的最大值偏小，最小值偏大，這與所用的降雨數(shù)據(jù)的質(zhì)量有關(guān)，導(dǎo)致線性擬合時復(fù)相關(guān)系數(shù)較小，進(jìn)而導(dǎo)致插值結(jié)果中最大值和最小值向中間壓縮。NDVI的插值結(jié)果(圖3f)最大值出現(xiàn)在南部和東北部的山區(qū)，最小值出現(xiàn)在中部河谷地帶，這與實際情況是相符的，因為山頂都是裸巖，NDVI較小，河谷地帶是連片的耕地，NDVI值較大，所以插值出來的結(jié)果與其他幾個要素的插值結(jié)果在形態(tài)上有較大區(qū)別，是非草地類型影響的結(jié)果。

圖3　伊犁地區(qū)土壤容重單要素計算結(jié)果Fig.3　The result of soil bulk density by single factor in Yili area　a：海拔計算土壤容重 The result of soil bulk density by altitude；b：年均氣溫計算土壤容重 The result of soil bulk density by average annual temperature；c：年均降雨計算土壤容重 The result of soil bulk density by average annual precipitation；d：≥10℃年積溫計算土壤容重 The result of soil bulk density by ≥10℃annual accumulated temperature；e：濕潤度計算土壤容重 The result of soil bulk density by wettability；f：NDVI計算土壤容重 The result of soil bulk density by NDVI.

2.3.2各要素權(quán)重的確定各項生態(tài)要素對草地土壤容重的影響作用程度是不同的，分別賦予各要素不同的權(quán)重值來表示各要素對土壤容重的作用程度，常用的權(quán)重賦值方法有主成分分析法，層次分析法，專家評價法等。本研究主要根據(jù)各生態(tài)要素插值結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的線性擬合方程的斜率(K)和復(fù)相關(guān)系數(shù)(R2)所占的比重，來評價各要素對土壤容重的作用程度，賦予各生態(tài)要素不同的權(quán)重值。

(4)

(5)

式中，wi表示各要素的權(quán)重，Rei表示比值，Ri2表示復(fù)相關(guān)系數(shù)，Ri2越大，表示插值結(jié)果與實測結(jié)果擬合度越高；Ki表示擬合方程的斜率，Ki越接近1說明插值結(jié)果和實測結(jié)果一致；i=1，2，……，6，表示6個生態(tài)要素。

分別提取參與分析的96個樣地點(diǎn)所對應(yīng)的6個生態(tài)要素的插值結(jié)果，將插值結(jié)果與實測結(jié)果進(jìn)行線性擬合，計算擬合方程斜率K和復(fù)相關(guān)系數(shù)R2，最后按照公式(4)和公式(5)計算出各個要素的權(quán)重，結(jié)果見表2。

2.3.3土壤容重綜合評價在ArcGIS中加權(quán)疊加計算出空間分辨率1 km的新疆伊犁地區(qū)土壤容重的空間分布圖，再用伊犁地區(qū)草地類型矢量數(shù)據(jù)對其進(jìn)行掩膜裁剪，得到最終的伊犁地區(qū)草地土壤容重綜合評價的結(jié)果(圖4)，這樣可以排除非草地用地類型(包括伊犁河兩側(cè)的大片耕地、天山和博羅科努山山脊的裸巖以及居民點(diǎn)等非草地類型)對插值結(jié)果分析的影響。

表2 各項要素權(quán)重Table2 Eachfactorweightparameters要素Factor斜率Slop(K)復(fù)相關(guān)系數(shù)Multiplecorrelationcoefficient(R2)權(quán)重Weight(w)海拔Altitude0.58790.58840.2395年均氣溫Averageannualtemperature0.62600.60500.2990年均降雨Averageannualrainfall0.16610.14430.0143≥10℃年積溫≥10℃annualaccumula-tedtemperature0.63110.61090.3103濕潤度Wettability0.30230.30810.04388月份NDVI指數(shù)NDVIindexinAugust0.42620.44360.0931

2.3.4 綜合評價結(jié)果檢驗 提取46組檢驗數(shù)據(jù)所對應(yīng)的綜合插值的草地植被土壤容重數(shù)據(jù)與實地采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析(圖5)。結(jié)果表明,估計值與實測值之間的相關(guān)系數(shù)R2=0.6025;相關(guān)方程斜率為1.1319,截距-0.145;與1∶1對角線對比,檢驗數(shù)據(jù)均勻分布在兩側(cè),說明插值預(yù)測的結(jié)果與實測數(shù)據(jù)相當(dāng),本文所用的土壤容重評價模型的預(yù)測結(jié)果比較準(zhǔn)確;方差分析結(jié)果,P<0.01,表明回歸顯著;估計值與實測值之間的均方根誤差(RMSE)為0.1479,總體偏離約為14.39%,平均預(yù)測精度達(dá)85.61%。

2.4 草地土壤容重空間格局分析

2.4.1 伊犁地區(qū)草地土壤容重的空間格局分析 由插值結(jié)果可知(圖4),新疆伊犁草地土壤容重的最大值,主要集中在伊犁河兩側(cè)河灘以外的荒漠區(qū),最小值出現(xiàn)在天山北側(cè)和博羅科努山南側(cè)的高海拔、人類活動相對較弱的區(qū)域;整體上草地土壤容重沿著境內(nèi)伊犁河、特克斯河和喀什河由低海拔平原地區(qū)向兩側(cè)高海拔從大到小演變。

圖4　伊犁草地土壤容重空間分布格局Fig.4　The spatial distribution of the soil bulkdensity of grassland in Yili area

圖5　插值數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系Fig.5　Relationship between the estimatedvalue and the measured value

從分區(qū)統(tǒng)計的結(jié)果看(表3)，伊寧市的草地土壤容重的均值最大，為1.2384 g/cm3，最小的是昭蘇縣，為0.8773 g/cm3；整個研究區(qū)內(nèi)草地土壤容重的均值為0.9600 g/cm3，區(qū)域內(nèi)有5個區(qū)縣的草地土壤容重均值大于全區(qū)的土壤容重均值，占整個研究區(qū)區(qū)縣個數(shù)的55.56%。各區(qū)縣草地土壤容重均值大小排序為：伊寧市>察布查爾錫伯自治縣>霍城縣>鞏留縣>伊寧縣>新源縣>特克斯縣>尼勒克縣>昭蘇縣，這與各區(qū)縣草地類型所占比重有關(guān)。

2.4.2伊犁地區(qū)不同草地類型的土壤容重空間格局分析草地類型是在一定時空范圍內(nèi)，反映草地發(fā)生和演替規(guī)律，具有一定自然特征和經(jīng)濟(jì)特征的草地單元，是對不同生境的飼用植被群體，以及這些群體的不同組合的高度抽象和概括[32]。80年代1∶100萬的草地類型矢量數(shù)據(jù)采用的是植被—生境學(xué)分類法，將草地按照類(亞類)、組、型3級分類，與樣地采樣時記錄的草地類型分類方法一致。本文依據(jù)草地類(亞類)提取不同草地的土壤容重值，并進(jìn)行分類統(tǒng)計，分析各草地類型的土壤容重特征。

伊犁地區(qū)的草地類型主要有低地草甸類、溫性荒漠類、溫性荒漠草原類、溫性草原、溫性草甸草原類、溫性山地草甸類和高寒草甸類7個類。結(jié)合統(tǒng)計數(shù)據(jù)(表1)，可知高寒草甸類主要分布在伊犁地區(qū)沿著天山山脈海拔2500~3500 m的地帶分布； 溫性山地草甸類分布較為廣泛， 除伊犁河谷平原區(qū)域以外的其他大部分區(qū)域，在海拔1400~3000m都有分布;溫性荒漠類分布在伊犁河兩側(cè)平均海拔1000m以下地區(qū)。草地類型從境內(nèi)伊犁河、特克斯河和喀什河等河谷,向天山和博羅科努山過渡,草地類型呈現(xiàn)從低地草甸→溫性荒漠類→溫性荒漠草原類→溫性草原→溫性草甸草原類→溫性山地草甸類→高寒草甸類依次分布的規(guī)律。

表3 各區(qū)縣草地土壤容重統(tǒng)計Table3 Soilbulkdensityofgrasslandineachcounty區(qū)縣County平均土壤容重Averagesoilbulkdensity(g/cm3)伊寧市YiningCity1.2384察布查爾錫伯自治縣QapqalXibeAutonomousCounty1.2037霍城縣HuochengCounty1.1102鞏留縣TokkuztaraCounty1.0565伊寧縣YiningCounty1.0491新源縣XinyuanCounty0.9299特克斯縣TekesCounty0.8931尼勒克縣NilekeCounty0.8792昭蘇縣ZhaosuCounty0.8773均值A(chǔ)verage0.9600

由表4可知,溫性荒漠類的土壤容重最大,為1.3340g/cm3,其次是低地草甸類和溫性荒漠草原類,其土壤容重分別為1.3325g/cm3和1.1284g/cm3,土壤容重最小的是高寒草甸類草地,為0.7310g/cm3,各類草地類型的土壤容重大小比較為溫性荒漠類>低地草甸類>溫性荒漠草原類>溫性草原類>溫性草甸草原類>溫性山地草甸類>高寒草甸類,草地土壤容重插值結(jié)果與樣地實測統(tǒng)計結(jié)果相吻合。在亞類級別下，沙漠亞類的土壤容重最大，為1.5029 g/cm3，最小的是高寒草地亞類，為0.7310 g/cm3，各亞類草地土壤容重由沙漠亞類→低地鹽化草甸亞類→土質(zhì)荒漠亞類→鹽漠亞類→低濕地草甸亞類→山地荒漠草原亞類→山地草原亞類→山地草甸草原亞類→中低山地草甸亞類→亞高山草甸亞類→高寒草甸亞類逐漸減小，且同一草地類型下不同亞類間的土壤容重差距明顯，如溫性荒漠類草地下的沙漠亞類土壤容重(1.5029 g/cm3)遠(yuǎn)大于鹽漠亞類(1.2691 g/cm3)。

表4　不同草地類(亞類)土壤容重統(tǒng)計

3討論

3.1草地土壤容重的空間格局分布符合土壤類型及草地類型的分布規(guī)律

草地植被與土壤之間關(guān)系十分密切，草原上3個典型的土壤類型的形成、分布與生物氣候帶是相適應(yīng)的，黑鈣土是溫帶半濕潤草甸化草原下形成的，干旱的典型草原以栗鈣土為主，荒漠草原以棕鈣土為主[3]。土壤容重作為土壤重要的物化指標(biāo)，不同植被覆蓋類型下，土壤容重存在顯著差異性[33]。本研究中，草地土壤容重的空間格局分布符合土壤類型的分布規(guī)律，同時也符合草地類型的分布規(guī)律，土壤容重最大的伊犁河谷地區(qū)，分布著溫性荒漠類草地，土壤容重最小的區(qū)域在南部和東北的高山區(qū)，分布著高寒草甸類草地，土壤容重空間分布符合草地類型分布規(guī)律。這與文都日樂等[34]以及王長庭等[35]的研究一致，這是因為不同土壤容重所對應(yīng)的土壤持水能力[36]、土壤硬度和土壤透氣性不同，進(jìn)而導(dǎo)致植被群落分布的不同。

3.2草地土壤容重與各地理要素間的關(guān)系

氣候、母質(zhì)、地形和生物因素影響草地土壤的發(fā)育[37-38]，本研究表明，新疆伊犁草地土壤容重與海拔、年均氣溫、年均降雨、≥10℃年積溫、濕潤度及NDVI有著顯著的相關(guān)性(P<0.01)；回歸分析表明，隨著海拔的升高，土壤容重逐漸減小，隨著溫度(或者≥10℃年積溫)的上升，土壤容重逐漸增加，隨著降雨量(或者濕潤度)的增加，土壤容重有減小的趨勢，隨著NDVI指數(shù)的增加，土壤容重也有逐漸減小的趨勢。通過加權(quán)疊加計算，得到新疆伊犁地區(qū)草地植被的土壤容重的空間格局分布。從空間分布上看，土壤容重的最大值出現(xiàn)在伊犁河谷兩側(cè)的溫帶荒漠類草地處，最小值出現(xiàn)在南部天山北坡的高寒草甸類草地處；伊寧縣的土壤容重均值最大，昭蘇縣的最小。插值精度評價表明，插值結(jié)果能準(zhǔn)確的反映土壤容重的空間分布情況。通過探究土壤容重與各生態(tài)要素的線性關(guān)系，以期為以后通過遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)對土壤容重進(jìn)行反演，提供反演參數(shù)方程；但本文只考慮了自然因素對土壤容重的影響，在選取評價要素的時候，沒有考慮人為因素的影響，尤其是放牧踐踏對土壤容重的影響[30-31]，今后有待進(jìn)一步研究。

3.3土壤容重空間插值方法

空間插值的方法比較多，采用最多的是克里格插值法(ordinary kriging)[10]和反距離權(quán)重法(inverse distance weighting，簡稱IDW)[39]，但是在點(diǎn)數(shù)據(jù)較少或者分布不均勻的情況下，空間插值的結(jié)果往往存在局部插值結(jié)果偏大或者偏小的情況[40]。本研究通過分析土壤容重大小與其影響因子間的相關(guān)性，用擬合回歸方程插值計算單因子的土壤容重的空間分布，再將各個單因子插值結(jié)果加權(quán)疊加計算得到綜合評價結(jié)果。與姚榮江等[41]直接用克里格插值法對實測土壤容重做空間插值的結(jié)果相比較，不存在局部偏大偏小的異常值；同時采用單因子回歸分析，而沒有采用多因子回歸，是因為土壤容重與生態(tài)因子間存在的不是簡單的線性關(guān)系，多因子回歸是線性擬合，分析結(jié)果會降低插值的精度。

4結(jié)論

調(diào)查統(tǒng)計分析表明，新疆伊利地區(qū)草地土壤容重平均值約為1.01 g/cm3，溫性荒漠類草地土壤容重最高，高寒草甸類草地土壤容重最小；放牧地的土壤容重高于打草場，這可能與放牧和踐踏有關(guān)。

新疆伊犁地區(qū)草地土壤容重與海拔、年均氣溫、年均降雨、≥10℃年積溫、濕潤度和NDVI有著顯著的相關(guān)性(P<0.01)。其中，與年均氣溫、≥10℃年積溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系；與海拔、年降水量、濕潤度、NDVI呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

新疆伊犁地區(qū)草地土壤容重在空間上的綜合評價結(jié)果，真實地反映了伊犁地區(qū)草地土壤容重的分布規(guī)律，插值精度較高，預(yù)測精度達(dá)到85.61%。空間格局上，伊犁地區(qū)土壤容重在河谷地帶較高，在山區(qū)較低，呈現(xiàn)隨著海拔的遞增而逐漸遞減的趨勢，土壤容重的空間分布格局與草地類型分布基本吻合。綜合評價結(jié)果可以為草地退化過程研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為草地資源環(huán)境評價和有效利用與管理提供科學(xué)依據(jù)。

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*Spatial analysis of soil bulk density in Yili, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China

ZHOU Li-Lei1,2, ZHU Hua-Zhong2, ZHONG Hua-Ping3*, YANG Hua1, SUO Fei-Ya4, SHAO Xiao-Ming5, ZHOU Xing-Jie3

1.ChongqingKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandEnvironmentalRemoteSensinginThreeGorgesReservoirArea,CollegeofGeographicalandTourism,ChongqingNormalUniversity,Chongqing400047,China; 2.StateKeyLaboratoryofResourcesandEnvironmentInformationSystem,InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResourcesResearches,CAS,Beijing100101,China; 3.KeyLaboratoryofLandSurfacePatternandSimulation,InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing100101,China; 4.CollegeofLifeScienceandTechnology,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China; 5.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China

Abstract:Currently, the study of soil bulk density of grassland is mainly focused on traditional statistical analysis based on survey data; studies using spatial pattern analysis of soil bulk density are limited. This paper attempted to apply multi-source data, which include field survey soil bulk density data, remote sensing data and meteorological data from 146 grassland sample plots to study the spatial analysis of soil bulk density in the Yili district, located at the northwest margin of Xinjiang Uygur Autonomous Region. Correlation analysis and regression analysis between the soil bulk density and elevation, annual average temperature, annual average precipitation, annual cumulative temperature above 10℃, wettability, and NDVI were examined. Subsequently regression analysis was undertaken using ArcGIS. There was a significant correlation between soil bulk density and elevation, annual average temperature, annual average precipitation, annual cumulative temperature above 10℃, wettability, and NDVI (P<0.01). The multiple correlation coefficient (R2), root-mean-square error (RMSE), population deviation, and the average prediction accuracy were 0.6025, 0.1479 g/cm3, 14.39%, and 85.61%, respectively. The soil bulk density in the river valley was higher than in the high altitude region. The highest soil bulk density was found in temperate desert type grassland (about 1.3340 g/cm3), and the lowest was found in alpine meadow grassland which is distributed on the northern slopes of the Southern Tianshan mountains (about 0.7310 g/cm3). The results indicated that the spatial distribution of soil bulk density was consistent with the distribution of different soil types and grassland in Yili. The information collected has potential for use in the evaluation of grassland degradation.

Key words:soil bulk density; regression analysis; spatial pattern; grassland; Yili

*通信作者Corresponding author. E-mail：zhonghp@igsnrr.ac.cn

作者簡介：周李磊(1989-)，男，江蘇東海人，在讀碩士。E-mail：zhoull_001@126.com

基金項目：科技部國家科技基礎(chǔ)性工作專項(2012FY111900-2，2011FY110400-3)和國家科技基礎(chǔ)條件平臺-地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(2005DKA32300)資助。

*收稿日期：2015-05-13；改回日期：2015-07-17

DOI：10.11686/cyxb2015249

http://cyxb.lzu.edu.cn

周李磊， 朱華忠， 鐘華平， 楊華， 索菲婭， 邵小明， 周星杰. 新疆伊犁地區(qū)草地土壤容重空間格局分析. 草業(yè)學(xué)報, 2016, 25(1): 64-75.

ZHOU Li-Lei, ZHU Hua-Zhong, ZHONG Hua-Ping, YANG Hua, SUO Fei-Ya, SHAO Xiao-Ming, ZHOU Xing-Jie. Spatial analysis of soil bulk density in Yili, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(1): 64-75.