杉木成熟林土壤容重空間變異特征

楊士凱，周運(yùn)超，黃 磊，王 港

(1.貴州大學(xué)貴州省森林資源與環(huán)境研究中心，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學(xué)林學(xué)院，貴州 貴陽 550025；3.貴州省林業(yè)科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550005)

土壤容重指自然狀態(tài)下單位體積土壤的干重[1]，是反映土壤質(zhì)量的重要因素[2]，用于土壤質(zhì)量評價(jià)、土地利用管理[3]，評估土壤養(yǎng)分儲量、有機(jī)碳[4]，調(diào)節(jié)土壤水肥氣熱[5]，影響土壤透水性、持水性、抗侵蝕能力[6]。在野外，由于試驗(yàn)時(shí)間、勞動強(qiáng)度、成本等限制，如何通過測定的輔助變量精確估算土壤容重是很有必要的[7]。成土母質(zhì)、地形、生物、植被和人為活動等因素造成土壤養(yǎng)分空間分布差異[8]，進(jìn)而土壤容重高度變異[9]，不同時(shí)間、不同空間位置導(dǎo)致土壤容重?cái)?shù)值變化[10-11]，加大了土壤容重空間變異研究難度。研究土壤容重空間變異、制作土壤容重預(yù)測模型，能更加簡便、快捷地獲取土壤容重?cái)?shù)值，減少由土壤容重傳統(tǒng)環(huán)刀法取樣所導(dǎo)致的大量人力、物力的消耗[12]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者們對土壤容重空間變異的研究，主要采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，該方法與地理信息系統(tǒng)結(jié)合可成功用于土壤性質(zhì)空間預(yù)測[13]。Kriging插值法可用于空間插值，克服土壤容重?cái)?shù)據(jù)缺乏問題，最大限度降低調(diào)查成本，量化與減少估計(jì)誤差的方差[14]。半方差函數(shù)可用于考慮土壤容重的相對重要性，估計(jì)其結(jié)構(gòu)因素或隨機(jī)因素[15]。學(xué)者們采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)揭示了土壤容重空間變異的影響因素，如坡位[16]、植被[17]、海拔[18]、土地利用[19-22]和氣候[23]，但土地利用、坡度和植被蓋度等土壤容重主要影響因素，只能解釋58.15%左右的土壤容重變異[24]。通過地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，土壤容重具有明顯的空間自相關(guān)性[25]，局部土壤容重會出現(xiàn)偏大或偏小的斑塊[26]，西北干旱區(qū)土壤容重在空間上呈西向東減小的條帶分布[27]，進(jìn)一步表明不同區(qū)域土壤容重空間變異情況。即便如此，仍鮮有關(guān)于如何減少土壤容重采樣數(shù)的研究。

此外，實(shí)際進(jìn)行林地調(diào)查時(shí)，取樣間距為100 m會產(chǎn)生巨大工作量，因此，本研究通過經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)與地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合，以杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.]成熟林內(nèi)土壤容重空間分布為例，試圖通過小尺度(100 m×100 m)土壤容重空間變異特征，進(jìn)一步對不同土層采樣間距“再采樣”分析，確立土壤容重適宜采樣間距與采樣數(shù)，旨在為土壤容重采樣節(jié)省人力、物力，為土壤管理提供科學(xué)依據(jù)，為土壤調(diào)控優(yōu)化提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

石井山國有林場位于貴州省黎平縣，北緯25°41′～26°08′，東經(jīng)108°31′～109°31′，涉及德鳳鎮(zhèn)、中潮鎮(zhèn)。該地屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，雨量充沛，濕度較大，林場內(nèi)基巖主要為變質(zhì)巖，土壤以黃壤或紅黃壤為主，pH值4.5～5.5，自然環(huán)境優(yōu)越，為杉木生長提供了適宜環(huán)境[28]。研究區(qū)杉木為1992年種植，屬成熟林，林下植被包括紅豆杉[Taxuschinensis(Pilger) Rehd.]、菝契(SmilaxchinaL.)、細(xì)齒葉柃(EuryanitidaKorthals)、飛蛾槭(AceroblongumWall. ex DC.)、潤楠(MachiluspingiiCheng ex Yang)、刺楸[Kalopanaxseptemlobus(Thunb.) Koidz.]、構(gòu)樹[Broussonetia papyrifera (Linn.) L′Hér. ex Vent.]、草珊瑚[Sarcandraglabra(Thunb.) Nakai]、穗序鵝掌柴[Scheffleradelavayi(Franch.) Harms ex Diels.]、懸鉤子(RubuscorchorifoliusL.f.)、蛇葡萄[Ampelopsissinica(Mig.) W.T.Wang.]、寒莓(RubusbuergeriMiq.)、鱗毛蕨(Dryopterisfilix-mas)、假福王草[Paraprenanthessororia(Miq.) Shih] 等。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

在研究區(qū)的杉木成熟林中布設(shè)100 m×100 m樣地，并于2019年3月采用網(wǎng)格法(10 m×10 m)布設(shè)樣方共計(jì)100個，用容積200 cm3的環(huán)刀對樣方中心杉木成熟林進(jìn)行林下土壤取樣。為排除氣候因子對試驗(yàn)的影響，依據(jù)采樣進(jìn)度，1 d內(nèi)采集0～20、20～40 cm土層深度的土樣，共計(jì)200份土樣，并利用全球定位系統(tǒng)(global positioning system， GPS)記錄樣點(diǎn)空間位置。用精度0.01 g、量程500 g的便攜式天平在野外及時(shí)對鮮土進(jìn)行稱重，帶回試驗(yàn)室測定土壤容重。

1.3 再采樣設(shè)置

對實(shí)際采樣范圍(100 m×100 m)數(shù)據(jù)進(jìn)行“再采樣”模擬，既能減少實(shí)際取樣所導(dǎo)致人力、物力消耗，也能排除土壤本身空間變異特征對土壤容重的影響。因此，以“01”樣地為基礎(chǔ)樣地進(jìn)行“再采樣”，如圖1所示，新增模式為“Y×X”的11種采樣間距，分別為10 m×20 m、10 m×30 m，20 m×20 m、30 m×30 m，40 m×40 m、50 m×50 m，60 m×60 m、70 m×70 m，80 m×80 m、90 m×90 m，100 m×100 m。

圖1 “再采樣”土壤容重樣點(diǎn)布設(shè)圖Figure 1 "Resampling" layout of soil bulk density sampling points

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析 主要利用SPSS 22.0與Excel 2019軟件完成。其中，變異系數(shù)(coefficient of variation，VC)指標(biāo)準(zhǔn)差與平均值之比，是經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)用于確定變異程度的重要指標(biāo)，若VC<10%，表明數(shù)據(jù)呈弱變異，10%≤VC<100%呈中等變異，VC≥100%表示為強(qiáng)變異[29]。

1.4.2 地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 地統(tǒng)計(jì)學(xué)與地理信息系統(tǒng)(geographic information system, GIS)技術(shù)相結(jié)合方面則利用ArcGIS 10.2軟件地統(tǒng)計(jì)學(xué)模塊，采用趨勢面分析、半方差函數(shù)分析，確立最佳擬合模型，依據(jù)最佳模型采用Kriging插值分析，按掩膜提取建立土壤容重空間分布圖，分析土壤容重空間變異特征。以此為基礎(chǔ)，對土壤容重空間分布進(jìn)行“再采樣”，分析不同采樣間距半方差函數(shù)參數(shù)及其變異程度。

地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析工具主要采用變異函數(shù)[30]，依據(jù)空間變異分析原理，用塊金效應(yīng)表示空間相關(guān)性強(qiáng)弱。塊金效應(yīng)為塊金值與基臺值的比值，若塊金效應(yīng)小于25%，則說明空間強(qiáng)相關(guān)；塊金效應(yīng)為25%～75%，表示空間中等相關(guān)，大于75%表示空間相關(guān)程度較弱，若值無限接近1，則表明土壤性質(zhì)在該研究尺度上屬于恒定變異[31]。此外，通過采用標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差(root mean square standardized error, RMSSE)與標(biāo)準(zhǔn)化平均誤差(mean square error, MSE)篩選模型擬合精度，若RMSSE接近于1，MSE接近于0，則說明模型擬合精度較高[32]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重的基本統(tǒng)計(jì)特征

杉木成熟林經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)的處理結(jié)果顯示，0～20 cm土層的土壤容重均值為1.13 g·cm-3，變幅0.70～1.52 g·cm-3，標(biāo)準(zhǔn)差為0.19；20～40 cm土層土壤容重均值1.15 g·cm-3，變幅0.75～1.56 g·cm-3，標(biāo)準(zhǔn)差為0.19。以上結(jié)果表明，土壤容重隨土層深度增加而增大。0～20、20～40 cm土層土壤容重變異系數(shù)分別為16.47%、17.00%，均在10%～100%間，屬中等變異。

2.2 土壤容重的空間分布特征

在ArcGIS 10.2軟件中采用地統(tǒng)計(jì)分析模塊中的趨勢面分析，對試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行趨勢面分析，圖2為0～20與20～40 cm土層土壤容重趨勢面分布情況。其中，X軸表示方向?yàn)槲飨驏|，Y軸表示方向?yàn)槟舷虮保琙軸為土壤容重。XYZ軸所組成的XY面上的點(diǎn)表示采樣點(diǎn)在空間上的分布情況，XY面上的藍(lán)色豎線表示每個樣點(diǎn)處土壤容重?cái)?shù)值，該數(shù)據(jù)值在YZ面與XZ面進(jìn)行投影。從圖2可以看出，不同土層土壤容重從西至東方向無趨勢變化，由南至北方向則呈逐漸減小的趨勢，土壤容重變化趨勢0～20 cm弧度較20～40 cm大。

采用半方差函數(shù)對線性、球狀、指數(shù)、高斯4種模型進(jìn)行擬合分析，獲取最佳函數(shù)模型及其相關(guān)參數(shù)(表1)。結(jié)果表明，0～20 cm比較符合指數(shù)模型，而20～40 cm則比較符合球狀模型。表1中0～20、20～40 cm土壤容重塊金效應(yīng)分別為29.25%、56.37%，屬空間中等相關(guān)。

(a)0～20 cm土層 Soil layer in 0-20 cm (b)20～40 cm土層Soil layer in 20-40 cm

土層Layer/cm模型Model塊金值Nugget基臺值Sill塊金效應(yīng)Nuggeteffect/%變程Range/m0～20指數(shù)Exponential0.29841.0229.251.7620～40球狀Spherality0.66211.1756.373.90

2.3 土壤容重空間插值估算

利用Kriging插值法進(jìn)行土壤容重空間插值分析，0～20 cm土層選擇指數(shù)模型，20～40 cm土層選擇球面模型，得到不同層次土壤容重空間分布等值線圖(圖3)，但由于Kriging插值法所得區(qū)域與實(shí)際樣地區(qū)域有出入，進(jìn)一步利用等值線圖進(jìn)行掩膜提取獲取空間分布圖(圖4)。圖3、圖4說明，土壤容重在不同土層的空間分布上呈現(xiàn)出斑塊狀分布，高容重主要出現(xiàn)在中部偏西南區(qū)域，0～20 cm土層在偏東南區(qū)域有小部分高容重；低容重主要分布在西北偏中區(qū)域。此外，0～20 cm土層土壤容重相對變化較大，部分區(qū)域出現(xiàn)與周邊較明顯的差異值，而20～40 cm土層土壤容重變化較為穩(wěn)定。

(a)0～20 cm土層 Soil layer in 0-20 cm (b)20～40 cm土層Soil layer in 20-40 cm

(a)0～20 cm土層 Soil layer in 0-20 cm (b)20～40 cm土層Soil layer in 20-40 cm

2.4 土壤容重空間異質(zhì)性的尺度效應(yīng)

在原有采樣范圍(100 m×100 m)內(nèi)進(jìn)行“再采樣”，對不同采樣間距的土壤容重?cái)?shù)值進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)(表2)。從表2可以看出，在一定區(qū)域內(nèi)，隨間距的增大，采樣數(shù)逐漸減少，當(dāng)采樣間距達(dá)到某一程度時(shí)，采樣數(shù)隨采樣間距的增大而保持不變，當(dāng)采樣間距與采樣范圍一致時(shí)，采樣數(shù)達(dá)到最小值。采樣數(shù)≥9時(shí)，0～20 cm土層土壤容重均值主要表現(xiàn)為隨采樣間距的增大而減小(在10 m×30 m處略有減少)，20～40 cm土層均值表現(xiàn)為隨采樣間距的增大而增大；采樣數(shù)均為4時(shí)，土壤容重在0～20 cm處均值同樣隨采樣間距的增大而減小，而20～40 cm處則隨采樣間距增大而出現(xiàn)增大-減小-增大變化，采樣間距100 m×100 m時(shí)采樣數(shù)有且僅有1個，此時(shí)采樣數(shù)過少，無法進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)。

土壤容重變異系數(shù)在采樣數(shù)≥9時(shí)，表現(xiàn)為0～20 cm土層隨采樣間距的增大呈減小-增大交替出現(xiàn)的變化趨勢，在20～40 cm土層隨采樣間距增大呈增大-減小交替出現(xiàn)的變化趨勢；同一采樣間距下，不同土層的土壤容重變異系數(shù)表現(xiàn)為0～20 cm<20～40 cm(除30 m×30 m采樣間距外)；在采樣數(shù)為4時(shí)，不同土層土壤容重變異系數(shù)均表現(xiàn)為隨采樣間距增大呈減小-增大-減小的變化趨勢，采樣間距相同，土壤容重在不同土層間變異系數(shù)變化較為復(fù)雜，時(shí)而0～20 cm>20～40 cm，時(shí)而0～20 cm<20～40 cm。此外，隨采樣間距的增大，不同土層土壤容重變異系數(shù)變化范圍分別為10.46%～21.72%、7.00%～26.35%，土壤容重變異系數(shù)除60 m×60 m間距下20～40 cm土層為7.00%外，其余間距均屬中等變異。

表2 土壤容重不同采樣間距統(tǒng)計(jì)特征Table 2 Statistical characteristics of soil bulk density with different sampling spacing

表3為不同采樣間距下，土壤容重半方差函數(shù)最佳擬合模型及參數(shù)。結(jié)果表明，相對于實(shí)際采樣，各“再采樣”間距下，土壤容重在不同層次間最佳模型表現(xiàn)為3種形式：單一指數(shù)模型；線性與高斯模組合；線性、球狀、高斯、指數(shù)4種模型組合。塊金值在采樣間距40 m×40 m時(shí)為0.001 8，已趨近于0，大于50 m×50 m時(shí)出現(xiàn)塊金值為0的情況。塊金效應(yīng)變化較復(fù)雜，采樣間距20 m×20 m、10 m×10 m均為中等空間相關(guān)；采樣間距10 m×20 m、10 m×30 m為弱空間相關(guān)；采樣間距超過30 m×30 m(包括30 m×30 m)時(shí)，塊金效應(yīng)表現(xiàn)為：塊金效應(yīng)為100%時(shí)，塊金值與基臺值相等時(shí)；塊金效應(yīng)為0時(shí)，塊金值為0，基臺值不為0；當(dāng)0<塊金效應(yīng)<100%時(shí)，塊金值與基臺值均不為0。

表3 土壤容重不同采樣間距半方差函數(shù)模型及參數(shù)Table 3 Semivariance function model and parameters of different sampling spacing of soil bulk density

3 討論

3.1 土壤容重空間變異特征

研究表明，杉木成熟林內(nèi)土壤容重及其變異系數(shù)隨土壤深度增加而增加，結(jié)合于冬雪等[33]對黃土區(qū)不同土層、不同土地利用方式的土壤容重研究結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證土壤容重隨土層深度的增加而增大。0～20、20～40 cm土層最佳模型分別為指數(shù)模型、球狀模型，塊金效應(yīng)值表現(xiàn)為中等空間相關(guān)，與于冬雪等[33]對林地、農(nóng)田、草地等不同土地利用研究一致。一般而言，土壤異質(zhì)性主要由成土母質(zhì)、地形、土壤類型等結(jié)構(gòu)因素與施肥等人為活動導(dǎo)致的隨機(jī)因素共同決定，杉木成熟林內(nèi)土壤容重屬中等空間相關(guān)，說明該林地土壤容重空間變異受結(jié)構(gòu)因素與隨機(jī)因素共同作用。地統(tǒng)計(jì)學(xué)趨勢面分析中，土壤容重空間變異趨勢表現(xiàn)出從南向北逐漸減小，從西向東無變化，與孫國軍等[34]的研究結(jié)果相似；在空間分布上呈斑塊狀鑲嵌分布，與姚榮江等[35]對黃河三角洲地區(qū)土壤容重研究結(jié)果相似，而本試驗(yàn)區(qū)位于云貴高原，與黃土區(qū)氣候、地形、海拔、植被類型等有所差異，所得結(jié)果相似，說明土壤容重在不同區(qū)域間既有整體相似性，又有局部差異性。

3.2 土壤容重采樣尺度效應(yīng)

土壤容重作為土壤屬性較為重要的因子之一，其研究難點(diǎn)在于傳統(tǒng)環(huán)刀法會導(dǎo)致大量人力、物力的消耗，而采樣尺度及樣點(diǎn)空間分布是決定樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的兩個關(guān)鍵因素，且能直接影響下一步采樣設(shè)計(jì)結(jié)果。通過“再采樣”分析表明，采樣數(shù)隨著采樣間距的增大呈“減小-穩(wěn)定-極限”變化趨勢，這是由于在一定區(qū)域內(nèi)，早期隨采樣間距的增大，各個采樣點(diǎn)所控制的區(qū)域面積隨之增大，進(jìn)而導(dǎo)致采樣點(diǎn)數(shù)目減少；采樣間距大于100 m×100 m時(shí)，無論采樣點(diǎn)所控制面積如何變化，試驗(yàn)區(qū)域均能提供且僅能提供該采樣數(shù)目，即本研究采樣間距50 m×50 m至90 m×90 m；當(dāng)采樣點(diǎn)所控制的可采樣面積等同于試驗(yàn)區(qū)時(shí)，有且僅有1個采樣點(diǎn)，該情況對于土壤容重采樣最省時(shí)、省力，但卻無法用于任何統(tǒng)計(jì)計(jì)算與插值估算，因此在空間變異方面研究最少需要4個點(diǎn)。采樣數(shù)≥9時(shí)，0～20 cm土層土壤容重均值表現(xiàn)為隨采樣間距的增大而減小(在10 m×30 m處略有減少)，20～40 cm土層土壤容重均值表現(xiàn)為隨采樣間距的增大而增大；采樣數(shù)均為4時(shí)，土壤容重在0～20 cm土層隨采樣間距的增大而減小，20～40 cm土層土壤容重隨采樣間距的增大而出現(xiàn)增—減—增的復(fù)雜變化，這是由于土壤容重在空間上分布不同，導(dǎo)致土壤容重?cái)?shù)值差異，同時(shí)采樣數(shù)不同，進(jìn)一步造成0～20 cm土層土壤容重隨采樣間距的增大而減小，20～40 cm土層土壤容重隨采樣間距的增大而增大；同一采樣間距下，采樣間距大于50 m×50 m時(shí)采樣數(shù)為4，采樣數(shù)過少，不具備統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

隨采樣間距增大，采樣數(shù)減少，變異系數(shù)均為中等變異系數(shù)，主體上表現(xiàn)為0～20 cm<20～40 cm；采樣數(shù)相同時(shí)，變異系數(shù)屬于中等變異，但變化趨勢較為復(fù)雜，這是由于在一定采樣范圍內(nèi)，采樣間距的增加雖不能使變異系數(shù)發(fā)生較大偏差，卻能獲得土壤容重更為真實(shí)的變異系數(shù)。南方農(nóng)田土壤容重變異系數(shù)隨采樣間距的增大呈先減后增趨勢[36]，而本研究變異系數(shù)與之不同，兩者雖同為南方土壤，結(jié)果卻有所差異，這是由于農(nóng)田土壤與森林土壤結(jié)構(gòu)性因素與隨機(jī)性因素的不同，導(dǎo)致兩者存在差異性，而采樣深度、采樣尺度不同也會造成土壤容重差異性，因此，對于不同采樣尺度下土壤容重空間變異特征的研究是很有必要的。

采樣點(diǎn)數(shù)量與采樣點(diǎn)設(shè)置需要進(jìn)一步研究[37]，一般而言，地統(tǒng)計(jì)插值最少需30個樣地[38]，但這并不是絕對的，而是由土壤本身及樣點(diǎn)空間分布共同作用，采樣尺度僅僅是通過樣點(diǎn)影響布局而改變空間分析結(jié)果，估測精度雖隨采樣尺度減小而增加，卻將提高土壤采樣成本[39]，如何確定最佳采樣尺度與樣點(diǎn)數(shù)之間的關(guān)系，是估測精度所需進(jìn)行的必要研究。此外，每一尺度都有其約束體系和臨界值，本研究通過“再采樣”模擬，以小尺度(地塊)為空間變異研究區(qū)域[40]，借助杉木成熟林不同土層土壤容重研究最佳采樣間距及采樣數(shù)。研究表明，采樣間距的增大，導(dǎo)致土壤容重半方差函數(shù)最佳模型變化復(fù)雜，采樣間距增至一定程度時(shí)，塊金值、偏基臺值會出現(xiàn)0，導(dǎo)致空間插值精度過低，該種情況下的采樣間距與采樣數(shù)并不適合用于空間變異研究。因此，綜合考慮下，小尺度(100 m×100 m)采樣間距在20 m×20 m時(shí)最佳。

本研究選擇尺度為100 m×100 m，主要是由于尺度過大，會導(dǎo)致林業(yè)用地間坡度差異，進(jìn)而導(dǎo)致溫度、水分等不同，影響土壤容重空間變異特征，在100 m范圍內(nèi)，海拔變化較小，導(dǎo)致溫度上下之間差距不大，盡量減少由于環(huán)境因子所導(dǎo)致的綜合性變化，同時(shí)，為避免土壤容重在時(shí)間上的變異，本研究所有樣品均于同一日進(jìn)行采樣，然而，土壤內(nèi)部礫石含量、根系等不同也會影響土壤容重?cái)?shù)值。因此，在今后研究中，可進(jìn)一步結(jié)合土壤內(nèi)部石礫含量、根系等因子綜合分析，估算更為準(zhǔn)確的土壤容重，將有助于土壤容重空間變異更深入的研究。

4 結(jié)論

杉木成熟林內(nèi)土壤容重隨土壤加深而增大，變異系數(shù)呈中等變異。小尺度下(100 m×100 m)，0～20、20～40 cm土壤容重最佳擬合效果分別為指數(shù)模型、球狀模型，塊金效應(yīng)均在25%～75%間，屬中等空間自相關(guān)性，土壤容重空間上呈斑塊鑲嵌狀。隨采樣間距增大，采樣數(shù)呈“減小-穩(wěn)定-極限”的變化趨勢，變異系數(shù)受采樣間距增大的影響較小。采樣間距過大(大于50 m×50 m)，樣點(diǎn)僅為1～4個，不具備統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，該情況導(dǎo)致塊金值為0，塊金效應(yīng)變化也較復(fù)雜，因此，小尺度(100 m×100 m)采樣間距在20 m×20 m時(shí)最佳，此時(shí)僅需采集25份土樣，便能滿足空間估算精度的最低要求，節(jié)省大量人力、物力的消耗。