黔中馬尾松成熟林土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性研究

嚴宏 沈平強 甘藝賢 張龍

摘 要：在貴州平壩8 200 m2的馬尾松成熟林中設(shè)82個10 m×10 m的網(wǎng)格樣地，分別采集網(wǎng)格中心0～5 cm（a層）、5～10 cm（b層）和10～20 cm（c層）3個垂直土樣，測定土壤有機質(zhì)（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）、速效氮（AN）、速效磷（AP）和速效鉀（AK）7項養(yǎng)分指標(biāo)，采用經(jīng)典與地統(tǒng)計學(xué)方法分析土壤空間分布特征，為黔中馬尾松林可持續(xù)經(jīng)營提供理論參考。研究結(jié)果表明：①土壤SOC、TP、AP、TN、AN、TK和AK變異系數(shù)為24.25%～60.48%，均屬于中等變異程度;SOC c變異最大，TP b變異最小;SOC c、TK c和TN c最大值與最小值倍數(shù)為26.13、23.45和11.63倍，CV分別是60.48%、45.74%和50.48%，變異程度相對較大。土壤中除AP、TK兩種養(yǎng)分外，SOC、TN、TP、AN和AK含量隨土層厚度的增加而變小。②除TP a、TN c外，其余土壤養(yǎng)分R2決定系數(shù)均>0.5，說明其模型擬合度較好;AN b、AK b結(jié)構(gòu)方差比<0.75，兩者空間屬于中等相關(guān)，其余結(jié)構(gòu)方差比均>0.75，說明土壤養(yǎng)分在研究尺度上存在強烈的空間自相關(guān)性。③AP空間分布呈帶狀，含量由西向東逐漸降低，SOC、TP、TN、AN、TK和AK空間分布呈斑塊狀和環(huán)狀分布;SOC、TP、AN、TP西北與西南呈相反分布，且西北含量最高，西南最低;TN、TK和AK中坡位含量相對較高，由中心向四周逐漸遞減。

關(guān)鍵詞：土壤養(yǎng)分;空間異質(zhì)性;變異系數(shù);黔中馬尾松成熟林

文章編號：1004-7026（2020）14-0073-04? ? ? ? ?中國圖書分類號：S791.248? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A

土壤養(yǎng)分水平和垂直分布特征會直接或間接影響林地生產(chǎn)力和森林生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性。Zhang等（2004）[1]將GIS技術(shù)和地統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合，對愛爾蘭東南部草原地區(qū)的土壤有機碳空間異質(zhì)性進行了研究。陳春燕（2015）[2]利用GIS分析九寨溝縣域土壤養(yǎng)分空間分布，突出土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性特征。在不同區(qū)域、尺度、背景下，沈凌等（2012）[3]、宋曰欽等（2015）[4]、顏耀（2017）[5]分別對廣西與貴州、黃山市屯溪區(qū)和紅壤侵蝕區(qū)不同區(qū)域作了研究，認為土壤養(yǎng)分在水平和垂直空間分布上存在差異。研究黔中馬尾松成熟林土壤養(yǎng)分空間變異及其規(guī)律，對開展黔中馬尾松林林分結(jié)構(gòu)調(diào)整、林木生長、分布、功能等有重要的意義，能為黔中馬尾松林合理、有效經(jīng)營提供理論參考。

1? 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省安順市平壩區(qū)白云鎮(zhèn)東部（26°19′00″～26°19′32″N，106°15′8″～106°15′49″E），屬于亞熱帶濕潤型季風(fēng)氣候，海拔為963～1 646 m，年降雨量為1 146.3 mm，降雨主要集中在6—9月，年均氣溫為18.3 ℃，1月平均氣溫為6 ℃，最低溫度為-7.4 ℃，7月平均氣溫為23.5 ℃，年日照時長為1 079.5～1 220.1 h，無霜期為293 d。海拔由西北向東逐漸降低，中部較平整，土壤類型為黃壤、黃棕壤。林層明顯，喬木主要有馬尾松（Pinus massoniana Lamb）、杉木（Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook）、黑松（Pinus thunbergii Parl.）、光皮樺（Betula luminifera H.Winkl）等;灌木層包括杜鵑（Rhododendron simsii Planch.）、麻櫟（Quercus acutissima Carruth.）、鼠刺（Itea chinensis Hook. et Arn.）、山茶（Camellia japonica L.）等;草本層包括芒草（Miscanthus）、蕨類（Pteridophyta）、粉枝莓（Rubus biflorus）等。

2? 材料與方法

2.1? 樣地設(shè)置

在貴州平壩8 200 m2的馬尾松成熟林中設(shè)82個10 m×10 m的網(wǎng)格樣地，共劃分82個網(wǎng)格樣地。

2.2? 土壤采樣

分別采集網(wǎng)格中心a、b和c層土樣裝袋混勻帶回實驗室，風(fēng)干、磨碎、過篩備用。具體測定方法有SOC-重鉻酸鉀氧化法、TN-凱氏定氮法、AN-擴散吸收法、TP氫氧化鈉堿溶-鉬銻抗比色法、AP碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法、TK-火焰光度法、AK乙酸銨浸提-火焰光度法[6]。

2.3? 指標(biāo)分析方法

2.3.1? 經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS17.0軟件計算a、b和c層土壤養(yǎng)分的最大值（Max）、最小值（Min）、均值（Mean）、標(biāo)準(zhǔn)差（SD）及變異系數(shù)（CV），CV大小差異表示土壤養(yǎng)分之間變異的強弱，CV<10%，為弱變異性;10%≤CV≤100%為中等變異性;CV>100%為強變異性[7]。對3個土層的SOC、TP、TN、TK、AP、AN和AK等7項土壤養(yǎng)分空間分布進行描述性分析，用相關(guān)分析法分析土壤a、b和c層養(yǎng)分之間的相關(guān)關(guān)系，利用K-S檢驗進行檢驗，各養(yǎng)分指標(biāo)均符合正態(tài)分布。

2.3.2? 地統(tǒng)計學(xué)分析

地統(tǒng)計學(xué)分析主要采用半變異函數(shù)中的指數(shù)和高斯模型，擬合最優(yōu)變異函數(shù)模型及其參數(shù)，定量分析各土壤養(yǎng)分空間變異特征。模型參數(shù)包括塊金值（C0）、拱高（C）、基臺值（C0+C）、變程（A）和結(jié)構(gòu)方差比[1-C0/（C0+C）]，結(jié)構(gòu)方差比的大小反映土壤養(yǎng)分空間自相關(guān)變異，結(jié)構(gòu)方差比<25%時，空間自相關(guān)弱變異;結(jié)構(gòu)方差比為25%～75%時，自相關(guān)中等變異;結(jié)構(gòu)方差比>75%時，自相關(guān)強烈變異。變程（A）的大小表示樣本間自相關(guān)范圍距離大小。其中，經(jīng)典統(tǒng)計和相關(guān)性分析基于SPSS17.0（描述性統(tǒng)計，Pearson相關(guān)性分析）、地統(tǒng)計分析GS+7.0（半變異分析）、ArcGIS 10.2（克里金格插值）等軟件完成。

3? 結(jié)果與分析

3.1? 水平變異分析

由表1得出，a、b、c 3層土壤的SOC、TP、AP、TN、AN、TK和AK水平空間變異系數(shù)為24.25%～60.48%，均屬于中等變異程度;SOC c變異最大，TP b變異最小;SOC c、TK c和TN c最大值與最小值倍數(shù)為26.13、23.45和11.63倍，CV分別是60.48%、45.74%和50.48%，變異程度相對較大。土壤除AP、TK兩種養(yǎng)分外，SOC、TN、TP、AN和AK含量隨土層厚度的增加而減少。研究區(qū)a、b、c 3層土壤養(yǎng)分7項指標(biāo)K-S檢驗結(jié)果表明，均符合正態(tài)分布，符合地統(tǒng)計分析。

3.2? 垂直變異分析

從表2可以看出，AP c、AN b和Ak b高斯模型擬合，其余均用指數(shù)模型模擬，除TP a、TN c外，其余土壤養(yǎng)分R2決定系數(shù)均>0.5，說明其模型擬合度較好;AN b、AK b結(jié)構(gòu)方差比<0.75，兩者空間屬于中等相關(guān)，其余結(jié)構(gòu)方差比均>0.75，說明土壤養(yǎng)分在研究尺度上存在強烈的空間自相關(guān)性。

3.3? 土壤空間分布特征分析

運用Arcgis10.2中地統(tǒng)計擴展模塊（Geostatistical Analyst）下的克里金（Kriging）插值方法，利用5%的采樣點實測值進行交叉檢驗，精度均符合插值要求。通過插值可知，AP空間分布呈帶狀，含量由西向東逐漸降低，SOC、TP、TN、AN、Tk和Ak空間分布呈斑塊狀、環(huán)狀分布，且分布變化趨勢平緩穩(wěn)定;SOC、TP、AN、TP西北與西南呈相反分布，西北含量最高，西南最低;TN、Tk和Ak中坡位含量相對較高，由中心向四周逐漸遞減;土壤養(yǎng)分空間分布格變化過度緩慢平穩(wěn)，過渡距離小，數(shù)值分布均勻。

4? 結(jié)論

（1）土壤SOC、TP、AP、TN、AN、TK和AK水平空間變異系數(shù)在24.25%～60.48%之間，均屬中等變異程度;SOC c變異最大，TP b變異最小;SOC c、TK c和TN c最大值與最小值倍數(shù)為26.13、23.45和11.63倍，CV分別是60.48%、45.74%和50.48%，變異程度相對較大。除AP、TK兩種養(yǎng)分之外，SOC、TN、TP、AN和AK養(yǎng)分含量隨土層厚度的增加而減少。

（2）除TP a、TN c外，其余土壤養(yǎng)分R2決定系數(shù)均>0.5，說明其模型擬合度較好;AN b、AK b結(jié)構(gòu)方差比<0.75，兩者空間屬于中等相關(guān)，其余結(jié)構(gòu)方差比均>0.75，說明土壤養(yǎng)分在研究尺度上存在強烈的空間自相關(guān)性。

（3）AP空間分布呈帶狀，含量由西向東呈逐漸減少，SOC、TP、TN、AN、TK和AK空間分布呈斑塊狀、環(huán)狀分布;SOC、TP、AN、TP西北與西南呈相反分布，西北含量最高，西南最低;TN、TK和AK中坡位含量相對較高，由中心向四周逐漸遞減。

5? 討論

在受活動影響較小的情況下，黔中馬尾松成熟林土壤養(yǎng)分具有空間分布特征。鄭姍姍等（2014）[8]、呂貽忠（2005）等[9]、王琳等（2004）[10]在不同地區(qū)的森林土壤空間研究表明，土壤養(yǎng)分的空間分布規(guī)律具有明顯垂直分布特征，受海拔、坡向、坡度等環(huán)境因子影響。

本次研究與之前的研究相符，探明了黔中馬尾松成熟林土壤養(yǎng)分存在一定空間異質(zhì)性，對森林可持續(xù)經(jīng)營決策的確定具有一定指示作用。此次研究屬于小尺度研究，土壤養(yǎng)分空間分布呈帶狀、呈斑塊狀或環(huán)狀分布，且變化過渡緩慢平穩(wěn)，過渡距離小，數(shù)值分布均勻。

John R等（2007）[11]和Yavitt J B等（2009）[12]從不同的研究尺度出發(fā)，探明了土壤養(yǎng)分的理化性質(zhì)及其土壤空間異質(zhì)性會受影響，在一定程度上，研究尺度是影響土壤異質(zhì)性的重要因素之一。此次研究僅探討小尺度上土壤空間的異質(zhì)性，大尺度、植被、土壤母質(zhì)、地形、地貌等眾多環(huán)境因子對土壤空間異質(zhì)性的影響尚待進一步研究。

參考文獻：

[1]Zhang C S， Mcgrath D. Geostatistical and GIS analyses onsoil organic carbon concentrations in grassland of southeasternIreland from two different periods [J]. Geoderma， 2004（3）：261-275.

[2]陳春燕，杜興端，李曉莉，等.基于GIS的九寨溝縣域土壤養(yǎng)分空間變異特征[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015（21）：5277-5280.

[3]沈凌，丁貴杰，李默然.一二代馬尾松林土壤養(yǎng)分特點及其對幼苗生長的影響[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012（5）：153-156.

[4]宋曰欽，喬春華，劉丹丹，等.黃山市屯溪區(qū)馬尾松林土壤養(yǎng)分的異質(zhì)性[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015（6）：92-94.

[5]顏耀.套種闊葉樹種對紅壤侵蝕區(qū)馬尾松林生態(tài)功能的提升效果[D].福州：福建農(nóng)林大學(xué)，2017.

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[7]邵方麗，余新曉，楊志堅，等.北京山區(qū)典型森林土壤的養(yǎng)分空間變異與環(huán)境因子的關(guān)系[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報，2012（4）：581-591.

[8]鄭姍姍，吳鵬飛，馬祥慶.森林土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性研究進展[J].世界林業(yè)研究，2014（4）：13-17.

[9]呂貽忠，張鳳榮，孫丹峰.百花山山地土壤中有機質(zhì)的垂直分布規(guī)律[J].土壤學(xué)報，2005（3）：277-283.

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