煤礦微生物復(fù)墾區(qū)灌木林下土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性

畢銀麗，胡晶晶，劉 京

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710054; 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院,北京 100083)

中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國與消費(fèi)國，煤炭資源開發(fā)引發(fā)了一系列的生態(tài)環(huán)境問題，如造成沉陷區(qū)地表塌陷、土壤結(jié)構(gòu)受損、土壤肥力降低，植被和生態(tài)退化，土壤和生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展受到制約[1-3]，而傳統(tǒng)工程復(fù)墾投資大、周期長、生態(tài)效果不穩(wěn)定，微生物復(fù)墾技術(shù)以其在土壤改良方面獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，成為了當(dāng)前國內(nèi)外礦區(qū)土地復(fù)墾的新熱點(diǎn)[4]。叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhiza fungi，簡稱AMF)是土壤中普遍存在的一類微生物，能與80%以上的陸生植物形成互惠共生關(guān)系，在促進(jìn)植物養(yǎng)分吸收、修復(fù)根系功能、改良土壤結(jié)構(gòu)、修復(fù)生態(tài)等方面具有重要作用[5]。畢銀麗和申慧慧[[6]采用叢枝菌根等微生物復(fù)墾技術(shù)能夠促進(jìn)采煤沉陷地植被恢復(fù)、改良土壤、加快生態(tài)復(fù)墾速度，微生物復(fù)墾多年后，生態(tài)系統(tǒng)種群實(shí)現(xiàn)了自我演替變化。微生物復(fù)墾區(qū)域的土壤理化性狀經(jīng)多年微生物累積作用而發(fā)生質(zhì)變，土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性變化更值得在空間尺度上實(shí)現(xiàn)由點(diǎn)到面的關(guān)注。

土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性是土壤的重要屬性之一。土壤是一個(gè)自然連續(xù)體，土壤在自然和人為因素的共同影響下，形成了不均一和動(dòng)態(tài)變化的時(shí)空連續(xù)體，導(dǎo)致其在不同范圍內(nèi)都存在空間變異性[7-8]。碳、氮和磷營養(yǎng)是表征土壤肥力的重要元素，掌握其空間特征是實(shí)現(xiàn)土壤與生態(tài)可持續(xù)利用與管理的前提[9-13]。從20世紀(jì)90年代開始，地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS相結(jié)合的方法成為研究土壤性質(zhì)時(shí)空變異并揭示變異本質(zhì)和機(jī)制的重要方法和手段，地統(tǒng)計(jì)學(xué)是研究空間變異最有力的手段，是在經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的空間分析方法[14]。目前，空間插值法被廣泛用于土壤養(yǎng)分元素的空間分布和地圖制圖[15-16]，該方法能有效地實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)由點(diǎn)向面的尺度擴(kuò)展。協(xié)同克里金是地統(tǒng)計(jì)學(xué)中較為重要的插值方法之一，其可以用空間中的一個(gè)或多個(gè)輔助變量對(duì)所感興趣的主要變量進(jìn)行插值估算，從而獲取研究范圍內(nèi)未知點(diǎn)的主變量屬性值[17]。實(shí)際上，很多變量之間存在一定的相關(guān)性，普通克里金插值法(Ordinary Kriging)很難達(dá)到預(yù)期的精度，而協(xié)同克里金插值(Cokriging)為利用可靠的輔助變量對(duì)目標(biāo)變量進(jìn)行最佳線性無偏估值，不僅考慮了變量的空間連續(xù)性，還考慮了變量之間的相關(guān)關(guān)系,可有效地提高精度估值[18-20]。高文武等[21]發(fā)現(xiàn)基于與土壤錳元素含量相關(guān)的多輔助變量的協(xié)同克里金插值法可以提高錳元素含量的精度。楊奇勇等[22]發(fā)現(xiàn)以土壤含水率為輔助數(shù)據(jù)的協(xié)同克里金插值法能有效提高土壤干容重的預(yù)測(cè)精度。協(xié)同克里金插值適用于耕作層土壤全氮空間估值研究，不僅能提供局部變異信息也可優(yōu)化采樣數(shù)量[15]。方學(xué)燕等[23]對(duì)莖柔魚的空間分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)協(xié)同克里金插值對(duì)未知區(qū)域的預(yù)測(cè)具有一定的可靠性。

采用協(xié)同克里金插值方法來研究微生物復(fù)墾多年后人工灌木林下土壤碳、氮和磷含量的養(yǎng)分空間異質(zhì)性，對(duì)于揭示微生物復(fù)墾技術(shù)的長效土壤改良作用提供了一種新的統(tǒng)計(jì)方法。因此，筆者利用野外采集土壤樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)合地統(tǒng)計(jì)學(xué)、GIS空間分析以及傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法，揭示出采煤沉陷地微生物復(fù)墾多年后，其灌木林下表層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效磷含量空間分布規(guī)律，并分析該養(yǎng)分含量與叢枝菌根真菌關(guān)鍵因子間的相關(guān)性，對(duì)于揭示采煤沉陷地微生物復(fù)墾區(qū)以叢枝菌根真菌為輔變量的土壤碳、氮和磷含量預(yù)測(cè)研究與空間分布具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義，闡明微生物復(fù)墾持續(xù)土壤改良與生態(tài)效應(yīng)，可為采煤沉陷地土地復(fù)墾和生態(tài)修復(fù)提供理論與技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于陜西省神木縣大柳塔鎮(zhèn)東山煤礦開采沉陷區(qū)國家水土保持示范園區(qū)內(nèi)微生物復(fù)墾基地(109.22°E～111.12°E，38.83°N～39.78°N)，該區(qū)域處于黃土高原溝壑區(qū)向毛烏素沙漠的過渡地帶，典型的干旱半干旱高原大陸性氣候，盛行偏西和西北大風(fēng)，全年干旱少雨多風(fēng)沙，年均大風(fēng)日14 d，年均降水量441 mm，主要集中在7至9月，年均蒸發(fā)量1 337 mm，年均氣溫8.9 ℃，年均日照2 875.9 h。當(dāng)?shù)叵蠕h植被主要以1年生的狗尾草(Setariaviridis)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)等為主。該基地微生物復(fù)墾前土壤類型為風(fēng)積沙土，土質(zhì)疏松，蓄水保肥、抗蝕力差。土壤基本理化性質(zhì):pH值8.35，電導(dǎo)率164.36 μS/cm，有效磷0.008 g/kg，速效鉀0.066 g/kg，堿解氮0.032 g/kg，全氮0.41 g/kg，最大持水量15.12%，按照全國土壤養(yǎng)分含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，養(yǎng)分屬于極貧瘠的沙土。

1.2 樣地設(shè)置

設(shè)置13塊分別為200 m×200 m試驗(yàn)地(圖1)。分別是:純對(duì)照區(qū)，未人工干擾的區(qū)域，該區(qū)以油蒿草本為主，是無人工灌木的生態(tài)自修復(fù)區(qū);人工修復(fù)區(qū)，分別是接種叢枝菌根真菌和未接種叢枝菌根真菌的沙棘、文冠果和紫穗槐灌木林區(qū)，3種灌木林又分別為復(fù)墾5 a(2012年復(fù)墾)和3 a(2014年復(fù)墾)兩個(gè)復(fù)墾時(shí)段，各樣地基本情況見表1。2012年微生物復(fù)墾基地建設(shè)時(shí)，人工種植小灌木并接菌，供試叢枝菌根真菌的菌種為摩西管柄囊霉(Funneliformismosseae，F(xiàn)m)，由中國礦業(yè)大學(xué)(北京)微生物復(fù)墾實(shí)驗(yàn)室通過盆栽沙土擴(kuò)繁培養(yǎng)而得的菌根菌劑，該菌劑每10 mL基質(zhì)含孢子為300個(gè)。

1.3 土樣采集與分析

樣區(qū)采樣時(shí)間為2017年7月，每個(gè)樣地隨機(jī)選取15個(gè)10 m×10 m的樣方點(diǎn)并做標(biāo)記，按照“S”布點(diǎn)采樣法和多點(diǎn)混合取樣法，挖開植物根系周圍0～20 cm土層，輕輕抖落收集根際土壤，同時(shí)快速剪下部分細(xì)根，用于測(cè)定根系侵染率;收集的土樣均勻混合后裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)風(fēng)干，仔細(xì)除去其中可見的植物殘?bào)w及土壤動(dòng)物，過2 mm土壤篩后風(fēng)干備用測(cè)試土壤理化性質(zhì)。采后回填表土，防止水分蒸發(fā)對(duì)植物造成損傷。利用手持GPS讀取采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度、海拔，觀察記錄樣方周圍的生態(tài)環(huán)境特征。

土壤養(yǎng)分含量的測(cè)定:全氮采用凱氏定氮法，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法，速效磷采用鉬銻抗比色法。菌根侵染率測(cè)定用Phillips和Hayman的KOH脫色-曲利苯藍(lán)染色法，玻片鏡檢測(cè)定侵染根段數(shù)，其計(jì)算公式為:菌根侵染率=菌根段數(shù)/被檢根段數(shù)×100%。土壤根外菌絲密度采用真空泵微孔濾膜抽濾-網(wǎng)格交叉法測(cè)定[23]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS17.0對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行一般性統(tǒng)計(jì)描述、K-S檢驗(yàn)和Pearson相關(guān)性分析，對(duì)并不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)變換，利用地理統(tǒng)計(jì)軟件GS+7.0對(duì)處理后數(shù)據(jù)進(jìn)行半變異分析，根據(jù)殘差越小越好，決定系數(shù)越大越好的原則，確定最優(yōu)擬合模型。根據(jù)確定的最優(yōu)擬合模型，利用ArcGIS 10.3.1做協(xié)同克里金插值土壤養(yǎng)分的空間分布圖。從采樣數(shù)據(jù)中取出一點(diǎn)，用其他點(diǎn)預(yù)測(cè)該點(diǎn)，將預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，再將該點(diǎn)放回原始采樣數(shù)據(jù)，然后再取出一個(gè)未被取出過的點(diǎn)，用剩余點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，如此往復(fù)，直到所有點(diǎn)都被取過為止[24]。對(duì)研究區(qū)域林下土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷以及其他輔助變量進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，并比較不同的半變異函數(shù)模擬模型和預(yù)測(cè)方法。偏度表征土壤養(yǎng)分含量數(shù)據(jù)分布偏斜方向和程度的度量，峰度表征土壤養(yǎng)分含量數(shù)據(jù)分布形態(tài)的陡緩程度，變異系數(shù)表征土壤養(yǎng)分特性的空間變異程度。分析土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效磷含量的極小值、極大值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差、偏度、峰度和變異系數(shù)。變異系數(shù)可定義為

(1)

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分經(jīng)典統(tǒng)計(jì)描述

表2為土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷描述性統(tǒng)計(jì)特征及數(shù)據(jù)正態(tài)分布檢驗(yàn)，經(jīng)K-S檢驗(yàn)，全氮和有機(jī)質(zhì)服從正態(tài)分布，速效磷需經(jīng)對(duì)數(shù)變換服從正態(tài)分布。土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷含量的均值為0.50 g/kg,11.93 g/kg,2.24 mg/kg，均屬于中等偏低水平，而且3者范圍變化幅度較大。變異系數(shù)反映數(shù)據(jù)間的離散程度，也反映了樣本的空間變異性大小，土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷的變異系數(shù)分別為52.18%,29.96%,54.33%，呈現(xiàn)出中等強(qiáng)度變異。偏度和峰度是用來描述數(shù)據(jù)分布特征，分別用以衡量數(shù)據(jù)分配的集中程度和不對(duì)稱程度，通過對(duì)偏度和峰度的觀測(cè)，可知全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷均呈現(xiàn)右偏態(tài)，同時(shí)呈現(xiàn)一定的峰態(tài)。經(jīng)對(duì)土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷分布檢驗(yàn)，土壤全氮和有機(jī)質(zhì)均呈現(xiàn)正態(tài)分布，而速效磷服從經(jīng)對(duì)數(shù)變換的正態(tài)分布。這可能與灌木林植被類型、是否接種叢枝菌根真菌等因素密切相關(guān)。全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷的含量變化范圍與楊之江等[8]研究稻田土壤養(yǎng)分空間變異的結(jié)果相接近，表明土壤養(yǎng)分空間分布受人為干擾和結(jié)構(gòu)性因素共同作用的影響。

表2 土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計(jì)特征以及正態(tài)檢驗(yàn)Table 2 Descriptive statistical characteristics of soil nutrients and normal test

2.2 土壤養(yǎng)分空間自相關(guān)分析

利用GS+7.0做土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷空間相關(guān)圖(圖2)。Moran’sI的數(shù)值大小反應(yīng)了空間自相關(guān)性大小[25]。Moran’sI>0時(shí)，表示空間正相關(guān)，其值越大空間相關(guān)性越明顯;Moran’sI<0時(shí)，表示空間負(fù)相關(guān)，其值越小空間差異越大;Moran’sI=0時(shí)，空間呈隨機(jī)性。

全氮的Moran’sI系數(shù)在-0.219～0.438，I系數(shù)達(dá)到0.438，表明全氮對(duì)空間依賴程度較大;有機(jī)質(zhì)的Moran’sI系數(shù)在-0.226～0.271，具有一定空間相關(guān)性，其空間自相關(guān)性小于全氮。速效磷的Moran’sI系數(shù)在-0.157～0.313，I系數(shù)在滯后距較小時(shí)變化較大，隨著滯后距的增加，逐漸具有規(guī)律性。全氮和有機(jī)質(zhì)的Moran’sI系數(shù)均隨滯后距的增大而減小，全氮在211.29 m左右出現(xiàn)拐點(diǎn)，Moran’sI下降為負(fù)相關(guān)并趨于平緩;有機(jī)質(zhì)空間自相關(guān)整體上隨著間隔距離的增加先呈正相關(guān)后轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)相關(guān)，具有一定的空間自相關(guān)性;速效磷的Moran’sI系數(shù)在150.00 m開始出現(xiàn)先增加后減少，可進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)插值分析。綜上所述，土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷含量存在空間自相關(guān)性，可以進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)插值，其空間相關(guān)性隨著間隔距離的增大呈現(xiàn)波動(dòng)性的變化，其變異可能是由采煤塌陷和叢枝菌根真菌共同作用所引起。

圖2 研究區(qū)土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷空間相關(guān)Fig.2 Spatial correlation map of soil total nitrogen and organic matter and available phosphorus

2.3 土壤養(yǎng)分空間變異特征

為了研究微生物復(fù)墾3 a多后土壤養(yǎng)分的變化，對(duì)土壤全氮、有機(jī)質(zhì)、速效磷與叢枝菌根真菌的特性(菌根侵染率和菌絲密度)指標(biāo)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析(表3)。結(jié)果表明，全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷與菌根侵染率、根外菌絲密度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，說明叢枝菌根真菌菌絲量越大，土壤中的全氮和有機(jī)質(zhì)含量越多，磷的有效含量高。因此，叢枝菌根真菌特性菌絲密度可作為協(xié)同變量進(jìn)行土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷空間異質(zhì)性分析。選擇叢枝菌根真菌典型特征菌絲密度為協(xié)變量進(jìn)行土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷的空間變異分析(圖3～5)，各變異函數(shù)模型參數(shù)見表4。單一因素的土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷的最優(yōu)模型分別為球狀模型、指數(shù)模型和指數(shù)模型，以土壤根外菌絲密度為協(xié)變量的土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷的最優(yōu)模型分別為高斯模型、球狀模型和高斯模型。

表3 土壤養(yǎng)分與叢枝菌根真菌相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis among the nutrient of soil and AM fungi

單一因素的土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷的塊金值為0.030 6,9.01,0.118 9，均大于0，表明全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷均是由采樣誤差、隨機(jī)和結(jié)構(gòu)變異引起的空間異質(zhì)性;單一因素的全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷的變程范圍為211～1 088 m，表明土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷在較大范圍內(nèi)呈現(xiàn)空間自相關(guān)，而且有機(jī)質(zhì)的空間連續(xù)性較好，全氮和速效磷對(duì)空間依賴程度較高。塊金效應(yīng)揭示了土壤屬性的空間依賴程度，單一因素的全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷的塊金系數(shù)分別為0.433,0.287,0.502，在0.25～0.75，均為中等強(qiáng)度的空間相關(guān)性，養(yǎng)分空間變異受結(jié)構(gòu)因素和隨機(jī)因素共同作用，與蘇松錦等[26]研究自然林下土壤養(yǎng)分空間變異規(guī)律相一致。

圖3 土壤全氮的變異函數(shù)及協(xié)同變異函數(shù)Fig.3 Variation function and synergistic variogram of total nitrogen in soil

圖4 土壤有機(jī)質(zhì)的變異函數(shù)及協(xié)同變異函數(shù)Fig.4 Variation function and synergistic variogram of organic matter in soil

圖5 土壤速效磷的變異函數(shù)及協(xié)同變異函數(shù)Fig.5 Variation function and synergistic variogram of available phosphorous in soil

表4 土壤養(yǎng)分變異和協(xié)同變異函數(shù)模型類型及參數(shù)Table 4 Types and parameters of soil nutrient variation and synergistic variogram models

以土壤根外菌絲密度為協(xié)變量的全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷的塊金系數(shù)分別達(dá)到0.038,0.002,0.097，均為強(qiáng)空間相關(guān)性，表明輔助變量的土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷的空間變異性受結(jié)構(gòu)性因素作用為主，空間變異受隨機(jī)因素的影響低于單一因素的全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷。以土壤根外菌絲密度為協(xié)變量的土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷的R2分別為0.709,0.757,0.467，高于土壤單一因素全氮和有機(jī)質(zhì)的決定系數(shù)，可看出以菌絲密度作為輔助變量的模型比單一變量的模型擬合精度要高?？赡苁墙臃N叢枝菌根真菌能顯著提高采煤沉陷地土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷含量[27]，使復(fù)墾區(qū)土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷空間分布影響程度變大所致。

2.4 土壤養(yǎng)分空間分布格局

利用土壤根外菌絲密度為輔助變量的最優(yōu)半變異函數(shù)模型在Arcgis 10.3.1中對(duì)土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷進(jìn)行協(xié)同克里金插值，得到了土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷的空間分布圖(圖6)。土壤全氮呈塊狀分布，總體分布趨勢(shì)為南北低，這是因?yàn)槟虾捅眱蓚€(gè)方向是未接種叢枝菌根真菌的對(duì)照區(qū)，中間部分為接菌區(qū)，接菌微生物修復(fù)3 a后土壤養(yǎng)分含量有提高趨勢(shì)。土壤全氮的含量表現(xiàn)為:復(fù)墾5 a的接菌區(qū)>復(fù)墾5 a的未接菌區(qū)≥復(fù)墾3 a的接菌區(qū)>自修復(fù)區(qū)>復(fù)墾3 a的未接菌區(qū)，隨著復(fù)墾的年限增加，土壤全氮含量在增加。土壤有機(jī)質(zhì)總體上接菌區(qū)明顯優(yōu)于對(duì)應(yīng)年限的對(duì)照區(qū)，呈不規(guī)則斑塊狀，接菌區(qū)的西部和東南部含量較高，接種叢枝菌根真菌3 a后土壤有機(jī)質(zhì)含量提高，順序?yàn)?復(fù)墾5 a的接菌區(qū)>復(fù)墾3 a的接菌區(qū)≥復(fù)墾5 a的未接菌區(qū)>復(fù)墾3 a的未接菌區(qū) >自修復(fù)區(qū)，復(fù)墾時(shí)間增加，土壤有機(jī)質(zhì)的含量也隨著增加。土壤速效磷分布呈現(xiàn)斑塊狀，破碎化程度高，含量高的斑塊在接菌區(qū)分布多，復(fù)墾5 a(2012年復(fù)墾)紫穗槐接菌樣地速效磷最高，復(fù)墾5 a區(qū)域高于復(fù)墾3 a。土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷空間分布特征與復(fù)墾年限、植物種類、本底土質(zhì)及沉陷區(qū)塌陷微地形等因素有關(guān)。接菌促進(jìn)了植物生長，人工修復(fù)后土壤養(yǎng)分的積累比自修復(fù)區(qū)高，與生物多樣性高，加速枯落物的分解與有機(jī)質(zhì)累積。

2.5 交叉驗(yàn)證

選擇均方根和平均標(biāo)準(zhǔn)誤差作為檢驗(yàn)方程精度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷的檢驗(yàn)方程及評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果見表5，根據(jù)均方根和平均標(biāo)準(zhǔn)誤差越小，精度越好的原則，以土壤根外菌絲密度作為輔助變量的協(xié)同克里金插值比單一變量的全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷克里金插值精度稍高?？芍跃z密度為輔助變量的土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷協(xié)同克里金插值的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值較為接近，精度較好，其中以菌絲密度為輔助變量的全氮的均方根最小，為0.217;平均標(biāo)準(zhǔn)誤差最小，為0.254，表明預(yù)測(cè)精度最高?？梢娎猛寥栏饩z密度作為土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷空間變異分析的協(xié)同變量更合理可行。

表5 土壤養(yǎng)分的檢驗(yàn)方程及評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 5 Test equations and evaluation indexes of soil nutrient

3 討 論

本研究區(qū)位于大柳塔采煤沉陷地微生物復(fù)墾區(qū)內(nèi)，屬于黃土高原溝壑區(qū)向毛烏素沙漠的過渡地帶，主要是以風(fēng)積沙土為主。煤炭開采引發(fā)局部地表塌陷，加劇了土質(zhì)的不均一性和微地形起伏，損傷了生態(tài)環(huán)境。本研究采用協(xié)同克里金插值總體評(píng)價(jià)了微生物復(fù)墾3～5 a后土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性變化格局，能更全面、直觀地反應(yīng)土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷的空間分布。復(fù)墾區(qū)土壤中雖然存在著土著菌根真菌，但是與人工接菌效果相比，植物的菌根侵染率及根際土壤菌絲密度仍然很低。人工接菌的長期生態(tài)效應(yīng)仍然持續(xù)產(chǎn)生影響[23]，叢枝菌根真菌菌絲增加了灌木林植被根系與土壤的接觸面積，提高了豆科植物如紫穗槐根際土壤氮濃度，并吸收利用土壤中的無機(jī)氮和簡單的氨基酸，加速礦化土壤中的有機(jī)氮，增加氮有效性[28]。叢枝菌根真菌是對(duì)土壤磷比較敏感的一類土壤微生物，在活化土壤磷有效性方面具有積極作用[5]，磷的有效性除了根的作用，還與土壤的性狀、植物的種類、植物的生長量有關(guān)[29]。采煤沉陷地接種叢枝菌根真菌3 a后土壤開始表現(xiàn)出一定的養(yǎng)分積累，因植物種類及生長量不同，其土壤養(yǎng)分的空間變異性大，斑塊破碎度大，其累積效應(yīng)還需要一定積累期才能表現(xiàn)出來。碳、氮、磷等營養(yǎng)元素是表征土壤肥力的重要元素，土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷與菌根侵染率和土壤根外菌絲密度呈極顯著正相關(guān)，存在協(xié)同反饋效應(yīng)，叢枝菌根真菌在土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程中起著至關(guān)重要的作用[30]。

空間異質(zhì)性導(dǎo)致空間格局的存在，協(xié)同克里金插值空間分布圖能更全面、直觀地反應(yīng)土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷的空間分布。研究區(qū)土壤全氮和有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)對(duì)角線狀分布，速效磷呈現(xiàn)斑塊狀分布，這是由于土壤中的全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷受叢枝菌根真菌的影響。復(fù)墾區(qū)的土壤的全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷含量均表現(xiàn)為強(qiáng)空間自相關(guān)性，其變異可能是由結(jié)構(gòu)性因素引起為主，比如土壤母質(zhì)、氣候、地形等因素;同時(shí)其變異也可能是由隨機(jī)因素引起，而這一區(qū)域的隨機(jī)因素主要是采煤塌陷導(dǎo)致地表土壤受到嚴(yán)重的擾動(dòng)，土壤有機(jī)質(zhì)原有的空間自相關(guān)性遭到破壞。在采煤沉陷地接種叢枝菌根真菌對(duì)土壤養(yǎng)分全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷含量具有促進(jìn)積累作用，采煤沉陷地微生物復(fù)墾區(qū)灌木林土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷存在不同的空間異質(zhì)性和空間關(guān)聯(lián)性。通過土壤養(yǎng)分空間分布格局可以看出，土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷的含量與復(fù)墾年限、是否接菌、植物種類、本底土質(zhì)及沉陷區(qū)塌陷微地形等因素有關(guān)[31]。接菌區(qū)的土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷的含量的積累比自修復(fù)區(qū)高，可能是接菌促進(jìn)了植物的生長及植被生物量，加速了復(fù)墾區(qū)枯落物的分解與有機(jī)質(zhì)累積所致[32]。

采煤沉陷地微生物復(fù)墾區(qū)灌木林下土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷存在不同的空間異質(zhì)性和空間關(guān)聯(lián)性，這為采煤沉陷地微生物復(fù)墾后續(xù)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供一定的理論依據(jù)，對(duì)維持礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可持續(xù)性提供了一種新的研究方法。本文主要是利用協(xié)同克里金插值法探究土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷在水平方向上的空間異質(zhì)性，若進(jìn)一步探究土壤養(yǎng)分在垂直方向上的異質(zhì)性，并與水平方向上的異質(zhì)性相結(jié)合，能更全面地揭示出采煤沉陷地全氮、有機(jī)質(zhì)和有效磷空間異質(zhì)性影響規(guī)律，其作用機(jī)理仍有待進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié) 論

(1)研究區(qū)域土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷存在空間自相關(guān)性，有機(jī)質(zhì)的空間連續(xù)性較好，全氮對(duì)空間依賴程度較高。有機(jī)質(zhì)空間格局呈現(xiàn)中等強(qiáng)度的空間變異，受隨機(jī)因素和結(jié)構(gòu)性因素的影響。接菌促進(jìn)了土壤養(yǎng)分含量提高，復(fù)墾5 a后土壤養(yǎng)分產(chǎn)生明顯的空間格局變異。

(2)林下土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷以菌絲密度為輔助變量的協(xié)同變異函數(shù)的最佳擬合模型分別為高斯模型、球狀模型和高斯模型，決定系數(shù)分別為0.709,0.757和0.467。以菌絲密度為輔助變量的土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷均呈現(xiàn)強(qiáng)空間自相關(guān)，有機(jī)質(zhì)的變程較長，空間連續(xù)性較好;土壤全氮空間分布呈塊狀分布，對(duì)空間依賴性較強(qiáng);土壤速效磷呈不規(guī)則斑塊狀，破碎化程度高。

(3)協(xié)同克里格插值法能夠有效地獲取土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷的空間分布，以菌絲密度為輔助變量進(jìn)行協(xié)同克里格插值能夠顯著提高土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷的預(yù)測(cè)精度。叢枝菌根真菌在土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程中起著至關(guān)重要的作用，叢枝菌根真菌的菌絲密度與土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷呈極顯著正相關(guān)性。

(4)采煤沉陷區(qū)微生物復(fù)墾基地植物群落的演變與灌木林下土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和速效磷等養(yǎng)分累積的空間異質(zhì)性和空間關(guān)聯(lián)性，仍需進(jìn)行繼續(xù)監(jiān)測(cè)和深入探討。