中國北方溫帶草原區(qū)土壤容重分層數(shù)據(jù)重建與空間格局分析

喬宇鑫，鐘華平，朱華忠，邵小明，李愈哲

（1.西藏農(nóng)牧學(xué)院高原生態(tài)研究所，西藏 林芝850400；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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室，北京100101；4.江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210023；5.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京市生物多樣性與有機(jī)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100193）

土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的組分，是植被賴以生存的重要基礎(chǔ)，其理化性質(zhì)不僅影響植物的生長，也制約著植物的生產(chǎn)力水平［1］。土壤容重是指原狀土柱狀態(tài)下單位體積的土壤質(zhì)量。容重是土壤重要的基本物理性質(zhì)，對(duì)土壤的透氣性、入滲性、持水性、溶質(zhì)遷移以及土壤抗蝕能力等特性有著重要影響［2］。土壤容重不僅可以定量表征土壤的持水性、入滲性、抗侵蝕性、透氣性等生態(tài)功能，也是衡量土壤環(huán)境好壞的重要指標(biāo)之一［3?4］。另外，土壤容重是土壤水庫容估算的必需參數(shù)，也是準(zhǔn)確估算土壤碳氮儲(chǔ)量所必需的重要參數(shù)［5］。所以，建立完整系統(tǒng)的土壤容重?cái)?shù)據(jù)，對(duì)于我國土壤學(xué)基礎(chǔ)研究、生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)以及土壤質(zhì)量監(jiān)測具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前國際標(biāo)準(zhǔn)化組織規(guī)定的土壤容重的采樣方法有3 種：環(huán)刀法、切塊法和土塊法［6］，環(huán)刀法是最常用的方法。然而，所有的土壤容重采樣方法均須建立在深挖土壤剖面的前提下，才能采集土壤的原狀土樣，進(jìn)行土壤容重的測定。此操作耗時(shí)，且在野外大尺度實(shí)際應(yīng)用中存在工作繁重，人力、物力耗費(fèi)較大等問題，土壤容重測定的樣點(diǎn)和數(shù)據(jù)量受到限制［7］，特別是大尺度以及特殊區(qū)域的容重?cái)?shù)據(jù)更是難以獲得（例如流域以及森林）［8?9］。所以，更多的研究是針對(duì)表層土壤的容重，對(duì)深層土壤研究鮮有報(bào)道［1，4，10］。同時(shí)，近年來，基于有限的土壤容重測定數(shù)據(jù)，建立傳遞函數(shù)預(yù)測模型，利用土壤其他屬性來預(yù)測土壤容重，獲得很好的效果，并被眾多學(xué)者廣泛認(rèn)同［11］。如Wang 等［12］基于含沙量、坡度、有機(jī)碳含量、粘土含量及其轉(zhuǎn)換組合指標(biāo)建立了傳遞函數(shù)預(yù)測模型，并對(duì)黃土高原區(qū)域尺度表層土壤容重進(jìn)行了模擬，土壤容重預(yù)測模型作為簡便、快捷的土壤容重獲取方法，越來越多地受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注和應(yīng)用［12?13］。

盡管如此，因?yàn)橥恋乩貌町?，植被差異，土壤類型異質(zhì)性等，導(dǎo)致土壤傳遞函數(shù)存在一定局限性，其準(zhǔn)確度和精度往往受限于特定區(qū)域的研究［14?16］。另一方面，在計(jì)算碳排放時(shí)，1997 年IPCC（intergovernmental panel on climate change）認(rèn)為用每單位土地面積30 cm 深度內(nèi)的土壤碳儲(chǔ)量表示，但這種測算碳儲(chǔ)量的方法可能因?yàn)橥寥廊葜刈兓斐赏寥琅蛎浕蚴湛s而帶來測量的不確定性，同時(shí)粘性土隨土壤含水量和土層深度的變化也會(huì)造成土壤容重的改變從而影響碳儲(chǔ)量的測算［17?19］。而且目前土壤傳遞函數(shù)少有考慮土層深度對(duì)土壤容重模擬的影響，也并未對(duì)分層土壤容重進(jìn)行估算［5?7］。

中國北方溫帶草原地處東亞中部，自西向東有著豐富多樣的土地利用類型和復(fù)雜的氣候條件，這對(duì)土壤傳遞函數(shù)的構(gòu)建增加了難度，并且鮮有這樣大尺度范圍的分層土壤容重報(bào)道。針對(duì)以上問題，本研究主要目的有：1）針對(duì)氣候條件及區(qū)域情況，提出一種綜合氣候因子的多因素土壤容重計(jì)算方法，并分析中國北方溫帶草原區(qū)土壤容重的空間分布狀況。2）利用現(xiàn)有的分層數(shù)據(jù)（一部分土壤容重分層數(shù)據(jù)），構(gòu)建土壤容重分層傳遞函數(shù)，對(duì)土壤垂直剖面分層容重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行估算，并對(duì)土壤容重分層數(shù)據(jù)空間格局進(jìn)行分析。 3）探討土壤容重，草地類型和有機(jī)碳含量三者的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

我國北方溫帶草原區(qū)有別于北方草原區(qū)，不僅包括北方草原地區(qū)的區(qū)域地理范圍［20］，并延伸至新疆維吾爾自治區(qū)全區(qū)，包括內(nèi)蒙古自治區(qū)和寧夏回族自治區(qū)全境，以及黑龍江、吉林、遼寧、河北、山西、陜西和甘肅等?。▍^(qū)）的部分地區(qū)，共計(jì)324 個(gè)縣（市），地理位置 北 緯31°28′6″?54°35′53″，東 經(jīng)67°56′46″?128°53′20″，總面積約345 萬km2，是我國重要牧區(qū)之一（圖1）。地形地貌復(fù)雜，從新疆維吾爾自治區(qū)的“三山兩盆”，向東逐次過渡到阿拉善高原、鄂爾多斯高原、黃土高原、蒙古高原和松嫩平原。分布有塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古特沙漠、巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、庫姆塔格沙漠、烏蘭布和沙漠、庫布齊沙漠，以及毛烏素沙地、渾善達(dá)克沙地、科爾沁沙地、呼倫貝爾沙地等我國主要的沙漠和沙地；以及呼倫貝爾、松嫩、科爾沁、錫林浩特、烏蘭察布、阿勒泰和伊犁等我國重點(diǎn)牧區(qū)［21?22］。北方溫帶草原區(qū)橫跨干旱、半干旱和半濕潤氣候區(qū)，氣候條件惡劣，生態(tài)環(huán)境脆弱，土地荒漠化嚴(yán)重。土地覆被類型豐富，包含農(nóng)田、濕地、森林、草原、荒漠、沙漠等類型。土壤主要有漠土、鈣層土、干旱土、淋溶土等類型。草地是本區(qū)域最主要植被類型之一，草地類型多樣，包括溫性草甸草原類、溫性草原類、溫性荒漠草原類、高寒草原類、高寒荒漠草原類、溫性草原化荒漠類、溫性荒漠類、高寒荒漠類、暖性草叢類、暖性灌草叢類、低地草甸類、山地草甸類、高寒草甸類、沼澤類、改良草地等15 種類型［23］。根據(jù)20 世紀(jì)80 年代草地調(diào)查統(tǒng)計(jì)，本區(qū)域草地面積163.5 萬km2；根據(jù)“我國北方溫帶草原重點(diǎn)牧區(qū)草地資源退化狀況與成因調(diào)查”項(xiàng)目最近調(diào)查結(jié)果，到2010 年草地保留面積141.5 萬km2。

圖1 北方溫帶草原區(qū)范圍及調(diào)查樣點(diǎn)分布Fig.1 Spatial distribution of the temperate grasslands in Northern China and distribution of survey sample sites

1.2 土壤容重調(diào)查和土壤樣品采樣

本研究共涉及兩部分土壤數(shù)據(jù)，一部分來源于2013?2015 年“我國北方溫帶草原重點(diǎn)牧區(qū)草地資源退化狀況與成因調(diào)查”項(xiàng)目，用于計(jì)算土壤容重空間分布。每50 km 設(shè)置1 個(gè)100 m×100 m 的草地植被群落調(diào)查樣地，但具體需根據(jù)草地類型、利用方式和強(qiáng)度、以及立地條件而確定草地樣地的設(shè)置，如在山地地區(qū)可能幾公里需設(shè)置一個(gè)草地樣地，而在草地類型相對(duì)單一的平原地區(qū)則樣地間的距離可能在80 km 左右。該項(xiàng)研究共采集草地景觀信息樣點(diǎn)6716 個(gè)，草地調(diào)查樣地587 個(gè)。本研究從2013?2015 年歷時(shí)3 年完成草地的野外調(diào)查，于每年7?9 月開展草地的樣方調(diào)查和采樣。記錄每個(gè)樣地的經(jīng)緯度、海拔、利用方式和景觀照片等信息。每個(gè)草地樣地沿對(duì)角線設(shè)置3 個(gè)1 m×1 m 的樣方，在每個(gè)樣方內(nèi)沿對(duì)角線取3 個(gè)環(huán)刀的土樣，取樣部位為0～10 cm 土層的中間部位，并對(duì)取好土樣的環(huán)刀編號(hào)，帶回室內(nèi)，置105 ℃烘箱內(nèi)烘干至恒重，稱重并換算成標(biāo)準(zhǔn)單位（g·cm?3），環(huán)刀規(guī)格為100 cm3。土壤理化分析樣品采用土鉆法取樣，用33 cm 內(nèi)徑的土鉆，按0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 土層分層取樣，每個(gè)樣方取3 鉆，按樣方編號(hào)分層混合取樣，分別裝在8 號(hào)塑封袋內(nèi)，樣品編號(hào)后帶回室內(nèi)。在室內(nèi)，把土壤樣品攤開風(fēng)干，混合均勻后用四分法取樣分析，研磨后過0.15 mm 網(wǎng)篩，將過篩后樣品裝小號(hào)的塑封袋，編號(hào)后送中國科學(xué)院植物研究所分析中心進(jìn)行全碳、有機(jī)碳含量分析。碳含量采用干燒法測定［24］，測定儀器為元素分析儀（DELTA V Advantage+Flash 2000，德國）。

另一部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)草地調(diào)查143 個(gè)草地樣地的土壤分層調(diào)查數(shù)據(jù)，用于建立土壤分層傳遞函數(shù)。其土壤容重和土壤分析樣品的采樣方法根據(jù)《中國草地生態(tài)系統(tǒng)固碳現(xiàn)狀、速率和潛力研究調(diào)查規(guī)范》進(jìn)行采樣［25］。采用壕溝法，在樣方一側(cè)開挖一個(gè)100 cm（長）×50 cm（寬）×100 cm（深）的壕溝，建立一個(gè)土壤剖面，根據(jù)剖面按0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm 土層分層取樣，并進(jìn)行5 個(gè)樣方的重復(fù)采樣。此方法過于耗時(shí)、費(fèi)力，在北方溫帶草原區(qū)的大規(guī)模調(diào)查中難以實(shí)施。在室內(nèi)，把土壤樣品攤開風(fēng)干，混合均勻后用四分法取樣分析，研磨后過0.15 mm 網(wǎng)篩，將過篩后樣品裝小號(hào)的塑封袋，編號(hào)后送中國科學(xué)院植物研究所分析中心進(jìn)行全碳、有機(jī)碳含量分析。

1.3 地理要素空間數(shù)據(jù)與處理

利用多因素加權(quán)回歸模型（multi?factor weighted regression model，MWRM）［25］對(duì)北方溫帶草地土壤容重計(jì)算時(shí)需要有相關(guān)地理要素空間數(shù)據(jù)，主要包括遙感數(shù)據(jù)、氣候數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、草地資源類型分布數(shù)據(jù)等。

1.3.1 遙感數(shù)據(jù) 北方溫帶草原區(qū)2013?2015 年8 月中旬的歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI）的平均數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局的MODIS 數(shù)據(jù)產(chǎn)品（MOD13A2），用MRT（modis reprojection tool）工具批量轉(zhuǎn)投影和拼接，空間分辨率為1 km。

1.3.2 氣候數(shù)據(jù) 根據(jù)國家氣象局提供的2013?2015 年氣象臺(tái)（站）觀測數(shù)據(jù)，運(yùn)用ANUSPLIN 專業(yè)氣象插值軟件，建立年均氣溫、年降水量、≥10 ℃年積溫、濕潤度［23］等空間數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km。

1.3.3 DEM 數(shù)據(jù) 來源于國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)（www.geodata.cn），數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）數(shù)據(jù)的空間分辨率為30 m。

1.3.4 草地資源類型分布數(shù)據(jù) 基于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)，利用2010年TM（thematic mapper）影像數(shù)據(jù)對(duì)北方溫帶草原區(qū)進(jìn)行解譯和修編，獲得2010 年北方溫帶草地資源類型分布矢量數(shù)據(jù)，精度20 m。

1.3.5 草地樣地的地理要素?cái)?shù)據(jù)的匹配與提取 根據(jù)北方溫帶草原區(qū)587 個(gè)草地樣地調(diào)查點(diǎn)的經(jīng)緯度信息，在ArcGIS 中加載上述地理要素空間數(shù)據(jù)，分別提取與每個(gè)樣地相匹配的海拔、NDVI、年均溫、年降水量、≥10 ℃年積溫、濕潤度6 個(gè)要素的值，與587 個(gè)樣地的表層土壤容重值（其中2/3 共計(jì)397 個(gè)樣地?cái)?shù)據(jù)作為建模數(shù)據(jù)，剩余190 個(gè)樣地?cái)?shù)據(jù)作檢驗(yàn)數(shù)據(jù)），共同構(gòu)建一個(gè)包括6 個(gè)生態(tài)要素、表層土壤容重、土壤有機(jī)碳含量的數(shù)據(jù)集，用于相關(guān)的統(tǒng)計(jì)、回歸和空間格網(wǎng)化分析。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

1.4.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與回歸分析 有關(guān)樣地調(diào)查的土壤容重和有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)、土壤有機(jī)碳含量隨土層深度變化（KSOC）、土壤容重隨土層深度變化的相關(guān)性分析（KSBD）、土壤表層容重與各地理要素間的相關(guān)性分析和回歸分析、以及土壤容重垂直剖面變率系數(shù)（KSBD）與土壤有機(jī)碳含量垂直剖面變率系數(shù)（KSOC）的相關(guān)性分析等，均采用SPSS 20.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.4.2 土壤容重分層傳遞函數(shù)構(gòu)建 根據(jù)中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)草地調(diào)查143 個(gè)草地樣地的調(diào)查數(shù)據(jù)，通過SPSS 20.0 進(jìn)行K?S 正態(tài)檢驗(yàn)（P＜0.01），刪除明顯異常和土壤剖面不完整的樣地，最終得到117 個(gè)有效樣地參與統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)117 個(gè)有效樣地土壤容重調(diào)查的分層數(shù)據(jù)和土壤有機(jī)碳含量分層數(shù)據(jù)，利用線性回歸分析，分別求得每個(gè)樣地的土壤容重和土壤有機(jī)碳含量隨土層深度變化的垂直剖面變率系數(shù)KSBD和KSOC，并構(gòu)建土壤容重垂直剖面變率系數(shù)（KSBD）隨土壤有機(jī)碳含量垂直剖面變率系數(shù)（KSOC）分層變化的傳遞函數(shù)方程。根據(jù)所構(gòu)建的傳遞函數(shù)方程，分別對(duì)北方溫帶草原區(qū)草地0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm 等不同土層的土壤容重進(jìn)行估算。

其中，a和b分別為模型常數(shù)項(xiàng)；SBD（x）為某土層的土壤容重值，當(dāng)x=0 時(shí)為土壤表層（0～10 cm）的土壤容重，x=1 時(shí)為土壤10～20 cm 土層的土壤容重值；x=2 時(shí)為土壤20～30 cm 土層的土壤容重值；x=3 時(shí)為土壤30～50 cm土層的土壤容重值；KSBD為土壤容重垂直剖面變率系數(shù)。

1.4.3 土壤容重空間格網(wǎng)化過程 根據(jù)北方草地樣帶調(diào)查中獲取的土壤表層容重?cái)?shù)據(jù)，以及海拔、年均溫度、年均降水量、≥10 ℃積溫、濕潤度、NDIV 6 個(gè)地理要素?cái)?shù)據(jù)，運(yùn)用MWRM 模型方法［25］，分別構(gòu)建土壤表層容重和土壤有機(jī)碳含量垂直剖面變率系數(shù)空間插值（估算）MWRM 模型，獲得我國北方草原區(qū)土壤表層容重（0～10 cm）的空間柵格數(shù)據(jù)（1 km×1 km），和土壤有機(jī)碳含量垂直剖面變率系數(shù)（KSOC）空間柵格數(shù)據(jù)（1 km×1 km），方法詳見文獻(xiàn)［12，24］。

同時(shí)，根據(jù)土壤容重分層傳遞函數(shù)模型（公式1 和2）對(duì)北方溫帶草原區(qū)草地分層土壤容重的空間估算，實(shí)現(xiàn)草地0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm 等不同土層的土壤容重空間格網(wǎng)化估算。

2 結(jié)果與分析

2.1 北方溫帶草原區(qū)表層土壤容重空間分布格局

根據(jù)北方溫帶草原區(qū)草地表層土壤容重的多因素加權(quán)回歸模型［25］，插值建立我國北方草原區(qū)土壤表層（0～10 cm）容重的空間柵格數(shù)據(jù)（圖2）。

根據(jù)北方溫帶草原區(qū)190 個(gè)檢驗(yàn)樣地?cái)?shù)據(jù)的驗(yàn)證分析（圖3），北方溫帶草原區(qū)草地表層（0～10 cm）土壤容重的平均預(yù)測誤差、均方根差、相對(duì)誤差和復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.018、0.223、16.2%和0.5386。檢驗(yàn)結(jié)果表明：利用多要素?cái)?shù)據(jù)源反演插值方法得到的北方溫帶草原區(qū)草地表層（0～10 cm）土壤容重的空間分布數(shù)據(jù)具有較高的可靠性和精度。

2.2 北方溫帶草原區(qū)草地分層土壤容重空間分布格局

根據(jù)北方溫帶草原區(qū)草地表層（0～10 cm）土壤容重的空間分布數(shù)據(jù)（圖2），運(yùn)用土壤容重垂直剖面變率系數(shù)傳遞函數(shù)模型（公式1，2），除去沙漠、農(nóng)田等非草地地理單元，獲得北方溫帶草原區(qū)分層土壤容重的空間分布數(shù)據(jù)（圖4）。

從土壤容重分層?xùn)鸥窨臻g數(shù)據(jù)可知（圖2 和圖4），不同土層土壤容重在空間變化規(guī)律上呈一致性，表現(xiàn)為中部和西北部高（主要分布著溫性荒漠草原和溫性荒漠草地類型），東部和西南部低（主要分布著溫性草甸和山地草甸）的現(xiàn)象。

根據(jù)土壤容重分級(jí)統(tǒng)計(jì)分析（表1），我國北方草原區(qū)草地的土壤容重主要分布在1.5 g·cm?3以上，占總草地面積的61.58%。I 類土壤容重（0～0.8 g·cm?3）零星分布在天山和阿勒泰等山區(qū)，主要草地類型為高寒草甸，占總草地面積4.54%；Ⅱ類土壤容重（0.8～1.2 g·cm?3）集中分布在天山，阿勒泰，大興安嶺及昆侖山等山區(qū)，主要草地類型為山地草甸，占總草地面積13.16%；Ⅲ類土壤容重（1.2～1.5 g·cm?3）集中分布在內(nèi)蒙古高原東部和呼倫貝爾高原，主要草地類型為溫性草甸和山地草甸，占總草地面積20.74%；Ⅳ類土壤容重（1.5～1.8 g·cm?3）集中分布在內(nèi)蒙高原西部，黃土高原北部，準(zhǔn)格爾盆地北部和阿拉善高原邊緣，主要草地類型為溫性草原和溫性荒漠草原，占總草地面積36.03%；Ⅴ類土壤容重（1.8～2.2 g·cm?3）集中分布在準(zhǔn)格爾盆地南部，南疆盆地邊緣以及阿拉善高原中部，主要草地類型為溫性荒漠類，占總草地面積25.55%。并且隨著土層深度的增加，Ⅴ類土壤容重草地所占比重有增加趨勢，相比較于表層（0～10 cm），30～50 cm 土層Ⅴ類土壤容重草地總面積增加了21.27%；而I～Ⅳ類型土壤容重（0～1.8 g·cm?3）草地相較于表層土（0～10 cm）所占比重有減少趨勢，總面積減少了21.27%。

圖2 北方草原區(qū)表層（0～10 cm）土壤容重空間分布Fig.2 Spatial distribution of surface soil（0-10 cm）soil bulk density of northern temperate grasslands

圖3 北方草原區(qū)表層（0～10 cm）土壤容重預(yù)測值與實(shí)測值檢驗(yàn)Fig.3 Validation of surface soil（0-10 cm）soil bulk density estimation of northern temperate grasslands

2.3 不同區(qū)域草地分層土壤容重比較

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，我國北方溫帶草原區(qū)草地平均土壤容重為1.50 g·cm?3，其中阿勒泰山區(qū)土壤容重最低，平均為1.03 g·cm?3，表層容重平均為0.95 g·cm?3；其次為天山山區(qū)，平均容重為1.13 g·cm?3，表層容重平均為1.06 g·cm?3；第三為大興安嶺地區(qū)，平均容重為1.19 g·cm?3，表層容 重平均為1.10 g·cm?3。南疆盆地的草地土壤容重最高，平均容重為1.99 g·cm?3，表層容重平均為1.94 g·cm?3；其次為阿拉善高原的草地，平均容重為1.84 g·cm?3，表層容重平均為1.77 g·cm?3；第三為河套及土默川平原的草地，平均容 重 均 為1.76 g·cm?3，表 層 容 重 均 為1.68 g·cm?3（表2）。

2.4 不同草地類型分層土壤容重比較

根據(jù)北方溫帶草原區(qū)草地類型分布數(shù)據(jù)［23］，提取主要草地類型的土壤容重?cái)?shù)據(jù)，進(jìn)行不同類型草地分層土壤容重的比較分析（表3），結(jié)果表明：不同草地類型土壤容重有明顯差異，其中高寒草甸類土壤容重最低，平 均 為0.76 g·cm?3，表 層 容 重 平 均 為0.69 g·cm?3；其次為低地草甸和沼澤類，平均容重均為0.82 g·cm?3，表層容重分別為0.75 和0.74 g·cm?3；第三為山地草甸，平均容重為0.99 g·cm?3，表層容重平均為0.91 g·cm?3。溫性荒漠類土壤容重最高，平均為1.80 g·cm?3，表層容重平均為1.72 g·cm?3；其次為溫性草原化荒漠類，平均為1.66 g·cm?3，表層容重平均為1.58 g·cm?3；第三為高寒荒漠草原類，平均為1.60 g·cm?3，表層容重平均為1.52 g·cm?3。

圖4 北方溫帶草原區(qū)不同土層土壤容重空間分布Fig.4 Spatial distribution of soil bulk density at different layers of northern temperate grasslands

表1 不同土層土壤容重分級(jí)所占面積比例Table 1 Distribution of stratified soil bulk density in different soil layers（%）

表2 不同地理區(qū)域土壤容重Table 2 Soil bulk density in different depths and geographical regions（g·cm-3）

表3 不同草地類型草地分層土壤容重Table 3 Soil bulk density in different depths and grassland types（g·cm-3）

3 討論

3.1 草地類型和有機(jī)碳含量與土壤容重的關(guān)系

土壤容重的變化不僅受結(jié)構(gòu)、緊實(shí)度和土地利用類型等土壤自身屬性影響［26］，粘土含量、含水量、含沙量、深度、pH 值和有機(jī)碳含量等土壤理化性質(zhì)也是影響土壤容重變化的主要因素［27］。但影響土壤容重變化最主要的原因是有機(jī)碳含量［28?30］。有機(jī)碳含量是有機(jī)質(zhì)輸入和礦化的一個(gè)綜合結(jié)果，而對(duì)于草地生態(tài)系統(tǒng)而言，有機(jī)質(zhì)的輸入主要依賴于草本植物的光合作用以及一些小灌木的凋落物，而不同的草地類型對(duì)于有機(jī)物輸入的能力是有差異的，從而對(duì)土壤容重產(chǎn)生影響。

另一方面，土壤類型的形成和分布與生物氣候帶相適應(yīng)，不同草地類型的土壤容重變化范圍較大。就研究區(qū)內(nèi)的草地而言，主要的草地類型有3 類：溫性草原，溫性荒漠草原和草甸草原。分別形成了栗鈣土，棕鈣土和黑鈣土3 種相適應(yīng)的土壤類型，這3 種土壤類型結(jié)構(gòu)和含水量等土壤理化性質(zhì)有較大差異，這些差異反過來也會(huì)影響植被的分布。一般而言，棕鈣土的土壤孔隙度要大于黑鈣土，土壤硬度增加，土壤持水能力減少，這些都會(huì)使土壤容重增加。Carlos 等［27］發(fā)現(xiàn)，土壤容重增加會(huì)顯著影響土壤對(duì)有機(jī)碳含量的積累和持有能力。草地類型的變化導(dǎo)致土壤容重的增加或減少，進(jìn)而影響有機(jī)碳含量。

3.2 土壤容重空間格局的比較分析

根據(jù)不同學(xué)者對(duì)不同地區(qū)土壤容重研究結(jié)果的比較分析，本研究重建的土壤容重分層數(shù)據(jù)與其結(jié)果相接近（表4），基本反映了北方溫帶草原區(qū)草地土壤容重空間分布格局的客觀存在。但個(gè)別區(qū)域存在明顯差異，本研究搜集了研究區(qū)內(nèi)7 個(gè)主要不同地形分區(qū)的相關(guān)研究，由于土壤容重采樣的困難和不確定性，樣方設(shè)置的差異性和不均一性等因素，不同學(xué)者建立的土壤容重預(yù)測模型也不盡相同，所以在土壤容重預(yù)測結(jié)果上也有偏差。周李磊等［31］使用多因素加權(quán)回歸模型（multi-factor weighted regression model，MWRM）［25］對(duì)新疆伊犁146 個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果差異較大。這可能是因?yàn)橹芾罾诘龋?1］沒有對(duì)伊犁地區(qū)土壤容重分土層深度進(jìn)行預(yù)測。有研究表明，伊犁地區(qū)垂直方向不同深度范圍土壤容重差異顯著［32］，而且由于伊犁地區(qū)地形特殊，土層中含有較多礫石，這更增加了垂直方向上土壤容重的變異性，張文太等［32］發(fā)現(xiàn)存在礫石會(huì)使土壤容重偏高約16%，這說明伊犁地區(qū)表層土與深層土壤組成的差異會(huì)造成土壤容重的變化。成鵬［33］主要對(duì)天山北坡烏魯木齊段山地草甸圍欄內(nèi)0～30 cm的土壤容重進(jìn)行測量，并且樣點(diǎn)數(shù)量少，并沒有能完全反映天山山脈土壤的實(shí)際情況。王進(jìn)等［34］對(duì)呼倫貝爾草地27 個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行土壤容重分析，結(jié)果與本研究差異顯著。一方面是因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)數(shù)量太少，對(duì)于區(qū)域尺度的研究樣點(diǎn)數(shù)量過少無法充分反映該區(qū)域的土壤特征；另一方面，選取的樣地特征不同，王進(jìn)等［34］選取呼倫貝爾沙漠化梯度的樣地，并且樣地多在沙漠邊緣，沒有對(duì)其他類型的草地進(jìn)行取樣。這種差異也可能受到研究區(qū)域的邊界范圍、土壤異質(zhì)性等影響。

表4 不同地區(qū)土壤容重研究結(jié)果比較Table 4 Comparison of soil bulk density research results in different regions

3.3 傳遞函數(shù)方法的應(yīng)用

我國地域廣闊，自然地理環(huán)境復(fù)雜多變，不同土綱中土壤容重與其他土壤屬性的關(guān)系并不完全相同，因此大部分學(xué)者在充分考慮了土壤地域性的同時(shí)［35?37］，運(yùn)用傳遞函數(shù)方法在土壤容重研究和估算上取得很好的應(yīng)用，韓光中等［36］基于土壤系統(tǒng)分類對(duì)我國現(xiàn)有的土壤數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分組，對(duì)各土綱建立多項(xiàng)式模型。這種方式在一定程度上提高了模型預(yù)測的精度，但是這種分類建立模型并不適用復(fù)雜的土壤環(huán)境，也并未考慮在剖面深度上土壤容重的變化趨勢；另一方面，這些研究提出的模型和以往的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵粯?，未考慮地形、氣候、母質(zhì)等因素［38?41］。因此，對(duì)于大范圍的土壤容重預(yù)測，構(gòu)建更加精確的土壤容重傳遞函數(shù)是必要的。

本研究利用中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)草地調(diào)查完整的土壤容重剖面數(shù)據(jù)，在充分考慮土壤地域性差異和深度對(duì)土壤容重變異的影響，結(jié)合北方溫帶草原的氣候，地形等因素，構(gòu)建北方溫帶草原土壤容重分層傳遞函數(shù)。在一定程度上提高了土壤容重預(yù)測的精度，為大尺度區(qū)域構(gòu)建土壤容重傳遞函數(shù)提供思路。并加強(qiáng)了對(duì)土壤母質(zhì)和土壤粒度數(shù)據(jù)的參與。

4 結(jié)論

基于采樣數(shù)據(jù)，利用土壤分層傳遞函數(shù)，對(duì)中國北方溫帶草原區(qū)0～50 cm 表層土壤容重空間格局進(jìn)行模擬。結(jié)果表明：1）中國北方溫帶草原區(qū)土壤容重在空間上呈現(xiàn)中部和西北部高，東部和山區(qū)低的現(xiàn)象，草地平均土壤容重為1.50 g·cm?3。2）土壤容重在空間上表現(xiàn)出地理異質(zhì)性，其分布趨勢與草地類型有一致性，并主要受到土壤有機(jī)碳含量的影響。3）通過與其他學(xué)者實(shí)際測量結(jié)果比較，這種利用現(xiàn)有分層土壤數(shù)據(jù)建立分層傳遞函數(shù)模型，并應(yīng)用大尺度格局土壤容重分布模擬的方法是可行并準(zhǔn)確的。