常帥,于紅博,張巧鳳,馬梓策,劉月璇,李想
(內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特010022)
土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,它的形成受物理、化學(xué)和生物等因素的共同影響,在空間上具有高度變異特征[1]。土壤養(yǎng)分變異特征研究是實(shí)現(xiàn)土地精準(zhǔn)管理的基礎(chǔ),對(duì)于土壤肥力的科學(xué)利用具有指導(dǎo)意義[2]。近年來(lái),對(duì)土壤養(yǎng)分的空間變異問(wèn)題的研究隨著地理信息系統(tǒng)的發(fā)展越來(lái)越廣泛,研究?jī)?nèi)容也呈現(xiàn)多樣化。利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)并結(jié)合GIS(geographic information system,地理信息系統(tǒng))技術(shù)研究土壤性質(zhì)空間變異已成為目前土壤學(xué)研究的熱點(diǎn)之一[3]。目前對(duì)土壤空間變異的研究主要集中在不同區(qū)域尺度,不同研究?jī)?nèi)容,不同土地利用方式等3 個(gè)方面。針對(duì)不同研究區(qū)尺度的探究中,例如孫梨萍等[4]、楊艷麗等[5]、王軍等[6]分別對(duì)縣域農(nóng)田土壤養(yǎng)分、區(qū)域尺度土壤養(yǎng)分及其黃土高原小流域土壤養(yǎng)分的空間分布進(jìn)行了研究,因研究區(qū)域不同,研究結(jié)果亦不相同。從研究?jī)?nèi)容上看主要集中于土壤養(yǎng)分、土壤重金屬、土壤微量元素、土壤物理性質(zhì)等方面,如譚海燕等[7]對(duì)昆明滇池片區(qū)耕地土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、磷、鉀、緩效鉀、有效硼、鋅、錳、銅、鉬及其土壤pH 等11 種土壤化學(xué)特征進(jìn)行了空間分布變化研究,結(jié)果表明除有效硼處于缺乏外,其余元素均具有中等或者較高含量的分布特征;席小康等[8]對(duì)錫林河流域的土壤有機(jī)碳進(jìn)行空間變異研究,表明不同土層深度,空間變異程度有所不同;龐夙等[9]、陳海生等[10]分別對(duì)土壤速效氮、磷、鉀 3 種養(yǎng)分的空間變異性進(jìn)行了分析;臧亮等[11]對(duì)黃燁市土壤中 As、Cu、Cd、Cr、Pb、Hg、Zn、Ni 等 8 種重金屬空間分布特征及其污染情況進(jìn)行了討論分析。除此之外,陳星星等[12]、劉述強(qiáng)等[13]分別采用同種方法對(duì)土壤鹽分、土壤水分進(jìn)行了空間變異分析。從不同土地利用方式看,主要從耕地[7]、山地[14]、草地[15]、林地[16]、農(nóng)用地[17?18]及建設(shè)用地[19]等幾種土地利用類型方面展開(kāi)了研究。這些關(guān)于對(duì)土壤空間變異及其分布特征的研究大部分采用了地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS 相結(jié)合的方法。地統(tǒng)計(jì)學(xué)具有較強(qiáng)的空間分析能力,GIS 具有較實(shí)用的空間數(shù)據(jù)管理功能,二者相結(jié)合可以充分地發(fā)揮空間優(yōu)勢(shì),為土壤空間分布研究提供了良好的技術(shù)支持,因此被普遍應(yīng)用于空間變異研究[18,20?21]。
錫林郭勒草原是我國(guó)北方草原生態(tài)系統(tǒng)的一道綠色屏障。近年來(lái),由于自然因素和人為因素的影響,出現(xiàn)草地沙化,植物多樣性銳減等問(wèn)題,使得草原恢復(fù)和建設(shè)綠色生態(tài)顯得尤為重要。土壤是植被生存的重要載體,氮、磷、鉀是土壤養(yǎng)分的重要指標(biāo),速效養(yǎng)分是土壤養(yǎng)分的重要表征方式。研究土壤速效養(yǎng)分的空間變異性可以準(zhǔn)確估量土壤養(yǎng)分的變異特征及其豐缺程度。研究表明,土壤速效氮(available nitrogen,AN)對(duì)于固氮植物的利用和吸收起直接作用,氮元素過(guò)多會(huì)引起土壤污染,氮元素過(guò)少不利于植物生長(zhǎng)和根系發(fā)育[22]。近年來(lái)關(guān)于土壤速效氮的空間分布也有不少研究,黃仕輝等[22],唐杰等[23],袁知洋等[24],張振明等[25]分別對(duì)不同區(qū)域,不同土地利用方式作用下的土壤速效氮空間變異性進(jìn)行了一系列分析研究,但是未形成統(tǒng)一的定論,關(guān)于我國(guó)北方天然草地土壤速效氮空間分布特征的研究也少有報(bào)道,速效氮對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的影響需要進(jìn)一步探究。因此,準(zhǔn)確了解土壤AN 的空間變異問(wèn)題,不僅有利于土地生產(chǎn)力的提高,也有助于植被恢復(fù)和生長(zhǎng)。基于此,本研究以錫林郭勒草原為研究區(qū),分別從水平變異和垂直變異兩個(gè)方面探究土壤AN 空間變異及其影響因子,以期對(duì)草原生態(tài)環(huán)境保護(hù)和物種多樣性的研究提供參考和借鑒。
錫林郭勒盟位于內(nèi)蒙古中部地區(qū),是東部半濕潤(rùn)草甸草原區(qū)向西北干旱荒漠草原區(qū)的過(guò)渡帶。地理位置介于 E 111°59′?120°00′,N 42°32′?46°41′。下轄 2 市,9 旗,1 縣,1 管理區(qū),地域面積廣闊,土地面積 20.2 萬(wàn) km2,擁有豐富的自然資源。
該區(qū)屬于中溫帶大陸性干旱半干旱氣候,其氣候特征為冬季寒冷而漫長(zhǎng),夏季溫暖而短暫。年平均氣溫0~3 ℃左右,年平均降水量約350 mm ,主要集中于7?9 月[26]。其基本符合大陸性氣候的典型特征。植被主要以草地為主,約占植被總面積的85% 以上,從東至西呈水平地帶性分布,依次為草甸草原[貝加爾針茅(Stipa baicalensis)和線葉菊(Filifolium sibiricum)]、典型草原[羊草(Leymus chinensis)、大針茅(Stipa grandis)、克氏針茅(Stipa krylovii)以及冷蒿(Artemisia frigida)]和荒漠草原[小針茅(Stipa klemenzii)][27]。錫林郭勒盟土壤受降水、氣溫、植被和地形等的影響呈顯著的地帶性分布,土壤類型主要包括栗鈣土和風(fēng)沙土,從東南到西北依次為黑鈣土帶、暗栗鈣土亞帶、淡栗鈣土亞帶,呈有規(guī)律的更替[8]。
2019 年7 月在錫林郭勒草原進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集工作,如圖1 所示,樣帶從東至西進(jìn)行布設(shè),囊括草甸草原、典型草原和荒漠草原3 個(gè)不同草原植被類型,共計(jì)30 個(gè)樣地,覆蓋了東烏珠穆沁旗,錫林浩特市,阿巴嘎旗,蘇尼特左旗,二連浩特市和蘇尼特右旗等6 個(gè)行政地區(qū)。每個(gè)樣地重復(fù)3 個(gè)采樣點(diǎn),取其平均值以避免試驗(yàn)的偶然性。每個(gè)樣點(diǎn)均采集6 層,分別為0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~40 cm、40~50 cm。采用土鉆和挖剖面相結(jié)合的方式采集土樣,將所采集的土樣裝在密封袋中,并把每個(gè)樣地所取同層土樣混合,最后得到180 個(gè)試驗(yàn)樣品,待自然風(fēng)干后去除大的石塊和植物草根,過(guò)1.00 和0.15 mm 的篩,留存?zhèn)溆谩?/p>
圖1 錫林郭勒盟位置、海拔及樣地分布Fig.1 Location,altitude and plot distribution of Xilingol
依據(jù)鮑士旦[28]主編的《土壤農(nóng)化分析》中K2Cr2O7容量?外加熱法、堿解擴(kuò)散法、NaHCO3浸提?鉬銻抗比色法、NH4OAc 浸提?火焰光度計(jì)法分別測(cè)量土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀的含量。
1.3.1 半變異函數(shù) 半變異函數(shù)是地統(tǒng)計(jì)學(xué)中特有的函數(shù)模型,也被稱為半方差函數(shù),半方差函數(shù)有3 個(gè)重要參數(shù),分別為塊金值(C0)、基臺(tái)值(C0+C)和變程(R)。其中塊金值反映試驗(yàn)數(shù)據(jù)由于人為活動(dòng)、試驗(yàn)誤差和計(jì)算誤差等隨機(jī)因素引起的差異。結(jié)構(gòu)方差(C)表示土壤AN 含量受自身結(jié)構(gòu)因素影響而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性差異?;_(tái)值(C0+C)反映區(qū)域內(nèi)所有因素所產(chǎn)生的最大差異,即系統(tǒng)內(nèi)的整個(gè)變異量。變程(R)表示半變異函數(shù)在有限步長(zhǎng)的情況下達(dá)到基臺(tái)值的步長(zhǎng)范圍,當(dāng)超過(guò)最大變程后,空間結(jié)構(gòu)變化將不受影響。一般情況下,采用塊基系數(shù)C0/(C0+C)來(lái)判定隨機(jī)因素引起的空間變異占總變異因素的多少,借此來(lái)反映空間分布相關(guān)性的大?。?9]。塊基系數(shù)>75%說(shuō)明區(qū)域內(nèi)具有弱變異性,空間相關(guān)性也較弱,即受隨機(jī)因素影響大,塊基系數(shù)<25%說(shuō)明區(qū)域系統(tǒng)內(nèi)空間分布變異性主要由結(jié)構(gòu)性因素引起,具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性。塊基比介于二者之間則說(shuō)明具有中等空間相關(guān)性,主要受隨機(jī)因素和結(jié)構(gòu)因素的共同作用。
半變異函數(shù)主要有4 個(gè)擬合模型,分別為高斯模型(gaussian)、指數(shù)模型(exponential)、球面模型(spherical)和線性模型(linear),最優(yōu)模型的選取以殘差(residual sum of squares,RSS)最小,決定系數(shù)(R2)最大為原則。半變異函數(shù)通過(guò)對(duì)有限區(qū)域內(nèi)實(shí)測(cè)值的估計(jì)來(lái)預(yù)測(cè)一定區(qū)域內(nèi)的函數(shù)值,區(qū)域化變量Z(x)在點(diǎn)x和x+h處的值差的方差的一半稱為區(qū)域化變量Z(x)的半方差函數(shù),記為γ(h),2γ(h)則被稱為變異函數(shù)。半方差函數(shù)如公式(1)所示:
式中:γ(h)表示半方差函數(shù)值,h為兩樣本之間的間距,即步長(zhǎng),N(h)表示間距為h的樣本點(diǎn)個(gè)數(shù),Z(xi),Z(xi+h)分別為在i和i+h處的土壤 AN 的實(shí)際測(cè)量值[30]。
1.3.2 克里格插值法 克里格插值法也被稱為克里金插值法,是依靠測(cè)量誤差模型實(shí)現(xiàn)精確或平滑插值的一種插值方法。一般情況下是以變異函數(shù)的理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)的,通過(guò)根據(jù)未知樣點(diǎn)有限鄰域內(nèi)的若干已知點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)區(qū)域內(nèi)未知點(diǎn)數(shù)值的無(wú)偏最優(yōu)預(yù)測(cè),從而得到空間全局分布特征。主要有普通克里格插值和協(xié)同克里格插值兩種預(yù)測(cè)插值方法,兩種方法本質(zhì)相同,協(xié)同克里格插值考慮除已知點(diǎn)數(shù)值外還考慮其他相關(guān)因素,從而進(jìn)行空間預(yù)測(cè)。普通克里格法是空間插值中最簡(jiǎn)單的一種方法,僅以區(qū)域內(nèi)已知點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)鄰近有限區(qū)域內(nèi)未知點(diǎn)的數(shù)值,由于本研究在采樣時(shí)未考慮氣溫、降水和海拔等自然因素對(duì)土壤的影響程度,故而采用普通克里格法來(lái)預(yù)測(cè)研究區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分含量的分布特征。普通克里格法表達(dá)式如公式(2)所示[31]:
式中:Z(X)表示預(yù)測(cè)值,λi為克里格權(quán)重值,n表示在有限范圍內(nèi)已知點(diǎn)的個(gè)數(shù),Z(Xi)表示各實(shí)測(cè)點(diǎn)的數(shù)值。
1.3.3 垂直遞減率 垂直遞減率是為了錯(cuò)層體現(xiàn)土壤的垂直變化規(guī)律,垂直變化梯度的大小可以說(shuō)明土壤AN 含量的變化趨勢(shì)。值越大,說(shuō)明兩相鄰?fù)翆娱g變化較大,反之亦然。垂直遞減率(V)計(jì)算方法如公式(3)所示:
式中:Vm表示土壤中上一土層深度的AN 含量,Vn表示土壤中與之相鄰的下一土層深度的AN 含量。為更好說(shuō)明土壤垂直變化規(guī)律,從表層開(kāi)始向下,每20 cm 劃為一層,計(jì)算以10 cm 為基準(zhǔn)。
利用SPSS Statistic 22.0 軟件進(jìn)行土壤AN 傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,包括土壤AN 的描述性分析,正態(tài)檢驗(yàn)(K?S 檢驗(yàn))以及Pearson 相關(guān)性檢驗(yàn)。采用GS+9.0 進(jìn)行半方差變異分析和空間自相關(guān)分析,通過(guò)其獲取的最優(yōu)模型和相關(guān)參數(shù)在ArcGIS 10.6 中進(jìn)行普通克里格插值,得到分層AN 空間分布圖。AN 垂直特征分析在Excel 2016 中完成。
對(duì)土壤AN 的基礎(chǔ)特征研究,可以表明研究區(qū)AN 含量的一般化水平,初步掌握土壤AN 含量的差異性分異。由表1 可知,分層土壤AN 的平均含量隨著土層深度的增加而依次呈遞減狀態(tài)。其中變動(dòng)幅度最大的是0~5 cm,變動(dòng)范圍為 25.06~177.52 mg·kg?1,變幅最小的是 40~50 cm,幅度為 16.66~92.40 mg·kg?1,其余變幅均在二者之間。變幅大小按土層深度排列由大到小依次為0~5 cm>5~10 cm>10~20 cm>30~40 cm>0~50 cm>20~30 cm>40~50 cm,可見(jiàn)變幅差異較為明顯。
標(biāo)準(zhǔn)差的大小可以反映數(shù)據(jù)的離散程度,標(biāo)準(zhǔn)差的變動(dòng)趨勢(shì)和AN 平均含量的變動(dòng)趨勢(shì)相一致,0~5 cm 土層AN 值離散程度最大,分布相對(duì)分散,40~50 cm 離散程度最小,分布相對(duì)集中。離散程度由表層至深層依次呈有規(guī)律遞減的變化趨勢(shì)(表1)。
變異系數(shù)大小可以表達(dá)土壤AN 的空間變異程度[22]。分層土壤的變異性在38.35%~49.97%,根據(jù)變異系數(shù)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(變異系數(shù)>100 具有強(qiáng)變異性,變異系數(shù)介于10~100 之間具有中等變異性,變異系數(shù)<10 具有弱變異性)可知,各土層AN 變異性均屬中等變異。垂直方向上,在0~30 cm,隨土層深度增加,土壤AN 含量變異系數(shù)逐漸減少,在20~30 cm 處于最低值,隨后又增加再減少。
為了清晰有效地分析各分層土壤AN 的分布狀況,經(jīng)單樣本K?S 正態(tài)檢驗(yàn)后(表1),發(fā)現(xiàn)5~10 cm 和20~30 cm,不屬于正態(tài)分布(P<0.05),經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化后滿足正態(tài)分布的要求,其余均屬于正態(tài)分布(P>0.05),因此各層皆可進(jìn)行半方差變異分析。
表1 分層土壤速效氮含量描述性統(tǒng)計(jì)分析Table 1 Descriptive statistical analysis of AN content in layered soil
由表 2 可知,0~30 cm 各分層和 0~50 cm 均為高斯模型,30~40 cm 為球面模型,40~50 cm 為指數(shù)模型,且除這兩層的擬合度R2較小外,其余土層R2均在0.81 以上。這可能是由于底層土壤養(yǎng)分變異較小,擬合度較低。各土層之間塊金值變化幅度較小,說(shuō)明試驗(yàn)誤差或者人為取樣尺度較為均勻。其中塊基系數(shù)在2.11%~19.74%,均<25%說(shuō)明錫林郭勒草原土壤AN 具有高度的空間自相關(guān)性,其空間分布變異主要受結(jié)構(gòu)因素的影響,受隨機(jī)因素影響較弱。變程反映在空間上自相關(guān)的距離范圍大小,變程越大,說(shuō)明其空間自相關(guān)性越小。由表2 可知,錫林郭勒草原各土層AN 的變程范圍在7.0217~24.0270 m,在0~30 cm 內(nèi)隨著深度的增加,變程不斷增大,說(shuō)明其空間相關(guān)性逐漸減弱,在30~40 cm 出現(xiàn)拐點(diǎn),隨后變程增加較為明顯,說(shuō)明錫林郭勒草原土壤AN 含量在30 cm 以下深度,變異趨勢(shì)趨于均一。
2.3.1 分層土壤AN 含量水平變化特征分析 通過(guò)研究土壤AN 含量的空間變異,可以充分了解土壤AN 含量在水平方向上的變化和分布特征。根據(jù)其最優(yōu)模型,通過(guò)普通克里格插值可以得到分層土壤AN 的水平分布(圖 2)。按照全國(guó)第二次土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[32],將 AN 分為 6 個(gè)等級(jí)(>150 mg·kg?1為第一級(jí),含量越少,級(jí)別越大。)不論哪一土層深度,土壤AN 含量呈現(xiàn)明顯的東西向分異,即從東至西含量逐漸減少,呈條帶狀分布,與錫林郭勒草原的草原分布類型相一致。
圖2 分層土壤AN 含量空間分布Fig.2 Spatial distribution of AN content in layered soil
表層(0~5 cm)的分類等級(jí)最多,涵蓋整個(gè)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),從20 cm 土層開(kāi)始,隨著深度的增加,涵蓋的級(jí)別明顯減少,土壤AN 含量?jī)H存在于4、5 級(jí)之間,表明土壤AN 含量隨著土層深度的增加,逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài),這一穩(wěn)定狀態(tài)并不是一成不變,而是從高值區(qū)域向低值區(qū)域平緩過(guò)渡,且處于4~5 級(jí)過(guò)渡階段。由0~50 cm 土壤AN 均值水平分布圖可知,錫林郭勒草原土壤AN 總體含量處于3~5 級(jí)之間,屬于中下等水平,即研究區(qū)土壤AN 處于缺乏狀態(tài)。
2.3.2 分層土壤AN 含量垂直變化分析 研究不同土層養(yǎng)分含量的垂直遞減率變化,有利于更好地分析土壤養(yǎng)分含量的變化特征,以用來(lái)預(yù)測(cè)土壤養(yǎng)分的變化趨勢(shì)[33]。對(duì)于不同的草原類型,AN 含量有著相似的變化趨勢(shì)(表3)。在0~30 cm 土層,垂直變化梯度均表現(xiàn)為草甸草原>典型草原>荒漠草原;在20~50 cm 土層垂直變化梯度表現(xiàn)為典型草原>草甸草原>荒漠草原,但是典型草原和草甸草原相差不大。
表3 分層土壤AN 含量垂直變化梯度Table 3 Vertical gradient of AN content in layered soil(%)
對(duì)于同一草原類型來(lái)說(shuō),在垂直方向上,呈現(xiàn)不規(guī)則的波動(dòng)趨勢(shì),草甸草原和典型草原中10~30 cm 垂直變化梯度最大,30~50 cm 次之,而荒漠草原在30~50 cm 垂直遞減率達(dá)到最大值;草甸草原在20~40 cm 變動(dòng)幅度最小,典型草原和荒漠草原均在0~20 cm 表現(xiàn)最小?;哪菰?~20 cm 和20~40 cm 均出現(xiàn)了負(fù)值,說(shuō)明該土層下層AN 含量較上層豐富,這可能與土壤特性有關(guān)。
2.4.1 各分層土壤AN 相關(guān)性分析 對(duì)土壤各層養(yǎng)分的相關(guān)性分析,利于解釋土壤各層養(yǎng)分之間的作用關(guān)系。由表4 可知,各層土壤AN 含量之間存在極顯著的相關(guān)性關(guān)系(P<0.01),空間相關(guān)性強(qiáng)。全剖面0~50 cm均值與各層土壤AN 之間的相關(guān)性程度均介于0.852~0.976,說(shuō)明可以用土壤0~50 cm 來(lái)反映錫林郭勒草原土壤AN 的總體特征。在0~30 cm 之間各土層相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.8 以上,30 cm 以下土壤AN 含量相關(guān)性逐漸降低,說(shuō)明垂直方向上各層土壤之間相互影響,隨著深度的增加,空間相關(guān)性逐漸減弱,并趨于均一化,各層土壤AN 之間相互作用明顯,互相影響,互相制約。這與之前對(duì)AN 空間分布的研究結(jié)果相一致,即在30 cm 處出現(xiàn)拐點(diǎn)。
表4 不同土層土壤AN 含量Pearson 相關(guān)性檢驗(yàn)Table 4 Pearson correlation test of AN content in different soil layers
2.4.2 土壤AN 與土壤化學(xué)特征相關(guān)性分析 為了進(jìn)一步說(shuō)明土壤AN 含量變化與土壤化學(xué)性質(zhì)之間的相互作用程度,本研究選擇有機(jī)質(zhì)(soil organic matter,SOM)、pH、速效磷(available phosphorus,AP)、速效鉀(available potassium,AK)4 種要素來(lái)探討與土壤AN 的相關(guān)關(guān)系。由圖3 可知,有機(jī)質(zhì)與同土層AN 之間存在極顯著(P<0.01)正相關(guān),線性方程為Y=2.2903X+29.546,(Y為土壤AN 含量,X為土壤有機(jī)質(zhì)含量),擬合度為0.9044,擬合較好,說(shuō)明研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)是土壤AN 的一個(gè)促進(jìn)因子,土壤AN 含量受有機(jī)質(zhì)含量的影響。這主要是因?yàn)橥寥乐刑嫉h(huán)作用的結(jié)果,二者之間相互影響,土壤表層腐殖質(zhì)促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加,加速了土壤生態(tài)系統(tǒng)中的碳氮循環(huán),進(jìn)而利于土壤中氮素的累積與氮有機(jī)物的分解。
土壤pH 是調(diào)節(jié)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,pH 通過(guò)影響微生物的活性來(lái)間接制約土壤養(yǎng)分的形成與轉(zhuǎn)化[34]。由圖3 可得,研究區(qū)土壤pH 呈弱堿性,且土壤AN 與pH 之間存在極顯著的負(fù)相關(guān)性(P<0.01),pH 含量越高,土壤AN 含量越低,說(shuō)明氮素的累積在一定程度上受到了pH 的制約。這可能由于過(guò)高的土壤堿度會(huì)影響土壤中微生物的活性,進(jìn)而限制了土壤AN 的含量。
氮、磷、鉀是土壤養(yǎng)分的3 大主要營(yíng)養(yǎng)元素,了解土壤速效養(yǎng)分之間的相互作用關(guān)系,更有利于對(duì)土壤的精準(zhǔn)管理和評(píng)價(jià)。由圖3 可知,AN 分別與AK、AP 呈線性關(guān)系,擬合度R2分別為0.0434 和0.5303。經(jīng)雙變量Pearson檢驗(yàn),其中 AK 和 AN 之間無(wú)顯著相關(guān)性(P>0.05),AP 與土壤 AN 表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),說(shuō)明在錫林郭勒草原土壤AN 的含量與AP 之間相互作用,相互促進(jìn),而不受土壤AK 的影響。
圖3 土壤0~50 cm AN 含量與土壤化學(xué)性質(zhì)的函數(shù)關(guān)系Fig.3 The functional relationship between soil 0-50 cm AN content and soil chemical properties
土壤氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育的主要營(yíng)養(yǎng)成分之一,對(duì)于草地生態(tài)系統(tǒng)生物量發(fā)展,生態(tài)功能與空間結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)具有重要作用[35]。因此對(duì)錫林郭勒草原不同草原類型土壤AN 含量的空間分布格局做了進(jìn)一步的研究,在水平方向上,研究區(qū)各層AN 含量均由草甸草原?典型草原?荒漠草原呈從大到小的趨勢(shì)過(guò)渡。說(shuō)明在草地生態(tài)系統(tǒng)中,地表不同生物量影響著AN 含量的多少。在朱立博等[36]對(duì)呼倫貝爾草原不同植被類型與土壤養(yǎng)分的研究中發(fā)現(xiàn),地表生物量水平與土壤養(yǎng)分之間具有相互關(guān)聯(lián)性,地表生物量的多少,反映了土壤養(yǎng)分的豐缺程度。在垂直方向上,土壤AN 由表層向下有規(guī)律遞減,均呈中等變異程度,這是因?yàn)樵诓莸厣鷳B(tài)系統(tǒng)中,主要植被類型為草類植物,而草類植物根系分布較淺,對(duì)于土壤氮素的吸收和轉(zhuǎn)化能力隨著土層深度的增加,而逐漸減弱,因此導(dǎo)致土壤AN 含量出現(xiàn)如此明顯的差異化特征。在分析3 種不同草原類型不同土層范圍內(nèi)AN 含量垂直分布特征時(shí)發(fā)現(xiàn),對(duì)于草甸草原和典型草原在10~30 cm 土層土壤AN 含量變化明顯,對(duì)于荒漠草原類型來(lái)說(shuō),相比于其他土層,土壤AN 含量在30~50 cm 特征變化最大,不同草原類型土壤AN 含量特征變化不同,有可能是因?yàn)椴菰寥李愋偷牟煌蛘卟菰匀坏乩硪蛩氐挠绊?,該?wèn)題需要做進(jìn)一步研究,以期摸清土壤AN 在不同土層深度的作用程度,為草原的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。
土壤是一個(gè)復(fù)雜的自然綜合體,在其形成過(guò)程中受到諸多因素的影響,例如結(jié)構(gòu)性因素(土壤粒徑、土壤含水量、土壤母質(zhì)、土壤類型等),氣候因素(氣溫、降水、地表溫度、氣候類型等),化學(xué)因素(有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀及其微量元素等),地形因素(海拔、坡度、坡向、下墊面曲率、地貌類型等),人為因素(土地利用方式、放牧形式等)等。本研究的研究區(qū)采樣點(diǎn)只涉及了錫林郭勒草原北部的一些天然草地,未對(duì)南部農(nóng)牧交錯(cuò)帶進(jìn)行研究,因此在空間變異分析中得到土壤AN 含量主要受自身結(jié)構(gòu)性因素的影響。本研究?jī)H探討了土壤常見(jiàn)的化學(xué)因素與土壤AN 之間的相互作用關(guān)系,結(jié)果表明有機(jī)質(zhì)與AN 之間具有極顯著正相關(guān)性,說(shuō)明有機(jī)質(zhì)的累積可以促進(jìn)土壤AN 含量的增加。在祝鑫海等[37]的研究中提到氮素和有機(jī)質(zhì)有關(guān),有機(jī)質(zhì)的礦化可以釋放出速效氮,吳美玲等[38]的研究結(jié)果亦有此觀點(diǎn)。土壤AP 和AN 之間同樣具有極顯著正相關(guān)關(guān)系,這是因?yàn)榈啬茉鲞M(jìn)植物根系的生長(zhǎng),在植物根系生長(zhǎng)的過(guò)程中會(huì)分泌出一些分子有機(jī)酸物質(zhì),這些物質(zhì)在一定程度上促進(jìn)了土壤磷素的活化作用,因而促進(jìn)了磷素從無(wú)機(jī)態(tài)向有機(jī)態(tài)的轉(zhuǎn)化,提高了土壤AP 的含量[39]。研究區(qū)土壤pH 呈弱堿性并與AN 具有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。說(shuō)明在本研究區(qū)土壤pH 是制約AN 豐缺的一個(gè)關(guān)鍵性因子,相關(guān)研究表明pH 過(guò)低或過(guò)高都會(huì)對(duì)土壤微生物活性及地表群落結(jié)構(gòu)特征產(chǎn)生間接性影響,從而影響土壤氮素的礦化分解和累積速率[40],因此合理調(diào)控土壤pH 的大小,不僅可以提高土壤養(yǎng)分的含量,還能促進(jìn)草原生態(tài)系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定發(fā)展。
由于對(duì)研究區(qū)土壤其他因素?cái)?shù)據(jù)的缺乏,導(dǎo)致未能探明土壤AN 與其他眾多影響因素之間的相互作用關(guān)系。在對(duì)研究區(qū)AN 含量的空間插值過(guò)程中,由于采樣時(shí)只從大尺度上考慮了草原類型的影響,而未考慮一些主導(dǎo)自然因素(氣溫,降水,海拔)對(duì)土壤AN 的影響程度,可能會(huì)影響插值精度的準(zhǔn)確性。在以后的野外采樣過(guò)程中,要結(jié)合地形,地貌等條件,合理采樣和設(shè)置樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。這些都將是今后對(duì)錫林郭勒草原土壤AN 分布特征及影響因素分析的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容,從而全面揭示不同草原類型土壤AN 空間變異的影響因素。
1)錫林郭勒草原土壤AN 存在顯著的空間分異規(guī)律。水平方向上,各土層深度土壤AN 含量從東至西逐漸減少,呈條帶狀分布;垂直方向上,各層土壤AN 含量之間具有極顯著(P<0.01)正相關(guān)關(guān)系,隨著土層深度的增加,土壤AN 含量逐層遞減,漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)??傮w上各層土壤AN 含量均具有中等程度變異,空間上存在強(qiáng)相關(guān)性,其空間變異主要受結(jié)構(gòu)性因素的影響。
2)研究區(qū)土壤AN 總體含量屬于中下等水平,處于缺乏狀態(tài)。不同草原類型的AN 含量有著相似的變化趨勢(shì)。在0~30 cm 土層范圍,垂直變化梯度均表現(xiàn)為草甸草原>典型草原>荒漠草原;在20~50 cm 土層垂直變化梯度為典型草原>草甸草原>荒漠草原,但是典型草原和草甸草原相差不明顯。
3)土壤AN 與速效鉀無(wú)明顯相關(guān)性,與土壤有機(jī)質(zhì)和速效磷呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與土壤pH 值具有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。