關帝山不同植被恢復類型土壤碳氮的空間變異性

武江星，嚴俊霞，李洪建

（山西大學 黃土高原研究所，太原030006）

空間異質性是指生態學過程和格局在空間分布上的差異性和復雜性。近年來，空間異質性問題受到生態學家們的廣泛關注。土壤空間異質性受隨機性因素（取樣、測量誤差）和結構性因素（地形、母質、植被類型等）的共同影響，是異質性研究的一個重要領域，國內外已有大量研究報道［1－2］。土壤碳氮含量是反映土壤肥力的重要指標，揭示土壤碳氮含量的空間變異規律是實現土壤可持續利用和區域可持續發展的前提。近年來，許多研究表明，土壤有機質和全氮含量在不同尺度上都存在明顯的空間異質性，屬于中等變異，并具有明顯的空間自相關性。二者的空間分布格局基本一致，空間變異主要由結構性因素引起的［3－5］。也有部分學者對影響土壤有機質和全氮含量空間分布格局的因子進行了分析，指出土壤類型、地形、地貌、植被類型及人為活動等因素對空間變異的影響［6－8］。

黃土高原地區地處半干旱半濕潤氣候帶，自然植被破壞嚴重，土壤貧瘠且結構疏松，水土流失嚴重，是我國主要的生態環境脆弱地區之一，也是國家以退耕還林還草為核心的生態恢復建設工程的重點實施區域。對黃土高原的退耕地進行植被恢復和重建，對提高土地生產力、減緩水土流失、改善生態環境有著重要的實踐意義。迄今為止，不同植被恢復類型土壤全碳和全氮含量差異的研究已經有很多［9－14］，而對不同植被恢復類型空間變異性特征的研究鮮有報道。本文采用傳統統計分析和地統計學分析方法，以退耕后人工種植的華北落葉松林和自然演替而成的針闊混交林為研究對象，探討不同植被恢復類型土壤全碳和全氮的空間分布特征及其與環境因子的關系，以期為黃土高原地區退耕地的植被恢復與重建提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在山西省龐泉溝國家自然保護區內進行。區內屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均氣溫3～4℃，年均降水量830.8mm，多集中在7月、8月，無霜期100～130d，保護區自然概況詳見文獻［15］。試驗地位于龐泉溝自然保護區試驗區的八道溝口，本研究選取農田棄耕后人工種植的華北落葉松林（LYS）和天然次生的針闊混交林（ZKHJ）2種植被類型，各樣地的植被、土壤、地形情況等詳見文獻［15—16］。

1.2 研究方法

在華北落葉松人工林、針闊混交林地中分別選取面積為20m×20m，20m×16m的區域作為供試區域，在樣地內均采用分級網格嵌套法布置測定點，2個樣地分別布設108個和102個取樣點，取樣點的詳細設計見文獻［15—16］。

用LI－6400的土壤溫度探針測定5cm（T5）、10cm（T10）和15cm（T15）深度的土壤溫度值。0—10cm深度的土壤含水量（Ws）采用烘干法測定。用土鉆取0—10cm深度的土壤裝入封口袋內，所取土樣部分用于測定土壤水分（105℃烘干），部分自然風干，過2mm土壤篩，使用vario MACRO cube元素分析儀（德國）測定土壤全氮（N）和全碳（C）。碳氮比（C/N）＝C/N。

1.3 數據處理與統計

1.3.1 經典統計 采用單樣本柯爾莫哥洛夫—斯米洛夫 （One－sample Kolomogorov－Semirnov，K－S）檢驗數據是否符合正態分布，檢驗時取顯著性水平α＝0.05。采用Pearson相關分析法分析環境因子與土壤全碳、全氮的相關關系。采用兩獨立樣本t檢驗分析兩個樣地土壤全碳、土壤全氮均值是否存在顯著差異。上述分析均利用SPSS 17.0軟件進行。

采用以下公式確定土壤樣本容量：

式中：n——合理的樣本容量；T——與顯著性水平相對應的t分布的雙側分位數；CV——樣本變異系數；k——試驗允許的誤差［17］。

1.3.2 地統計分析 用 GS＋9.0（Gamma Design Software，Inc.）進行半方差函數模型擬合和參數計算。利用Surfer 8.0（Golden Software，Inc.）進行克里金（Kriging）插值，繪制各指標空間分布的等值線圖。

2 結果與分析

2.1 傳統統計分析

2.1.1 常規統計分析 傳統統計分析表明，ZKHJ土壤全碳、全氮含量都比LYS的高，分別為2.27%，0.17%和1.27%和0.10%（表1）。獨立樣本t檢驗表明，2種植被類型土壤全碳和全氮的均值差異顯著。除ZKHJ土壤C/N比屬于弱變異外，2種植被類型土壤全碳和全氮及其環境因子的空間變異均屬于中等變異（10%≤CV≤100%）。ZKHJ土壤全碳、全氮和土壤水分的空間變異系數都大于LYS的，分別為37.07%，30.01%，22.56%和19.85%，22.31%，13.34%；2種植被類型5，10，15cm深度的土壤溫度的空間變異系數相差不大，為11%～16%。對數據進行K－S檢驗結果表明，除LYS樣地的T15，C，N和C/N比對數轉換后符合正態分布（PK－S＜0.05）外，其他指標均符合正態分布（PK－S＞0.05），數據滿足平穩假設，不需要進行轉換就可以進行地統計學分析。

2.1.2 簡單相關分析 簡單相關分析表明，ZKHJ和LYS土壤全碳和全氮的相關系數分別為0.79，0.98，相關性達到了極顯著水平（p＝0.00）。ZKHJ和LYS土壤全碳和全氮含量與Ws存在極顯著的線性正相關關系（p＜0.01），相關系數分別為0.61，0.59，0.31，0.21。ZKHJ土壤全碳和全氮與T5，T10和T15存在顯著的線性負相關關系（p＜0.01）；除LYS土壤全氮與T5存在極顯著的線性負相關關系外（p＜0.01），其土壤全碳和全氮與3種不同深度的溫度都相關不顯著（p＞0.05）（表2）。表明土壤水分對2種植被類型的土壤全碳和全氮空間分布的影響要遠大于土壤溫度的影響。

2.2 空間變異特征分析

2.2.1 半方差函數分析 利用LYS土壤全碳和全氮的測定數據，ZKHJ土壤全碳和全氮則利用對數轉換后的數據進行半方差函數分析。結果表明（表3），ZKHJ土壤全碳和全氮的理論模型為線性模型，而LYS土壤全碳和全氮的理論模型分別為指數和球形模型，表明ZKHJ土壤全碳和全氮含量呈隨機分布，而LYS的則呈聚集分布。2種植被類型土壤全碳和全氮的塊金值/基臺值都≤25%，表明他們具有較強的空間自相關性，隨機因素引起的異質性較小，空間異質性的變化主要由結構因素如氣候、地形和土壤成土母質等自然因素引起的。ZKHJ土壤全碳和全氮的變程都為17.35m，大于 LYS的（9.06m，7.80 m），表明影響2種植被類型土壤全碳和全氮空間分布的生態過程尺度不同。

表1 土壤全碳和全氮及其影響因子的描述統計分析

表2 土壤全碳、全氮與環境因子的相關系數

表3 土壤全碳、全氮的變異函數模型及其參數

2.2.2 空間分布格局 基于Kriging插值法得到2個研究樣地土壤性質各指標的空間分布格局（圖1）。與ZKHJ相比，LYS土壤水分、土壤全碳和全氮含量的變異范圍較小、空間分布模式簡單。同一種植被類型，土壤全碳和全氮含量的分布模式極為相似，表明二者的空間關聯性較好。LYS土壤全碳和全氮呈條帶狀分布，低值區位于測定區域的南部，高值區位于測定區域的西北角；ZKHJ土壤全碳和全氮呈斑塊狀分布，南部區域低、北部區域高。

2.3 合理采樣數目的確定

在同一置信水平和估計精度下，ZKHJ需要的必要采樣數量比LYS的多，在95%置信水平90%的估計精度下，ZKHJ和LYS土壤全碳和全氮的必要采樣數量分別為53，33，15，19（表4）。在同一置信水平下，合理采樣數目隨著估計精度的降低而大幅度減少。

3 討 論

植被能夠改善土壤肥力，不同植被類型土壤養分含量不同［10－11，18］。農田退耕還林還草后，每年都有大量的枯枝落葉進入土壤，經微生物分解后形成腐殖質，使得土壤有機碳增加，并將大氣中的氮素固定到土壤中，使土壤肥力不斷提高。本研究中，針闊混交林土壤全碳和全氮含量比落葉松人工林的分別高1.00%和0.07%，天然恢復的針闊混交林更有利于土壤碳氮積累。華北落葉松林屬于針葉林，群落結構簡單，植被類型單一，林下無草本植物或灌木，凋落物少且不易分解，因此土壤碳氮含量低。而自然恢復的針闊葉混交林群落結構復雜，植被類型多樣（林種以云杉＋華北落葉松＋樺樹為主，林下植物有披針苔草、中亞苔草等），根系生物量大，大量凋落物和根系腐爛物為土壤提供了充足的養分，土壤碳氮含量高，這與前人研究結果相一致［9，11］。如王凱博等［9］研究表明，天然灌木林和天然草地土壤養分含量明顯高于人工植被類型；并且人工灌木林土壤養分含量高于人工喬木林。馬玉紅等［11］指出在黃土高原丘陵溝壑區，天然恢復植被較人工植被有機碳氮積累速度快，潛力大。

圖1 土壤溫度、土壤水分、土壤全碳和土壤全氮空間分布

表4 不同置信水平與估計精度下必要采樣數量

土壤理化性質的空間變異性是植被、地形、氣候、土壤母質、外界干擾及其他隨機性因素共同作用的結果［2，19－20］。有報道指出隨溫度的增加和降水的降低，土壤有機碳和全氮蓄積量呈減少趨勢［7］。本研究中，2種植被恢復類型土壤全碳和全氮含量與Ws存在極顯著的線性正相關關系，可能是因為土壤含水量高的樣點，地上植被和根系生物量也較多，枯落物和根系分解速率較快，有利于土壤碳氮的積累。針闊混交林土壤全碳和全氮與T5，T10和T15存在顯著的線性負相關關系，原因可能是土壤溫度高的地方，也是地上枯落物分解快、土壤有機質礦化和氮礦化速率快的地方，因此積累的有機質和氮較少，這與前人的研究結論相吻合［2，19］。劉偉等［2］報道了黃土高原草地0—40 cm土壤有機碳含量與土壤含水量呈顯著正相關，與年均溫呈極顯著負相關。張娜等［19］研究表明天童常綠闊葉林土壤全碳和全氮的空間異質性與海拔呈正相關，高海拔溝谷樣方的土壤全碳含量最高，可能是高海拔溝谷樣方土壤易積水，形成厭氧環境，且平均氣溫略低于低海拔地區，土壤有機碳分解速率減慢，有利于土壤有機質的積累。雖然土壤溫度和土壤水分可在一定程度上解釋2種植被類型土壤全碳和全氮含量的空間變異，但還有一部分空間變異未被解釋，表明還有其他因子影響土壤性質各指標的空間變異，如根系生物量、凋落物量、林窗、微地形以及空間因子等均會不同程度地影響土壤性質，有待進一步研究。

本研究中，針闊混交林在17.35m范圍內土壤全碳和全氮具有強烈的空間自相關性，結構性因子分別引起了79%和75%的空間變異；而落葉松人工林土壤全碳和全氮分別在9.06m和7.80m范圍內具有強烈的空間自相關性，結構性因子分別引起了99.8%和94%的空間變異，表明2個樣地土壤全碳和全氮的空間變異主要受地形、土壤母質、氣候等自然因素的影響。張亞茹等［3］研究表明鼎湖山季風常綠闊葉林在17.4m和46.20m小尺度范圍內，結構性因子分別能解釋土壤有機碳和全氮含量空間變異93.6%和53.7%。張娜等［19］指出天童常綠闊葉林土壤全碳和全氮在81.6m范圍內具有中等程度的空間自相關，是結構性因素和隨機性因素共同作用的結果。本研究中，落葉松人工林土壤全碳和全氮的空間自相關性比針闊混交林高，空間變異程度比針闊混交林低，空間格局分布也表現為更為連續的空間分布特征，反映了該樣地土壤全碳和全氮具有較強的穩定性，其原因可能是針闊混交林內植被類型分布不均勻引起的，這一結果與張娜等［19］的研究結果相一致。

4 結 論

（1）2種植被恢復方式的土壤全碳和全氮含量的均值存在顯著的差異，ZKHJ土壤全碳和全氮含量比LYS的分別高1%和0.07%；ZKHJ土壤全碳和全氮的空間變異系數比LYS的分別高17.22%和7.70%。

（2）土壤水分對2種植被類型土壤全碳和全氮空間分布的影響大于土壤溫度的影響。

（3）2種植被類型土壤全碳和全氮都具有較強的空間自相關性，隨機因素引起的異質性較小，空間異質性的變化主要由結構因素引起的。2種植被類型土壤全碳和全氮含量的變程不同，表明影響2種植被類型土壤全碳和全氮空間分布的生態過程尺度不同。

（4）在同一置信水平和估計精度下，ZKHJ需要的必要采樣數量大于LYS的取樣數量。

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