博爾塔拉河流域土壤有機碳的空間結構分析

帕里達·馬給拉，張登清，吉力力·阿不都外力

（1.新疆大學 資源與環境科學學院，烏魯木齊830046；2.中國科學院 新疆生態與地理研究所 荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，烏魯木齊830011）

陸地生態系統含有大量的碳，其中大部分以土壤有機質的形態儲存于土壤中，即土壤有機碳。土壤是陸地生態系統中最大的碳庫，其碳儲量占整個陸地生態系統碳庫的2／3［1］。土壤碳庫的穩定、增長或釋放都與大氣碳庫的變化有重要的關系，通過研究和控制土壤有機碳的轉化和平衡，可以調控土壤作為大氣CO2的源和匯［2－3］。因而土壤有機碳的分布及其轉化日益成為全球有機碳循環研究的熱點［4］。

目前，我國許多學者對土壤有機碳在不同的土地利用類型［5－6］、尺度［7－9］以及種植方式［10－12］下的空間分布特征作了大量研究。也有一些學者利用地統計學分析了小流域土壤有機碳的分布特征，揭示了不同地形［13］和不同侵蝕強度［14］土壤有機碳分布的差異。大多數學者都認為土壤有機碳呈隨著土層深度增加而降低的趨勢，不同耕作方式和農田保護措施對土壤有機碳含量分布有明顯的改善作用。然而不同區域的自然條件及人類活動方式的不同，土壤有機碳的分布格局也各不相同，因此，有必要對博爾塔拉河流域土壤有機碳的分布特征進行研究。

博爾塔拉河流域是艾比湖的主要補給河流之一，該地區干旱少雨，屬于典型的干旱、半干旱地區。目前，對于博爾塔拉河流域的研究主要集中在土壤物理性質、土壤鹽分變化的問題［15－16］，對于土壤有機碳的研究則較少。因此，本文以博河流域為研究對象，通過資料搜集、野外采樣和室內分析，運用地統計學，研究土壤有機碳的空間分布特征，為優化干旱區土地資源管理措施和保護生態環境提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

博爾塔拉河流域（簡稱博河流域），位于79°53′—83°53′E，44°02′—45°23′N，流域總面積為 11 367 km2，流域全長252km。年均降水量是90.90mm，蒸發量高達3 790mm。博河流域發源于別珍套山匯合處的洪別林達坂，東西流向，南岸有烏爾達克賽河、大河沿子河，北岸有哈拉吐魯克河匯入，流經溫泉、博樂2縣（市）注入艾比湖［17］。博爾塔拉河流域地形總態勢為南北高中間低，西高東低。西、北、南三面環山，兩山系之間為博爾塔拉谷地，向東逐漸呈喇叭口狀敞開，東部艾比湖為流域的匯水中心，與準噶爾平原西部相連（圖1）。

1.2 樣品采集與分析方法

在廣泛收集相關資料的基礎上，以研究區1∶2 500 000地形圖為基礎底圖，沿著博河共選取92個樣點。將博河分成上、中、下3部分區域進行研究，平均間距為5km取一個點。土壤的測定深度為20 cm，相鄰不同的3鉆土樣經混合后組成待測樣品，總量大約500g，并對所有樣品進行編號。采集后的樣品帶回中國科學院新疆生態與地理研究所中心實驗室，自然風干研磨全部過篩2mm備用，用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定土壤有機碳的含量［18］。

圖1 研究區采樣點分布

1.3 地統計分析

地統計學是一種有效的空間分析方法，它是以區域化變量為核心和理論基礎，以變量的空間相關性和變異函數為基本工具的一種數學統計方法［19］。區域化變量是一種既有隨機性又有空間結構性的一種變量。地統計學方法以半方差函數和Kriging插值為基本工具，能對既具有隨機性又具有結構性的各種變量在空間上的分布進行研究［20］。

半方差函數能較好地描述區域化變量的空間分布結構性和隨機性，其中一些重要參數，可反映區域化變量在一定尺度上的空間變異和相關程度，是研究土壤特性空間變異性的關鍵，同時也是進行精確Krigking插值的基礎［21］，其表達式為：

式中：r（h）——變異函數；h——樣點空間間隔，稱為步長；N（h）——樣 點 距 離 等 于h時 的 點 對 總 數；Z（xi）——樣點Z在位置xi的實測值；Z（xi＋h）——xi與距離為h處樣點的值。以r（h）為縱軸，h為橫軸，繪制r（h）隨步長h增加而變化的散點圖，對散點數據采用球狀模型、指數模型、高斯和線性模型等理論模型進行擬合，并由決定系數R2判斷模型擬合的效果。

Krigking是地統計學的主要內容，它是通過對已知樣本點賦權重來求得未知點的值。

式中：Z（x0）——未知采樣點的值；Z（xi）——未知樣點周圍的已知樣本點的值；i——第i個已知樣本點對未知樣本點的權重；n——已知樣本點的個數［20］。

2 結果與分析

2.1 土壤有機碳的統計特征分析

2.1.1 土壤有機碳的描述性統計分析 描述性統計分析是對變量基本的分析，可以從傳統統計學角度來解釋變量的特征。本文將博河流域分為上、中、下3部分進行研究，利用SPSS 19.0，對博河流域上、中、下3部分地區0—20cm土層92個土壤樣點的有機碳含量進行描述性統計分析。分析結果表明，總有機碳含量為1.73～27.36g／kg，平均值為10.81g／kg。其中，博河上部有機碳含量為7.12～23.30g／kg，平均值為11.30g／kg；中部有機碳含量為3.46～22.60 g／kg，平均值為10.86g／kg；下部有機碳含量為1.73～27.36g／kg，平均值為10.53g／kg。說明博爾塔拉河流域土壤有機碳含量比較低，且從流域上部往下部逐漸減少。這個研究結果與劉珊珊等［14］的研究結果：小流域上部向下部土壤侵蝕強度逐漸降低，土壤有機碳含量逐漸升高基本相似，都說明了土壤破壞程度大，有機碳含量就少。土壤有機碳的變異系數從上部到下部依次為31.95%，34.81%，52.90%，都為中等強度的變異［22］，說明博河流域土壤有機碳的分布有一定的區域性差異（表1）。

表1 博河流域土壤有機碳的統計特征值

由于經典統計學方法只能反映土壤有機碳分布的總體，不能反映樣本的獨立性，解決這一問題的方法是進一步研究其空間變化的結構性，即應用地統計學的方法研究土壤有機碳的空間分布結構。

2.1.2 土壤有機碳的正態性檢驗 變異函數的計算

一般要求數據符合正態分布，否則可能會使變異函數產生比例效應［23］。比例效應的存在會使試驗變異函數產生畸變，會抬高基臺值和塊金值，增大估計誤差，變異函數點的波動大，甚至會掩蓋其固有的結構，因此應該消除比例效應。在進行地統計分析前，先采用頻數分布直方圖法對土壤有機碳進行正態性檢驗。以頻率作縱坐標，以有機碳值作橫坐標，做出它的頻數分布直方圖。土壤有機碳是否屬于正態分布，可由其分布直方圖上看出，兩邊大約對稱的為正態分布，反之則不是。由圖2可以看出，博河流域上、中、下部土壤有機碳均屬于正態分布。

圖2 博河流域土壤有機碳的頻數分布

2.2 土壤有機碳的空間結構分析

2.2.1 土壤有機碳空間分布的半方差分析 為確定隨機因素對土壤有機碳的影響及土壤有機碳空間相關的范圍，根據不同空間位置上壤有機碳的分析數據，計算實際半方差值，繪制散點圖（圖3）。利用GS＋9.0對研究區（0—20cm）土壤有機碳進行空間變異理論模型的擬合，理論模型及模型參數結果見表2。

由圖3和表2可知，博河上部和下部土壤有機碳的半方差理論模型符合高斯模型；中部土壤有機碳的半方差理論模型符合線型模型。用理論模型對有機碳半變異函數進行擬合的結果很好，決定系數為0.06～0.71g／kg。說明依據這些理論模型可較好地評價研究區土壤有機碳的空間結構特征。

圖3 博河流域土壤有機碳的半方差函數

表2 博河流域土壤有機碳的理論模型及相關參數

土壤有機碳分布由結構性因素（如氣候、母質、地形、土壤類型、自然因素等）和隨機性因素（如施肥、耕作措施、種植制度等各種人為活動）決定，使得土壤有機碳的空間相關性減弱，朝均一化方向發展［20］。塊金值（C0）表示主要由隨機因素引起的空間變異，塊金值與基臺值的比值C0／（C0＋C）表示空間變異程度，即隨機部分引起的空間變異占系統總變異的比例，常被用作研究變量空間相關的分類依據［24］。如果C0／（C0＋C）＜25%說明空間相關性強，表明結構性因素引起的空間變異起主要作用；如果C0／（C0＋C）在25%～75%之間則表現為中等空間相關性，表明結構性因素和隨機因素共同起作用；如果C0／（C0＋C）＞75%則表現為弱空間相關性，表明只受隨機性因素影響［25］。研究區土壤有機碳的塊金值（C0）在0.76～13.87g／kg之間，都比較小。說明在本研究尺度上由隨機因素引起的空間變異較小。博河上部塊金方差與基臺值之比C0／（C0＋C）＞75%，表現為弱空間相關性，表明只受隨機性因素影響。博河中部和下部的塊金方差與基臺值之比C0／（C0＋C）分別為54.90%和53.40%，都在25%～75%之間，表現為中等空間相關性，表明結構性因素和隨機因素共同起作用。這與李龍等［13］的研究結論：土壤有機碳的空間變異主要是由結構性因素引起的，隨機因素對其變異影響較小不太一致。這種結果可能是由于博河流域自上游到下游不同的地形、土壤類型以及人類活動方式的不同，使得有機碳含量的空間分布存在差異。

變程在分析空間變異時，有一定的指導意義和作用，可作為采樣有效距離的參考。本文所布設的樣點之間的平均間隔距離5km，而土壤有機碳樣點的變程均大于5km，表明進行空間內插是有效的。變程（A）還用于確定模型的獨立間距（相關距離）。它代表了變量的空間相關范圍大小。在變程之內，變量具有空間自相關特性，反之則不存在［26］。變程（A）也是空間變異的重要參數，它可以表示土壤有機碳的空間變異程度，空間相關性強，變程就大，反之則小。由表2可以看出，所測的博河流域上、中、下部土壤有機碳變程依次為2.65，23.35，23.37，顯示為逐漸增大，而且從上部到下部的變程隨著C0／（C0＋C）減小而逐漸增大，說明從上部到下部空間相關性逐漸增大，這可能是由于流域上部區域人類活動較中下部區域頻繁。

2.2.2 土壤有機碳的空間分布 基于半方差函數的建立，為了進一步準確而直觀研究土壤有機碳空間分布特征，確定其結合方式，利用半變異函數模型進行普通的Kriging插值得到有機碳的含量分布圖，詳見圖4。

從圖4可以看出：（1）博爾塔拉河流域的土壤有機碳的空間分布特征主要以斑塊狀為主，基本與耕地分布相吻合。（2）全流域最大值出現在下游，可能與耕作模式以及河流從上游攜帶大量營養物質，通過灌溉在下游土壤沉淀累積有關。（3）博樂市周邊土壤有機碳含量最低，這可能主要與博樂市周圍為城市和工業用地有關。

圖4 博河流域土壤有機碳含量的空間分布

3 結 論

（1）研究區表層土壤有機碳的含量統計特征值顯示，土壤有機碳符合正態分布。

（2）半方差函數分析表明：博河上部和下部土壤有機碳較好地符合高斯模型分布，中部有機碳符合線型模型分布。塊金值與基臺值的比值C0／（C0＋C）表明博河上部表現為弱空間相關性，表明只受隨機性因素影響；博河中部和下部表現為中等空間相關性，表明結構性因素和隨機因素共同起作用。博河流域從上部到下部土壤有機碳含量的空間相關性逐漸增大。

（3）從土壤有機碳的空間分布特征可以看出：博爾塔拉河流域土壤有機碳的空間分布特征主要以斑塊狀為主，基本與耕地分布相吻合。全流域最大值出現在下游，可能與耕作模式以及河流從上游攜帶大量營養物質，通過灌溉在下游土壤沉淀累積有關。博樂市周邊土壤有機碳含量最低，這可能主要與博樂市周圍為城市和工業用地有關。

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