新疆伊犁地區草地土壤容重空間格局分析

周李磊，朱華忠，鐘華平，楊華，索菲婭，邵小明，周星杰

(1.重慶師范大學地理與旅游學院三峽庫區地表過程與環境遙感重慶市重點實驗室，重慶 400047；2.中國科學院地理科學與資源研究所

資源與環境信息系統國家重點實驗室，北京 100101；3.中國科學院地理科學與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點實驗室，

北京 100101；4.新疆大學生命科學與技術學院，新疆 烏魯木齊 830046；5.中國農業大學資源與環境學院，北京 100083)

?

新疆伊犁地區草地土壤容重空間格局分析

周李磊1,2，朱華忠2，鐘華平3*，楊華1，索菲婭4，邵小明5，周星杰3

(1.重慶師范大學地理與旅游學院三峽庫區地表過程與環境遙感重慶市重點實驗室，重慶 400047；2.中國科學院地理科學與資源研究所

資源與環境信息系統國家重點實驗室，北京 100101；3.中國科學院地理科學與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點實驗室，

北京 100101；4.新疆大學生命科學與技術學院，新疆 烏魯木齊 830046；5.中國農業大學資源與環境學院，北京 100083)

摘要：以新疆伊犁地區146個草地樣地表層土壤容重調查測定數據為基礎，結合遙感及氣象數據，進行草地土壤容重與海拔、年均氣溫、年均降雨、≥10℃年積溫、濕潤度和NDVI間的相關及回歸分析，構建土壤容重綜合評價模型，借助ArcGIS平臺加權疊加計算出伊犁地區草地土壤容重的空間分布格局。結果表明，伊犁地區草地土壤容重與海拔、年均氣溫、年均降雨、≥10℃年積溫、濕潤度和NDVI間顯著相關(P<0.01)；綜合評價結果與實測值之間的復相關系數R2=0.6025，均方根誤差(RMSE)為0.1479 g/cm3，總體偏差為14.39%，平均預測精度達85.61%。空間格局上，土壤容重在河谷地帶較高，隨著海拔遞增呈現出逐漸減小的趨勢；伊犁河谷兩側的溫帶荒漠類草地土壤容重最大，約為1.3340 g/cm3，南部天山北坡的高寒草甸類草地最小，約為0.7310 g/cm3。綜合評價結果較好地反映了新疆伊犁地區的土壤容重空間分布情況，與土壤類型和草地類型的分布基本吻合，可以為草地退化安全評估提供參考。

關鍵詞：土壤容重；回歸分析；空間格局；草地；新疆伊犁

土壤和草地是草地生態系統中兩個重要的組成部分[1-2]，兩者間相互作用相互影響，從宏觀上看，土壤類型分布規律與草地類型分布規律相互協同，不同生物氣候帶下形成不同的土壤類型，相應的不同土壤類型上，形成不同的植被類型[3]；從微觀上看，植被通過根系與土壤進行著各種物質代謝進而影響土壤的理化性質，反過來土壤通過調節分配水、熱、氣、肥為植物的生長源源不斷地提供所需營養物質[4]。近年來由于受到社會經濟的發展與全球氣候變化的影響，加上人類活動的干擾，天然草地面積減少、質量下降，草地退化不斷擴展，草地退化最直接的表現是植被退化和土壤退化[5]，其中，土壤退化是草地退化的核心問題[6]。土壤容重是土壤的基本物理屬性，是指自然狀態下單位容積體(包括土粒和空隙)的質量或重量[7-8]，對土壤的透氣性、入滲性能、持水性能、溶質遷移特征以及土壤抗侵蝕能力有著重要影響[9-10]。作為土壤理化特性指標，土壤容重在指示土壤質量退化的同時，對草地退化具有敏感性，可以作為草地退化的數量指標[11-12]。研究表明，草地退化程度對土壤容重有顯著的影響[2]，土壤容重隨著草地退化程度的加劇而增大[5,12-14]。但目前草地土壤容重的研究多停留在地面調查數據的傳統統計分析上[15-17]，區域性的草地土壤容重空間格局變化分析相對較少。隨著地理信息系統(geographic information system，GIS)的發展，空間格局分析已廣泛運用到地理生態學研究中[18-22]，而運用在區域尺度上土壤容重的空間格局分析既是一個嘗試也是一個創新。

基于此，本文以伊犁草地土壤容重調查采樣數據為基礎，結合遙感數據、氣候數據和地形數據，以新疆伊犁地區為研究對象，運用地理統計方法，構建土壤容重與地理要素的相關模型，借助GIS平臺對新疆伊犁地區草地土壤容重空間分布進行插值計算，以期獲取伊犁地區草地土壤容重的空間格局數據，為草地生態安全評估提供基礎數據。

1材料與方法

1.1研究區概況

伊犁地區(42°14′16″ -44°53′30″ N，80°09′42″ -84°56′50″ E)位于歐亞大陸天山北坡西部山區的伊犁河谷，東、南、北三面高山環繞，地勢東高西低，東窄西寬，呈喇叭型向西敞開，使來自西部的濕潤水汽和巴爾喀什湖的暖流沿伊犁河長驅直入谷地深處[23-24]，形成了溫帶大陸性半干旱氣候區。“山谷-盆地-河谷平原”的獨特地形地貌使得伊犁降水充沛，境內有伊犁河、喀什河和特克斯河3條主要河流，年均降水量為200~800 mm，年均氣溫為2.9~9.1℃，年均日照時數為2700~3000 h[25]，是新疆最濕潤的地區。伊犁地區自然條件優越，農、牧業發展優勢明顯，農畜產品豐富，是新疆的糧倉和全國著名的牧場。天然草地面積約為371萬hm2，占新疆草地資源的6.38%，其產草量以及載畜能力均處于全疆最好水平[26-27]。

1.2數據來源及處理

1.2.1草地土壤容重數據綜合考慮伊犁地區草地類型的分布特點、草地利用方式、利用強度等方面，在全區范圍內設置了146個草地樣地(圖1)，于2013年7-9月對全部樣地進行實地GPS定位，同時記錄經緯度坐標、海拔和利用方式，并對實地定位的草地樣地進行樣方調查與采樣。依據代表性原則，選擇代表整個樣地植被、地形及土壤等特征的地段，設置3個樣方，在完成草地樣方調查的基礎上，清理樣方土壤表面的植物殘留物和雜質，將取樣后的環刀(規格100 cm3)，做好樣方標記，帶回室內105℃烘干至恒重，稱重；取3個重復。

1.2.2遙感數據研究區內MODIS產品數據，主要是指歸一化植被指數(NDVI)，數據來源于美國地質調查局(http://ladsweb.nascom.nasa.gov)的成品數據產品(MOD13Q1)，數據采集的時間為2013年8月11日，用MRT拼接轉投影，空間分辨率1 km。

1.2.3氣候數據包括1957-2012年伊犁地區多年平均的年均氣溫、年均降雨量、≥10℃年積溫、濕潤度(伊萬諾夫濕潤度[28])，根據氣象站點實測數據，運用ANUSPLIN專業氣象插值軟件，空間插值得到，空間分辨率1 km。

1.2.4其他數據數字高程模型(DEM)從國家地球系統科學數據共享平臺(www.geodata.cn)下載，空間分辨率30 m；伊犁地區草地類型數據為20世紀80年代全國草地調查1∶100萬草地類型圖矢量數據。

1.3分析方法

1.3.1生態要素的選取從影響土壤容重的氣候、地形和植被因素考慮，選取年均氣溫、年均降雨量、≥10℃年積溫、濕潤度、海拔和NDVI這6個生態要素，來評價草地表層土壤容重的空間分布情況。

1.3.2數據分析將土壤容重數據按照樣地編號，將能被3整除的取出，共48個樣地數據作為檢驗數據，剩下的98個樣地數據作為分析統計基礎數據；刪除明顯異常點，最終得到46個檢驗數據和96個分析數據，共計142個有效數據；利用SPSS 20統計分析工具，對新疆伊犁地區142個樣地調查的表層土壤容重數據進行K-S檢驗(P<0.05)；根據樣地調查數據的經緯度，加載到ArcGIS中，經過投影轉換，得到與NDVI數據和氣候數據(年均氣溫、年均降雨量、≥10℃年積溫、濕潤度)坐標投影相匹配的采樣點空間數據，分別提取采樣點所對應的生態要素的數據；利用Excel 2013和OriginLab進行土壤容重與各生態要素間的相關分析、回歸分析及制圖，建立回歸方程，探討土壤容重與各生態要素間的相互關系。

1.3.3土壤容重綜合評價模型確定各要素對土壤容重的權重，構建了多元數據的土壤容重綜合評價模型：

(1)

式中，P表示土壤容重，i為生態要素，Wi表示某種生態要素對土壤容重的影響權重，Yi表示某種生態要素與土壤容重的回歸方程。

1.3.4綜合評價結果精度評價方法用實測的檢驗數據與最終綜合評價結果的預測值進行對比檢驗。綜合評價結果精度通過均方根誤差(RMSE)、偏離度(E)和實測值與綜合評價結果間的線性回歸模型的復相關系數R2來檢驗[29]。

(2)

(3)

2結果與分析

2.1草地植被表層土壤容重統計分析

2.1.1樣方數據標準差分析根據新疆伊犁地區草地樣方調查數據，按照草地類型和利用方式將伊犁地區草地表層的土壤容重分組歸類后，計算各組數據間的標準差，結果如表1所示，各組的標準差都比較小，最大0.24 g/cm3，最小0.08 g/cm3。標準差都比較小，說明數據間差異比較小，數據比較整齊。

表1　伊犁地區主要草地類型土壤容重統計分析

2.1.2不同草地類型的土壤容重新疆伊犁地區草地土壤容重平均值為1.01 g/cm3(表1)；在新疆伊犁主要7種草地類型中，溫性荒漠類草地的土壤容重最大，為1.36 g/cm3，其次是溫性荒漠草原類，為1.29 g/cm3，土壤容重最小的是高寒草甸類，為0.72 g/cm3。不同草地類型的土壤容重由大到小依次為溫性荒漠類>溫性荒漠草原類>溫性草甸草原類>低地草甸類>溫性草原類>溫性山地草甸類>高寒草甸類。

2.1.3不同草地利用方式的土壤容重伊犁地區草地利用方式主要是放牧場和打草場，由表1可知,放牧場土壤容重平均值約為1.05 g/cm3，打草場土壤容重約為0.94 g/cm3。同種草地類型，利用方式不同，其土壤容重也不同，用于放牧的溫性山地草甸類土壤容重為0.88 g/cm3，而用于打草場的山地草甸類土壤容重為0.80 g/cm3；用于放牧的溫性草原類土壤容重1.09 g/cm3，而用于打草場的溫性草原類土壤容重0.98 g/cm3。放牧場的土壤容重大于打草場，造成這種差異的原因可能與放牧時的踐踏有關[30-31]。

2.2草地植被土壤容重與各生態要素相關及回歸分析

分別建立土壤容重與各生態要素間的二項式回歸方程(圖2)，草地土壤容重與海拔、年均氣溫、年均降雨、≥10℃年積溫、濕潤度和NDVI均呈極顯著相關(P<0.01)，其中，與年均氣溫、≥10℃年積溫呈顯著正相關關系；與海拔、年降水量、濕潤度、NDVI呈顯著負相關關系。土壤容重與≥10℃年積溫、年均氣溫和海拔的擬合效果較好，復相關系數都達到0.6以上，其中，土壤容重與≥10℃年積溫的擬合效果最好，R2=0.6508；而土壤容重與年均降雨的擬合效果較差，R2=0.2525，這與使用的降雨基礎數據的質量有關。

圖2　不同要素與土壤容重的回歸分析Fig.2　Regression analysis of the soil bulk density with different factors　a：海拔與土壤容重關系 Relationship between soil bulk density and altitude；b：年均氣溫與土壤容重關系 Relationship between soil bulk density and average annual temperature；c：年均降雨與土壤容重的關系 Relationship between soil bulk density and average annual rainfall；d：濕潤度與土壤容重關系 Relationship between soil bulk density and humidity index；e：≥10℃年積溫與土壤容重關系 Relationship between soil bulk density and ≥10℃annual accumulated temperature；f：NDVI與土壤容重關系 Relationship between soil bulk density and NDVI index.

2.3草地土壤容重綜合評價

2.3.1單要素驅動下土壤容重的計算根據各生態要素與土壤容重的回歸方程，在ArcGIS中重新插值計算出伊犁地區表層土壤容重的空間分布(圖3)。

從單因子插值計算的草地表層土壤容重的空間分布形態來看，海拔(圖3a)、年均氣溫(圖3b)、≥10℃年積溫(圖3d)、濕潤度(圖3e)等要素的草地土壤容重插值結果效果較好，與實地調查的情況較為吻合，插值結果的空間形態相似，土壤容重最大值均出現在中部河谷地帶，最小值出現在南部和東北部的高山地區；而年降水量(圖3d)和NDVI(圖3f)要素草地土壤容重插值的結果與其他4個要素的插值結果在形態上有較大區別。降雨作為土壤形成的重要氣候因素，其插值結果(圖3d)并不是很好，最大的土壤容重值出現在伊犁地區的東部，且插值結果的最大值較其他幾個要素插值結果中的最大值偏小，最小值偏大，這與所用的降雨數據的質量有關，導致線性擬合時復相關系數較小，進而導致插值結果中最大值和最小值向中間壓縮。NDVI的插值結果(圖3f)最大值出現在南部和東北部的山區，最小值出現在中部河谷地帶，這與實際情況是相符的，因為山頂都是裸巖，NDVI較小，河谷地帶是連片的耕地，NDVI值較大，所以插值出來的結果與其他幾個要素的插值結果在形態上有較大區別，是非草地類型影響的結果。

圖3　伊犁地區土壤容重單要素計算結果Fig.3　The result of soil bulk density by single factor in Yili area　a：海拔計算土壤容重 The result of soil bulk density by altitude；b：年均氣溫計算土壤容重 The result of soil bulk density by average annual temperature；c：年均降雨計算土壤容重 The result of soil bulk density by average annual precipitation；d：≥10℃年積溫計算土壤容重 The result of soil bulk density by ≥10℃annual accumulated temperature；e：濕潤度計算土壤容重 The result of soil bulk density by wettability；f：NDVI計算土壤容重 The result of soil bulk density by NDVI.

2.3.2各要素權重的確定各項生態要素對草地土壤容重的影響作用程度是不同的，分別賦予各要素不同的權重值來表示各要素對土壤容重的作用程度，常用的權重賦值方法有主成分分析法，層次分析法，專家評價法等。本研究主要根據各生態要素插值結果與實測數據的線性擬合方程的斜率(K)和復相關系數(R2)所占的比重，來評價各要素對土壤容重的作用程度，賦予各生態要素不同的權重值。

(4)

(5)

式中，wi表示各要素的權重，Rei表示比值，Ri2表示復相關系數，Ri2越大，表示插值結果與實測結果擬合度越高；Ki表示擬合方程的斜率，Ki越接近1說明插值結果和實測結果一致；i=1，2，……，6，表示6個生態要素。

分別提取參與分析的96個樣地點所對應的6個生態要素的插值結果，將插值結果與實測結果進行線性擬合，計算擬合方程斜率K和復相關系數R2，最后按照公式(4)和公式(5)計算出各個要素的權重，結果見表2。

2.3.3土壤容重綜合評價在ArcGIS中加權疊加計算出空間分辨率1 km的新疆伊犁地區土壤容重的空間分布圖，再用伊犁地區草地類型矢量數據對其進行掩膜裁剪，得到最終的伊犁地區草地土壤容重綜合評價的結果(圖4)，這樣可以排除非草地用地類型(包括伊犁河兩側的大片耕地、天山和博羅科努山山脊的裸巖以及居民點等非草地類型)對插值結果分析的影響。

表2 各項要素權重Table2 Eachfactorweightparameters要素Factor斜率Slop(K)復相關系數Multiplecorrelationcoefficient(R2)權重Weight(w)海拔Altitude0.58790.58840.2395年均氣溫Averageannualtemperature0.62600.60500.2990年均降雨Averageannualrainfall0.16610.14430.0143≥10℃年積溫≥10℃annualaccumula-tedtemperature0.63110.61090.3103濕潤度Wettability0.30230.30810.04388月份NDVI指數NDVIindexinAugust0.42620.44360.0931

2.3.4 綜合評價結果檢驗 提取46組檢驗數據所對應的綜合插值的草地植被土壤容重數據與實地采樣數據進行相關分析(圖5)。結果表明,估計值與實測值之間的相關系數R2=0.6025;相關方程斜率為1.1319,截距-0.145;與1∶1對角線對比,檢驗數據均勻分布在兩側,說明插值預測的結果與實測數據相當,本文所用的土壤容重評價模型的預測結果比較準確;方差分析結果,P<0.01,表明回歸顯著;估計值與實測值之間的均方根誤差(RMSE)為0.1479,總體偏離約為14.39%,平均預測精度達85.61%。

2.4 草地土壤容重空間格局分析

2.4.1 伊犁地區草地土壤容重的空間格局分析 由插值結果可知(圖4),新疆伊犁草地土壤容重的最大值,主要集中在伊犁河兩側河灘以外的荒漠區,最小值出現在天山北側和博羅科努山南側的高海拔、人類活動相對較弱的區域;整體上草地土壤容重沿著境內伊犁河、特克斯河和喀什河由低海拔平原地區向兩側高海拔從大到小演變。

圖4　伊犁草地土壤容重空間分布格局Fig.4　The spatial distribution of the soil bulkdensity of grassland in Yili area

圖5　插值數據與實測數據相關關系Fig.5　Relationship between the estimatedvalue and the measured value

從分區統計的結果看(表3)，伊寧市的草地土壤容重的均值最大，為1.2384 g/cm3，最小的是昭蘇縣，為0.8773 g/cm3；整個研究區內草地土壤容重的均值為0.9600 g/cm3，區域內有5個區縣的草地土壤容重均值大于全區的土壤容重均值，占整個研究區區縣個數的55.56%。各區縣草地土壤容重均值大小排序為：伊寧市>察布查爾錫伯自治縣>霍城縣>鞏留縣>伊寧縣>新源縣>特克斯縣>尼勒克縣>昭蘇縣，這與各區縣草地類型所占比重有關。

2.4.2伊犁地區不同草地類型的土壤容重空間格局分析草地類型是在一定時空范圍內，反映草地發生和演替規律，具有一定自然特征和經濟特征的草地單元，是對不同生境的飼用植被群體，以及這些群體的不同組合的高度抽象和概括[32]。80年代1∶100萬的草地類型矢量數據采用的是植被—生境學分類法，將草地按照類(亞類)、組、型3級分類，與樣地采樣時記錄的草地類型分類方法一致。本文依據草地類(亞類)提取不同草地的土壤容重值，并進行分類統計，分析各草地類型的土壤容重特征。

伊犁地區的草地類型主要有低地草甸類、溫性荒漠類、溫性荒漠草原類、溫性草原、溫性草甸草原類、溫性山地草甸類和高寒草甸類7個類。結合統計數據(表1)，可知高寒草甸類主要分布在伊犁地區沿著天山山脈海拔2500~3500 m的地帶分布； 溫性山地草甸類分布較為廣泛， 除伊犁河谷平原區域以外的其他大部分區域，在海拔1400~3000m都有分布;溫性荒漠類分布在伊犁河兩側平均海拔1000m以下地區。草地類型從境內伊犁河、特克斯河和喀什河等河谷,向天山和博羅科努山過渡,草地類型呈現從低地草甸→溫性荒漠類→溫性荒漠草原類→溫性草原→溫性草甸草原類→溫性山地草甸類→高寒草甸類依次分布的規律。

表3 各區縣草地土壤容重統計Table3 Soilbulkdensityofgrasslandineachcounty區縣County平均土壤容重Averagesoilbulkdensity(g/cm3)伊寧市YiningCity1.2384察布查爾錫伯自治縣QapqalXibeAutonomousCounty1.2037霍城縣HuochengCounty1.1102鞏留縣TokkuztaraCounty1.0565伊寧縣YiningCounty1.0491新源縣XinyuanCounty0.9299特克斯縣TekesCounty0.8931尼勒克縣NilekeCounty0.8792昭蘇縣ZhaosuCounty0.8773均值Average0.9600

由表4可知,溫性荒漠類的土壤容重最大,為1.3340g/cm3,其次是低地草甸類和溫性荒漠草原類,其土壤容重分別為1.3325g/cm3和1.1284g/cm3,土壤容重最小的是高寒草甸類草地,為0.7310g/cm3,各類草地類型的土壤容重大小比較為溫性荒漠類>低地草甸類>溫性荒漠草原類>溫性草原類>溫性草甸草原類>溫性山地草甸類>高寒草甸類,草地土壤容重插值結果與樣地實測統計結果相吻合。在亞類級別下，沙漠亞類的土壤容重最大，為1.5029 g/cm3，最小的是高寒草地亞類，為0.7310 g/cm3，各亞類草地土壤容重由沙漠亞類→低地鹽化草甸亞類→土質荒漠亞類→鹽漠亞類→低濕地草甸亞類→山地荒漠草原亞類→山地草原亞類→山地草甸草原亞類→中低山地草甸亞類→亞高山草甸亞類→高寒草甸亞類逐漸減小，且同一草地類型下不同亞類間的土壤容重差距明顯，如溫性荒漠類草地下的沙漠亞類土壤容重(1.5029 g/cm3)遠大于鹽漠亞類(1.2691 g/cm3)。

表4　不同草地類(亞類)土壤容重統計

3討論

3.1草地土壤容重的空間格局分布符合土壤類型及草地類型的分布規律

草地植被與土壤之間關系十分密切，草原上3個典型的土壤類型的形成、分布與生物氣候帶是相適應的，黑鈣土是溫帶半濕潤草甸化草原下形成的，干旱的典型草原以栗鈣土為主，荒漠草原以棕鈣土為主[3]。土壤容重作為土壤重要的物化指標，不同植被覆蓋類型下，土壤容重存在顯著差異性[33]。本研究中，草地土壤容重的空間格局分布符合土壤類型的分布規律，同時也符合草地類型的分布規律，土壤容重最大的伊犁河谷地區，分布著溫性荒漠類草地，土壤容重最小的區域在南部和東北的高山區，分布著高寒草甸類草地，土壤容重空間分布符合草地類型分布規律。這與文都日樂等[34]以及王長庭等[35]的研究一致，這是因為不同土壤容重所對應的土壤持水能力[36]、土壤硬度和土壤透氣性不同，進而導致植被群落分布的不同。

3.2草地土壤容重與各地理要素間的關系

氣候、母質、地形和生物因素影響草地土壤的發育[37-38]，本研究表明，新疆伊犁草地土壤容重與海拔、年均氣溫、年均降雨、≥10℃年積溫、濕潤度及NDVI有著顯著的相關性(P<0.01)；回歸分析表明，隨著海拔的升高，土壤容重逐漸減小，隨著溫度(或者≥10℃年積溫)的上升，土壤容重逐漸增加，隨著降雨量(或者濕潤度)的增加，土壤容重有減小的趨勢，隨著NDVI指數的增加，土壤容重也有逐漸減小的趨勢。通過加權疊加計算，得到新疆伊犁地區草地植被的土壤容重的空間格局分布。從空間分布上看，土壤容重的最大值出現在伊犁河谷兩側的溫帶荒漠類草地處，最小值出現在南部天山北坡的高寒草甸類草地處；伊寧縣的土壤容重均值最大，昭蘇縣的最小。插值精度評價表明，插值結果能準確的反映土壤容重的空間分布情況。通過探究土壤容重與各生態要素的線性關系，以期為以后通過遙感數據、氣象數據和地形數據對土壤容重進行反演，提供反演參數方程；但本文只考慮了自然因素對土壤容重的影響，在選取評價要素的時候，沒有考慮人為因素的影響，尤其是放牧踐踏對土壤容重的影響[30-31]，今后有待進一步研究。

3.3土壤容重空間插值方法

空間插值的方法比較多，采用最多的是克里格插值法(ordinary kriging)[10]和反距離權重法(inverse distance weighting，簡稱IDW)[39]，但是在點數據較少或者分布不均勻的情況下，空間插值的結果往往存在局部插值結果偏大或者偏小的情況[40]。本研究通過分析土壤容重大小與其影響因子間的相關性，用擬合回歸方程插值計算單因子的土壤容重的空間分布，再將各個單因子插值結果加權疊加計算得到綜合評價結果。與姚榮江等[41]直接用克里格插值法對實測土壤容重做空間插值的結果相比較，不存在局部偏大偏小的異常值；同時采用單因子回歸分析，而沒有采用多因子回歸，是因為土壤容重與生態因子間存在的不是簡單的線性關系，多因子回歸是線性擬合，分析結果會降低插值的精度。

4結論

調查統計分析表明，新疆伊利地區草地土壤容重平均值約為1.01 g/cm3，溫性荒漠類草地土壤容重最高，高寒草甸類草地土壤容重最小；放牧地的土壤容重高于打草場，這可能與放牧和踐踏有關。

新疆伊犁地區草地土壤容重與海拔、年均氣溫、年均降雨、≥10℃年積溫、濕潤度和NDVI有著顯著的相關性(P<0.01)。其中，與年均氣溫、≥10℃年積溫呈顯著正相關關系；與海拔、年降水量、濕潤度、NDVI呈顯著負相關關系。

新疆伊犁地區草地土壤容重在空間上的綜合評價結果，真實地反映了伊犁地區草地土壤容重的分布規律，插值精度較高，預測精度達到85.61%。空間格局上，伊犁地區土壤容重在河谷地帶較高，在山區較低，呈現隨著海拔的遞增而逐漸遞減的趨勢，土壤容重的空間分布格局與草地類型分布基本吻合。綜合評價結果可以為草地退化過程研究提供數據基礎，為草地資源環境評價和有效利用與管理提供科學依據。

References：

[1]Xie J, Guan W B, Cui G F,etal. Soil moisture characteristics of different types of vegetation in Xilingol grassland. Journal of Northeast Forestry University, 2009, 37(1): 45-48.

[2]Yi X S, Li G S, Yin Y Y,etal. Preliminary study for the influences of grassland degradation on soil water retention in the source region of the Yellow River. Journal of Natural Resources, 2012, 27(10): 1708-1719.

[3]Li S L, Chen Y J, Guan S Y,etal. Relationships between soil degradation and rangeland degradation. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2002, 16(1): 92-95.

[4]Qiu L P, Zhang X C. Effects of land use on soil properties in Ziwuling region. Journal of Natural Resources, 2006, 21(6): 965-972.

[5]Wu X, Li H X, Fu B J,etal. Study on soil characteristics of alpine grassland in different degradation levels in headwater regions of Three Rivers in china. Chinese Journal of Grassland, 2013, 35(3):77-84.

[6]Cai X B, Zhang Y Q, Shao W. Characteristics of soil fertility in alpine steppes at different degradation grades. Acta Ecologica Snica, 2008, 28(3): 1034-1044.

[7]Walker B H. Rangelandecology:understandingandmanagingchange. Ambio, 1993, 22(2-3): 80-87.

[8]Zheng H, Ouyang Z Y, Wang X K,etal. Effects of forest restoration types on soil quality in red soil eroded region, Southern China. Acta Ecologica Sinica, 2004, 24(9): 1994-2002.

[9]Zheng J Y, Shao M A, Zhang X C. Spatial variation of surface soil’s bulk density and saturated hydraulic conductivity on slope in loess region. Journal of Soil and Water Conservation, 2004, 18(3): 53-56.

[10]Gong R, Zhang G H, Li Z W,etal. Spatial variation of soil bulk density of ephemeral gullies in hilly areas of loess plateau. Journal of Soil and Water Conservation, 2014, 28(4): 257-262.

[11]Zhang C X, Nan Z B. Research progress on effects of grazing on physical and chemical characteristics of grassland soil. Acta Prataculturae Sinica, 2010, 19(4): 204-211.

[12]Fan Y M, Zhu J Z, Wu H Q,etal. Influence ofSeriphidiumtransillensedesert grassland degradation on soil physicochemical properties in Northern Xinjiang. Chinese Journal of Soil Science, 2009, 40(4): 917-920.

[13]Zhou H S, Yang G W, Liu N,etal. Plant community and soil microbial characteristics in typical grasslands of different degradation degrees. Pratacultural Science, 2014, 31(1): 30-38.

[14]Zhou H K, Zhao X Q, Zhou L,etal. A study on correlations between vegetation degradation and soil degradation in the ‘Alpine Meadow’ of the Qinghai-Tibetan Plateau. Acta Prataculturae Sinica, 2005, 14(3): 31-40.

[15]Li F X, Li X D, Zhou B R,etal. Effects of grazing intensity on biomass and soil physical and chemical characteristics in alpine meadow in the source of three rivers. Pratacultural Science, 2015, 32(1): 11-18.

[16]Li J B, Cao Q X, Tursunay Reyimujiang,etal. Effects of enclosure on soil physical and chemical quality and enzymatic activity in grassland of Yili Valley in spring-autumn. Chinese Journal of Grassland, 2014, 36(1): 84-89.

[17]Sun F D, Long R J, Jiang W L,etal. Alpine meadow plant community biomass and soil bulk density characteristics in different burrowing rodent density plots in the “Three-River Headwaters” region. Acta Prataculturae Sinica, 2008, 17(5): 111-116.

[18]Wang G, Wang J L, Gong L Y,etal. Spatial-temporal evolution of regional eco-security based on GIS-Markov model —A case study of Ganjingzi district in Dalian, Liaoning province. Scientia Geographica Sinica, 2013, 33(8): 957-964.

[19]Wu L L, Zhou Y Z, Chen Z S,etal. Evaluation methods and its application on potentials of land resources based on GIS technology and theories of landscape ecology. Resources Science, 2007, 29(6): 146-153.

[20]Zhao X Q, Wang H B, Yang S H,etal. GIS-based ecological optimization of spatial patterns of land resources. Acta Ecologica Sinica, 2009, 29(9): 4892-4901.

[21]Lv J S, Wu Q Y, Zhang Z L,etal. Land use change and ecological security assessment in Jining City based on RS and GIS. Scientia Geographica Sinica, 2012, 32(8): 928-935.

[22]Yang H F, Gang C C, Mu S J,etal. Analysis of the spatio-temporal variation in net primary productivity of grassland during the past 10 years in Xinjiang. Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(3): 39-50.

[23]Yang Y H, Chen Y N, Li W H,etal. Soil organic carbon distribution of different vegetation types in the Ili River Valley. Acta Geographica Sinica, 2010, 65(5): 605-612.

[24]Animal Husbandry Department of Xinjiang Uygur Autonomous Region. Grassland Resources and its Utilization in Xinjiang[M].Urumqi: Health Science and Technology Publishing House in Xinjiang, 1993.

[25]Zhou Y C. Hydrology and Water Resource in Xinjiang[M]. Urumqi: Health Science and Technology Publishing House in Xinjiang, 1999.

[26]Liu F, Zhang H Q, Dong G L. Vegetation dynamics and precipitation sensitivity in Yili Valley grassland. Resources Science, 2014, 36(8): 1724-1731.

[27]Sun H L, Chen Y N, Li W H,etal. Study on types and ecological services values of the grassland in the Ili River basin, Xinjiang, China. Journal of Desert Research, 2011, 31(5): 1273-1277.

[28]Liao G F, Jia Y L. Rangeland Resources of China[M]. Beijing: Science and Technology of China Press, 1996.

[29]Chen K S, Wu T D, Tsang L,etal. Emission of rough surface scalculated by the integralequation method with comparison to three-dimension almoment method simulations. Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactionson, 2003, 41(1): 90-101.

[30]Cao W X, Xu C L, Zhang D Z,etal. Ecological responses of soil bulk density and water content to different non-grazing patterns in alpine rhododendron shrubland. Acta Prataculturae Sinica, 2011, 20(3): 28-35.

[31]StaviI, Ungar E D, Lavee H,etal. Grazing-induced spatial variability of soil bulk density and content of moisture, organic carbon and calcium carbonate in a semi-arid rangeland. Catena, 2008, 75(3): 288-296.

[32]Zhang Z T, Liu Q. Grassland Resources and its Exploitation and Utilization of China’s Major Pastoral Areas[M]. Beijing: Science and Technology of China Press, 1992.

[33]Cao G D, Chen J H, Xia J,etal. Analysis of soil physical properties under different vegetation types in the alluvial fan area of Manas River watershed. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(1): 195-204．

[34]Wendu R L, Li G, Zhang J N,etal. The study of soil microbial biomass and soil enzyme activity on different grassland in Hulunbeier, Inner Mongolia. Acta Prataculturae Sinica, 2010, 19(5): 94-102.

[35]Wang C T, Long R J, Wang G X,etal. Relationship between plant communities, characters, soil physical and chemical properties, and soil microbiology in alpine meadows. Acta Prataculturae Sinica, 2010, 19(6): 25-34.

[36]Li Z, Wu P T, Feng H,etal. Simulated experiment on effects of soil bulk density on soil water holding capacity. Acta Pedologica Sinica, 2010, 47(4): 611-620.

[37]Kosmas C S, Danalatos N G, Moustakas N,etal. The impacts of parent material and landscape position on drought and biomass production of wheat under semi-arid conditions. Soil Technology, 1993, 6(4): 337-349.

[38]Lian G, Guo X D, Fu B J,etal. Spatial variability of bulk density and soil water in a small catchment of the Loess Plateau. Acta Ecologica Sinica, 2006, 26(3): 647-654.

[39]Wang J L, Zhong Z M, Wang Z H,etal. Soil C/P distribution characteristics of alpine steppe ecosystems in the Qinghai-Tibetan Plateau. Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(2): 9-19.

[40]Liu X X, Liu J, Zhao S W,etal. Spatial variation of topsoil bulk density of farmland on county level in northwest arid area. Journal of Soil and Water Conservation, 2013, 27(4): 148-151.

[41]Yao R J, Yang J S, Liu G M. Spatial variability of soil bulk density in the Yellow River Delta. Journal of Irrigation and Drainage, 2006, 25(4): 11-15.

參考文獻：

[1]謝靜, 關文彬, 崔國發, 等. 錫林郭勒草原不同植被類型的土壤水分特性. 東北林業大學學報, 2009, 37(1): 45-48.

[2]易湘生, 李國勝, 尹衍雨, 等. 黃河源區草地退化對土壤持水性影響的初步研究. 自然資源學報, 2012, 27(10): 1708-1719.

[3]李紹良, 陳有君, 關世英, 等. 土壤退化與草地退化關系的研究. 干旱區資源與環境, 2002, 16(1): 92-95.

[4]邱莉萍, 張興昌. 子午嶺不同土地利用方式對土壤性質的影響. 自然資源學報, 2006, 21(6): 965-972.

[5]伍星, 李輝霞, 傅伯杰, 等. 三江源地區高寒草地不同退化程度土壤特征研究. 中國草地學報, 2013, 35(3): 77-84.

[6]蔡曉布, 張永青, 邵偉. 不同退化程度高寒草原土壤肥力變化特征. 生態學報, 2008, 28(3): 1034-1044.

[8]鄭華, 歐陽志云, 王效科, 等. 不同森林恢復類型對南方紅壤侵蝕區土壤質量的影響. 生態學報, 2004, 24(9): 1994-2002.

[9]鄭紀勇, 邵明安, 張興昌. 黃土區坡面表層土壤容重和飽和導水率空間變異特征. 水土保持學報, 2004, 18(3): 53-56.

[10]耿韌, 張光輝, 李振煒, 等. 黃土丘陵區淺溝表層土壤容重的空間變異特征. 水土保持學報, 2014, 28(4): 257-262.

[11]張成霞, 南志標. 放牧對草地土壤理化特性影響的研究進展. 草業學報, 2010, 19(4): 204-211.

[12]范燕敏, 朱進忠, 武紅旗, 等. 北疆蒿類荒漠草地退化對土壤理化特性的影響. 土壤通報, 2009, 40(4): 917-920.

[13]周翰舒, 楊高文, 劉楠, 等. 不同退化程度的草地植被和土壤特征. 草業科學, 2014, 31(1): 30-38.

[14]周華坤, 趙新全, 周立, 等. 青藏高原高寒草甸的植被退化與土壤退化特征研究. 草業學報, 2005, 14(3): 31-40.

[15]李鳳霞, 李曉東, 周秉榮, 等. 放牧強度對三江源典型高寒草甸生物量和土壤理化特征的影響. 草業科學, 2015, 32(1): 11-18.

[16]李軍保, 曹慶喜, 吐爾遜娜依·熱依木江, 等. 圍封對伊犁河谷春秋草場土壤理化性質及酶活性的影響. 中國草地學報, 2014, 36(1): 84-89.

[17]孫飛達, 龍瑞軍, 蔣文蘭, 等. 三江源區不同鼠洞密度下高寒草甸植物群落生物量和土壤容重特性研究. 草業學報, 2008, 17(5): 111-116.

[18]王耕, 王嘉麗, 龔麗妍, 等. 基于GIS-Markov區域生態安全時空演變研究——以大連市甘井子區為例. 地理科學, 2013, 33(8): 957-964.

[19]吳良林, 周永章, 陳子燊, 等. 基于GIS與景觀生態原理的土地資源規模化潛力評價. 資源科學, 2007, 29(6): 146-153.

[20]趙筱青, 王海波, 楊樹華, 等. 基于GIS支持下的土地資源空間格局生態優化. 生態學報, 2009, 29(9): 4892-4901.

[21]呂建樹, 吳泉源, 張祖陸, 等. 基于RS和GIS的濟寧市土地利用變化及生態安全研究. 地理科學, 2012, 32(8): 928-935.

[22]楊紅飛, 剛成誠, 穆少杰, 等. 近10年新疆草地生態系統凈初級生產力及其時空格局變化研究. 草業學報, 2014, 23(3): 39-50.

[23]楊玉海, 陳亞寧, 李衛紅, 等. 伊犁河谷不同植被帶下土壤有機碳分布. 地理學報, 2010, 65(5): 605-612.

[24]新疆維吾爾自治區畜牧廳. 新疆草地資源及其利用[M]. 烏魯木齊: 新疆科技衛生出版社, 1993.

[25]周聿超. 新疆河流水文水資源[M]. 烏魯木齊: 新疆科技衛生出版社, 1999.

[26]劉芳, 張紅旗, 董光龍. 伊犁河谷草地植被NDVI變化及其降水敏感性特征. 資源科學, 2014, 36(8): 1724-1731.

[27]孫慧蘭, 陳亞寧, 李衛紅, 等. 新疆伊犁河流域草地類型特征及其生態服務價值研究. 中國沙漠, 2011, 31(5): 1273-1277.

[28]廖國藩, 賈幼鈴. 中國草地資源[M]. 北京: 中國科學技術出版社, 1996.

[30]曹文俠, 徐長林, 張德罡, 等. 杜鵑灌叢草地土壤容重與水分特征對不同休牧模式的響應. 草業學報, 2011, 20(3): 28-35.

[32]章祖同, 劉起. 中國重點牧區草地資源及其開發利用[M]. 北京: 中國科學技術出版社, 1992.

[33]曹國棟, 陳接華, 夏軍, 等. 瑪納斯河流域扇緣帶不同植被類型下土壤物理性質. 生態學報, 2013, 33(1): 195-204.

[34]文都日樂, 李剛, 張靜妮, 等. 呼倫貝爾不同草地類型土壤微生物量及土壤酶活性研究. 草業學報, 2010, 19(5): 94-102.

[35]王長庭, 龍瑞軍, 王根緒, 等. 高寒草甸群落地表植被特征與土壤理化性狀、土壤微生物之間的相關性研究. 草業學報, 2010, 19(6): 25-34.

[36]李卓, 吳普特, 馮浩, 等. 容重對土壤水分蓄持能力影響模擬試驗研究. 土壤學報, 2010, 47(4): 611-620.

[38]連綱, 郭旭東, 傅伯杰, 等. 黃土高原小流域土壤容重及水分空間變異特征. 生態學報, 2006, 26(3): 647-654.

[39]王建林, 鐘志明, 王忠紅, 等. 青藏高原高寒草原生態系統土壤碳磷比的分布特征. 草業學報, 2014, 23(2): 9-19.

[40]李曉曉, 劉京, 趙世偉, 等. 西北干旱區縣域農田表層土壤容重空間變異性特征. 水土保持學報, 2013, 27(4): 148-151.

[41]姚榮江, 楊勁松, 劉廣明. 黃河三角洲地區土壤容重空間變異性分析. 灌溉排水學報, 2006, 25(4): 11-15.

*Spatial analysis of soil bulk density in Yili, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China

ZHOU Li-Lei1,2, ZHU Hua-Zhong2, ZHONG Hua-Ping3*, YANG Hua1, SUO Fei-Ya4, SHAO Xiao-Ming5, ZHOU Xing-Jie3

1.ChongqingKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandEnvironmentalRemoteSensinginThreeGorgesReservoirArea,CollegeofGeographicalandTourism,ChongqingNormalUniversity,Chongqing400047,China; 2.StateKeyLaboratoryofResourcesandEnvironmentInformationSystem,InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResourcesResearches,CAS,Beijing100101,China; 3.KeyLaboratoryofLandSurfacePatternandSimulation,InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing100101,China; 4.CollegeofLifeScienceandTechnology,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China; 5.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China

Abstract:Currently, the study of soil bulk density of grassland is mainly focused on traditional statistical analysis based on survey data; studies using spatial pattern analysis of soil bulk density are limited. This paper attempted to apply multi-source data, which include field survey soil bulk density data, remote sensing data and meteorological data from 146 grassland sample plots to study the spatial analysis of soil bulk density in the Yili district, located at the northwest margin of Xinjiang Uygur Autonomous Region. Correlation analysis and regression analysis between the soil bulk density and elevation, annual average temperature, annual average precipitation, annual cumulative temperature above 10℃, wettability, and NDVI were examined. Subsequently regression analysis was undertaken using ArcGIS. There was a significant correlation between soil bulk density and elevation, annual average temperature, annual average precipitation, annual cumulative temperature above 10℃, wettability, and NDVI (P<0.01). The multiple correlation coefficient (R2), root-mean-square error (RMSE), population deviation, and the average prediction accuracy were 0.6025, 0.1479 g/cm3, 14.39%, and 85.61%, respectively. The soil bulk density in the river valley was higher than in the high altitude region. The highest soil bulk density was found in temperate desert type grassland (about 1.3340 g/cm3), and the lowest was found in alpine meadow grassland which is distributed on the northern slopes of the Southern Tianshan mountains (about 0.7310 g/cm3). The results indicated that the spatial distribution of soil bulk density was consistent with the distribution of different soil types and grassland in Yili. The information collected has potential for use in the evaluation of grassland degradation.

Key words:soil bulk density; regression analysis; spatial pattern; grassland; Yili

*通信作者Corresponding author. E-mail：zhonghp@igsnrr.ac.cn

作者簡介：周李磊(1989-)，男，江蘇東海人，在讀碩士。E-mail：zhoull_001@126.com

基金項目：科技部國家科技基礎性工作專項(2012FY111900-2，2011FY110400-3)和國家科技基礎條件平臺-地球系統科學數據共享平臺(2005DKA32300)資助。

*收稿日期：2015-05-13；改回日期：2015-07-17

DOI：10.11686/cyxb2015249

http://cyxb.lzu.edu.cn

周李磊， 朱華忠， 鐘華平， 楊華， 索菲婭， 邵小明， 周星杰. 新疆伊犁地區草地土壤容重空間格局分析. 草業學報, 2016, 25(1): 64-75.

ZHOU Li-Lei, ZHU Hua-Zhong, ZHONG Hua-Ping, YANG Hua, SUO Fei-Ya, SHAO Xiao-Ming, ZHOU Xing-Jie. Spatial analysis of soil bulk density in Yili, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(1): 64-75.