基于灰色關聯分析松嫩平原耕作草甸區大型土壤

摘要：運用灰色關聯分析探討黑龍江松嫩平原耕作草甸區大型土壤動物與土壤因子的關系。結果表明，含水量、地溫對土壤動物的影響最大，土壤pH值的影響次之；全磷含量對大型土壤動物多樣性指數影響最大；含水量、緯度是松嫩平原耕作草甸區大型土壤動物空間分布的限制性因子。

關鍵詞：灰色關聯分析；大型土壤動物；土壤因子；松嫩平原；耕作草甸區

中圖分類號： S154.5文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0519-03

大型土壤動物（體長>2 mm）個體大，種類繁多，數量巨大，是陸地生態系統重要的消費者和分解者，通過其自身生存、活動和攝食行為參與土壤有機質的分解和礦化[1-2]，促進土壤腐殖質的形成[3]，調節土壤酶和微生物活性[4]，改善土壤結構和質量[5]，調控地表植物群落的結構和功能[6-7]。此外，大型土壤動物對環境變化敏感，常作為反映環境變化的指示生物[8-10]，在土壤生態系統能量流動和物質循環中起重要的作用。目前，中外學者廣泛關注大型土壤動物，對其研究主要集中在動物區系組成、數量變化、多樣性、評價指標以及大型土壤動物與環境因素的相互關系等[11-13]，其中揭示土壤動物與環境因子相互關系的傳統統計方法主要有相關分析、回歸分析和主成分分析等。傳統的統計分析方法存在需要的數據量大、樣本須服從典型概率分布等弊端，而土壤動物與環境因子間又具有很強的模糊性和灰色性，樣本不具備服從典型概率分布的條件。灰色系統理論中的關聯度分析法克服了傳統統計分析方法的缺陷，對樣本數據量大小要求不高，樣本也不需要服從典型的概率分布，用其分析事物之間的相互關系更具有廣泛性和科學性。本研究以松嫩平原黑龍江省部分耕作草甸區大型土壤動物為研究對象，用灰色關聯分析法揭示耕作草甸區大型土壤動物與土壤因子的關系，為松嫩平原耕作草甸區農田生態系統的可持續利用提供科學依據。

1材料與方法

1.1研究區概況

研究區位于黑龍江省西南部，屬于松嫩平原，位置范圍45°50′～49°29′ N、125°14′46“～126°48′50” E，是我國重要的農牧業生產基地，農業經營模式主要以種植業和畜牧業為主，玉米為研究區的代表性農作物。該區域為溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年降水量350～500 mm，無霜期120～160 d。

1.2取樣和鑒定

2009年5月、8月、10月，在研究區內沿北北西-南南東方向，按1°緯度差分別在黑龍江省嫩江縣、依安縣、海倫市、綏化市、哈爾濱市呼蘭區境內依次選取5個有代表性草甸黑土耕作區，對玉米田大型土壤動物群落進行調查研究。每個耕作區設4個采樣點，每個采樣點用自制的20 cm×20 cm×5 cm 大型土壤動物采集器，按0～5、5～10、10～15、15～20 cm 分4層取樣，就地手揀分離大型土壤動物，保存于75%乙醇塑料瓶中帶回實驗室，參照文獻[14]鑒定到科，某些種類只鑒定到目或綱[15]。

1.3土壤理化性質分析

每個調查樣地隨機選取4點，每點縱向取0～10 cm層土樣約1 kg，均勻混合，帶回實驗室自然風干，并注意經常翻動；去除石塊、植物根系、枯枝落葉等雜質，用土壤粉碎機粉碎；0.25 mm 網篩過篩，裝瓶備用。分別采用烘干稱量法、電位法、重鉻酸鉀-硫酸消化法、半微量凱氏定氮法、火焰光度法、SMT法分析土壤含水量、pH值、有機質含量、全氮含量、速效鉀含量、全磷含量等理化指標；土壤溫度用地溫測定儀測定。

1.4特征序列和因子序列的建立

選擇大型土壤動物主要指標個體總量（y1）、類群總量（y2）、稀有類群個體數量（y3）、稀有類群數量（y4）、群落多樣性指數（y5）、大型土壤動物優勢類群和常見類群中的線蚓科（Enchytraeidae，y6）、尖眼覃蚊科（Sciaidae，y7）、線蟲綱（Nematoda，y8）、蟻科（Formicidae，y9）、隱翅甲科（Staphylinidae，y10）作為母數列（y）；選擇環境因子pH值（x1）、全氮含量（x2）、有機質含量（x3）、含水量（x4）、全磷含量（x5）、速效鉀（x6）、地溫因子（x7）為子數列（x），建立特征序列和因子序列。

1.5數據處理

土壤動物與土壤因子的關系采用灰色關聯的方法[16]分析，公式為：

式中：Δ（min）、Δ（max）分別為所比較的數列各個時刻絕對差中的最小值和最大值；ρ為分辨系數，ρ∈[0，1]，取值多在 01～0.5 之間，本試驗取值0.5。原始數據無量綱化初始值，分別計算灰色關聯系數（rij）、灰色絕對關聯度（εij）、灰色相對關聯度（γij）以及綜合關聯度（ρ）。灰色絕對關聯度計算公式為：

式中：|Ssj|=|∑n-1k=2x10（k）+12x12（k）|；|tsj|=|∑n-1k=2y10（k）+12y10（k）|。

灰色相對關聯度計算公式為：

式中：|Ssj|=|∑n-1k=2x10′（k）+12x10′（k）|；|tsj|=|∑n-1k=2y10′（k）+12y10′（k）|。

灰色綜合關聯度計算公式為：

ρ=θεoi+（1-θ）γoi。

式中：εoi為灰色絕對關聯度；γoi為灰色相對關聯度；θ∈[0，1]，試驗取值0.5。

2結果與分析

2.1采樣地土壤的理化性狀

由表1可見，松嫩平原耕作草甸區土壤均為偏酸性，5個采樣地的全氮含量、有機質含量、含水量、速效鉀含量、全磷含量、低溫分別在0.17%～0.40%、2.71%～6.47%、30.28%～35.26%、4.27～5.26 mg/kg、0.16～0.24 g/kg、215～26.7 ℃，其中嫩江縣土壤的全氮含量、有機質含量、全磷含量相對最低，海倫市土壤的全氮含量、有機質含量、速效鉀含量、全磷含量相對最高，綏化市土壤的含水量相對最高，呼蘭區土壤的地溫相對最高，依安縣土壤的含水量、地溫相對最低。

2.2土壤動物群落與土壤因子的關聯系數灰色關聯度越大，子序列對母序列的影響越大。因此，含水量和地溫對土壤動物群落的影響較大，群落稀有類群數量與環境因子關系最為密切，而尖眼覃蚊科、線蚓科、群落多樣性指數、隱翅甲科密切程度相對較低。

2.3土壤動物群落的其他關聯排序

3 結論與討論

土壤動物對環境變化敏感，群落組成和結構年度變化相對穩定，一年中群落結構呈規律性季節變化。土壤動物類群表2大型土壤動物與環境因子間的灰色關聯系數

大型動物因子土壤環境與大型動物因子的關聯系數（rij）pH值（x1）全氮含量

或群落組成在不同土壤生態系統中存在差異，能夠反映環境的細微變化，如土壤濕度、溫度、通氣性、團粒結構、空隙數量、透水性和含水量等物理性變化以及pH值、鈉含量、錳含量、氮含量、鉀含量、碳含量、鈣含量、碳氮比率、有機質含量等化學性變化。當某些環境因素變化超出閾值時，會影響到某些土壤動物的繁衍和生存，甚至導致其死亡。土壤動物的生態學特征與土壤環境因子的狀態密切相關，土壤動物對土壤環境因子變化具有重要的指示作用。因此，土壤動物的量化指標可作為土壤環境因子變化的重要指標。

張一等對長白山紅松闊葉混交林土壤水分含量、土壤溫度對土壤動物活動規律的影響進行研究，結果表明，土壤溫度和濕度是土壤動物分布的主要限制因子，土壤動物的種類和數量與土壤溫度和濕度的變化呈正相關[17]。孫儒泳認為，土壤pH值是土壤動物分布的限制因素，多數土壤動物適宜在微酸性和近中性的土壤中生存[18]。張雪萍探討了東部山地、農田灌溉區、東北羊草草原土壤動物與環境的關系，結果表明，在中性至堿性環境中，土壤動物密度與土壤pH值呈反相關關系[19]。本研究結果表明，含水量、地溫和pH值對黑龍江省松嫩平原耕作草甸區大型土壤動物的9個特征影響最大，與張一等的結論[17-19]一致。

本研究區為黑龍江省西部地區，處于由半濕潤向半干旱區的過渡地帶，年降水量在350～500 mm之間，降水量偏少，因此，含水量是大型土壤動物空間分布規律的限制性因子。另外，取樣是按照不同緯度進行的，緯度是影響溫度的決定性因素，也決定地溫的分布，而溫度是大型土壤動物空間分布的另一個限制性因子，因此緯度因素也是大型土壤動物空間分布的一個重要限制因子。

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