二龍山油松林土壤養分含量的小尺度空間異質性研究

石 峰

（山西省林木育種研究中心，山西太原030031）

空間異質性是指在自然生態系統的空間布局上表現出具有不均勻性和復雜性的生態學過程和格局的一種自然現象，對于生態系統來說，空間異質性是一種基本特征，影響其變化的主要因素是時間因素和空間因素[1-4]。作為森林來說，最核心的組成部分就是土壤，因為整個森林的根基就是土壤，森林生態的生長發育離不開森林土壤的支撐[5]。從空間角度來說，森林中的動植物、氣候和土壤這些生態因素呈現出鑲嵌性并且非常復雜[6-7]。因此，在對森林生態的空間異質性進行研究時就必須先對土壤養分的分布情況進行研究，因為它是生態異質性的重要構成部分[8]。由于森林生態系統龐大而復雜的體量，如果要對森林生態格局和發展進行全面研究非常困難，通常通過小尺度空間異質性對特定樣本進行研究，進而推廣到全局生態，這是一種基礎樣本推演法[9]。

本試驗以二龍山天然次生油松純林下土壤為研究對象，通過統計學分析方法對小尺度空間范圍內土壤中的硝態氮、銨態氮、有效磷、有效鉀含量的異質性進行研究，分析該區域土壤養分空間分布格局形成的原因，并且為相關的研究提供一定的借鑒。

1 研究區概況

研究區樣本地地理坐標為經度 38°36′～39°02′，緯度 111°46′～112°54′，位于國家自然保護區二龍山境內，地形上呈現西南向東北走向的山脈，屬于黃土丘陵的東部區域，坐落于呂梁山脈北段位置。從巖石類型來看，該區域主要為花崗巖，另外以少量石灰巖作為次要巖石類型存在；從土壤類型來看，從山腳到山頂依次表現為山腳以灰褐土為主，山腰以棕壤為主，山頂以亞高山草甸土為主；從植被角度來看，其分布表現為山腳至山腰為農墾帶、灌草，山腰主要分布為針闊混交林，從山腰到山頂主要分布油松林及亞高山草甸。

研究區氣候表現為溫帶濕潤性氣候，年度溫度極值為-36.6～34.2℃，平均溫度為4.3℃；年度降雨量為252.9～711.0mm，年度平均降水量為453.9mm，降雨期主要集中在6，7，8，9月，占全年降水量的70%；無霜期為130～170 d。

2 研究方法

2.1 樣地設置

在樣本地區域相同海拔處（2 438.3 m），選取3塊坡度和坡向均相同的區域為試驗樣地，樣本地面積為30 m×30 m，樣地1有一條淺溝貫穿其中。

2.2 土壤取樣

本研究所采取的取樣設計原則為中小支撐、多樣點，其理論依據為相關統計學基礎理論[10]。對樣本地進行區域劃分，每個樣本地劃分為100個小區間，每個小區間面積為9 m2，每個小區間作為一個取樣點。

采取土鉆法對樣本土壤進行取樣，土鉆內徑為7.0 cm，首先清掃表層，然后通過土鉆取10 cm土芯，最后將所取土壤密封保存在低溫環境中。土壤取樣的時間一般選擇為雨后天晴的第3～4天，目的是排除其他干擾因素作用[11]。

2.3 測定指標及方法[12]

硝態氮測定采用酚二磺酸比色法；銨態氮測定采用2 mol/L KCl浸提-靛酚藍比色法；有效磷測定采用0.5 mol/L的NaHCO3提取法；有效鉀測定采用NH4AC溶液浸提法。

2.4 數據分析

2.4.1 經典統計分析 對硝態氮、銨態氮、有效磷、有效鉀含量進行統計分析的數據主要表現為平均值、方差以及變異系數，分析工具采用軟件SPSS18.0。

塊金值（Nugget），函數參數之一，用Co表示，也叫塊金方差，反映的是最小抽樣尺度以下變量的變異性及測量誤差。理論上當采樣點的距離為0時，半變異函數值應為0，但由于存在測量誤差和空間變異，使得2個采樣點非常接近時，它們的半變異函數值不為0，即存在塊金值。

2.4.2 變異函數模型分析 變異函數的計算公式如下。

其中，γ（h）表示變異函數，M表示隨機變量，M（xi）表示M在xi上的取值，M（xi＋h）表示M在xi＋h上的取值，N（h）表示樣本總數。

通過公式對協同變異函數進行描述和表達。

其中，γk′k（h）表示交叉變異函數，Z表示協同變量，Zk′（xi），Zk（xj）表示xi，xj處變量觀測值，Zk′（xi＋h），Zk（xj＋h）表示xi＋h，xj＋h處變量觀測值，N（h）表示樣本總數。

3 結果與分析

3.1 土壤硝態氮含量的空間變異性

3.1.1 土壤硝態氮含量的描述性統計分析 由表1可知，樣地2的硝態氮含量最高，為14.82 mg/kg，樣地1硝態氮含量最低，為13.01 mg/kg。從變異系數看，樣地1的變異系數為105.01%，表現為強變異，樣地2和樣地3的變異系數分別為74.89%，62.06%，表現為中等變異。

表1 土壤硝態氮含量描述性統計分析結果

3.1.2 土壤硝態氮含量的地統計學分析 由表2可知，硝態氮空間變異趨勢呈現球狀模型，樣地1，2，3 的半方差基臺值分別為 2.903，1.651，1.804。可以得出，硝態氮異質性上樣地1最高。

表2 土壤硝態氮含量的變異函數理論參數

3.2 土壤銨態氮含量的空間變異性

3.2.1 土壤銨態氮含量的描述性統計分析 由表3可知，樣地2的銨態氮含量最高，為12.41 mg/kg，樣地1的銨態氮含量最低，為10.98 mg/kg。

從變異系數看，樣地1最高，為109.84%，表明銨態氮含量樣地1表現為強變異，樣地2和樣地3的變異系數分別為82.86%，78.12%，均表現為中等變異。

表3 土壤銨態氮含量描述性統計分析結果

3.2.2 土壤銨態氮含量的地統計學分析 從表4可以看出，銨態氮空間變異趨勢呈現線性模型，樣地1，2，3的半方差基臺值分別為89.696，81.184，79.958。可以得出，銨態氮異質性上樣地1最高。

表4 土壤銨態氮含量的變異函數理論參數

3.3 土壤有效磷含量的空間變異性

3.3.1 土壤有效磷含量的描述性統計分析 由表5可知，樣地2的有效磷含量最高，為3.454 mg/kg，樣地1的有效磷含量最低，為2.378 mg/kg。

從變異系數看，樣地1有效磷含量的變異系數為90.24%，表現為強變異，樣地2和樣地3的變異系數分別為28.43%，24.38%，表現為弱變異。

表5 土壤有效磷含量描述性統計分析結果

3.3.2 土壤有效磷含量的地統計學分析 由表6可知，有效磷空間變異趨勢呈現球狀模型。樣地1，2，3 的半方差基臺值分別為 1.159，0.624，0.698，表明有效磷異質性上樣地1最高。

表6 土壤有效磷含量的變異函數理論參數

3.4 土壤有效鉀的空間變異性

3.4.1 土壤有效鉀含量的描述性統計分析 由表7可知，樣地2的有效鉀含量最高，為131.64 mg/kg，樣地1的有效鉀含量最低，為126.92 mg/kg。有效鉀變異系數樣地1為91.33%，表現為強變異，樣地2和樣地3的變異系數分別為22.14%和20.94%，表現為弱變異。

表7 土壤有效鉀含量描述性統計分析結果

3.4.2 土壤有效鉀含量的地統計學分析 由表8可知，有效鉀空間變異趨勢呈現無基臺值線性模型，基臺值不存在，故空間結構也不明確。

表8 土壤有效鉀含量的變異函數理論參數

4 結論與討論

森林土壤氮含量在生態空間維度上的異質性現象導致的因素有很多種，例如，地形因素、植被因素等。這些因素的共同作用和影響使得土壤氮含量在生態系統中空間分布上發生異質性[13-20]。從形式上說，硝態氮屬于速效氮，與銨態氮相同，但是由于硝態氮、銨態氮在結構特性上有所區別，因此，導致不同的地域和植物環境對氮元素的需求有所不同。

本研究結果表明，硝態氮、銨態氮的分布在樣地1中表現出極大值和極小值分布的特點現象，相比較于樣地2，3，樣地1具有更強的變異系數，分析其原因初步判定為樣地1與樣地2，3在地形坡度上有所區別，樣地2，3的地形相對平坦，而樣地1被淺溝貫穿，研究區降雨量主要分布在夏季，此時是全年雨水量最大的時期，研究區植被分布主要是草本植被，缺乏固氮能力強的灌木和喬木類型的植被，這樣就直接導致了在淺溝上游區域土壤中硝態氮和銨態氮含量呈現出流失現象，相反在淺溝下游溝底區域產生大量的氮元素沉積積累，因此，形成了極大值和極小值的分布。選擇相同海拔和氣候的地區進行3塊樣本地的設置，但是仍然不能完全排除這些因素的影響，直觀體現就是微地形對氮元素分布的影響作用。

二龍山油松林土壤氮元素空間異質性研究中，樣地1屬于強變異，樣地2，3屬于中等變異。銨態氮半方差基臺值比硝態氮高，說明就異質性程度而言銨態氮表現更高。就氮含量的基臺值表現而言，在3塊樣本地中均表現出銨態氮高于硝態氮，因此可以說明，在空間異質性表現上銨態氮較硝態氮更高；結構性因素是氮元素的空間結構變異的主要原因，不過硝態氮相比較于銨態氮受到隨機因素影響的程度要小。因此，2種類型的氮含量分布無明顯差別的原因很可能是由于微地形影響所致，深層原因還需要進一步研究，可能是氣候因素影響，也可能是雨水因素或者溫度因素等。

硝態氮、銨態氮、有效磷和有效鉀含量在樣地1中均最低，這也與樣地1中的溝壑存在有關，由于溝壑的存在，降雨時地表徑流會明顯高于其他2塊樣地，土壤侵蝕度程度也因此高于其他2塊樣地。

土壤有效鉀的變異趨勢在3塊樣地中均表現為無基臺值線性模型，無法確定其空間結構，這可能與樣地的人為干擾有關，需要進一步研究。