中國北方溫帶草原區土壤容重分層數據重建與空間格局分析

喬宇鑫，鐘華平，朱華忠，邵小明，李愈哲

（1.西藏農牧學院高原生態研究所，西藏 林芝850400；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.江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心，江蘇南京210023；5.中國農業大學資源與環境學院，北京市生物多樣性與有機農業重點實驗室，北京100193）

土壤作為陸地生態系統重要的組分，是植被賴以生存的重要基礎，其理化性質不僅影響植物的生長，也制約著植物的生產力水平［1］。土壤容重是指原狀土柱狀態下單位體積的土壤質量。容重是土壤重要的基本物理性質，對土壤的透氣性、入滲性、持水性、溶質遷移以及土壤抗蝕能力等特性有著重要影響［2］。土壤容重不僅可以定量表征土壤的持水性、入滲性、抗侵蝕性、透氣性等生態功能，也是衡量土壤環境好壞的重要指標之一［3?4］。另外，土壤容重是土壤水庫容估算的必需參數，也是準確估算土壤碳氮儲量所必需的重要參數［5］。所以，建立完整系統的土壤容重數據，對于我國土壤學基礎研究、生態環境評價以及土壤質量監測具有重要的現實意義。

目前國際標準化組織規定的土壤容重的采樣方法有3 種：環刀法、切塊法和土塊法［6］，環刀法是最常用的方法。然而，所有的土壤容重采樣方法均須建立在深挖土壤剖面的前提下，才能采集土壤的原狀土樣，進行土壤容重的測定。此操作耗時，且在野外大尺度實際應用中存在工作繁重，人力、物力耗費較大等問題，土壤容重測定的樣點和數據量受到限制［7］，特別是大尺度以及特殊區域的容重數據更是難以獲得（例如流域以及森林）［8?9］。所以，更多的研究是針對表層土壤的容重，對深層土壤研究鮮有報道［1，4，10］。同時，近年來，基于有限的土壤容重測定數據，建立傳遞函數預測模型，利用土壤其他屬性來預測土壤容重，獲得很好的效果，并被眾多學者廣泛認同［11］。如Wang 等［12］基于含沙量、坡度、有機碳含量、粘土含量及其轉換組合指標建立了傳遞函數預測模型，并對黃土高原區域尺度表層土壤容重進行了模擬，土壤容重預測模型作為簡便、快捷的土壤容重獲取方法，越來越多地受到國內外學者的關注和應用［12?13］。

盡管如此，因為土地利用差異，植被差異，土壤類型異質性等，導致土壤傳遞函數存在一定局限性，其準確度和精度往往受限于特定區域的研究［14?16］。另一方面，在計算碳排放時，1997 年IPCC（intergovernmental panel on climate change）認為用每單位土地面積30 cm 深度內的土壤碳儲量表示，但這種測算碳儲量的方法可能因為土壤容重變化造成土壤膨脹或收縮而帶來測量的不確定性，同時粘性土隨土壤含水量和土層深度的變化也會造成土壤容重的改變從而影響碳儲量的測算［17?19］。而且目前土壤傳遞函數少有考慮土層深度對土壤容重模擬的影響，也并未對分層土壤容重進行估算［5?7］。

中國北方溫帶草原地處東亞中部，自西向東有著豐富多樣的土地利用類型和復雜的氣候條件，這對土壤傳遞函數的構建增加了難度，并且鮮有這樣大尺度范圍的分層土壤容重報道。針對以上問題，本研究主要目的有：1）針對氣候條件及區域情況，提出一種綜合氣候因子的多因素土壤容重計算方法，并分析中國北方溫帶草原區土壤容重的空間分布狀況。2）利用現有的分層數據（一部分土壤容重分層數據），構建土壤容重分層傳遞函數，對土壤垂直剖面分層容重數據進行估算，并對土壤容重分層數據空間格局進行分析。 3）探討土壤容重，草地類型和有機碳含量三者的關系。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

我國北方溫帶草原區有別于北方草原區，不僅包括北方草原地區的區域地理范圍［20］，并延伸至新疆維吾爾自治區全區，包括內蒙古自治區和寧夏回族自治區全境，以及黑龍江、吉林、遼寧、河北、山西、陜西和甘肅等省（區）的部分地區，共計324 個縣（市），地理位置 北 緯31°28′6″?54°35′53″，東 經67°56′46″?128°53′20″，總面積約345 萬km2，是我國重要牧區之一（圖1）。地形地貌復雜，從新疆維吾爾自治區的“三山兩盆”，向東逐次過渡到阿拉善高原、鄂爾多斯高原、黃土高原、蒙古高原和松嫩平原。分布有塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古特沙漠、巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、庫姆塔格沙漠、烏蘭布和沙漠、庫布齊沙漠，以及毛烏素沙地、渾善達克沙地、科爾沁沙地、呼倫貝爾沙地等我國主要的沙漠和沙地；以及呼倫貝爾、松嫩、科爾沁、錫林浩特、烏蘭察布、阿勒泰和伊犁等我國重點牧區［21?22］。北方溫帶草原區橫跨干旱、半干旱和半濕潤氣候區，氣候條件惡劣，生態環境脆弱，土地荒漠化嚴重。土地覆被類型豐富，包含農田、濕地、森林、草原、荒漠、沙漠等類型。土壤主要有漠土、鈣層土、干旱土、淋溶土等類型。草地是本區域最主要植被類型之一，草地類型多樣，包括溫性草甸草原類、溫性草原類、溫性荒漠草原類、高寒草原類、高寒荒漠草原類、溫性草原化荒漠類、溫性荒漠類、高寒荒漠類、暖性草叢類、暖性灌草叢類、低地草甸類、山地草甸類、高寒草甸類、沼澤類、改良草地等15 種類型［23］。根據20 世紀80 年代草地調查統計，本區域草地面積163.5 萬km2；根據“我國北方溫帶草原重點牧區草地資源退化狀況與成因調查”項目最近調查結果，到2010 年草地保留面積141.5 萬km2。

圖1 北方溫帶草原區范圍及調查樣點分布Fig.1 Spatial distribution of the temperate grasslands in Northern China and distribution of survey sample sites

1.2 土壤容重調查和土壤樣品采樣

本研究共涉及兩部分土壤數據，一部分來源于2013?2015 年“我國北方溫帶草原重點牧區草地資源退化狀況與成因調查”項目，用于計算土壤容重空間分布。每50 km 設置1 個100 m×100 m 的草地植被群落調查樣地，但具體需根據草地類型、利用方式和強度、以及立地條件而確定草地樣地的設置，如在山地地區可能幾公里需設置一個草地樣地，而在草地類型相對單一的平原地區則樣地間的距離可能在80 km 左右。該項研究共采集草地景觀信息樣點6716 個，草地調查樣地587 個。本研究從2013?2015 年歷時3 年完成草地的野外調查，于每年7?9 月開展草地的樣方調查和采樣。記錄每個樣地的經緯度、海拔、利用方式和景觀照片等信息。每個草地樣地沿對角線設置3 個1 m×1 m 的樣方，在每個樣方內沿對角線取3 個環刀的土樣，取樣部位為0～10 cm 土層的中間部位，并對取好土樣的環刀編號，帶回室內，置105 ℃烘箱內烘干至恒重，稱重并換算成標準單位（g·cm?3），環刀規格為100 cm3。土壤理化分析樣品采用土鉆法取樣，用33 cm 內徑的土鉆，按0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 土層分層取樣，每個樣方取3 鉆，按樣方編號分層混合取樣，分別裝在8 號塑封袋內，樣品編號后帶回室內。在室內，把土壤樣品攤開風干，混合均勻后用四分法取樣分析，研磨后過0.15 mm 網篩，將過篩后樣品裝小號的塑封袋，編號后送中國科學院植物研究所分析中心進行全碳、有機碳含量分析。碳含量采用干燒法測定［24］，測定儀器為元素分析儀（DELTA V Advantage+Flash 2000，德國）。

另一部分數據來源于中國科學院先導專項草地調查143 個草地樣地的土壤分層調查數據，用于建立土壤分層傳遞函數。其土壤容重和土壤分析樣品的采樣方法根據《中國草地生態系統固碳現狀、速率和潛力研究調查規范》進行采樣［25］。采用壕溝法，在樣方一側開挖一個100 cm（長）×50 cm（寬）×100 cm（深）的壕溝，建立一個土壤剖面，根據剖面按0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm 土層分層取樣，并進行5 個樣方的重復采樣。此方法過于耗時、費力，在北方溫帶草原區的大規模調查中難以實施。在室內，把土壤樣品攤開風干，混合均勻后用四分法取樣分析，研磨后過0.15 mm 網篩，將過篩后樣品裝小號的塑封袋，編號后送中國科學院植物研究所分析中心進行全碳、有機碳含量分析。

1.3 地理要素空間數據與處理

利用多因素加權回歸模型（multi?factor weighted regression model，MWRM）［25］對北方溫帶草地土壤容重計算時需要有相關地理要素空間數據，主要包括遙感數據、氣候數據、地形數據、草地資源類型分布數據等。

1.3.1 遙感數據 北方溫帶草原區2013?2015 年8 月中旬的歸一化植被指數（normalized difference vegetation index，NDVI）的平均數據來源于美國地質調查局的MODIS 數據產品（MOD13A2），用MRT（modis reprojection tool）工具批量轉投影和拼接，空間分辨率為1 km。

1.3.2 氣候數據 根據國家氣象局提供的2013?2015 年氣象臺（站）觀測數據，運用ANUSPLIN 專業氣象插值軟件，建立年均氣溫、年降水量、≥10 ℃年積溫、濕潤度［23］等空間數據，空間分辨率為1 km。

1.3.3 DEM 數據 來源于國家地球系統科學數據共享平臺（www.geodata.cn），數字高程模型（digital elevation model，DEM）數據的空間分辨率為30 m。

1.3.4 草地資源類型分布數據 基于20 世紀80 年代全國草地調查1：100 萬草地類型圖矢量數據，利用2010年TM（thematic mapper）影像數據對北方溫帶草原區進行解譯和修編，獲得2010 年北方溫帶草地資源類型分布矢量數據，精度20 m。

1.3.5 草地樣地的地理要素數據的匹配與提取 根據北方溫帶草原區587 個草地樣地調查點的經緯度信息，在ArcGIS 中加載上述地理要素空間數據，分別提取與每個樣地相匹配的海拔、NDVI、年均溫、年降水量、≥10 ℃年積溫、濕潤度6 個要素的值，與587 個樣地的表層土壤容重值（其中2/3 共計397 個樣地數據作為建模數據，剩余190 個樣地數據作檢驗數據），共同構建一個包括6 個生態要素、表層土壤容重、土壤有機碳含量的數據集，用于相關的統計、回歸和空間格網化分析。

1.4 數據統計與分析

1.4.1 數據統計與回歸分析 有關樣地調查的土壤容重和有機碳含量數據、土壤有機碳含量隨土層深度變化（KSOC）、土壤容重隨土層深度變化的相關性分析（KSBD）、土壤表層容重與各地理要素間的相關性分析和回歸分析、以及土壤容重垂直剖面變率系數（KSBD）與土壤有機碳含量垂直剖面變率系數（KSOC）的相關性分析等，均采用SPSS 20.0 進行統計分析。

1.4.2 土壤容重分層傳遞函數構建 根據中國科學院先導專項草地調查143 個草地樣地的調查數據，通過SPSS 20.0 進行K?S 正態檢驗（P＜0.01），刪除明顯異常和土壤剖面不完整的樣地，最終得到117 個有效樣地參與統計分析。根據117 個有效樣地土壤容重調查的分層數據和土壤有機碳含量分層數據，利用線性回歸分析，分別求得每個樣地的土壤容重和土壤有機碳含量隨土層深度變化的垂直剖面變率系數KSBD和KSOC，并構建土壤容重垂直剖面變率系數（KSBD）隨土壤有機碳含量垂直剖面變率系數（KSOC）分層變化的傳遞函數方程。根據所構建的傳遞函數方程，分別對北方溫帶草原區草地0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm 等不同土層的土壤容重進行估算。

其中，a和b分別為模型常數項；SBD（x）為某土層的土壤容重值，當x=0 時為土壤表層（0～10 cm）的土壤容重，x=1 時為土壤10～20 cm 土層的土壤容重值；x=2 時為土壤20～30 cm 土層的土壤容重值；x=3 時為土壤30～50 cm土層的土壤容重值；KSBD為土壤容重垂直剖面變率系數。

1.4.3 土壤容重空間格網化過程 根據北方草地樣帶調查中獲取的土壤表層容重數據，以及海拔、年均溫度、年均降水量、≥10 ℃積溫、濕潤度、NDIV 6 個地理要素數據，運用MWRM 模型方法［25］，分別構建土壤表層容重和土壤有機碳含量垂直剖面變率系數空間插值（估算）MWRM 模型，獲得我國北方草原區土壤表層容重（0～10 cm）的空間柵格數據（1 km×1 km），和土壤有機碳含量垂直剖面變率系數（KSOC）空間柵格數據（1 km×1 km），方法詳見文獻［12，24］。

同時，根據土壤容重分層傳遞函數模型（公式1 和2）對北方溫帶草原區草地分層土壤容重的空間估算，實現草地0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm 等不同土層的土壤容重空間格網化估算。

2 結果與分析

2.1 北方溫帶草原區表層土壤容重空間分布格局

根據北方溫帶草原區草地表層土壤容重的多因素加權回歸模型［25］，插值建立我國北方草原區土壤表層（0～10 cm）容重的空間柵格數據（圖2）。

根據北方溫帶草原區190 個檢驗樣地數據的驗證分析（圖3），北方溫帶草原區草地表層（0～10 cm）土壤容重的平均預測誤差、均方根差、相對誤差和復相關系數分別為0.018、0.223、16.2%和0.5386。檢驗結果表明：利用多要素數據源反演插值方法得到的北方溫帶草原區草地表層（0～10 cm）土壤容重的空間分布數據具有較高的可靠性和精度。

2.2 北方溫帶草原區草地分層土壤容重空間分布格局

根據北方溫帶草原區草地表層（0～10 cm）土壤容重的空間分布數據（圖2），運用土壤容重垂直剖面變率系數傳遞函數模型（公式1，2），除去沙漠、農田等非草地地理單元，獲得北方溫帶草原區分層土壤容重的空間分布數據（圖4）。

從土壤容重分層柵格空間數據可知（圖2 和圖4），不同土層土壤容重在空間變化規律上呈一致性，表現為中部和西北部高（主要分布著溫性荒漠草原和溫性荒漠草地類型），東部和西南部低（主要分布著溫性草甸和山地草甸）的現象。

根據土壤容重分級統計分析（表1），我國北方草原區草地的土壤容重主要分布在1.5 g·cm?3以上，占總草地面積的61.58%。I 類土壤容重（0～0.8 g·cm?3）零星分布在天山和阿勒泰等山區，主要草地類型為高寒草甸，占總草地面積4.54%；Ⅱ類土壤容重（0.8～1.2 g·cm?3）集中分布在天山，阿勒泰，大興安嶺及昆侖山等山區，主要草地類型為山地草甸，占總草地面積13.16%；Ⅲ類土壤容重（1.2～1.5 g·cm?3）集中分布在內蒙古高原東部和呼倫貝爾高原，主要草地類型為溫性草甸和山地草甸，占總草地面積20.74%；Ⅳ類土壤容重（1.5～1.8 g·cm?3）集中分布在內蒙高原西部，黃土高原北部，準格爾盆地北部和阿拉善高原邊緣，主要草地類型為溫性草原和溫性荒漠草原，占總草地面積36.03%；Ⅴ類土壤容重（1.8～2.2 g·cm?3）集中分布在準格爾盆地南部，南疆盆地邊緣以及阿拉善高原中部，主要草地類型為溫性荒漠類，占總草地面積25.55%。并且隨著土層深度的增加，Ⅴ類土壤容重草地所占比重有增加趨勢，相比較于表層（0～10 cm），30～50 cm 土層Ⅴ類土壤容重草地總面積增加了21.27%；而I～Ⅳ類型土壤容重（0～1.8 g·cm?3）草地相較于表層土（0～10 cm）所占比重有減少趨勢，總面積減少了21.27%。

圖2 北方草原區表層（0～10 cm）土壤容重空間分布Fig.2 Spatial distribution of surface soil（0-10 cm）soil bulk density of northern temperate grasslands

圖3 北方草原區表層（0～10 cm）土壤容重預測值與實測值檢驗Fig.3 Validation of surface soil（0-10 cm）soil bulk density estimation of northern temperate grasslands

2.3 不同區域草地分層土壤容重比較

統計分析結果表明，我國北方溫帶草原區草地平均土壤容重為1.50 g·cm?3，其中阿勒泰山區土壤容重最低，平均為1.03 g·cm?3，表層容重平均為0.95 g·cm?3；其次為天山山區，平均容重為1.13 g·cm?3，表層容重平均為1.06 g·cm?3；第三為大興安嶺地區，平均容重為1.19 g·cm?3，表層容 重平均為1.10 g·cm?3。南疆盆地的草地土壤容重最高，平均容重為1.99 g·cm?3，表層容重平均為1.94 g·cm?3；其次為阿拉善高原的草地，平均容重為1.84 g·cm?3，表層容重平均為1.77 g·cm?3；第三為河套及土默川平原的草地，平均容 重 均 為1.76 g·cm?3，表 層 容 重 均 為1.68 g·cm?3（表2）。

2.4 不同草地類型分層土壤容重比較

根據北方溫帶草原區草地類型分布數據［23］，提取主要草地類型的土壤容重數據，進行不同類型草地分層土壤容重的比較分析（表3），結果表明：不同草地類型土壤容重有明顯差異，其中高寒草甸類土壤容重最低，平 均 為0.76 g·cm?3，表 層 容 重 平 均 為0.69 g·cm?3；其次為低地草甸和沼澤類，平均容重均為0.82 g·cm?3，表層容重分別為0.75 和0.74 g·cm?3；第三為山地草甸，平均容重為0.99 g·cm?3，表層容重平均為0.91 g·cm?3。溫性荒漠類土壤容重最高，平均為1.80 g·cm?3，表層容重平均為1.72 g·cm?3；其次為溫性草原化荒漠類，平均為1.66 g·cm?3，表層容重平均為1.58 g·cm?3；第三為高寒荒漠草原類，平均為1.60 g·cm?3，表層容重平均為1.52 g·cm?3。

圖4 北方溫帶草原區不同土層土壤容重空間分布Fig.4 Spatial distribution of soil bulk density at different layers of northern temperate grasslands

表1 不同土層土壤容重分級所占面積比例Table 1 Distribution of stratified soil bulk density in different soil layers（%）

表2 不同地理區域土壤容重Table 2 Soil bulk density in different depths and geographical regions（g·cm-3）

表3 不同草地類型草地分層土壤容重Table 3 Soil bulk density in different depths and grassland types（g·cm-3）

3 討論

3.1 草地類型和有機碳含量與土壤容重的關系

土壤容重的變化不僅受結構、緊實度和土地利用類型等土壤自身屬性影響［26］，粘土含量、含水量、含沙量、深度、pH 值和有機碳含量等土壤理化性質也是影響土壤容重變化的主要因素［27］。但影響土壤容重變化最主要的原因是有機碳含量［28?30］。有機碳含量是有機質輸入和礦化的一個綜合結果，而對于草地生態系統而言，有機質的輸入主要依賴于草本植物的光合作用以及一些小灌木的凋落物，而不同的草地類型對于有機物輸入的能力是有差異的，從而對土壤容重產生影響。

另一方面，土壤類型的形成和分布與生物氣候帶相適應，不同草地類型的土壤容重變化范圍較大。就研究區內的草地而言，主要的草地類型有3 類：溫性草原，溫性荒漠草原和草甸草原。分別形成了栗鈣土，棕鈣土和黑鈣土3 種相適應的土壤類型，這3 種土壤類型結構和含水量等土壤理化性質有較大差異，這些差異反過來也會影響植被的分布。一般而言，棕鈣土的土壤孔隙度要大于黑鈣土，土壤硬度增加，土壤持水能力減少，這些都會使土壤容重增加。Carlos 等［27］發現，土壤容重增加會顯著影響土壤對有機碳含量的積累和持有能力。草地類型的變化導致土壤容重的增加或減少，進而影響有機碳含量。

3.2 土壤容重空間格局的比較分析

根據不同學者對不同地區土壤容重研究結果的比較分析，本研究重建的土壤容重分層數據與其結果相接近（表4），基本反映了北方溫帶草原區草地土壤容重空間分布格局的客觀存在。但個別區域存在明顯差異，本研究搜集了研究區內7 個主要不同地形分區的相關研究，由于土壤容重采樣的困難和不確定性，樣方設置的差異性和不均一性等因素，不同學者建立的土壤容重預測模型也不盡相同，所以在土壤容重預測結果上也有偏差。周李磊等［31］使用多因素加權回歸模型（multi-factor weighted regression model，MWRM）［25］對新疆伊犁146 個采樣點進行預測，結果差異較大。這可能是因為周李磊等［31］沒有對伊犁地區土壤容重分土層深度進行預測。有研究表明，伊犁地區垂直方向不同深度范圍土壤容重差異顯著［32］，而且由于伊犁地區地形特殊，土層中含有較多礫石，這更增加了垂直方向上土壤容重的變異性，張文太等［32］發現存在礫石會使土壤容重偏高約16%，這說明伊犁地區表層土與深層土壤組成的差異會造成土壤容重的變化。成鵬［33］主要對天山北坡烏魯木齊段山地草甸圍欄內0～30 cm的土壤容重進行測量，并且樣點數量少，并沒有能完全反映天山山脈土壤的實際情況。王進等［34］對呼倫貝爾草地27 個采樣點進行土壤容重分析，結果與本研究差異顯著。一方面是因為采樣點數量太少，對于區域尺度的研究樣點數量過少無法充分反映該區域的土壤特征；另一方面，選取的樣地特征不同，王進等［34］選取呼倫貝爾沙漠化梯度的樣地，并且樣地多在沙漠邊緣，沒有對其他類型的草地進行取樣。這種差異也可能受到研究區域的邊界范圍、土壤異質性等影響。

表4 不同地區土壤容重研究結果比較Table 4 Comparison of soil bulk density research results in different regions

3.3 傳遞函數方法的應用

我國地域廣闊，自然地理環境復雜多變，不同土綱中土壤容重與其他土壤屬性的關系并不完全相同，因此大部分學者在充分考慮了土壤地域性的同時［35?37］，運用傳遞函數方法在土壤容重研究和估算上取得很好的應用，韓光中等［36］基于土壤系統分類對我國現有的土壤數據資料進行分組，對各土綱建立多項式模型。這種方式在一定程度上提高了模型預測的精度，但是這種分類建立模型并不適用復雜的土壤環境，也并未考慮在剖面深度上土壤容重的變化趨勢；另一方面，這些研究提出的模型和以往的經驗模型一樣，未考慮地形、氣候、母質等因素［38?41］。因此，對于大范圍的土壤容重預測，構建更加精確的土壤容重傳遞函數是必要的。

本研究利用中國科學院先導專項草地調查完整的土壤容重剖面數據，在充分考慮土壤地域性差異和深度對土壤容重變異的影響，結合北方溫帶草原的氣候，地形等因素，構建北方溫帶草原土壤容重分層傳遞函數。在一定程度上提高了土壤容重預測的精度，為大尺度區域構建土壤容重傳遞函數提供思路。并加強了對土壤母質和土壤粒度數據的參與。

4 結論

基于采樣數據，利用土壤分層傳遞函數，對中國北方溫帶草原區0～50 cm 表層土壤容重空間格局進行模擬。結果表明：1）中國北方溫帶草原區土壤容重在空間上呈現中部和西北部高，東部和山區低的現象，草地平均土壤容重為1.50 g·cm?3。2）土壤容重在空間上表現出地理異質性，其分布趨勢與草地類型有一致性，并主要受到土壤有機碳含量的影響。3）通過與其他學者實際測量結果比較，這種利用現有分層土壤數據建立分層傳遞函數模型，并應用大尺度格局土壤容重分布模擬的方法是可行并準確的。