蘇打鹽堿草地不同研究尺度土壤pH值空間變異特征*

王欣慰，王洪峰，吳子龍，董雪云

(1 東北林業大學林學院，黑龍江 哈爾濱 150040；2 邯鄲學院生命科學與工程學院，河北 邯鄲 056005；3 哈爾濱學院，黑龍江 哈爾濱 150086)

松嫩平原生態脆弱，土地鹽堿化日趨嚴重[1]，相比于20世紀50年代，目前該地區鹽堿化面積已增加近60萬公頃[2]。相比于其他區域，松嫩平原土壤空間質異性更為特殊[3]，通常情況下，其pH值變化過程更為緩慢[4]，但因松嫩草地土壤多為蘇打鹽堿土，pH值的變化在較小尺度上又會有較為劇烈的變化。對于松嫩草原來說，在土壤性質空間變異特性不明的情況下，對鹽堿草地改良前后的評價、精確化改良措施的合理尺度等方面的研究和應用都缺乏堅實的基礎。所以對土壤性質的空間變異特征的研究是對此區域生態環境保護和改良的理論基礎。

土壤的化學性質隨著時間和空間的變化并非遵循簡單的隨機函數關系，而是一種自相關函數關系[5]。自20世紀60年代以來，部分外國學者借用礦產分析的經驗，發展了主要以半方差函數和克里格插值等方法為基礎的對土壤空間異質性進行分析的方法即地統計學[6]，在地統計學中，對有限區域中區域化變量取值進行無偏最優估計的方法為空間局部估計[7-10]。同時，這種新方法也被利用在土壤變異的研究中，并受到人們的重視[11-12]。因為空間變異是尺度的函數，所以在這類研究中，研究尺度的選擇是一個十分關鍵的因素，某一尺度下的研究結論會掩蓋其他尺度的規律，這在前人的研究中也得到證實[13-14]。

pH值的變化是一個蘇打鹽堿土鹽堿化的一個關鍵性指標，可以很好的反映土壤的理化性質，且能夠影響土壤的其他性質[15]。本文在不同尺度下對其統計特性的空間變異性進行了研究，力圖找到pH值在松嫩草地蘇打鹽堿土環境下的一些變化規律。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區域位于松嫩平原西部杜爾伯特蒙古族自治縣他拉哈鎮，地處N45°53′～47°8′，E123°45′～124°42′，平均海拔152 m，屬溫帶大陸性季風氣候，年均降雨量為400 mm左右，80%集中在7-9月，年平均氣溫3.6～4.4 ℃，日平均氣溫穩定在0 ℃以上的日數210 d，無霜期140 d，封凍期在11月上旬，解凍期在5月上旬。

1.2 樣品采集

選擇大尺度(2.5×107m2，取樣間隔500 m)、中尺度(5.76×106m2，取樣間隔112 m)、小尺度(8.75×104m2，取樣間隔1 m)和微尺度(42 m2，取樣間隔0.5 m)4個尺度進行取樣研究。所有4個尺度樣地均設在杜爾伯特蒙古族自治縣他拉哈鎮境內鹽堿化草地。

選擇一片鹽堿草地，設置5000×5000 m樣地為大尺度樣地，在此樣地上劃分1000×1000 m網格，每個網格點設1×1 m小樣方，取小樣方四個頂點和中心點5個點0～20 cm表層土混合。

選1800×3200 m的鹽堿化草地為中尺度研究取樣區域。在此區內以劃分112×112 m網格，每個網格點處設1×1 m小樣方，取小樣方四個頂點和中心點5個點0～20 cm表層土混合。

小尺度樣地為250×350 m長方形樣地，在此區內以劃分50×50 m網格，每個網格點處設1×1 m小樣方，取小樣方四個頂點和中心點5個點0～20 cm表層土混合。

微尺度樣地為6×7 m長方形樣地，在此區內以劃分50×50 cm網格，網格點上選取168個點，每個點取0～20 cm表層土。

1.3 pH值的測定

以電位法測定土壤pH值[16]。

1.4 數據處理

使用SPSS軟件進行傳統統計分析，GS+軟件計算半方差函數，Surfer 8.0軟件結合ENVI軟件進行空間任意點值預測。

2 結果與分析

2.1 不同研究尺度pH值傳統統計分析

對不同研究尺度土壤pH值進行了傳統統計分析(表1)。只有大尺度取樣時符合正態分布，其他尺度均不符合正態分布。說明在大尺度下，pH值的變化相對緩和，土壤性質大體均一。而相對較小的尺度下，土壤受放牧、土地開墾、小型湖泊其它人為干擾較劇烈，使其性質變化較復雜。

除大尺度外，最大值相差不大，最小值和均值有比較明顯的差別，pH值的上限變化不大，下限變化較大。研究尺度對變異系數影響較大，從大尺度到微尺度的變異系數分別為16%、6.7%、11.9%和10.1%。大尺度上，土壤主要受氣候、水文、土壤母質和大范圍土地利用方式的影響，這些因素對土壤pH值的影響在不同地段有較大的差異。小尺度和微尺度的變異系數明顯大于中尺度，土壤在較小尺度上pH值受放牧、微地形、植被等隨機影響較大，能顯著影響土壤表層的因素多且復雜，使較小尺度上土壤表層pH值變化劇烈。

表1 不同研究尺度pH值傳統統計分析Table 1 Descriptive statistics of pH at different scales

2.2 不同研究尺度土壤pH值空間變異

首先考察不同研究尺度下取樣點數值的統計分布特征，進行正態檢驗，不符合正態分布的進行正態轉換。應用GS+地統計學軟件，計算半方差函數，公式為：

式中：r(h)為半方差函數值；N(h)為間距為向量h的點對總數；Z(xi)為區域化變量Z在xi處的實測值；Z(xi+h)為與xi距離為向量h的樣點的值，本研究中半方差函數的有效滯后距都設為最大采樣間隔的1/2[17-21]。

GS+軟件計算半方差函數，C0為塊金值(nugget)；C為結構方差；C0+C為基臺值(sill)；h為滯后距離；a為變程(range)。塊金值表示隨機變異的大小，基臺值表示系統內的總變異，但由于自身因素和測量單位的影響較大，故塊金值和基臺值不能用于比較不同變量間的隨機變異，而兩者比值則能反映塊金方差占總空間異質性變異的大小，表示土壤屬性的空間依賴性[19-22]。當該比值<25%時，空間變量為強烈的空間自相關，在25%～75%時，為中等空間自相關，>75%時為弱空間自相關。變程與觀測尺度及取樣尺度上影響土壤水分的各種生態過程及其相互作用有關，能表示屬性因子空間自相關范圍的大小。在變程之內，變量具有空間自相關性，反之則不存在[19-25]。

表2 不同研究尺度半方差函數Table 2 Semi-variogram under different scales

圖1 大研究尺度半方差函數圖Fig.1 Semi-variogram in large scale

圖2 中研究尺度半方差函數圖Fig.2 Semi-variogram in meso scale

圖3 小研究尺度半方差函數圖Fig.3 Semi-variogram under small scale

圖4 微研究尺度半方差函數圖Fig.4 Semi-variogram in micro scale

不同研究尺度下對半變異函數進行擬合，對比選擇最優的擬合模型。大研究尺度、中研究尺度、小研究尺度、微研究尺度的最優擬合模型分別為指數模型、高斯模型和球狀模型。模型擬合決定系數較高，分別為0.595～0.939，說明理論模型能較好的反映pH值的空間變異特征。不同研究尺度的塊金值/基臺值為0.58～0.97，中尺度和微尺度為強空間自相關，大尺度和小尺度為中等空間自相關。

變程不是一成不變的，不同研究尺度下變程也不同。大研究尺度的變程為4620 m，中小研究尺度的變程差別不大，分別為220.0 m和173.9 m，微研究尺度變程為72.2 cm。變程是空間自相關的范圍，一般來說，變程范圍內存在空間自相關，變程范圍外空間自相關消失。從不同研究尺度的結果看，pH值的變化存在不同的結構層次。松嫩草地土壤pH值的變化基本可分為三個層次：小于1 m范圍內的變化、200 m左右范圍內的變化，4～5 km范圍內的變化。在這三個范圍間不存在空間自相關(表2，圖1～圖4)。

2.3 不同研究尺度土壤pH值預測

首先繪制不同研究尺度采樣圖(圖5～圖8)，在此基礎上以克里格法進行插值計算，并繪制pH值等值線圖(圖9～圖12)。

在4個尺度試驗區內各隨機選30個點，GPS或米尺取得坐標值后，結合ENVI預測數值，然后在這些隨機選取的坐標點處采樣、測量，對預測值進行檢驗。

圖5 大研究尺度采樣圖Fig.5 Sketch map under large scale

圖6 中研究尺度采樣圖Fig.6 Sketch map under meso scale

圖7 小研究尺度采樣圖Fig.7 Sketch map under small scale

圖8 微研究尺度采樣圖Fig.8 Sketch map under micro scale

圖9 大尺度取樣等值線圖Fig.9 Isogram of pH under large scale

圖10 中尺度取樣等值線圖Fig.10 Isogram of pH under meso scale

圖11 小尺度取樣預測結果Fig.11 Isogram of pH under small scale

圖12 微尺度取樣預測結果Fig.12 Isogram of pH under micro scale

在回歸分析時可以計算R2和殘差平方和來標志回歸方程和實際值的符合程度，在進行插值計算和在ENVI中進行預測時，無法得到回歸分析中那樣簡單明了的公式，但仍然可以用同樣的原理計算R2和殘差來檢驗預測的準確程度(表3)。在大尺度取樣時，預測pH值時R2小殘差平方和很大，說明這種方式的大尺度取樣和計算雖然在插值時可以得到比較好的結果(插值計算的R2>0.8)，但是其實對pH值的預測不夠準確。中尺度的預測圖過渡平緩，顯示出區域內明顯的高pH值聚集區成條帶分布，和大尺度相比，而R2有所提高但仍然比較小，中尺度取樣對具體點做預測準確率仍不高。不過大尺度和中尺度預測圖殘差不大，顯示出的總體分布特征還是有相當的參考價值。

表3 R2和殘差平方和Table 3 R2 and residual sum of squares

小尺度和微尺度取樣時預測值可信，微尺度取樣吻合度更高，微尺度預測圖比小尺度預測圖過渡更為平緩。小尺度取樣預測時R2雖然較高但是殘差平方和反倒是所有尺度里最高的，這應該是在小尺度上隨機因素較大造成的，此結論和計算半方差函數時的結論相一致。也和其他研究者對小尺度的重視相一致[25-26]。這或許和植物競爭主要發生在小尺度上有關[27]。

微尺度預測精度很高，這容易被認為是由于微尺度上土壤性質均一性更好，但其實另有原因，這可以從不同尺度取樣時變異系數的比較中發現這一點，微尺度取樣時其變異系數明顯大于中、小尺度，中小尺度由于尺度加大反而降低了變異。說明有產生變異的主要因素有一個最主要的影響尺度，這個尺度明顯小于本研究中的中小尺度而和微尺度比較接近。這個尺度其實是產生變化的真正單位。由于微尺度接近產生主要變異的因素作用的尺度而使其預測精度較高，這也是在微尺度以上對具體點預測能力急速降低的真正原因。

3 結 論

從變程上看，四個研究尺度下松嫩草地蘇打鹽堿土壤pH值的變程為4～5 km、200 m左右和小于1 m。在這幾個范圍內存在空間自相關，在這幾個范圍間不存在空間自相關。也就是說，不同的因素在不同尺度上的效應使pH值的變化形成了這幾個尺度層次。

pH值的這幾個層次的變化和什么因素相關呢？松嫩地區黑龍江境內的鹽堿土呈小斑塊狀分布，鹽土和堿土總面積約為5.907×108m2，每個斑塊的平均面積大約為2.46×107m2[28]。這樣每個斑塊的直徑約為4～5 km，和大尺度下的變程十分一致。這些往往被道路、湖泊、河流、村莊和市鎮等分割開來的獨立的鹽堿化斑塊自成空間自相關的一個整體。研究地草地退化嚴重，被堿斑環繞的植物群落呈島狀分布，這些“島”上的植物形成許多同心圓環狀斑塊(很多時候這個圓并不不完整)，與堿斑距離不同的圓環狀斑塊上生長著不同的優勢植物。假如將生長同一種優勢植物的斑塊歸為一類，則同一類斑塊的寬度有相當的差異。在研究地隨機設置了一條樣線，樣線穿過不同種類的斑塊環，統計了同一類斑塊中的最窄寬度和“島”的寬度(表4)。斑塊的平均最窄寬度(96 cm)和微尺度的變程(72 cm)很接近，這個小于1 m的范圍很可能是一般情況下土壤和植物相互作用并產生可見效應的最小尺度。中尺度和小尺度的變程很接近，約200 m左右。在研究地地上植被沒有發現明顯的200 m左右變化，島狀植物斑塊的寬度明顯小于這個尺度，有可能是4～5個島狀植物斑塊的性質變化有較緊密的聯系而形成直徑200 m左右的pH值變化單位。

表4 植物斑塊寬度統計表(括號內為此斑塊內優勢植物)Table 4 Width of patch (dominant species is tagged between parentheses)

總體而言，小尺度和微尺度可以方便的得到精確的預測值，大尺度和中尺度取樣可以研究pH值的總體分布趨勢。研究地的鹽堿化草地形成約為2.5×107m2的大尺度斑塊，每個斑塊內約有1000個約4×104m2的pH值變化單位，而蘇打鹽堿土壤pH值和植物之間相互作用主要發生在小于1 m的尺度上。