林间草地土壤氮、磷、钾空间异质性研究

徐 智，王志军，范文静，杨 光

(1.内蒙古机电职业技术学院五年高职中专部，呼和浩特 010070;2.内蒙古草原勘察规划院，呼和浩特 010051;3.内蒙古绰勒水利水电有限责任公司，呼和浩特 010020;4.内蒙古农业大学生态环境学院，呼和浩特 010019)

1 研究背景

土壤生态学是土壤学、生态学、地理学以及环境科学相互交叉的一门具有广泛研究领域的新兴学科［1］。同一土壤类型上不同的空间位置取样所测定的土壤养分和水分等因子常常具有较大的差别，除去取样和测定过程的误差外，还存在着土壤本身的变化，一般来说我们常将这种变化称为土壤空间异质性或空间变异性［2－4］。在不同的尺度上研究土壤的空间异质性，不但对了解土壤的形成过程、结构和功能具有重要的理论意义［5］，而且对了解植物与土壤的关系，如更新过程、养分和水分对根系的影响以及植物的空间格局等也具有重要的参考价值［6－7］。土壤和植被都是时空连续的变异体，具有高度的空间异质性［8］。在草地生态系统中，土壤氮、磷、钾的空间异质性是植被空间分布差异的主要原因［9］。因此，准确分析草地土壤氮、磷、钾的空间异质性，对合理利用草地、改善土壤环境和指导农牧业生产等具有重要的理论和实践意义。

对土壤空间异质性的研究始于20世纪70年代初，Burgress，Warrick 等［10－11］许多国外土壤学家对土壤物理性质(如水分、透水率、湿度)空间异质性规律做了大量的研究，但大都停留在对土壤空间异质性的定性描述上。20世纪80年代初，空间异质性成为土壤研究的热点，并逐渐从定性描述向定量研究转变;90年代统计学的发展对土壤空间异质性的研究起了极大的促进作用，从此空间异质性的研究遍地开花，被应用到多个学科领域［12］。各个领域对土壤空间异质性研究的侧重点不同，Webster［13］认为土壤空间异质性是指在相同土壤类型不同空间位置上土壤养分和水分等因子存在的差别以及土壤本身的变化。Li等［14］则将空间异质性定义为系统或系统属性在空间上的复杂性和变异性。但到目前为止，国内外对林间草地土壤养分的空间异质性研究还比较少。

土壤的水解性氮、有效磷和速效钾是最重要的土壤化学因子，在林间草地土壤中，这些因子的空间变化直接影响着植被的根系，进而影响植被的生长，研究这些因子的空间异质性，对深入了解地上植被的类型、变异规律和生长具有十分重要的意义。为此，本论文以北方典型林间草地为研究对象，在实地调查和采样分析的基础上，利用统计学方法定量研究了林间草地土壤上层(0～30 cm)的水解性氮、有效磷和速效钾的空间异质性，掌握其变异规律，并利用EXCEL软件绘制了研究区域土壤水解性氮、有效磷和速效钾的空间分布图。目的在于理解小尺度下土壤养分空间分布特征，为深入研究土壤空间异质性与植被类型和生长的关系提供重要的参考，为北方人工草地的建植与养护管理提供基础资料。

2 研究材料与方法

2.1 研究区概况

研究区设在内蒙古通辽市科尔沁区，地处北纬43°22'～43°58'，东经 121°42'～123°02'。该区在气候、植物和土壤等方面具有较强的典型性。四季分明，光照充足，雨热同期，气温适中。年平均气温6.1℃，日照数 3 113 h，年平均降水量385.1 mm，春秋降水量占年降水量的13%～16%。年平均无霜期150 d，年平均风速3.6 m/s。采集土壤地点为科尔沁区的油松与人工草地的混植地带，是草地早熟禾和紫羊茅的混播草地，草地早熟禾与紫羊茅混播比例为7∶3，土质主要为沙壤土。

2.2 土壤采集和处理

采样时间为2012年8月7日，取样方法采用随机取样，共设36个采样点，分别于树木、草本、路边裸露土地3种环境各设12个采样点，记录各点坐标及各点附近植物情况。每点分3层进行取样，即0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，每点取5钻土样混合均匀后用四分法再取0.5 kg土样，风干后取出土样20～30 g，磨细并全部通过1 mm筛，置于广口瓶中备用。

2.3 土壤元素测定

试验中土壤水解性氮含量采用碱解扩散法进行测定，土壤有效磷含量采用NaHCO3浸提－钼锑抗比色法进行测定，土壤速效钾采用NH4OAc浸提－火焰光度法进行测定。

2.4 数据处理

对测定的样品数据，运用 SPSS 13.2软件及Excel 2007进行分析。

3 结果与分析

3.1 土壤养分在不同土层植被、空间分布特征

不同景观类型区土壤氮、磷、钾空间变异性的经典统计特征分析见表1。

由表1可以看出，随着土层深度的增加，土壤水解性氮、有效磷及速效钾含量均逐渐减少。以树木和草本为主，10～20 cm土层的土壤与0～10 cm土层水解性氮含量无显著差异(P＞0.05)，但与20～30 cm土层土壤差异显著(P＜0.05);而路边土壤取样点0～10 cm土层土壤与10～20 cm，20～30 cm土层土壤的水解性氮含量差异显著(P＜0.05)。10～20 cm土层土壤有效磷含量无论是树木、草本还是路边取样点与0～10 cm土层差异均不显著(P＞0.05)，与20～30 cm土层均存在显著差异(P＜0.05)。以树木为主的取样点0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm各层土层之间速效钾含量均存在显著或极显著差异(P＜0.05，P＜0.01);以草本为主的取样点10～20 cm土层土壤速效钾含量与0～10 cm土层无显著差异(P＞0.05)，与20～30 cm土层差异显著(P＜0.05)。表明水解性氮、有效磷和速效钾在土壤的剖面分布具有一定的表聚性。这是由于表层土壤受人为活动影响最为强烈，植被根系又多密集于土壤表层，而土壤养分的剖面分布状况主要取决于有机质进入土壤的方式。因此，0～10 cm土壤层水解性氮、有效磷、速效钾含量明显高于其下层。

为进一步准确而直观地描述不同植被类型影响下的土壤水解性氮、有效磷及速效钾的空间分布特征，运用Excel软件对0～10 cm土层土壤的水解性氮、有效磷及速效钾进行分布图制作。

水解性氮是土壤中易水解的蛋白质、氨基酸、酰胺、NH4+-N和NO3－-N的总和。因此土壤水解性氮的多少与土壤有机质的含量及其转化有关。树木、草本、路边对土壤水解性氮的影响如图1(a)所示。从图1(a)可以清楚地看出，土壤水解性氮以距离树木较近的取样点含量最高，其范围在79.1～153.3 ug/g，这与树木枯枝落叶归还量大有关。路边土壤取样点水解性氮含量最低，这与路边土壤植被少，裸露土地多，枯枝落叶量少有关。

表1 土壤养分在不同土层中的含量分布Table 1 Distribution of soil nutrient content in different layers μg/g

土壤有效磷是土壤中易被植物吸收利用的磷酸盐，它极易受周围环境因素的影响。树木、草本、路边对土壤有效磷的效应如图1(b)所示。从图1(b)可以看出，3种植被环境下，树木对土壤有效磷的效应最高，这可能与树木根系活化土壤磷素的能力强有关。

土壤速效钾主要是以交换性钾为主，也包括少量的水溶性钾，很容易被植物吸收利用。从图1(c)可以看出，土壤速效钾含量以距离树木较近的取样点最高，草本为主的取样点次之，路边取样点最低。这可能是由于树木植被指数大、对速效钾需求大、抢先利用的能力强所致。

图1 0～10 cm土壤水解性氮、有效磷和速效钾含量分布Fig.1 Distribution of hydrolytic nitrogen，available phosphorus and rapidly available potassium in soil layer of depth 0～10cm

3.2 土层、植被对土壤养分空间分布特征影响的显著性分析

对各取样点土壤水解性氮、有效磷、速效钾含量做无重复双因素方差分析，如表2所示，水解性氮、有效磷及速效钾含量均与土壤厚度呈极显著(P＜0.01)或显著(P ＜0.05)负相关，即随土层加深，水解性氮、有效磷及速效钾含量降低。可见，水解性氮、有效磷及速效钾含量在林间草地土壤中具有明显的层次性。这是由于越是土壤底层，受植被的影响越弱，土壤养分含量也就越低。

表2 植被与土层对林间草地土壤养分影响的差异显著性分析Table 2 Result of significance analysis on the impact of vegetation and soil layer on soil nutrients in forest grassland

土壤属性的空间异质性对植被有重要的影响［15］，土壤属性的空间分布是潜在的局地异质性的总和，它们受生物学和地质学等过程影响，使得区域化变量在空间分布上存在差异性，因而产生异质的土壤环境［16］，异质的土壤环境又影响群落的结构组成和功能组成以及物种竞争和植被动态［17］。由表2可以看出，研究样点土壤水解性氮和有效磷的分布在植被类型的影响下具有极显著(P＜0.01)或显著(P＜0.05)差异，而速效钾的分布在植被类型的影响下差异却不显著，这可能是由于钾的流动性强，随水分的变化水平无明显差异。

由表2可知，植被土层对土壤水解性氮、有效磷及速效钾的分布均有显著(P＜0.05)的互作效应。

4 讨论

通过研究发现，不同植被类型以及不同土层深度间的土壤水解性氮、有效磷和速效钾含量的分布具有一定的规律性。王军等［18］研究表明，植物对土壤养分的选择性吸收和利用能力可能是导致其空间异质性的主要原因。土壤营养物质(养分、矿物质、水盐分等)主要源于凋落物(枯枝落叶)、细根分泌物及死亡分解物等，而其林下凋落物质量、分解率差异、细根分布等可能是土壤养分变异的主导因子。引起土壤养分变异也可能与其水溶性、水平移动性、稳定性等有关;林窗林下植被、光温水热等条件差别大，也一定程度上影响其在空间的变异规律。杜峰［19］等人的观点认为，植物在生长过程中因为个体大小的差异，个体对土壤养分抢先利用的能力和需求不同，故土壤养分在空间分布中随着植被指数的不同而呈现出异质性。土壤养分的高值区的聚集区与植被指数的聚集区有差异，本研究表明，距离树木较近的点的土壤水解性氮、有效磷和速效钾含量最高，而取样地以草本植物为主的点次之，路边土壤取样点最低。此结论也符合杜峰等人的这一观点。此外，影响土壤养分含量的另一因素可能是不同植被类型下根系和地表凋落物中碳氮比和微生物区系也会使土壤养分分解不同［20］。

植物对养分分布格局的影响具有时间性，再生的植物斑块与干扰后土壤养分的再分布格局交互影响可能或多或少决定着再生植物个体的生长过程;同时不同种类植物之间的相互影响或竞争，不仅对目前土壤养分异质性作出被动反应，也主动重新改变着土壤养分的分布。由此可以推断，随着更新时间的延长，人促更新方式与天然更新方式林分水平土壤的空间结构特征将愈加相似［21］。植被对土壤水解性氮、有效磷和速效钾含量的影响主要通过凋落物归还到土壤中的有机质来实现［22］，表层土壤由于受凋落物积累量、微生物分解等多因子的影响，使其表层的有机质和养分元素含量及变化都不同程度地高于下层，这与本试验得出的结论相符。同时由于植被的根系对土壤的理化性质发生作用的主要有效区域也为土壤表层，因此对土壤表层有机质和养分等性质的研究就显得更为重要［23］。

5 结论

土壤水解性氮、有效磷和速效钾在土壤的剖面分布具有一定的表聚性，含量与植被指数呈正性相关。

水解性氮、有效磷及速效钾含量均与土壤厚度呈极显著(P ＜0.01)或显著(P＜0.05)负相关;除速效钾外，土壤水解性氮和有效磷的分布在植被类型的影响下具有极显著(P＜0.01)或显著(P＜0.05)差异;植被土层对土壤水解性氮、有效磷及速效钾的分布均有显著(P＜0.05)的互作作用。

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