二龙山油松林土壤养分含量的小尺度空间异质性研究

石 峰

（山西省林木育种研究中心，山西太原030031）

空间异质性是指在自然生态系统的空间布局上表现出具有不均匀性和复杂性的生态学过程和格局的一种自然现象，对于生态系统来说，空间异质性是一种基本特征，影响其变化的主要因素是时间因素和空间因素[1-4]。作为森林来说，最核心的组成部分就是土壤，因为整个森林的根基就是土壤，森林生态的生长发育离不开森林土壤的支撑[5]。从空间角度来说，森林中的动植物、气候和土壤这些生态因素呈现出镶嵌性并且非常复杂[6-7]。因此，在对森林生态的空间异质性进行研究时就必须先对土壤养分的分布情况进行研究，因为它是生态异质性的重要构成部分[8]。由于森林生态系统庞大而复杂的体量，如果要对森林生态格局和发展进行全面研究非常困难，通常通过小尺度空间异质性对特定样本进行研究，进而推广到全局生态，这是一种基础样本推演法[9]。

本试验以二龙山天然次生油松纯林下土壤为研究对象，通过统计学分析方法对小尺度空间范围内土壤中的硝态氮、铵态氮、有效磷、有效钾含量的异质性进行研究，分析该区域土壤养分空间分布格局形成的原因，并且为相关的研究提供一定的借鉴。

1 研究区概况

研究区样本地地理坐标为经度 38°36′～39°02′，纬度 111°46′～112°54′，位于国家自然保护区二龙山境内，地形上呈现西南向东北走向的山脉，属于黄土丘陵的东部区域，坐落于吕梁山脉北段位置。从岩石类型来看，该区域主要为花岗岩，另外以少量石灰岩作为次要岩石类型存在；从土壤类型来看，从山脚到山顶依次表现为山脚以灰褐土为主，山腰以棕壤为主，山顶以亚高山草甸土为主；从植被角度来看，其分布表现为山脚至山腰为农垦带、灌草，山腰主要分布为针阔混交林，从山腰到山顶主要分布油松林及亚高山草甸。

研究区气候表现为温带湿润性气候，年度温度极值为-36.6～34.2℃，平均温度为4.3℃；年度降雨量为252.9～711.0mm，年度平均降水量为453.9mm，降雨期主要集中在6，7，8，9月，占全年降水量的70%；无霜期为130～170 d。

2 研究方法

2.1 样地设置

在样本地区域相同海拔处（2 438.3 m），选取3块坡度和坡向均相同的区域为试验样地，样本地面积为30 m×30 m，样地1有一条浅沟贯穿其中。

2.2 土壤取样

本研究所采取的取样设计原则为中小支撑、多样点，其理论依据为相关统计学基础理论[10]。对样本地进行区域划分，每个样本地划分为100个小区间，每个小区间面积为9 m2，每个小区间作为一个取样点。

采取土钻法对样本土壤进行取样，土钻内径为7.0 cm，首先清扫表层，然后通过土钻取10 cm土芯，最后将所取土壤密封保存在低温环境中。土壤取样的时间一般选择为雨后天晴的第3～4天，目的是排除其他干扰因素作用[11]。

2.3 测定指标及方法[12]

硝态氮测定采用酚二磺酸比色法；铵态氮测定采用2 mol/L KCl浸提-靛酚蓝比色法；有效磷测定采用0.5 mol/L的NaHCO3提取法；有效钾测定采用NH4AC溶液浸提法。

2.4 数据分析

2.4.1 经典统计分析 对硝态氮、铵态氮、有效磷、有效钾含量进行统计分析的数据主要表现为平均值、方差以及变异系数，分析工具采用软件SPSS18.0。

块金值（Nugget），函数参数之一，用Co表示，也叫块金方差，反映的是最小抽样尺度以下变量的变异性及测量误差。理论上当采样点的距离为0时，半变异函数值应为0，但由于存在测量误差和空间变异，使得2个采样点非常接近时，它们的半变异函数值不为0，即存在块金值。

2.4.2 变异函数模型分析 变异函数的计算公式如下。

其中，γ（h）表示变异函数，M表示随机变量，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）表示样本总数。

通过公式对协同变异函数进行描述和表达。

其中，γk′k（h）表示交叉变异函数，Z表示协同变量，Zk′（xi），Zk（xj）表示xi，xj处变量观测值，Zk′（xi＋h），Zk（xj＋h）表示xi＋h，xj＋h处变量观测值，N（h）表示样本总数。

3 结果与分析

3.1 土壤硝态氮含量的空间变异性

3.1.1 土壤硝态氮含量的描述性统计分析 由表1可知，样地2的硝态氮含量最高，为14.82 mg/kg，样地1硝态氮含量最低，为13.01 mg/kg。从变异系数看，样地1的变异系数为105.01%，表现为强变异，样地2和样地3的变异系数分别为74.89%，62.06%，表现为中等变异。

表1 土壤硝态氮含量描述性统计分析结果

3.1.2 土壤硝态氮含量的地统计学分析 由表2可知，硝态氮空间变异趋势呈现球状模型，样地1，2，3 的半方差基台值分别为 2.903，1.651，1.804。可以得出，硝态氮异质性上样地1最高。

表2 土壤硝态氮含量的变异函数理论参数

3.2 土壤铵态氮含量的空间变异性

3.2.1 土壤铵态氮含量的描述性统计分析 由表3可知，样地2的铵态氮含量最高，为12.41 mg/kg，样地1的铵态氮含量最低，为10.98 mg/kg。

从变异系数看，样地1最高，为109.84%，表明铵态氮含量样地1表现为强变异，样地2和样地3的变异系数分别为82.86%，78.12%，均表现为中等变异。

表3 土壤铵态氮含量描述性统计分析结果

3.2.2 土壤铵态氮含量的地统计学分析 从表4可以看出，铵态氮空间变异趋势呈现线性模型，样地1，2，3的半方差基台值分别为89.696，81.184，79.958。可以得出，铵态氮异质性上样地1最高。

表4 土壤铵态氮含量的变异函数理论参数

3.3 土壤有效磷含量的空间变异性

3.3.1 土壤有效磷含量的描述性统计分析 由表5可知，样地2的有效磷含量最高，为3.454 mg/kg，样地1的有效磷含量最低，为2.378 mg/kg。

从变异系数看，样地1有效磷含量的变异系数为90.24%，表现为强变异，样地2和样地3的变异系数分别为28.43%，24.38%，表现为弱变异。

表5 土壤有效磷含量描述性统计分析结果

3.3.2 土壤有效磷含量的地统计学分析 由表6可知，有效磷空间变异趋势呈现球状模型。样地1，2，3 的半方差基台值分别为 1.159，0.624，0.698，表明有效磷异质性上样地1最高。

表6 土壤有效磷含量的变异函数理论参数

3.4 土壤有效钾的空间变异性

3.4.1 土壤有效钾含量的描述性统计分析 由表7可知，样地2的有效钾含量最高，为131.64 mg/kg，样地1的有效钾含量最低，为126.92 mg/kg。有效钾变异系数样地1为91.33%，表现为强变异，样地2和样地3的变异系数分别为22.14%和20.94%，表现为弱变异。

表7 土壤有效钾含量描述性统计分析结果

3.4.2 土壤有效钾含量的地统计学分析 由表8可知，有效钾空间变异趋势呈现无基台值线性模型，基台值不存在，故空间结构也不明确。

表8 土壤有效钾含量的变异函数理论参数

4 结论与讨论

森林土壤氮含量在生态空间维度上的异质性现象导致的因素有很多种，例如，地形因素、植被因素等。这些因素的共同作用和影响使得土壤氮含量在生态系统中空间分布上发生异质性[13-20]。从形式上说，硝态氮属于速效氮，与铵态氮相同，但是由于硝态氮、铵态氮在结构特性上有所区别，因此，导致不同的地域和植物环境对氮元素的需求有所不同。

本研究结果表明，硝态氮、铵态氮的分布在样地1中表现出极大值和极小值分布的特点现象，相比较于样地2，3，样地1具有更强的变异系数，分析其原因初步判定为样地1与样地2，3在地形坡度上有所区别，样地2，3的地形相对平坦，而样地1被浅沟贯穿，研究区降雨量主要分布在夏季，此时是全年雨水量最大的时期，研究区植被分布主要是草本植被，缺乏固氮能力强的灌木和乔木类型的植被，这样就直接导致了在浅沟上游区域土壤中硝态氮和铵态氮含量呈现出流失现象，相反在浅沟下游沟底区域产生大量的氮元素沉积积累，因此，形成了极大值和极小值的分布。选择相同海拔和气候的地区进行3块样本地的设置，但是仍然不能完全排除这些因素的影响，直观体现就是微地形对氮元素分布的影响作用。

二龙山油松林土壤氮元素空间异质性研究中，样地1属于强变异，样地2，3属于中等变异。铵态氮半方差基台值比硝态氮高，说明就异质性程度而言铵态氮表现更高。就氮含量的基台值表现而言，在3块样本地中均表现出铵态氮高于硝态氮，因此可以说明，在空间异质性表现上铵态氮较硝态氮更高；结构性因素是氮元素的空间结构变异的主要原因，不过硝态氮相比较于铵态氮受到随机因素影响的程度要小。因此，2种类型的氮含量分布无明显差别的原因很可能是由于微地形影响所致，深层原因还需要进一步研究，可能是气候因素影响，也可能是雨水因素或者温度因素等。

硝态氮、铵态氮、有效磷和有效钾含量在样地1中均最低，这也与样地1中的沟壑存在有关，由于沟壑的存在，降雨时地表径流会明显高于其他2块样地，土壤侵蚀度程度也因此高于其他2块样地。

土壤有效钾的变异趋势在3块样地中均表现为无基台值线性模型，无法确定其空间结构，这可能与样地的人为干扰有关，需要进一步研究。