黔中马尾松成熟林土壤养分空间异质性研究

严宏 沈平强 甘艺贤 张龙

摘 要：在贵州平坝8 200 m2的马尾松成熟林中设82个10 m×10 m的网格样地，分别采集网格中心0～5 cm（a层）、5～10 cm（b层）和10～20 cm（c层）3个垂直土样，测定土壤有机质（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）、速效氮（AN）、速效磷（AP）和速效钾（AK）7项养分指标，采用经典与地统计学方法分析土壤空间分布特征，为黔中馬尾松林可持续经营提供理论参考。研究结果表明：①土壤SOC、TP、AP、TN、AN、TK和AK变异系数为24.25%～60.48%，均属于中等变异程度;SOC c变异最大，TP b变异最小;SOC c、TK c和TN c最大值与最小值倍数为26.13、23.45和11.63倍，CV分别是60.48%、45.74%和50.48%，变异程度相对较大。土壤中除AP、TK两种养分外，SOC、TN、TP、AN和AK含量随土层厚度的增加而变小。②除TP a、TN c外，其余土壤养分R2决定系数均>0.5，说明其模型拟合度较好;AN b、AK b结构方差比<0.75，两者空间属于中等相关，其余结构方差比均>0.75，说明土壤养分在研究尺度上存在强烈的空间自相关性。③AP空间分布呈带状，含量由西向东逐渐降低，SOC、TP、TN、AN、TK和AK空间分布呈斑块状和环状分布;SOC、TP、AN、TP西北与西南呈相反分布，且西北含量最高，西南最低;TN、TK和AK中坡位含量相对较高，由中心向四周逐渐递减。

关键词：土壤养分;空间异质性;变异系数;黔中马尾松成熟林

文章编号：1004-7026（2020）14-0073-04         中国图书分类号：S791.248        文献标志码：A

土壤养分水平和垂直分布特征会直接或间接影响林地生产力和森林生态环境的稳定性。Zhang等（2004）[1]将GIS技术和地统计学相结合，对爱尔兰东南部草原地区的土壤有机碳空间异质性进行了研究。陈春燕（2015）[2]利用GIS分析九寨沟县域土壤养分空间分布，突出土壤养分的空间异质性特征。在不同区域、尺度、背景下，沈凌等（2012）[3]、宋曰钦等（2015）[4]、颜耀（2017）[5]分别对广西与贵州、黄山市屯溪区和红壤侵蚀区不同区域作了研究，认为土壤养分在水平和垂直空间分布上存在差异。研究黔中马尾松成熟林土壤养分空间变异及其规律，对开展黔中马尾松林林分结构调整、林木生长、分布、功能等有重要的意义，能为黔中马尾松林合理、有效经营提供理论参考。

1  研究区概况

研究区位于贵州省安顺市平坝区白云镇东部（26°19′00″～26°19′32″N，106°15′8″～106°15′49″E），属于亚热带湿润型季风气候，海拔为963～1 646 m，年降雨量为1 146.3 mm，降雨主要集中在6—9月，年均气温为18.3 ℃，1月平均气温为6 ℃，最低温度为-7.4 ℃，7月平均气温为23.5 ℃，年日照时长为1 079.5～1 220.1 h，无霜期为293 d。海拔由西北向东逐渐降低，中部较平整，土壤类型为黄壤、黄棕壤。林层明显，乔木主要有马尾松（Pinus massoniana Lamb）、杉木（Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook）、黑松（Pinus thunbergii Parl.）、光皮桦（Betula luminifera H.Winkl）等;灌木层包括杜鹃（Rhododendron simsii Planch.）、麻栎（Quercus acutissima Carruth.）、鼠刺（Itea chinensis Hook. et Arn.）、山茶（Camellia japonica L.）等;草本层包括芒草（Miscanthus）、蕨类（Pteridophyta）、粉枝莓（Rubus biflorus）等。

2  材料与方法

2.1  样地设置

在贵州平坝8 200 m2的马尾松成熟林中设82个10 m×10 m的网格样地，共划分82个网格样地。

2.2  土壤采样

分别采集网格中心a、b和c层土样装袋混匀带回实验室，风干、磨碎、过筛备用。具体测定方法有SOC-重铬酸钾氧化法、TN-凯氏定氮法、AN-扩散吸收法、TP氢氧化钠碱溶-钼锑抗比色法、AP碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法、TK-火焰光度法、AK乙酸铵浸提-火焰光度法[6]。

2.3  指标分析方法

2.3.1  经典统计学分析

采用SPSS17.0软件计算a、b和c层土壤养分的最大值（Max）、最小值（Min）、均值（Mean）、标准差（SD）及变异系数（CV），CV大小差异表示土壤养分之间变异的强弱，CV<10%，为弱变异性;10%≤CV≤100%为中等变异性;CV>100%为强变异性[7]。对3个土层的SOC、TP、TN、TK、AP、AN和AK等7项土壤养分空间分布进行描述性分析，用相关分析法分析土壤a、b和c层养分之间的相关关系，利用K-S检验进行检验，各养分指标均符合正态分布。

2.3.2  地统计学分析

地统计学分析主要采用半变异函数中的指数和高斯模型，拟合最优变异函数模型及其参数，定量分析各土壤养分空间变异特征。模型参数包括块金值（C0）、拱高（C）、基台值（C0+C）、变程（A）和结构方差比[1-C0/（C0+C）]，结构方差比的大小反映土壤养分空间自相关变异，结构方差比<25%时，空间自相关弱变异;结构方差比为25%～75%时，自相关中等变异;结构方差比>75%时，自相关强烈变异。变程（A）的大小表示样本间自相关范围距离大小。其中，经典统计和相关性分析基于SPSS17.0（描述性统计，Pearson相关性分析）、地统计分析GS+7.0（半变异分析）、ArcGIS 10.2（克里金格插值）等软件完成。

3  结果与分析

3.1  水平变异分析

由表1得出，a、b、c 3层土壤的SOC、TP、AP、TN、AN、TK和AK水平空间变异系数为24.25%～60.48%，均属于中等变异程度;SOC c变异最大，TP b变异最小;SOC c、TK c和TN c最大值与最小值倍数为26.13、23.45和11.63倍，CV分别是60.48%、45.74%和50.48%，變异程度相对较大。土壤除AP、TK两种养分外，SOC、TN、TP、AN和AK含量随土层厚度的增加而减少。研究区a、b、c 3层土壤养分7项指标K-S检验结果表明，均符合正态分布，符合地统计分析。

3.2  垂直变异分析

从表2可以看出，AP c、AN b和Ak b高斯模型拟合，其余均用指数模型模拟，除TP a、TN c外，其余土壤养分R2决定系数均>0.5，说明其模型拟合度较好;AN b、AK b结构方差比<0.75，两者空间属于中等相关，其余结构方差比均>0.75，说明土壤养分在研究尺度上存在强烈的空间自相关性。

3.3  土壤空间分布特征分析

运用Arcgis10.2中地统计扩展模块（Geostatistical Analyst）下的克里金（Kriging）插值方法，利用5%的采样点实测值进行交叉检验，精度均符合插值要求。通过插值可知，AP空间分布呈带状，含量由西向东逐渐降低，SOC、TP、TN、AN、Tk和Ak空间分布呈斑块状、环状分布，且分布变化趋势平缓稳定;SOC、TP、AN、TP西北与西南呈相反分布，西北含量最高，西南最低;TN、Tk和Ak中坡位含量相对较高，由中心向四周逐渐递减;土壤养分空间分布格变化过度缓慢平稳，过渡距离小，数值分布均匀。

4  结论

（1）土壤SOC、TP、AP、TN、AN、TK和AK水平空间变异系数在24.25%～60.48%之间，均属中等变异程度;SOC c变异最大，TP b变异最小;SOC c、TK c和TN c最大值与最小值倍数为26.13、23.45和11.63倍，CV分别是60.48%、45.74%和50.48%，变异程度相对较大。除AP、TK两种养分之外，SOC、TN、TP、AN和AK养分含量随土层厚度的增加而减少。

（2）除TP a、TN c外，其余土壤养分R2决定系数均>0.5，说明其模型拟合度较好;AN b、AK b结构方差比<0.75，两者空间属于中等相关，其余结构方差比均>0.75，说明土壤养分在研究尺度上存在强烈的空间自相关性。

（3）AP空间分布呈带状，含量由西向东呈逐渐减少，SOC、TP、TN、AN、TK和AK空间分布呈斑块状、环状分布;SOC、TP、AN、TP西北与西南呈相反分布，西北含量最高，西南最低;TN、TK和AK中坡位含量相对较高，由中心向四周逐渐递减。

5  讨论

在受活动影响较小的情况下，黔中马尾松成熟林土壤养分具有空间分布特征。郑姗姗等（2014）[8]、吕贻忠（2005）等[9]、王琳等（2004）[10]在不同地区的森林土壤空间研究表明，土壤养分的空间分布规律具有明显垂直分布特征，受海拔、坡向、坡度等环境因子影响。

本次研究与之前的研究相符，探明了黔中马尾松成熟林土壤养分存在一定空间异质性，对森林可持续经营决策的确定具有一定指示作用。此次研究属于小尺度研究，土壤养分空间分布呈带状、呈斑块状或环状分布，且变化过渡缓慢平稳，过渡距离小，数值分布均匀。

John R等（2007）[11]和Yavitt J B等（2009）[12]从不同的研究尺度出发，探明了土壤养分的理化性质及其土壤空间异质性会受影响，在一定程度上，研究尺度是影响土壤异质性的重要因素之一。此次研究仅探讨小尺度上土壤空间的异质性，大尺度、植被、土壤母质、地形、地貌等众多环境因子对土壤空间异质性的影响尚待进一步研究。

参考文献：

[1]Zhang C S， Mcgrath D. Geostatistical and GIS analyses onsoil organic carbon concentrations in grassland of southeasternIreland from two different periods [J]. Geoderma， 2004（3）：261-275.

[2]陈春燕，杜兴端，李晓莉，等.基于GIS的九寨沟县域土壤养分空间变异特征[J].湖北农业科学，2015（21）：5277-5280.

[3]沈凌，丁贵杰，李默然.一二代马尾松林土壤养分特点及其对幼苗生长的影响[J].贵州农业科学，2012（5）：153-156.

[4]宋曰钦，乔春华，刘丹丹，等.黄山市屯溪区马尾松林土壤养分的异质性[J].贵州农业科学，2015（6）：92-94.

[5]颜耀.套种阔叶树种对红壤侵蚀区马尾松林生态功能的提升效果[D].福州：福建农林大学，2017.

[6]中国科学院南京土壤研究所土壤物理研究室.土壤物理性质测定法[M].北京：科学出版社，1978.

[7]邵方丽，余新晓，杨志坚，等.北京山区典型森林土壤的养分空间变异与环境因子的关系[J].应用基础与工程科学学报，2012（4）：581-591.

[8]郑姗姗，吴鹏飞，马祥庆.森林土壤养分空间异质性研究进展[J].世界林业研究，2014（4）：13-17.

[9]吕贻忠，张凤荣，孙丹峰.百花山山地土壤中有机质的垂直分布规律[J].土壤学报，2005（3）：277-283.

[10]王琳，欧阳华，周才平，等.贡嘎山东坡土壤有机质及氮素分布特征[J].地理学报，2004（6）：1012-1019.

[11]John R， Dalling J W， Harms K E， et al. Soil nutrients influence spatial distributions of trpical tree speices [J]. Proceedin of the National Academy of Sciences of the United States of America，2007（3）：864-869.

[12]Yavitt J B，Harms K E，Garcia M N， et al. Spatial heterogeneity of soil chemical proper-ties in a lowland tropical moist forest， Panama [J]. Australian Journal of Soil Research，2009（7）：674-687.