山西省森林土壤因子空间变异特征

任煜堃

（山西省林业和草原科学研究院，太原 030012）

0 引言

森林土壤是森林植物生长发育的基础，作为森林生态系统的重要组成部分，担负着重要的生态功能[1]。受气候、母质、植被、地形及人类活动等因素的影响，森林土壤是一个复杂的综合体，森林土壤因子也存在高度的空间变异[2]，而森林土壤因子的变异必然会引起植物生长的变异[3]。揭示森林土壤因子的空间分布特征，可以为评价森林土壤肥力提供参考[4]，为林间科学管理提供依据。但是土壤因子的测定耗时且成本较高，尤其是在土壤采样阶段。因此，通常在研究区域选定代表性的点进行采样测定，在未采样区域利用地统计学等方法进行插值，从而更好地满足森林可持续经营的需要。

在研究土壤养分的空间分布特征时，GIS和地统计学相结合的方法具有较强的优势，史利江[5]基于此方法揭示了区域农田土壤养分空间变异特征，提出了实行养分分区管理。唐启敏[6]基于此方法揭示了山西省榆林市耕地土壤的养分空间分布特征，并对地力等级进行了研究。杨静涵等[7]综合多种地统计学方法，揭示了黄土高原沟壑区小流域土壤养分的空间变异特征及其影响因素。此外，张志坚等[8]对江西省森林土壤养分的空间变异研究，谢红花等[9]对云南乌蒙山区土壤养分空间变异的研究，乔磊等[10]对晋中盆地土壤养分空间变异的研究采用了此类方法。

本研究基于山西省297块样地的土壤采样检测数据，运用GIS技术和地统计学方法对山西省森林土壤碱解氮、全氮、有机质、速效磷、全钾、pH、含水量7个因子进行空间变异分析，揭示山西省森林土壤因子的空间分布特征。

1 研究区概况

山西省地处黄河中游东岸、黄土高原东部，34°36′—40°44′N，110°15′—114°32′E。整体地貌是“两山夹一川”，东部是以太行山为主脉形成的块状山地，西部是以吕梁山为主的黄土高原，中间自北向南是一连串的断陷盆地。境内最高海拔3061.1 m，最低海拔180 m[11]。气候类型为温带大陆性季风气候，年平均气温在-4～14℃之间，年平均降水量400～650 mm。成土母质主要为基岩风化物、河流冲积物和沉积黄土，山西省中南部为森林草原褐土地带，北部为干旱草原栗钙土地带，吕梁山以西是由森林草原向干旱草原过渡的灰褐土地带[12]。主要植被类型为寒温性针叶林、寒温性针阔混交林、温性针叶林、温性针阔混交林、落叶阔叶林和落叶阔叶灌丛等，主要乔木树种有油松、华北落叶松、云杉等。

2 研究方法

2.1 数据来源与处理

数据来源为山西省11个地市297块样地的森林土壤采样检测数据，包括森林土壤pH值、含水量、有机质、全氮、碱解氮、全钾、速效磷共7个因子，从样本量和指标数量来讲，这些因子在一定程度上能代表全省森林土壤的整体养分状况和质量水平。

以采样点地理坐标为依据，将样点数据导入ArcGIS中，为后续森林土壤因子空间变异特征分析提供基础数据。

2.2 趋势分析

受到地形地貌、成土因素等多方面的影响，区域内森林土壤因子的空间分布通常会呈现出一定的趋势特征和异向性分布[13-15]。空间变异特征分析中，XYZ 3个维度都是协同工作的，所以需要了解数据是否具有一定的趋势，比如东高西低、北高南低等。趋势效应一般分为零阶（没有趋势效应）、常量（研究变量沿一定方向呈常量增加或减少）、一阶（研究变量沿一定方向呈直线变化）、二阶（研究变量沿一定方向呈多项式变化）[16]等。

2.3 半变异函数模型选取

在对样本数据进行半变异分析前需要对数据进行分布类型检验[17-18]，从表1中可以看出，样本数据显示出一定的偏态效应，通过对比对数转换和Box-Cox转换效果，含水量经Box-Cox转换，全氮含量、全钾含量、速效磷含量、有机质含量、碱解氮含量经对数转换后更接近正态分布。而pH在对数转换或Box-Cox转换后仍然不满足正态分布的要求，而且偏态值进一步加大，转换效果并不理想，因此可以放弃转换，保持原数据进行变异结构的分析。

表1 山西省森林土壤因子正态分布检验

为了得到最优半变异函数模型，在ArcGIS地统计分析模块中，通过拟合参数比较选择合适的理论模型。对各土壤因子数据分别用指数函数、高斯函数、球面函数、三角函数4种模型进行拟合，拟合参数包括预测误差的均值、预测误差的均方根、平均标准误差、标准化预测误差平均值、标准化预测误差均方根[19-20]。模型选择的判断标准为：标准化预测误差平均值越接近于0，标准化预测误差均方根越接近于1，预测误差均方根越小，平均标准误差越接近于预测误差均方根时，其模型拟合状况越好。

2.4 克里金插值

根据2.3中选出的各森林土壤因子半变异函数模型，结合全国第二次土壤普查养分分级标准，利用ArcGIS中地统计分析的克里金插值方法，绘制出各森林土壤因子的插值图，从而直观地反映出各因子的空间分布情况。

3 结果与分析

3.1 森林土壤因子趋势分析

图1中X轴表示正东方向，Y轴表示正北方向，Z轴表示各点实测值的大小。左后平面反映各森林土壤因子在东—西方向上的全局趋势效应；右后平面反映各森林土壤因子在南北方向上的全局趋势效应。

图1 山西省森林土壤因子趋势分析图

结果表明，各森林土壤因子均存在二阶分布趋势，在东-西方向上的趋势效应更为明显，其中，森林土壤含水量、全钾含量表现出中部高东西低的二阶趋势效应，pH表现出中部低东西高的二阶趋势效应，速效磷含量呈现微弱的西高东低趋势，其余各因子均呈西低东高的二阶趋势效应。各森林土壤因子在南-北方向上的趋势效应表现为：森林土壤含水量表现出中部高南北低的二阶趋势效应，pH表现出北高南低的二级趋势效应，全钾含量表现出北低南高的二阶趋势效应，其余各因子南-北方向趋势效应并不显著。

3.2 森林土壤因子半变异函数模型

对比拟合参数结果（表2）确定各因子的最优半变异函数模型：森林土壤含水量选择球面函数模型，全氮含量选择高斯函数模型，有机质含量选择三角函数模型，碱解氮含量选择高斯函数模型，速效磷含量选择指数函数模型，pH选择高斯函数模型，全钾含量选择指数函数模型，各模型及其参数详见表3。

表2 山西省森林土壤因子不同模型拟合参数结果

续表2

表3 森林土壤因子半变异函数理论模型及相关参数

结果显示，各森林土壤因子均在一定范围内存在空间相关性，其中森林土壤有机质含量的变程最大，速效磷含量的变程最小。各森林土壤因子的块金系数介于39.19%～72.81%之间，空间相关性表现中等，其空间变异由山西省森林土壤的质地、地形、气候条件等结构性因素和施肥条件、森林管护方式等人为随机性因素共同作用引起，其中以速效磷含量的空间相关性最强。碱解氮的块金系数最高，为72.81%，说明森林土壤碱解氮含量的分布更受随机因素的影响，空间变异性规律较差，主要原因可能与人为施用氮肥、林间管理等有关。

3.3 森林土壤因子的空间变异特征

各森林土壤因子的插值图详见图2，各森林土壤因子的含量分级标准参照全国第二次土壤普查养分分级标准（表4～10）。

3.3.1 碱解氮含量的空间变异特征 山西省森林土壤碱解氮含量分布具有明显的空间异质性，在省境内呈块状交错分布格局，整体以四、五级为主（表4）。

表4 碱解氮含量分级标准

从行政区划来看，各地市包含的碱解氮含量等级均在2个及以上。大同市的含量等级主要为四级和五级，东南部有小面积的三级分布；朔州市、太原市均呈现五级含量分布为主，四级含量次之，三级含量小面积分布的格局；吕梁市呈现以五级分布为主，四级分布次之，三级和二级少量分布的格局；临汾市以四级和五级含量分布为主；运城市呈现以五级分布为主，一、二、三、四级少量分布的格局；阳泉市、晋中市、长治市均以四级含量分布为主，五级和三级含量次之；而忻州市由于其东西跨度大，包含了碱解氮含量的6个等级，以四级分布为主。

从等级分布上来看，山西省森林土壤碱解氮含量一级到六级均有分布，除少数含量等级零星分布外，基本均呈连续块状分布。其中六级的分布范围最小，仅在忻州市西部的河曲县有分布；四级以上主要分布在恒山、五台山、吕梁山、太行山等主体山脉沿线的中高山地区，一二级主要集中分布在五台山和芦芽山的高海拔地带，在王屋山一带也有二级分布；五级主要分布在主体山脉以外的盆地、平原、丘陵地区。

3.3.2 全氮含量的空间变异特征 山西省森林土壤全氮含量分布具有明显的空间异质性，在省境内呈块状交错分布格局，整体以二、三级为主，全氮含量较为丰富（表5）。

表5 全氮含量分级标准

从行政区划来看，各地市包含的全氮含量等级均在3个及以上，说明各地市区域范围内也存在较强的异质性。大同市的含量等级主要为一级和二级，西部有小面积的三级分布；吕梁市、临汾市均以三级含量分布为主，一、二、四级均有分布；运城市、朔州市以三级含量分布为主，一、二级也分布其中；太原市以三级含量分布为主，二级、四级分布其中；阳泉市、晋城市以一级含量分布为主，二、三级次之；晋中市、长治市以二级含量分布为主，一、三级次之；忻州市包含了4个等级，其中以一级含量分布为主。

从等级分布上来看，山西省主要森林土壤的碱解氮含量等级分布集中在一级到四级，基本均呈连续块状分布。其中四级的分布范围最小，仅在忻州市、吕梁市、临汾市、太原市有少量分布；一、二级的分布范围最广，从北到南、从西到东均有分布，其中一级含量分布主要集中在五台山、恒山、芦芽山沿线的中高山地带以及太行山、王屋山沿线地区。

3.3.3 有机质含量的空间变异特征 山西省森林土壤有机质含量分布具有明显的空间异质性，在省境内呈块状交错分布格局，整体以三、四级为主（表6）。

表6 有机质含量分级标准

从行政区划来看，各地市包含的有机质含量等级均在2个及以上。大同市、朔州市、吕梁市、临汾市的含量等级主要为四级，其次是三级，另外有小面积的二级分布；太原市的含量等级主要为四级，另有小面积的三级分布；晋中市、长治市主要以二级含量分布为主，其次为一级含量分布，晋中市还有小范围的三级含量分布；阳泉市一、二、三级含量分布差异不大；晋城市和运城市均包含4个等级，但运城市以四级含量分布为主，晋城市以二级含量分布为主；忻州市包含了一级到五级共5个等级，以三级含量分布为主。

从等级分布上来看，山西省主要森林土壤的有机质含量等级分布集中在一级到五级，基本均呈连续块状分布。其中五级含量的分布范围最小，仅在忻州市、吕梁市有少量分布；一级含量分布五台山、芦芽山和王屋山的中高山地带；二级含量主要围绕在一级含量分布区周边，另外在太行山中段、太岳山南段沿线地区也有二级含量分布。

3.3.4 pH的空间变异特征 山西省大部分地区主要森林土壤在pH 7.5～8.5之间，整体呈碱性，有部分中性和酸性土壤镶嵌分布其中。大同市森林土壤表现为碱性；朔州市大部分地区森林土壤表现为碱性，应县和怀仁市部分地区森林土壤在pH 7.5～8.5之间，表现为强碱性；忻州市、太原市、阳泉市、晋中市、临汾市的森林土壤多表现为碱性，有部分表现为中性；长治市、晋城市、运城市大部分地区森林土壤表现为碱性，其次为中性，沁源县、阳城县、垣曲县的小部分地区表现为酸性；吕梁市的森林土壤多表现为碱性，其次为中性，兴县、石楼县的小部分地区森林土壤表现为强碱性（表7）。

表7 土壤pH分级标准

3.3.5 含水量的空间变异特征 山西省森林土壤含水量分布具有明显的空间异质性，在省境内呈块状交错分布格局，整体以轻旱、中旱为主（表8）。

表8 土壤含水量分级标准

从行政区划来看，大同市表现为中旱；朔州市大部分地区表现为中旱，小面积地区表现为轻旱；忻州市、长治市、临汾市包含了中旱、轻旱、适宜、偏湿4个等级。吕梁市、晋中市以表现轻旱为主，另有部分区域表现为中旱和适宜；太原市以表现中旱为主，西部小面积区域表现中旱和适宜；阳泉市以表现中旱为主，轻旱次之；晋城市以表现适宜为主，轻旱次之。

从干旱程度来看，大体上省境北部地区表现为中旱，南部地区表现为轻旱和适宜；西部地区表现为中旱，东部地区表现为轻旱和适宜。土壤含水量高的地区仍然集中在管涔山、吕梁市、太岳山、太行山、五台山的中高山地带。

3.3.6 速效磷含量的空间变异特征 山西省森林土壤速效磷含量的空间变异结构较为破碎，4个等级区域相互嵌合在一起，其中含量处于较低等级的区域，速效磷含量＜10 mg/kg，出现在山西省的北部和西北部的小块区域。其余区域含量在10 mg/kg以上且以20～40 mg/kg为主。

表9 速效磷含量分级标准

从行政区划来看，各地市包含的速效磷含量等级均在2个及以上。大同市含量等级以二级和三级分布为主，另有一级和四级分布；朔州市含量等级以二级分布为主，在二级分布内部有部分一级分布，在二级分布周边有部分三级分布；忻州市含量等级以二级分布为主，另有一、三、四级分布；太原市、阳泉市、晋中市、长治市含量等级以二级分布为主，三级分布次之；吕梁市、临汾市含量等级以二级分布为主，一级分布和三级分布镶嵌其中；运城市、晋城市以二级分布为主，一级、三级也有分布，此区域的一级分布是全省面积最大最集中的区域。

从等级分布上来看，山西省森林土壤的有机质含量等级分布跨度为一级到四级，以二级为主，一、二、四级镶嵌分布其中，其中四级含量分布的范围和面积最小，仅在大同市天镇县、忻州市偏关县部分区域有分布；二级含量分布范围最广。

3.3.7 全钾含量的空间变异特征 山西省森林土壤全钾含量分布具有明显的空间异质性，在省境内呈块状交错分布格局，全钾含量除部分地区低于15 g/kg外，其余均在15 g/kg以上，森林土壤全钾含量整体表现较为丰富。

表10 全钾含量分级标准

从行政区划来看，大同市、朔州市森林土壤全钾含量等级主要为三级，另有部分四级分布；忻州市、吕梁市含量等级主要为三级，其次为二级，另有少部分的四级分布；运城市含量等级以二级为主，另有一级和三级分布其中，一级含量分布在垣曲县、绛县的部分地区，这也是省境内唯一呈现一级含量等级的区域；长治市含量等级以二级为主，三级次之；其余各地市均以三级含量分布为主，其次伴有二级含量分布。

从等级分布上来看，山西省森林土壤的有机质含量等级分布跨度为一级到四级，以三级为主，一、二、四级镶嵌分布其中，其中一级含量分布的范围和面积最小，二级含量更多分布在中南部地区，四级含量基本分布在西北部地区（图2）。

图2 山西省森林土壤因子空间分布示意图

4 结论

森林土壤因子的的趋势分析显示：山西省各森林土壤因子均存在二阶分布趋势，在东—西方向上的趋势效应更为明显。各森林土壤因子的最优半变异函数模型拟合结果显示：全氮、碱解氮、pH的最优模型为高斯函数模型；速效磷、全钾的最优模型为指数函数模型；有机质、含水量的最优模型分别为三角函数模型和球面函数模型。

各森林土壤因子的空间分布图直观展示了其空间分布特征：整体来看，各森林土壤因子均有明显的空间分异特征。碱解氮、全氮、有机质由于其本身具有较强的相关性，在空间分布上也有许多相似之处，含量相对较高的多集中在恒山、五台山、吕梁山、太行山等主体山脉沿线的中高山地区，这也是山西省森林资源的集中分布区；全钾含量整体表现较为丰富；含水量表现出明显的东南多西北少的差异；速效磷作为一种瞬时变量，在空间分布上比较杂乱，但是仍然可以看出二级含量分布范围最广；pH的空间变异显示，山西省整体森林土壤呈弱碱性，朔州市兴县、石楼县的小部分地区森林土壤表现为强碱性，可作为盐碱地研究典型区域。