帕里達(dá)·馬給拉，張登清，吉力力·阿不都外力

（1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊830046；2.中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所 荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830011）

陸地生態(tài)系統(tǒng)含有大量的碳，其中大部分以土壤有機(jī)質(zhì)的形態(tài)儲(chǔ)存于土壤中，即土壤有機(jī)碳。土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)，其碳儲(chǔ)量占整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的2／3［1］。土壤碳庫(kù)的穩(wěn)定、增長(zhǎng)或釋放都與大氣碳庫(kù)的變化有重要的關(guān)系，通過(guò)研究和控制土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化和平衡，可以調(diào)控土壤作為大氣CO2的源和匯［2－3］。因而土壤有機(jī)碳的分布及其轉(zhuǎn)化日益成為全球有機(jī)碳循環(huán)研究的熱點(diǎn)［4］。

目前，我國(guó)許多學(xué)者對(duì)土壤有機(jī)碳在不同的土地利用類型［5－6］、尺度［7－9］以及種植方式［10－12］下的空間分布特征作了大量研究。也有一些學(xué)者利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析了小流域土壤有機(jī)碳的分布特征，揭示了不同地形［13］和不同侵蝕強(qiáng)度［14］土壤有機(jī)碳分布的差異。大多數(shù)學(xué)者都認(rèn)為土壤有機(jī)碳呈隨著土層深度增加而降低的趨勢(shì)，不同耕作方式和農(nóng)田保護(hù)措施對(duì)土壤有機(jī)碳含量分布有明顯的改善作用。然而不同區(qū)域的自然條件及人類活動(dòng)方式的不同，土壤有機(jī)碳的分布格局也各不相同，因此，有必要對(duì)博爾塔拉河流域土壤有機(jī)碳的分布特征進(jìn)行研究。

博爾塔拉河流域是艾比湖的主要補(bǔ)給河流之一，該地區(qū)干旱少雨，屬于典型的干旱、半干旱地區(qū)。目前，對(duì)于博爾塔拉河流域的研究主要集中在土壤物理性質(zhì)、土壤鹽分變化的問(wèn)題［15－16］，對(duì)于土壤有機(jī)碳的研究則較少。因此，本文以博河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)資料搜集、野外采樣和室內(nèi)分析，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)，研究土壤有機(jī)碳的空間分布特征，為優(yōu)化干旱區(qū)土地資源管理措施和保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

博爾塔拉河流域（簡(jiǎn)稱博河流域），位于79°53′—83°53′E，44°02′—45°23′N，流域總面積為 11 367 km2，流域全長(zhǎng)252km。年均降水量是90.90mm，蒸發(fā)量高達(dá)3 790mm。博河流域發(fā)源于別珍套山匯合處的洪別林達(dá)坂，東西流向，南岸有烏爾達(dá)克賽河、大河沿子河，北岸有哈拉吐魯克河匯入，流經(jīng)溫泉、博樂(lè)2縣（市）注入艾比湖［17］。博爾塔拉河流域地形總態(tài)勢(shì)為南北高中間低，西高東低。西、北、南三面環(huán)山，兩山系之間為博爾塔拉谷地，向東逐漸呈喇叭口狀敞開(kāi)，東部艾比湖為流域的匯水中心，與準(zhǔn)噶爾平原西部相連（圖1）。

1.2 樣品采集與分析方法

在廣泛收集相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，以研究區(qū)1∶2 500 000地形圖為基礎(chǔ)底圖，沿著博河共選取92個(gè)樣點(diǎn)。將博河分成上、中、下3部分區(qū)域進(jìn)行研究，平均間距為5km取一個(gè)點(diǎn)。土壤的測(cè)定深度為20 cm，相鄰不同的3鉆土樣經(jīng)混合后組成待測(cè)樣品，總量大約500g，并對(duì)所有樣品進(jìn)行編號(hào)。采集后的樣品帶回中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所中心實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干研磨全部過(guò)篩2mm備用，用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)碳的含量［18］。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布

1.3 地統(tǒng)計(jì)分析

地統(tǒng)計(jì)學(xué)是一種有效的空間分析方法，它是以區(qū)域化變量為核心和理論基礎(chǔ)，以變量的空間相關(guān)性和變異函數(shù)為基本工具的一種數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法［19］。區(qū)域化變量是一種既有隨機(jī)性又有空間結(jié)構(gòu)性的一種變量。地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法以半方差函數(shù)和Kriging插值為基本工具，能對(duì)既具有隨機(jī)性又具有結(jié)構(gòu)性的各種變量在空間上的分布進(jìn)行研究［20］。

半方差函數(shù)能較好地描述區(qū)域化變量的空間分布結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性，其中一些重要參數(shù)，可反映區(qū)域化變量在一定尺度上的空間變異和相關(guān)程度，是研究土壤特性空間變異性的關(guān)鍵，同時(shí)也是進(jìn)行精確Krigking插值的基礎(chǔ)［21］，其表達(dá)式為：

式中：r（h）——變異函數(shù)；h——樣點(diǎn)空間間隔，稱為步長(zhǎng)；N（h）——樣 點(diǎn) 距 離 等 于h時(shí) 的 點(diǎn) 對(duì) 總 數(shù)；Z（xi）——樣點(diǎn)Z在位置xi的實(shí)測(cè)值；Z（xi＋h）——xi與距離為h處樣點(diǎn)的值。以r（h）為縱軸，h為橫軸，繪制r（h）隨步長(zhǎng)h增加而變化的散點(diǎn)圖，對(duì)散點(diǎn)數(shù)據(jù)采用球狀模型、指數(shù)模型、高斯和線性模型等理論模型進(jìn)行擬合，并由決定系數(shù)R2判斷模型擬合的效果。

Krigking是地統(tǒng)計(jì)學(xué)的主要內(nèi)容，它是通過(guò)對(duì)已知樣本點(diǎn)賦權(quán)重來(lái)求得未知點(diǎn)的值。

式中：Z（x0）——未知采樣點(diǎn)的值；Z（xi）——未知樣點(diǎn)周圍的已知樣本點(diǎn)的值；i——第i個(gè)已知樣本點(diǎn)對(duì)未知樣本點(diǎn)的權(quán)重；n——已知樣本點(diǎn)的個(gè)數(shù)［20］。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳的統(tǒng)計(jì)特征分析

2.1.1 土壤有機(jī)碳的描述性統(tǒng)計(jì)分析 描述性統(tǒng)計(jì)分析是對(duì)變量基本的分析，可以從傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)角度來(lái)解釋變量的特征。本文將博河流域分為上、中、下3部分進(jìn)行研究，利用SPSS 19.0，對(duì)博河流域上、中、下3部分地區(qū)0—20cm土層92個(gè)土壤樣點(diǎn)的有機(jī)碳含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析。分析結(jié)果表明，總有機(jī)碳含量為1.73～27.36g／kg，平均值為10.81g／kg。其中，博河上部有機(jī)碳含量為7.12～23.30g／kg，平均值為11.30g／kg；中部有機(jī)碳含量為3.46～22.60 g／kg，平均值為10.86g／kg；下部有機(jī)碳含量為1.73～27.36g／kg，平均值為10.53g／kg。說(shuō)明博爾塔拉河流域土壤有機(jī)碳含量比較低，且從流域上部往下部逐漸減少。這個(gè)研究結(jié)果與劉珊珊等［14］的研究結(jié)果：小流域上部向下部土壤侵蝕強(qiáng)度逐漸降低，土壤有機(jī)碳含量逐漸升高基本相似，都說(shuō)明了土壤破壞程度大，有機(jī)碳含量就少。土壤有機(jī)碳的變異系數(shù)從上部到下部依次為31.95%，34.81%，52.90%，都為中等強(qiáng)度的變異［22］，說(shuō)明博河流域土壤有機(jī)碳的分布有一定的區(qū)域性差異（表1）。

表1 博河流域土壤有機(jī)碳的統(tǒng)計(jì)特征值

由于經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法只能反映土壤有機(jī)碳分布的總體，不能反映樣本的獨(dú)立性，解決這一問(wèn)題的方法是進(jìn)一步研究其空間變化的結(jié)構(gòu)性，即應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法研究土壤有機(jī)碳的空間分布結(jié)構(gòu)。

2.1.2 土壤有機(jī)碳的正態(tài)性檢驗(yàn) 變異函數(shù)的計(jì)算

一般要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，否則可能會(huì)使變異函數(shù)產(chǎn)生比例效應(yīng)［23］。比例效應(yīng)的存在會(huì)使試驗(yàn)變異函數(shù)產(chǎn)生畸變，會(huì)抬高基臺(tái)值和塊金值，增大估計(jì)誤差，變異函數(shù)點(diǎn)的波動(dòng)大，甚至?xí)谏w其固有的結(jié)構(gòu)，因此應(yīng)該消除比例效應(yīng)。在進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)分析前，先采用頻數(shù)分布直方圖法對(duì)土壤有機(jī)碳進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)。以頻率作縱坐標(biāo)，以有機(jī)碳值作橫坐標(biāo)，做出它的頻數(shù)分布直方圖。土壤有機(jī)碳是否屬于正態(tài)分布，可由其分布直方圖上看出，兩邊大約對(duì)稱的為正態(tài)分布，反之則不是。由圖2可以看出，博河流域上、中、下部土壤有機(jī)碳均屬于正態(tài)分布。

圖2 博河流域土壤有機(jī)碳的頻數(shù)分布

2.2 土壤有機(jī)碳的空間結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 土壤有機(jī)碳空間分布的半方差分析 為確定隨機(jī)因素對(duì)土壤有機(jī)碳的影響及土壤有機(jī)碳空間相關(guān)的范圍，根據(jù)不同空間位置上壤有機(jī)碳的分析數(shù)據(jù)，計(jì)算實(shí)際半方差值，繪制散點(diǎn)圖（圖3）。利用GS＋9.0對(duì)研究區(qū)（0—20cm）土壤有機(jī)碳進(jìn)行空間變異理論模型的擬合，理論模型及模型參數(shù)結(jié)果見(jiàn)表2。

由圖3和表2可知，博河上部和下部土壤有機(jī)碳的半方差理論模型符合高斯模型；中部土壤有機(jī)碳的半方差理論模型符合線型模型。用理論模型對(duì)有機(jī)碳半變異函數(shù)進(jìn)行擬合的結(jié)果很好，決定系數(shù)為0.06～0.71g／kg。說(shuō)明依據(jù)這些理論模型可較好地評(píng)價(jià)研究區(qū)土壤有機(jī)碳的空間結(jié)構(gòu)特征。

圖3 博河流域土壤有機(jī)碳的半方差函數(shù)

表2 博河流域土壤有機(jī)碳的理論模型及相關(guān)參數(shù)

土壤有機(jī)碳分布由結(jié)構(gòu)性因素（如氣候、母質(zhì)、地形、土壤類型、自然因素等）和隨機(jī)性因素（如施肥、耕作措施、種植制度等各種人為活動(dòng)）決定，使得土壤有機(jī)碳的空間相關(guān)性減弱，朝均一化方向發(fā)展［20］。塊金值（C0）表示主要由隨機(jī)因素引起的空間變異，塊金值與基臺(tái)值的比值C0／（C0＋C）表示空間變異程度，即隨機(jī)部分引起的空間變異占系統(tǒng)總變異的比例，常被用作研究變量空間相關(guān)的分類依據(jù)［24］。如果C0／（C0＋C）＜25%說(shuō)明空間相關(guān)性強(qiáng)，表明結(jié)構(gòu)性因素引起的空間變異起主要作用；如果C0／（C0＋C）在25%～75%之間則表現(xiàn)為中等空間相關(guān)性，表明結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)因素共同起作用；如果C0／（C0＋C）＞75%則表現(xiàn)為弱空間相關(guān)性，表明只受隨機(jī)性因素影響［25］。研究區(qū)土壤有機(jī)碳的塊金值（C0）在0.76～13.87g／kg之間，都比較小。說(shuō)明在本研究尺度上由隨機(jī)因素引起的空間變異較小。博河上部塊金方差與基臺(tái)值之比C0／（C0＋C）＞75%，表現(xiàn)為弱空間相關(guān)性，表明只受隨機(jī)性因素影響。博河中部和下部的塊金方差與基臺(tái)值之比C0／（C0＋C）分別為54.90%和53.40%，都在25%～75%之間，表現(xiàn)為中等空間相關(guān)性，表明結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)因素共同起作用。這與李龍等［13］的研究結(jié)論：土壤有機(jī)碳的空間變異主要是由結(jié)構(gòu)性因素引起的，隨機(jī)因素對(duì)其變異影響較小不太一致。這種結(jié)果可能是由于博河流域自上游到下游不同的地形、土壤類型以及人類活動(dòng)方式的不同，使得有機(jī)碳含量的空間分布存在差異。

變程在分析空間變異時(shí)，有一定的指導(dǎo)意義和作用，可作為采樣有效距離的參考。本文所布設(shè)的樣點(diǎn)之間的平均間隔距離5km，而土壤有機(jī)碳樣點(diǎn)的變程均大于5km，表明進(jìn)行空間內(nèi)插是有效的。變程（A）還用于確定模型的獨(dú)立間距（相關(guān)距離）。它代表了變量的空間相關(guān)范圍大小。在變程之內(nèi)，變量具有空間自相關(guān)特性，反之則不存在［26］。變程（A）也是空間變異的重要參數(shù)，它可以表示土壤有機(jī)碳的空間變異程度，空間相關(guān)性強(qiáng)，變程就大，反之則小。由表2可以看出，所測(cè)的博河流域上、中、下部土壤有機(jī)碳變程依次為2.65，23.35，23.37，顯示為逐漸增大，而且從上部到下部的變程隨著C0／（C0＋C）減小而逐漸增大，說(shuō)明從上部到下部空間相關(guān)性逐漸增大，這可能是由于流域上部區(qū)域人類活動(dòng)較中下部區(qū)域頻繁。

2.2.2 土壤有機(jī)碳的空間分布 基于半方差函數(shù)的建立，為了進(jìn)一步準(zhǔn)確而直觀研究土壤有機(jī)碳空間分布特征，確定其結(jié)合方式，利用半變異函數(shù)模型進(jìn)行普通的Kriging插值得到有機(jī)碳的含量分布圖，詳見(jiàn)圖4。

從圖4可以看出：（1）博爾塔拉河流域的土壤有機(jī)碳的空間分布特征主要以斑塊狀為主，基本與耕地分布相吻合。（2）全流域最大值出現(xiàn)在下游，可能與耕作模式以及河流從上游攜帶大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過(guò)灌溉在下游土壤沉淀累積有關(guān)。（3）博樂(lè)市周邊土壤有機(jī)碳含量最低，這可能主要與博樂(lè)市周圍為城市和工業(yè)用地有關(guān)。

圖4 博河流域土壤有機(jī)碳含量的空間分布

3 結(jié) 論

（1）研究區(qū)表層土壤有機(jī)碳的含量統(tǒng)計(jì)特征值顯示，土壤有機(jī)碳符合正態(tài)分布。

（2）半方差函數(shù)分析表明：博河上部和下部土壤有機(jī)碳較好地符合高斯模型分布，中部有機(jī)碳符合線型模型分布。塊金值與基臺(tái)值的比值C0／（C0＋C）表明博河上部表現(xiàn)為弱空間相關(guān)性，表明只受隨機(jī)性因素影響；博河中部和下部表現(xiàn)為中等空間相關(guān)性，表明結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)因素共同起作用。博河流域從上部到下部土壤有機(jī)碳含量的空間相關(guān)性逐漸增大。

（3）從土壤有機(jī)碳的空間分布特征可以看出：博爾塔拉河流域土壤有機(jī)碳的空間分布特征主要以斑塊狀為主，基本與耕地分布相吻合。全流域最大值出現(xiàn)在下游，可能與耕作模式以及河流從上游攜帶大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過(guò)灌溉在下游土壤沉淀累積有關(guān)。博樂(lè)市周邊土壤有機(jī)碳含量最低，這可能主要與博樂(lè)市周圍為城市和工業(yè)用地有關(guān)。

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