劉潘偉，高 鵬?，劉曉華，劉勝濤，牛 香，王 兵

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，國(guó)家林業(yè)局泰山森林生態(tài)站，山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，271018，山東泰安；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，100091，北京)

土壤有機(jī)碳(SOC)和全氮(STN)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的生態(tài)因子，是全球碳氮循環(huán)的重要研究?jī)?nèi)容[1]。在流域水土保持綜合治理中，土壤理化性質(zhì)改良效應(yīng)的定量評(píng)價(jià)非常重要，而土壤有機(jī)碳和全氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是反映土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[2]；因此，探究流域尺度上土壤碳氮要素的空間分布特征，對(duì)指導(dǎo)流域植被恢復(fù)和水土保持綜合治理效益的定量評(píng)價(jià)均具有重要意義。地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法以半方差函數(shù)和克里格插值為基本工具，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，在近年來(lái)的土壤碳氮等要素空間分布研究中得到廣泛應(yīng)用[3]。Suresh Kumar等[4]基于數(shù)字地形模型，利用普通克里格插值法，研究印度Sitlarao流域土壤有機(jī)碳、全氮和有效磷的空間變化規(guī)律。車宗璽等[5]以甘肅祁連山不同海拔及不同層次土壤有機(jī)質(zhì)和全氮為研究對(duì)象，分析二者在海拔和坡面上的分異規(guī)律；張素梅等[6]在GIS支持下建立土壤養(yǎng)分空間預(yù)測(cè)模型，研究吉林省農(nóng)安縣有機(jī)質(zhì)和全氮的空間分布；王燕等[7]利用GIS和隨機(jī)過(guò)程抽樣技術(shù)，研究江西省大崗山地區(qū)土壤氮素在不同尺度下的分布特征及其影響因素。迄今國(guó)內(nèi)外關(guān)于土壤碳氮要素的空間分布特征及其影響因素的研究較多[8-9]，但其預(yù)測(cè)的方法多以普通克里格和回歸克里格插值為主[10-11]，而基于植被和地形因子的綜合效應(yīng)來(lái)探討土壤碳氮要素空間分布特征及其影響因素的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

本文以南方紅壤區(qū)典型區(qū)域的江西大崗山流域表層土壤為研究對(duì)象，基于GIS平臺(tái)，在考慮植被和地形因子綜合效應(yīng)的基礎(chǔ)上，分析流域表層土壤有機(jī)碳和全氮空間分布特征，探討影響其土壤碳氮要素空間分布的相關(guān)因素，以期為我國(guó)南方紅壤區(qū)森林植被土壤碳氮等要素空間分布規(guī)律研究和水土保持綜合治理效益的定量評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選在江西大崗山國(guó)家級(jí)森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(E 114°30′～114°45′，N 27°30′～27°50′)，位于江西省分宜縣境內(nèi)(圖1)。大崗山流域總面積80.5 km2，為低山丘陵區(qū)。研究區(qū)屬于亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，年平均氣溫為17.2 ℃，年均降水量1 600 mm；年均蒸發(fā)量為1 503.8 mm，無(wú)霜期270 d。土壤類型屬地理發(fā)生分類的紅壤和黃壤，黃壤主要分布在海拔300～1 000 m，紅壤多分布在海拔200 m以下。植被類型屬于亞熱帶常綠闊葉林帶，森林覆蓋率為76.4%，現(xiàn)有植被主要是天然次生常綠闊葉林、落葉闊葉林、針闊混交林、毛竹(Phyllostachysedulis)林、鵝掌楸(Liriodendronchinense)林、以及大面積的杉木(Cunninghamialanceolata)人工林。

圖1 大崗山流域位置和取樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of location and sample points in the Dagangshan Watershed

2 材料與方法

2.1 土壤樣品的采集與分析

綜合考慮大崗山流域植被覆蓋類型、地形條件、成土母質(zhì)、土地利用、可達(dá)性、空間分布均勻性等，設(shè)置72個(gè)取樣點(diǎn)(圖1)，于2015年7月采集表層(0～10和10～20 cm)土壤樣品144個(gè)。取樣方法為：以樣點(diǎn)為中心，在半徑20 m范圍內(nèi)同一景觀內(nèi)隨機(jī)采集3個(gè)重復(fù)，充分混合后，用四分法留取1.5 kg作為1個(gè)樣本。同時(shí)，利用GPS記錄取樣點(diǎn)的經(jīng)緯度、海拔、坡度、坡向等信息?；旌贤翗咏?jīng)風(fēng)干、磨細(xì)、過(guò)篩(2、0.25和0.149 mm)后，分別用外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法和半微量凱氏法測(cè)定SOC和STN[12]。

2.2 植被及地形因子的獲取

以資源三號(hào)(ZY-3)01星多光譜數(shù)據(jù)(時(shí)相為2016年4月，分辨率為5.8 m)和地理空間數(shù)據(jù)云中的30 m DEM數(shù)據(jù)為基本數(shù)據(jù)源，基于ESRI ArcGIS 10.2平臺(tái)和遙感影像處理軟件(ENVI 5.1)，利用地形圖對(duì)影像進(jìn)行幾何精校正、輻射定標(biāo)和大氣校正，然后提取NDVI和相關(guān)地形因子[13]。

選取NDVI與海拔(H)、坡度(β)、地形濕度指數(shù)(TWI，Ψ)、匯流動(dòng)力指數(shù)(WPI，Ω)及沉積物運(yùn)移指數(shù)(STI，LS)等地形因子，用于分析其對(duì)SOC和STN空間分布的影響。各因子的計(jì)算公式[6]分別為：

(1)

式中：INDV為植被指數(shù)(NDVI)，其取值為-1～1之間——負(fù)值表示地表覆蓋為云、水等；0表示地表有巖石或裸土等；正值，表示地表有植被覆蓋，且隨植被覆蓋度增大而增大。Xnir為近紅外波段，μm，代表波段4；Xred為紅波段，μm，代表波段3。

Ψ=ln (As/tanβ)；

(2)

Ω=Astanβ；

(3)

Ls=(As/22.13)0.6(sinβ/0.089 6)1.3。

(4)

式中：Ψ為地形濕度指數(shù)；Ω為匯流動(dòng)力指數(shù)；Ls為沉積物運(yùn)移指數(shù)；As為流經(jīng)地表某點(diǎn)的單位等高線長(zhǎng)度上的匯流面積，km2/m；β為地形坡度，(°)。

2.3 SOC和STN空間分布圖繪制

將采樣點(diǎn)坐標(biāo)及SOC和STN測(cè)定值導(dǎo)入軟件中，通過(guò)逐步回歸分析，選取與SOC和STN相關(guān)性較高的地形因子，在ESRI ArcGIS 10.2地統(tǒng)計(jì)模塊中分別建立SOC，STN與NDVI及地形因子的相關(guān)關(guān)系模型；根據(jù)建立的關(guān)系模型展延插補(bǔ)獲得流域其他地區(qū)SOC和STN分布情況，進(jìn)而獲取整個(gè)大崗山流域表層SOC和STN空間分布圖。

2.4 數(shù)據(jù)處理軟件

利用IBM Statistics SPSS 19.0和Excel 2010進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)和相關(guān)分析；利用ENVI 5.1提取NDVI；利用ESRI ArcGIS 10.2提取地形因子，并對(duì)SOC和STN進(jìn)行展延插補(bǔ)，生成土壤碳氮要素空間分布圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤碳氮要素的描述性統(tǒng)計(jì)特征及分析

大崗山流域表層SOC和STN含量描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表1。該流域表層(0～20 cm)SOC和STN的平均值分別是25.55 和1.61 g/kg。變異系數(shù)(CV)是標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)的比值，可用于估計(jì)不同變量間的變異程度。CV<10%為弱變異性，10%≤CV≤100%為中等變異性，CV>100%為強(qiáng)變異性[13]。SOC和STN的變異系數(shù)分別是64.16%和28.37%，均屬于中等程度變異。SOC和STN在2個(gè)土層(0～10和10～20 cm)中的差異變化較大，SOC在0～10 cm土層的含量為7.70～123.80g/kg，平均值為32.75 g/kg；在10～20 cm土層的含量為5.00～65.80 g/kg，平均值為18.34 g/kg。STN在0～10 cm土層的含量為1.06～4.91 g/kg，平均值為1.76 g/kg；在10～20 cm土層的含量為1.06～2.45 g/kg，平均值為1.47 g/kg。這是因?yàn)榈乇砀采w的植被枯落物分解后，在0～10 cm土層中積累較多，從而增加了土壤中的養(yǎng)分含量，使0～10 cm土層中的SOC和STN含量高于10～20 cm土層。

表1 大崗山流域SOC和STN含量描述性統(tǒng)計(jì)Tab.1 Descriptive statistics of SOC and STN in the Dagangshan Watershed

Notes: SOC=Soil organic carban. STN=Soil total nitrogen. The same below.

圖2 大崗山流域表層的SOC和STN含量與植被及地形因子相關(guān)性分析Fig.2 Correlation analysis between SOC, STN and vegetation and terrain factors in the Dagangshan Watershed

3.2 土壤碳氮要素與植被及地形因子的相關(guān)性分析

由圖2可見(jiàn)，大崗山流域表層的SOC、STN與NDVI(圖2a，R2=0.473，P<0.001；圖2b，R2=0.517，P<0.001)、海拔(圖2c，R2=0.686，P<0.001；圖2d，R2=0.616，P<0.001)、坡度(圖2e，R2=0.593，P<0.001；圖2f，R2=0.546，P<0.001)和TWI(圖2g，R2=0.843，P<0.001；圖2h，R2=0.775，P<0.001)呈正相關(guān)關(guān)系，而與WPI(圖2i，R2=0.456，P<0.001；圖2j，R2=0.360，P<0.001)、STI(圖2k，R2=0.490，P<0.001；圖21，R2=0.408，P<0.001)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系?？梢?jiàn)，植被和地形因子與SOC和STN的空間分布關(guān)系密切。

3.3 土壤碳氮要素的空間分布特征

利用提取的植被和地形因子數(shù)據(jù)，建立大崗山流域表層SOC和STN含量分別與NDVI、H及TWI的相關(guān)關(guān)系模型，如下：

YSOC=17.627INDV+0.042H+5.797Ψ-32.865；R2=0.888,P<0.001;

(5)

YSTN=0.959INDV+0.001H+0.143Ψ-0.018；R2=0.831,P<0.001。

(6)

式中:YSOC為土壤有機(jī)碳，g/kg；YSTN為土壤全氮，g/kg；H為海拔，m。

利用方程(式5和6)，根據(jù)大崗山流域遙感解譯提取的植被和地形因子的數(shù)值，進(jìn)行展延插補(bǔ)整個(gè)大崗山流域的SOC和STN含量值，從而獲得該流域表層(0～20 cm)SOC和STN的空間分布圖(圖3)。由圖3可見(jiàn)，大崗山流域表層SOC和STN含量的空間分布格局均呈現(xiàn)西北部高，東南部低，由西北向東南逐漸減少的趨勢(shì)，這種分布趨勢(shì)與該流域的DEM走向和NDVI分布趨勢(shì)基本一致。

圖3 大崗山流域表層SOC和STN空間分布圖Fig.3 Spatial distribution map of SOC and STN in the Dagangshan Watershed

4 討論

4.1 NDVI和植被覆蓋對(duì)土壤碳氮要素分布的影響分析

NDVI常用于反映植被覆蓋，能夠監(jiān)測(cè)植被的生長(zhǎng)狀態(tài)、植被覆蓋度等，還能反映出植物冠層的背景影響，如土壤、潮濕地面、枯葉、粗糙度等[14-15]。大崗山流域不同植被覆蓋下的NDVI和SOC與STN含量變化情況如表2，由表2看出，不同植被覆蓋類型下的NDVI表現(xiàn)為，闊葉林>針闊混交林>杉木林>農(nóng)田>毛竹林>荒草地的格局，SOC和STN含量的變化與NDVI的變化基本一致。該研究結(jié)果與王燕等[7]的研究結(jié)果相似。方差分析表明，闊葉林的NDVI與毛竹林、農(nóng)田、荒草地的差異顯著(P<0.01)；針闊混交林和杉木林與荒草地之間差異顯著(P<0.01)；毛竹林、杉木林、農(nóng)田之間差異不顯著(P>0.05)。

大崗山流域的闊葉林和針闊混交林多分布在流域的西北和北部區(qū)域，杉木林和部分針闊混交林主要分布在流域中部和南部區(qū)域，毛竹林、農(nóng)田和荒草地則分布在流域中部和東部區(qū)域；因此，該流域NDVI分布的總體趨勢(shì)是由西北部向東南部逐漸遞減，這也是導(dǎo)致大崗山流域表層SOC和STN含量的空間分布格局均呈現(xiàn)西北部高、東南部低的重要原因。大崗山流域西部和北部的海拔和NDVI(植被覆蓋度)較高，其土壤SOC和STN分布含量也較高；而在東部和南部的為海拔和NDVI(植被覆蓋度)較低，其土壤SOC和STN分布含量也較低，使得大崗山流域表層的SOC和STN空間分布格局與該流域NDVI分布和DEM走向是一致的?？梢?jiàn)，大崗山流域不同植被覆蓋下的NDVI差異較為顯著，NDVI和植被覆蓋對(duì)其SOC和STN的空間分布影響顯著。此外，大崗山流域植被生長(zhǎng)狀況良好，枯落物層較厚，而枯落物是森林生態(tài)系統(tǒng)中的一個(gè)重要物質(zhì)庫(kù)，同時(shí)也是土壤表層碳氮元素的主要補(bǔ)給者?？萋湮锓纸夂?，對(duì)其所在的土壤具有良好的改良效應(yīng)。與10～20 cm 土層相比，0～10 cm土層更接近地表，因此該土層中的SOC和STN含量更高。

4.2 地形因素對(duì)土壤碳氮空間分布的影響分析

地形因素能夠影響水熱和物質(zhì)的再分配，進(jìn)而影響土壤碳氮的空間分布[16]。地形因子TWI、WPI和STI是預(yù)測(cè)土壤屬性較為有效的變量，它們通過(guò)影響地表徑流、植物的生長(zhǎng)和分布等水文、生態(tài)過(guò)程，進(jìn)而影響土壤碳氮要素的空間分布情況[17-18]。張素梅等[6]選擇地形因子和遙感植被指數(shù)，建立土壤養(yǎng)分空間分布預(yù)測(cè)模型，結(jié)果表明，環(huán)境因子中的相對(duì)高程、坡度、地形起伏度、坡度變率、NDVI與土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量均具有顯著的相關(guān)性。本研究中，SOC和STN與海拔、坡度和TWI均具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，而與WPI和STI均具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(表3)，即海拔、坡度和TWI值越大，WPI和STI值越小的區(qū)域，SOC和STN的分布含量越大；反之，SOC和STN分布含量越小。出現(xiàn)這種分布特征的原因可能是海拔和坡度高的區(qū)域，氣溫較低，加之人為干擾較少，土壤碳氮要素的分解速率緩慢，有利于SOC和STN的積累。TWI越高的區(qū)域，越容易形成匯流，土壤水分含量越高，從而促進(jìn)土壤碳氮要素的積累。WPI和STI越高的區(qū)域，土壤侵蝕程度越劇烈，土壤碳氮要素的流失量越大，因此，土壤中儲(chǔ)存的SOC和STN含量減小。

注：平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤后的字母是多重比較結(jié)果，兩兩之間若有1個(gè)字母相同，表示差異不顯著。Notes: These letters behind the mean ± standard error are the result of multiple comparisons. If there is a same letter between the two data, it indicates that the difference is not significant.

表3 大崗山流域SOC和STN與地形因子的相關(guān)性Tab.3 Correlation between SOC and STN and terrain factors in the Dagangshan Watershed

注：** 表示在0.01水平上顯著相關(guān)，*表示在0.05水平上顯著相關(guān)。Note: ** indicates significant correlation at 0.01 level, and * indicates significant correlation at 0.05 level.

5 結(jié)論

1)大崗山流域表層(0～20 cm)的SOC和STN的平均值分別為25.55 g/kg和1.61 g/kg，變異系數(shù)分別是64.16%和28.37%，均屬于中等程度變異。

2)大崗山流域表層土壤碳氮要素的空間分布均呈現(xiàn)由西北向東南逐漸減少的趨勢(shì)，與DEM走向和NDVI分布趨勢(shì)基本一致。

3)植被和地形因子對(duì)大崗山流域表層的SOC和STN的空間分布影響顯著，SOC和STN與NDVI、海拔、坡度和TWI均具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，與WPI和STI均具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

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