石 峰

（山西省林木育種研究中心，山西太原030031）

空間異質(zhì)性是指在自然生態(tài)系統(tǒng)的空間布局上表現(xiàn)出具有不均勻性和復(fù)雜性的生態(tài)學(xué)過程和格局的一種自然現(xiàn)象，對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)來說，空間異質(zhì)性是一種基本特征，影響其變化的主要因素是時(shí)間因素和空間因素[1-4]。作為森林來說，最核心的組成部分就是土壤，因?yàn)檎麄€(gè)森林的根基就是土壤，森林生態(tài)的生長發(fā)育離不開森林土壤的支撐[5]。從空間角度來說，森林中的動(dòng)植物、氣候和土壤這些生態(tài)因素呈現(xiàn)出鑲嵌性并且非常復(fù)雜[6-7]。因此，在對(duì)森林生態(tài)的空間異質(zhì)性進(jìn)行研究時(shí)就必須先對(duì)土壤養(yǎng)分的分布情況進(jìn)行研究，因?yàn)樗巧鷳B(tài)異質(zhì)性的重要構(gòu)成部分[8]。由于森林生態(tài)系統(tǒng)龐大而復(fù)雜的體量，如果要對(duì)森林生態(tài)格局和發(fā)展進(jìn)行全面研究非常困難，通常通過小尺度空間異質(zhì)性對(duì)特定樣本進(jìn)行研究，進(jìn)而推廣到全局生態(tài)，這是一種基礎(chǔ)樣本推演法[9]。

本試驗(yàn)以二龍山天然次生油松純林下土壤為研究對(duì)象，通過統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法對(duì)小尺度空間范圍內(nèi)土壤中的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、有效磷、有效鉀含量的異質(zhì)性進(jìn)行研究，分析該區(qū)域土壤養(yǎng)分空間分布格局形成的原因，并且為相關(guān)的研究提供一定的借鑒。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)樣本地地理坐標(biāo)為經(jīng)度 38°36′～39°02′，緯度 111°46′～112°54′，位于國家自然保護(hù)區(qū)二龍山境內(nèi)，地形上呈現(xiàn)西南向東北走向的山脈，屬于黃土丘陵的東部區(qū)域，坐落于呂梁山脈北段位置。從巖石類型來看，該區(qū)域主要為花崗巖，另外以少量石灰?guī)r作為次要巖石類型存在；從土壤類型來看，從山腳到山頂依次表現(xiàn)為山腳以灰褐土為主，山腰以棕壤為主，山頂以亞高山草甸土為主；從植被角度來看，其分布表現(xiàn)為山腳至山腰為農(nóng)墾帶、灌草，山腰主要分布為針闊混交林，從山腰到山頂主要分布油松林及亞高山草甸。

研究區(qū)氣候表現(xiàn)為溫帶濕潤性氣候，年度溫度極值為-36.6～34.2℃，平均溫度為4.3℃；年度降雨量為252.9～711.0mm，年度平均降水量為453.9mm，降雨期主要集中在6，7，8，9月，占全年降水量的70%；無霜期為130～170 d。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

在樣本地區(qū)域相同海拔處（2 438.3 m），選取3塊坡度和坡向均相同的區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)樣地，樣本地面積為30 m×30 m，樣地1有一條淺溝貫穿其中。

2.2 土壤取樣

本研究所采取的取樣設(shè)計(jì)原則為中小支撐、多樣點(diǎn)，其理論依據(jù)為相關(guān)統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)理論[10]。對(duì)樣本地進(jìn)行區(qū)域劃分，每個(gè)樣本地劃分為100個(gè)小區(qū)間，每個(gè)小區(qū)間面積為9 m2，每個(gè)小區(qū)間作為一個(gè)取樣點(diǎn)。

采取土鉆法對(duì)樣本土壤進(jìn)行取樣，土鉆內(nèi)徑為7.0 cm，首先清掃表層，然后通過土鉆取10 cm土芯，最后將所取土壤密封保存在低溫環(huán)境中。土壤取樣的時(shí)間一般選擇為雨后天晴的第3～4天，目的是排除其他干擾因素作用[11]。

2.3 測(cè)定指標(biāo)及方法[12]

硝態(tài)氮測(cè)定采用酚二磺酸比色法；銨態(tài)氮測(cè)定采用2 mol/L KCl浸提-靛酚藍(lán)比色法；有效磷測(cè)定采用0.5 mol/L的NaHCO3提取法；有效鉀測(cè)定采用NH4AC溶液浸提法。

2.4 數(shù)據(jù)分析

2.4.1 經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析 對(duì)硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、有效磷、有效鉀含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)主要表現(xiàn)為平均值、方差以及變異系數(shù)，分析工具采用軟件SPSS18.0。

塊金值（Nugget），函數(shù)參數(shù)之一，用Co表示，也叫塊金方差，反映的是最小抽樣尺度以下變量的變異性及測(cè)量誤差。理論上當(dāng)采樣點(diǎn)的距離為0時(shí)，半變異函數(shù)值應(yīng)為0，但由于存在測(cè)量誤差和空間變異，使得2個(gè)采樣點(diǎn)非常接近時(shí)，它們的半變異函數(shù)值不為0，即存在塊金值。

2.4.2 變異函數(shù)模型分析 變異函數(shù)的計(jì)算公式如下。

其中，γ（h）表示變異函數(shù)，M表示隨機(jī)變量，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）表示樣本總數(shù)。

通過公式對(duì)協(xié)同變異函數(shù)進(jìn)行描述和表達(dá)。

其中，γk′k（h）表示交叉變異函數(shù)，Z表示協(xié)同變量，Zk′（xi），Zk（xj）表示xi，xj處變量觀測(cè)值，Zk′（xi＋h），Zk（xj＋h）表示xi＋h，xj＋h處變量觀測(cè)值，N（h）表示樣本總數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤硝態(tài)氮含量的空間變異性

3.1.1 土壤硝態(tài)氮含量的描述性統(tǒng)計(jì)分析 由表1可知，樣地2的硝態(tài)氮含量最高，為14.82 mg/kg，樣地1硝態(tài)氮含量最低，為13.01 mg/kg。從變異系數(shù)看，樣地1的變異系數(shù)為105.01%，表現(xiàn)為強(qiáng)變異，樣地2和樣地3的變異系數(shù)分別為74.89%，62.06%，表現(xiàn)為中等變異。

表1 土壤硝態(tài)氮含量描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

3.1.2 土壤硝態(tài)氮含量的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 由表2可知，硝態(tài)氮空間變異趨勢(shì)呈現(xiàn)球狀模型，樣地1，2，3 的半方差基臺(tái)值分別為 2.903，1.651，1.804?？梢缘贸?，硝態(tài)氮異質(zhì)性上樣地1最高。

表2 土壤硝態(tài)氮含量的變異函數(shù)理論參數(shù)

3.2 土壤銨態(tài)氮含量的空間變異性

3.2.1 土壤銨態(tài)氮含量的描述性統(tǒng)計(jì)分析 由表3可知，樣地2的銨態(tài)氮含量最高，為12.41 mg/kg，樣地1的銨態(tài)氮含量最低，為10.98 mg/kg。

從變異系數(shù)看，樣地1最高，為109.84%，表明銨態(tài)氮含量樣地1表現(xiàn)為強(qiáng)變異，樣地2和樣地3的變異系數(shù)分別為82.86%，78.12%，均表現(xiàn)為中等變異。

表3 土壤銨態(tài)氮含量描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

3.2.2 土壤銨態(tài)氮含量的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 從表4可以看出，銨態(tài)氮空間變異趨勢(shì)呈現(xiàn)線性模型，樣地1，2，3的半方差基臺(tái)值分別為89.696，81.184，79.958?？梢缘贸?，銨態(tài)氮異質(zhì)性上樣地1最高。

表4 土壤銨態(tài)氮含量的變異函數(shù)理論參數(shù)

3.3 土壤有效磷含量的空間變異性

3.3.1 土壤有效磷含量的描述性統(tǒng)計(jì)分析 由表5可知，樣地2的有效磷含量最高，為3.454 mg/kg，樣地1的有效磷含量最低，為2.378 mg/kg。

從變異系數(shù)看，樣地1有效磷含量的變異系數(shù)為90.24%，表現(xiàn)為強(qiáng)變異，樣地2和樣地3的變異系數(shù)分別為28.43%，24.38%，表現(xiàn)為弱變異。

表5 土壤有效磷含量描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

3.3.2 土壤有效磷含量的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 由表6可知，有效磷空間變異趨勢(shì)呈現(xiàn)球狀模型。樣地1，2，3 的半方差基臺(tái)值分別為 1.159，0.624，0.698，表明有效磷異質(zhì)性上樣地1最高。

表6 土壤有效磷含量的變異函數(shù)理論參數(shù)

3.4 土壤有效鉀的空間變異性

3.4.1 土壤有效鉀含量的描述性統(tǒng)計(jì)分析 由表7可知，樣地2的有效鉀含量最高，為131.64 mg/kg，樣地1的有效鉀含量最低，為126.92 mg/kg。有效鉀變異系數(shù)樣地1為91.33%，表現(xiàn)為強(qiáng)變異，樣地2和樣地3的變異系數(shù)分別為22.14%和20.94%，表現(xiàn)為弱變異。

表7 土壤有效鉀含量描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

3.4.2 土壤有效鉀含量的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 由表8可知，有效鉀空間變異趨勢(shì)呈現(xiàn)無基臺(tái)值線性模型，基臺(tái)值不存在，故空間結(jié)構(gòu)也不明確。

表8 土壤有效鉀含量的變異函數(shù)理論參數(shù)

4 結(jié)論與討論

森林土壤氮含量在生態(tài)空間維度上的異質(zhì)性現(xiàn)象導(dǎo)致的因素有很多種，例如，地形因素、植被因素等。這些因素的共同作用和影響使得土壤氮含量在生態(tài)系統(tǒng)中空間分布上發(fā)生異質(zhì)性[13-20]。從形式上說，硝態(tài)氮屬于速效氮，與銨態(tài)氮相同，但是由于硝態(tài)氮、銨態(tài)氮在結(jié)構(gòu)特性上有所區(qū)別，因此，導(dǎo)致不同的地域和植物環(huán)境對(duì)氮元素的需求有所不同。

本研究結(jié)果表明，硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的分布在樣地1中表現(xiàn)出極大值和極小值分布的特點(diǎn)現(xiàn)象，相比較于樣地2，3，樣地1具有更強(qiáng)的變異系數(shù)，分析其原因初步判定為樣地1與樣地2，3在地形坡度上有所區(qū)別，樣地2，3的地形相對(duì)平坦，而樣地1被淺溝貫穿，研究區(qū)降雨量主要分布在夏季，此時(shí)是全年雨水量最大的時(shí)期，研究區(qū)植被分布主要是草本植被，缺乏固氮能力強(qiáng)的灌木和喬木類型的植被，這樣就直接導(dǎo)致了在淺溝上游區(qū)域土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量呈現(xiàn)出流失現(xiàn)象，相反在淺溝下游溝底區(qū)域產(chǎn)生大量的氮元素沉積積累，因此，形成了極大值和極小值的分布。選擇相同海拔和氣候的地區(qū)進(jìn)行3塊樣本地的設(shè)置，但是仍然不能完全排除這些因素的影響，直觀體現(xiàn)就是微地形對(duì)氮元素分布的影響作用。

二龍山油松林土壤氮元素空間異質(zhì)性研究中，樣地1屬于強(qiáng)變異，樣地2，3屬于中等變異。銨態(tài)氮半方差基臺(tái)值比硝態(tài)氮高，說明就異質(zhì)性程度而言銨態(tài)氮表現(xiàn)更高。就氮含量的基臺(tái)值表現(xiàn)而言，在3塊樣本地中均表現(xiàn)出銨態(tài)氮高于硝態(tài)氮，因此可以說明，在空間異質(zhì)性表現(xiàn)上銨態(tài)氮較硝態(tài)氮更高；結(jié)構(gòu)性因素是氮元素的空間結(jié)構(gòu)變異的主要原因，不過硝態(tài)氮相比較于銨態(tài)氮受到隨機(jī)因素影響的程度要小。因此，2種類型的氮含量分布無明顯差別的原因很可能是由于微地形影響所致，深層原因還需要進(jìn)一步研究，可能是氣候因素影響，也可能是雨水因素或者溫度因素等。

硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、有效磷和有效鉀含量在樣地1中均最低，這也與樣地1中的溝壑存在有關(guān)，由于溝壑的存在，降雨時(shí)地表徑流會(huì)明顯高于其他2塊樣地，土壤侵蝕度程度也因此高于其他2塊樣地。

土壤有效鉀的變異趨勢(shì)在3塊樣地中均表現(xiàn)為無基臺(tái)值線性模型，無法確定其空間結(jié)構(gòu)，這可能與樣地的人為干擾有關(guān)，需要進(jìn)一步研究。