喬宇鑫，鐘華平，朱華忠，邵小明，李愈哲

（1.西藏農(nóng)牧學(xué)院高原生態(tài)研究所，西藏 林芝850400；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室，北京100101；3.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點實驗室，北京100101；4.江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210023；5.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京市生物多樣性與有機農(nóng)業(yè)重點實驗室，北京100193）

土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的組分，是植被賴以生存的重要基礎(chǔ)，其理化性質(zhì)不僅影響植物的生長，也制約著植物的生產(chǎn)力水平［1］。土壤容重是指原狀土柱狀態(tài)下單位體積的土壤質(zhì)量。容重是土壤重要的基本物理性質(zhì)，對土壤的透氣性、入滲性、持水性、溶質(zhì)遷移以及土壤抗蝕能力等特性有著重要影響［2］。土壤容重不僅可以定量表征土壤的持水性、入滲性、抗侵蝕性、透氣性等生態(tài)功能，也是衡量土壤環(huán)境好壞的重要指標(biāo)之一［3?4］。另外，土壤容重是土壤水庫容估算的必需參數(shù)，也是準(zhǔn)確估算土壤碳氮儲量所必需的重要參數(shù)［5］。所以，建立完整系統(tǒng)的土壤容重數(shù)據(jù)，對于我國土壤學(xué)基礎(chǔ)研究、生態(tài)環(huán)境評價以及土壤質(zhì)量監(jiān)測具有重要的現(xiàn)實意義。

目前國際標(biāo)準(zhǔn)化組織規(guī)定的土壤容重的采樣方法有3 種：環(huán)刀法、切塊法和土塊法［6］，環(huán)刀法是最常用的方法。然而，所有的土壤容重采樣方法均須建立在深挖土壤剖面的前提下，才能采集土壤的原狀土樣，進(jìn)行土壤容重的測定。此操作耗時，且在野外大尺度實際應(yīng)用中存在工作繁重，人力、物力耗費較大等問題，土壤容重測定的樣點和數(shù)據(jù)量受到限制［7］，特別是大尺度以及特殊區(qū)域的容重數(shù)據(jù)更是難以獲得（例如流域以及森林）［8?9］。所以，更多的研究是針對表層土壤的容重，對深層土壤研究鮮有報道［1，4，10］。同時，近年來，基于有限的土壤容重測定數(shù)據(jù)，建立傳遞函數(shù)預(yù)測模型，利用土壤其他屬性來預(yù)測土壤容重，獲得很好的效果，并被眾多學(xué)者廣泛認(rèn)同［11］。如Wang 等［12］基于含沙量、坡度、有機碳含量、粘土含量及其轉(zhuǎn)換組合指標(biāo)建立了傳遞函數(shù)預(yù)測模型，并對黃土高原區(qū)域尺度表層土壤容重進(jìn)行了模擬，土壤容重預(yù)測模型作為簡便、快捷的土壤容重獲取方法，越來越多地受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注和應(yīng)用［12?13］。

盡管如此，因為土地利用差異，植被差異，土壤類型異質(zhì)性等，導(dǎo)致土壤傳遞函數(shù)存在一定局限性，其準(zhǔn)確度和精度往往受限于特定區(qū)域的研究［14?16］。另一方面，在計算碳排放時，1997 年IPCC（intergovernmental panel on climate change）認(rèn)為用每單位土地面積30 cm 深度內(nèi)的土壤碳儲量表示，但這種測算碳儲量的方法可能因為土壤容重變化造成土壤膨脹或收縮而帶來測量的不確定性，同時粘性土隨土壤含水量和土層深度的變化也會造成土壤容重的改變從而影響碳儲量的測算［17?19］。而且目前土壤傳遞函數(shù)少有考慮土層深度對土壤容重模擬的影響，也并未對分層土壤容重進(jìn)行估算［5?7］。

中國北方溫帶草原地處東亞中部，自西向東有著豐富多樣的土地利用類型和復(fù)雜的氣候條件，這對土壤傳遞函數(shù)的構(gòu)建增加了難度，并且鮮有這樣大尺度范圍的分層土壤容重報道。針對以上問題，本研究主要目的有：1）針對氣候條件及區(qū)域情況，提出一種綜合氣候因子的多因素土壤容重計算方法，并分析中國北方溫帶草原區(qū)土壤容重的空間分布狀況。2）利用現(xiàn)有的分層數(shù)據(jù)（一部分土壤容重分層數(shù)據(jù)），構(gòu)建土壤容重分層傳遞函數(shù)，對土壤垂直剖面分層容重數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，并對土壤容重分層數(shù)據(jù)空間格局進(jìn)行分析。 3）探討土壤容重，草地類型和有機碳含量三者的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

我國北方溫帶草原區(qū)有別于北方草原區(qū)，不僅包括北方草原地區(qū)的區(qū)域地理范圍［20］，并延伸至新疆維吾爾自治區(qū)全區(qū)，包括內(nèi)蒙古自治區(qū)和寧夏回族自治區(qū)全境，以及黑龍江、吉林、遼寧、河北、山西、陜西和甘肅等?。▍^(qū)）的部分地區(qū)，共計324 個縣（市），地理位置 北 緯31°28′6″?54°35′53″，東 經(jīng)67°56′46″?128°53′20″，總面積約345 萬km2，是我國重要牧區(qū)之一（圖1）。地形地貌復(fù)雜，從新疆維吾爾自治區(qū)的“三山兩盆”，向東逐次過渡到阿拉善高原、鄂爾多斯高原、黃土高原、蒙古高原和松嫩平原。分布有塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古特沙漠、巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、庫姆塔格沙漠、烏蘭布和沙漠、庫布齊沙漠，以及毛烏素沙地、渾善達(dá)克沙地、科爾沁沙地、呼倫貝爾沙地等我國主要的沙漠和沙地；以及呼倫貝爾、松嫩、科爾沁、錫林浩特、烏蘭察布、阿勒泰和伊犁等我國重點牧區(qū)［21?22］。北方溫帶草原區(qū)橫跨干旱、半干旱和半濕潤氣候區(qū)，氣候條件惡劣，生態(tài)環(huán)境脆弱，土地荒漠化嚴(yán)重。土地覆被類型豐富，包含農(nóng)田、濕地、森林、草原、荒漠、沙漠等類型。土壤主要有漠土、鈣層土、干旱土、淋溶土等類型。草地是本區(qū)域最主要植被類型之一，草地類型多樣，包括溫性草甸草原類、溫性草原類、溫性荒漠草原類、高寒草原類、高寒荒漠草原類、溫性草原化荒漠類、溫性荒漠類、高寒荒漠類、暖性草叢類、暖性灌草叢類、低地草甸類、山地草甸類、高寒草甸類、沼澤類、改良草地等15 種類型［23］。根據(jù)20 世紀(jì)80 年代草地調(diào)查統(tǒng)計，本區(qū)域草地面積163.5 萬km2；根據(jù)“我國北方溫帶草原重點牧區(qū)草地資源退化狀況與成因調(diào)查”項目最近調(diào)查結(jié)果，到2010 年草地保留面積141.5 萬km2。

圖1 北方溫帶草原區(qū)范圍及調(diào)查樣點分布Fig.1 Spatial distribution of the temperate grasslands in Northern China and distribution of survey sample sites

1.2 土壤容重調(diào)查和土壤樣品采樣

本研究共涉及兩部分土壤數(shù)據(jù)，一部分來源于2013?2015 年“我國北方溫帶草原重點牧區(qū)草地資源退化狀況與成因調(diào)查”項目，用于計算土壤容重空間分布。每50 km 設(shè)置1 個100 m×100 m 的草地植被群落調(diào)查樣地，但具體需根據(jù)草地類型、利用方式和強度、以及立地條件而確定草地樣地的設(shè)置，如在山地地區(qū)可能幾公里需設(shè)置一個草地樣地，而在草地類型相對單一的平原地區(qū)則樣地間的距離可能在80 km 左右。該項研究共采集草地景觀信息樣點6716 個，草地調(diào)查樣地587 個。本研究從2013?2015 年歷時3 年完成草地的野外調(diào)查，于每年7?9 月開展草地的樣方調(diào)查和采樣。記錄每個樣地的經(jīng)緯度、海拔、利用方式和景觀照片等信息。每個草地樣地沿對角線設(shè)置3 個1 m×1 m 的樣方，在每個樣方內(nèi)沿對角線取3 個環(huán)刀的土樣，取樣部位為0～10 cm 土層的中間部位，并對取好土樣的環(huán)刀編號，帶回室內(nèi)，置105 ℃烘箱內(nèi)烘干至恒重，稱重并換算成標(biāo)準(zhǔn)單位（g·cm?3），環(huán)刀規(guī)格為100 cm3。土壤理化分析樣品采用土鉆法取樣，用33 cm 內(nèi)徑的土鉆，按0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 土層分層取樣，每個樣方取3 鉆，按樣方編號分層混合取樣，分別裝在8 號塑封袋內(nèi)，樣品編號后帶回室內(nèi)。在室內(nèi)，把土壤樣品攤開風(fēng)干，混合均勻后用四分法取樣分析，研磨后過0.15 mm 網(wǎng)篩，將過篩后樣品裝小號的塑封袋，編號后送中國科學(xué)院植物研究所分析中心進(jìn)行全碳、有機碳含量分析。碳含量采用干燒法測定［24］，測定儀器為元素分析儀（DELTA V Advantage+Flash 2000，德國）。

另一部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院先導(dǎo)專項草地調(diào)查143 個草地樣地的土壤分層調(diào)查數(shù)據(jù)，用于建立土壤分層傳遞函數(shù)。其土壤容重和土壤分析樣品的采樣方法根據(jù)《中國草地生態(tài)系統(tǒng)固碳現(xiàn)狀、速率和潛力研究調(diào)查規(guī)范》進(jìn)行采樣［25］。采用壕溝法，在樣方一側(cè)開挖一個100 cm（長）×50 cm（寬）×100 cm（深）的壕溝，建立一個土壤剖面，根據(jù)剖面按0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm 土層分層取樣，并進(jìn)行5 個樣方的重復(fù)采樣。此方法過于耗時、費力，在北方溫帶草原區(qū)的大規(guī)模調(diào)查中難以實施。在室內(nèi)，把土壤樣品攤開風(fēng)干，混合均勻后用四分法取樣分析，研磨后過0.15 mm 網(wǎng)篩，將過篩后樣品裝小號的塑封袋，編號后送中國科學(xué)院植物研究所分析中心進(jìn)行全碳、有機碳含量分析。

1.3 地理要素空間數(shù)據(jù)與處理

利用多因素加權(quán)回歸模型（multi?factor weighted regression model，MWRM）［25］對北方溫帶草地土壤容重計算時需要有相關(guān)地理要素空間數(shù)據(jù)，主要包括遙感數(shù)據(jù)、氣候數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、草地資源類型分布數(shù)據(jù)等。

1.3.1 遙感數(shù)據(jù) 北方溫帶草原區(qū)2013?2015 年8 月中旬的歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI）的平均數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局的MODIS 數(shù)據(jù)產(chǎn)品（MOD13A2），用MRT（modis reprojection tool）工具批量轉(zhuǎn)投影和拼接，空間分辨率為1 km。

1.3.2 氣候數(shù)據(jù) 根據(jù)國家氣象局提供的2013?2015 年氣象臺（站）觀測數(shù)據(jù)，運用ANUSPLIN 專業(yè)氣象插值軟件，建立年均氣溫、年降水量、≥10 ℃年積溫、濕潤度［23］等空間數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km。

1.3.3 DEM 數(shù)據(jù) 來源于國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺（www.geodata.cn），數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）數(shù)據(jù)的空間分辨率為30 m。

1.3.4 草地資源類型分布數(shù)據(jù) 基于20 世紀(jì)80 年代全國草地調(diào)查1：100 萬草地類型圖矢量數(shù)據(jù)，利用2010年TM（thematic mapper）影像數(shù)據(jù)對北方溫帶草原區(qū)進(jìn)行解譯和修編，獲得2010 年北方溫帶草地資源類型分布矢量數(shù)據(jù)，精度20 m。

1.3.5 草地樣地的地理要素數(shù)據(jù)的匹配與提取 根據(jù)北方溫帶草原區(qū)587 個草地樣地調(diào)查點的經(jīng)緯度信息，在ArcGIS 中加載上述地理要素空間數(shù)據(jù)，分別提取與每個樣地相匹配的海拔、NDVI、年均溫、年降水量、≥10 ℃年積溫、濕潤度6 個要素的值，與587 個樣地的表層土壤容重值（其中2/3 共計397 個樣地數(shù)據(jù)作為建模數(shù)據(jù)，剩余190 個樣地數(shù)據(jù)作檢驗數(shù)據(jù)），共同構(gòu)建一個包括6 個生態(tài)要素、表層土壤容重、土壤有機碳含量的數(shù)據(jù)集，用于相關(guān)的統(tǒng)計、回歸和空間格網(wǎng)化分析。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

1.4.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與回歸分析 有關(guān)樣地調(diào)查的土壤容重和有機碳含量數(shù)據(jù)、土壤有機碳含量隨土層深度變化（KSOC）、土壤容重隨土層深度變化的相關(guān)性分析（KSBD）、土壤表層容重與各地理要素間的相關(guān)性分析和回歸分析、以及土壤容重垂直剖面變率系數(shù)（KSBD）與土壤有機碳含量垂直剖面變率系數(shù)（KSOC）的相關(guān)性分析等，均采用SPSS 20.0 進(jìn)行統(tǒng)計分析。

1.4.2 土壤容重分層傳遞函數(shù)構(gòu)建 根據(jù)中國科學(xué)院先導(dǎo)專項草地調(diào)查143 個草地樣地的調(diào)查數(shù)據(jù)，通過SPSS 20.0 進(jìn)行K?S 正態(tài)檢驗（P＜0.01），刪除明顯異常和土壤剖面不完整的樣地，最終得到117 個有效樣地參與統(tǒng)計分析。根據(jù)117 個有效樣地土壤容重調(diào)查的分層數(shù)據(jù)和土壤有機碳含量分層數(shù)據(jù)，利用線性回歸分析，分別求得每個樣地的土壤容重和土壤有機碳含量隨土層深度變化的垂直剖面變率系數(shù)KSBD和KSOC，并構(gòu)建土壤容重垂直剖面變率系數(shù)（KSBD）隨土壤有機碳含量垂直剖面變率系數(shù)（KSOC）分層變化的傳遞函數(shù)方程。根據(jù)所構(gòu)建的傳遞函數(shù)方程，分別對北方溫帶草原區(qū)草地0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm 等不同土層的土壤容重進(jìn)行估算。

其中，a和b分別為模型常數(shù)項；SBD（x）為某土層的土壤容重值，當(dāng)x=0 時為土壤表層（0～10 cm）的土壤容重，x=1 時為土壤10～20 cm 土層的土壤容重值；x=2 時為土壤20～30 cm 土層的土壤容重值；x=3 時為土壤30～50 cm土層的土壤容重值；KSBD為土壤容重垂直剖面變率系數(shù)。

1.4.3 土壤容重空間格網(wǎng)化過程 根據(jù)北方草地樣帶調(diào)查中獲取的土壤表層容重數(shù)據(jù)，以及海拔、年均溫度、年均降水量、≥10 ℃積溫、濕潤度、NDIV 6 個地理要素數(shù)據(jù)，運用MWRM 模型方法［25］，分別構(gòu)建土壤表層容重和土壤有機碳含量垂直剖面變率系數(shù)空間插值（估算）MWRM 模型，獲得我國北方草原區(qū)土壤表層容重（0～10 cm）的空間柵格數(shù)據(jù)（1 km×1 km），和土壤有機碳含量垂直剖面變率系數(shù)（KSOC）空間柵格數(shù)據(jù)（1 km×1 km），方法詳見文獻(xiàn)［12，24］。

同時，根據(jù)土壤容重分層傳遞函數(shù)模型（公式1 和2）對北方溫帶草原區(qū)草地分層土壤容重的空間估算，實現(xiàn)草地0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm 等不同土層的土壤容重空間格網(wǎng)化估算。

2 結(jié)果與分析

2.1 北方溫帶草原區(qū)表層土壤容重空間分布格局

根據(jù)北方溫帶草原區(qū)草地表層土壤容重的多因素加權(quán)回歸模型［25］，插值建立我國北方草原區(qū)土壤表層（0～10 cm）容重的空間柵格數(shù)據(jù)（圖2）。

根據(jù)北方溫帶草原區(qū)190 個檢驗樣地數(shù)據(jù)的驗證分析（圖3），北方溫帶草原區(qū)草地表層（0～10 cm）土壤容重的平均預(yù)測誤差、均方根差、相對誤差和復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.018、0.223、16.2%和0.5386。檢驗結(jié)果表明：利用多要素數(shù)據(jù)源反演插值方法得到的北方溫帶草原區(qū)草地表層（0～10 cm）土壤容重的空間分布數(shù)據(jù)具有較高的可靠性和精度。

2.2 北方溫帶草原區(qū)草地分層土壤容重空間分布格局

根據(jù)北方溫帶草原區(qū)草地表層（0～10 cm）土壤容重的空間分布數(shù)據(jù)（圖2），運用土壤容重垂直剖面變率系數(shù)傳遞函數(shù)模型（公式1，2），除去沙漠、農(nóng)田等非草地地理單元，獲得北方溫帶草原區(qū)分層土壤容重的空間分布數(shù)據(jù)（圖4）。

從土壤容重分層?xùn)鸥窨臻g數(shù)據(jù)可知（圖2 和圖4），不同土層土壤容重在空間變化規(guī)律上呈一致性，表現(xiàn)為中部和西北部高（主要分布著溫性荒漠草原和溫性荒漠草地類型），東部和西南部低（主要分布著溫性草甸和山地草甸）的現(xiàn)象。

根據(jù)土壤容重分級統(tǒng)計分析（表1），我國北方草原區(qū)草地的土壤容重主要分布在1.5 g·cm?3以上，占總草地面積的61.58%。I 類土壤容重（0～0.8 g·cm?3）零星分布在天山和阿勒泰等山區(qū)，主要草地類型為高寒草甸，占總草地面積4.54%；Ⅱ類土壤容重（0.8～1.2 g·cm?3）集中分布在天山，阿勒泰，大興安嶺及昆侖山等山區(qū)，主要草地類型為山地草甸，占總草地面積13.16%；Ⅲ類土壤容重（1.2～1.5 g·cm?3）集中分布在內(nèi)蒙古高原東部和呼倫貝爾高原，主要草地類型為溫性草甸和山地草甸，占總草地面積20.74%；Ⅳ類土壤容重（1.5～1.8 g·cm?3）集中分布在內(nèi)蒙高原西部，黃土高原北部，準(zhǔn)格爾盆地北部和阿拉善高原邊緣，主要草地類型為溫性草原和溫性荒漠草原，占總草地面積36.03%；Ⅴ類土壤容重（1.8～2.2 g·cm?3）集中分布在準(zhǔn)格爾盆地南部，南疆盆地邊緣以及阿拉善高原中部，主要草地類型為溫性荒漠類，占總草地面積25.55%。并且隨著土層深度的增加，Ⅴ類土壤容重草地所占比重有增加趨勢，相比較于表層（0～10 cm），30～50 cm 土層Ⅴ類土壤容重草地總面積增加了21.27%；而I～Ⅳ類型土壤容重（0～1.8 g·cm?3）草地相較于表層土（0～10 cm）所占比重有減少趨勢，總面積減少了21.27%。

圖2 北方草原區(qū)表層（0～10 cm）土壤容重空間分布Fig.2 Spatial distribution of surface soil（0-10 cm）soil bulk density of northern temperate grasslands

圖3 北方草原區(qū)表層（0～10 cm）土壤容重預(yù)測值與實測值檢驗Fig.3 Validation of surface soil（0-10 cm）soil bulk density estimation of northern temperate grasslands

2.3 不同區(qū)域草地分層土壤容重比較

統(tǒng)計分析結(jié)果表明，我國北方溫帶草原區(qū)草地平均土壤容重為1.50 g·cm?3，其中阿勒泰山區(qū)土壤容重最低，平均為1.03 g·cm?3，表層容重平均為0.95 g·cm?3；其次為天山山區(qū)，平均容重為1.13 g·cm?3，表層容重平均為1.06 g·cm?3；第三為大興安嶺地區(qū)，平均容重為1.19 g·cm?3，表層容 重平均為1.10 g·cm?3。南疆盆地的草地土壤容重最高，平均容重為1.99 g·cm?3，表層容重平均為1.94 g·cm?3；其次為阿拉善高原的草地，平均容重為1.84 g·cm?3，表層容重平均為1.77 g·cm?3；第三為河套及土默川平原的草地，平均容 重 均 為1.76 g·cm?3，表 層 容 重 均 為1.68 g·cm?3（表2）。

2.4 不同草地類型分層土壤容重比較

根據(jù)北方溫帶草原區(qū)草地類型分布數(shù)據(jù)［23］，提取主要草地類型的土壤容重數(shù)據(jù)，進(jìn)行不同類型草地分層土壤容重的比較分析（表3），結(jié)果表明：不同草地類型土壤容重有明顯差異，其中高寒草甸類土壤容重最低，平 均 為0.76 g·cm?3，表 層 容 重 平 均 為0.69 g·cm?3；其次為低地草甸和沼澤類，平均容重均為0.82 g·cm?3，表層容重分別為0.75 和0.74 g·cm?3；第三為山地草甸，平均容重為0.99 g·cm?3，表層容重平均為0.91 g·cm?3。溫性荒漠類土壤容重最高，平均為1.80 g·cm?3，表層容重平均為1.72 g·cm?3；其次為溫性草原化荒漠類，平均為1.66 g·cm?3，表層容重平均為1.58 g·cm?3；第三為高寒荒漠草原類，平均為1.60 g·cm?3，表層容重平均為1.52 g·cm?3。

圖4 北方溫帶草原區(qū)不同土層土壤容重空間分布Fig.4 Spatial distribution of soil bulk density at different layers of northern temperate grasslands

表1 不同土層土壤容重分級所占面積比例Table 1 Distribution of stratified soil bulk density in different soil layers（%）

表2 不同地理區(qū)域土壤容重Table 2 Soil bulk density in different depths and geographical regions（g·cm-3）

表3 不同草地類型草地分層土壤容重Table 3 Soil bulk density in different depths and grassland types（g·cm-3）

3 討論

3.1 草地類型和有機碳含量與土壤容重的關(guān)系

土壤容重的變化不僅受結(jié)構(gòu)、緊實度和土地利用類型等土壤自身屬性影響［26］，粘土含量、含水量、含沙量、深度、pH 值和有機碳含量等土壤理化性質(zhì)也是影響土壤容重變化的主要因素［27］。但影響土壤容重變化最主要的原因是有機碳含量［28?30］。有機碳含量是有機質(zhì)輸入和礦化的一個綜合結(jié)果，而對于草地生態(tài)系統(tǒng)而言，有機質(zhì)的輸入主要依賴于草本植物的光合作用以及一些小灌木的凋落物，而不同的草地類型對于有機物輸入的能力是有差異的，從而對土壤容重產(chǎn)生影響。

另一方面，土壤類型的形成和分布與生物氣候帶相適應(yīng)，不同草地類型的土壤容重變化范圍較大。就研究區(qū)內(nèi)的草地而言，主要的草地類型有3 類：溫性草原，溫性荒漠草原和草甸草原。分別形成了栗鈣土，棕鈣土和黑鈣土3 種相適應(yīng)的土壤類型，這3 種土壤類型結(jié)構(gòu)和含水量等土壤理化性質(zhì)有較大差異，這些差異反過來也會影響植被的分布。一般而言，棕鈣土的土壤孔隙度要大于黑鈣土，土壤硬度增加，土壤持水能力減少，這些都會使土壤容重增加。Carlos 等［27］發(fā)現(xiàn)，土壤容重增加會顯著影響土壤對有機碳含量的積累和持有能力。草地類型的變化導(dǎo)致土壤容重的增加或減少，進(jìn)而影響有機碳含量。

3.2 土壤容重空間格局的比較分析

根據(jù)不同學(xué)者對不同地區(qū)土壤容重研究結(jié)果的比較分析，本研究重建的土壤容重分層數(shù)據(jù)與其結(jié)果相接近（表4），基本反映了北方溫帶草原區(qū)草地土壤容重空間分布格局的客觀存在。但個別區(qū)域存在明顯差異，本研究搜集了研究區(qū)內(nèi)7 個主要不同地形分區(qū)的相關(guān)研究，由于土壤容重采樣的困難和不確定性，樣方設(shè)置的差異性和不均一性等因素，不同學(xué)者建立的土壤容重預(yù)測模型也不盡相同，所以在土壤容重預(yù)測結(jié)果上也有偏差。周李磊等［31］使用多因素加權(quán)回歸模型（multi-factor weighted regression model，MWRM）［25］對新疆伊犁146 個采樣點進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果差異較大。這可能是因為周李磊等［31］沒有對伊犁地區(qū)土壤容重分土層深度進(jìn)行預(yù)測。有研究表明，伊犁地區(qū)垂直方向不同深度范圍土壤容重差異顯著［32］，而且由于伊犁地區(qū)地形特殊，土層中含有較多礫石，這更增加了垂直方向上土壤容重的變異性，張文太等［32］發(fā)現(xiàn)存在礫石會使土壤容重偏高約16%，這說明伊犁地區(qū)表層土與深層土壤組成的差異會造成土壤容重的變化。成鵬［33］主要對天山北坡烏魯木齊段山地草甸圍欄內(nèi)0～30 cm的土壤容重進(jìn)行測量，并且樣點數(shù)量少，并沒有能完全反映天山山脈土壤的實際情況。王進(jìn)等［34］對呼倫貝爾草地27 個采樣點進(jìn)行土壤容重分析，結(jié)果與本研究差異顯著。一方面是因為采樣點數(shù)量太少，對于區(qū)域尺度的研究樣點數(shù)量過少無法充分反映該區(qū)域的土壤特征；另一方面，選取的樣地特征不同，王進(jìn)等［34］選取呼倫貝爾沙漠化梯度的樣地，并且樣地多在沙漠邊緣，沒有對其他類型的草地進(jìn)行取樣。這種差異也可能受到研究區(qū)域的邊界范圍、土壤異質(zhì)性等影響。

表4 不同地區(qū)土壤容重研究結(jié)果比較Table 4 Comparison of soil bulk density research results in different regions

3.3 傳遞函數(shù)方法的應(yīng)用

我國地域廣闊，自然地理環(huán)境復(fù)雜多變，不同土綱中土壤容重與其他土壤屬性的關(guān)系并不完全相同，因此大部分學(xué)者在充分考慮了土壤地域性的同時［35?37］，運用傳遞函數(shù)方法在土壤容重研究和估算上取得很好的應(yīng)用，韓光中等［36］基于土壤系統(tǒng)分類對我國現(xiàn)有的土壤數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分組，對各土綱建立多項式模型。這種方式在一定程度上提高了模型預(yù)測的精度，但是這種分類建立模型并不適用復(fù)雜的土壤環(huán)境，也并未考慮在剖面深度上土壤容重的變化趨勢；另一方面，這些研究提出的模型和以往的經(jīng)驗?zāi)Ｐ鸵粯?，未考慮地形、氣候、母質(zhì)等因素［38?41］。因此，對于大范圍的土壤容重預(yù)測，構(gòu)建更加精確的土壤容重傳遞函數(shù)是必要的。

本研究利用中國科學(xué)院先導(dǎo)專項草地調(diào)查完整的土壤容重剖面數(shù)據(jù)，在充分考慮土壤地域性差異和深度對土壤容重變異的影響，結(jié)合北方溫帶草原的氣候，地形等因素，構(gòu)建北方溫帶草原土壤容重分層傳遞函數(shù)。在一定程度上提高了土壤容重預(yù)測的精度，為大尺度區(qū)域構(gòu)建土壤容重傳遞函數(shù)提供思路。并加強了對土壤母質(zhì)和土壤粒度數(shù)據(jù)的參與。

4 結(jié)論

基于采樣數(shù)據(jù)，利用土壤分層傳遞函數(shù)，對中國北方溫帶草原區(qū)0～50 cm 表層土壤容重空間格局進(jìn)行模擬。結(jié)果表明：1）中國北方溫帶草原區(qū)土壤容重在空間上呈現(xiàn)中部和西北部高，東部和山區(qū)低的現(xiàn)象，草地平均土壤容重為1.50 g·cm?3。2）土壤容重在空間上表現(xiàn)出地理異質(zhì)性，其分布趨勢與草地類型有一致性，并主要受到土壤有機碳含量的影響。3）通過與其他學(xué)者實際測量結(jié)果比較，這種利用現(xiàn)有分層土壤數(shù)據(jù)建立分層傳遞函數(shù)模型，并應(yīng)用大尺度格局土壤容重分布模擬的方法是可行并準(zhǔn)確的。