任煜堃

（山西省林業(yè)和草原科學研究院，太原 030012）

0 引言

森林土壤是森林植物生長發(fā)育的基礎，作為森林生態(tài)系統的重要組成部分，擔負著重要的生態(tài)功能[1]。受氣候、母質、植被、地形及人類活動等因素的影響，森林土壤是一個復雜的綜合體，森林土壤因子也存在高度的空間變異[2]，而森林土壤因子的變異必然會引起植物生長的變異[3]。揭示森林土壤因子的空間分布特征，可以為評價森林土壤肥力提供參考[4]，為林間科學管理提供依據。但是土壤因子的測定耗時且成本較高，尤其是在土壤采樣階段。因此，通常在研究區(qū)域選定代表性的點進行采樣測定，在未采樣區(qū)域利用地統計學等方法進行插值，從而更好地滿足森林可持續(xù)經營的需要。

在研究土壤養(yǎng)分的空間分布特征時，GIS和地統計學相結合的方法具有較強的優(yōu)勢，史利江[5]基于此方法揭示了區(qū)域農田土壤養(yǎng)分空間變異特征，提出了實行養(yǎng)分分區(qū)管理。唐啟敏[6]基于此方法揭示了山西省榆林市耕地土壤的養(yǎng)分空間分布特征，并對地力等級進行了研究。楊靜涵等[7]綜合多種地統計學方法，揭示了黃土高原溝壑區(qū)小流域土壤養(yǎng)分的空間變異特征及其影響因素。此外，張志堅等[8]對江西省森林土壤養(yǎng)分的空間變異研究，謝紅花等[9]對云南烏蒙山區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異的研究，喬磊等[10]對晉中盆地土壤養(yǎng)分空間變異的研究采用了此類方法。

本研究基于山西省297塊樣地的土壤采樣檢測數據，運用GIS技術和地統計學方法對山西省森林土壤堿解氮、全氮、有機質、速效磷、全鉀、pH、含水量7個因子進行空間變異分析，揭示山西省森林土壤因子的空間分布特征。

1 研究區(qū)概況

山西省地處黃河中游東岸、黃土高原東部，34°36′—40°44′N，110°15′—114°32′E。整體地貌是“兩山夾一川”，東部是以太行山為主脈形成的塊狀山地，西部是以呂梁山為主的黃土高原，中間自北向南是一連串的斷陷盆地。境內最高海拔3061.1 m，最低海拔180 m[11]。氣候類型為溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫在-4～14℃之間，年平均降水量400～650 mm。成土母質主要為基巖風化物、河流沖積物和沉積黃土，山西省中南部為森林草原褐土地帶，北部為干旱草原栗鈣土地帶，呂梁山以西是由森林草原向干旱草原過渡的灰褐土地帶[12]。主要植被類型為寒溫性針葉林、寒溫性針闊混交林、溫性針葉林、溫性針闊混交林、落葉闊葉林和落葉闊葉灌叢等，主要喬木樹種有油松、華北落葉松、云杉等。

2 研究方法

2.1 數據來源與處理

數據來源為山西省11個地市297塊樣地的森林土壤采樣檢測數據，包括森林土壤pH值、含水量、有機質、全氮、堿解氮、全鉀、速效磷共7個因子，從樣本量和指標數量來講，這些因子在一定程度上能代表全省森林土壤的整體養(yǎng)分狀況和質量水平。

以采樣點地理坐標為依據，將樣點數據導入ArcGIS中，為后續(xù)森林土壤因子空間變異特征分析提供基礎數據。

2.2 趨勢分析

受到地形地貌、成土因素等多方面的影響，區(qū)域內森林土壤因子的空間分布通常會呈現出一定的趨勢特征和異向性分布[13-15]?？臻g變異特征分析中，XYZ 3個維度都是協同工作的，所以需要了解數據是否具有一定的趨勢，比如東高西低、北高南低等。趨勢效應一般分為零階（沒有趨勢效應）、常量（研究變量沿一定方向呈常量增加或減少）、一階（研究變量沿一定方向呈直線變化）、二階（研究變量沿一定方向呈多項式變化）[16]等。

2.3 半變異函數模型選取

在對樣本數據進行半變異分析前需要對數據進行分布類型檢驗[17-18]，從表1中可以看出，樣本數據顯示出一定的偏態(tài)效應，通過對比對數轉換和Box-Cox轉換效果，含水量經Box-Cox轉換，全氮含量、全鉀含量、速效磷含量、有機質含量、堿解氮含量經對數轉換后更接近正態(tài)分布。而pH在對數轉換或Box-Cox轉換后仍然不滿足正態(tài)分布的要求，而且偏態(tài)值進一步加大，轉換效果并不理想，因此可以放棄轉換，保持原數據進行變異結構的分析。

表1 山西省森林土壤因子正態(tài)分布檢驗

為了得到最優(yōu)半變異函數模型，在ArcGIS地統計分析模塊中，通過擬合參數比較選擇合適的理論模型。對各土壤因子數據分別用指數函數、高斯函數、球面函數、三角函數4種模型進行擬合，擬合參數包括預測誤差的均值、預測誤差的均方根、平均標準誤差、標準化預測誤差平均值、標準化預測誤差均方根[19-20]。模型選擇的判斷標準為：標準化預測誤差平均值越接近于0，標準化預測誤差均方根越接近于1，預測誤差均方根越小，平均標準誤差越接近于預測誤差均方根時，其模型擬合狀況越好。

2.4 克里金插值

根據2.3中選出的各森林土壤因子半變異函數模型，結合全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準，利用ArcGIS中地統計分析的克里金插值方法，繪制出各森林土壤因子的插值圖，從而直觀地反映出各因子的空間分布情況。

3 結果與分析

3.1 森林土壤因子趨勢分析

圖1中X軸表示正東方向，Y軸表示正北方向，Z軸表示各點實測值的大小。左后平面反映各森林土壤因子在東—西方向上的全局趨勢效應；右后平面反映各森林土壤因子在南北方向上的全局趨勢效應。

圖1 山西省森林土壤因子趨勢分析圖

結果表明，各森林土壤因子均存在二階分布趨勢，在東-西方向上的趨勢效應更為明顯，其中，森林土壤含水量、全鉀含量表現出中部高東西低的二階趨勢效應，pH表現出中部低東西高的二階趨勢效應，速效磷含量呈現微弱的西高東低趨勢，其余各因子均呈西低東高的二階趨勢效應。各森林土壤因子在南-北方向上的趨勢效應表現為：森林土壤含水量表現出中部高南北低的二階趨勢效應，pH表現出北高南低的二級趨勢效應，全鉀含量表現出北低南高的二階趨勢效應，其余各因子南-北方向趨勢效應并不顯著。

3.2 森林土壤因子半變異函數模型

對比擬合參數結果（表2）確定各因子的最優(yōu)半變異函數模型：森林土壤含水量選擇球面函數模型，全氮含量選擇高斯函數模型，有機質含量選擇三角函數模型，堿解氮含量選擇高斯函數模型，速效磷含量選擇指數函數模型，pH選擇高斯函數模型，全鉀含量選擇指數函數模型，各模型及其參數詳見表3。

表2 山西省森林土壤因子不同模型擬合參數結果

續(xù)表2

表3 森林土壤因子半變異函數理論模型及相關參數

結果顯示，各森林土壤因子均在一定范圍內存在空間相關性，其中森林土壤有機質含量的變程最大，速效磷含量的變程最小。各森林土壤因子的塊金系數介于39.19%～72.81%之間，空間相關性表現中等，其空間變異由山西省森林土壤的質地、地形、氣候條件等結構性因素和施肥條件、森林管護方式等人為隨機性因素共同作用引起，其中以速效磷含量的空間相關性最強。堿解氮的塊金系數最高，為72.81%，說明森林土壤堿解氮含量的分布更受隨機因素的影響，空間變異性規(guī)律較差，主要原因可能與人為施用氮肥、林間管理等有關。

3.3 森林土壤因子的空間變異特征

各森林土壤因子的插值圖詳見圖2，各森林土壤因子的含量分級標準參照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準（表4～10）。

3.3.1 堿解氮含量的空間變異特征 山西省森林土壤堿解氮含量分布具有明顯的空間異質性，在省境內呈塊狀交錯分布格局，整體以四、五級為主（表4）。

表4 堿解氮含量分級標準

從行政區(qū)劃來看，各地市包含的堿解氮含量等級均在2個及以上。大同市的含量等級主要為四級和五級，東南部有小面積的三級分布；朔州市、太原市均呈現五級含量分布為主，四級含量次之，三級含量小面積分布的格局；呂梁市呈現以五級分布為主，四級分布次之，三級和二級少量分布的格局；臨汾市以四級和五級含量分布為主；運城市呈現以五級分布為主，一、二、三、四級少量分布的格局；陽泉市、晉中市、長治市均以四級含量分布為主，五級和三級含量次之；而忻州市由于其東西跨度大，包含了堿解氮含量的6個等級，以四級分布為主。

從等級分布上來看，山西省森林土壤堿解氮含量一級到六級均有分布，除少數含量等級零星分布外，基本均呈連續(xù)塊狀分布。其中六級的分布范圍最小，僅在忻州市西部的河曲縣有分布；四級以上主要分布在恒山、五臺山、呂梁山、太行山等主體山脈沿線的中高山地區(qū)，一二級主要集中分布在五臺山和蘆芽山的高海拔地帶，在王屋山一帶也有二級分布；五級主要分布在主體山脈以外的盆地、平原、丘陵地區(qū)。

3.3.2 全氮含量的空間變異特征 山西省森林土壤全氮含量分布具有明顯的空間異質性，在省境內呈塊狀交錯分布格局，整體以二、三級為主，全氮含量較為豐富（表5）。

表5 全氮含量分級標準

從行政區(qū)劃來看，各地市包含的全氮含量等級均在3個及以上，說明各地市區(qū)域范圍內也存在較強的異質性。大同市的含量等級主要為一級和二級，西部有小面積的三級分布；呂梁市、臨汾市均以三級含量分布為主，一、二、四級均有分布；運城市、朔州市以三級含量分布為主，一、二級也分布其中；太原市以三級含量分布為主，二級、四級分布其中；陽泉市、晉城市以一級含量分布為主，二、三級次之；晉中市、長治市以二級含量分布為主，一、三級次之；忻州市包含了4個等級，其中以一級含量分布為主。

從等級分布上來看，山西省主要森林土壤的堿解氮含量等級分布集中在一級到四級，基本均呈連續(xù)塊狀分布。其中四級的分布范圍最小，僅在忻州市、呂梁市、臨汾市、太原市有少量分布；一、二級的分布范圍最廣，從北到南、從西到東均有分布，其中一級含量分布主要集中在五臺山、恒山、蘆芽山沿線的中高山地帶以及太行山、王屋山沿線地區(qū)。

3.3.3 有機質含量的空間變異特征 山西省森林土壤有機質含量分布具有明顯的空間異質性，在省境內呈塊狀交錯分布格局，整體以三、四級為主（表6）。

表6 有機質含量分級標準

從行政區(qū)劃來看，各地市包含的有機質含量等級均在2個及以上。大同市、朔州市、呂梁市、臨汾市的含量等級主要為四級，其次是三級，另外有小面積的二級分布；太原市的含量等級主要為四級，另有小面積的三級分布；晉中市、長治市主要以二級含量分布為主，其次為一級含量分布，晉中市還有小范圍的三級含量分布；陽泉市一、二、三級含量分布差異不大；晉城市和運城市均包含4個等級，但運城市以四級含量分布為主，晉城市以二級含量分布為主；忻州市包含了一級到五級共5個等級，以三級含量分布為主。

從等級分布上來看，山西省主要森林土壤的有機質含量等級分布集中在一級到五級，基本均呈連續(xù)塊狀分布。其中五級含量的分布范圍最小，僅在忻州市、呂梁市有少量分布；一級含量分布五臺山、蘆芽山和王屋山的中高山地帶；二級含量主要圍繞在一級含量分布區(qū)周邊，另外在太行山中段、太岳山南段沿線地區(qū)也有二級含量分布。

3.3.4 pH的空間變異特征 山西省大部分地區(qū)主要森林土壤在pH 7.5～8.5之間，整體呈堿性，有部分中性和酸性土壤鑲嵌分布其中。大同市森林土壤表現為堿性；朔州市大部分地區(qū)森林土壤表現為堿性，應縣和懷仁市部分地區(qū)森林土壤在pH 7.5～8.5之間，表現為強堿性；忻州市、太原市、陽泉市、晉中市、臨汾市的森林土壤多表現為堿性，有部分表現為中性；長治市、晉城市、運城市大部分地區(qū)森林土壤表現為堿性，其次為中性，沁源縣、陽城縣、垣曲縣的小部分地區(qū)表現為酸性；呂梁市的森林土壤多表現為堿性，其次為中性，興縣、石樓縣的小部分地區(qū)森林土壤表現為強堿性（表7）。

表7 土壤pH分級標準

3.3.5 含水量的空間變異特征 山西省森林土壤含水量分布具有明顯的空間異質性，在省境內呈塊狀交錯分布格局，整體以輕旱、中旱為主（表8）。

表8 土壤含水量分級標準

從行政區(qū)劃來看，大同市表現為中旱；朔州市大部分地區(qū)表現為中旱，小面積地區(qū)表現為輕旱；忻州市、長治市、臨汾市包含了中旱、輕旱、適宜、偏濕4個等級。呂梁市、晉中市以表現輕旱為主，另有部分區(qū)域表現為中旱和適宜；太原市以表現中旱為主，西部小面積區(qū)域表現中旱和適宜；陽泉市以表現中旱為主，輕旱次之；晉城市以表現適宜為主，輕旱次之。

從干旱程度來看，大體上省境北部地區(qū)表現為中旱，南部地區(qū)表現為輕旱和適宜；西部地區(qū)表現為中旱，東部地區(qū)表現為輕旱和適宜。土壤含水量高的地區(qū)仍然集中在管涔山、呂梁市、太岳山、太行山、五臺山的中高山地帶。

3.3.6 速效磷含量的空間變異特征 山西省森林土壤速效磷含量的空間變異結構較為破碎，4個等級區(qū)域相互嵌合在一起，其中含量處于較低等級的區(qū)域，速效磷含量＜10 mg/kg，出現在山西省的北部和西北部的小塊區(qū)域。其余區(qū)域含量在10 mg/kg以上且以20～40 mg/kg為主。

表9 速效磷含量分級標準

從行政區(qū)劃來看，各地市包含的速效磷含量等級均在2個及以上。大同市含量等級以二級和三級分布為主，另有一級和四級分布；朔州市含量等級以二級分布為主，在二級分布內部有部分一級分布，在二級分布周邊有部分三級分布；忻州市含量等級以二級分布為主，另有一、三、四級分布；太原市、陽泉市、晉中市、長治市含量等級以二級分布為主，三級分布次之；呂梁市、臨汾市含量等級以二級分布為主，一級分布和三級分布鑲嵌其中；運城市、晉城市以二級分布為主，一級、三級也有分布，此區(qū)域的一級分布是全省面積最大最集中的區(qū)域。

從等級分布上來看，山西省森林土壤的有機質含量等級分布跨度為一級到四級，以二級為主，一、二、四級鑲嵌分布其中，其中四級含量分布的范圍和面積最小，僅在大同市天鎮(zhèn)縣、忻州市偏關縣部分區(qū)域有分布；二級含量分布范圍最廣。

3.3.7 全鉀含量的空間變異特征 山西省森林土壤全鉀含量分布具有明顯的空間異質性，在省境內呈塊狀交錯分布格局，全鉀含量除部分地區(qū)低于15 g/kg外，其余均在15 g/kg以上，森林土壤全鉀含量整體表現較為豐富。

表10 全鉀含量分級標準

從行政區(qū)劃來看，大同市、朔州市森林土壤全鉀含量等級主要為三級，另有部分四級分布；忻州市、呂梁市含量等級主要為三級，其次為二級，另有少部分的四級分布；運城市含量等級以二級為主，另有一級和三級分布其中，一級含量分布在垣曲縣、絳縣的部分地區(qū)，這也是省境內唯一呈現一級含量等級的區(qū)域；長治市含量等級以二級為主，三級次之；其余各地市均以三級含量分布為主，其次伴有二級含量分布。

從等級分布上來看，山西省森林土壤的有機質含量等級分布跨度為一級到四級，以三級為主，一、二、四級鑲嵌分布其中，其中一級含量分布的范圍和面積最小，二級含量更多分布在中南部地區(qū)，四級含量基本分布在西北部地區(qū)（圖2）。

圖2 山西省森林土壤因子空間分布示意圖

4 結論

森林土壤因子的的趨勢分析顯示：山西省各森林土壤因子均存在二階分布趨勢，在東—西方向上的趨勢效應更為明顯。各森林土壤因子的最優(yōu)半變異函數模型擬合結果顯示：全氮、堿解氮、pH的最優(yōu)模型為高斯函數模型；速效磷、全鉀的最優(yōu)模型為指數函數模型；有機質、含水量的最優(yōu)模型分別為三角函數模型和球面函數模型。

各森林土壤因子的空間分布圖直觀展示了其空間分布特征：整體來看，各森林土壤因子均有明顯的空間分異特征。堿解氮、全氮、有機質由于其本身具有較強的相關性，在空間分布上也有許多相似之處，含量相對較高的多集中在恒山、五臺山、呂梁山、太行山等主體山脈沿線的中高山地區(qū)，這也是山西省森林資源的集中分布區(qū)；全鉀含量整體表現較為豐富；含水量表現出明顯的東南多西北少的差異；速效磷作為一種瞬時變量，在空間分布上比較雜亂，但是仍然可以看出二級含量分布范圍最廣；pH的空間變異顯示，山西省整體森林土壤呈弱堿性，朔州市興縣、石樓縣的小部分地區(qū)森林土壤表現為強堿性，可作為鹽堿地研究典型區(qū)域。