張 偉，張 宏*，王亁蘊

(1．四川師范大學(xué)地理與資源科學(xué)學(xué)院，四川成都610101; 2．四川師范大學(xué)工學(xué)院，四川成都610101)

青藏高原東緣高寒草地土壤碳空間異質(zhì)性

張 偉1，張 宏1*，王亁蘊2

(1．四川師范大學(xué)地理與資源科學(xué)學(xué)院，四川成都610101; 2．四川師范大學(xué)工學(xué)院，四川成都610101)

運用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)和地統(tǒng)計學(xué)的方法，探討青藏高原東緣高寒地區(qū)典型的高寒草甸、高寒灌叢樣地中小尺度下土壤碳的空間變異特征．結(jié)果表明，研究區(qū)土壤有機碳變異系數(shù)隨著樣地尺度的增加而增大，變化范圍為13．4%～28．4%，均屬中等變異．在高寒草甸和高寒灌叢不同采樣尺度下土壤有機碳均具有良好的空間自相關(guān)性;半變異函數(shù)C0/(C0+C1)值介于57．93%～80．92%，具有中等程度空間相關(guān)性，說明區(qū)域土壤有機碳空間變異的主要原因為人為活動和微域內(nèi)變異等隨機性因素．在相同尺度下高寒灌叢群落土壤有機碳的分形維數(shù)值要小于高寒草甸群落;在研究區(qū)，隨著采樣尺度的增大，植被分布、群落蓋度等隨機因素逐漸減弱，地形起伏等結(jié)構(gòu)因素有逐漸加強趨勢．

土壤碳;地統(tǒng)計學(xué);空間變異;尺度效應(yīng)

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，其貯存的有機碳約為大氣碳庫的 2倍，植物碳庫的 3倍［1－3］，是全球碳循環(huán)的重要構(gòu)成．在全球碳收支研究中精確估算陸地碳庫對二氧化碳的吸收有著至關(guān)重要的作用［4－5］．但土壤有機碳庫量的估算在不同學(xué)者間存在較大差別，全球土壤碳庫量的估算值為1 500～2 300 Pg［3］，中國土壤有機碳庫量的估算值為50～185 Pg［6－7］，表現(xiàn)出極大的不確定性．由于資料和實驗的限制，尺度選擇和轉(zhuǎn)換是碳儲量估算差異的重要原因之一．在同一研究區(qū)域、不同空間尺度上的土壤特征變異規(guī)律存在較大差異［8－9］，在認(rèn)識尺度效應(yīng)的基礎(chǔ)上，對同一研究區(qū)土壤碳進行多尺度研究，揭示土壤碳在連續(xù)空間上的變異規(guī)律，有助于土壤碳的精確估算．

青藏高原的土壤和植被因其所處高海拔、低溫的地理環(huán)境對氣候變化極其敏感，是全球變化研究的敏感區(qū)，青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)有不同于其他生態(tài)系統(tǒng)獨特的生物地球化學(xué)過程［10］，在全球變化研究中占有特殊地位．該區(qū)域常年低溫，極大地減緩了土壤有機質(zhì)的分解速率，土壤碳儲量巨大，占全球總碳庫的2．4% ～2．6%［11］，約占全國土壤碳儲量的55．6%，是我國土壤碳密度最高的地區(qū)之一［12］．近年來，國內(nèi)外學(xué)者對該區(qū)域的土壤有機碳儲量、分布和轉(zhuǎn)化及其影響因素極為關(guān)注，已開展了大量的研究工作［13－15］，土壤碳空間變異的單一尺度和多尺度研究也均有報道［16］．本文在中小尺度下通過高密度網(wǎng)格嵌套采樣，從不同群落類型、樣地大小、采樣密度等角度探討土壤碳的空間異質(zhì)性變化，揭示青藏高原東緣高寒地區(qū)不同草地類型土壤碳的空間分布及其變異特征，有助于認(rèn)識該地區(qū)土壤碳在不同空間范圍上的變異特征，最終為大尺度的土壤碳分布和估算模型模擬和真實信息獲取提供實踐基礎(chǔ)，對評價青藏高原在全球環(huán)境變化下生物地球化學(xué)循環(huán)的響應(yīng)有重要的意義．

1 材料與方法

1．1 研究區(qū)概況 研究區(qū)位于青藏高原東緣，四川省阿壩州紅原縣境內(nèi)，區(qū)內(nèi)地勢為東南向西北傾斜，平均海拔3 600 m．氣候?qū)俅箨懶愿咴瓪夂?，氣溫日較差大，全年平均氣溫1．1℃，最熱月平均氣溫10．9℃，最冷月平均氣溫－10．3℃，全年霜凍期長;年均降雨量791．95 mm且主要集中在5～10月，年均蒸發(fā)量1 262．5 mm，降水小于蒸發(fā)，空氣干燥;日照時間長，年均日照時間2 158．7 h，太陽輻射強，太陽輻射年總量為6 194 MJ/m2．當(dāng)?shù)氐闹饕脖活愋蜑楣鄥埠筒莸?，主要的草甸類型有沼澤草甸、亞高山灌叢草甸和帶有高寒性質(zhì)的亞高山草甸．區(qū)內(nèi)土壤以沼澤土、高山草甸土和亞高山草甸土為主，其中亞高山草甸土占全縣土地總面積的55．4%［17］．

1．2 樣品采集與分析 樣地設(shè)置在紅原縣阿木柯河圍欄禁牧的瑪莫草場．草甸群落樣地(海拔: 3 521 m):群落優(yōu)勢種主要有:四川嵩草(Kobresiasetchwanesis)、絲穎針茅(StipaCapillacea)、西藏嵩草(Kobresiatibetica)、矮嵩草(Kobresiahumilis)等，群落總蓋度在 95%左右．灌叢群落樣地(海拔: 3 522 m):建群種為高山繡線菊(Spiraeaalpina)，伴生有西藏忍冬(Loniceratibetica)、金露梅(Dosiphorafruticosa)和藏沙棘(Hippophaethibetana)等，群落的總蓋度在98%左右．

野外取樣時間處于高寒草地生長旺盛期(7月下旬)．利用網(wǎng)格和大樣地套小樣地的方法在樣地內(nèi)設(shè)點采樣，高寒草甸樣地分別設(shè)置2 m×1 m (M0．1)、10 m×5 m(M0．5)和20 m×10 m(M1)3種樣地尺度，在樣地內(nèi)分別按0．1、0．5、1 m 3種采樣間距取樣，高寒灌叢樣地分別設(shè)置10 m×5 m (S0．5)、20 m×10 m(S1)和30 m×15 m(S1．5)3種樣地尺度，在樣地內(nèi)分別按0．5、1、1．5 m 3種采樣間距進行采樣，取樣深度都為0～20 cm，采集土樣共計1 200個，將土樣編號裝入布袋帶回實驗室，經(jīng)風(fēng)干、研磨，過篩，制備裝瓶備用．土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化－外加熱法測定，每個土樣3次重復(fù)．

1．3 數(shù)據(jù)處理 本文采用地統(tǒng)計學(xué)方法進行分析．在地統(tǒng)計學(xué)中，區(qū)域化變量在一定尺度上的相關(guān)程度和空間變異可以通過半方差函數(shù)的塊金值、基臺值等參數(shù)來反映．相關(guān)統(tǒng)計學(xué)的方法和原理可參考文獻［18－19］．描述性統(tǒng)計利用SPSS13．0完成，自相關(guān)分析、分形維數(shù)、模型擬合以及空間插值圖利用GS+7．0和ArcGIS9．3完成．

2 結(jié)果與分析

2．1 土壤有機碳經(jīng)典統(tǒng)計分析 從表1可以看出，研究區(qū)高寒草甸土壤有機碳含量為85．42～119．92 g/kg，高寒灌叢土壤有機碳含量為72．09～92．32g/kg，2種群落下土壤有機質(zhì)含量差異顯著，在不同植被覆蓋，不同采樣尺度下土壤有機碳變異系數(shù)在13．4%～28．4%之間，均屬中等變異(0．1＜C．V．＜1)，且變異系數(shù)隨樣地尺度的增加而增大．通過對偏度、峰度的觀察和Kolomogorov－Semirnov (K－S)檢驗，在5%的檢驗水平下，高寒灌叢和高寒草甸不同樣地尺度6組土壤有機碳測量數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布，滿足地統(tǒng)計學(xué)分析要求．

表1 青藏高原東緣高寒地區(qū)土壤碳統(tǒng)計特征值Table 1 Statistical characteristics of soil organic carbon of Alpine Area in Eastern Qinghai－Tibetan Plateau

2．2 不同采樣尺度下土壤有機碳空間自相關(guān)分析空間自相關(guān)是指同一個變量在不同空間位置上的相關(guān)性［20］．本文采用Moran’s I自相關(guān)指數(shù)分析土壤有機碳的空間自相關(guān)性隨采樣尺度的變化．研究結(jié)果顯示，土壤有機碳在不同取樣尺度下均呈現(xiàn)一定的結(jié)構(gòu)性，高寒草甸和高寒灌叢不同采樣尺度下土壤有機碳的自相關(guān)函數(shù)變化趨勢基本一致，均隨著滯后距離增大，正相關(guān)方向逐漸向負(fù)方向變化，但自相關(guān)的狀態(tài)和變化程度不同．在高寒草甸土壤有機碳Moran’sI系數(shù)波動較大，自相關(guān)范圍和自相關(guān)系數(shù)Moran’sI最大值都隨著樣地尺度的增大而增大，拐點分別出現(xiàn)在0．93、1．4、3．6 m左右，Moran’sI最大值分別為0．158、0．295、0．308;高寒灌叢土壤有機碳Moran’sI系數(shù)變化較規(guī)則，自相關(guān)范圍隨著樣地尺度的增大而增大，拐點分別出現(xiàn)在2．5、5、11 m左右，但自相關(guān)系數(shù)Moran’sI最大值卻隨著樣地尺度的增大而減小，Moran’sI最大值分別為0．464、0．438、0．233．由于高寒灌叢群落樣地具有一定的坡度，而高寒草甸群落樣地較前者地勢平坦，在相同采樣尺度下，高寒灌叢土壤有機碳自相關(guān)指標(biāo)值均大于高寒草甸，結(jié)構(gòu)性因素(地形起伏)對研究區(qū)內(nèi)的高寒灌叢土壤有機碳的空間異質(zhì)影響明顯要高于高寒草甸群落．

2．3 不同采樣尺度下土壤有機碳的空間結(jié)構(gòu)特征分析 半方差函數(shù)參數(shù)既能反映出分析對象空間相關(guān)的類型又能說明空間分布的結(jié)構(gòu)，同時能夠量化空間相關(guān)的范圍，其中，塊金值(C0)表示隨機部分引起的空間異質(zhì)性，基臺值(C0+C1)表示總的空間異質(zhì)性，隨機因素引起的變異與總變異的關(guān)系通過塊基比(C0/(C0+C1))能夠得到反映，當(dāng)塊基比較高時，表明引起空間變異的主要作用為隨機部分;當(dāng)比值較低時，則表明引起空間變異的主導(dǎo)因素為空間自相關(guān)部分．在高寒草甸樣地，采樣尺度M0．1和M0．5有機質(zhì)含量半方差函數(shù)最佳擬合模型符合球狀模型，M1符合指數(shù)模型．從表2可以看出，隨著采樣尺度的增大半方差函數(shù)的變程呈增大趨勢，而塊金值、基臺值和塊基比均隨采樣尺度增大先減小后增大，塊基比分別為64．58%、61．8%、80．92%，M0．1表現(xiàn)出各向同性，而M0．5和M1表現(xiàn)出各向異性，各向異性比分別為4．43和1．73．在高寒灌叢樣地，采樣尺度S0．5和S1．5有機質(zhì)含量半方差函數(shù)最佳擬合模型符合球狀模型，S1符合指數(shù)模型．隨著采樣尺度的增大半方差函數(shù)的變程呈增大趨勢，塊金值、基臺值也隨著采樣尺度的增大而增大，塊基比則隨采樣尺度的增大而減小，塊基比分別為68．46%、66．33%、57．93%．灌叢樣地各采樣尺度(S0．5、S1和S1．5)均表現(xiàn)出各向異性，各向異性比分別為1．8、1．68和2．26．本研究區(qū)內(nèi)的高寒灌叢和高寒草甸土壤有機碳在不同采樣尺度下塊基比值均較大，介于57．93%～80．92%，具有中等程度空間相關(guān)性，而且表明在該樣地區(qū)域內(nèi)土壤有機碳的空間變異主要是由微域內(nèi)變異和人為活動等隨機性因素引起的．

表2 不同樣地尺度的空間變異特征對比分析Table 2 Comparison of spatial varibility under different plot scales

2．4 不同采樣尺度下土壤有機碳的分形維數(shù)分析

分形維數(shù)是利用半方差函數(shù)的雙對數(shù)曲線的斜率求得的，是對空間異質(zhì)性程度的表征參數(shù)之一［21］，若空間異質(zhì)性程度越強，則分形維數(shù)的數(shù)值越小，反之則增大，當(dāng)分形維數(shù)值趨于2時，表明區(qū)域化變量基本上是空間不相關(guān)的，若等于2，可以說整個樣本是空間獨立的［21］．從表2可以看出，高寒草甸群落下土壤有機碳的分形維數(shù)值較高，均大于1．9，其中高寒草甸群落采樣尺度M0．1的分形維數(shù)值最大，達到1．97．隨著采樣尺度的增大，土壤有機碳的分形維數(shù)值在高寒草甸群落下表現(xiàn)為減小趨勢，而在高寒灌叢群落下表現(xiàn)為先減小后增大的變化;在相同尺度下的土壤有機碳的分形維數(shù)值，高寒灌叢群落均小于高寒草甸群落，說明高寒灌叢群落土壤有機碳比高寒草甸群落具有更強的空間異質(zhì)性．

2．5 不同尺度下土壤有機碳的空間插值分析 利用ArcGIS軟件中的地統(tǒng)計模塊對不同采樣尺度下的土壤有機碳分布的Kriging插值結(jié)果如圖1，圖2在高寒草甸群落中，采樣尺度M0．1下土壤有機碳分布較均勻，沒有明顯方向趨勢，在M0．5中則表現(xiàn)出明顯的方向性，土壤有機碳呈南北向條帶狀分布，其中的低值區(qū)與樣地內(nèi)的裸露斑塊的位置和延伸方向一致，在M1中表現(xiàn)出東西向的帶狀分布趨勢．在高寒灌叢群落樣地中，采樣尺度S0．5下，土壤碳含量表現(xiàn)出由灌叢下向外逐漸減少的趨勢，有明顯的“沃島”效應(yīng)，與其它地區(qū)的研究一致［22］，隨著采樣尺度的增大，插值圖逐漸掩蓋了小尺度下的變異，由于地形的影響有機碳含量呈現(xiàn)出沿坡面向下逐漸增加，在坡底聚集［23］，地形起伏在景觀尺度上控制著土壤養(yǎng)分的分布狀況，是影響土壤空間異質(zhì)性的一個重要因子［24］．

3 討論

3．1 不同植被群落對土壤有機碳的影響 在本研究區(qū)內(nèi)高寒草甸表層土壤有機碳含量為85．42～119．92 g/kg，高寒灌叢土壤有機碳含量為72．09～92．32 g/kg，2種群落下土壤有機質(zhì)含量差異顯著，高寒草甸土壤有機碳平均含量高于高寒灌叢土壤，略低于三江平原濕地土壤有機碳含量［25］，但遠高于亞熱帶濕潤區(qū)濕地和半干旱區(qū)主要草原土壤有機碳含量［26－27］，土壤有機碳的含量和分布與研究區(qū)的群落組成、蓋度、地形、水熱條件和土壤特性有一定關(guān)系［28］．高寒灌叢和高寒草甸帶所處海拔高，冷濕的氣候環(huán)境，有機質(zhì)分解率低，利于有機碳的累積．在草甸群落中，植物地下根系生物量集中于表層，且每年死亡率高，周轉(zhuǎn)速率快，利于有機碳的積累;而灌叢根系較深，地下生物量周轉(zhuǎn)速率低，使其有機質(zhì)和養(yǎng)分富集較慢．

3．2 高寒草甸群落土壤有機碳空間變異特征 高寒草甸群落土壤有機碳在不同取樣尺度下均呈現(xiàn)一定的結(jié)構(gòu)性，自相關(guān)范圍和自相關(guān)系數(shù)Moran’s I最大值都隨著樣地尺度的增大而增大，表明高寒草甸土壤有機碳含量隨著采樣尺度的增大由氣候、地形起伏等結(jié)構(gòu)性因素影響增強;隨著采樣尺度的增大半方差函數(shù)的變程呈增大趨勢，而塊金值、基臺值和塊基比均隨采樣尺度增大先減小后增大，M0．1表現(xiàn)出各向同性，而M0．5和M1表現(xiàn)出各向異性，在M0．5中土壤有機碳的方向變異與樣地內(nèi)裸露斑塊的出現(xiàn)，斑塊大小和分布方向基本一致，在M1中有機碳的主要變異方向與所處的坡向基本一致．分形維數(shù)值隨采樣尺度的增大而緩慢減小，其中高寒草甸群落采樣尺度M0．1的分形維數(shù)值最大，為1．97說明其空間異質(zhì)性較弱，趨于均質(zhì)這與前面的半方差函數(shù)分析結(jié)果一致．

3．3 高寒灌叢群落土壤有機碳空間變異特征 高寒灌叢土壤有機碳Moran’sI系數(shù)變化較規(guī)則，自相關(guān)范圍隨著樣地尺度的增大而增大，但自相關(guān)系數(shù)Moran’sI最大值卻隨著樣地尺度的增大而減小，表明高寒灌叢土壤有機碳隨著采樣尺度的增大人為活動等隨機因素影響逐漸加強．由于高寒灌叢群落樣地具有一定的坡度，而高寒草甸群落樣地較前者地勢平坦，在相同采樣尺度下，高寒灌叢土壤有機碳自相關(guān)指標(biāo)值均大于高寒草甸，結(jié)構(gòu)性因素對高寒灌叢土壤有機碳的空間異質(zhì)影響明顯要高于高寒草甸群落．在高寒灌叢樣地，隨著采樣尺度的增大半方差函數(shù)的變程、塊金值、基臺值均呈增大趨勢，塊基比則隨采樣尺度的增大而減小，空間相關(guān)性增強，這是由于隨著采樣尺度的增大灌叢叢間和叢下表現(xiàn)出來的有機碳含量分布差異［29］，逐漸被掩蓋，局部地形和地貌的影響更加突出．由于灌叢分布和局部地形的影響，灌叢樣地各采樣尺度均表現(xiàn)出各向異性，分形維數(shù)值隨采樣尺度的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，但在相同尺度下高寒灌叢群落小于高寒草甸群落，表明灌叢群落入侵草甸植被后會使土壤養(yǎng)分空間變異增大［30］．

4 結(jié)論

1)研究區(qū)內(nèi)，土壤有機碳含量較高，平均含量均高于70 g/kg，高寒草甸群落有機碳含量明顯高于高寒灌叢群落．由于采樣尺度的差異，土壤有機碳變異系數(shù)變化范圍為13．4%～28．4%，屬中等變異，空間變異隨樣地尺度的增加而增大．

2)高寒草甸群落土壤有機碳含量空間分布的自相關(guān)系數(shù)和自相關(guān)距離隨著采樣尺度的增大而增大，分形維數(shù)隨著采樣尺度的增大而減小，塊基比則隨著采樣尺度的增大先減小后增大．高寒灌叢群落土壤有機碳含量空間分布的自相關(guān)距離隨著采樣尺度的增大而增大，自相關(guān)系數(shù)和塊基比則隨著采樣尺度的增大而減小，分形維數(shù)的變化趨勢是先減小后增大．

3)在不同群落覆蓋，不同采樣尺度下，除了M0．1，其余各尺度下土壤有機碳空間分布均存在各向異性，隨著采樣尺度的增大，植被分布，群落蓋度等隨機因素逐漸減弱，地形起伏等結(jié)構(gòu)因素逐漸加強，在本研究的最大采樣尺度上土壤有機碳的含量基本沿著坡面呈水平帶狀分布，且有由上到下逐漸增強的趨勢．

致謝 四川師范大學(xué)大精設(shè)備開放項目對本文給予了資助，謹(jǐn)致謝意．

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Spatial Heterogeneity of Soil Organic Carbon of Alpine Meadow in the Eastern Qinghai-Tibet Plateau

ZHANG Wei1，ZHANG Hong1，WANG Qianyun2

(1．College of Geography and Resource Science，Sichuan Normal University，Chengdu 610101，Sichuan; 2．Technical Faculty，Sichuan Normal University，Chengdu 610101，Sichuan)

Classical statistics and geostatistics were used for the analysis of the spatial variability of soil organic carbon of alpine shrub and meadow land in the eastern Qinghai-Tibet plateau with three sampling scales．The results showed that the coefficient of variation of soil organic carbon with different sampling scales were in the range of 13．4% ～28．4%，which was a moderate variation and the spatial variability of soil organic increased with the increasing of the sample scales．There was a fine spatial autocorrelation of the soil organic carbon in the alpine meadow and shrub land．In different scales，the value of C0/(C0+C1)of the soil organic carbon was in range of 57．93% ～80．92%，which indicated a medium spatial correlation，and it was shown that the spatial variability of soil organic carbon in the sample area was mainly caused by random factors，such as micro domain variation and human activities．In the same scale，fractal dimension of soil organic carbon of alpine shrub communities was less than alpine meadow community．In the sample areas，with the increase of sampling scale，such as vegetation distribution and community coverage，the random factors gradually weakened．However，the structure factors，such as the terrain，gradually strengthened．

soil organic carbon;geostatistics;spatial variability;scale effects

S159

A

1001－8395(2016)04－0602－06

10．3969/j．issn．1001－8395．2016．04．027

(編輯 鄭月蓉)

2015－03－31

國家自然科學(xué)基金(41371125)

*通信作者簡介:張 宏(1961—)，男，教授，主要從事生態(tài)資源開發(fā)與保護等方面的研究，E－mail:zh_zhhong@sicnu．edu．cn