王 華,陳 莉,3,*,宋 敏,宋同清,曾馥平,彭晚霞,杜 虎,蘇 樑,3

1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長沙 410128 2 中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，長沙 410125 3 中國科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站，環(huán)江 547100 4 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,長沙 410128

土壤是一種形態(tài)和演化過程都十分復(fù)雜的自然綜合體,受氣候、生物、母質(zhì)、地形、成土?xí)r間等成土因素的影響,具有復(fù)雜性和時空變異性[1]。即使在土壤類型和質(zhì)地相同的區(qū)域內(nèi),同一時刻土壤特性在空間上也有明顯的差異[2]。土壤養(yǎng)分是土壤提供的植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素,是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ),也是土地評價和管理的重要指標(biāo)之一。由于受到自然因素和人為因素的共同作用,土壤養(yǎng)分也具有高度的空間變異性[3- 6]。土壤P、K不僅是植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素,也是影響區(qū)域水體生態(tài)環(huán)境的重要屬性,因此,研究其時空變異對喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和重建等具有重要的理論與現(xiàn)實指導(dǎo)意義,以實現(xiàn)喀斯特地區(qū)的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會的和諧和可持續(xù)發(fā)展[7]。

一些學(xué)者[8- 9]利用土壤學(xué)家Fisher所創(chuàng)立的傳統(tǒng)統(tǒng)計方法對土壤性狀的空間分布進(jìn)行了定量描述,但由于此方法要求樣本的取值相互獨立,給土壤空間變異的研究帶來了很大的局限性。20世紀(jì)60年代Matheron創(chuàng)立了地統(tǒng)計學(xué)理論[10],為土壤空間變異性研究提供了有效的方法,掀起了國外學(xué)者對土壤空間變異性研究的熱潮[11- 13]。目前,土壤空間變異性研究已成為土壤科學(xué)的重要研究內(nèi)容和熱點[14- 16]。如：Corss和Schlesinger[17]認(rèn)為小尺度上的土壤異質(zhì)性分布與群落優(yōu)勢種分布一致；Farlely等[18]在研究闊葉林地時發(fā)現(xiàn),在20 cm小尺度上,土壤的養(yǎng)分含量差異非常大,同時也有研究表明[19- 21]土層深度對森林土壤養(yǎng)分含量的影響差異顯著,且隨著土層的加深土壤有機質(zhì)和速效鉀的含量降低；宋同清等[22]認(rèn)為中小尺度上微生境土壤理化特性等因素可能是推動植物群落結(jié)構(gòu)變化的主力軍。有關(guān)土壤養(yǎng)分空間分布的研究頗多,但國內(nèi)外的研究多數(shù)集中在小尺度、單因素[23- 25],而在較大尺度上的喀斯特土壤養(yǎng)分空間分布研究較少[26- 38]?？λ固氐貐^(qū)人口密度高、增長速度快、可利用土地少、生產(chǎn)方式落后等不利因素使得該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)承受壓力大,水土流失嚴(yán)重,基巖裸露率高,最終導(dǎo)致愈來愈嚴(yán)重的石漠化現(xiàn)象。本文以廣西木論國家級自然保護(hù)區(qū)典型森林(常綠落葉闊葉混交林)土壤為研究對象,應(yīng)用經(jīng)典統(tǒng)計和地統(tǒng)計法學(xué)方法分析了該森林土壤磷鉀養(yǎng)分TP、TK、AP、AK的空間格局、相關(guān)性與變異性等特征；同時,通過Pearson相關(guān)性分析該區(qū)域內(nèi)坡度、坡向、土層深度等環(huán)境因子對土壤養(yǎng)分分布的影響,旨在為喀斯特地區(qū)的土壤養(yǎng)分庫的評價、生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)研究提供理論支持。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西環(huán)江毛南族自治縣西北部木論國家級自然保護(hù)區(qū)25°07′01″—25°12′22″N,107°54′01″—108°05′51″E,南緣云貴高原,北連貴州茂蘭國家級自然保護(hù)區(qū),總面積8969 hm2,海拔400—1000 m。該區(qū)域為中亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫15—18.7℃,最冷月(1月)平均氣溫3.4—8.7℃,最熱月(7月)平均氣溫23—26.7℃,≥10℃,年積溫4700—6300℃；年降雨量1530—1820 mm,集中于4—8月,年平均相對濕度為80%—90%,無霜期235—290 d,氣候溫暖,雨量充沛。土壤主要為石灰土和零星分布的硅質(zhì)土,河流及水時空分布不均,地域性來水差異大。研究區(qū)植被為中亞熱帶石灰?guī)r常綠落葉闊葉混交林,屬隱域性喀斯特森林植被頂極群落類型,是目前世界上同緯度地區(qū)殘存下來的僅有的、原生性強、相對穩(wěn)定的喀斯特森林生態(tài)系統(tǒng),也是喀斯特區(qū)原生性森林分布面積最大的區(qū)域。植被成層現(xiàn)象比較明顯。

1.2 樣品采集與分析

圖1 木論樣地地形圖Fig.1 The contour map of the 25 hm2 Mulun forest plot

通過勘測,于2014年3月在研究區(qū)內(nèi)設(shè)置一塊500 m×500 m的大樣地,作為長期監(jiān)測樣地(圖1)。參照CTFS標(biāo)準(zhǔn)采用規(guī)則網(wǎng)格法(20 m×20 m)進(jìn)行樣點布置,用全站儀和GPS基站相結(jié)合的測量方法設(shè)置和劃分樣地,參考木論自然保護(hù)區(qū)的森林狀況和植被、地形分布狀況,共設(shè)置625個小樣方,樣方4個角用水泥樁作永久標(biāo)記。在每個20 m×20 m樣方內(nèi),按照其中心點半徑2 m范圍內(nèi)五點取樣法,用直徑5 cm的土鉆取表層(0—10 cm)土壤5個混合成一個樣品,代表該樣點樣本。同時記錄各樣方坡向、坡位、海拔、土層厚度等相關(guān)立地因子。將所有混合土樣帶回實驗室風(fēng)干、過篩,以備分析測定全磷(TP)、全鉀(TK)、速效磷(AP)、速效鉀(AK)。坡向視為坡度方向或山體所面對的羅盤方向,以度為單位按逆時針方向進(jìn)行測量。巖石裸露率以樣點周圍2米范圍內(nèi)巖石出露的面積估算。凹凸度為樣方的海拔減去該樣方相鄰的8個樣方海拔的平均值。全磷(TP)的測定采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗顯色—紫外分光光度法；全鉀(TK)的測定采用氫氧化鈉熔融—火焰原子吸收分光光度法；速效磷(AP)的測定采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗顯色—紫外分光光度法；速效鉀(AK)的測定采用乙酸銨浸提—火焰原子吸收分光光度法[29]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 18.0(統(tǒng)計分析與檢驗、Pearson相關(guān)性)、Minitab 16(Box-Cox法)、GS+(地統(tǒng)計分析)、ArcGIS 9.3(克里格插值圖)等軟件,采用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)和地統(tǒng)計學(xué)方法對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

1.3.1 半方差函數(shù)分析

半方差函數(shù)是地統(tǒng)計學(xué)研究中特有的基本工具,用來描述屬性變量在空間上的差異程度,它是距離的函數(shù),也是應(yīng)用最廣泛的空間格局描述工具,其公式如下:

(1)

式中,γ(h)為半方差函數(shù)值；h為兩樣本點的空間距離；N(h)為間距等于h的點對數(shù)；Z(xi)為區(qū)域化變量Z在位置xi的實測值；Z(xi+h)為與xi距離為h處樣點的值。一般認(rèn)為半方差函數(shù)只有在最大間隔的l/2內(nèi)才有意義。塊金值 (C0)、基臺值(C0+C)和變程(A)為半方差分析的重要參數(shù),塊金值與基臺值的比值用來表示空間變異程度,一般認(rèn)為塊基比C0/(C0+C)<25%時,空間變量為強烈的空間自相關(guān),在25%—75%之間時,為中等空間自相關(guān),>75%為弱空間自相關(guān)。本研究中所有半方差函數(shù)的有效滯后距均設(shè)為最大滯后距的1/2,采用指數(shù)模型進(jìn)行擬合。

1.3.2 克里格插值

克里格插值是建立在半方差函數(shù)理論的基礎(chǔ)上,在一定區(qū)域內(nèi)對變量的取值進(jìn)行無偏最優(yōu)估計的一種方法,也是最簡單、應(yīng)用最廣泛的一種插值方法。在普通克里格插值中,對于任意待估點(塊段)x0的實際值Z(x0),其估計值 Z#(x0)通過該待估點(塊段)周圍的n個有效樣點Z(xi)的線性組合得到。

(2)

式中,λi為權(quán)重系數(shù)。在滿足無偏條件下,要使預(yù)測值的估計方差最小,即:

σ2=Var[Z(x0)-Z#(x0)]=min

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤磷鉀養(yǎng)分經(jīng)典統(tǒng)計描述

采用樣本均值±3倍標(biāo)準(zhǔn)差來識別特異值,在此區(qū)間外的數(shù)據(jù)均定為特異值,分別用最大和最小值代替,后續(xù)計算均采用處理后的原始數(shù)據(jù)。由表1可知,土壤中TP、TK、AP、AK的含量分別為(1.60±0.76) g/kg、(5.42±2.74) g/kg、(5.74±3.63) mg/kg、(5.20±2.96) mg/kg。從變異系數(shù)看,土壤磷鉀養(yǎng)分的變異系數(shù)范圍為47.66%—63.22%,均屬中等變異水平。其中變異系數(shù)最大的指標(biāo)為AP,為63.22%。通過對偏度、峰度的觀測以及采用 K-S 法對4種土壤磷鉀養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行非參數(shù)檢驗,在5%的檢驗水平下,結(jié)果均不符合正態(tài)分布。用Box-Cox法對不符合的樣本進(jìn)行轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)再進(jìn)行單樣本Kolmogorov-Smirnov檢驗,結(jié)果表明均符合正態(tài)分布。

表1 土壤磷鉀養(yǎng)分含量的描述性統(tǒng)計分析及正態(tài)分布檢驗

*表示經(jīng)Box-cox轉(zhuǎn)換后為正態(tài)分布

2.2 土壤磷鉀養(yǎng)分空間自相關(guān)分析

Moran′sI的數(shù)值大小反應(yīng)了土壤養(yǎng)分指標(biāo)的空間自相關(guān)性大小。由圖2可以看出,研究區(qū)土壤磷鉀養(yǎng)分呈現(xiàn)出一定的結(jié)構(gòu)性,TP與AP之間具有相似的空間結(jié)構(gòu)。AP的Moran′sI系數(shù)在-0.124—0.497之間,I系數(shù)達(dá)0.497,表明相對于其他養(yǎng)分指標(biāo),AP的對空間的依賴程度較大；TP、TK、AK的Moran′sI在-0.043—0.313之間；各養(yǎng)分空間自相關(guān)的排序大小為：AP>TP>AK>TK。所有養(yǎng)分指標(biāo)的Moran′sI系數(shù)均隨著滯后距的增大而減小,在220 m左右出現(xiàn)拐點,Moran′sI下降為負(fù)相關(guān)并趨于平緩,說明在該研究區(qū)220 m范圍內(nèi)森林原生性較好。

圖2 研究區(qū)土壤磷鉀養(yǎng)分空間相關(guān)圖Fig.2 Spatial correlation diagram of soil phosphorus and potassium nutrients in the study area

2.3 土壤磷鉀養(yǎng)分半方差函數(shù)

土壤特性空間異質(zhì)性的經(jīng)典統(tǒng)計分析中將土壤特性看作隨機的、彼此相互獨立的。然而實際中,在一定的空間范圍內(nèi),土壤性狀存在一定的空間依賴性。由表2和圖3可看出,研究區(qū)土壤磷鉀養(yǎng)分TP、TK、AP、AK變異函數(shù)值的最佳擬合模型均為指數(shù)模型,決定系數(shù)R2均很高,在0.671—0.995之間,能很好地反映土壤磷鉀養(yǎng)分的空間結(jié)構(gòu)特征。研究區(qū)各土壤磷鉀養(yǎng)分指標(biāo)的塊金值/基臺值C0/(C0+C)依次為TK>AK>AP>TP,其中TP、AP塊金值/基臺值C0/(C0+C) 為50.4%、64.4%,空間自相關(guān)中等,主要受結(jié)構(gòu)因子影響；TK、AK塊金值/基臺值分別為88.4%、86.6%,為弱空間自相關(guān)。變程反映土壤性狀的有效空間自相關(guān)距離,研究區(qū)TP、AP的變程分別為336.00、373.50 m,表明空間連續(xù)性較好；TK、AK的變程在33.30—64.50 m之間,空間依賴性較強。

表2 研究區(qū)土壤磷鉀養(yǎng)分半方差函數(shù)模型類型及參數(shù)

圖3 研究區(qū)土壤磷鉀養(yǎng)分半方差函數(shù)Fig.3 Semivariogram of soil phosphorus and potassium nutrientsin the study area

2.4 土壤磷鉀養(yǎng)分空間分布格局

為了能更直觀地反映研究區(qū)土壤參數(shù)的空間分布特征,根據(jù)半方差函數(shù)模型Arc GIS 9.2 軟件進(jìn)行Kriging 插值分析,分別繪制全磷(TP)、全鉀(TK)、速效磷(AP)、速效鉀(AK)4種土壤養(yǎng)分的空間分布圖(圖4)。從圖中可看出,研究區(qū)土壤養(yǎng)分TP表現(xiàn)為坡下(含洼地)含量高,坡上含量較低,在偏西北方向出現(xiàn)最大值；AK表現(xiàn)為中坡含量高于洼地含量；AP呈斑塊狀分布,規(guī)律性不強,樣地正北方向出現(xiàn)最大值；TK斑塊破碎化程度較高。

圖4 土壤磷鉀養(yǎng)分空間分布圖-克里格插值圖Fig.4 Spatial distribution diagram of soil phosphorus and potassium nutrients—Kriging maps

2.5 土壤磷鉀養(yǎng)分空間變異的影響因素

經(jīng)過Pearson相關(guān)性分析計算4個土壤磷鉀養(yǎng)分指標(biāo)的相關(guān)性矩陣(表3),可以看出研究區(qū)4種養(yǎng)分指標(biāo)TP、TK、AP、AK均與海拔呈負(fù)相關(guān),其中TP、TK、AP與海拔呈極顯著負(fù)相關(guān)；各指標(biāo)與坡向和地面凹凸度均為負(fù)相關(guān),其中坡向與TP呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,地面凹凸度與TP、TK呈極顯著負(fù)相關(guān)；土層深度與AK呈極顯著負(fù)相關(guān)；巖石裸露率與AP呈顯著負(fù)相關(guān),與TP、TK、AK呈正相關(guān)關(guān)系；坡度與TP、AP呈極顯著負(fù)相關(guān)。說明土壤磷鉀養(yǎng)分主要受海拔、坡度、地面凹凸度的影響。海拔較低、坡度較緩的點,土壤磷鉀養(yǎng)分的含量也較高。

表3 土壤磷鉀養(yǎng)分與環(huán)境因子Pearson相關(guān)性分析

**.在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān),*.在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

3 討論

研究區(qū)位于木論自然保護(hù)區(qū)緩沖帶內(nèi),為一典型的峰叢洼地單元,森林保存完好、人為干擾少、植被多樣性高、地形地貌復(fù)雜多變、微生境豐富[7]。經(jīng)典描述性統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),研究區(qū)土壤各磷鉀養(yǎng)分指標(biāo)差異較大,這可能與喀斯特地區(qū)土壤的高異質(zhì)性及營養(yǎng)元素的淋溶特征密切相關(guān)?？λ固爻＞G落葉闊葉林土壤磷鉀養(yǎng)分變異系數(shù)在47.66%—63.22%之間,均為中等變異；TP、TK、AP、AK養(yǎng)分含量的變化范圍與劉璐等[30]的研究結(jié)果相符,即原生性較好的喀斯特森林的養(yǎng)分水平皆呈現(xiàn)出較高的水平,同時也與自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的生態(tài)結(jié)構(gòu)功能和保護(hù)區(qū)的頂極群落優(yōu)勢密切相關(guān)。研究區(qū)常綠落葉闊葉混交林土壤因子的基本特征與其他亞熱帶森林有所不同。與浙江常綠闊葉林土壤相比[31],本研究區(qū)土壤TP含量均值高于浙江常綠闊葉林水平；與鄂西南亞熱帶常綠落葉闊葉混交林相比[32],研究區(qū)土壤TP、AP較高,AK較低。

基于前期對喀斯特土壤主要養(yǎng)分和水分的空間異質(zhì)性研究[33- 36],進(jìn)一步對喀斯特常綠落葉闊葉混交林土壤磷鉀養(yǎng)分含量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),研究區(qū)土壤磷鉀養(yǎng)分呈現(xiàn)出一定的結(jié)構(gòu)性,所有養(yǎng)分指標(biāo)的Moran′sI系數(shù)均隨著滯后距的增大而減小。研究區(qū)TP、TK、AP、AK變異函數(shù)值的最佳擬合模型均為指數(shù)模型,對土壤空間變異具有極高的擬合度,表明研究區(qū)土壤具有良好的空間結(jié)構(gòu)。土壤性狀的空間異質(zhì)性是結(jié)構(gòu)因子和隨機因子共同作用的結(jié)果。影響土壤空間變異的結(jié)構(gòu)因素為母質(zhì)、氣候、地形等自然地理要素,隨機因素則為取樣設(shè)計、測定誤差與干擾等人為原因?？λ固爻＞G落葉闊葉林土壤TP、AP呈空間自相關(guān)中等,說明其變異是由結(jié)構(gòu)性變異(環(huán)境因子等)和隨機因素共同引起的；TK、AK為弱空間自相關(guān),說明隨機因素對這兩項土壤養(yǎng)分指標(biāo)空間分布的的影響較大, 可能與干擾、試驗誤差有關(guān)。研究區(qū)TP、AP的變程較高,空間連續(xù)性較好；TK、AK空間依賴性較強。與湖北[32]及浙江常綠落葉闊葉混交林[37]的同類研究相比具有相同點與不同點：相同點在于均發(fā)現(xiàn)土壤AP的變異系數(shù)相對其他因子較高,這表明相比其他養(yǎng)分指標(biāo),土壤AP易受其他因素影響；不同點在于本文發(fā)現(xiàn)土壤AP的半方差變程最大,而湖北與浙江同類森林中土壤AP較其他因子的半方差擬合的變程相對較小,這可能與喀斯特生態(tài)系統(tǒng)具有獨特的二元水文結(jié)構(gòu)及復(fù)雜的微生境有關(guān),生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能對土壤空間分布格局產(chǎn)生重要影響。

空間異質(zhì)性導(dǎo)致空間格局的存在,Kriging 等值線圖能更深刻、全面和直觀地反映土壤磷鉀的空間分布。研究區(qū)土壤TP表現(xiàn)為坡下(含洼地)含量高,坡上含量較低,這是由于土壤中的P主要來源于基巖的風(fēng)化,并通過植物的表聚作用在表層土壤積累,因而凋落物P是表層土壤P的直接來源[38-39]；潘復(fù)靜等[40]研究表明,在峰叢洼地,凋落物P沿坡面具有明顯的空間分異規(guī)律,隨坡位的升高而降低,這也是本研究土壤TP坡上含量較低的主要原因。AP、TK呈斑塊破碎化,這可能與土壤的淋溶特征有關(guān)。由于土壤養(yǎng)分受多種因子的綜合作用,不同養(yǎng)分的破碎化程度不一樣,還需進(jìn)一步分析地形因子在土壤養(yǎng)分變化中的作用,以便對土壤養(yǎng)分空間格局機理進(jìn)行合理的解釋。

環(huán)境因子對喀斯特森林土壤磷鉀養(yǎng)分空間分布特征和變異規(guī)律起著非常重要的作用[41]。研究區(qū)TP、TK、AP、AK均與海拔、坡向和地面凹凸度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；AK與土層深度極顯著負(fù)相關(guān)；TP、AK與坡度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；巖石裸露率與AP負(fù)相關(guān)。海拔、坡度和地面凹凸度對土壤磷鉀養(yǎng)分的影響最大,說明海拔越高、坡度越陡的點,土壤磷鉀養(yǎng)分的含量較低。這可能是由于淋溶作用強烈、植物的表聚作用以及凋落物相關(guān)。

以貴州為中心連帶成片的中國西南喀斯特地區(qū)(世界三大巖溶地區(qū)之一)受地球內(nèi)動力、強烈的地質(zhì)運動、高溫多雨且分布不均、碳酸鹽巖溶蝕性強、水文二維結(jié)構(gòu)明顯以及其適生植物具有嗜鈣性、耐旱性和石生性等限制特點的綜合影響,生境和植被具有高度異質(zhì)性,生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性差,退化容易恢復(fù)難[42]。土壤特性空間變異研究可為土壤質(zhì)量的恢復(fù)與改善,喀斯特脆弱生態(tài)系統(tǒng)植被的迅速恢復(fù)和生態(tài)重建提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

(1)喀斯特常綠落葉闊葉混交林土壤各磷鉀養(yǎng)分含量順序依次為AP>TK>AK>TP,變異程度均為中等變異。

(2)各磷鉀養(yǎng)分變異函數(shù)值的最佳擬合模型均為指數(shù)模型,決定系數(shù)均很高；TP、AP空間自相關(guān)中等,TK、AK為弱空間自相關(guān)。

(3)土壤TP表現(xiàn)為坡下(含洼地)含量高,坡上含量較低；AK表現(xiàn)為中坡含量高于洼地含量；AP、TK呈斑塊破碎化分布。

(4)海拔、坡度和地面凹凸度是影響各土壤磷鉀養(yǎng)分分布的主要因子。

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