贵州喀斯特暖性草丛土壤物理因子空间异质性分析

赵丽丽，王普昶，张锦华，宋高翔，李晨琼，陈燕萍

(1.贵州大学动物科学学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省草业研究所，贵州 贵阳 550006)

我国西南喀斯特地区是特殊地质背景制约的脆弱生态带，与黄土高原、荒漠、寒漠地区并列为我国四大生态脆弱区。喀斯特土壤具有强烈的空间异质性，土地利用方式、地貌部位和微地貌形态是影响土壤理化性质的重要因素[1]。贵州喀斯特暖性草丛作为西南喀斯特草地的重要组成部分，与其他脆弱草原区一样，持续恶化的趋势不仅制约着草原畜牧业发展，更为严重的是，草地生态系统的退化加剧了水土流失和石漠化的蔓延，直接威胁到国家生态安全[2]。

土壤空间异质性是土壤的重要属性之一[3-8]。土壤的水分、容重和孔隙度是重要的土壤物理因子。在草地土壤中这些因子的空间变化影响着草地植被的根系进而影响草地植被的生长[1,9]。研究这些因子的空间异质性，对深入了解草地植被的结构，变异规律和生长具有十分重要的意义。对土壤空间异质性的研究始于20世纪70年代，当时主要侧重于定性的描述；80年代成为土壤研究的热点，并逐渐从定性描述向定量研究转变；90年代地统计学的发展对土壤空间异质性的研究起了极大的促进作用；从此空间异质性的研究被应用到多个学科领域[3]。经典统计学由于其基本假设的限制，在研究空间异质性方面具有较多缺陷，而地统计学(geostatistics)则为空间异质性分析提供了非常重要的理论工具。研究空间异质性的地统计学方法可以解决3个基本问题：1)具有重要生物学意义区域化变量的变化范围；2)空间因素占总变异的比例；3)特定的空间格局所对应的尺度。因而，通过对土壤属性和植被属性空间异质性的研究，可以探索空间上的结构性对生态系统功能和过程的影响[7-11]。为此，本研究采用地统计学的理论和方法，定量研究草地土壤上层(0～5和15～20 cm)的水分、容重和孔隙度的空间异质性，为深入研究土壤空间异质性与草地植被格局关系和防治草原水土流失提供重要的参考。

1 材料与方法

1.1研究区概况 研究区位于黔中腹地龙里县，境内丘陵、低山、中山与河谷槽地南北相间排列，呈波状起伏。样地选择在贵州龙里县哪嗙乡谷冰村，地处26°34′26″ N和107°02′11″ E，海拔1 490 m，属于中亚热带湿润季风气候，年均气温14 ℃，年均降水量1 100 mm，年度间降水量和热量变幅不大。该区地带性植被为亚热带暖性草丛草地，建群种为白健秆(Eulaliakunth)、野古草(Arundinellahirta)、十字苔草(Carexcruciata)、荩草(Arthraxonhispidus)、朝天罐(Osbeckiaopipara)等。

1.2研究方法

1.2.1空间取样设计和分析 取样点在面积为50 m×50 m的区域内，标定x轴和y轴，按最小距离1 m的间隔随机取样30个(图1)，在每一个样点处挖一个临时剖面，在0～5 cm(代表表层土壤特征)和15～20 cm(代表草本植物根系主要分布区)处用环刀取样，同时取土样作土壤含水量分析。容重和孔隙度的测量采用环刀法，土壤含水量采用烘干法。

图1 样地土壤取样位置图

1.2.2数据分析 半方差分析:利用半方差函数分析土壤物理因子的空间异质性，不同空间位置草地土壤的水分、容重和孔隙度具有较大的差别，但是这些差别与样点的空间位置有关。土壤样品分0～5和15～20 cm层次计算每一因子的变异函数，绘制变异函数曲线图，然后建立变异函数的理论模型。试验数据采用地统计学软件GS+进行计算，其中半方差函数的计算公式采用下式：

式中,γ(h)为取样范围内间距为h的所有点的方差；Z(xi)为点xi的值；Z(xi+h)为xi与间距为h的点的值；N(h)为相距h的所有点对的数目。γ(h)是取样距离h的函数，以γ(h)为纵轴、h为横轴绘制出的γ(h)随h增加的变化曲线，为半方差图。

分形分析:将半方差图取双对数坐标就得到双对数半方差图，变量的分维(D)可用下面的公式来估计：

D=2-m/2。

式中，m为双对数半方差图的斜率，可通过对数距点的直线拟合来得到。分维是衡量一个变量的空间依赖性程度的指数，也反映了变量的小尺度变异和大尺度变异的相对重要性，D值大，说明小尺度上的变异显著；D值小，说明大尺度上的变异显著。

2 结果与分析

2.1基本统计描述 土壤含水量在0～5 cm土层为14.946%，15～20 cm土层为13.723%，而0～5 cm土层土壤水分变异小于5～20 cm土层(表1)。可以看出，0～5和15～20 cm土层的土壤含水量偏态系数均大于0，因此其频率分布属于正偏。0～5和15～20 cm土层的土壤含水量的峰值系数均小于3，因此其频率分布属于低阔峰(表1)。

土壤容重在0～5 cm土层的平均值小于15～20 cm土层，其变异系数却大于15～20 cm土层。其土壤容重偏态系数值均大于0，为正偏，峰值系数值均小于3，因此其频率分布属于低阔峰(表1)。土壤孔隙度上、下层的变化趋势和容重相反，0～5 cm土层的平均值为52.103，大于15～20 cm土层的孔隙度(48.388)，其变异系数和土壤容重变异系数也相反，是0～5 cm土层变异系数小于15～20 cm土层。偏态系数值0～5和15～20 cm土层小于0，因此其频率分布属于负偏。峰值系数值和土壤含水量、容重一致，0～5和15～20 cm土层的土壤孔隙度的峰值系数均小于3，因此其频率分布也属于低阔峰(表1)。

表1 土壤物理性质统计分析

2.2土壤物理因子的空间结构特征分析 半方差函数中的变程(A0)是描述空间异质性尺度的有效参数[11]。变程的确定可以为以后研究选样尺度提供理论依据。从空间异质性的组成分析，块金值(C0)表示随机部分的空间异质性，拱高(C)表示系统变异的空间异质性，拱高与基台值(C0+C)之比反映自相关部分的空间异质性占总空间异质性的程度[7-12]。0～5 cm土层土壤含水量结构性方差占样本方差的85.9%，说明85.9%的空间异质性由随机因素引起，主要存在于1 m小尺度内，而由空间自相关部分引起的空间异质性占14.1%，在14.22 m内(图2a)；15～20 cm土层的C/(C0+C)值为0.484，即空间异质性的随机因素为48.4%，说明自相关因素是引起其异质性的主要因素，在30.63 m内。有效变程0～5 cm土层小于15～20 cm土层(图2b)。

图2 空间分布半方差图

表2 土壤物理因子空间分布的半方差统计参数

土壤容重半方差表明(表2)，0～5 cm土层土壤容重半方差函数表现为球面模型(图2c)，结构方差占样本方差的81.1%，说明81.1%的空间异质性由随机因素引起的；土壤容重在15～20 cm土层的C/(C0+C)值为0.465，说明其空间异质性的存在主要是由空间自相关引起的，其范围存在于12.87 m内(图2d)。从半方差分析结果得知(表2)，0～5 cm土层土壤孔隙度的半方差图(图2e)和容重的非常一致，在变程10.54 m内有显著的自相关性，结构性方差占样本方差的61.5%。土壤孔隙度在15～20 cm土层的C/(C0+C)值为0.471，说明空间异质性的存在主要是由空间自相关引起的，其范围是存在于30.635 m内(图2f)。

2.3土壤物理因子的分形分析 表3是喀斯特暖性草丛草地土壤含水量、容重和孔隙度空间分布的分形分析结果。结果显示，喀斯特暖性草丛草地土壤含水量、容重和孔隙度的分维数都较大(大于或接近1.8)。其中，又以土壤容重(0～5 cm)和土壤孔隙度(0～5 cm)的分维数相对较高，土壤含水量的分维数相对较小。

表3 土壤物理因子空间分布的分形分析

3 讨论与结论

喀斯特地区作为脆弱生态区，土壤存在较强的时空变异性，标准差表示的是绝对变异，变异系数反映的是相对变异[2-3]。本研究发现土壤含水量、容重、孔隙度在0～5 cm土层变异性均大于15～20 cm土层，说明表层受到外界影响更强烈些。半方差函数是地统计学所特有的，是区域化变量在分割距离上样本空间变异的量度，空间异质性是尺度的函数。本研究结果表明，贵州暖性草丛草地土壤物理性质具有高度的空间异质性。在一定的空间范围内土壤水分、容重和孔隙度具有明显的空间自相关现象。这些因子的空间异质性尺度在0～5 cm土层中为4～15 m，在15～20 cm土层中为12～30 m。上层的土壤空间异质性小于下层。土壤物理性质随机部分的空间异质性相对较大，存在于1～14 m以下的小尺度中；下层的土壤物理性质的空间异质性主要是由空间自相关引起的，主要存在于1～30 m的中尺度范围内。这表明土壤水分、容重、毛管持水量和孔隙度在空间分布上具有明显的结构特征。

作为衡量一个变量的空间依赖性程度的指数，分维能够反映变量在小尺度和大尺度上变异的相对重要性。其大小可以用来说明是小尺度上的变异还是大尺度上的变异控制景观格局[13-14]。在本研究中，各个变量的分维都较大，这说明更小的尺度上生态学过程在各个变量要素的空间格局的形成中起控制作用。需要指出的是由于空间异质性的尺度变化特征，仅仅一个分维值往往不能给复杂的斑块结构一个全面的描述，所以需要根据其变化特点进行分段分析，得到几个不同尺度范围内的分维，能够反映空间异质性的等级斑块结构，可以对不同尺度上的空间异质性进行比较，比单一的分维值更能反映空间异质性的变化全貌。

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