内蒙古草原土壤物理因子空间异质性分析

内蒙古草原土壤物理因子空间异质性分析 方 彪 ，王利兵 ，刘 鹏 ， ，王普7i t 2 ( 1 内蒙古自治区水土保持监测站， 0 1 0 0 2 0 ， 呼和浩特; 2内蒙古农业大学生态环境学院， 0 1 0 0 1 9 ， 呼和浩特) 摘 要土壤空间异质性是土壤的重要属性之一。 采用地统计学的理论和方法研究了内蒙古草原土壤物理因子的空间 异质性。 变异函数分析结果表明，土壤水分、容重和孔隙度具有明显的空间异质性。在 0 -5 c m土层深， 空间异质性 尺度为 1 2 -4 1 m ; 1 5 2 0 c m土层深， 空间异质性尺度为 1 2 -1 6 m ;空间异质性程度随尺度变化。上层的土壤空间 异质性小于下层。 上层土壤空隙度的空间异质性以空间自 相关部分为主，占总空间异质性的 6 8 . 0 ， 而土壤含水量 和容重随机部分的空间异质性相对较大:下层的土壤物理性质的空间异质性全部是由空间自 相关引起的。 关键词内蒙古草原;土壤物理因子;空间异质性;变异函数 空间异质性对生态系统的功能和过程有重要的影响， 空间异质性的改变反映生态学功能和过程 的 变化 1 - 4 1 。 土壤的 形成过 程中， 由 于不同 地区 在气候、 母岩、 地形、 植被和动物等方面的 不同， 造 成了各种土壤类型，导致土壤性质存在明显的差异。即使是同一土壤类型，不同的时间和不同的空 间上土壤的某些性质仍然不同。在进行土壤调查时，同一土壤类型上不同的空间位置取样所测定的 土壤养分和水分等因子常常具有较大的差别，除去取样和测定过程中的误差外，还存在着土壤本身 的变化， 这种变化称为土壤空间 异质性或空间 变异性5 1 。 土壤空间 异质性是土壤重要的 属性之一。 在不同的尺度上研究土壤的空间异质性，不但对了解土壤的形成过程、结构和功能具有重要的理论 意义 6 1 ， 而且 对了 解植物与土壤的 关系也具 有重要的 参考价值。 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。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意义。为此，本文采用地统计学的理论和方法，定量研究草地土 壤上层 ( 0 -5 c m和 1 5 -2 0 c m)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 研究区概况与研究方法 1 . 1研究区概况 样地位于内蒙古锡林郭勒盟南部正蓝旗北部，北纬4 2 0 2 7 ，东经 1 1 5 0 5 1 。属温带大陆性 气候，年平均降水量 3 6 0 m m左右，年平均温度 1 .5 C，年平均风速4 . 3 -4 .7 m / s 。天然植被为典型草 原植 被类型， 主要有 大针茅( S t ip a g r a n d is ) 、 冷篙 ( A r t e m i s i a f r ig i d a ) 、 冰草( A g r o p y r o n c r is t a t u m ) 、 糙 隐子草 ( C l e is t o g e n e s s q u a r r o s a ) 、 扁稽豆( M e l i l o t o i d e s r u t h e n i c a ) 和野韭 ( A l l i u m r a m o s u m ) 为主， 盖度 为2 5 %左右。 1 . 2研究方法 1 . 2 . 1空间取样设计和分析 取样点设在浑善达克沙地南缘的桑根达赖镇哈登胡硕夏营地，2 0 7国 道1 8 3 k m处往东l k m处，在面积为2 0 m X 2 0 m的区域内，标定X轴和Y轴，按最小距离l m的间 隔进行随机取样3 0 个( 见图1 ) ， 在每一个样点处挖一个临时剖面在0 -5 c m和 1 5 -2 0 c m处用环刀取 样，同 时 取土样做土壤含水 量分析。 容重和空隙 度的 测量采用环刀法， 土壤含水 量采用烘干法7 7 1 . 2 . 2数据分析 利用半方差函数分析土壤物理因子的空间异质性，不同空间位置的草地土壤的水 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。由3 0个土壤样品的分析 数据， 分0 -5 c m 和1 5 -2 0 c m 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。 并通过半方差函数的主要参数， 如块金方差C o ( N u g g e t v a r i a n c e ) 、 基台值C o + C ( S i 1 1 ) 1 变程 a ( R a n g e ) 、分形维数 D ( F r a c t a l d i m e n s i o n ) 和块金值与基台值的比 值 析空间异质性程度、 组成、 尺度与格局的特征和空间变 化规律。实验数据采用地统计学软件 G S +5 . 1进行计 算，其中半方差函数的计算公式采用下式:2 0 1 8今 C O / c o + c等定量分 今 卜UJ往1 刁.1闷.1 y ( h ) = 1 2 N ( h ) 艺 Z ( x ; ) 一 Z ( x ; + h ) 2 (NI的丫一挥卜 式中:袱h ) 为取样范围内间 距为h 的 所有点的 方 差;Z ( x ; ) 为 点x , 的 值;Z ( x ; + h ) 为x ; 与 间 距为h 的 点的 值; N ( h ) 为 相距h 的 所有点 对的 数目 。 y ( h ) 是 取 样 距离h 的函 数， 以y ( h ) 为 纵 轴、 h 为 横 轴绘 制出 的、 y ( h ) 随h 增加的 变化曲 线， 为 半 方差图 6 ,8 ,9 1 1 2 1 0 8 6 今今 卜今令 ; J改工Q乙nU 2 结果与分析 二 二 今 轴 00公n 众U 月性 O山 八曰 2 . 1 土壤含水量的空间结构分析 今 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 ( W 一 E ) 表 1 是草地土壤水分统计特征分析表。 其中， 标准 差表示的是绝对变异， 变异系数反映的是相对变异。土壤含水量在0 一图1 样 地 土 壤 取 样 位置 图 于 1 5 - 2 0 c m层为1 0 .4 4 %的含水量，而0 - 5 c m层土壤水分变异小于 1 5 - 2 0 c m层。由偏态系数可以看 出，0 - 5 c m层的土壤含水量偏态系数小于0 ，因此其频率分布属于负偏，而 1 5 - 2 0 c m层大于0 ，为 正偏。由峰值系数值可以看出， 0 - 5 c m层和 1 5 - 2 0 c m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。 从空间异质性的组成分析， 块金值( C O ) 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( C o + 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。表 2的结果表明，0 - 5 c m层土壤含水量结构性方差占样本方差的6 6 . 3 ，说明“. 3 %的空间 异质性由随机因素引起的， 主要存在于l m小尺度内， 而由空间自 相关部分引起的空间异质性占3 3 .7 %， 存在于4 1 .0 0 m范围内;1 5 - 2 0 c m层的。 IC o + C值为0 ， 说明空间 异质性的随机因素为0 ， 它们 全部是由自 相关因素引起的， 其范围是存在于1 5 .7 1 m内。 有效变程0 - 5 c m层大于1 5 - 2 0 c m层( 图2 ) 0 表1土壤含水量的基本统计分析 取样深度 平均值 X M 标准差 S d方差 S v变异系数C v 偏态系数S k 峰值系数 Ku 0 - 5 c m 1 2 . 6 9 8 32 . 2 21 0 4 . 9 3 2 90 . 1 7 4 9 - 0 . 1 6- 0. 1 2 1 5 - 20 c m 1 0 . 4 4 9 72 . 1 1 8 6 4 . 4 8 8 5 0 . 2 0 2 70 . 810 . 4 2 注:0 5 c m 层表土，1 5 -2 0 c m 土层深度 ( 下同)。 表2土壤含水量空间分布的半方差统计参数 取样深度模型 球面模 型 线性模 型 C o + CC / C o + C RS S 0 - 5 c m2 . 9 4 0 08 . 7 2 9 041 . 0 0 0 00 . 6 6 30 . 6 8 93 . 6 2 1 5 20 c m4 . 3 9 0 34 . 3 9 0 31 5 . 71 1 54. 科 0口 口 口 一一卜一十一叶一一卜一十一叫一 0 , 0 0 4 . 6 1 9 .2 3 1 3 . 8 4 1 8 .4 5 S e p a r a 加 n D is t a n c e 9 . 2 3 1 3 . 8 4 S e p a r a t io n D is t a n c e 图2土壤含水量空间分布半方差图 2 . 2 土壤容重的空间结构分析 表3 反映出在0 - 5 c m层土壤容重的平均值小于1 5 - 2 0 c m层，其变异系数也小于 1 5 - 2 0 c m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。 土壤 容重半方差表明，0 - 5 c m层土壤容重半方差函数表现为球面模型 ( 图 3 ) ，结构方差占样本方差 的8 8 .7 ，说明8 8 . 7 %的空间异质性由随机因 素引 起的，决定系数达到了0 . 8 1 4 ( 表4 ) ; 土壤容重在 1 5 - 2 0 c m层的C / C o + C 值还为0 ， 说明空间异质性的存在全部是由空间自 相关引起的， 其范围是存在 于 1 5 .7 1 m内。 表3土壤容重的基本统计分析 取样深度 (cm ) 平均值 X M 1 . 1 6 8 1 1 . 3 01 4 标准差S d方差S v变异系数C v 偏态系数S k 峰 值 系 数 Ku 0n 弓J飞 27) 2飞 : 01 0 - 5 1 5 - 2 0 0 . 0 8 0 6 0 . 0 9 6 0 0 . 0 0 6 5 0 . 0 0 9 2 0 . 0 6 9 0 0 . 0 7 3 8 0 . 4 7 1 . 21 表4土壤容重空间分布的半方差统计参数 取样 深度 (cm ) C o + C a C / C o + C RS S 0- 5 模 型 球面模 型 线性模 0 . 0 0 1 70 . 01 4 7 41 . 0 0 0 00 . 8 8 70 . 8 1 49 . 2 7 5 E- 0 6 0 . 0 0 8 50 . 0 0 8 5 1 5 . 7 1 1 50 . 0 0 24 . 0 4 4 E- 0 5 2 0型 2 . 3 土壤空隙度的空间结构分析 表 5 反映出空隙度上下层的变化趋势和容重相反， 0 -5 c m层的平均值为5 7 .4 0 %，大于 1 5 2 0 c m层的空隙度 ( 5 0 . 8 9 %) ，其变异系数和土壤含水量、容重一致，也是0 -5 c m层变异系数小于 1 5 .2 0 c m层。偏态系数值0 - v 5 c m层大于0 ，因此其频率分布属于正偏， 而 1 5 -2 0 c m层小于0 ，为 负偏。峰值系数值也和土壤含水量、容重一致， 0 -5 c m层和 1 5 -2 0 c m层的土壤空隙度的峰值系 数均小于3 ，因此其频率分布也属于低阔峰。 从半方差分析结果得知 ( 表2 ) , 0 -5 c m层土壤空隙度 的半方差图和容重的非常一致，在变程 1 2 . 1 4 m内有显著的自 相关性，结构性方差占样本方差的 3 2 . 0( 表6 ) 。 土壤空隙度在1 5 -2 0 c m层的 % C o + C 值仍为0 ， 说明空间异质性的存在全部是由空 间自 相关引起的，其范围是存在于1 2 . 2 6 m内。( 图4 ) 0 下口生厂土土生 0 0 1 0 0. 0 07 9 . 2 3 1 3 . 8 4 S e p a ra t io n D i s t a n c e 图 3 t 0. 0 0 0 9 - - 1 84 5 0 . 0 0 9. 2 3 1 3. 8 4 S e p a ra t io n D i s t a n c e 沙。 土壤容重空间分布半方差图 表5土壤空隙度的基本统计分析 取样深度平 (Cm ) 均值 X( %) 标准差 S d方差 S v变异系数 C v 偏态系数S k 峰 值 系 数 Ku 0 -5 1 5 -2 0 5 7 . 4 0 3 9 5 0 . 8 91 3 2 . 3 6 1 6 3 . 6 2 3 0 5 . 5 7 7 2 1 3 . 1 2 61 0 . 0 41 1 0 . 0 71 2 1 8 - 0 . 1 6 3 0 . 2 1 1 . 3 7 3 0 表6土壤空隙度空间分布的半方差统计参数 取样深度 (Cm ) 模型 C o + CC / C O + C 双 S S 0 - 5 球面 模型 线性 模型 4 . 4 3 8 06 . 5 2 311 2 . 1 41 90 . 3 2 00 . 1 6 77 . 9 3 1 5 - 2 0 1 2 . 2 3 6 81 2 . 2 3 6 81 2 . 2 5 8 50 . 0 5 35 0. 7 1 日O F口 口口 口口 山门U闰之UJ山5 7 . 3 1 1 0 . 9 7 S e p a r a t io n D is t a n c e 一 寸 一 一0 0 - 1 4. 6 2 00 0 7 . 31 1 0. 9 7 S e p a r a t io n Dis t a n c e 图4土壤空隙度空间分布半方差图 3 结 论 ( 1 )内蒙古典型草原土壤物理性质具有高度的空间异质性。 变异函数分析结果表明， 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 c m土层中为1 2 -4 1 m左右， 在1 5 -2 0 c m土层中为1 2 -1 6 m左右。 上层的土壤空间异质性小于下层。 ( 2 )内蒙古典型草原上层土壤空隙度的空间异质性以空间自相关部分为主， 占总空间异质性的 6 8 .0 %， 主要存在于1 -1 2 m的中尺度范围内， 而土壤含水量和容重随机部分的空间异质性相对较大， 存在于 l m 以下的小尺度中;下层的土壤物理性质的空间异质性全部是由空间自 相关引起的，主要 存在于 1 -1 6 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。 参考文献 1 Mi l l e r R E , V e r H o e J M , F o w l e r N L . S p a t i a l h e t e r o g e n e i t y i n e i g h t c e n t r a l T e x a s g r a s s l a n d s J o u rn a l o f E c o l o g y , 1 9 9 5 , 8 3 : 9 1 9 - 9 2 8 . 2 L e v i n S A . T h e p r o b l e m o f p a t t e rn a n d s c a l e i n e c o l o g y .E c o l o g y ,