葉玲燕，傅偉軍，姜培坤，李永夫，張國江，杜 群

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 臨安 311300；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 臨安 311300；3.浙江省森林資源監(jiān)測中心,浙江 杭州310020）

土壤作為歷史自然體，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(shí)空變異性［1］，在特定范圍內(nèi)其屬性特征變化是連續(xù)的［2］。土壤變異性是普遍存在的，其變異來源包括系統(tǒng)變異和隨機(jī)變異2種［3］。研究結(jié)果表明：土壤中大量和微量元素的空間變異性，取決于土壤的母質(zhì)性質(zhì)和地形位置，并與氣候、大氣沉降、降水和農(nóng)業(yè)措施等有關(guān)［4］。作為復(fù)雜的自然綜合體，難以對(duì)土壤形態(tài)和性質(zhì)作定量化描述，尤其是對(duì)土壤過程的空間變異以及空間相關(guān)性和依賴性作定量描述相當(dāng)困難。地統(tǒng)計(jì)和區(qū)域化變量的研究，以存在空間上連續(xù)變化的自然現(xiàn)象為前提，能反應(yīng)出空間相近點(diǎn)與空間分散的點(diǎn)在理化性質(zhì)上的相似程度［5］。地統(tǒng)計(jì)學(xué)已被廣大學(xué)者作為空間分析的一項(xiàng)有用工具，是分析土壤空間特性和研究其變異規(guī)律的有效方法之一［6］。早在1982年，Yost等［7］運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)進(jìn)行夏威夷島土壤化學(xué)性質(zhì)的大尺度土壤特性研究。國內(nèi)地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤科學(xué)上應(yīng)用，最早用于土壤的顆粒組成、干容重、土壤水吸力、含水量和飽和導(dǎo)水率的空間變異性等地理特性上的分析［8］。近年來，用于將土壤某一性質(zhì)的變異與成土因子和成土過程聯(lián)系起來探索其空間分布特征及其變異規(guī)律，或用克立格等方法對(duì)未采樣區(qū)的區(qū)域化變量的值進(jìn)行無偏最優(yōu)估計(jì)［5］，也有對(duì)坡地土壤水分特性的空間變異進(jìn)行研究［9］，在化學(xué)特性上也有相關(guān)研究［10］。在土壤元素空間變異的研究上，對(duì)了解土壤元素和合理利用開發(fā)土地資源有重大意義［11］。地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤上的研究目前多集中于只具有少數(shù)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)園區(qū)、實(shí)驗(yàn)小區(qū)［12］。本研究基于浙江省范圍內(nèi)森林資源調(diào)查的樣點(diǎn)，在省域大尺度范圍下，對(duì)高密度采樣點(diǎn)探討森林土壤屬性空間變異情況。

1 研究區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

浙江省位于中國東南沿海（27°06′～31°11′N，118°01′～123°10′E），自西南向東北傾斜，呈梯級(jí)下降；東北部為沖積平原，中部以丘陵為主，西南部為平均海拔800 m的山區(qū)，全省最高海拔為1 929 m。全省陸域面積為10.18萬km2，海域面積26.00萬km2。

浙江屬亞熱帶季風(fēng)氣候，地處南亞熱帶和北亞熱帶過渡地帶，日照充足，四季分明，氣候溫和，年平均氣溫為17.0°C，雨水充沛，年平均降水量為1 319.7 mm。全省以丘陵山地紅壤、黃壤等地帶性土壤和海島飽和紅壤為主，植被類型有常綠闊葉林、常綠落葉闊葉混交林、常綠落葉針葉混交林、山地矮林和山地草叢灌叢。有高等植物288科1 471屬4 600余種，其中，木本植物107科423屬1 407種［13］。

根據(jù)浙江省林業(yè)勘察研究院2011年監(jiān)測報(bào)告，2010年度的森林資源監(jiān)測結(jié)果為：全省林地面積為661.85萬hm2，森林面積601.90萬hm2，森林覆蓋率59.12%（按浙江省以前公布的同比計(jì)算口徑為60.63%），活立木總蓄積2.54億m3，森林蓄積2.28億m3，毛竹總立竹量21.13億株，喬木林蓄積量55.09 m3·hm－2［14］。

1.2 樣品采集與分析方法

1.2.1 樣品采集 研究數(shù)據(jù)主要來自2010年浙江省森林土壤碳儲(chǔ)量和質(zhì)量調(diào)查。按照系統(tǒng)抽樣的方法，采用全球定位技術(shù)，結(jié)合地形圖在全省林地的固定樣地布設(shè)土壤樣點(diǎn)，采用4 km×6 km網(wǎng)格布點(diǎn)法得到樣點(diǎn)840個(gè)，全部樣品在2010年6月1日至11月30日間采集，樣品在野外采集后，郵寄至室內(nèi)分析室，隨即對(duì)樣品進(jìn)行晾干、研磨處理保存?zhèn)溆谩?/p>

在每個(gè)樣點(diǎn)設(shè)立典型土壤剖面，在采樣點(diǎn)沿坡面方向垂直向下挖取，剖面挖掘深度100 cm，土層厚度不足100 cm時(shí)，挖至母巖層，剖面寬60～80 cm。剖面挖好后，再用小鋤頭或小刀進(jìn)行修整，然后進(jìn)行分層0～10，10～30，30～60，60 cm以下，用小刀劃一橫線作為記號(hào)，再進(jìn)行土壤剖面觀察記載和剖面編號(hào)。每個(gè)土層采集土壤容重和土壤理化性質(zhì)分析2個(gè)樣品，裝入塑料袋中并編號(hào)，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。土壤有機(jī)碳主要儲(chǔ)存于表層土壤中，其儲(chǔ)量一般隨土層深度的加深而逐漸減少［15］，尤集中于表層土壤，因此取0～10 cm的表層土為研究對(duì)象。

圖1 采樣點(diǎn)位圖Figure 1 Map of soil sampling locations

1.2.2 樣品處理與分析 土壤樣品在室內(nèi)晾攤自然風(fēng)干，揀出石塊、根系等異物，過2 mm篩，裝瓶供土壤pH值、堿解氮、有效磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析測定用。再從上述樣品中取出一部分，用瑪瑙研缽研磨過0.149 mm篩子，裝瓶供土壤有機(jī)質(zhì)分析測定用。分析方法如下：pH值采用電位法，有機(jī)碳測定采用重鉻酸鉀外加熱法，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，有效磷采用鹽酸-氟化銨浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀采用醋酸銨（NH4OAc）浸提-火焰光度法［16］。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

采用SPSS 18.0進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)分析、相關(guān)性分析；對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行Quantile-Quantile（Q-Q）作圖、正態(tài)檢驗(yàn)（K-S）。K-S又稱Kolmogorov-Smirnov單一樣本檢驗(yàn)，該方法是研究由樣本資料算得的第i個(gè)點(diǎn)和第i－1個(gè)點(diǎn)上的經(jīng)驗(yàn)累計(jì)分布函數(shù)與正態(tài)分布函數(shù)之間的最大偏差，進(jìn)而根據(jù)最大偏差的分布規(guī)律作出統(tǒng)計(jì)推斷。

用Vesper軟件進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)分析，包括確定半方差函數(shù)各種特征參數(shù)，研究土壤性質(zhì)指標(biāo)的時(shí)空變異特性。采用澳大利亞精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中心（ACPA）開發(fā)的Vesper地統(tǒng)計(jì)軟件，對(duì)研究區(qū)域土壤的基本化學(xué)性質(zhì)和有機(jī)碳進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。Vesper使用SSE（sum of squared error）或AIC道信準(zhǔn)則（Akaike information criterion）來做為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，SSEz最小或AIC最小模型擬合得最好以此對(duì)插值精度的評(píng)價(jià)［17］。用ArcGIS 9.2在1∶30萬浙江省矢量化地圖和浙江省森林資源分布圖上采用內(nèi)插法制作空間分布圖。

函數(shù)結(jié)構(gòu)分析是有效的方法。AIC=nln（R）+2p。其中：R是余差平方和；p參數(shù)的數(shù)量。

土壤有機(jī)碳密度（SOC density，dSOC）通常是指單位面積單位深度土體中土壤有機(jī)碳質(zhì)量，單位為kg·m－2。dSOC=C×θ×D/100可用來計(jì)算土壤有機(jī)碳密度,其中：C為土壤有機(jī)碳的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)（g·kg－1），D 為土層厚度（cm），θ為土壤容重（g·cm－3）。

土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量（SOC storage，SSOC）采用 SSOC=S×dSOC計(jì)算，其中S為研究區(qū)面積。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 土壤基本化學(xué)性質(zhì)和有機(jī)碳描述性統(tǒng)計(jì)

研究區(qū)域中土壤各基本化學(xué)性質(zhì)和有機(jī)碳的變異系數(shù)有較大差異，土壤有效磷的變異系數(shù)最大，土壤pH值的變異系數(shù)最小，分別為238.70%和11.70%（表1）。變異系數(shù)的大小與該屬性的質(zhì)量分?jǐn)?shù)受人為活動(dòng)影響的大小呈正相關(guān)，并且與土壤母質(zhì)、環(huán)境氣候等因素相關(guān)。土壤有機(jī)碳、堿解氮、速效鉀的變異系數(shù)接近50%，屬中等變異范圍，適合進(jìn)行空間插值。

表1 土壤表層各基本化學(xué)性質(zhì)和有機(jī)碳的描述性統(tǒng)計(jì)Table 1 Description statistics of soil basically chemical properties and organic carbon

區(qū)域化變量要求研究變量隨機(jī)誤差的均值為0且任意2個(gè)隨機(jī)誤差之間的協(xié)方差依賴于它們之間的距離和方向［5］，一般采用研究對(duì)象的標(biāo)準(zhǔn)差、峰度、偏度、變異系數(shù)來判定數(shù)據(jù)是否趨于正態(tài)分布。標(biāo)準(zhǔn)差表示對(duì)均值的離散情況，該值越大表明離均值越遠(yuǎn)［18］；峰度表示觀測值的聚中程度，大于0時(shí)該值越大表明分布圖越陡峭、越尖，小于0表明分布圖比較扁平；偏度表明分布圖是否對(duì)稱的度量，該值為0時(shí)為正態(tài)分布，該值大于0時(shí)表示左支比右支延伸的更長，小于0則反之。原始數(shù)據(jù)的峰度、偏度都不接近0，可能是由于原始數(shù)據(jù)存在比例效應(yīng)，而掩蓋其原本的空間性質(zhì)［19］，對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后，有機(jī)碳和堿解氮2個(gè)土壤屬性的峰度、偏度基本接近0，通過K-S檢驗(yàn)，其值大于0.05表明符合正態(tài)分布，轉(zhuǎn)換后的統(tǒng)計(jì)分析見表2，但是土壤有效磷和土壤速效鉀的仍未通過正態(tài)檢驗(yàn)。

表2 土壤表層各基本化學(xué)性質(zhì)和有機(jī)碳K-S檢驗(yàn)Table 2 Shewness，Kurtoness and K-S test values of soil basically chemical properties and organic carbon

從數(shù)據(jù)經(jīng)過對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后的Q-Q圖（圖2A，圖2C）可以看出土壤有效磷存在離群數(shù)值，對(duì)原始數(shù)據(jù)剔除偏離正態(tài)分布值，并經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)做Q-Q圖（圖2B，圖2D）并再檢驗(yàn)其正態(tài)性，K-S檢驗(yàn)P值大于0.05，符合正態(tài)分布要求，檢驗(yàn)結(jié)果見表3。對(duì)比數(shù)據(jù)經(jīng)適當(dāng)轉(zhuǎn)換前后的Q-Q圖發(fā)現(xiàn)，土壤有效磷較小值范圍內(nèi)較之前更符合預(yù)期正態(tài)分布，在大值區(qū)域內(nèi)與正態(tài)值仍有偏差；而速效鉀的原始數(shù)據(jù)變異系數(shù)為51%，但K-S檢驗(yàn)P值為0，即使數(shù)據(jù)經(jīng)去除異常值且對(duì)數(shù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換仍未達(dá)到檢驗(yàn)要求，可能是由于速效鉀的原始值集中于有限個(gè)整數(shù)值，導(dǎo)致在Q-Q分布圖上出現(xiàn)疊置效應(yīng)，以致K-S檢驗(yàn)通不過要求［20］。

表3 有效磷速效鉀剔除異常值后對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換統(tǒng)計(jì)描述Table 3 Statistics description of AP and AN after outliers removal

2.2 土壤中各基本化學(xué)性質(zhì)的空間變異和相關(guān)性

將樣點(diǎn)數(shù)據(jù)采用Vesper軟件分析，通過對(duì)不同模型及參數(shù)的試驗(yàn)、擬合和比較，采用道信準(zhǔn)則（AIC）最低值確定了各自的最優(yōu)半方差函數(shù)擬合模型及變異參數(shù)（表4）。

空間變異函數(shù)的參數(shù)反映了土壤中各基本化學(xué)性質(zhì)和有機(jī)碳的空間變異特征。塊金值由實(shí)驗(yàn)誤差和小于實(shí)驗(yàn)取樣尺度引起的變異，較大的塊金值表明較小尺度上的某種過程不容忽視［21］。基臺(tái)值通常表示系統(tǒng)內(nèi)的變異，塊金值與基臺(tái)值的比值可以表明系統(tǒng)變量的空間相關(guān)程度。比值小于25%說明系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；比值25%～75%，表明系統(tǒng)具有中等空間相關(guān)性；大于75%則表明空間相關(guān)性很弱［22］?？臻g弱相關(guān)表明變異絕大部分是由人為隨機(jī)因素引起，較強(qiáng)的空間相關(guān)性表明變異受土壤本身的性質(zhì)影響較大。一般認(rèn)為，土壤的母質(zhì)、地理等因素會(huì)引起較強(qiáng)的空間相關(guān)性，而人為施肥、耕作等因素導(dǎo)致空間相關(guān)性減弱［23］。

圖2 土壤表層有效磷和速效鉀數(shù)據(jù)經(jīng)過去除異常值前（A和C）后（B和D）的Q-Q圖Figure 2 Q-Q maps of available P and available K before（A and C） and after outliers removal（B and D）

表4 土壤表層理化性質(zhì)半方差函數(shù)擬合參數(shù)Table 4 Parameters of semivarigoram models fitted for soil physical-chemical properties

從表4可以看出：浙江省森林表層土壤的各基本化學(xué)性質(zhì)和有機(jī)碳，只有有機(jī)碳和經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速效鉀有中等空間相關(guān)性，堿解氮、pH值較之于速效鉀空間相關(guān)稍強(qiáng)，但三者都屬于空間弱相關(guān)。

2.3 土壤基本化學(xué)性質(zhì)及有機(jī)碳的空間模擬

應(yīng)用ArcGIS 9.2的地統(tǒng)計(jì)分析模塊，采用克里格空間插值法，對(duì)土壤的基本化學(xué)化性質(zhì)和有機(jī)碳進(jìn)行空間插值，結(jié)果見圖3。

堿解氮、有效磷、速效鉀、pH值和有機(jī)碳在全省范圍內(nèi)的分布具有空間差異的，堿解氮和有機(jī)碳在全省克里格插值圖上的圖形較為相似，而有效磷、速效鉀、pH值的插值圖差異較大，反映出浙江省表層土壤各基本化學(xué)性質(zhì)和有機(jī)碳在空間上的分布受不同因素的影響。有機(jī)碳和堿解氮的空間插值圖上在浙西北千島湖附近、浙西南衢州麗水區(qū)域等海拔相對(duì)較高區(qū)，有較大面積高值分布。有研究表明海拔較高地區(qū)，大量的草根及凋落物在地表累積，分解甚為緩慢，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高［24］。

森林土壤中的碳，由植被吸收大氣中的二氧化碳，通過光合作用形成有機(jī)碳，植物枯死之后落于土壤表面，形成凋落物層，經(jīng)腐殖質(zhì)化作用，形成土壤有機(jī)碳［25］，導(dǎo)致這2個(gè)森林覆蓋較密區(qū)域碳儲(chǔ)量較高。而速效鉀、有效磷、pH值的空間分布圖各不相同，高值與低值區(qū)域分布在省域內(nèi)不同地區(qū)，可能與這些采樣點(diǎn)包括經(jīng)濟(jì)林有關(guān)。經(jīng)濟(jì)林中人為施加化肥、有機(jī)肥導(dǎo)致磷、鉀、pH值的值在空間分布呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。速效鉀在東南沿海地帶有高值分布區(qū)，土壤有效磷在浙東北部分布較高，而pH值在浙中部地區(qū)程明顯帶狀分布。

插值結(jié)果與SPSS相關(guān)分析結(jié)果相吻合，SPSS相關(guān)性分析結(jié)果表明，0～10 cm土壤層的有機(jī)碳和堿解氮呈極顯著相關(guān)。

3 結(jié)論

表5 土壤表層基本化學(xué)性質(zhì)和有機(jī)碳相關(guān)性分析Table 5 Correlation analyze of basically chemical properties and organic carbon in soil

通過Q-Q圖和K-S檢驗(yàn)分析，用自然對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換、剔除異常值等方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換是其符合正態(tài)分布有效手段。利用Vesper軟件對(duì)不同土壤養(yǎng)分的空間變異特征分析發(fā)現(xiàn)，有效磷符合高斯模型，堿解氮符合球狀模型，有機(jī)碳、速效鉀、pH值符合指數(shù)模型，與其他變量相比，有機(jī)碳的塊金效應(yīng)C0/（C0+C1）較小，空間自相關(guān)性較強(qiáng)。

各理化性質(zhì)的空間分布圖揭示有機(jī)碳與堿解氮的空間分布圖高值區(qū)較相似，對(duì)于有效磷、速效鉀、pH值的空間分布差異較大，可能是在本次森林資源調(diào)查中，調(diào)查樣地包含經(jīng)濟(jì)林種，有部分采樣點(diǎn)落在人為干擾較大的經(jīng)濟(jì)林區(qū)，導(dǎo)致全省的磷、鉀、pH值分布差異顯著，有機(jī)碳與堿解氮、速效鉀呈顯著正相關(guān)性。

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