任煜堃

（山西省林業(yè)和草原科學研究院，太原 030012）

0 引言

森林土壤是森林植物生長發(fā)育的基礎，作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，擔負著重要的生態(tài)功能[1]。受氣候、母質(zhì)、植被、地形及人類活動等因素的影響，森林土壤是一個復雜的綜合體，森林土壤因子也存在高度的空間變異[2]，而森林土壤因子的變異必然會引起植物生長的變異[3]。揭示森林土壤因子的空間分布特征，可以為評價森林土壤肥力提供參考[4]，為林間科學管理提供依據(jù)。但是土壤因子的測定耗時且成本較高，尤其是在土壤采樣階段。因此，通常在研究區(qū)域選定代表性的點進行采樣測定，在未采樣區(qū)域利用地統(tǒng)計學等方法進行插值，從而更好地滿足森林可持續(xù)經(jīng)營的需要。

在研究土壤養(yǎng)分的空間分布特征時，GIS和地統(tǒng)計學相結合的方法具有較強的優(yōu)勢，史利江[5]基于此方法揭示了區(qū)域農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間變異特征，提出了實行養(yǎng)分分區(qū)管理。唐啟敏[6]基于此方法揭示了山西省榆林市耕地土壤的養(yǎng)分空間分布特征，并對地力等級進行了研究。楊靜涵等[7]綜合多種地統(tǒng)計學方法，揭示了黃土高原溝壑區(qū)小流域土壤養(yǎng)分的空間變異特征及其影響因素。此外，張志堅等[8]對江西省森林土壤養(yǎng)分的空間變異研究，謝紅花等[9]對云南烏蒙山區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異的研究，喬磊等[10]對晉中盆地土壤養(yǎng)分空間變異的研究采用了此類方法。

本研究基于山西省297塊樣地的土壤采樣檢測數(shù)據(jù)，運用GIS技術和地統(tǒng)計學方法對山西省森林土壤堿解氮、全氮、有機質(zhì)、速效磷、全鉀、pH、含水量7個因子進行空間變異分析，揭示山西省森林土壤因子的空間分布特征。

1 研究區(qū)概況

山西省地處黃河中游東岸、黃土高原東部，34°36′—40°44′N，110°15′—114°32′E。整體地貌是“兩山夾一川”，東部是以太行山為主脈形成的塊狀山地，西部是以呂梁山為主的黃土高原，中間自北向南是一連串的斷陷盆地。境內(nèi)最高海拔3061.1 m，最低海拔180 m[11]。氣候類型為溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫在-4～14℃之間，年平均降水量400～650 mm。成土母質(zhì)主要為基巖風化物、河流沖積物和沉積黃土，山西省中南部為森林草原褐土地帶，北部為干旱草原栗鈣土地帶，呂梁山以西是由森林草原向干旱草原過渡的灰褐土地帶[12]。主要植被類型為寒溫性針葉林、寒溫性針闊混交林、溫性針葉林、溫性針闊混交林、落葉闊葉林和落葉闊葉灌叢等，主要喬木樹種有油松、華北落葉松、云杉等。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

數(shù)據(jù)來源為山西省11個地市297塊樣地的森林土壤采樣檢測數(shù)據(jù)，包括森林土壤pH值、含水量、有機質(zhì)、全氮、堿解氮、全鉀、速效磷共7個因子，從樣本量和指標數(shù)量來講，這些因子在一定程度上能代表全省森林土壤的整體養(yǎng)分狀況和質(zhì)量水平。

以采樣點地理坐標為依據(jù)，將樣點數(shù)據(jù)導入ArcGIS中，為后續(xù)森林土壤因子空間變異特征分析提供基礎數(shù)據(jù)。

2.2 趨勢分析

受到地形地貌、成土因素等多方面的影響，區(qū)域內(nèi)森林土壤因子的空間分布通常會呈現(xiàn)出一定的趨勢特征和異向性分布[13-15]。空間變異特征分析中，XYZ 3個維度都是協(xié)同工作的，所以需要了解數(shù)據(jù)是否具有一定的趨勢，比如東高西低、北高南低等。趨勢效應一般分為零階（沒有趨勢效應）、常量（研究變量沿一定方向呈常量增加或減少）、一階（研究變量沿一定方向呈直線變化）、二階（研究變量沿一定方向呈多項式變化）[16]等。

2.3 半變異函數(shù)模型選取

在對樣本數(shù)據(jù)進行半變異分析前需要對數(shù)據(jù)進行分布類型檢驗[17-18]，從表1中可以看出，樣本數(shù)據(jù)顯示出一定的偏態(tài)效應，通過對比對數(shù)轉(zhuǎn)換和Box-Cox轉(zhuǎn)換效果，含水量經(jīng)Box-Cox轉(zhuǎn)換，全氮含量、全鉀含量、速效磷含量、有機質(zhì)含量、堿解氮含量經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后更接近正態(tài)分布。而pH在對數(shù)轉(zhuǎn)換或Box-Cox轉(zhuǎn)換后仍然不滿足正態(tài)分布的要求，而且偏態(tài)值進一步加大，轉(zhuǎn)換效果并不理想，因此可以放棄轉(zhuǎn)換，保持原數(shù)據(jù)進行變異結構的分析。

表1 山西省森林土壤因子正態(tài)分布檢驗

為了得到最優(yōu)半變異函數(shù)模型，在ArcGIS地統(tǒng)計分析模塊中，通過擬合參數(shù)比較選擇合適的理論模型。對各土壤因子數(shù)據(jù)分別用指數(shù)函數(shù)、高斯函數(shù)、球面函數(shù)、三角函數(shù)4種模型進行擬合，擬合參數(shù)包括預測誤差的均值、預測誤差的均方根、平均標準誤差、標準化預測誤差平均值、標準化預測誤差均方根[19-20]。模型選擇的判斷標準為：標準化預測誤差平均值越接近于0，標準化預測誤差均方根越接近于1，預測誤差均方根越小，平均標準誤差越接近于預測誤差均方根時，其模型擬合狀況越好。

2.4 克里金插值

根據(jù)2.3中選出的各森林土壤因子半變異函數(shù)模型，結合全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準，利用ArcGIS中地統(tǒng)計分析的克里金插值方法，繪制出各森林土壤因子的插值圖，從而直觀地反映出各因子的空間分布情況。

3 結果與分析

3.1 森林土壤因子趨勢分析

圖1中X軸表示正東方向，Y軸表示正北方向，Z軸表示各點實測值的大小。左后平面反映各森林土壤因子在東—西方向上的全局趨勢效應；右后平面反映各森林土壤因子在南北方向上的全局趨勢效應。

圖1 山西省森林土壤因子趨勢分析圖

結果表明，各森林土壤因子均存在二階分布趨勢，在東-西方向上的趨勢效應更為明顯，其中，森林土壤含水量、全鉀含量表現(xiàn)出中部高東西低的二階趨勢效應，pH表現(xiàn)出中部低東西高的二階趨勢效應，速效磷含量呈現(xiàn)微弱的西高東低趨勢，其余各因子均呈西低東高的二階趨勢效應。各森林土壤因子在南-北方向上的趨勢效應表現(xiàn)為：森林土壤含水量表現(xiàn)出中部高南北低的二階趨勢效應，pH表現(xiàn)出北高南低的二級趨勢效應，全鉀含量表現(xiàn)出北低南高的二階趨勢效應，其余各因子南-北方向趨勢效應并不顯著。

3.2 森林土壤因子半變異函數(shù)模型

對比擬合參數(shù)結果（表2）確定各因子的最優(yōu)半變異函數(shù)模型：森林土壤含水量選擇球面函數(shù)模型，全氮含量選擇高斯函數(shù)模型，有機質(zhì)含量選擇三角函數(shù)模型，堿解氮含量選擇高斯函數(shù)模型，速效磷含量選擇指數(shù)函數(shù)模型，pH選擇高斯函數(shù)模型，全鉀含量選擇指數(shù)函數(shù)模型，各模型及其參數(shù)詳見表3。

表2 山西省森林土壤因子不同模型擬合參數(shù)結果

續(xù)表2

表3 森林土壤因子半變異函數(shù)理論模型及相關參數(shù)

結果顯示，各森林土壤因子均在一定范圍內(nèi)存在空間相關性，其中森林土壤有機質(zhì)含量的變程最大，速效磷含量的變程最小。各森林土壤因子的塊金系數(shù)介于39.19%～72.81%之間，空間相關性表現(xiàn)中等，其空間變異由山西省森林土壤的質(zhì)地、地形、氣候條件等結構性因素和施肥條件、森林管護方式等人為隨機性因素共同作用引起，其中以速效磷含量的空間相關性最強。堿解氮的塊金系數(shù)最高，為72.81%，說明森林土壤堿解氮含量的分布更受隨機因素的影響，空間變異性規(guī)律較差，主要原因可能與人為施用氮肥、林間管理等有關。

3.3 森林土壤因子的空間變異特征

各森林土壤因子的插值圖詳見圖2，各森林土壤因子的含量分級標準參照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準（表4～10）。

3.3.1 堿解氮含量的空間變異特征 山西省森林土壤堿解氮含量分布具有明顯的空間異質(zhì)性，在省境內(nèi)呈塊狀交錯分布格局，整體以四、五級為主（表4）。

表4 堿解氮含量分級標準

從行政區(qū)劃來看，各地市包含的堿解氮含量等級均在2個及以上。大同市的含量等級主要為四級和五級，東南部有小面積的三級分布；朔州市、太原市均呈現(xiàn)五級含量分布為主，四級含量次之，三級含量小面積分布的格局；呂梁市呈現(xiàn)以五級分布為主，四級分布次之，三級和二級少量分布的格局；臨汾市以四級和五級含量分布為主；運城市呈現(xiàn)以五級分布為主，一、二、三、四級少量分布的格局；陽泉市、晉中市、長治市均以四級含量分布為主，五級和三級含量次之；而忻州市由于其東西跨度大，包含了堿解氮含量的6個等級，以四級分布為主。

從等級分布上來看，山西省森林土壤堿解氮含量一級到六級均有分布，除少數(shù)含量等級零星分布外，基本均呈連續(xù)塊狀分布。其中六級的分布范圍最小，僅在忻州市西部的河曲縣有分布；四級以上主要分布在恒山、五臺山、呂梁山、太行山等主體山脈沿線的中高山地區(qū)，一二級主要集中分布在五臺山和蘆芽山的高海拔地帶，在王屋山一帶也有二級分布；五級主要分布在主體山脈以外的盆地、平原、丘陵地區(qū)。

3.3.2 全氮含量的空間變異特征 山西省森林土壤全氮含量分布具有明顯的空間異質(zhì)性，在省境內(nèi)呈塊狀交錯分布格局，整體以二、三級為主，全氮含量較為豐富（表5）。

表5 全氮含量分級標準

從行政區(qū)劃來看，各地市包含的全氮含量等級均在3個及以上，說明各地市區(qū)域范圍內(nèi)也存在較強的異質(zhì)性。大同市的含量等級主要為一級和二級，西部有小面積的三級分布；呂梁市、臨汾市均以三級含量分布為主，一、二、四級均有分布；運城市、朔州市以三級含量分布為主，一、二級也分布其中；太原市以三級含量分布為主，二級、四級分布其中；陽泉市、晉城市以一級含量分布為主，二、三級次之；晉中市、長治市以二級含量分布為主，一、三級次之；忻州市包含了4個等級，其中以一級含量分布為主。

從等級分布上來看，山西省主要森林土壤的堿解氮含量等級分布集中在一級到四級，基本均呈連續(xù)塊狀分布。其中四級的分布范圍最小，僅在忻州市、呂梁市、臨汾市、太原市有少量分布；一、二級的分布范圍最廣，從北到南、從西到東均有分布，其中一級含量分布主要集中在五臺山、恒山、蘆芽山沿線的中高山地帶以及太行山、王屋山沿線地區(qū)。

3.3.3 有機質(zhì)含量的空間變異特征 山西省森林土壤有機質(zhì)含量分布具有明顯的空間異質(zhì)性，在省境內(nèi)呈塊狀交錯分布格局，整體以三、四級為主（表6）。

表6 有機質(zhì)含量分級標準

從行政區(qū)劃來看，各地市包含的有機質(zhì)含量等級均在2個及以上。大同市、朔州市、呂梁市、臨汾市的含量等級主要為四級，其次是三級，另外有小面積的二級分布；太原市的含量等級主要為四級，另有小面積的三級分布；晉中市、長治市主要以二級含量分布為主，其次為一級含量分布，晉中市還有小范圍的三級含量分布；陽泉市一、二、三級含量分布差異不大；晉城市和運城市均包含4個等級，但運城市以四級含量分布為主，晉城市以二級含量分布為主；忻州市包含了一級到五級共5個等級，以三級含量分布為主。

從等級分布上來看，山西省主要森林土壤的有機質(zhì)含量等級分布集中在一級到五級，基本均呈連續(xù)塊狀分布。其中五級含量的分布范圍最小，僅在忻州市、呂梁市有少量分布；一級含量分布五臺山、蘆芽山和王屋山的中高山地帶；二級含量主要圍繞在一級含量分布區(qū)周邊，另外在太行山中段、太岳山南段沿線地區(qū)也有二級含量分布。

3.3.4 pH的空間變異特征 山西省大部分地區(qū)主要森林土壤在pH 7.5～8.5之間，整體呈堿性，有部分中性和酸性土壤鑲嵌分布其中。大同市森林土壤表現(xiàn)為堿性；朔州市大部分地區(qū)森林土壤表現(xiàn)為堿性，應縣和懷仁市部分地區(qū)森林土壤在pH 7.5～8.5之間，表現(xiàn)為強堿性；忻州市、太原市、陽泉市、晉中市、臨汾市的森林土壤多表現(xiàn)為堿性，有部分表現(xiàn)為中性；長治市、晉城市、運城市大部分地區(qū)森林土壤表現(xiàn)為堿性，其次為中性，沁源縣、陽城縣、垣曲縣的小部分地區(qū)表現(xiàn)為酸性；呂梁市的森林土壤多表現(xiàn)為堿性，其次為中性，興縣、石樓縣的小部分地區(qū)森林土壤表現(xiàn)為強堿性（表7）。

表7 土壤pH分級標準

3.3.5 含水量的空間變異特征 山西省森林土壤含水量分布具有明顯的空間異質(zhì)性，在省境內(nèi)呈塊狀交錯分布格局，整體以輕旱、中旱為主（表8）。

表8 土壤含水量分級標準

從行政區(qū)劃來看，大同市表現(xiàn)為中旱；朔州市大部分地區(qū)表現(xiàn)為中旱，小面積地區(qū)表現(xiàn)為輕旱；忻州市、長治市、臨汾市包含了中旱、輕旱、適宜、偏濕4個等級。呂梁市、晉中市以表現(xiàn)輕旱為主，另有部分區(qū)域表現(xiàn)為中旱和適宜；太原市以表現(xiàn)中旱為主，西部小面積區(qū)域表現(xiàn)中旱和適宜；陽泉市以表現(xiàn)中旱為主，輕旱次之；晉城市以表現(xiàn)適宜為主，輕旱次之。

從干旱程度來看，大體上省境北部地區(qū)表現(xiàn)為中旱，南部地區(qū)表現(xiàn)為輕旱和適宜；西部地區(qū)表現(xiàn)為中旱，東部地區(qū)表現(xiàn)為輕旱和適宜。土壤含水量高的地區(qū)仍然集中在管涔山、呂梁市、太岳山、太行山、五臺山的中高山地帶。

3.3.6 速效磷含量的空間變異特征 山西省森林土壤速效磷含量的空間變異結構較為破碎，4個等級區(qū)域相互嵌合在一起，其中含量處于較低等級的區(qū)域，速效磷含量＜10 mg/kg，出現(xiàn)在山西省的北部和西北部的小塊區(qū)域。其余區(qū)域含量在10 mg/kg以上且以20～40 mg/kg為主。

表9 速效磷含量分級標準

從行政區(qū)劃來看，各地市包含的速效磷含量等級均在2個及以上。大同市含量等級以二級和三級分布為主，另有一級和四級分布；朔州市含量等級以二級分布為主，在二級分布內(nèi)部有部分一級分布，在二級分布周邊有部分三級分布；忻州市含量等級以二級分布為主，另有一、三、四級分布；太原市、陽泉市、晉中市、長治市含量等級以二級分布為主，三級分布次之；呂梁市、臨汾市含量等級以二級分布為主，一級分布和三級分布鑲嵌其中；運城市、晉城市以二級分布為主，一級、三級也有分布，此區(qū)域的一級分布是全省面積最大最集中的區(qū)域。

從等級分布上來看，山西省森林土壤的有機質(zhì)含量等級分布跨度為一級到四級，以二級為主，一、二、四級鑲嵌分布其中，其中四級含量分布的范圍和面積最小，僅在大同市天鎮(zhèn)縣、忻州市偏關縣部分區(qū)域有分布；二級含量分布范圍最廣。

3.3.7 全鉀含量的空間變異特征 山西省森林土壤全鉀含量分布具有明顯的空間異質(zhì)性，在省境內(nèi)呈塊狀交錯分布格局，全鉀含量除部分地區(qū)低于15 g/kg外，其余均在15 g/kg以上，森林土壤全鉀含量整體表現(xiàn)較為豐富。

表10 全鉀含量分級標準

從行政區(qū)劃來看，大同市、朔州市森林土壤全鉀含量等級主要為三級，另有部分四級分布；忻州市、呂梁市含量等級主要為三級，其次為二級，另有少部分的四級分布；運城市含量等級以二級為主，另有一級和三級分布其中，一級含量分布在垣曲縣、絳縣的部分地區(qū)，這也是省境內(nèi)唯一呈現(xiàn)一級含量等級的區(qū)域；長治市含量等級以二級為主，三級次之；其余各地市均以三級含量分布為主，其次伴有二級含量分布。

從等級分布上來看，山西省森林土壤的有機質(zhì)含量等級分布跨度為一級到四級，以三級為主，一、二、四級鑲嵌分布其中，其中一級含量分布的范圍和面積最小，二級含量更多分布在中南部地區(qū)，四級含量基本分布在西北部地區(qū)（圖2）。

圖2 山西省森林土壤因子空間分布示意圖

4 結論

森林土壤因子的的趨勢分析顯示：山西省各森林土壤因子均存在二階分布趨勢，在東—西方向上的趨勢效應更為明顯。各森林土壤因子的最優(yōu)半變異函數(shù)模型擬合結果顯示：全氮、堿解氮、pH的最優(yōu)模型為高斯函數(shù)模型；速效磷、全鉀的最優(yōu)模型為指數(shù)函數(shù)模型；有機質(zhì)、含水量的最優(yōu)模型分別為三角函數(shù)模型和球面函數(shù)模型。

各森林土壤因子的空間分布圖直觀展示了其空間分布特征：整體來看，各森林土壤因子均有明顯的空間分異特征。堿解氮、全氮、有機質(zhì)由于其本身具有較強的相關性，在空間分布上也有許多相似之處，含量相對較高的多集中在恒山、五臺山、呂梁山、太行山等主體山脈沿線的中高山地區(qū)，這也是山西省森林資源的集中分布區(qū)；全鉀含量整體表現(xiàn)較為豐富；含水量表現(xiàn)出明顯的東南多西北少的差異；速效磷作為一種瞬時變量，在空間分布上比較雜亂，但是仍然可以看出二級含量分布范圍最廣；pH的空間變異顯示，山西省整體森林土壤呈弱堿性，朔州市興縣、石樓縣的小部分地區(qū)森林土壤表現(xiàn)為強堿性，可作為鹽堿地研究典型區(qū)域。