大庆地区不同土地利用下土壤空间异质性研究

徐海军 ，姚 琴，孙宇峰，王晓飞 ，王文杰

（1．东北林业大学森林植物生态学教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150040；2．黑龙江省科学院大庆分院，黑龙江 大庆 163319；3．大庆油田矿区事业服务部园林绿化公司，黑龙江 大庆 163711）

土地利用是人类目的性管理土壤的活动行为，其中植被和人为干扰对土壤理化性质的变化产生重要影响［1-2］。植被与土壤之间是一种相互依赖和相互制约的关系［3-4］。土壤能持续全面地为植物生长提供养分，而植物通过根系的伸展、养分吸收、凋落物的积累、庇荫、种间对资源和空间的竞争以及其它形式来影响土壤的结构和功能［5-6］。然而，人工能量输入、翻耕、放牧、踩踏等随机性因子在土地利用过程中对土壤结构、养分循环也有着深刻的影响。在空间尺度上，分析不同土地利用方式下土壤养分空间异质性变化，了解土壤结构变化趋势，对农业生产、生态恢复有指导意义。

大庆地区位于松嫩平原中西部，既是松嫩平原重要的粮食产区之一，也是苏打盐碱地集中分布区之一，土壤板结、肥力下降等现象严重制约了该地区农业经济的发展。近些年，有关土壤养分空间异质性的研究成为国内外研究的热点［7-8］，如植被类型对土壤养分的影响［9］，不同森林植被类型覆盖下土壤养分的空间异质特征变化［10-11］，植物群落组成及群落中植物个体分布格局对土壤结构和元素的异质化等［12］。目前，有研究表明：灌木林相较于乔木林和灌草丛，其土壤养分的空间异质性最大［13］；胡忠良等［14］研究发现土壤各养分库在乔木林中表现为最高，在灌草丛中表现为最低；还有许多研究表明不同森林植被覆盖对土壤养分的空间分布有较大影响［15-16］。可见，由植被结构和分布对土壤养分因子的空间变异影响较大，在森林生态系统中，植被对土壤结构、理化性质空间变异研究较多，而对于松嫩平原盐碱地区土壤空间变异，植被类型与土壤理化性质空间异质性变化关系等相关研究较少。在小尺度范围内，本文通过对人工林地、草甸地、农田地三类土地利用方式下土壤理化性质异质性分析，以期了解不同土地利用方式下土壤性质变异性，分析异质性变化趋势和影响因子，为大庆地区土地综合利用提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验样地位于大庆市星火牧场辖区，西距杜蒙县20 km，东与林甸县花园乡毗邻，北与林甸县红旗镇搭界。总面积17 467 hm2，其中，耕地2 933 hm2，草原10 667 hm2，林地2 333 hm2，以牧业为主，农、牧、工业结合发展。

该区属典型温带大陆性季风气候，冬季寒冷，春秋风多，雨热同季，年降水量427 mm；年均温4.2℃，极端温度最高39.8℃，最低-39.2℃；全年无霜期较短，大约140 d左右，年日照时数2 726 h。

1.2 样地设置

选择杨树林、草甸、农田三类植被型样地（表1），杨树林地选择15年以上的人工近熟林，草甸地为多年开放性草甸，农田地为永久性轮作耕地，在三类样地内设置50 m×50 m固定样地，经5 m×5 m网格化后随机选择5个样方采集土样。

1.3 样地调查及采样方法

采用10 m×10 m样方调查乔木层植被，2 m×2 m样方调查灌草层植被；乔木层调查郁闭度、密度、株高、胸径等指标［17］，灌草层调查植物种类、优势种、盖度等指标（表1）。

土样采集利用“S”型多点采样法，收集0～25 cm土层的混合样，带回实验室待测；另外，用土壤环刀（100 cm3）采集土样测定容重，每个样方3次重复。

1.4 测试方法

土壤含水率用烘干法；土壤容重、孔隙度用环刀法测量；土壤有机质用重铬酸钾外加热法测定；碱解氮用碱解扩散法；有效磷用钼锑抗比色法；速效钾用醋酸铵浸提-火焰光度法；土壤 pH值：称取5 g土样，加入25 mL去离子水，充分混匀，用酸度计（Sartorius 120 PB-10）测定［18］。

1.5 数据处理

土壤理化性质描述性统计、单因素方差分析（one-way ANOVA）、变异系数（CV）借助SPSS 16.0完成；利用ArcGis 10.0地统计学分析模块对试验数据进行正态性检验，然后进行半变异函数计算［19］、理论模型的拟合、最优拟合检验，最后，进行普通克里格插值［20-21］。

2 结果与分析

2.1 不同样地土壤理化性质变异分析

三类样地土壤pH值介于7.79～8.18之间，变异系数在1.31%～4.08%之间，具有微弱变异性，pH值由高到低顺序依次为农田、杨树林、草甸；浅层土壤温度和土壤容重也呈现微弱的变异性，其变异系数波动区间分别为4.88%～8.56%、6.4%～10.05%，农田地浅层土壤温度稍低于杨树林地和草甸地，后两者差异不显著，容重由大到小顺序依次为杨树林、草甸、农田，草甸地和农田地容重差异不显著（表2）。

土壤碱解氮、有效磷、速效钾、有机质和土壤含水率在三类植被类型下均呈现为中度变异性，其变异系数波动区间为12.16%～45.12%，其中，N、P、K在杨树林条件下变异波动较另两类样地稍大，有机质在草甸地和农田地的变异性较杨树林地稍大。3种植被类型下，农田土壤碱解氮、有效磷、pH值显著（P＜0.05）最高，草甸地土壤速效钾、有机质、含水率含量显著（P＜0.05）最高。

2.2 不同样地土壤理化性质空间异质性特征

三类样地的土壤理化性质数据正态性分布较好（表3），除了杨树林地的有效磷，草甸地土壤碱解氮、含水率、pH值，农田地土壤含水率数据呈现偏态分布外，其它指标数据均呈现近正态分布。对上述偏态分布数据进行自然对数（log）转化后，呈现出近正态分布，符合地统计学分析。

表3 土壤理化性质正态分布检验结果

对变异函数进行模型拟合，交叉验证结果显示（表4）：在三类样地条件下，球面模型对大多数土壤理化性质指标空间异质性有较好的拟合效果。

三类样地中，土壤碱解氮在杨树林和草甸地的块金系数均大于75%，具有较弱的空间自相关性，杨树林地块金值高于草甸地，农田地土壤碱解氮块金值为0，表明较小的空间尺度上农田土壤碱解氮趋于均质性，变程杨树林＞农田＞草甸；土壤有效磷在草甸和农田的块金系数均高于75%，具有较弱的空间自相关性，杨树林块金系数为45.33%，具有中等空间自相关性，块金值农田高于杨树林和草甸，变程农田＞杨树林＞草甸；土壤速效钾在杨树林和草甸的块金系数介于25%～75%之间，具有中等的空间自相关性，而农田地土壤速效钾块金系数大于75%，具有较弱的空间自相关性，块金值草甸远高于杨树林和草甸，变程为草甸＞杨树林＞农田；土壤有机质在杨树林块金系数达100%，表明其空间变化完全受随机性因子影响，农田的块金系数大于75%，表明具有弱的空间自相关性，而草甸地土壤有机质块金系数为67.22%，具有中等空间自相关性，块金值草甸最高，杨树林最低，变程为杨树林＞草甸＞农田；pH值在三类植被类型土壤中的变异性表现为中等空间自相关性，变程杨树林＞草甸＞农田。

表4 不同样地类型土壤理化性质半变异函数理论模型及相关统计参数

在三类样地中，土壤表层温度的块金系数变化很大，杨树林的块金系数为9.05%，具有较强的空间自相关性，草甸为36.99%，具有中等空间自相关性，而农田的块金值为0，表明表层温度的变化几乎不受随机性因子的影响，且趋于均质性，变程为杨树林＞草甸＞农田；土壤含水率在杨树林的块金系数大于75%，具有弱的空间自相关性，而草甸和农田块金系数介于25%～75%之间，具有中等的空间自相关性，块金值草甸远小于杨树林和农田，变程为杨树林＞草甸＞农田；土壤容重块金系数三类样地均介于25%～75%之间，具有中等空间自相关性，块金值草甸远高于杨树林和农田，变程为草甸＞杨树林＞农田。

2.3 不同样地土壤理化性质空间分布特征

通过Kriging插值可知（图1），三类样地土壤水分、温度、容重等物理性质空间异质性相对较强，碱解氮、有效磷、速效钾、pH值等化学性质的空间变异性相对较弱，甚至趋于同质性。总体上，三类样地土壤化学性质的克里格插值图呈现片状或条带状分布，且层次不清晰；温度、容重等物理性质的空间异质性插值图呈现斑块状分布，且层次清晰。

图1 不同样地类型下土壤理化性质克里格插值图

从三类样地土壤理化性质异质性变化趋势看，农田地、草甸地、杨树林地土壤中有效磷、速效钾的异质性依次趋于增强（表4，图1）；pH值表现为农田地、杨树林地、草甸地的异质性分布依次减弱；土壤表层温度、容重表现为杨树林和草甸向农田依次呈减弱趋势；水分表现为草甸土异质性较强，而农田和杨树林趋于均质性。

3 讨论

3.1 不同土地利用对土壤养分补充的影响

在大庆地区，杨树林、草甸、农田三类土地利用格局已呈常态，随着人类生产，这三类植被类型土壤呈现出明显的板结、肥力下降趋势［22-23］。在人类目的性生产过程中，样地各自植被群落特征及生命活动影响土壤化学性质和营养状况发生变化［24］，而凋落物归还量及分解速率是决定土壤养分含量状况和养分循环的主要因素［25］。三类试验样地中，草甸地植被茂盛、物种丰富，虽呈斑块分布，但盖度仍可高达73%（表1），每年刈割地上部分，使得生物返还量锐减，但土层中仍保有大量的植物根系［26］，因此，三类样地中草甸地有机质含量显著高于另两类样地（P＜0.05）；杨树林地乔木层植被主要由15～20年的小叶杨（Populus simonii）组成，结构单一，林下虽生长着多种矮小植物，但地被稀疏，浅土层中有机质的补充量有限，土壤有机质的返还主要依靠枯落物的分解，由于牲畜踩踏和人为干扰促使土壤紧实度增加，这可能直接影响土壤动物和微生物的活动，从而致使凋落物的分解似乎较慢，有机质含量偏低。相对于杨树林地和草甸地而言，农田地土壤受人为耕作和施肥的影响最大，根据现有的耕作方式，地上生物量几乎全部移走，返还量几乎为零。土壤有机质是形成土壤结构和肥力的重要因子，直接影响着土壤持水能力、水稳性团聚体、抗侵蚀能力以及容重等物理特性［27］，有效增加土壤有机质可以为土壤微生物、土壤动物提供大量的碳源和充足的养料，加快腐殖质化和矿化的进程，从而促进土壤化学性质恢复和矿质养分的补充，从三类土地利用方式来看，草甸地土壤养分循环方面及养分状况要好于杨树林和农田地。

3.2 不同土地利用方式土壤空间异质性变化

三类样地碱解氮空间自相关性微弱，受随机性因子影响较大，尤其是农田地碱解氮分布趋于均质性，这表明人类活动、放牧等随机性因子对土壤肥力影响较严重，在农田地的耕作过程中，土壤翻动、人工施肥等因素影响使得土壤氮素分布空间异质性减弱。在有效磷和速效钾方面，杨树林和草甸地的空间异质性呈中等自相关性，而农田地却呈现微弱的自相关性，这与人为目的性生产有着密切关系［28］，农田是以农作物收获为目的的生产用地，受人为耕作、采收等随机性因子影响更为严重，而草甸和杨树林人为干扰相对较轻，再加上这两类样地还存在大量植物枯落物及地被物的返还，所以草甸地和杨树林地的空间异质性退化相对较缓慢［29］。草甸地有机质空间异质性变化既受土壤自身结构的影响又受外界随机因子影响，而杨树林地和农田地块金值与基台值十分接近，意味着杨树林地和农田地土壤有机质的空间变异完全受外界随机因子影响，这可能与这两类样地植被结构单一，回归土壤中的有机物或凋落物的量较少有关；土壤pH值方面，农田地显著高于草甸和杨树林（表2），且其变异系数相对较低，而块金系数农田为25.29%，草甸和杨树林分别为73.77%和65.47%，远低于后两者，这表明随机性因子对三类样地土壤pH值空间异质性影响趋于下降，随机性因子的影响可能会使土壤pH值变化加剧。表层土壤温度在杨树林地具有较强的空间自相关性，草甸具有中等空间自相关性，而农田无空间自相关性，可见，从杨树林到农田地，表层土壤温度随植被组成的变化有着明显的空间异质性变化；土壤含水率异质性表现为草甸地土壤含水率受人为干扰较轻，杨树林地和农田地受人为干扰较严重；而容重则表现为杨树林地和农田地受随机性因子的影响小于草甸地，这可能与草甸地常年经受放牧践踏有关。

4 结论

三类土地利用方式下，土壤化学性质变异性较物理性质明显；变异函数结构分析可知，三类样地土壤理化指标空间异质性变化受随机性因子影响严重；空间异质性分布：杨树林、草甸到农田地其土壤空间异质性依次呈现下降趋势。可见，随着人为干扰强度增加，土壤理化性质空间异质性下降，这在土地修复或种植利用过程中，可能会严重影响土壤结构发育和养分循环。