中国北方温带草原区土壤容重分层数据重建与空间格局分析

乔宇鑫，钟华平，朱华忠，邵小明，李愈哲

（1.西藏农牧学院高原生态研究所，西藏 林芝850400；2.中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室，北京100101；3.中国科学院地理科学与资源研究所陆地表层格局与模拟院重点实验室，北京100101；4.江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，江苏南京210023；5.中国农业大学资源与环境学院，北京市生物多样性与有机农业重点实验室，北京100193）

土壤作为陆地生态系统重要的组分，是植被赖以生存的重要基础，其理化性质不仅影响植物的生长，也制约着植物的生产力水平［1］。土壤容重是指原状土柱状态下单位体积的土壤质量。容重是土壤重要的基本物理性质，对土壤的透气性、入渗性、持水性、溶质迁移以及土壤抗蚀能力等特性有着重要影响［2］。土壤容重不仅可以定量表征土壤的持水性、入渗性、抗侵蚀性、透气性等生态功能，也是衡量土壤环境好坏的重要指标之一［3−4］。另外，土壤容重是土壤水库容估算的必需参数，也是准确估算土壤碳氮储量所必需的重要参数［5］。所以，建立完整系统的土壤容重数据，对于我国土壤学基础研究、生态环境评价以及土壤质量监测具有重要的现实意义。

目前国际标准化组织规定的土壤容重的采样方法有3 种：环刀法、切块法和土块法［6］，环刀法是最常用的方法。然而，所有的土壤容重采样方法均须建立在深挖土壤剖面的前提下，才能采集土壤的原状土样，进行土壤容重的测定。此操作耗时，且在野外大尺度实际应用中存在工作繁重，人力、物力耗费较大等问题，土壤容重测定的样点和数据量受到限制［7］，特别是大尺度以及特殊区域的容重数据更是难以获得（例如流域以及森林）［8−9］。所以，更多的研究是针对表层土壤的容重，对深层土壤研究鲜有报道［1，4，10］。同时，近年来，基于有限的土壤容重测定数据，建立传递函数预测模型，利用土壤其他属性来预测土壤容重，获得很好的效果，并被众多学者广泛认同［11］。如Wang 等［12］基于含沙量、坡度、有机碳含量、粘土含量及其转换组合指标建立了传递函数预测模型，并对黄土高原区域尺度表层土壤容重进行了模拟，土壤容重预测模型作为简便、快捷的土壤容重获取方法，越来越多地受到国内外学者的关注和应用［12−13］。

尽管如此，因为土地利用差异，植被差异，土壤类型异质性等，导致土壤传递函数存在一定局限性，其准确度和精度往往受限于特定区域的研究［14−16］。另一方面，在计算碳排放时，1997 年IPCC（intergovernmental panel on climate change）认为用每单位土地面积30 cm 深度内的土壤碳储量表示，但这种测算碳储量的方法可能因为土壤容重变化造成土壤膨胀或收缩而带来测量的不确定性，同时粘性土随土壤含水量和土层深度的变化也会造成土壤容重的改变从而影响碳储量的测算［17−19］。而且目前土壤传递函数少有考虑土层深度对土壤容重模拟的影响，也并未对分层土壤容重进行估算［5−7］。

中国北方温带草原地处东亚中部，自西向东有着丰富多样的土地利用类型和复杂的气候条件，这对土壤传递函数的构建增加了难度，并且鲜有这样大尺度范围的分层土壤容重报道。针对以上问题，本研究主要目的有：1）针对气候条件及区域情况，提出一种综合气候因子的多因素土壤容重计算方法，并分析中国北方温带草原区土壤容重的空间分布状况。2）利用现有的分层数据（一部分土壤容重分层数据），构建土壤容重分层传递函数，对土壤垂直剖面分层容重数据进行估算，并对土壤容重分层数据空间格局进行分析。 3）探讨土壤容重，草地类型和有机碳含量三者的关系。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

我国北方温带草原区有别于北方草原区，不仅包括北方草原地区的区域地理范围［20］，并延伸至新疆维吾尔自治区全区，包括内蒙古自治区和宁夏回族自治区全境，以及黑龙江、吉林、辽宁、河北、山西、陕西和甘肃等省（区）的部分地区，共计324 个县（市），地理位置 北 纬31°28′6″−54°35′53″，东 经67°56′46″−128°53′20″，总面积约345 万km2，是我国重要牧区之一（图1）。地形地貌复杂，从新疆维吾尔自治区的“三山两盆”，向东逐次过渡到阿拉善高原、鄂尔多斯高原、黄土高原、蒙古高原和松嫩平原。分布有塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠、巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、库姆塔格沙漠、乌兰布和沙漠、库布齐沙漠，以及毛乌素沙地、浑善达克沙地、科尔沁沙地、呼伦贝尔沙地等我国主要的沙漠和沙地；以及呼伦贝尔、松嫩、科尔沁、锡林浩特、乌兰察布、阿勒泰和伊犁等我国重点牧区［21−22］。北方温带草原区横跨干旱、半干旱和半湿润气候区，气候条件恶劣，生态环境脆弱，土地荒漠化严重。土地覆被类型丰富，包含农田、湿地、森林、草原、荒漠、沙漠等类型。土壤主要有漠土、钙层土、干旱土、淋溶土等类型。草地是本区域最主要植被类型之一，草地类型多样，包括温性草甸草原类、温性草原类、温性荒漠草原类、高寒草原类、高寒荒漠草原类、温性草原化荒漠类、温性荒漠类、高寒荒漠类、暖性草丛类、暖性灌草丛类、低地草甸类、山地草甸类、高寒草甸类、沼泽类、改良草地等15 种类型［23］。根据20 世纪80 年代草地调查统计，本区域草地面积163.5 万km2；根据“我国北方温带草原重点牧区草地资源退化状况与成因调查”项目最近调查结果，到2010 年草地保留面积141.5 万km2。

图1 北方温带草原区范围及调查样点分布Fig.1 Spatial distribution of the temperate grasslands in Northern China and distribution of survey sample sites

1.2 土壤容重调查和土壤样品采样

本研究共涉及两部分土壤数据，一部分来源于2013−2015 年“我国北方温带草原重点牧区草地资源退化状况与成因调查”项目，用于计算土壤容重空间分布。每50 km 设置1 个100 m×100 m 的草地植被群落调查样地，但具体需根据草地类型、利用方式和强度、以及立地条件而确定草地样地的设置，如在山地地区可能几公里需设置一个草地样地，而在草地类型相对单一的平原地区则样地间的距离可能在80 km 左右。该项研究共采集草地景观信息样点6716 个，草地调查样地587 个。本研究从2013−2015 年历时3 年完成草地的野外调查，于每年7−9 月开展草地的样方调查和采样。记录每个样地的经纬度、海拔、利用方式和景观照片等信息。每个草地样地沿对角线设置3 个1 m×1 m 的样方，在每个样方内沿对角线取3 个环刀的土样，取样部位为0～10 cm 土层的中间部位，并对取好土样的环刀编号，带回室内，置105 ℃烘箱内烘干至恒重，称重并换算成标准单位（g·cm−3），环刀规格为100 cm3。土壤理化分析样品采用土钻法取样，用33 cm 内径的土钻，按0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 土层分层取样，每个样方取3 钻，按样方编号分层混合取样，分别装在8 号塑封袋内，样品编号后带回室内。在室内，把土壤样品摊开风干，混合均匀后用四分法取样分析，研磨后过0.15 mm 网筛，将过筛后样品装小号的塑封袋，编号后送中国科学院植物研究所分析中心进行全碳、有机碳含量分析。碳含量采用干烧法测定［24］，测定仪器为元素分析仪（DELTA V Advantage+Flash 2000，德国）。

另一部分数据来源于中国科学院先导专项草地调查143 个草地样地的土壤分层调查数据，用于建立土壤分层传递函数。其土壤容重和土壤分析样品的采样方法根据《中国草地生态系统固碳现状、速率和潜力研究调查规范》进行采样［25］。采用壕沟法，在样方一侧开挖一个100 cm（长）×50 cm（宽）×100 cm（深）的壕沟，建立一个土壤剖面，根据剖面按0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm 土层分层取样，并进行5 个样方的重复采样。此方法过于耗时、费力，在北方温带草原区的大规模调查中难以实施。在室内，把土壤样品摊开风干，混合均匀后用四分法取样分析，研磨后过0.15 mm 网筛，将过筛后样品装小号的塑封袋，编号后送中国科学院植物研究所分析中心进行全碳、有机碳含量分析。

1.3 地理要素空间数据与处理

利用多因素加权回归模型（multi−factor weighted regression model，MWRM）［25］对北方温带草地土壤容重计算时需要有相关地理要素空间数据，主要包括遥感数据、气候数据、地形数据、草地资源类型分布数据等。

1.3.1 遥感数据 北方温带草原区2013−2015 年8 月中旬的归一化植被指数（normalized difference vegetation index，NDVI）的平均数据来源于美国地质调查局的MODIS 数据产品（MOD13A2），用MRT（modis reprojection tool）工具批量转投影和拼接，空间分辨率为1 km。

1.3.2 气候数据 根据国家气象局提供的2013−2015 年气象台（站）观测数据，运用ANUSPLIN 专业气象插值软件，建立年均气温、年降水量、≥10 ℃年积温、湿润度［23］等空间数据，空间分辨率为1 km。

1.3.3 DEM 数据 来源于国家地球系统科学数据共享平台（www.geodata.cn），数字高程模型（digital elevation model，DEM）数据的空间分辨率为30 m。

1.3.4 草地资源类型分布数据 基于20 世纪80 年代全国草地调查1：100 万草地类型图矢量数据，利用2010年TM（thematic mapper）影像数据对北方温带草原区进行解译和修编，获得2010 年北方温带草地资源类型分布矢量数据，精度20 m。

1.3.5 草地样地的地理要素数据的匹配与提取 根据北方温带草原区587 个草地样地调查点的经纬度信息，在ArcGIS 中加载上述地理要素空间数据，分别提取与每个样地相匹配的海拔、NDVI、年均温、年降水量、≥10 ℃年积温、湿润度6 个要素的值，与587 个样地的表层土壤容重值（其中2/3 共计397 个样地数据作为建模数据，剩余190 个样地数据作检验数据），共同构建一个包括6 个生态要素、表层土壤容重、土壤有机碳含量的数据集，用于相关的统计、回归和空间格网化分析。

1.4 数据统计与分析

1.4.1 数据统计与回归分析 有关样地调查的土壤容重和有机碳含量数据、土壤有机碳含量随土层深度变化（KSOC）、土壤容重随土层深度变化的相关性分析（KSBD）、土壤表层容重与各地理要素间的相关性分析和回归分析、以及土壤容重垂直剖面变率系数（KSBD）与土壤有机碳含量垂直剖面变率系数（KSOC）的相关性分析等，均采用SPSS 20.0 进行统计分析。

1.4.2 土壤容重分层传递函数构建 根据中国科学院先导专项草地调查143 个草地样地的调查数据，通过SPSS 20.0 进行K−S 正态检验（P＜0.01），删除明显异常和土壤剖面不完整的样地，最终得到117 个有效样地参与统计分析。根据117 个有效样地土壤容重调查的分层数据和土壤有机碳含量分层数据，利用线性回归分析，分别求得每个样地的土壤容重和土壤有机碳含量随土层深度变化的垂直剖面变率系数KSBD和KSOC，并构建土壤容重垂直剖面变率系数（KSBD）随土壤有机碳含量垂直剖面变率系数（KSOC）分层变化的传递函数方程。根据所构建的传递函数方程，分别对北方温带草原区草地0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm 等不同土层的土壤容重进行估算。

其中，a和b分别为模型常数项；SBD（x）为某土层的土壤容重值，当x=0 时为土壤表层（0～10 cm）的土壤容重，x=1 时为土壤10～20 cm 土层的土壤容重值；x=2 时为土壤20～30 cm 土层的土壤容重值；x=3 时为土壤30～50 cm土层的土壤容重值；KSBD为土壤容重垂直剖面变率系数。

1.4.3 土壤容重空间格网化过程 根据北方草地样带调查中获取的土壤表层容重数据，以及海拔、年均温度、年均降水量、≥10 ℃积温、湿润度、NDIV 6 个地理要素数据，运用MWRM 模型方法［25］，分别构建土壤表层容重和土壤有机碳含量垂直剖面变率系数空间插值（估算）MWRM 模型，获得我国北方草原区土壤表层容重（0～10 cm）的空间栅格数据（1 km×1 km），和土壤有机碳含量垂直剖面变率系数（KSOC）空间栅格数据（1 km×1 km），方法详见文献［12，24］。

同时，根据土壤容重分层传递函数模型（公式1 和2）对北方温带草原区草地分层土壤容重的空间估算，实现草地0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm 等不同土层的土壤容重空间格网化估算。

2 结果与分析

2.1 北方温带草原区表层土壤容重空间分布格局

根据北方温带草原区草地表层土壤容重的多因素加权回归模型［25］，插值建立我国北方草原区土壤表层（0～10 cm）容重的空间栅格数据（图2）。

根据北方温带草原区190 个检验样地数据的验证分析（图3），北方温带草原区草地表层（0～10 cm）土壤容重的平均预测误差、均方根差、相对误差和复相关系数分别为0.018、0.223、16.2%和0.5386。检验结果表明：利用多要素数据源反演插值方法得到的北方温带草原区草地表层（0～10 cm）土壤容重的空间分布数据具有较高的可靠性和精度。

2.2 北方温带草原区草地分层土壤容重空间分布格局

根据北方温带草原区草地表层（0～10 cm）土壤容重的空间分布数据（图2），运用土壤容重垂直剖面变率系数传递函数模型（公式1，2），除去沙漠、农田等非草地地理单元，获得北方温带草原区分层土壤容重的空间分布数据（图4）。

从土壤容重分层栅格空间数据可知（图2 和图4），不同土层土壤容重在空间变化规律上呈一致性，表现为中部和西北部高（主要分布着温性荒漠草原和温性荒漠草地类型），东部和西南部低（主要分布着温性草甸和山地草甸）的现象。

根据土壤容重分级统计分析（表1），我国北方草原区草地的土壤容重主要分布在1.5 g·cm−3以上，占总草地面积的61.58%。I 类土壤容重（0～0.8 g·cm−3）零星分布在天山和阿勒泰等山区，主要草地类型为高寒草甸，占总草地面积4.54%；Ⅱ类土壤容重（0.8～1.2 g·cm−3）集中分布在天山，阿勒泰，大兴安岭及昆仑山等山区，主要草地类型为山地草甸，占总草地面积13.16%；Ⅲ类土壤容重（1.2～1.5 g·cm−3）集中分布在内蒙古高原东部和呼伦贝尔高原，主要草地类型为温性草甸和山地草甸，占总草地面积20.74%；Ⅳ类土壤容重（1.5～1.8 g·cm−3）集中分布在内蒙高原西部，黄土高原北部，准格尔盆地北部和阿拉善高原边缘，主要草地类型为温性草原和温性荒漠草原，占总草地面积36.03%；Ⅴ类土壤容重（1.8～2.2 g·cm−3）集中分布在准格尔盆地南部，南疆盆地边缘以及阿拉善高原中部，主要草地类型为温性荒漠类，占总草地面积25.55%。并且随着土层深度的增加，Ⅴ类土壤容重草地所占比重有增加趋势，相比较于表层（0～10 cm），30～50 cm 土层Ⅴ类土壤容重草地总面积增加了21.27%；而I～Ⅳ类型土壤容重（0～1.8 g·cm−3）草地相较于表层土（0～10 cm）所占比重有减少趋势，总面积减少了21.27%。

图2 北方草原区表层（0～10 cm）土壤容重空间分布Fig.2 Spatial distribution of surface soil（0-10 cm）soil bulk density of northern temperate grasslands

图3 北方草原区表层（0～10 cm）土壤容重预测值与实测值检验Fig.3 Validation of surface soil（0-10 cm）soil bulk density estimation of northern temperate grasslands

2.3 不同区域草地分层土壤容重比较

统计分析结果表明，我国北方温带草原区草地平均土壤容重为1.50 g·cm−3，其中阿勒泰山区土壤容重最低，平均为1.03 g·cm−3，表层容重平均为0.95 g·cm−3；其次为天山山区，平均容重为1.13 g·cm−3，表层容重平均为1.06 g·cm−3；第三为大兴安岭地区，平均容重为1.19 g·cm−3，表层容 重平均为1.10 g·cm−3。南疆盆地的草地土壤容重最高，平均容重为1.99 g·cm−3，表层容重平均为1.94 g·cm−3；其次为阿拉善高原的草地，平均容重为1.84 g·cm−3，表层容重平均为1.77 g·cm−3；第三为河套及土默川平原的草地，平均容 重 均 为1.76 g·cm−3，表 层 容 重 均 为1.68 g·cm−3（表2）。

2.4 不同草地类型分层土壤容重比较

根据北方温带草原区草地类型分布数据［23］，提取主要草地类型的土壤容重数据，进行不同类型草地分层土壤容重的比较分析（表3），结果表明：不同草地类型土壤容重有明显差异，其中高寒草甸类土壤容重最低，平 均 为0.76 g·cm−3，表 层 容 重 平 均 为0.69 g·cm−3；其次为低地草甸和沼泽类，平均容重均为0.82 g·cm−3，表层容重分别为0.75 和0.74 g·cm−3；第三为山地草甸，平均容重为0.99 g·cm−3，表层容重平均为0.91 g·cm−3。温性荒漠类土壤容重最高，平均为1.80 g·cm−3，表层容重平均为1.72 g·cm−3；其次为温性草原化荒漠类，平均为1.66 g·cm−3，表层容重平均为1.58 g·cm−3；第三为高寒荒漠草原类，平均为1.60 g·cm−3，表层容重平均为1.52 g·cm−3。

图4 北方温带草原区不同土层土壤容重空间分布Fig.4 Spatial distribution of soil bulk density at different layers of northern temperate grasslands

表1 不同土层土壤容重分级所占面积比例Table 1 Distribution of stratified soil bulk density in different soil layers（%）

表2 不同地理区域土壤容重Table 2 Soil bulk density in different depths and geographical regions（g·cm-3）

表3 不同草地类型草地分层土壤容重Table 3 Soil bulk density in different depths and grassland types（g·cm-3）

3 讨论

3.1 草地类型和有机碳含量与土壤容重的关系

土壤容重的变化不仅受结构、紧实度和土地利用类型等土壤自身属性影响［26］，粘土含量、含水量、含沙量、深度、pH 值和有机碳含量等土壤理化性质也是影响土壤容重变化的主要因素［27］。但影响土壤容重变化最主要的原因是有机碳含量［28−30］。有机碳含量是有机质输入和矿化的一个综合结果，而对于草地生态系统而言，有机质的输入主要依赖于草本植物的光合作用以及一些小灌木的凋落物，而不同的草地类型对于有机物输入的能力是有差异的，从而对土壤容重产生影响。

另一方面，土壤类型的形成和分布与生物气候带相适应，不同草地类型的土壤容重变化范围较大。就研究区内的草地而言，主要的草地类型有3 类：温性草原，温性荒漠草原和草甸草原。分别形成了栗钙土，棕钙土和黑钙土3 种相适应的土壤类型，这3 种土壤类型结构和含水量等土壤理化性质有较大差异，这些差异反过来也会影响植被的分布。一般而言，棕钙土的土壤孔隙度要大于黑钙土，土壤硬度增加，土壤持水能力减少，这些都会使土壤容重增加。Carlos 等［27］发现，土壤容重增加会显著影响土壤对有机碳含量的积累和持有能力。草地类型的变化导致土壤容重的增加或减少，进而影响有机碳含量。

3.2 土壤容重空间格局的比较分析

根据不同学者对不同地区土壤容重研究结果的比较分析，本研究重建的土壤容重分层数据与其结果相接近（表4），基本反映了北方温带草原区草地土壤容重空间分布格局的客观存在。但个别区域存在明显差异，本研究搜集了研究区内7 个主要不同地形分区的相关研究，由于土壤容重采样的困难和不确定性，样方设置的差异性和不均一性等因素，不同学者建立的土壤容重预测模型也不尽相同，所以在土壤容重预测结果上也有偏差。周李磊等［31］使用多因素加权回归模型（multi-factor weighted regression model，MWRM）［25］对新疆伊犁146 个采样点进行预测，结果差异较大。这可能是因为周李磊等［31］没有对伊犁地区土壤容重分土层深度进行预测。有研究表明，伊犁地区垂直方向不同深度范围土壤容重差异显著［32］，而且由于伊犁地区地形特殊，土层中含有较多砾石，这更增加了垂直方向上土壤容重的变异性，张文太等［32］发现存在砾石会使土壤容重偏高约16%，这说明伊犁地区表层土与深层土壤组成的差异会造成土壤容重的变化。成鹏［33］主要对天山北坡乌鲁木齐段山地草甸围栏内0～30 cm的土壤容重进行测量，并且样点数量少，并没有能完全反映天山山脉土壤的实际情况。王进等［34］对呼伦贝尔草地27 个采样点进行土壤容重分析，结果与本研究差异显著。一方面是因为采样点数量太少，对于区域尺度的研究样点数量过少无法充分反映该区域的土壤特征；另一方面，选取的样地特征不同，王进等［34］选取呼伦贝尔沙漠化梯度的样地，并且样地多在沙漠边缘，没有对其他类型的草地进行取样。这种差异也可能受到研究区域的边界范围、土壤异质性等影响。

表4 不同地区土壤容重研究结果比较Table 4 Comparison of soil bulk density research results in different regions

3.3 传递函数方法的应用

我国地域广阔，自然地理环境复杂多变，不同土纲中土壤容重与其他土壤属性的关系并不完全相同，因此大部分学者在充分考虑了土壤地域性的同时［35−37］，运用传递函数方法在土壤容重研究和估算上取得很好的应用，韩光中等［36］基于土壤系统分类对我国现有的土壤数据资料进行分组，对各土纲建立多项式模型。这种方式在一定程度上提高了模型预测的精度，但是这种分类建立模型并不适用复杂的土壤环境，也并未考虑在剖面深度上土壤容重的变化趋势；另一方面，这些研究提出的模型和以往的经验模型一样，未考虑地形、气候、母质等因素［38−41］。因此，对于大范围的土壤容重预测，构建更加精确的土壤容重传递函数是必要的。

本研究利用中国科学院先导专项草地调查完整的土壤容重剖面数据，在充分考虑土壤地域性差异和深度对土壤容重变异的影响，结合北方温带草原的气候，地形等因素，构建北方温带草原土壤容重分层传递函数。在一定程度上提高了土壤容重预测的精度，为大尺度区域构建土壤容重传递函数提供思路。并加强了对土壤母质和土壤粒度数据的参与。

4 结论

基于采样数据，利用土壤分层传递函数，对中国北方温带草原区0～50 cm 表层土壤容重空间格局进行模拟。结果表明：1）中国北方温带草原区土壤容重在空间上呈现中部和西北部高，东部和山区低的现象，草地平均土壤容重为1.50 g·cm−3。2）土壤容重在空间上表现出地理异质性，其分布趋势与草地类型有一致性，并主要受到土壤有机碳含量的影响。3）通过与其他学者实际测量结果比较，这种利用现有分层土壤数据建立分层传递函数模型，并应用大尺度格局土壤容重分布模拟的方法是可行并准确的。