基于GS+的武功山山地草甸土壤速效钾空间变异研究

樊妮娜袁知洋

(1.江西生物科技职业学院，江西 南昌 330000；2.湖北省地质科学研究院，湖北 武汉 430000)

前言

钾是植物必需营养元素，土壤速效钾是吸附于土壤胶体表面的交换性钾和土壤溶液中的钾离子之和，因为植物主要是吸收土壤溶液中的钾离子，因此植物的钾营养水平主要决定于土壤速效钾的含量[1，2]，土壤的空间变异是客观存在的，其变异的根本因素是自然因素和人类活动，变异类型包括结构分异和随机变异2种[2]。土壤的形成经过一系列自然过程，自然因素是土壤特性的空间结构分异的内源动力[3，4]。有研究结果表明，土壤中不论是速效钾还是大量、中量或者微量养分元素的空间变异性，受土壤母质、地形影响较为显著[5-7]；人类因素对土壤养分特性的空间变异也有较大影响，人类对土壤理化性质的改变是多方位的，有添加养分作用，有造成养分流失的影响，有带来污染物的影响等。

为研究武功山山地草甸土壤速效钾的空间变异状况，本文以武功山核心景区的金顶至吊马桩一带的块状山地草甸为研究对象，对研究区草甸土壤上(0～20cm)和下(20～40cm)2层进行采样并运用ASI土壤养分状况系统分析法[8-10]测定土壤速效钾，采用GS+地统计学[11-14]进行了土壤速效钾的空间变异分析，并且进行了插值成图，通过对土壤速效钾的分布特征以及空间异质性研究分析，揭示武功山研究区草甸土壤速效钾的空间变异规律，为武功山草甸草甸养分的分区管理提供重要依据，为退化山地草甸植被恢复技术理论供参考。

1 材料与方法

1.1 武功山试验样地概况

试验样地位于武功山主峰金顶(N27°27′19″，E114°10′24″，1918.3m)到吊马桩(N27°27′59″，E114°10′31″，1598m)景区处的成片区山地草甸，草甸植物以禾本科为主，芒类(Miscanthus sinensis)为主要群落，其次是野古草(Arundinella anomala)为亚优势种[15]。如图1所示，该地区为武功山山地草甸的主景区。

图1 武功山金顶采样区卫星图和采样示意图

1.2 样品采集方法

在武功山金顶草甸研究区的采样设计：选取武功山主景区山地草甸土壤上(0～20cm)和下(20～40cm)2层为研究对象，在该片区内按顺序选取了117个草甸土壤采样点，每个采样点间距控制为30m左右，每个点用5点混匀取样法取样，分别取上(0～20cm)和下(20～40cm)2层土壤，并及时带回实验室处理，继而应用ASI土壤养分状况系统分析法，测出每个土样的速效钾指标，代表该点的土壤速效钾含量状况。

1.3 样品测定与数据分析方法

1.3.1 土壤样品速效钾测定的实验方法

本研究中土壤样品的速效钾测定主要基于ASI土壤养分状况系统[10]的乙酸铵提取测定方法，操作如下：碱溶速效钾(ASI-K)采用中性的1mol·L-1NH4Ac溶液浸提土壤钾离子，NH4+与土壤胶体表面的K+进行交换，连同水溶性K+一起进入溶液，浸提液中的K可直接用火焰光度法测定，土壤速效钾的单位为mg·L-1。

1.3.2 数据处理与统计方法

试验数据采用SPSS 17.0、GS+9.0(Gamma Design Software)等软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 武功山山地草甸土壤速效钾含量的统计特征分析

在用分析土壤速效钾的空间变异之前，需要对所有采样点的土壤速效钾数据值进行传统统计特征分析，这是武功山山地土壤速效钾的空间变异分析的前提和基础，对117个采样点的上、下层土壤样本进行土壤速效钾测定并对测定数据进行描述性统计学分析。分析结果见表1。

表1 武功山金顶片区山地草甸土壤速效钾描述性统计分析及正态分布检验

在ASI土壤养分分析系统研究中，其养分含量的分级标准是根据其阳离子的交换量来区分等级，土壤中主要养分的ASI分级指标见表2。

表2 土壤养分状况系统研究法(ASI)中壤土和粘土有效土壤养分分级指标

表3 草甸土壤速效钾含量分级情况

结合表1～3可以看出，速效钾方面，上、下层草甸土壤中低含量的样点占样点数分别为68.4%和94.87%，此地区的土壤速效钾的含量处于总体低值。土壤速效钾含量的变化范围：上层土壤速效钾的最大值和最小值分别为202.0mg·L-1和30.1mg·L-1，均值为72.7mg·L-1，下层土壤中速效钾的最大值和最小值分别为117.2mg·L-1、11.3mg·L-1，均值为45.50mg·L-1，按照分级标准如表2，在速效钾方面，武功山研究区金顶草甸土壤速效钾在土壤上层稍高于下层，总体上土壤速效钾在上层出现了一定的聚集。根据表1中的研究区草甸土壤速效钾指标的统计变异系数CV表明，上层(0～20cm)和下层(20～40cm)草甸土壤养分变异系数分别为30.40%和38.68%，均为中度变异。通过表1可以看出，主景区金顶草甸土壤上下层速效钾偏斜度分别为3.30%和4.18%，均小于5%，速效钾含量整体上均表现较为稳定不偏斜。

2.2 武功山土壤养分的空间变异特征分析

2.2.1 研究区草甸土壤速效钾的半方差函数分析

基于武功山草甸土壤区土壤采样的网格坐标分布和所测土壤速效钾含量值数据，在GS+7.0中进行数据模拟和输入，在软件的自动选择最优半方差函数模型下分析计算得出了草甸土壤钾的空间异质性的量化指标，即土壤速效钾空间变异的自相关距离和空间自相关程度，并且生成直方图和半方差函数模型图，见图2、图3，提取其中的参数形成表4。

表4 武功山研究区山地草甸土壤速效钾含量半方差函数特征参数表

图2 武功山研究区草甸土壤速效钾直方图

图3 武功山研究区草甸土壤速效钾方差函数图

土壤养分空间变异的自相关距离A0也叫变程(Range)或者独立间距[15]。本研究的采样点的间距约为30m，从图3和表4可以得出，研究区草甸上层土壤速效钾的自相关距离A0为325m，下层为119m，均大于30m的采样间距，说明30m的取样间距符合空间变异分析要求。

(C0/C0+C)则反映自相关部分的空间变异性占总空间变异性的程度，如表5，可作为研究因子空间相关的分类依据。

从表4可知，试验样地武功山金顶地区的土壤速效钾空间变异特征如下：上、下层草甸土壤中速效钾的空间自相关性系数(C0/C0+C)为49.99%和38.97%，属于中等强度的空间自相关，说明人为活动和自然因素综合作用对草甸土壤速效钾空间变异产生了作用。

2.2.2 武功山山地草甸土壤养分的空间分布格局

武功山山地草甸试验样地取样设置呈南北走向的成片状，从南端的最高峰金顶到北端的吊马桩景区，在此处的草甸覆盖区获得有限而且尽量规则的样点数据，在土壤养分变半异函数理论及结构分析的基础上，利用GS+中的Kriging空间局插值模块对试验样地的土壤速效钾含量和周围区域进行插值估计，绘制出土壤速效钾的空间分布格局图，如图4所示。试验地位于武功山主景区金顶至吊马庄一带，采样地边界范围约为12000m2。从图上插值结果上看，草甸土壤速效钾分布与金顶和吊马庄2个山峰的地形较吻合，并形成了类似等高线的分布，草甸土壤中上下层的速效钾含量均比较稳定，在主景区金顶无论是表层和深层土壤速效钾含量都达到最高值，且高于吊马桩一侧，但金顶到吊马桩之间的V型谷深层土壤速效钾含量较表层土壤高。

图4 草甸土壤速效钾指标空间插值图

3 结论与讨论

3.1 结论

常规描述性统计分析得出结论：武功山主景区金顶草甸土壤速效钾总体上速效钾含量偏低，在土壤上层稍高于下层，土壤速效钾在上层出现了一定的聚集。

研究区草甸上层土壤速效钾的自相关距离A0为325m，下层为119m，均大于30m的采样间距，说明采样过程中30m的取样间距属合理。

研究区草甸上、下层土壤速效钾的空间自相关性系数C0/(C0+C)均呈现出中等强度的空间自相关，因此人为活动和自然因素综合作用对武功山研究区的土壤速效钾含量产生影响。

基于GS+的空间插值成图，草甸土壤速效钾分布与武功山金顶和吊马庄2个山峰的地形较吻合，并形成了类似等高线的分布，草甸土壤中上下层的速效钾含量均比较稳定，在主景区金顶无论是表层和深层土壤速效钾含量都达到最高值，且高于吊马桩一侧，但金顶到吊马桩之间的V型谷深层土壤速效钾含量较表层土壤高。

3.2 讨论

本研究的结论表明，武功山主景区壤速效钾的含量处于总体低值，武功山草甸禾本科植物发育有优势很可能是对土壤缺钾的自然选择，总体上看目前武功山山地草甸土壤速效钾主要受人类活动和地形因素共同影响，因此需要加强在金顶景区的养分管理和旅游管理，防止对土壤环境的进一步污染。武功山的山地草甸土壤研究工作还处于起步阶段，主要有关于常规养分和养分影响的自然因素研究[16，17]，后续的研究工作需要长期动态监测土壤养分的空间变异状况，试验探究保护草甸的具体措施。