大慶地區不同土地利用下土壤空間異質性研究

徐海軍 ，姚 琴，孫宇峰，王曉飛 ，王文杰

（1．東北林業大學森林植物生態學教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040；2．黑龍江省科學院大慶分院，黑龍江 大慶 163319；3．大慶油田礦區事業服務部園林綠化公司，黑龍江 大慶 163711）

土地利用是人類目的性管理土壤的活動行為，其中植被和人為干擾對土壤理化性質的變化產生重要影響［1-2］。植被與土壤之間是一種相互依賴和相互制約的關系［3-4］。土壤能持續全面地為植物生長提供養分，而植物通過根系的伸展、養分吸收、凋落物的積累、庇蔭、種間對資源和空間的競爭以及其它形式來影響土壤的結構和功能［5-6］。然而，人工能量輸入、翻耕、放牧、踩踏等隨機性因子在土地利用過程中對土壤結構、養分循環也有著深刻的影響。在空間尺度上，分析不同土地利用方式下土壤養分空間異質性變化，了解土壤結構變化趨勢，對農業生產、生態恢復有指導意義。

大慶地區位于松嫩平原中西部，既是松嫩平原重要的糧食產區之一，也是蘇打鹽堿地集中分布區之一，土壤板結、肥力下降等現象嚴重制約了該地區農業經濟的發展。近些年，有關土壤養分空間異質性的研究成為國內外研究的熱點［7-8］，如植被類型對土壤養分的影響［9］，不同森林植被類型覆蓋下土壤養分的空間異質特征變化［10-11］，植物群落組成及群落中植物個體分布格局對土壤結構和元素的異質化等［12］。目前，有研究表明：灌木林相較于喬木林和灌草叢，其土壤養分的空間異質性最大［13］；胡忠良等［14］研究發現土壤各養分庫在喬木林中表現為最高，在灌草叢中表現為最低；還有許多研究表明不同森林植被覆蓋對土壤養分的空間分布有較大影響［15-16］?？梢?，由植被結構和分布對土壤養分因子的空間變異影響較大，在森林生態系統中，植被對土壤結構、理化性質空間變異研究較多，而對于松嫩平原鹽堿地區土壤空間變異，植被類型與土壤理化性質空間異質性變化關系等相關研究較少。在小尺度范圍內，本文通過對人工林地、草甸地、農田地三類土地利用方式下土壤理化性質異質性分析，以期了解不同土地利用方式下土壤性質變異性，分析異質性變化趨勢和影響因子，為大慶地區土地綜合利用提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗樣地位于大慶市星火牧場轄區，西距杜蒙縣20 km，東與林甸縣花園鄉毗鄰，北與林甸縣紅旗鎮搭界?？偯娣e17 467 hm2，其中，耕地2 933 hm2，草原10 667 hm2，林地2 333 hm2，以牧業為主，農、牧、工業結合發展。

該區屬典型溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷，春秋風多，雨熱同季，年降水量427 mm；年均溫4.2℃，極端溫度最高39.8℃，最低-39.2℃；全年無霜期較短，大約140 d左右，年日照時數2 726 h。

1.2 樣地設置

選擇楊樹林、草甸、農田三類植被型樣地（表1），楊樹林地選擇15年以上的人工近熟林，草甸地為多年開放性草甸，農田地為永久性輪作耕地，在三類樣地內設置50 m×50 m固定樣地，經5 m×5 m網格化后隨機選擇5個樣方采集土樣。

1.3 樣地調查及采樣方法

采用10 m×10 m樣方調查喬木層植被，2 m×2 m樣方調查灌草層植被；喬木層調查郁閉度、密度、株高、胸徑等指標［17］，灌草層調查植物種類、優勢種、蓋度等指標（表1）。

土樣采集利用“S”型多點采樣法，收集0～25 cm土層的混合樣，帶回實驗室待測；另外，用土壤環刀（100 cm3）采集土樣測定容重，每個樣方3次重復。

1.4 測試方法

土壤含水率用烘干法；土壤容重、孔隙度用環刀法測量；土壤有機質用重鉻酸鉀外加熱法測定；堿解氮用堿解擴散法；有效磷用鉬銻抗比色法；速效鉀用醋酸銨浸提-火焰光度法；土壤 pH值：稱取5 g土樣，加入25 mL去離子水，充分混勻，用酸度計（Sartorius 120 PB-10）測定［18］。

1.5 數據處理

土壤理化性質描述性統計、單因素方差分析（one-way ANOVA）、變異系數（CV）借助SPSS 16.0完成；利用ArcGis 10.0地統計學分析模塊對試驗數據進行正態性檢驗，然后進行半變異函數計算［19］、理論模型的擬合、最優擬合檢驗，最后，進行普通克里格插值［20-21］。

2 結果與分析

2.1 不同樣地土壤理化性質變異分析

三類樣地土壤pH值介于7.79～8.18之間，變異系數在1.31%～4.08%之間，具有微弱變異性，pH值由高到低順序依次為農田、楊樹林、草甸；淺層土壤溫度和土壤容重也呈現微弱的變異性，其變異系數波動區間分別為4.88%～8.56%、6.4%～10.05%，農田地淺層土壤溫度稍低于楊樹林地和草甸地，后兩者差異不顯著，容重由大到小順序依次為楊樹林、草甸、農田，草甸地和農田地容重差異不顯著（表2）。

土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質和土壤含水率在三類植被類型下均呈現為中度變異性，其變異系數波動區間為12.16%～45.12%，其中，N、P、K在楊樹林條件下變異波動較另兩類樣地稍大，有機質在草甸地和農田地的變異性較楊樹林地稍大。3種植被類型下，農田土壤堿解氮、有效磷、pH值顯著（P＜0.05）最高，草甸地土壤速效鉀、有機質、含水率含量顯著（P＜0.05）最高。

2.2 不同樣地土壤理化性質空間異質性特征

三類樣地的土壤理化性質數據正態性分布較好（表3），除了楊樹林地的有效磷，草甸地土壤堿解氮、含水率、pH值，農田地土壤含水率數據呈現偏態分布外，其它指標數據均呈現近正態分布。對上述偏態分布數據進行自然對數（log）轉化后，呈現出近正態分布，符合地統計學分析。

表3 土壤理化性質正態分布檢驗結果

對變異函數進行模型擬合，交叉驗證結果顯示（表4）：在三類樣地條件下，球面模型對大多數土壤理化性質指標空間異質性有較好的擬合效果。

三類樣地中，土壤堿解氮在楊樹林和草甸地的塊金系數均大于75%，具有較弱的空間自相關性，楊樹林地塊金值高于草甸地，農田地土壤堿解氮塊金值為0，表明較小的空間尺度上農田土壤堿解氮趨于均質性，變程楊樹林＞農田＞草甸；土壤有效磷在草甸和農田的塊金系數均高于75%，具有較弱的空間自相關性，楊樹林塊金系數為45.33%，具有中等空間自相關性，塊金值農田高于楊樹林和草甸，變程農田＞楊樹林＞草甸；土壤速效鉀在楊樹林和草甸的塊金系數介于25%～75%之間，具有中等的空間自相關性，而農田地土壤速效鉀塊金系數大于75%，具有較弱的空間自相關性，塊金值草甸遠高于楊樹林和草甸，變程為草甸＞楊樹林＞農田；土壤有機質在楊樹林塊金系數達100%，表明其空間變化完全受隨機性因子影響，農田的塊金系數大于75%，表明具有弱的空間自相關性，而草甸地土壤有機質塊金系數為67.22%，具有中等空間自相關性，塊金值草甸最高，楊樹林最低，變程為楊樹林＞草甸＞農田；pH值在三類植被類型土壤中的變異性表現為中等空間自相關性，變程楊樹林＞草甸＞農田。

表4 不同樣地類型土壤理化性質半變異函數理論模型及相關統計參數

在三類樣地中，土壤表層溫度的塊金系數變化很大，楊樹林的塊金系數為9.05%，具有較強的空間自相關性，草甸為36.99%，具有中等空間自相關性，而農田的塊金值為0，表明表層溫度的變化幾乎不受隨機性因子的影響，且趨于均質性，變程為楊樹林＞草甸＞農田；土壤含水率在楊樹林的塊金系數大于75%，具有弱的空間自相關性，而草甸和農田塊金系數介于25%～75%之間，具有中等的空間自相關性，塊金值草甸遠小于楊樹林和農田，變程為楊樹林＞草甸＞農田；土壤容重塊金系數三類樣地均介于25%～75%之間，具有中等空間自相關性，塊金值草甸遠高于楊樹林和農田，變程為草甸＞楊樹林＞農田。

2.3 不同樣地土壤理化性質空間分布特征

通過Kriging插值可知（圖1），三類樣地土壤水分、溫度、容重等物理性質空間異質性相對較強，堿解氮、有效磷、速效鉀、pH值等化學性質的空間變異性相對較弱，甚至趨于同質性?？傮w上，三類樣地土壤化學性質的克里格插值圖呈現片狀或條帶狀分布，且層次不清晰；溫度、容重等物理性質的空間異質性插值圖呈現斑塊狀分布，且層次清晰。

圖1 不同樣地類型下土壤理化性質克里格插值圖

從三類樣地土壤理化性質異質性變化趨勢看，農田地、草甸地、楊樹林地土壤中有效磷、速效鉀的異質性依次趨于增強（表4，圖1）；pH值表現為農田地、楊樹林地、草甸地的異質性分布依次減弱；土壤表層溫度、容重表現為楊樹林和草甸向農田依次呈減弱趨勢；水分表現為草甸土異質性較強，而農田和楊樹林趨于均質性。

3 討論

3.1 不同土地利用對土壤養分補充的影響

在大慶地區，楊樹林、草甸、農田三類土地利用格局已呈常態，隨著人類生產，這三類植被類型土壤呈現出明顯的板結、肥力下降趨勢［22-23］。在人類目的性生產過程中，樣地各自植被群落特征及生命活動影響土壤化學性質和營養狀況發生變化［24］，而凋落物歸還量及分解速率是決定土壤養分含量狀況和養分循環的主要因素［25］。三類試驗樣地中，草甸地植被茂盛、物種豐富，雖呈斑塊分布，但蓋度仍可高達73%（表1），每年刈割地上部分，使得生物返還量銳減，但土層中仍保有大量的植物根系［26］，因此，三類樣地中草甸地有機質含量顯著高于另兩類樣地（P＜0.05）；楊樹林地喬木層植被主要由15～20年的小葉楊（Populus simonii）組成，結構單一，林下雖生長著多種矮小植物，但地被稀疏，淺土層中有機質的補充量有限，土壤有機質的返還主要依靠枯落物的分解，由于牲畜踩踏和人為干擾促使土壤緊實度增加，這可能直接影響土壤動物和微生物的活動，從而致使凋落物的分解似乎較慢，有機質含量偏低。相對于楊樹林地和草甸地而言，農田地土壤受人為耕作和施肥的影響最大，根據現有的耕作方式，地上生物量幾乎全部移走，返還量幾乎為零。土壤有機質是形成土壤結構和肥力的重要因子，直接影響著土壤持水能力、水穩性團聚體、抗侵蝕能力以及容重等物理特性［27］，有效增加土壤有機質可以為土壤微生物、土壤動物提供大量的碳源和充足的養料，加快腐殖質化和礦化的進程，從而促進土壤化學性質恢復和礦質養分的補充，從三類土地利用方式來看，草甸地土壤養分循環方面及養分狀況要好于楊樹林和農田地。

3.2 不同土地利用方式土壤空間異質性變化

三類樣地堿解氮空間自相關性微弱，受隨機性因子影響較大，尤其是農田地堿解氮分布趨于均質性，這表明人類活動、放牧等隨機性因子對土壤肥力影響較嚴重，在農田地的耕作過程中，土壤翻動、人工施肥等因素影響使得土壤氮素分布空間異質性減弱。在有效磷和速效鉀方面，楊樹林和草甸地的空間異質性呈中等自相關性，而農田地卻呈現微弱的自相關性，這與人為目的性生產有著密切關系［28］，農田是以農作物收獲為目的的生產用地，受人為耕作、采收等隨機性因子影響更為嚴重，而草甸和楊樹林人為干擾相對較輕，再加上這兩類樣地還存在大量植物枯落物及地被物的返還，所以草甸地和楊樹林地的空間異質性退化相對較緩慢［29］。草甸地有機質空間異質性變化既受土壤自身結構的影響又受外界隨機因子影響，而楊樹林地和農田地塊金值與基臺值十分接近，意味著楊樹林地和農田地土壤有機質的空間變異完全受外界隨機因子影響，這可能與這兩類樣地植被結構單一，回歸土壤中的有機物或凋落物的量較少有關；土壤pH值方面，農田地顯著高于草甸和楊樹林（表2），且其變異系數相對較低，而塊金系數農田為25.29%，草甸和楊樹林分別為73.77%和65.47%，遠低于后兩者，這表明隨機性因子對三類樣地土壤pH值空間異質性影響趨于下降，隨機性因子的影響可能會使土壤pH值變化加劇。表層土壤溫度在楊樹林地具有較強的空間自相關性，草甸具有中等空間自相關性，而農田無空間自相關性，可見，從楊樹林到農田地，表層土壤溫度隨植被組成的變化有著明顯的空間異質性變化；土壤含水率異質性表現為草甸地土壤含水率受人為干擾較輕，楊樹林地和農田地受人為干擾較嚴重；而容重則表現為楊樹林地和農田地受隨機性因子的影響小于草甸地，這可能與草甸地常年經受放牧踐踏有關。

4 結論

三類土地利用方式下，土壤化學性質變異性較物理性質明顯；變異函數結構分析可知，三類樣地土壤理化指標空間異質性變化受隨機性因子影響嚴重；空間異質性分布：楊樹林、草甸到農田地其土壤空間異質性依次呈現下降趨勢?？梢?，隨著人為干擾強度增加，土壤理化性質空間異質性下降，這在土地修復或種植利用過程中，可能會嚴重影響土壤結構發育和養分循環。