全 文 ：土地利用变化对沙地土壤全氮空间分布格局的影响 3
陈伏生1 ,2 　曾德慧1 3 3 　陈广生1 ,2
(1 中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110016 ;2 中国科学院研究生院 ,北京 100039)
【摘要】　利用经典统计学和地统计学相结合的方法 ,分析了科尔沁沙地东南缘草地和 8 年前开垦的耕地
土壤全氮含量和空间分布格局. 结果表明 ,草地与耕地表层 (0～10 cm) 土壤全氮含量差异不显著 ,亚表层
(10～20 cm)含量差异显著 ( P < 0105) ;耕地土壤全氮贮量比草地高 262136 kg·hm - 2 . 草地与耕地比较 ,表
层和亚表层土壤全氮的空间分布格局均有明显差异 ,草地土壤全氮的基台值、空间相关度比耕地小 ,而其
变程和分数维比耕地大 ;草地土壤全氮水平空间异质性低 ,水平空间分布格局比较均匀 ,而耕地土壤全氮
水平空间异质性高 ,水平空间分布格局明显. 草地表层与亚表层土壤全氮含量差异显著 ( P < 0105) ,空间
结构特征和空间分布格局差异明显 ,但空间分布格局有较强的相关性 ( r = 01395 , P < 0105) ;耕地表层与
亚表层土壤全氮含量差异不显著 ( P < 0105) ,但空间结构特征有一定的差异 ,而空间分布格局相类似 ,空
间相关性极高 ( r = 01683 , P < 0101) . 可见 ,农业活动不仅影响土壤中全氮的含量 ,还影响着其空间结构特
征及其水平和垂直空间分布格局. 这对深入理解土地利用变化对生态系统氮素格局及其循环的影响具有
重要意义.
关键词 　农业活动 　土壤全氮 　地统计学 　科尔沁沙地 　空间格局
文章编号 　1001 - 9332 (2004) 06 - 0953 - 05 　中图分类号 　X17114 　文献标识码 　A
Effect of land use change on spatial distribution pattern of soil total nitrogen in Keerqin sandy land. CHEN
Fusheng1 ,2 ,ZEN G Dehui1 ,CHEN Guangsheng1 ,2 (1 Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sciences ,
S henyang 110016 , China ;2 Graduate School of Chinese Academy of Sciences , Beijing 100039 , China) . 2Chin.
J . A ppl . Ecol . ,2004 ,15 (6) :953～957.
By using statistics and geostatistics ,this paper studied the content and spatial pattern of soil total nitrogen ( TN)
in a glassland and an arable land of southeast Keerqin sandy land. The TN content in 0～10 cm soil layer of the
arable land reclaimed from a glassland 8 years ago was not different from that of the virgin grassland ,but the TN
content in 10～20 cm soil layer was higher than that in the grassland ( P < 0. 05) . The soil TN storage in the
grassland was 262. 36 g·hm - 2 higher than that in the arable land ,and its spatial pattern was significantly differ2
ent between arable land and grassland. The heterogeneity and spatial dependence of TN in each soil layer (0～10
cm and 10～20 cm) of the arable land were larger than those of the grassland ,and the ranges and fractal dimen2
sions of TN in each soil layer of the arable land were larger than those of the grassland. There existed a clear hori2
zontal spatial structure heterogeneity and spatial distribution pattern in the arable land ,while in the grassland ,the
horizontal spatial structure heterogeneity was very low ,and the horizontal spatial distribution pattern was random
and uniform. The TN content in the 0～10 cm and 10～20 cm soil layers of the arable land had no difference ( P
< 0. 05) ,its spatial structure characters had some difference ( P < 0. 05) ,and its spatial distribution pattern was
very similar ( r = 0 . 683 , P < 0. 05) . The TN content and its spatial structure characters between two soil layers
of the grassland had remarkable difference ( P < 0. 05) ,but its spatial distribution pattern in the two layers was
relatively similar ( r = 0 . 395 , P < 0. 05) . In conclusion ,agricultural activity could not only influence soil TN con2
tent ,but also influence its spatial structure characteristics and spatial distribution pattern. Therefore ,our study
might promote the further study on the effect of land use change on soil nitrogen distribution pattern and its cy2
cling in ecosystems.
Key words 　Agricultural activity , Soil total nitrogen , Geostatastics , Keerqin sandy land , Spatial pattern.3 国家“十五”科技攻关计划项目 (2002BA517A1125) 、中国科学院知
识创新工程重要方向项目 ( KZCX32SW2418) 和内蒙古自治区“十五”
科技攻关资助项目 (20010103) .3 3 通讯联系人.
2003 - 08 - 12 收稿 ,2004 - 01 - 08 接受.
1 　引 　　言
氮是生态系统中含量最丰富的元素之一 ,也是
大多数农业和自然陆地生态系统初级生产过程中最
受限制的元素之一[8 ,15 ,22 ,25 ,26 ] . 同时 ,氮与碳、硫、
磷等元素的循环是相互耦合的[13 ] ,氮素能形成多种
形式的温室气体[16 ] . 因此 ,氮元素的研究倍受关
注[11 ,21 ,22 ,26 ] . 研究表明 ,沙地生态系统中土壤氮含
应 用 生 态 学 报 　2004 年 6 月 　第 15 卷 　第 6 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,J un. 2004 ,15 (6)∶953～957
量明显不足 ,是影响生态系统生产力和生态系统稳
定性的主要原因之一[5 ,10 ,29 ] ;而且土地利用方式的
改变常常容易导致土壤氮循环格局的变化 ,从而影
响 到 整 个 生 态 系 统 的 稳 定 性 和 可 持 续
性[1 ,3 ,6 ,14 ,23 ,24 ] .因而 ,氮素的研究在沙地生态系统
要比其他元素受到更多的关注[6 ,7 ] . 目前 ,大尺度的
空间分布格局研究较多[18 ] ,而小尺度下的空间格局
分析常被忽视 ,其实不少研究表明土壤小范围内的
空间异质性对植物演替、生产力和稳定性具有更大
意义[2 ,4 ,5 ,9 ,30 ] . 本文试图利用经典统计学和地统计
学的方法比较分析科尔沁沙地草地开垦成农田 8 年
后土壤全氮小尺度下空间分布格局的变化 ,进一步
剖析农业活动对草地土壤全氮的影响 ,评价开垦草
地对氮循环及全球气候变化的影响. 这对调整牧区
的生产方式、制定农业政策和指导生态环境建设等
都具有重要意义.
2 　研究地区与研究方法
211 　研究区域概况
研究地点位于内蒙古自治区科尔沁沙地东南部的中国
科学院沈阳应用生态研究所大青沟沙地生态实验站 (122°
21′E ,42°58′N) ,海拔 24716 m ,年均气温 6 ℃左右 ,年降水量
约 450 mm ,土壤类型为风沙土、草甸土 ,植物种类主要有茵
陈蒿 ( A rtemisia capillaries var. sim plex) 、小白 蒿 ( A .
f rigida) 、万 年 蒿 ( A . sacrorum) 、山 竹 子 ( Hedysarun
f ruticosum) 、虱子草 ( T ragus berteronianus) 、狗尾草 ( Setaria
vi ridis) 、绿珠黎 ( Chenopodium acuminatum) 、中华隐子草
( Cleistogenes chinensis) 、披碱草 ( Calam agrostis cylindricus) 、
拂子茅 ( C. epigejos) 、萎陵菜 ( Poentilla chinesis) 、蒲公英
( Taraxacum f alcilobum) 、兴安胡枝子 ( L espedez a bicolor)
等.
212 　研究方法与数据处理
21211 样品采集与测定 　研究样方为甸子地中的草地和耕
地 ,两者相隔约 30 m ,土壤类型均为草甸土. 草地为均质的
草本组成 ,平均高度 60 cm 左右 ,主要种为披碱草、萎陵菜
等 ,近 8 年来基本没有外来干扰 ;耕地为 8 年前由草地开垦
而成 ,以后每年种植玉米 ,春季播种前 (4 月～5 月) 施磷酸铵
150 kg·hm - 2及少量的厩肥作为底肥 ,生长盛期 (7 月) ,施尿
素 150 kg·hm - 2作追肥 ,玉米年产量平均为 4 800 kg·hm - 2 .
2002 年 4 月 (土壤耕作层解冻后 ,耕种前) ,在面积为 10 m ×
10 m 的草地和耕地样方中 ,分别采用点格局 (015 m ×015
m)方法[2 ,4 ] ,用内径为 2 cm 的土钻取 0～10 cm (表层) 、10～
20 cm (亚表层)两层土壤样品 ,用布袋装好 ,用作土壤养分测
定 ,共计 222 个 ,其中草地每层 58 个 ,耕地每层 53 个 (图 1) .
土壤全氮用半微量开氏法测定.
图 1 　采样点在草地 (a)和耕地 (b)样方中的空间位置
Fig. 1 Spatial location of sample points in grassland (a) and arable land (b) .
21212 　数据处理 　采用经典统计学和地统计学[12 ,18 ,19 ,27 ,28]
相结合的方法.经典统计学使用 SPSS 1110 软件分析 ,地统计学
采用 GS+ (513 版)和 Arcview 312 软件分析.
3 　结果与分析
311 　草地与耕地土壤全氮含量特征
统计分析表明 ,草地比耕地的土壤全氮含量要
低 ,变异系数要小 (表 1) . 土壤表层 (0～10 cm) 比亚
表层 (10～20 cm) 全氮含量要高 ,变异系数要小. 但
从多重比较分析的结果来看 ,除草地亚表层外 ,草地
表层、耕地表层和耕地亚表层之间土壤全氮含量差
异不显著 ( P < 0105) . 这说明草地表层和亚表层土
壤全氮不易发生交换 ,可能与草地土壤质地尤其是
渗透性差等有关 ;耕地没有由于土地利用的变化而
导致耕地土壤全氮含量的下降 ,但耕地表层和亚表
层土壤全氮含量比较接近 ,这与农业活动如耕地、耙
地、施肥、玉米残茬分解等有关 ;草地表层土壤全氮
变异系数较小 ,与土壤质地尤其是渗透性差 ,表层容
易发生径流 ,且大雨常导致土壤被浸泡 ,表层全氮容
易发生移动而混匀 ;冬春季节的风等动力也易导致
表层凋落物的重新分配 ,达到平衡 ;草本植物的根系
表 1 　土壤全氮统计特征
Table 1 Statistical characters of soil total nitrogen
类型
Types
土层
Soil layers
(cm)
平均值
(mg·kg - 1)
X
标准差
SD
变异系数
CV
( %)
最小值
Min
(mg·kg - 1)
最大值
Max
(mg·kg - 1)
样点数
Number
多重方差分析
LSD 3
草 地 Grassland 0～10 548123 59176 10190 398116 695152 58 b
10～20 488127 87125 17187 352180 725176 58 a
耕 地 Arable land 0～10 562177 95199 17106 352180 756100 53 b
10～20 557182 106100 19100 332164 811144 53 b3 字母不同表示差异显著 ,字母相同表示差异不显著 The different letters mean si gnificant difference ,the same letter means no difference ( P <
0105) .
459 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷
图 2 　土壤全氮的变异函数
Fig. 2 Semivariograms for soil total nitrogen.
a1 :草地土壤 0～10 cm 层 0～10 cm soil layer of grassland ;a2 :草地土壤 10～20 cm 层 10～20 cm soil layer of grassland ;b1 :耕地土壤 0～10 cm 层
0～10 cm soil layer of arable land ;b2 :耕地土壤 10～20 cm 层 10～20 cm soil layer of arable land. 下同 The same below.
表 2 　草地和耕地表层、亚表层土壤全氮的变异函数理论模型及相关参数
Table 2 Semivariogram model and parameters of soil total nitrogen of 0～10 cm and 10～20 cm in grassland and arable land
类型
Type
土 　层
Soil layers
(cm)
模 　型
Model
块金方差
C0
结构方差
C
基台值
C0 + C
空间相关度
C/ C0 + C
变程
A 0
(m)
相关系数
R2
残差
RSS
分数维
Fractal
dimension
草 　地
Grassland 0～10
纯块金效应
Pure nugget 35711258 01000 35711258 01000 - - - 11967
10～20 指数模型Exponential model 47901000 53371000 101271000 01527 18166 01671 11139 E07 11893
耕 　地
Arable land 0～10
线性模型
Linear model 67901000 47231076 115131076 01410 9176 01494 31368 E07 11909
10～20 线性模型Linear model 60201000 103231687 163431687 01632 9176 01812 31681 E07 11819
主要在分布在表层 ,更新快 ,不容易出现养分极高点
和极低点 ,易达到一种稳定的状态[4 ] .
312 　变异函数分析
通过计算草地和耕地表层和亚表层土壤全氮不
同相隔距离的变异函数值 ,发现草地亚表层和耕地表
层、亚表层能够很好地拟合成变异函数理论模型 (图
2) ,而草地表层表现为纯块金效应. 这表明草地表层
土壤全氮的空间分布完全是由随机因素引起的 ,表现
出一种很均匀的分布格局 ,而草地亚表层、耕地表层
和耕地亚表层均表现出一定的空间异质性结构.
由表 2 可知 ,草地 0～10 cm 和 10～20 cm 层土
壤全氮的基台值均比耕地低得多 ,说明总的内部变
异小 ,这与前面经典统计分析的结果相一致 ;空间相
关度小 ,即结构方差所占基台值的比值小 ,块金方差
所占的比值大 ,分数维小 ,说明草地土壤全氮的空间
变异 ,由结构原因引起所占的比重小 ,说明草地土壤
水平结构比较均匀 ;草地土壤全氮空间异质性作用
距离比耕地大 ,说明草地空间结构异质性作用距离
长 ,而耕地只是在较短的距离内存在空间结构异质
性.
从草地土壤全氮的空间结构特征来看 ,亚表层
的基台值比表层大 ,这与经典统计结果 (即亚表层内
部变异大于表层)一致 ;亚表层的空间相关度比表层
大 ,分数维小 ,结构异质强. 耕地也表现出亚表层比
表层基台值大 ,空间相关度大 ,分数维小 ,结构异质
性强.
313 　土壤全氮空间分布格局
根据空间局部插值估计进行克立格局制图 ,可
精确地描述研究变量在空间上的拓扑学形状 ,有助
于更深刻和全面地了解变量的空间分布格局. 由图
3 可见 ,草地表层土壤全氮空间分布比较破碎 ,或者
说在研究尺度下空间分布较均匀 ,而亚表层的土壤
全氮有比较明显的空间结构性 ,但表层和亚表层仍
有类似的空间分布格局 ,表现出很好的相关性 ( r =
01395 , P < 0105) . 耕地表层和亚表层的土壤全氮空
间结构性均比较明显 ,且表层和亚表层有类似的空
间分布格局 ,两层之间的相关性检验极显著 ( r =
01683 , P < 0101) .
5596 期 　　　　　　　　　　陈伏生等 :土地利用变化对沙地土壤全氮空间分布格局的影响 　　　　　　　　　　　
图 3 　土壤全氮的空间分布格局
Fig. 3 Spatial distribution patter for soil total nitrogen.
a1 : Ⅰ< 543. 52 ; Ⅱ< 553. 54 ; Ⅲ< 563. 55 ; Ⅳ< 573. 56 ; Ⅴ< 583. 58 ; Ⅵ > 583. 58. a2 : Ⅰ< 450. 96 ; Ⅱ< 476. 75 ; Ⅲ< 502. 54 ; Ⅳ< 528. 33 ; Ⅴ<
554. 13 ; Ⅵ> 554. 13. b1 : Ⅰ< 502. 60 ; Ⅱ< 535. 66 ; Ⅲ< 568. 72 ; Ⅳ< 601. 78 ; Ⅴ< 634. 84 ; Ⅵ> 634. 84. b2 : Ⅰ< 439. 10 ; Ⅱ< 481. 92 ; Ⅲ<
524175 ; Ⅳ< 567. 57 ; Ⅴ< 610. 39 ; Ⅵ> 610. 39.
4 　讨 　　论
丘间低地作为科尔沁沙地比较稳定的、生产力
较高的生态系统 ,在维护整个沙地生态系统的稳定
中发挥着重要的作用. 现大多已被开垦成农业用地.
本研究表明 ,经过 8 年的耕作实验 ,尽管土壤全氮的
含量没有下降 ,亚表层还偏高 ,但是其内部的空间结
构发生了很大变化 ,结构异质性增大. 这种破坏土壤
原有属性的现象是否是导致土地退化的先兆 ? 关于
土地利用变化与土壤养分元素空间分布格局的关系
的研究很少 ,但生态系统中生态要素的空间分布特
征与生态系统的稳定性及土壤退化的关系已有报
道[19 ] .尽管土地退化被认为是一个植物生长减缓、
生产力和土地资源的经济利用价值降低的过程 ,但
土壤特征属性 (如土壤水分和养分等)的时间和空间
异质性的变化 ,可以作为评价生态系统退化的一般
指标[17 ,20 ] . 通常认为 ,土壤水分和养分的异质性标
志着土地的退化. 本研究结果表明 ,丘间低地的草地
开垦成玉米地 8 年后 ,表层和亚表层的空间异质性
均有所增加. 由此推断开垦易导致土地的退化. 为
此 ,本研究结果支持采用“退耕还草”的措施来恢复
和保护当地的生态环境.
草地开垦 8 年后土壤全氮含量有所增加 ,可能
是因为农业施肥量大于作物生长的需要 ,有利于土
壤肥力的增加 ;耕作改善了甸子草地土壤的通透性
及水热条件 ,加速了 (玉米)残茬的分解 ,可以有效地
补充作物消耗的氮素 ;丘间低地具有一定的抗干扰
能力 ,短期的耕作没有完全破坏土壤的团粒结构 ,土
壤仍具有较高的保肥能力. 同时 ,也应关注由于大量
施肥导致的水污染等环境问题 ,进一步地采取科学
有效的管理措施.
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作者简介 　陈伏生 ,男 ,1973 年 7 月生 ,博士生 ,主要从事恢
复生态学、生态环境工程等方面的研究 ,发表论文 10 余篇.
E2mail :chenfush @yahoo. com.
7596 期 　　　　　　　　　　陈伏生等 :土地利用变化对沙地土壤全氮空间分布格局的影响