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Spatial heterogeneity of available soil nutrients in abandoned ole-field communities in the Loess Hilly Region

黄土丘陵区撂荒群落土壤速效养分空间变异性研究



全 文 :书黄土丘陵区撂荒群落土壤速效养分
空间变异性研究
隋媛媛1,杜峰1,2,张兴昌1,2
(1.西北农林科技大学资源与环境学院,陕西 杨凌712100;2.中国科学院水土保持与生态环境研究中心,陕西 杨凌712100)
摘要:采用经典统计学与地统计学相结合的方法,对黄土丘陵区5块不同撂荒年限样地速效养分在群落尺度上的
空间分布特征进行了分析,结果表明,1)与黄土高原地区整体养分水平相比,撂荒样地土壤养分贫瘠,0~20和
20~40cm土层速效养分含量在群落演替中期较高,并且0~20cm养分含量明显高于20~40cm;2)速效养分的空
间变异主要为结构性变异,撂荒6~7年样地土壤表层的速效钾和硝态氮以及撂荒25年样地20~40cm硝态氮具
有中等空间相关性,其他撂荒群落土壤0~20和20~40cm的速效养分均具有高度空间相关性;3)随植被群落撂
荒演替年限的增加,0~20cm土层速效钾和硝态氮空间变异性在群落演替前期样地中最大,20~40cm土层速效
钾和硝态氮空间变异性分别在群落演替中期和前、中期样地中最大。0~20cm土层速效磷和铵态氮空间变异性在
群落演替中期样地中最大,20~40cm土层速效磷和铵态氮空间变异性分别在群落演替前期和中期样地中最大。
在不同撂荒年限样地中,4种速效养分具有不同空间自相关性和空间变异性,说明控制这几种养分空间分布的生态
学主导过程可能有差异。
关键词:黄土丘陵区;撂荒群落;速效养分;空间变异性
中图分类号:S158.3;X171.4  文献标识码:A  文章编号:10045759(2011)02007609
  土壤是时空连续的变异体,具有高度的空间异质性[1,2]。一些学者[3,4]利用土壤学家Fisher所创立的传统统
计方法对土壤性状的空间分布进行了定量描述,但由于此方法要求样本中的取值相互独立,给土壤空间变异的研
究带来了很大的局限性。20世纪60年代 Matheron创立了地统计学理论[5],为土壤空间变异性研究提供了有效
的方法,掀起了国外学者对土壤空间变异性研究的热潮[68]。目前,土壤空间变异性研究已成为土壤科学的重要
研究内容和热点[911]。在土壤属性的空间变异研究中,因土壤养分是土壤肥力的重要指标,能够提供植物生长所
必需的营养元素,与植物群落的类型、分布和动态有着十分密切的关系,因而土壤养分的空间变异研究较多[1219]。
土壤养分的空间分布是多种生态学过程综合影响的结果,如降水的淋洗(移)、植物的吸收与表层富集等,因
而土壤养分的空间异质性会受到群落主要植物的分布格局、生态型和养分吸收利用偏好等的影响。有研究表明
随着植被群落的演替,土壤养分含量有所提高[20],演替过程中因群落组成和主要植物空间分布格局的变化,土壤
养分的空间分布也会发生相应的变化。初玉等[21]研究表明,小叶锦鸡儿(犆犪狉犪犵犪狀犪犿犻犮狉狅狆犺狔犾犾犪)灌丛土壤有机
质和全氮空间自相关显著;张璞进等[22]对藏锦鸡儿(犆犪狉犪犵犪狀犪狋犻犫犲狋犻犮犪)群落土壤资源空间异质性分析研究表明,
藏锦鸡儿在发育过程中形成的“沃岛效应”能够引起有机质和全磷的空间异质性分布。Tsegaye和 Hil[23]的研究
发现,植物生长对养分的吸收利用可以影响并加剧土壤养分空间变异;焦峰等[24]研究了中大尺度上黄土丘陵区
退耕地土壤养分变异特征,结果表明,随植被群落演替恢复,土壤养分先降低再增加并最后趋于稳定,土壤养分的
变异性在前期和中期较大;陈伏生和曾德慧[25]对科尔沁退化草场土壤养分的空间分析表明,土壤有机质、全氮、
全磷和速效钾都具有明显的空间结构特征。黄土丘陵地区坡耕地比例高[26],水土流失严重,土壤养分的贫瘠是
造成土地和植被退化的主要原因,分析它们的空间异质性,理解其空间格局,对植被群落的恢复过程具有重要的
意义。
76-84
2011年4月
   草 业 学 报   
   ACTAPRATACULTURAESINICA   
第20卷 第2期
Vol.20,No.2
 收稿日期:20100604;改回日期:20100906
基金项目:中国科学院“西部之光”资助项目(2007ZD02)和中国博士后基金资助项目(20070411146)资助。
作者简介:隋媛媛(1986),女,吉林东丰人,在读硕士。Email:suiyuan@nwsuaf.edu.cn
通讯作者。Email:dufeng@ms.iswc.ac.cn
本研究以黄土丘陵区不同撂荒年限典型群落为研究对象,利用传统统计学与地统计学理论相结合的方法,分
析群落尺度上撂荒样地土壤速效养分变化情况及其空间分布异质性,据此推测影响撂荒地不同形态土壤养分的
生态学过程,为黄土高原地区植被恢复和生态建设的可持续发展提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 样地自然概况
研究区位于陕北黄土高原丘陵区得安塞县高桥乡,地理位置E109°12′32″,N36°38′52″。年均日照时数
2300~2570h,年均气温7.7~10.6℃,无霜期为142~175d,干燥度1.2,≥0℃年积温3733.1℃,≥10℃年积
温3170.3℃,年均降水量490.5~663.3mm。植被类型为森林草原地带,土壤为黄土母质发育成的黄绵土,轻
壤。研究区退耕地主要优势种有猪毛蒿(犃狉狋犲犿犻狊犻犪狊犮狅狆犪狉犻犪)、铁杆蒿(犃狉狋犲犿犻狊犻犪狊犪犮狉狅狉狌犿)、茭蒿(犃狉狋犲犿犻狊犻犪
犵犻狉犪犾犱犻犻)、长芒草(犛狋犻狆犪犫狌狀犵犲犪狀犪)、达乌里胡枝子(犔犲狊狆犲犱犲狕犪犱犪狌狉犻犮犪)和白羊草(犅狅狋犺狉犻狅犮犺犾狅犪犻狊犮犺犪犲犿狌犿)等。
1.2 样地调查及采样方法
首先在野外全面踏查的基础上,根据植物群落组成、结构和对当地居民的访问调查结果,选定无人为干扰或
人为干扰较少的5块不同撂荒年限的典型群落作为调查样地,所选样地耕作时间长达50年以上。2009年8月,
按照1m×1m网格法进行规则取样,取样层次为0~20和20~40cm两层,样地面积大小为8m×8m。由于网
格法取样间隔距离单一,规则取样后随机补充7个采样点。每块样地实际采样142个,即(64+7)×2个,5块样
地共采集710个土样。同年9月对各样地进行群落调查,同时使用便携式GPS测定各样地经纬度、坡向、坡度和
海拔(表1)。
表1 调查样地基本情况
犜犪犫犾犲1 犛狌犿犿犪狉狔狅犳犻狀狏犲狊狋犻犵犪狋犻狅狀狊犻狋犲
样地编号
Plot
No.
撂荒年限
Abandoned
ages(年Years)
经纬度
Longitudeand
latitude
坡向
Slopexposure
坡度
Slope
degree(°)
海拔
Altitude
(m)
群落类型
Community
types
A 3 109°11′38″E 36°39′39″N 阳坡Sunny 5 1240 猪毛蒿+狗尾草犃.狊犮狅狆犪狉犻犪+犛犲狋犪狉犻犪狏犻狉犻犱犻狊
B 3~4 109°11′55″E 36°39′24″N 阴坡Shady 3 1290 猪毛蒿+长芒草犃.狊犮狅狆犪狉犻犪+犛.犫狌狀犵犲犪狀犪
C 6~7 109°11′55″E 36°39′27″N 半阳坡 Halfsunny 23 1280 长芒草+达乌里胡枝子犛.犫狌狀犵犲犪狀犪+犔.犱犪狌狉犻犮犪
D 14~15 109°11′51″E 36°39′22″N 阳坡Sunny 25 1260 铁杆蒿+达乌里胡枝子犃.狊犪犮狉狅狉狌犿+犔.犱犪狌狉犻犮犪
E 25 109°11′53″E 36°39′42″N 半阳坡 Halfsunny 10 1270 达乌里胡枝子+白羊草犔.犱犪狌狉犻犮犪+犅.犻狊犮犺犪犲犿狌犿
1.3 测定项目与方法
土壤样品采集完成后放在干燥、阴凉处自然风干,然后装入密封袋带回实验室,研磨过1mm筛后立即对
0~20和20~40cm两土层共710个土样进行养分指标分析测定,每个土样做2个重复,从土样采集到速效养分
测定全部过程在1个月内完成。土壤养分指标测定均采用常规土壤化学分析法[27],速效钾以10∶1的水土比用
NH4OAC浸提后,采用原子吸收光谱法测定;速效磷按照10∶1的水土比用0.5mol/LNaHCO3 浸提,采用钼锑
抗比色法测定;铵态氮和硝态氮以5∶1的水土比用 KCl浸提,连续流动分析仪测定,两者相加之和为土壤速
效氮。
1.4 数据处理
本研究采用SPSS16.0计算各养分变量的描述性统计特征值并对数据进行正态分布检验;利用GS+7.0地
统计学软件进行半方差函数及相关参数分析,并使用Origin绘图软件作图。
1.5 半方差函数
半方差函数是地统计学中定量研究和解释土壤空间异质性的工具函数,首先通过网格取样法得到土壤特性
含量值,根据半方差函数计算公式(1)得到实验半方差函数值[5],并将其与半方差函数理论模型拟合,依据决定系
77第20卷第2期 草业学报2011年
数最大原则选取最佳拟合模型,并且得出半方差函数的重要参数,进行土壤养分空间异质性分析。
γ(犺)= 12犖(犺)∑
犖(犺)
犻=1
[犣(狓犻)-犣(狓犻+犺)]2 (1)
式中,犺为空间分隔距离,犖(犺)为以犺为间距的所取样点的成对数目;犣(狓犻)和犣(狓犻+犺)分别为空间点狓犻和狓犻+
犺的养分测定值;γ(犺)为半方差函数。
1.6 半方差函数模型及参数
图1 半方差图的结构示意图
犉犻犵.1 犛狋狉狌犮狋狌狉犲犱犻犪犵狉犪犿狅犳狊犲犿犻狏犪狉犻犪狀犮犲
以变异函数γ(犺)为Y轴,采样间隔h为X轴,可
绘成变异函数曲线图(图1),根据变异函数曲线的变
化趋势可以拟合成不同的理论模型,如球状模型
(spherical)、高斯模型(gaussian)、指数模型(exponen
tial)。通过半方差函数的模型拟合得到半方差函数极
为重要的参数值,其中块金值Nugget(C0)是间距为0
时的半方差,表示由随机因素引起的变异;C为结构方
差,表示由系统因素引起的变异;基台值Sil (C+C0)
表示包括随机性变异和空间结构性变异在内的总变
异,基台值越高,说明系统总的空间变异性越高;结构
方差与基台值之比C/(C+C0)表示结构性变异占总
变异的比值,该比值越大说明结构性空间变异越强,如
果该比值接近0,说明区域化变量在整个尺度上具有
恒定的变异,并且该比值还可以揭示区域化变量的空间相关程度,按照Cambardela等[12]的划分标准,当C/(C+
C0)>75%,说明变量具有强烈的空间相关性,当C/(C+C0)<25%时,空间相关性较弱,当C/(C+C0)处于25%
~75%时,说明具有中等空间相关性;变程Range(a)为最大相关距离,指在某种观测尺度下,空间相关性的作用
范围,当变量测定点间距小于该值时,说明变量具有空间自相关性,反之则不存在。
2 结果与分析
2.1 黄土丘陵区撂荒群落土壤速效养分含量分布及变异情况
统计平均值既能说明土壤特性的大小,又能描述特征数据的集中趋势,结果显示(表2),5块研究样地0~20
cm的速效钾含量为68.53~91.83mg/kg,20~40cm的含量为56.74~79.09mg/kg,随着撂荒群落弃耕年限
的增长,0~20和20~40cm土壤速效钾含量具有相同的变化趋势,均先降低后升高并趋于稳定,在撂荒14~15
年样地含量最大;0~20cm土壤速效磷含量为0.54~2.53mg/kg,20~40cm的含量为0.32~1.97mg/kg,0~
20和20~40cm土壤速效磷含量随撂荒年限增长,先逐渐升高,并在撂荒14~15年样地出现1个小回落,在撂
荒25年样地含量最大;0~20cm硝态氮含量为1.54~2.72mg/kg,20~40cm含量为1.35~2.52mg/kg,土壤
0~20cm硝态氮含量随撂荒年限变化而上下波动,在撂荒14~15年样地含量最大,20~40cm硝态氮在撂荒
3~4年样地含量最低,然后随撂荒年限延长逐渐升高,在撂荒25年样地含量最高;0~20cm氨态氮含量为
2.40~4.34mg/kg,20~40cm含量为2.24~4.51mg/kg,0~20和20~40cm铵态氮随撂荒年限延长均先增
高,在撂荒14~15年样地回落到最低值后又升高,但0~20cm含量在撂荒25年样地最大,20~40cm含量在撂
荒6~7年样地最大。在垂直方向上,硝态氮含量在撂荒25年样地表现为0~20cm高于20~40cm,铵态氮在
撂荒6~7年样地也为20~40cm含量高于0~20cm含量,其他速效养分含量在不同撂荒年限群落均为土壤0~
20cm含量高于20~40cm含量。变异系数是描述土壤特性参数空间变异性程度的指标,依据Nielsen分级标
准[28],当变异系数≤10%时为弱变异性,当10%<变异系数<100%时为中等变异性,当变异系数≥100%时为强
变异性。20~40cm速效磷在撂荒3年样地的变异系数为105.8%>100%(表2),属于强变异,0~20cm硝态氮
在撂荒3年样地的变异系数为138.4%>100%,表现为强变异性,而其他撂荒年限群落土壤速效养分空间分布
均为中等变异。
87 ACTAPRATACULTURAESINICA(2011) Vol.20,No.2
表2 不同撂荒年限群落土壤速效养分含量统计特征值
犜犪犫犾犲2 犛狋犪狋犻狊狋犻犮狊狅犳狊狅犻犾犪狏犪犻犾犪犫犾犲狀狌狋狉犻犲狀狋狊犻狀狅犾犱犳犻犲犾犱犮狅犿犿狌狀犻狋犻犲狊狑犻狋犺犱犻犳犳犲狉犲狀狋犪犫犪狀犱狅狀犿犲狀狋犪犵犲狊
分析项目
Items
样地编号
PlotNo.
平均值 Mean
0~20
cm
20~40
cm
最大值 Max
0~20
cm
20~40
cm
最小值 Min
0~20
cm
20~40
cm
标准差SD
0~20
cm
20~40
cm
变异系数CV(%)
0~20
cm
20~40
cm
分布类型 Distributiontype
0~20
cm
20~40
cm
速效K A 83.61 69.13 107.20 87.00 59.10 47.50 10.21 7.06 12.21 10.22 N N
AvailableK B 68.53 56.74 105.00 82.40 50.70 47.90 8.98 6.03 13.10 10.63 N N
(mg/kg) C 74.07 71.07 111.60117.50 40.90 38.60 21.74 22.72 29.35 31.97 NN NN
D 91.83 79.09 171.70137.40 70.20 69.70 15.80 8.94 17.20 11.30 n n
E 90.92 69.77 188.10106.30 60.40 46.20 23.63 13.43 25.99 19.25 N N
速效P A 0.54 0.32 1.43 1.98 0.10 0.02 0.37 0.34 67.98 105.80 n n
AvailableP B 0.80 0.48 2.24 1.46 0.07 0.04 0.37 0.24 46.88 51.13 n n
(mg/kg) C 1.73 1.36 5.88 3.30 0.65 0.53 0.79 0.62 45.71 46.01 N N
D 1.15 0.88 2.48 1.80 0.70 0.60 0.27 0.22 23.24 25.08 N n
E 2.53 1.97 5.58 6.40 1.23 0.82 0.73 0.78 28.84 39.30 N n
NO3-N A 2.31 1.76 28.03 11.73 0.31 0.67 3.20 1.68 138.40 95.54 n n
(mg/kg) B 1.54 1.35 4.33 4.00 0.90 0.66 0.47 0.51 30.46 37.60 n n
C 1.72 1.55 2.60 2.77 0.51 0.41 0.45 0.58 26.20 37.55 N N
D 2.72 1.93 6.99 3.13 1.14 1.14 1.10 0.46 40.46 23.64 N N
E 2.12 2.52 6.22 9.88 0.58 0.60 0.79 1.61 37.42 63.77 N n
NH4+N A 2.47 2.30 3.60 8.95 1.81 1.67 0.40 0.89 16.34 38.81 N NN
(mg/kg) B 3.27 3.03 5.29 6.57 2.30 1.49 0.67 0.75 20.62 24.65 N NN
C 4.28 4.51 10.60 9.19 1.62 0.87 1.91 2.14 44.57 47.40 N N
D 2.40 2.24 3.67 3.73 1.70 1.72 0.40 0.35 16.50 15.57 N N
E 4.34 3.40 6.67 5.30 0.89 1.21 0.95 0.77 22.00 22.60 N N
 n表示服从自然对数正态分布;N表示服从正态分布;NN表示服从近似正态分布。
 n:Lognormaldistribution;N:Normaldistribution;NN:Nearnormaldistribution.
2.2 黄土丘陵区撂荒群落土壤速效养分空间变异的地统计学分析
图2和图3是研究区不同弃耕年限样地土壤速效养分的半方差函数图及理论曲线,根据拟合出的半方差函
数模型得到半方差函数重要参数(表3),由半方差函数参数表可知,不同弃耕年限样地的0~20和20~40cm土
壤速效养分半方差函数具有不同的变异函数模型,决定系数较大,说明实验半方差与理论模型相关性较好。结构
方差与基台值之比表明,0~20cm速效钾在撂荒6~7年样地具有中等空间相关性,其结构方差与基台值之比为
70%<75%,而其他年限撂荒样地在0~20和20~40cm的比值为79.8%~99.9%,>75%,具有强烈的空间相
关性,0~20cm速效钾在研究区5块样地的空间变异大小为撂荒3年=撂荒3~4年>撂荒25年>撂荒14~15
年>撂荒6~7年样地,而20~40cm速效钾在所有弃耕年限样地的比值为79.8%~93.1%,>75%,具有强烈
的空间相关性,各样地的变异大小为撂荒14~15年>撂荒6~7年>撂荒3~4年>撂荒25年>撂荒3年;0~
20cm的速效磷在各撂荒年限样地的比值为77.4%~99.9%,表现为强烈的空间相关性,各样地变异大小为撂荒
14~15年>撂荒3~4年>撂荒25年>撂荒6~7年>撂荒3年,20~40cm的比值为82.1%~99.9%,也具有
强烈的空间相关性,变异大小为撂荒3年>撂荒14~15年>撂荒6~7年>撂荒25年>撂荒3~4年;0~20cm
硝态氮在撂荒6~7年样地结构半方差与基台值之比为74.8%,表现为中等空间相关性,在其余各撂荒样地比值
均接近1,说明硝态氮含量具有强烈的空间相关性,变异大小无显著差异,而20~40cm硝态氮在撂荒25年样地
的比值为50%,属于中等相关性,其他样地的比值均在86.7%~99.7%,表现为强烈的空间相关性,变异大小顺
97第20卷第2期 草业学报2011年
序为撂荒3年>撂荒14~15年>撂荒3~4年>撂荒6~7年>撂荒25年;0~20cm铵态氮在所研究各样地的
结构半方差与基台值之比为79.5%~99.9%,具有强烈的空间相关性,变异大小顺序为撂荒14~15年>撂荒3
~4年>撂荒6~7年>撂荒25年>撂荒3年,而20~40cm铵态氮在各样地的比值为80.8%~99.9%,表现为
强烈的空间相关性,变异大小顺序为撂荒14~15年>撂荒3~4年>撂荒3年>撂荒6~7年>撂荒25年。通
过对结构方差和基台值的比值分析可知,在研究区不同撂荒年限群落0~20和20~40cm土壤速效养分的空间
变异主要属于结构性变异,由土壤母质、地形、气候等结构性因素引起;并且随着植被群落撂荒年限的不同,结构
性变异在总变异中所占的比值不同。
图2 撂荒群落土壤速效钾、速效磷养分含量半方差函数曲线图
犉犻犵.2 犛犲犿犻狏犪狉犻狅犵狉犪犿狅犳狊狅犻犾犪狏犪犻犾犪犫犾犲犓犪狀犱犪狏犪犻犾犪犫犾犲犘犻狀犪犫犪狀犱狅狀犲犱狅犾犱犳犻犲犾犱狊
图3 撂荒群落土壤铵态氮、硝态氮养分含量半方差函数曲线图
犉犻犵.3 犛犲犿犻狏犪狉犻狅犵狉犪犿狅犳狊狅犻犾狀犻狋狉犪狋犲狀犻狋狉狅犵犲狀犪狀犱犪犿犿狅狀犻狌犿狀犻狋狉狅犵犲狀犻狀犪犫犪狀犱狅狀犲犱狅犾犱犳犻犲犾犱狊
08 ACTAPRATACULTURAESINICA(2011) Vol.20,No.2
表3 不同撂荒年限群落土壤速效养分含量地统计分析
犜犪犫犾犲3 犌犲狅狊狋犪狋犻狊狋犻犮狊犪狀犪犾狔狊犻狊狉犲狊狌犾狋狊狅犳狊狅犻犾犪狏犪犻犾犪犫犾犲狀狌狋狉犻犲狀狋狊犻狀狅犾犱犳犻犲犾犱犮狅犿犿狌狀犻狋犻犲狊狑犻狋犺犱犻犳犳犲狉犲狀狋犪犫犪狀犱狅狀犿犲狀狋犪犵犲狊
分析
项目
Items
样地
编号
Plot
No.
函数模型
Modeltype
0~20
cm
20~40
cm
块金值
Nugget(C0)
0~20
cm
20~40
cm
基台值
Sil (C+C0)
0~20
cm
20~40
cm
C/(C+C0)
0~20
cm
20~40
cm
变程
Range(a)
0~20
cm
20~40
cm
决定系数Coeffecient
ofdetermination(r2)
0~20
cm
20~40
cm
速效K A 高斯Gaussian 球状Spherical 0.1000 18.7000 96.2000 92.7000 0.99900.79801.300014.8500 0.7070 0.7660
AvailableK B 高斯Gaussian 球状Spherical 0.1000 4.1000 83.9000 37.2000 0.99900.89002.2200 3.4600 0.7200 0.6340
C 高斯Gaussian 高斯Gaussian306.0000 74.00001022.90001058.9000 0.70000.930013.3500 9.2100 0.7380 0.9670
D 球状Spherical 球状Spherical 38.0000 9.9000486.9000 143.7000 0.92200.931014.570013.7200 0.6400 0.6000
E 指数Exponential高斯Gaussian 40.0000 44.0000636.4000 397.4000 0.93700.88905.550010.6500 0.7680 0.9470
速效P A 高斯Gaussian 球状Spherical 0.0300 0.0001 0.1314 0.1092 0.77400.99901.4376 1.5300 0.7240 0.5670
AvailableP B 球状Spherical 指数Exponential0.0050 0.0130 0.1560 0.0730 0.96800.82102.5600 8.3700 0.4600 0.8590
C 球状Spherical 指数Exponential0.2160 0.0300 1.0050 0.9200 0.78500.970010.740024.2100 0.7030 0.9000
D 高斯Gaussian 高斯Gaussian 0.0001 0.0001 0.0700 0.0490 0.99900.99801.8900 1.6628 0.6880 0.7440
E 球状Spherical 球状Spherical 0.0940 0.1500 0.8500 1.2430 0.88900.880011.610014.6600 0.8170 0.7430
NO3-N A 高斯Gaussian 指数Exponential0.0100 0.0100 9.7100 3.5570 0.99900.99702.0092 9.2700 0.3300 0.5190
B 指数Exponential球状Spherical 0.0001 0.0130 0.2262 0.3300 1.00000.96105.0400 7.9000 0.6340 0.8380
C 指数Exponential高斯Gaussian 0.0710 0.0790 0.2828 0.5960 0.74800.867013.5900 8.6420 0.7070 0.9450
D 指数Exponential球状Spherical 0.0010 0.0027 1.1730 0.2194 0.99900.98803.6600 3.2000 0.4950 0.8550
E 高斯Gaussian 高斯Gaussian 0.0010 1.3490 0.6200 2.6990 0.99800.50001.4900 3.4640 0.4990 0.5480
NH4+N A 球状Spherical 高斯Gaussian 0.0530 0.0650 0.2570 2.1400 0.79500.970011.960011.2800 0.7160 0.6850
B 高斯Gaussian 高斯Gaussian 0.0010 0.0010 0.4280 0.6390 0.99800.99801.6970 0.7100 0.7310 0.3660
C 线性Linear 线性Linear 0.6700 0.6700 5.5320 6.9010 0.88000.90406.7266 6.7266 0.8870 0.9420
D 高斯Gaussian 高斯Gaussian 0.0001 0.0001 0.1520 0.1260 0.99900.99901.4720 1.4030 0.7490 0.8900
E 指数Exponential指数Exponential0.1500 0.1400 0.9300 0.7170 0.83700.80804.6000 8.5200 0.5200 0.6760
  变程反应区域化变量空间相关范围的大小,与观测尺度以及在取样尺度上影响土壤养分的各种生态过程相
互作用有关。不同撂荒年限样地速效钾在0~20和20~40cm土层的变程分别为1.30~14.57和3.46~14.85
m;速效磷在0~20和20~40cm土层的变程分别为1.44~11.61和1.53~24.21m;硝态氮在0~20和20~40
cm的变程分别为1.49~13.59和3.20~9.27m;铵态氮在0~20和20~40cm土层的变程为1.47~11.96和
0.71~11.28m(表3)。不同撂荒年限样地土壤速效养分变程有较大差别,说明植被演替恢复对速效养分的空间
分布变异性具有一定影响作用,4种速效养分在相同样地相同深度土层的变程也不同,说明4种速效养分的空间
自相关尺度不同,它们的生态过程在不同尺度上起作用。
3 结论与讨论
黄土丘陵区沟壑纵横,坡耕地居多,水土流失极为严重。此外,由于研究区样地在撂荒前期耕作时间较长,广
种薄收,施肥不足,撂荒地养分一般较为贫瘠。依据黄土高原土壤养分含量分级[29],研究区不同年限撂荒样地
0~20cm速效钾含量属于中等水平,20~40cm属于低水平,速效磷和速效氮含量均属于极低水平,说明该研究
区弃耕样地土壤肥力处于低的水平,这与刘梦云等[30]的研究成果相一致。
在研究区植被群落撂荒演替过程中,0~20和20~40cm土壤速效养分在演替中后期含量较高。王俊明和
张兴昌[31]的研究也表明在退耕草地演替前期土壤肥力并不会有明显好转。原因主要是在撂荒演替前期植被覆
盖率低,流失和淋洗较为严重,但随着植被群落演替的进行,群落生物量不断增加,有机质积累越来越多,在矿化
作用和表层富积共同作用下,土壤养分含量又逐渐升高。同时,0~20cm土壤速效养分显著高于20~40cm养
18第20卷第2期 草业学报2011年
分含量,与董莉丽和郑粉莉[32]的研究结果一致,可能与撂荒前施肥及表层富积作用有关[33,34]。
对不同撂荒年限样地土壤速效养分空间分布进行异质性分析,实验半方差函数与理论模型相关较显著。撂
荒6~7年样地0~20cm土壤速效钾和硝态氮以及撂荒25年样地20~40cm硝态氮具有中等空间相关性,其他
撂荒群落0~20和20~40cm土壤速效养分均具有强烈的空间相关性。
随植被群落撂荒演替年限的增加,研究区样地0~20和20~40cm土壤速效养分在群落演替不同时期空间
异质性分布具有明显差异。0~20cm土壤速效钾空间变异性在演替前期最大,演替中期和后期较小,20~40cm
异质性则在演替中期大于演替前期和后期;0~20cm速效磷空间变异在演替中期最大,20~40cm变异性在演替
前期和中期比演替后期大;0~20cm硝态氮空间变异性在演替前期最大,20~40cm变异性在演替前期和中期最
大;0~20和20~40cm铵态氮空间分布异质性均在演替中期最大。由于土壤养分的空间分布异质性既受到人
为因素的干扰(施肥,耕作方式),又受到非人为因素影响(雨水冲刷和植被的土壤养分效应);0~20cm土壤速效
钾和硝态氮分布在群落恢复演替前期异质性大,可能是由于农田在耕种过程中施肥不均匀等人为因素引起的,但
随着植被群落的演替恢复,植被的空间分布趋向于匀质化,造成多数种群斑块消融,从而土壤养分空间分布也趋
向于匀质化,使得演替中后期空间变异性减小,但20~40cm速效钾在演替中期异质性较高,主要是演替中期的
建群种为长芒草,在20~40cm土层,根系对养分的聚集吸收使得土壤养分空间异质性最大,这与杜峰等[35]的研
究结果一致。速效磷和铵态氮在0~20和20~40cm土壤空间变异性均在群落演替中期较大,原因可能是随着
弃耕年限的延长,植被群落逐渐得到恢复,植被生物量不断增加并在表层的富积,经过风力和降水的冲刷作用,使
得枯枝落叶聚集在植株根部,矿化后养分含量升高,同时随着植物根系的生长,对周围养分的聚集能力越来越强,
特别是本研究区群落演替中期的主要植被为长芒草(多年生密丛禾草)和铁杆蒿(草本状半灌木),其根系对养分
有较强的吸收和聚集能力,可以形成养分斑块即“沃岛”效应[36],造成土壤养分在空间上的分布和利用不均匀。
植被恢复演替对土壤养分空间异质性分布具有影响作用,而土壤养分资源空间分布异质性的变化对黄土丘
陵区植被恢复建设具有推动作用,因而土壤特性空间变异研究可为土壤质量的恢复与改善,生态环境的修复与重
建提供理论依据。在我国水土流失最为严重的黄土丘陵地区,植被恢复是解决此类问题的重要途径之一,土壤空
间变异的研究可以为选择合理的植被类型和结构提供参考。同时,本研究中速效养分空间变异变程在撂荒3年、
6~7年、14~15年和25年样地均有超过最大采样距离的情况,说明在一些撂荒年限样地研究尺度较小,在以后
的研究中应该适当放大采样间距。
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38第20卷第2期 草业学报2011年
犛狆犪狋犻犪犾犺犲狋犲狉狅犵犲狀犲犻狋狔狅犳犪狏犪犻犾犪犫犾犲狊狅犻犾狀狌狋狉犻犲狀狋狊犻狀犪犫犪狀犱狅狀犲犱狅犾犲犳犻犲犾犱
犮狅犿犿狌狀犻狋犻犲狊犻狀狋犺犲犔狅犲狊狊犎犻犾狔犚犲犵犻狅狀
SUIYuanyuan1,DUFeng1,2,ZHANGXingchang1,2
(1.ColegeofResourcesandEnvironment,NorthwestUniversityofAgricultureandForestry,Yangling
712100,China;2.InstituteofSoilandWaterConservation,Yangling712100,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Usingclassicalstatisticsandgeostatistics,thespatialheterogeneityofsoilavailablenutrientsinfive
typicaloldfieldcommunitieswithdifferentabandonmentagesinLoessHilyRegionweredemonstratedatcom
munityscale.Theresultsindicatedthat:1)Inthecaseofnutrientlevels,oldfieldsinthestudyareaareattrib
utedbyrelativepoorsoils,0-20and20-40cmavailablenutrientsincreasedinmiddleabandonmentstageof
succession,nutrientcontentinsurfacesoilwashigherthanthatinsublayer.2)Thevariabilityofavailablenu
trientswasmainlycomposedofstructuralvariation.Soilavailablepotassiumandnitratenitrogenin0-20cm
ofthe6-7yearsoldfield,andsubsurfacesoilnitratenitrogenin20-40cmofthe25yearsoldfieldhadinter
mediatespatialcorrelation.Inotheroldfields,availablenutrientsinsurfaceandsubsurfacesoilhadstrongspa
tialcorrelation.3)0-20cmavailablepotassiumandnitratenitrogenshowedthestrongestspatialvariabilityin
earlierabandonmentstageofsuccession;20-40cmavailablepotassiumandnitratenitrogenshowedthestron
gestspatialvariabilityinmiddleandearlymiddlestageofsuccessionrespectively;Spatialvariabilityofavailable
phosphorusandammoniumnitrogeninsurfacelayerwasstrongestinmiddleabandonmentstageofsuccession;
Spatialvariabilityofavailablephosphorusandammoniumnitrogeninsubsurfacelayerwasstrongestinearly
middleandmiddleabandonmentstageofsuccessionrespectively.Regardingabouttheindexofspatialheteroge
neity,significantdifferenceswerefoundamongthe5oldfieldcommunities,whichimpliesthattheprincipalec
ologicalprocessesofthefouravailablesoilnutrientsareassorted.
犓犲狔狑狅狉犱狊:LoessHilyRegion;abandonedolefieldcommunities;availablesoilnutrients;spatialheterogeneity
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