全 文 ：第21卷　第1期
　Vol.21　 No.1
草　地　学　报
ACTA AGRESTIA SINICA
　　　　　2013年 1月
　 Jan.　　2013
甘南高原土壤氮磷比空间异质性研究
陈思宇,于　惠,冯琦胜,梁天刚∗
(草地农业生态系统国家重点实验室 兰州大学草地农业科技学院,甘肃 兰州　730020)
摘要:土壤氮磷比是影响植被空间分布差异的主要原因,准确模拟分析土壤氮磷比的空间分布特征是改善土壤环
境和指导农牧业生产的基础。基于地面实测数据,结合地统计学方法,分别分析了甘南高原土壤全氮、速效磷、氮
磷比及地上生物量的空间分布特征。结果表明:在15~30cm和30~60cm土层中的土壤氮磷比具有较强的空间
变异性;甘南高原土壤氮磷比由西向东、由北向南逐渐递增。随着土层深度的增加,土壤氮磷比逐渐降低,其空间
自相关性呈现出先降低后增加的趋势。而全氮、速效磷的空间自相关性随土层深度增加而降低;土壤氮磷比的空
间异质性在一定程度上受海拔和植被的影响;随着海拔的升高,土壤氮磷比逐渐降低。高寒灌丛草甸和高寒草甸2
种草地类型的土壤氮磷比的空间异质性较非草地稳定。
关键词:土壤氮磷比;变异函数;空间异质性
中图分类号:S812.2　　　　文献标识码:A　　　　　文章编号:1007-0435(2013)01-0030-07
SpatialHeterogeneityofSoilN/PRatioonGannanPlateau
CHENSi-yu,YUHui,FENGQi-sheng,LIANGTian-gang∗
(StateKeyLaboratoryofGrasslandAgro-ecosystems,ColegeofPastoralAgricultureScienceandTechnology,
LanzhouUniversity,Lanzhou,GansuProvince730020,China)
Abstract:ThespatialdistributionsoftotalN,availableP,N/PratioandbiomasswereanalyzedonGannan
plateaubasedonobserveddatacombinedwiththegeostatisticmethod.ResultsshowedthattheN/Pratio
ofsoilat15~30cmlayerand30~60cmlayerhadgreaterspatialvariability.Withtheincreaseofsoil
depth,thevariationsoftotalNandN/Pratioincreased,whereasthevariationofavailablePincreasedat
firstthendecreased.N/PratiosinsoilofGannaplateauincreasedgradualyfromwesttoeastaswelas
fromnorthtosouth.N/Pratiosinsoilreducedgradualywiththeincreaseofsoildepth,whereasthespa-
tialautocorrelationofN/Pratiosincreasedatfirstthendecreased.SpatialautocorrelationoftotalNanda-
vailablePdecreasedwithsoildepthincreased.ThespatialheterogeneityofN/Pratiosinsoilwasinflu-
encedbyaltitudeandvegetationtosomeextent.Withrisingelevation,N/PratiosinsoilofGannaplateau
reducedgradualy.However,N/Pratiosinsoilofalpineshrubmeadowandalpinemeadowwererelatively
stableasspatialheterogeneityincreasedslowlywithincreasedsoildepth.
Keywords:SoilN/Pratio;Variogram;Spatialheterogeneity
　　土壤的空间异质性作为土壤的基本属性,同时
也是产生空间格局的主要原因,与生态系统的功能
和过程密切相关[1-4]。土壤氮磷比是研究生态系统
营养结构变化、生物多样性和地球化学循环的基
础[5-6]。根据Liebig[7]的最小因子定律、Shelford[8]
的耐性定律以及 Gordon等[9]的研究,发现植物体
内的氮磷比可以用来判断植物个体的健康状况。在
陆地生态系统中,植物体内的氮、磷含量主要来源于
土壤,而土壤中氮素和磷素含量的变化将直接影响
植物体内的氮磷比[10-12]。在草地生态系统中,土壤
氮磷比的空间异质性是植被空间分布差异的主要原
因[13]。因此,准确分析草地土壤氮磷比的空间异质
性,对合理利用草地、改善土壤环境和指导农牧业生
产等具有重要的理论和实践意义[14]。
近年来,有关氮磷比化学计量特征的研究成为
土壤养分研究的热点。越来越多的研究证实,土壤
收稿日期:2012-07-10;修回日期:2012-09-23
基金项目:国家自然科学基金项目(30972135)(41071342);教育部高等学校科技创新工程重大项目培育资金项目(708089);国家科技支撑
计划项目(2009BAC53B01)资助
作者简介:陈思宇(1987-),女,甘肃定西人,硕士研究生,研究方向为草地遥感与地理信息系统;E-mail:chensiyu1106@gmail.com;∗通信
作者Authorforcorrespondence,E-mail:tgliang@lzu.edu.cn
第1期 陈思宇等:甘南高原土壤氮磷比空间异质性研究
氮素和磷素相对有效性的改变在陆地生态系统中具
有重要作用。Olson[15]研究表明,随着植物群落的
演替,植物体对氮素的积累速度逐渐减慢。阎恩荣
等[16]将植物氮磷比(N∶P)作为诊断指标,研究浙
江天童常绿阔叶林的演替,发现植物群落生产力主
要受到土壤氮素的限制,在演替中期,针叶林和针阔
混交林受到土壤氮素和磷素的共同限制,在演替中
后期,植物群落主要受到土壤磷素的限制。Liu
等[17]研究发现,土壤微生物的群落多样性与植物生
物量、根系生物量、土壤含水量和土壤氮磷比有关,
植物生物量、土壤水分和土壤氮素是土壤微生物多
样性的主要决定因素。目前,对土壤氮磷比的研究
主要集中在土壤氮磷比化学计量特征的定量分析方
面,而在土壤属性的宏观分析方面,大部分的研究仅
局限于土壤某些特性的空间变异性,只注重土壤单
一特性与作物生长的关系探讨[18-19],涉及到土壤氮
磷比空间异质性的研究还鲜见报导[20-21]。
综合考虑以上因素,本研究基于2009年甘南野
外土壤调查数据,结合地统计学方法,主要研究了甘
南高原土壤全氮、速效磷、氮磷比及地上生物量的空
间分布特征,以期为明晰甘南牧区草地养分含量状
况和改善高寒草地土壤环境等提供科学依据。
1　材料与方法
1.1　研究区概况
甘南藏族自治州位于青藏高原和黄土高原的过
渡地带(E100°46′~104°44′,N33°06′~35°44′)。
地势由西北向东南逐渐降低,平均海拔3000m。属
典型的高原大陆性气候,光照充足,热量垂直差异
大,全年日照1800~2600h,自西北向东南逐渐降
低。高寒阴湿,多年平均降水量400~800mm,年
均温仅1~3℃,没有绝对无霜期,≥10℃年积温持
续期仅有2个多月。草地面积约2.6025×106hm2,
占甘南总土地面积的67.64%,可利用草地2.495×
106hm2,占草地总面积的95.86%。草地类型有暖性
草丛、温性草甸草原、温性草原、高寒草甸、高寒灌丛
草甸、低平地草甸和沼泽。土壤因受海拔、地形等因
素的影响,随着海拔升高,土壤类型依次为山地栗钙
土、山地黑钙土、褐土、棕壤、暗棕壤、草甸土、沼泽
土、亚高山草甸土以及高山草甸土。研究区内土壤
全氮含量较高,土壤较为肥沃[22-23]。
图1　甘南高原草地野外调查样点分布图
Fig.1　SpatialdistributionofsamplingsiteonGannanplateau
1.2　野外采样和室内分析
外业工作集中在2009年8-9月,根据研究区
内土壤类型和草地类型的分布特点,选取62处样
地,每处样地均匀布设3个采样点。在每个样点,采
用收获法测得草地地上生物量鲜重后,分别取0~
15cm,15~30cm和30~60cm的3种不同深度土
样。设置5次重复,将各重复的样品按不同深度进
行充分混合,用四分法取1kg土样。
室内分析的土壤养分包括全氮、速效磷。其中,
全氮采用凯氏蒸馏法,速效磷采用碳酸氢钠提取-钼
13
草　地　学　报 第21卷
锑抗比色法。草样在65℃烘箱里烘干48h,记录干
重(g·m-2)。
1.3　地统计学分析
变异函数及其理论模型:变异函数是地统计学
分析的基本方法,同时也是分析土壤特性空间变异
性的关键。Matheron[24]将变异函数定义为:
γ(h)= 12N(h)∑
N(h)
i=1
[Z(xi)-Z(xi+h)] (1)
其中:γ(h)为变异函数,Z(xi)为xi 点处各指标
的区域化变量,Z(xi+h)为xi+h点处各指标的区域
化变量,N(h)为间隔距离h时的数据点对数量。
变异函数解释了在整个尺度上的空间变异,在
最大间隔距离的1/2之内具有意义。变异函数通常
可以用曲线方程拟合,依据拟合的决定系数R2 确
定变异函数的最优曲线方程,这些曲线方程称为变
异函数的理论模型。变异函数的理论模型主要有线
性模型、球状模型、指数模型、高斯模型、对数模型和
双曲线模型等。
理论变异函数的显著性检验:试验变异函数与
理论模型拟合度(即决定系数)采用F检验[25],表达
式为:
F= R
2
1-R2×
n-k-1
k-1
(2)
式中,k为回归模型中自变量的个数,R2 为决
定系数,n为样本数。
用SPSS16.0软件进行描述性统计分析,统计
的特征值包括平均值、中数、标准差、变异系数、极
差、最小值、最大值和 K-S值。再用 GS+V9.0软
件进行地统计分析,建立变异函数的半方差理论模
型,确定基台值、块金值、块金方差比和变程等相关
参数,用来分析研究区内土壤养分的空间异质性。
2　结果与分析
2.1　甘南高原土壤氮磷比空间分布特征
2.1.1　土壤养分描述性统计分析　对实测数据进
行传统统计学分析(表1),用平均值和中数表示样
本中心趋向的分布,用标准差和变异系数表示样本
的变异程度,并采用单样本柯尔莫哥洛夫-斯米诺夫
(One-sampleKolomogorov-Semirnov,K-S)方法检
验地面实测数据是否服从正态分布。结果表明,全
氮、速效磷和氮磷比的含量均随着土层深度的增加
而逐渐降低。0~15cm,15~30cm和30~60cm
这3种土层深度中的全氮和氮磷比的平均值均略大
于中数,0~15cm和15~30cm土层中的速效磷平
均值略小于中数,30~60cm土层中的速效磷平均
值略大于中数。
变异系数的大小表示了系统空间变异性的大
小,一般来说,当变异系数CV≤0.01时,其样本变
异性较弱,当0.01CV≥1时,样本变异性较强。从表1可以看出,氮
磷比在15~30cm和30~60cm的土层中,具有较
强的空间变异性,在0~15cm,15~30cm和30~
60cm土层中的全氮、速效磷,以及0~15cm土层
中的氮磷比和地上生物量均具有中等的变异性,随
着土层深度的增加,土壤全氮、氮磷比的变异程度逐
渐增加,速效磷的变异程度则呈现出先增加后减少
的趋势。在同一土层深度中,土壤全氮统计变异程
度最小,其次为速效磷,氮磷比的变异最大。地上生
物量统计变异程度较小,变异系数为0.49。
表1　2009年甘南高原草地土壤养分及地上生物量描述性统计
Table1　DescriptivestatisticsofsoilnutrientsandabovegroundbiomassonGannanplateauduring2009
土层深度/cm
Soildepth
平均值
Mean
中数
Median
标准差
Standarddeviation
变异系数
Coefficientofvariation
极差
Range
最小值
Minimum
最大值
Maximum
K-S值
K-Svalue
全氮/g·kg-1
Totalnitrogen
0~15 4.13 3.44 2.25 0.55 12.20 1.29 13.49 2.63#
15~30 2.88 2.48 1.77 0.61 12.74 0.70 13.44 2.44#
30~60 2.09 1.64 1.74 0.83 11.56 0.42 11.98 2.68#
速效磷/mg·kg-1
Availablephosphorus
0~15 1.84 1.92 1.31 0.72 9.32 0.32 9.64 2.45
15~30 1.55 1.68 1.32 0.85 12.62 0.23 12.85 2.02
30~60 1.69 1.67 1.42 0.84 11.57 0.13 11.70 1.90
氮磷比/×103
N/Pratio
0~15 3.23 2.13 2.98 0.92 23.98 0.27 24.25 2.31#
15~30 3.32 1.82 4.28 1.29 42.92 0.20 43.12 2.94#
30~60 2.32 1.29 2.58 1.11 11.95 0.10 12.05 2.25#
地上生物量/g·m-2
Above-groundbiomass
49.35 46.20 24.14 0.49 121.92 8.29 130.21 1.243∗
　　注:∗表示显著性水平为5%,#表示样本数据经对数转换后显著性水平为5%
Note:∗indicatessignificantdifferenceatthe0.05level,#indicatessignificantdifferenceatthe0.05levelafterlogarithmictransformation
23
第1期 陈思宇等:甘南高原土壤氮磷比空间异质性研究
　　K-S检验结果表明,地上生物量在0.05水平上
服从正态分布,全氮、速效磷和氮磷比均不符合正态
分布,将全氮、速效磷和氮磷比数据进行对数转换,
经变换后的全氮和氮磷比在0.05水平上服从正态
分布。采用对数转化后的数据计算全氮、氮磷比的
变异函数,速效磷经对数转化后仍不符合正态分布,
因此采用原始数据计算速效磷的变异函数。
2.1.2　土壤养分空间结构特征　根据式(1)计算出
全氮、速效磷、氮磷比和地上生物量变异函数值,表
2所示为根据各养分的变异函数理论模型得出的相
应参数。通过变异函数与理论模型拟合的决定系
数,发现0~15cm土层中的全氮、15~30cm土层
中的速效磷和地上生物量符合指数模型,0~15cm
土层中的氮磷比和15~30cm土层中全氮的理论模
型为球状模型,0~15cm土层中速效磷和氮磷比、
30~60cm土层中全氮、速效磷和氮磷比的理论模
型均符合高斯模型。各模型决定系数的F 检验均
达到极显著性水平,说明理论模型能够较好地反映
土壤指标和地上生物量的空间结构特征。其中,0~
15,15~30和30~60cm这3种土层中的土壤氮磷
比与理论模型拟合的决定系数分别为0.91,0.894
和0.938,其拟合结果最好。
块金值(C0)是空间距离为零时变异函数的值,
反映了由试验误差和小于试验取样尺度引起的变
异,块金值较大说明在较小尺度上的某些过程不容
忽视。0~15,15~30和30~60cm 这3种土层深
度中的土壤速效磷块金值均较大,分别为730,445
和1176,说明影响土壤速效磷的过程作用比较强。
基台值(C0+C)能够反映系统内的总变异,基台值
越高表明系统总的空间异质性越高,但是基台值容
易受自身因素和测量单位大小的影响。结构方差比
(C/(C0+C))可以反映结构方差占总空间异质性的
大小。当结构方差比小于25%时表示系统空间自
相关性弱;当结构方差比在25%~75%之间表示系
统空间自相关性中等;当结构方差比大于75%表示
系统空间自相关性强。0~15,15~30和30~60cm
这3种土层中的全氮、0~15cm土层中的速效磷以
及地上生物量均具有强的空间自相关性。0~15,15
~30和30~60cm这3种土层中氮磷比和15~30,
30~60cm土层中的速效磷均具有中等的空间自相
关性。表明全氮、速效磷和氮磷比以及地上生物量
均受内在属性(如地形、土壤类型等结构性因素)的
影响较大。随着土层深度的增加,全氮、速效磷的空
间自相关性降低,而氮磷比随土层深度的增加空间
自相关性呈现出先降低后增加的趋势。
变程是研究某种属性相似性的一种测度,是反
映空间自相关的尺度。在变程之内,变量具有空间
自相关的特性,反之则不存在。在0~15cm的土层
中,变程由小到大依次为全氮、速效磷和氮磷比,在
15~30cm和30~60cm的土层中,变程具有相同
的规律;地上生物量的变程较小为69m。随着土层
深度的增加,全氮的变程逐渐减小,氮磷比的变程逐
渐增大,而速效磷的变程则随土层深度增加呈现出
先增加后减小的趋势。总体来看,全氮、速效磷、氮
磷比和地上生物量的空间自相关范围具有明显的
差异。
表2　2009年甘南高原草地土壤养分及地上生物量理论模型和相应参数
Table2　TheorymodelsandcorrespondingparametersofsoilnutrientsandabovegroundbiomassonGannanplateauduring2009
土层深度/cm
Soildepth
理论模型
Theorymodel
基台值
Sil
块金值
Nugget
C/(C0+C)
变程/m
Range
决定系数R2
Coefficientofdetermination
全氮/g·kg-1
Totalnitrogen
0~15 指数Exponent 0.027 0.00082 97.0% 129 0.267∗∗
15~30 球状Spherality 0.031 0.001 96.8% 64 0.159∗∗
30~60 高斯 Gaussian 0.045 0.007 85.4% 55 0.131∗∗
速效磷/mg·kg-1
Availablephosphorus
0~15 高斯 Gaussian 2928 730 75.1% 3540 0.686∗∗
15~30 指数Exponent 1411 445 68.5% 9030 0.685∗∗
30~60 高斯 Gaussian 2353 1176 50.0% 979 0.377∗∗
氮磷比/×103
N/Pratio
0~15 球状Spherality 0.099 0.031 69.2% 1195 0.91.0∗∗
15~30 高斯 Gaussian 0.176 0.063 64.5% 1531 0.894∗∗
30~60 高斯 Gaussian 0.265 0.069 73.9% 1545 0.938∗∗
地上生物量/g·m-2
Above-groundbiomass
指数Exponent 335.6 1 99.7% 69 0.104∗∗
　　注:∗∗ 表示显著性水平为1%
Note:∗∗indicatessignificantdifferenceatthe0.01level
33
草　地　学　报 第21卷
　　为了直观反映土壤氮磷比在甘南高原的空间分
布格局,基于地统计分析结果和克里格(Kriging)最
优内插法,对土壤全氮、速效磷含量进行插值,生成
甘南高原土壤氮磷比分布图(图2)。总体来看,研
究区内土壤氮磷比由西向东、由北向南逐渐递增。
在0~15cm土层中,土壤氮磷比主要集中在20以
下;在15~30cm土层中,土壤氮磷比主要集中在
12以下;在30~60cm土层中,土壤氮磷比主要集
中在6以下。随着土层深度的增加,土壤氮磷比逐
渐降低。
图2　土壤氮磷比的空间分布格局
Fig.2　Spatialdistributionofphosphorus-nitrogenratio
注:a,b和c分别表示土壤氮磷比在0~15,15~30和30~60cm土层中的含量
Note:a,bandcindicatetheN/Pratios
of0~15,15~30and30~60cmsoillayers,respectively
2.2　不同草地类型土壤氮磷比空间分布特征
基台值(C0+C)是系统或系统属性最大的变
异,它可衡量不同变量的空间异质性大小[27]。分析
比较不同草地类型的土壤氮磷比在0~15,15~30
和30~60cm土层深度的基台值,结果表明(图3),
高寒草甸和高寒灌丛的基台值均随着土层深度的增
加而逐渐增加,二者变化趋势相似,说明随着土层深
度增加高寒草甸和高寒灌丛的土壤氮磷比空间异质
性增强。非草地的基台值随着土层深度的增加而降
图3　不同土层深度下2种草地类型的
土壤氮磷比的空间异质性
Fig.3　SpatialheterogeneityofN/Pratiooftwo
grasslandtypesindifferentsoillayers
低,说明随着土层深度的增加非草地土壤氮磷比的
空间异质性降低。由此可以看出,土壤氮磷比的空
间异质性在一定程度上受植被影响较大,高寒草甸
和高寒灌丛的土壤养分与植被之间长期相互作用,
随土壤深度的增加氮磷比较为稳定,高寒草甸和高
寒灌丛土壤氮磷比的基台值分别介于6.02~9.03
和10.21~13.28之间,空间异质性的增强趋势缓
慢,而非草地多为裸地和农田,受到人类活动的影响
较大,土壤氮磷比的变化趋势明显,其基台值介于
2.84~18.64之间,随着土壤深度的增加氮磷比的
空间异质性降低。
2.3　土壤氮磷比与海拔之间的关系
基于甘南高原DEM数字高程模型和土壤氮磷
比空间分布图,对不同海拔梯度下的土壤氮磷比进
行分析,结果表明在0~15,15~30和30~60cm的
土层中,土壤氮磷比的最小值、最大值、极差和平均
值等指标均随海拔的升高而减小,说明随着海拔的
升高土壤氮磷比逐渐降低。在同一海拔高度下,随
着土层深度的增加土壤氮磷比的变异性逐渐降低。
在0~15cm和15~30cm土层深度中,土壤氮磷比
属于中等变异强度,在30~60cm土层深度中,海拔
43
第1期 陈思宇等:甘南高原土壤氮磷比空间异质性研究
大于4100m的土壤氮磷比含量具有弱变异性,变
异系数为0.09(表3)。土壤氮磷比空间格局的形成
与土壤本身结构、质地和地形地貌密切相关[26]。研
究区地处青藏高原东北缘,地势由西向东、由北向南
逐渐降低,水热分布与地形有相似的规律,而土壤氮
磷比则由西向东、由北向南呈递增趋势。由表3可
知,随着海拔的升高,土壤氮磷比逐渐降低。土层越
深,其氮磷比的变异越低。这一趋势可能是由于受
到海拔高度、水热条件以及草地植被空间分布格局
等因素的共同影响而引起的。
表3　甘南高原不同海拔梯度下的土壤氮磷比
Table3　SoilN/PratiosonGannanplateauunderdifferentaltitudeandsoillayers
土层深度
Soildepth
海拔/m
Altitude
最小值
Minimum
最大值
Maximum
极差
Range
平均值
Mean
标准差
Standarddeviation
变异系数
Coefficientofvariation
0~15cm
<2300 6.67 56.29 49.62 22.76 7.58 0.33
2300~2900 4.68 31.80 27.12 14.18 4.10 0.29
2900~3500 4.52 23.08 18.56 8.88 3.57 0.40
3500~4100 4.55 18.39 13.83 6.75 2.46 0.36
>4100 4.77 10.77 6.00 5.70 0.96 0.17
15~30cm
<2300 6.87 32.29 25.42 15.77 4.25 0.27
2300~2900 4.53 20.75 16.23 10.75 2.76 0.26
2900~3500 3.86 14.91 11.05 6.56 2.15 0.33
3500~4100 3.53 10.74 7.21 4.87 1.12 0.23
>4100 3.28 7.31 4.03 4.09 0.57 0.14
30~60cm
<2300 6.58 15.37 8.79 9.54 1.68 0.18
2300~2900 4.36 11.49 7.12 6.97 0.98 0.14
2900~3500 3.15 8.40 5.25 4.77 0.92 0.19
3500~4100 2.55 6.01 3.46 3.53 0.53 0.15
>4100 2.20 4.04 1.84 2.78 0.24 0.09
3　讨论与结论
基于野外实测数据,结合地统计学理论和GIS
技术,分析了甘南高原土壤全氮、速效磷、氮磷比及
地上生物量的空间结构特征,绘制出甘南高原土壤
氮磷比空间分布图,结果表明,土壤氮磷比在15~
30和30~60cm的土层中具有强空间变异性,其余
指标均具有中等变异性。随着土层深度的增加,土
壤全氮、氮磷比的变异程度逐渐增加,速效磷的变异
程度呈现出先增加后减少的趋势。随着土层深度的
增加,全氮、速效磷的空间自相关性降低,而氮磷比
空间自相关性则呈现出先降低后增加的趋势。
Kriging插值结果表明甘南地区的土壤氮磷比由西
向东、由北向南逐渐递增,随着土层深度的增加,土
壤氮磷比逐渐降低。在此基础上,本研究进一步探
讨了不同草地类型土壤氮磷比空间分布特征,在不
同土层深度中的变化特点以及土壤氮磷比与海拔之
间的关系。土壤氮磷比的空间异质性在一定程度上
受海拔和植被的影响,高寒草甸和高寒灌丛草地土
壤氮磷比的空间异质性随土壤深度的增加而增强。
随着海拔的升高,土壤氮磷比呈现出降低趋势。
本研究的取样是单次取样,要全面了解甘南高
原的土壤氮磷比空间异质性,还需要进一步对比分
析不同时间序列(如每隔5年)观测样本氮磷比的变
化特征,从时间序列上对土壤氮磷比的异质性展开
进一步的研究。
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(责任编辑　刘云霞)
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