张 伟，张 宏*，王亁蕴

(1．四川师范大学地理与资源科学学院，四川成都610101; 2．四川师范大学工学院，四川成都610101)

青藏高原东缘高寒草地土壤碳空间异质性

张 伟1，张 宏1*，王亁蕴2

(1．四川师范大学地理与资源科学学院，四川成都610101; 2．四川师范大学工学院，四川成都610101)

运用经典统计学和地统计学的方法，探讨青藏高原东缘高寒地区典型的高寒草甸、高寒灌丛样地中小尺度下土壤碳的空间变异特征．结果表明，研究区土壤有机碳变异系数随着样地尺度的增加而增大，变化范围为13．4%～28．4%，均属中等变异．在高寒草甸和高寒灌丛不同采样尺度下土壤有机碳均具有良好的空间自相关性;半变异函数C0/(C0+C1)值介于57．93%～80．92%，具有中等程度空间相关性，说明区域土壤有机碳空间变异的主要原因为人为活动和微域内变异等随机性因素．在相同尺度下高寒灌丛群落土壤有机碳的分形维数值要小于高寒草甸群落;在研究区，随着采样尺度的增大，植被分布、群落盖度等随机因素逐渐减弱，地形起伏等结构因素有逐渐加强趋势．

土壤碳;地统计学;空间变异;尺度效应

土壤是陆地生态系统中最大的碳库，其贮存的有机碳约为大气碳库的 2倍，植物碳库的 3倍［1－3］，是全球碳循环的重要构成．在全球碳收支研究中精确估算陆地碳库对二氧化碳的吸收有着至关重要的作用［4－5］．但土壤有机碳库量的估算在不同学者间存在较大差别，全球土壤碳库量的估算值为1 500～2 300 Pg［3］，中国土壤有机碳库量的估算值为50～185 Pg［6－7］，表现出极大的不确定性．由于资料和实验的限制，尺度选择和转换是碳储量估算差异的重要原因之一．在同一研究区域、不同空间尺度上的土壤特征变异规律存在较大差异［8－9］，在认识尺度效应的基础上，对同一研究区土壤碳进行多尺度研究，揭示土壤碳在连续空间上的变异规律，有助于土壤碳的精确估算．

青藏高原的土壤和植被因其所处高海拔、低温的地理环境对气候变化极其敏感，是全球变化研究的敏感区，青藏高原高寒草地生态系统有不同于其他生态系统独特的生物地球化学过程［10］，在全球变化研究中占有特殊地位．该区域常年低温，极大地减缓了土壤有机质的分解速率，土壤碳储量巨大，占全球总碳库的2．4% ～2．6%［11］，约占全国土壤碳储量的55．6%，是我国土壤碳密度最高的地区之一［12］．近年来，国内外学者对该区域的土壤有机碳储量、分布和转化及其影响因素极为关注，已开展了大量的研究工作［13－15］，土壤碳空间变异的单一尺度和多尺度研究也均有报道［16］．本文在中小尺度下通过高密度网格嵌套采样，从不同群落类型、样地大小、采样密度等角度探讨土壤碳的空间异质性变化，揭示青藏高原东缘高寒地区不同草地类型土壤碳的空间分布及其变异特征，有助于认识该地区土壤碳在不同空间范围上的变异特征，最终为大尺度的土壤碳分布和估算模型模拟和真实信息获取提供实践基础，对评价青藏高原在全球环境变化下生物地球化学循环的响应有重要的意义．

1 材料与方法

1．1 研究区概况 研究区位于青藏高原东缘，四川省阿坝州红原县境内，区内地势为东南向西北倾斜，平均海拔3 600 m．气候属大陆性高原气候，气温日较差大，全年平均气温1．1℃，最热月平均气温10．9℃，最冷月平均气温－10．3℃，全年霜冻期长;年均降雨量791．95 mm且主要集中在5～10月，年均蒸发量1 262．5 mm，降水小于蒸发，空气干燥;日照时间长，年均日照时间2 158．7 h，太阳辐射强，太阳辐射年总量为6 194 MJ/m2．当地的主要植被类型为灌丛和草甸，主要的草甸类型有沼泽草甸、亚高山灌丛草甸和带有高寒性质的亚高山草甸．区内土壤以沼泽土、高山草甸土和亚高山草甸土为主，其中亚高山草甸土占全县土地总面积的55．4%［17］．

1．2 样品采集与分析 样地设置在红原县阿木柯河围栏禁牧的玛莫草场．草甸群落样地(海拔: 3 521 m):群落优势种主要有:四川嵩草(Kobresiasetchwanesis)、丝颖针茅(StipaCapillacea)、西藏嵩草(Kobresiatibetica)、矮嵩草(Kobresiahumilis)等，群落总盖度在 95%左右．灌丛群落样地(海拔: 3 522 m):建群种为高山绣线菊(Spiraeaalpina)，伴生有西藏忍冬(Loniceratibetica)、金露梅(Dosiphorafruticosa)和藏沙棘(Hippophaethibetana)等，群落的总盖度在98%左右．

野外取样时间处于高寒草地生长旺盛期(7月下旬)．利用网格和大样地套小样地的方法在样地内设点采样，高寒草甸样地分别设置2 m×1 m (M0．1)、10 m×5 m(M0．5)和20 m×10 m(M1)3种样地尺度，在样地内分别按0．1、0．5、1 m 3种采样间距取样，高寒灌丛样地分别设置10 m×5 m (S0．5)、20 m×10 m(S1)和30 m×15 m(S1．5)3种样地尺度，在样地内分别按0．5、1、1．5 m 3种采样间距进行采样，取样深度都为0～20 cm，采集土样共计1 200个，将土样编号装入布袋带回实验室，经风干、研磨，过筛，制备装瓶备用．土壤有机碳含量采用重铬酸钾氧化－外加热法测定，每个土样3次重复．

1．3 数据处理 本文采用地统计学方法进行分析．在地统计学中，区域化变量在一定尺度上的相关程度和空间变异可以通过半方差函数的块金值、基台值等参数来反映．相关统计学的方法和原理可参考文献［18－19］．描述性统计利用SPSS13．0完成，自相关分析、分形维数、模型拟合以及空间插值图利用GS+7．0和ArcGIS9．3完成．

2 结果与分析

2．1 土壤有机碳经典统计分析 从表1可以看出，研究区高寒草甸土壤有机碳含量为85．42～119．92 g/kg，高寒灌丛土壤有机碳含量为72．09～92．32g/kg，2种群落下土壤有机质含量差异显著，在不同植被覆盖，不同采样尺度下土壤有机碳变异系数在13．4%～28．4%之间，均属中等变异(0．1＜C．V．＜1)，且变异系数随样地尺度的增加而增大．通过对偏度、峰度的观察和Kolomogorov－Semirnov (K－S)检验，在5%的检验水平下，高寒灌丛和高寒草甸不同样地尺度6组土壤有机碳测量数据均服从正态分布，满足地统计学分析要求．

表1 青藏高原东缘高寒地区土壤碳统计特征值Table 1 Statistical characteristics of soil organic carbon of Alpine Area in Eastern Qinghai－Tibetan Plateau

2．2 不同采样尺度下土壤有机碳空间自相关分析空间自相关是指同一个变量在不同空间位置上的相关性［20］．本文采用Moran’s I自相关指数分析土壤有机碳的空间自相关性随采样尺度的变化．研究结果显示，土壤有机碳在不同取样尺度下均呈现一定的结构性，高寒草甸和高寒灌丛不同采样尺度下土壤有机碳的自相关函数变化趋势基本一致，均随着滞后距离增大，正相关方向逐渐向负方向变化，但自相关的状态和变化程度不同．在高寒草甸土壤有机碳Moran’sI系数波动较大，自相关范围和自相关系数Moran’sI最大值都随着样地尺度的增大而增大，拐点分别出现在0．93、1．4、3．6 m左右，Moran’sI最大值分别为0．158、0．295、0．308;高寒灌丛土壤有机碳Moran’sI系数变化较规则，自相关范围随着样地尺度的增大而增大，拐点分别出现在2．5、5、11 m左右，但自相关系数Moran’sI最大值却随着样地尺度的增大而减小，Moran’sI最大值分别为0．464、0．438、0．233．由于高寒灌丛群落样地具有一定的坡度，而高寒草甸群落样地较前者地势平坦，在相同采样尺度下，高寒灌丛土壤有机碳自相关指标值均大于高寒草甸，结构性因素(地形起伏)对研究区内的高寒灌丛土壤有机碳的空间异质影响明显要高于高寒草甸群落．

2．3 不同采样尺度下土壤有机碳的空间结构特征分析 半方差函数参数既能反映出分析对象空间相关的类型又能说明空间分布的结构，同时能够量化空间相关的范围，其中，块金值(C0)表示随机部分引起的空间异质性，基台值(C0+C1)表示总的空间异质性，随机因素引起的变异与总变异的关系通过块基比(C0/(C0+C1))能够得到反映，当块基比较高时，表明引起空间变异的主要作用为随机部分;当比值较低时，则表明引起空间变异的主导因素为空间自相关部分．在高寒草甸样地，采样尺度M0．1和M0．5有机质含量半方差函数最佳拟合模型符合球状模型，M1符合指数模型．从表2可以看出，随着采样尺度的增大半方差函数的变程呈增大趋势，而块金值、基台值和块基比均随采样尺度增大先减小后增大，块基比分别为64．58%、61．8%、80．92%，M0．1表现出各向同性，而M0．5和M1表现出各向异性，各向异性比分别为4．43和1．73．在高寒灌丛样地，采样尺度S0．5和S1．5有机质含量半方差函数最佳拟合模型符合球状模型，S1符合指数模型．随着采样尺度的增大半方差函数的变程呈增大趋势，块金值、基台值也随着采样尺度的增大而增大，块基比则随采样尺度的增大而减小，块基比分别为68．46%、66．33%、57．93%．灌丛样地各采样尺度(S0．5、S1和S1．5)均表现出各向异性，各向异性比分别为1．8、1．68和2．26．本研究区内的高寒灌丛和高寒草甸土壤有机碳在不同采样尺度下块基比值均较大，介于57．93%～80．92%，具有中等程度空间相关性，而且表明在该样地区域内土壤有机碳的空间变异主要是由微域内变异和人为活动等随机性因素引起的．

表2 不同样地尺度的空间变异特征对比分析Table 2 Comparison of spatial varibility under different plot scales

2．4 不同采样尺度下土壤有机碳的分形维数分析

分形维数是利用半方差函数的双对数曲线的斜率求得的，是对空间异质性程度的表征参数之一［21］，若空间异质性程度越强，则分形维数的数值越小，反之则增大，当分形维数值趋于2时，表明区域化变量基本上是空间不相关的，若等于2，可以说整个样本是空间独立的［21］．从表2可以看出，高寒草甸群落下土壤有机碳的分形维数值较高，均大于1．9，其中高寒草甸群落采样尺度M0．1的分形维数值最大，达到1．97．随着采样尺度的增大，土壤有机碳的分形维数值在高寒草甸群落下表现为减小趋势，而在高寒灌丛群落下表现为先减小后增大的变化;在相同尺度下的土壤有机碳的分形维数值，高寒灌丛群落均小于高寒草甸群落，说明高寒灌丛群落土壤有机碳比高寒草甸群落具有更强的空间异质性．

2．5 不同尺度下土壤有机碳的空间插值分析 利用ArcGIS软件中的地统计模块对不同采样尺度下的土壤有机碳分布的Kriging插值结果如图1，图2在高寒草甸群落中，采样尺度M0．1下土壤有机碳分布较均匀，没有明显方向趋势，在M0．5中则表现出明显的方向性，土壤有机碳呈南北向条带状分布，其中的低值区与样地内的裸露斑块的位置和延伸方向一致，在M1中表现出东西向的带状分布趋势．在高寒灌丛群落样地中，采样尺度S0．5下，土壤碳含量表现出由灌丛下向外逐渐减少的趋势，有明显的“沃岛”效应，与其它地区的研究一致［22］，随着采样尺度的增大，插值图逐渐掩盖了小尺度下的变异，由于地形的影响有机碳含量呈现出沿坡面向下逐渐增加，在坡底聚集［23］，地形起伏在景观尺度上控制着土壤养分的分布状况，是影响土壤空间异质性的一个重要因子［24］．

3 讨论

3．1 不同植被群落对土壤有机碳的影响 在本研究区内高寒草甸表层土壤有机碳含量为85．42～119．92 g/kg，高寒灌丛土壤有机碳含量为72．09～92．32 g/kg，2种群落下土壤有机质含量差异显著，高寒草甸土壤有机碳平均含量高于高寒灌丛土壤，略低于三江平原湿地土壤有机碳含量［25］，但远高于亚热带湿润区湿地和半干旱区主要草原土壤有机碳含量［26－27］，土壤有机碳的含量和分布与研究区的群落组成、盖度、地形、水热条件和土壤特性有一定关系［28］．高寒灌丛和高寒草甸带所处海拔高，冷湿的气候环境，有机质分解率低，利于有机碳的累积．在草甸群落中，植物地下根系生物量集中于表层，且每年死亡率高，周转速率快，利于有机碳的积累;而灌丛根系较深，地下生物量周转速率低，使其有机质和养分富集较慢．

3．2 高寒草甸群落土壤有机碳空间变异特征 高寒草甸群落土壤有机碳在不同取样尺度下均呈现一定的结构性，自相关范围和自相关系数Moran’s I最大值都随着样地尺度的增大而增大，表明高寒草甸土壤有机碳含量随着采样尺度的增大由气候、地形起伏等结构性因素影响增强;随着采样尺度的增大半方差函数的变程呈增大趋势，而块金值、基台值和块基比均随采样尺度增大先减小后增大，M0．1表现出各向同性，而M0．5和M1表现出各向异性，在M0．5中土壤有机碳的方向变异与样地内裸露斑块的出现，斑块大小和分布方向基本一致，在M1中有机碳的主要变异方向与所处的坡向基本一致．分形维数值随采样尺度的增大而缓慢减小，其中高寒草甸群落采样尺度M0．1的分形维数值最大，为1．97说明其空间异质性较弱，趋于均质这与前面的半方差函数分析结果一致．

3．3 高寒灌丛群落土壤有机碳空间变异特征 高寒灌丛土壤有机碳Moran’sI系数变化较规则，自相关范围随着样地尺度的增大而增大，但自相关系数Moran’sI最大值却随着样地尺度的增大而减小，表明高寒灌丛土壤有机碳随着采样尺度的增大人为活动等随机因素影响逐渐加强．由于高寒灌丛群落样地具有一定的坡度，而高寒草甸群落样地较前者地势平坦，在相同采样尺度下，高寒灌丛土壤有机碳自相关指标值均大于高寒草甸，结构性因素对高寒灌丛土壤有机碳的空间异质影响明显要高于高寒草甸群落．在高寒灌丛样地，随着采样尺度的增大半方差函数的变程、块金值、基台值均呈增大趋势，块基比则随采样尺度的增大而减小，空间相关性增强，这是由于随着采样尺度的增大灌丛丛间和丛下表现出来的有机碳含量分布差异［29］，逐渐被掩盖，局部地形和地貌的影响更加突出．由于灌丛分布和局部地形的影响，灌丛样地各采样尺度均表现出各向异性，分形维数值随采样尺度的增大呈现出先减小后增大的变化趋势，但在相同尺度下高寒灌丛群落小于高寒草甸群落，表明灌丛群落入侵草甸植被后会使土壤养分空间变异增大［30］．

4 结论

1)研究区内，土壤有机碳含量较高，平均含量均高于70 g/kg，高寒草甸群落有机碳含量明显高于高寒灌丛群落．由于采样尺度的差异，土壤有机碳变异系数变化范围为13．4%～28．4%，属中等变异，空间变异随样地尺度的增加而增大．

2)高寒草甸群落土壤有机碳含量空间分布的自相关系数和自相关距离随着采样尺度的增大而增大，分形维数随着采样尺度的增大而减小，块基比则随着采样尺度的增大先减小后增大．高寒灌丛群落土壤有机碳含量空间分布的自相关距离随着采样尺度的增大而增大，自相关系数和块基比则随着采样尺度的增大而减小，分形维数的变化趋势是先减小后增大．

3)在不同群落覆盖，不同采样尺度下，除了M0．1，其余各尺度下土壤有机碳空间分布均存在各向异性，随着采样尺度的增大，植被分布，群落盖度等随机因素逐渐减弱，地形起伏等结构因素逐渐加强，在本研究的最大采样尺度上土壤有机碳的含量基本沿着坡面呈水平带状分布，且有由上到下逐渐增强的趋势．

致谢 四川师范大学大精设备开放项目对本文给予了资助，谨致谢意．

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Spatial Heterogeneity of Soil Organic Carbon of Alpine Meadow in the Eastern Qinghai-Tibet Plateau

ZHANG Wei1，ZHANG Hong1，WANG Qianyun2

(1．College of Geography and Resource Science，Sichuan Normal University，Chengdu 610101，Sichuan; 2．Technical Faculty，Sichuan Normal University，Chengdu 610101，Sichuan)

Classical statistics and geostatistics were used for the analysis of the spatial variability of soil organic carbon of alpine shrub and meadow land in the eastern Qinghai-Tibet plateau with three sampling scales．The results showed that the coefficient of variation of soil organic carbon with different sampling scales were in the range of 13．4% ～28．4%，which was a moderate variation and the spatial variability of soil organic increased with the increasing of the sample scales．There was a fine spatial autocorrelation of the soil organic carbon in the alpine meadow and shrub land．In different scales，the value of C0/(C0+C1)of the soil organic carbon was in range of 57．93% ～80．92%，which indicated a medium spatial correlation，and it was shown that the spatial variability of soil organic carbon in the sample area was mainly caused by random factors，such as micro domain variation and human activities．In the same scale，fractal dimension of soil organic carbon of alpine shrub communities was less than alpine meadow community．In the sample areas，with the increase of sampling scale，such as vegetation distribution and community coverage，the random factors gradually weakened．However，the structure factors，such as the terrain，gradually strengthened．

soil organic carbon;geostatistics;spatial variability;scale effects

S159

A

1001－8395(2016)04－0602－06

10．3969/j．issn．1001－8395．2016．04．027

(编辑 郑月蓉)

2015－03－31

国家自然科学基金(41371125)

*通信作者简介:张 宏(1961—)，男，教授，主要从事生态资源开发与保护等方面的研究，E－mail:zh_zhhong@sicnu．edu．cn