土壤生物空间异质性及其在土壤生态学研究中的意义研究.pdf

土壤生物空间异质性及其在土壤生态学研究中的意义 土壤生物空间异质性及其在土壤生态学研究中的意义 梁文举，姜 勇，闻大中 l (中国科学院沈阳应用生态研究所，沈阳 10016) 摘要：空间异质性对于认识不同尺度上的生态系统结构、功能和过程具有重要意义。地统 计学的空间分析方法为研究影响土壤生物群落空间异质性和生物活动的驱动因子、并利用这 些因子来维持和调节土壤生物多样性，认识土壤生物空间分布对植物生长和植物群落结构的 影响等提供了新的视点。综合了有关土壤生物空闻分布特性的研究文献，对土壤生物分布的 空间异质性尺度、格局及原因、土壤生物多样性空间异质性的意义、地下部分空间格局对地上 部分的重要性、以及土壤生物空间异质性在实践中的应用进行了归纳与评述。 关键词：土壤生态学；土壤生物区系；生物多样性；地统计学；空间异质性 l 引 言 土壤生态学是土壤学、生态学、地理学以及环境科学相互交叉的一门具有广泛研究领 域的新兴学科，它以土壤生物为中心，研究土壤生物间、土壤生物与土壤非生命环境问的 相互作用，土壤生物群落与土壤内部环境以及外界环境之间的能景流、物质流和信息流， 以揭示土壤生物群落的结构，认识复杂的土壤生成过程，并应用整体与局部结合的方法， 重视与社会环境相结合，以达到改造土壤生态系统的结构和功能，实现土壤资源持续利用 的目标【2 9|。近年来，土壤生物区系、土壤生物多样性及全球变化方面的研究已成为土壤 生态学研究中的热点和前沿领域心4|。随着地统计学方法在生态学领域的应用，利用土壤 生态学的空间分析方法，可以找出引起空间异质性及土壤生物活动的影响因子，为维持和 调整土壤生物多样性，以及土壤生物如何影响植物生长和植物种群结构等提供了新的研 究视点【lo]。本文综合有关土壤生物区系空间分布特性的研究文献，对土壤生物分布的空 间异质性尺度、格局及原因、土壤生物多样性中空间异质性的意义、地下部分空间格局对 地上部分的重要性、以及土壤生物异质性在实践中的应用等进行了评述。 2土壤生物空间异质性 2．1几个基本概念 与普通生态学及农业生态学给出的空间结构的概念类似，我们认为，土壤生物的空间 structure)是指土壤生物群落在空间上垂直变化和水平格局的变化，构成空 结构(Spatial 间三维结构格局。水平结构系指在一定的生态区域内，土壤中各种生物种群所占面积的 比例、镶嵌形式、聚集方式等水平分布特点；垂直结构系指土壤生物种群在垂直方向上的 分布格局。因为水平格局方面的文献较少，而垂直的空间分布多集中在原状土柱的垂直 梯度方面，因此我们重点讨论水平格局上的空间分布。变异性(Yariability)是指在给定某 ’ ·420· 面向农业与环境的土壤科学 个性质的值的前提下，表示其空间或时间的变化。可以利用标准参数统计来定量表示，它 构的变异性，空间分布不是同一的或随机的，而是呈斑块状集聚。可以通过尺度和格局的 定量化来对异质性的控制和结果进行评价。空间自相关分析(Autocorrelation)是地统计 学的核心，它通过半方差函数(Semivariance)进行计算，半方差函数的主要参数有块金值 Dimension)等[10]。有关地统计 (Nugget)、基台值(sin)、变程(Range)、分形维数(Fractal 学的基本原理及其在生态学研究中的应用，王政权在《地统计学及在生态学中的应用》进 行了较详细的论述ⅢJ。利用地统计学分析对土壤非生物学性质的分布特性进行量化已 较为流行，在国内也得到普遍应用12143I，对土壤生物学性质的异质性进行量化在国外已 逐渐受到重视【lo|，而国内在这方面的应用还较为滞后。 2．2土壤生物空间异质性的尺度和格局 人们对空间在种群、群落及生态系统过程中的基础作用越来越重视。例如，人们普遍 认为栖息地的空间异质性对物种和群落问的共生、种群的延续具有很大的影响。土壤生 物的空间格局及其决定因子将会影响到分解作用、养分供应、根际食草动物的空间格局， oI。 并将最